Сварка аустенитных сталей полуавтоматом

Обновлено: 27.09.2024

Сталь аустенитного типа получила широкое распространение в энергетическом, химическом и машиностроительном производствах, благодаря своим химико-физическим показателям.

Аустенитные стали: состав и свойства

Главное преимущество этого класса стали – коррозионностойкость, благодаря добавлению хрома. Наличие добавки хрома в количестве 18% делает сталь устойчивой ко многим окислительным средам (например, в азотной кислоте).

Добавление в сталь никеля в количестве 9-12% превращает материал в аустенитный класс. Этот процесс увеличивает практичность применения стали, а именно повышает пластичность и снижает вероятность к появлению зерна.

Вместо хрома и никеля в составе аустенитной стали могут быть другие добавки: ферритизаторы и аустенизаторы.

Сложности и их устранение при сварке аустенитной стали

Помимо преимущественных характеристик, данная сталь имеет определенные особенности, что влияет на сложность сварного процесса. В первую очередь, из-за того, что у аустенитной стали есть предрасположенность к формированию микроскопичных надрывов и трещин горячего типа. Локализация этих дефектов происходит в основном шве и околошовной зоне. Таким процессам способствует форма кристаллизации этого металла (ячеисто-дендритная).

Методики, устраняющие кристаллизацию аустенитной стали:

Снижение уровня проплавления металла с помощью материалов для сварки из электрошлакового переплава или вакуумной выплавки.
Увеличение легирующих добавок, таких, как бор, что дает возможность создать эвтектику.
Модификация кристаллизационной схемы сварных швов. Этот способ считается универсальным, т. к. он увеличивает степень растворимости легирующих добавок в первичном железе. Таким образом, существенно снижается вероятность возникновения горячих трещин.

Сварные соединения аустенитных сталей эксплуатируются при высоких температурах, поэтому они должны не изменять своих характеристик (жаростойкость). Выполнить это сложно в силу того, что в охлажденном сварочном шве происходит закрепление неравновесных структур. Это уменьшает пластические способности сварного соединения уже при температуре +350 о С. Также в сталях этого класса нередко возникают трещины в зоне вокруг шва.

Данные проблемы способна решить наплавка дополнительного металлического слоя двухфазной структуры, по составу непохожая на основной металл.

Длительная эксплуатация приводит к возникновению трещин и поврежденных участков – от этого избавляются аустенизацией при температуре +1100 о С и последующим самонаклёпом или стабилизирующим отжигом.

Технологии сварки

Для минимизации возникновения дефектов в дальнейшем процессе эксплуатации хромоникелевых сталей необходимо правильно подобрать оптимальный способ сваривания аустенитной стали.

Основные способы сварки аустенитной стали:

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка представляет собой достаточно маневренный способ. Это сваривание происходит таким образом, чтобы химический состав оставался неизменным при разных пространственных положениях и возможных позициях соединений.

Важно рассчитать размер наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя. Выполнить эти условия возможно, изменяя состав покрытия используемых электродов. Покрытие подбирают для того, чтобы в итоге в сварочном шве не было горячих трещин и присутствовал в необходимом количестве первичный феррит. Для этого часто используют электроды с содержанием фтора и кальция.

Оптимальные рекомендации для ручной дуговой сварки:

ниточные швы с помощью электродов сечением 3 миллиметра;
60-90 минут прокаливать сварочные электроды при температуре от 250 о С до 400 о С (выполнить это необходимо перед началом сварки). Это препятствует возникновению пор в соединительном шве.

Подходящие электроды используют на постоянном токе и обязательно с обратной полярностью. На максимальном токе сварка выполняется в положении снизу. А если работа необходима в вертикальном или потолочном расположении, нужно брать силу тока на 10-30% меньше.

Электрошлаковая сварка

Технология выполнения работы электрошлаковой сваркой сама по себе минимизирует возможность образования горячих трещин.

Преимущества данной техники сварки:

Отсутствие существенных деформаций в угловой и стыковой областях.
Неспешная скорость движения нагревательного оборудования.
Мягкая кристаллизация сварочной ванны.

Для данного типа сварки используют электроды в форме пластин с толщиной от 6 до 20 мм или проволоку с толщиной 3 мм.

Сварка в атмосфере защитных газов

Сварка в атмосфере защитных газов позволяет выполнять работы на изделиях разнообразной толщины. В этой технологии положительно работают активные и инертные газы. Сварщик за счет разнообразия защитных газов самостоятельно выбирает условия ввода в металл необходимого количества тепла и может менять эффективность электродуги.

Данный способ сваривания можно осуществлять в любом положении. Благодаря этому преимуществу такую сварку часто используют вместо дугового процесса, особенно если защитная среда создается с помощью аргона или гелия.

Для этого типа работы характерно использование вольфрамовых или плавящихся электродов. Они отлично подходят для изделий в 5-7 мм.

Сварка выполняется импульсной или горящей дугой. Оптимальнее использование первого вида, т. к. при импульсной работе снижается искажение конфигурации кромок, а также уменьшается длина околошовной зоны.

Вольфрамовые электроды можно использовать как с присадочным материалом, так и без него. Это зависит от толщины соединяемого места и конструкции детали.

Работа происходит на постоянном токе с прямой полярностью (в ручном или автоматическом режиме). Но следует помнить, что автоматическое сваривание нержавеющих сталей с высоким объемом алюминия выполняют, используя только переменный ток.

Для активных газов и смеси из газов применяются плавящиеся электроды. Стержни такого типа способствуют высокому качеству работы при использовании их в импульсно-дуговой сварке. Данная техника выполняется в смеси кислорода, углекислого газа и аргона, а также в чистом виде аргона.

Сварка аустенитных сталей – обо всех тонкостях процесса понятно и просто

Сварка аустенитных сталей признается достаточно сложным, но при этом вполне выполнимым процессом, который имеет немалое количество нюансов. Их следует учитывать тогда, когда планируется сваривать конструкции из подобных сплавов.

1 Немного информации об аустенитных сплавах

Аустенитные стали – это композиции на железной основе с большим объемом легирующих добавок, ключевыми из коих являются хром и никель. Общий объем всех легирующих элементов в таких сплавах может равняться 65 процентам. Композиции аустенитного класса активно эксплуатируются в разных сферах машиностроения, включая энергетическое и химическое, так как изделия из них могут эффективно функционировать при разных показателях температуры.

Различают высоколегированные, жаропрочные, коррозионностойкие и жаростойкие композиции. Все они обладают различными свойствами, что и обуславливает их служебное назначение.

Например, жаропрочные стали, улучшаемые вольфрамом и молибденом, способны долгое время противостоять высоким температурным нагрузкам. Конструкции из коррозионностойких сплавов не боятся вредного влияния агрессивных сред, а жаростойкие сохраняют свою химическую структуру при температурах до +1150 градусов.

После грамотно проведенной термообработки описываемые сплавы обретают уникальные пластические и прочностные характеристики. Так, после закалки по уровню пластичности они превосходят обычные углеродистые стали в несколько раз. В целом стоит отметить, что именно режимы термической обработки оказывают огромное влияние на структуру аустенитной стали (такое же, как и их химический состав).

По системе легирования интересующие нас композиции подразделяют на два больших класса: хромомарганцевые и хромоникелевые. Кроме того, отдельно выделяют хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые составы.

2 Описание особенностей сварки

Такие стали сваривать достаточно сложно, так как они имеют явно выраженную склонность к формированию в околошовной области и непосредственно в сварном шве горячих трещин и микронадрывов. Указанные дефекты появляются из-за возникновения в сплаве крупнозернистой макроструктуры (другими словами, они имеют межкристаллитный характер).

Металл сварных соединений, когда речь идет об аустенитных композициях, характеризуется особой формой кристаллизации (ее называют ячеисто-дендритной), которая становится причиной появления легкоплавких фаз и очень крупных кристаллов столбчатого типа. Увеличить стойкость швов можно при помощи специальных технологий, дающих возможность устранить указанную структуру металла. Суть таких методик обычно заключается в измельчении кристаллов, а также в уменьшении количества серы и фосфора в металле.

Очень часто с горячими трещинами борются при помощи снижения уровня проплавления металла и посредством использования материалов для сварки, которые производятся из сталей электрошлакового переплава либо вакуумной выплавки. Иногда существенно снизить опасность образования трещин можно увеличением ликвирующих добавок (например, бора) до таких показателей, которые позволяют получить на кристаллитах обильную эвтектику.

Если же указанные методики не подходят, используется универсальный способ предупреждения трещин, который предполагает модификацию кристаллизационной схемы сварных швов, приводящий к увеличению степени растворимости ликвирующих добавок в первичном феррите, присутствующем в них. При изменении схемы отмечается дезориентация и измельчение структуры феррита и кристаллов аустенита, что значительно снижает активность появления трещин. Процесс модификации швов выполняется посредством добавки таких легирующих компонентов, как молибден, хром, алюминий или кремний.

3 Тонкости сварки жаропрочных сплавов аустенитного класса

Сварные соединения таких сталей должны на протяжении долгого времени эксплуатации при высоких температурах не изменять своих механических (весьма, заметим, высоких) возможностей. Выполнить данное условие непросто из-за того, что в металле шва при быстром его охлаждении после сварки наблюдается закрепление неравновесных структур. Они уменьшают пластические характеристики сварного соединения уже при температуре около +350 °С (так как происходят бурные диффузионные процессы).

Кроме того, при температурах от +500 до +650 °С отмечается формирование α-фазы и в то же самое время выпадение карбидов, от +350 до +500 °С (при выполнении операции термического старения) – образование хрупкости. Очень хрупким металл становится и при выдержке, производимой при температуре около 800 °С (она приводит и к уменьшению прочности соединения). С целью минимизации указанных негативных явлений в жаропрочных сплавах пытаются уменьшить содержание углерода (в металле шва и в основном металле).

В жаропрочных сталях нередко образовываются и трещины в околошовной области, вызываемые понижением прочностных и пластических показателей основного металла во время его термической обработки. Подобные дефекты обусловлены тем, что кислород и углерод в больших количествах, будучи поверхностно-активными элементами, способны стать причиной возникновения эвтектик легкоплавкого типа. А при продолжительной работе конструкций, сделанных из жаропрочных сталей, в области сварного шва нередко появляются интерметаллиды и карбиды (мелкодисперсные), которые делают соединение хрупким.

Все эти проблемы решаются наплавкой специального металлического слоя с двухфазной структурой, которая не имеет ничего общего с основным металлом. Но при эксплуатации сварных конструкций дополнительный слой упрочняется, что через некоторое время снова приводит к образованию деформированного участка и все тех же трещин. Избавиться от них можно высокотемпературной (порядка 1100 градусов) аустенизацией и следующим за ней самонаклепом либо стабилизирующим отжигом. Последний осуществляется при температуре не менее 750 градусов.

4 Электрошлаковая сварка аустенитных сплавов

Данный вид сварки сводит к минимуму вероятность появления горячих трещин, что обусловлено технологией ее выполнения. Электрошлаковый процесс характеризуется:

отсутствием значимых угловых деформаций в стыковых зонах;
небольшой скоростью передвижения нагревательного оборудования;
"мягкой" кристаллизацией ванны.

При этом высокие рабочие температуры (от 1200 °С) с течением времени приводят к околошовным (по своей сути локальным) разрушениям металла шва. Если же электрошлаковой сварке подвергаются сплавы с высокой коррозионной стойкостью, в соединении нередко формируется так называемая ножевая коррозия, нивелировать которую можно при помощи стабилизирующего отжига и закалки металла.

Выполняется описываемый вид сварки электродами пластинчатой формы (их толщина находится в пределах 6–20 миллиметров) либо трехмиллиметровой проволокой. Пластинчатые стержни рекомендуется применять для деталей, имеющих малые по длине сварные швы, но большую толщину.

Проволока дает возможность изменять процесс кристаллизации соединения и форму сварной ванны, за счет чего риск появления трещин значительно снижается. Но производство проволоки требует больших финансовых и трудовых затрат, чем изготовление пластинчатых стержней. Кроме того, ее жесткость уменьшает надежность функционирования подающих и токоподводящих механизмов оборудования, используемого для сварки.

Флюсы для электрошлакового процесса:

При работе с жаропрочными композициями допускается применять и безокислительные фторидные флюсы, но их использование в некоторых случаях требует обдува шлаковой ванны (ее верхних слоев) струей аргона.

5 Ручная дуговая сварка

Этот процесс проводится таким образом, чтобы заданный химсостав шовного металла оставался неизменным при любых пространственных положениях и вариантах соединений. При этом во внимание обязательно принимается объем наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя.

Добиться соблюдения данных условий можно посредством изменения состава покрытия применяемых электродов. Покрытие подбирают так, чтобы в шве не было трещин горячего типа, и присутствовал (в требуемых количествах) первичный феррит. Чаще всего, используются фтористокальциевые стержни. Ими не совершают поперечные колебания (а также в процессе сварки поддерживают короткую дугу), что снижает опасность появления изъянов, обусловленных прилипанием брызг.

Специалисты рекомендуют осуществлять ручную сварку ниточными швами при помощи электродов сечением три миллиметра. Желательно, кроме всего прочего, на протяжении 60–90 минут перед началом процесса прокаливать сварочные стержни при температуре от 250 до 400 градусов. Подобная предварительная их подготовка исключает вероятность формирования пор в получаемом соединении.

Покрытые стержни эксплуатируют при электродуговой сварке на обратнополярном постоянном токе. Показатель его силы, как правило, выбирают по отношению к сечению сварочного электрода на 15–30 А/мм выше. На максимальном токе выполняют работы в нижнем положении. А в вертикальном и потолочном положениях нужно использовать меньшую (на 10–30 процентов) силу тока.

6 Сварка в атмосфере защитных газов

Методика позволяет сваривать изделия разной толщины – от десятых частей до нескольких десятков миллиметров, применяя активные и инертные газы, а также их смеси. За счет такого разнообразия защитной среды сварщик имеет возможность подбирать условия ввода в металл требуемого количества тепла и изменять эффективность электродуги, расширяя тем самым технологический потенциал сварочной операции.

Сварка в защитной газовой атмосфере может производиться в любых пространственных положениях. По этой причине она очень часто используется вместо дугового процесса, особенно в тех случаях, когда защитная среда создается инертным гелием либо аргоном. В данной ситуации сварку ведут плавящимися либо вольфрамовыми стержнями. Они идеальны для соединения изделий 5–7 миллиметров толщиной (например, тонкостенных труб) и сваривания корневых швов.

Сварка в защитных газах осуществляется импульсной или горящей дугой. Рациональнее использовать первый вид дуги, так как он снижает проявления коробления кромок, которые подвергаются свариванию, а также снижает длину околошовного участка, гарантируя при этом качественное создание шва на небольшой по толщине конструкции.

Вольфрамовые стержни для сварки аустенитных сплавов эксплуатируют без присадочного материала либо с таковым. Выбор конкретного способа зависит от конструкции и толщины сварного соединения. Сварка проводится на токе (постоянном), имеющем прямую полярность, в автоматическом режиме либо вручную (тогда нужно применять горелки специального вида). Отметим, что автоматическая сварка аустенитных композиций с большим объемом алюминия ведется на переменном токе.

В смеси газов и в активных газах обычно используют плавящиеся сварочные стержни. Они, впрочем, подходят и для выполнения операции в инертных средах. Последние, в частности, рекомендуют для соединения изделий из высоколегированных сплавов, в составе коих имеется титан, алюминий и иные компоненты, считающиеся легкоокисляемыми.

Плавящиеся электроды обеспечивают высокое качество процесса при импульсно-дуговой сварке, выполняемой в смеси углекислого газа, кислорода и аргона, а также в чистом аргоне. Данным способом, как правило, соединяют конструкции малой толщины. Импульсно-дуговая операция в инертной среде обеспечивает минимальную вероятность образования трещин.

Плазменной сваркой в защитной атмосфере чаще всего соединяют стали толщиной не более 12 миллиметров. Использовать плазму для сварки более массивных деталей нет смысла, так как в сварных швах формируются подрезы, снижающие качество операции.

Проволоки Св-06Х20Н11МЗТБ, 08Х25Н13БТЮ, 08Х20Н9С2БТЮ, 06Х19Н10МЗТ, 07Х18Н9ТЮ для сварки аустенитных сплавов с большим уровнем легирования создаются с учетом того, что они обязаны обеспечивать необходимые механические показатели и высокую стойкость против ржавления. В связи с этими требованиями в проволоках имеется высокое содержание хрома, ниобия, алюминия, титана и кремния.

7 Все нюансы сваривания аустенитных сталей под флюсом

Нефтехимические и химические предприятия для соединения элементов разнообразного специального оборудования из аустенитных сплавов чаще всего используют именно сварку под флюсом. Она гарантирует неизменность характеристик металла и его состава по всей протяженности сварного соединения. При этом указанное постоянство свойств наблюдается и при сварке с разделкой кромок, и при операции без разделки.

Указанное достоинство сварки под флюсом позволяет получать любые по длине швы без появления в них кратеров и обеспечивает следующие преимущества:

потери на огарки и угар существенно снижаются (до 10–20 процентов);
поверхность соединения формируется без каких-либо затруднений;
допускается соединение стальных изделий толщиной до 4 сантиметров без потребности в разделке кромок (при этом обеспечивается высокий зазор);
снижается трудоемкость мероприятий подготовительного плана, так как на заготовках более 12 мм толщиной не нужно разделывать кромки;
увеличивается стойкость металла к ржавлению, обусловленная малой чешуйчатостью сварных соединений;
отличная защита сварочной области от процессов окисления.

Легирование соединительного шва осуществляется через сварочную проволоку либо флюс. Более качественную стабильность структуры шва обеспечивает проволока, которая изготавливается по Государственному стандарту 2246. В качестве флюсов применяются составы без фтора (высокоосновные), а также фторидные композиции с низким содержанием кремния. Именно такие флюсы (АНФ-14, АН-26 и другие) обеспечивают малый угар компонентов, вводимых в сталь с целью легирования, и формируют слабо- или вовсе безокислительные среды.

Если сварка осуществляется под бесфтористыми флюсующими составами, процесс ведется на прямом по полярности токе, под фтористыми – на обратном. В обоих случаях при этом применяется постоянный ток. По сравнению со сваркой углеродистых сталей силу тока для выполнения сварки аустенитных композиций берут на 10–30 процентов меньшую (при условии, что нужно получить аналогичный уровень проплавления металла).

Обратите внимание! Флюсы, которые применяются для соединения изделий из высоколегированных сталей, перед сваркой всегда прокаливают. Температура данной операции – от 500 до 900 градусов, продолжительность – не менее 60 и не более 120 минут. Если все советы по сварке проволоками с высокой степенью легирования под флюсом будут учтены, сварной шов стопроцентно получит заданные характеристики.

Сварка нержавеющей стали – какую технологию выбрать?

Сварка нержавеющей стали должна производиться с учетом ее физических свойств и химического состава. В противном случае процесс не принесет ожидаемого результата.

1 Особенности нержавеющей стали, затрудняющие ее сварку

В соответствии с современной классификацией, нержавеющая сталь, отличающаяся повышенной стойкостью к коррозии, причисляется к группе высоколегированных сталей. Содержание в нержавейке хрома – главного легирующего компонента – варьируется в пределах 12–30 процентов. Также в состав такой стали зачастую вводят специальные добавки с целью повышения ее антикоррозионных и сугубо механических параметров.

К таковым относят, в частности, титан, марганец, никель, молибден. Кроме того, сейчас осуществляется закалка стали с высоким содержанием хрома, повышающая многие ее физические характеристики. Прежде чем разобраться с тем, какие способы сварки нержавеющей стали применяются в настоящее время, имеет смысл ознакомиться с некоторыми ее характеристиками, влияющими на свариваемость подобных изделий. К таким причисляют:

Относительно высокий показатель коэффициента расширения (линейного), обуславливающего существенную литейную усадку металла. Из-за этого при сварке отмечается повышенная деформация стали, которая может наблюдаться и после проведения сварочных работ. В тех случаях, когда между соединяемыми конструкциями значительной толщины не оставляют зазора, высока вероятность образования крупных трещин.
Меньшую в 1,5–2 раза теплопроводность нержавейки (если сравнивать ее с низкоуглеродистым металлом). Становится причиной увеличения теплоты, что ведет к проплавлению свариваемых поверхностей в месте их соединения. В связи с этим технология сварки нержавеющей стали предполагает снижение на 15–20 процентов силы тока по сравнению с его величиной, необходимой для сварки обычных сталей.
Явление снижения антикоррозионных свойств нержавеющих сталей при несоблюдении рекомендованного режима термической обработки. Обусловлено оно формированием карбида хрома и железа по краям зерен, когда температура становится более 500 °С, и носит название межкристаллитной коррозии. Существует несколько способов решения означенной проблемы. Один из них заключается в поливке холодной водой свариваемых поверхностей (подходит для аустенитных хромоникелевых сталей).
Сильный нагрев (из-за повышенного электрического сопротивления) электродов с хромоникелевыми стержнями. Чтобы избежать перегрева, используют электроды длиной до 35 сантиметров.

2 Сварка нержавеющей стали – основные способы

На данный момент существуют следующие технологии сварки сталей с большим содержанием хрома:

Непосредственно перед проведением процесса сварки нержавейку следует обезжирить (ацетон, авиационный бензин), чтобы обеспечить устойчивость дуги и сделать пористость шва более низкой, а также зачистить до блеска кромки поверхностей, которые планируется соединить. После этого можно приступать к сварке по выбранной технологии. Далее мы подробно опишем самые популярные способы сварки и очень кратко те, которые редко используются.

3 Технология ММА – электроды для сварки нержавеющей стали

Самой распространенной считается сварка покрытыми электродами (ММА). Такой метод очень часто применяется домашними мастерами. Он подходит для тех случаев, когда к качеству сварки не предъявляется очень жестких требований. Важно только грамотно подобрать электроды для нержавеющей стали, которые делятся на два типа:

из двуокиси титана с рутиловым покрытием: ими можно осуществлять сварку на постоянном (полярность – обратная) и переменном токе, подобные электроды характеризуются малым разбрызгиванием при использовании и стабильной дугой, обеспечивающей постоянное горение;
с основным покрытием (как правило, оно создается карбонатами магния и кальция): годятся для применения на постоянном токе (полярность – обратная).

Выбирать электроды для сварки нержавеющей стали лучше всего по ГОСТ 10052, в котором четко указаны их типы и соответствие каждого из них нержавейке конкретного состава. Если вы знаете марку стали, которую требуется сваривать, Госстандарт подскажет, какой вам выбрать электрод. Причем нужно помнить, что выбранное изделие обязано обеспечить сварным поверхностям заданные характеристики (механические параметры и требуемую коррозионную стойкость).

4 Аргоновая сварка в режиме AC/DC TIG и полуавтоматическая MIG

Технология с применением вольфрамовых электродов (аргоновая сварка) оптимальна для сваривания изделий, к которым выдвигаются особые требования по качественным показателям, при необходимости соединения конструкций из тонкого металла. Чаще всего она используется для сваривания трубопроводов из нержавейки, которые служат для перемещения под давлением газов либо жидкостей, дымовых нержавеющих труб.

Особенности данной технологии следующие:

во избежание попадания вольфрама в сварочную ванну используется бесконтактный поджог дуги (при невозможности выполнить это требование зажигание допускается выполнять на угольной плите и только потом переносить дугу на металл);
осуществлять сварку можно и на переменном, и на постоянном токе;
конкретный сварочный режим подбирается по толщине деталей, которые соединяются (устанавливается сечение электрода для сварки нержавеющей стали и присадочной проволоки, сила и полярность тока, расход аргона, скорость проведения процедуры);
уровень легирования присадочной проволоки должен быть выше, чем у основной стали;
чтобы металл не окислялся, а сварочная зона не нарушалась, желательно не производить электродом колебательных движений.

Сократить расход вольфрамового электрода при выполнении сварочных работ можно очень просто. Для этого не нужно в течение 10–15 секунд отключать подачу аргона после окончания сварочной процедуры.

Суть в том, что подобный обдув электрода существенно уменьшает его окисление. Полуавтоматическая сварка по своей технологии почти не отличается от рассмотренного выше варианта соединения поверхностей. Просто при такой методике нержавеющая проволока подается не вручную, а механизировано. Понятно, что обработка, которой подвергается нержавеющая сталь (сварка изделий), проходит в режиме MIG проще, точнее и быстрее.

Данная полуавтоматическая технология позволяет применять несколько различных техник для сварки разных по толщине материалов:

для поверхностей с большой толщиной – струйный перенос;
для тонколистового металла – сварка короткой дугой;
универсальная техника – импульсная сварка (признается самым экономически выгодных способом соединения деталей из нержавейки).

5 Менее распространенные технологии сварки

К таковым относится:

Лазерная сварка нержавеющей стали: обеспечивает отсутствие эффекта разупрочнения в зоне отпуска термически упрочненной стали, появления холодных и горячих трещин, большую скорость остывания шва, наименьшие параметры зерна. Методика востребована на предприятиях тракторной и автомобильной промышленности, а также в некоторых отраслях машиностроения.

Сварка давлением (иначе называется холодной): базируется на соединении деталей на уровне их кристаллических решеток под давлением без плавления заготовок. Поверхности свариваются в тавр либо внахлест по двухсторонней (обе детали подвергаются пластической деформации) или односторонней (давление воздействует лишь на один лист) схеме.

Роликовая и точечная (контактная) сварка: подходит для металлических листов толщиной не более 2 миллиметров. В этом случае используется оборудование для сварки нержавеющей стали, на котором выполняется сварка и других металлов.

Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединениях необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 1). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 . 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и ?-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 . 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3) Применением технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 2). При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;

4) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок. Снижение его действия достигается ограничением силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги. Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050 . 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750 . 800 °С. При невозможности термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350 . 400 °С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах - после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и создания в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно легируют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кислороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислительную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), выгорает в количестве 70 . 90 %. Легирование швов титаном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флюсов. В металле швов содержание титана должно соответствовать соотношению Ti/C > 5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно соответствовать Nb/C > 10. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.

Газовая сварка обеспечивает большую зону разогрева, значительный перегрев расплавленного металла и замедленное охлаждение. При этом происходит значительный угар легирующих элементов. Она наименее благоприятна для сварки этих особенно кислотостойких сталей, в которых может развиваться значительная межкристаллитная коррозия. Газовая сварка может использоваться для сварки жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1 . 2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем с мощностью пламени 70 . 75 л/ч на 1 мм толщины. Процесс следует вести с возможно большей скоростью левым способом, мундштук держать под углом 45° к поверхности. В сварных соединениях образуются большие коробления.

Ручная дуговая сварка это высокоманевренный способ. При сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют достаточно широкий допуск по химическому составу. Различие типов сварных соединений, пространственного положения сварки и т.п. способствует изменению глубины проплавления основного металла, а также изменению химического состава металла шва. Все это заставляет корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения, таким образом, образования в шве горячих трещин. Этим же достигаются и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов.

Применением электродов с фтористокальциевым покрытием, уменьшающим угар легирующих элементов, достигается получение металла шва с необходимым химическим составом и структурами. Уменьшению угара легирующих элементов способствует и поддержание короткой дуги без поперечных колебаний электрода. Это снижает вероятность появления дефектов на поверхности основного металла в результате попадания на него брызг.

Тип покрытия электрода диктует необходимость применения постоянного тока обратной полярности (при переменном или постоянном токе прямой полярности дуга неустойчива). Тщательная прокалка электродов, режим которой определяется их маркой, способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин. Некоторые данные о режимах и выборе электродов для ручной дуговой сварки приведены в табл. 1 и 2, а о свойствах сварных соединений - в табл. 3 и на рис. 3.

Табл. 1 Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки аустенитных сталей

Технология сварки разнородных сталей

Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.

В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Класс сталей и сварочных материалов

Характеристика сталей

Марки (примеры)

Перлитные и бейнитные

09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА

30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ

Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)

12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169

Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные

12 %-ные хромистые, жаростойкие

08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2

12 %-ные хромистые, жаропрочные

Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе

Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные

Жаропрочные никелевые сплавы

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей - образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:

- Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);

- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;

- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;

- Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.

Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.

Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.

При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).

При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.

Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)

Композиция наплавленного металла

Предельная температура эксплуатации, °С

Термическая обработка

VI – VIII + XI – XIII

При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 . 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 % Ni и 15 % Мо.

Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 . 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 . 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.

При недостаточности или неприемлемости указанных технологических вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламентированным количеством ?-Fe (2 . 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI . XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 . 27 %) и никеля (12 . 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.

При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.

Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.

Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористо-кальциевой основе.

Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.

Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными

Читайте также: