Технология сварки разнородных сталей

Обновлено: 17.05.2024

Сталью называют сплав железа с углеродом, когда концентрация последнего составляет от 0,02% до 2,14%.

С повышением содержания углерода растут показатели прочности и твердости материала, однако, снижаются его пластичность и вязкость. Поэтому процентное соотношение C к Fe является основным критерием классификации стали, разделившим ее на три группы:

Низкоуглеродистая (0,02-0,3%) – мягкие, ковкие сплавы общего применения, которые часто используются в быту (например, в виде прокатного профиля), а также в ненагруженных узлах строительных конструкций, промышленных деталей и механизмов.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) – сбалансированные сплавы, зачастую обладающие хорошими показателями упругости, стойкости к деформациям и усталостным нагрузкам. Применяются в машиностроении и электротехнике, в том числе для изготовления пружин, рессор, контактных пластин. Ограниченно применяются для изготовления приборов и инструментов.
Высокоуглеродистые (0,6-2,14%) – прочные, но относительно хрупкие сплавы, применяющиеся для изготовления ответственных изделий, в том числе инструментов и их режущих кромок, подшипников, дроби для абразивной обработки, стальных канатов и тросов, измерительных приборов.

Кроме того, в углеродистых сталях содержатся примеси других элементов в количестве, недостаточном для того, чтобы материал считался легированным. Допустимо наличие в структуре сплава:

кремния – не более 1%;
марганца – не более 1%;
фосфора – не более 0,06%
серы – не более 0,05%;
азота, водорода и кислорода в незначительных количествах.

Фосфор, сера и газы являются нежелательными примесями, долю которых в углеродистой стали стараются свести к минимуму. В качестве микролегирования могут использоваться такие присадки, как титан, цирконий, бор, лантаноиды и некоторые другие элементы.

Значительное влияние на качество стали и ее эксплуатационные характеристики оказывает технология производства, режимы последующей термообработки и другие металлургические параметры. В общем виде классификацию сталей по методу их изготовления, назначению, содержанию тех или иных веществ можно представить в виде таблицы.

Углеродистая сталь
Конструкционная		Инструментальная
Обычного качества	Качественная	Качественная

В качестве вида стали может указываться способ ее производства. Углеродистые стали могут изготавливаться как в мартеновских и кислородно-конвертерных печах, так и электросталеплавильным методом. Последний обеспечивает большую стабильность свойств и характеристик готового продукта.

Выбор оборудования

Тип и эксплуатационные особенности сварочного оборудования для работы с углеродистыми сталями варьируются в достаточно широких пределах и зависят от таких факторов, как:

выбранный метод сварки;
характеристики заготовок;
требуемое качество шва;
расчетный режим сварки;
особенности внешней среды;
требуемая производительность;
финансово-экономические критерии.

Чаще всего углеродистые стали соединяют одним из методов электродуговой сварки. Если предполагается ручная сварка и объем работ относительно мал, можно воспользоваться обычным сварочным инвертором, главные достоинства которого – компактность и дешевизна. Хорошим выбором станут модели Fubag IR 200, Wester MMA-VRD 200, Elitech АИС 200, Ресанта САИ-220 и другие.

Примерная стоимость аппаратов Ресанта САИ-220 на Яндекс.маркет

В противном случае, лучше отдать предпочтение промышленным трансформаторам с большей производительностью, например, Кавик ТДМ-252У2 (250 А, 12 кВт) или Brima ТДМ1-315-1 (315 А, 24 кВт). В зонах, где подключение к электрической сети невозможно или затруднено, используются сварочные генераторы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания.

Для полуавтоматической сварки в среде защитных газов или под слоем флюса применяются специализированные сварочные аппараты комбинированной конструкции, которые обеспечивают генерирование сварочного тока, а также подачу в зону сварки защитного газа и плавящегося электрода (кроме того, может подаваться присадочная проволока). В нише бюджетных моделей лидирует Aurora Overman 180, в топовом сегменте – Blueweld Starmig 210 Dual Synergic.

Примерная стоимость аппаратов Aurora overman на Яндекс.маркет

Для газовой сварки потребуется наличие кислородного и ацетиленового баллонов с манометрами, гибких шлангов и горелки, позволяющей регулировать пропорциональное соотношение газов. Оборудование альтернативных видов сварки специфично, оно относится к промышленным аппаратам и крайне редко используется в быту.

Способы сварки низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали относятся к хорошо свариваемым материалам и практически не требуют предварительной подготовки заготовок. Если их толщина не превышает 4 мм, кромкование не проводится, а все предварительные операции ограничиваются очисткой и обезжириванием стыка. В ряде случаев, например, при сварке крупногабаритных изделий, проводится предварительный прогрев в печи до 150-200℃. Другие особенности диктуются конкретным видом сварки.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка проводится покрытым плавящимся электродом с углом наклона в 40-50° в направлении движения инструмента.

Для предотвращения образования закалочных структур рекомендуется выполнять швы каскадом или горкой, что способствует равномерному теплообмену с окружающим металлом и медленному остыванию стыка. Если заготовки уже подвергались закалке, шов наносят послойно, после каждого подхода ожидая полного его остывания.

Особые рекомендации даются в случае устранения трещин, сколов и других дефектов в деталях из низкоуглеродистой стали. В таком случае выбранный тип шва должен обеспечить достаточное заглубление сварочной ванны, что достигается повышением тока или сокращением длины дуги до 1-1,5 мм. Вне зависимости от размера дефекта, длина шва не должна быть меньше 100 мм. При работе с ответственными деталями зону стыка обрабатывают растворами, предотвращающими коррозию.

Дуговая сварка в защитных газах

Роль защитной среды при электродуговой сварке чаще всего играет углекислый газ (MAG-технология). Более эффективную защиту обеспечивает смесь активных газов (не более 30% кислорода) или сочетание углекислого газа с аргоном. Для ответственных соединений зачастую выбирается MIG-сварка, которая предполагает подачу к стыку аргона или гелия.

Самым распространенным присадочным материалом при дуговой сварке низкоуглеродистой стали в защитной среде является проволока Св-08Г2С. Ее подают одновременно с началом сварки, то есть через 5-15 секунд после поступления газа к стыку. Для верхнего положения используется проволока диаметром до 1,2 мм, для нижнего – до 3 мм. Угол ведения материала составляет 30-40°, электрод ведется строго перпендикулярно поверхности.

Сварка под флюсом

Обратите внимание, что при сварке без разделывания кромок в зоне шва может повыситься содержание углерода, что повысит прочность соединения, но снизит его пластичные свойства.

Полуавтоматическая сварка малопригодна для создания угловых и сложносоставных соединений низкоуглеродистой стали, так как способствует образованию закалочных структур в околошовной зоне. Частично решить эту проблему позволяет предварительный прогрев заготовок.

Способы сварки среднеуглеродистых сталей

При сварке среднеуглеродистых сталей велик риск образования кристаллизационных трещин и закалочных структур в околошовной зоне, что, в свою очередь, снижает долговечность соединения и негативно влияет на его показатели упругости. Поэтому главными требованиями к сварке такого материала становятся особые щадящие режимы проведения работ, защита шва от образования пор и пузырьков воздуха, снижение содержания углерода в зоне стыка.

Сварка в защитной среде

При соединении заготовок из среднеуглеродистых сталей используется MIG-технология, схожая с технологией сварки низкоуглеродистых сталей. Обязательным условием является предварительный прогрев заготовок до температуры около 200℃. Применяются электроды с низким содержанием карбона и наличием дополнительных микролегирующих элементов: фтора, кальция, марганца и кремния. К ним относятся изделия марок УОНИ-13/45 (-55, -65), УП-1/45, УП-2/45, ОЗС-2, К-5А и другие.

Примерная стоимость электродов УОНИ 13/55 на Яндекс.маркет

Диаметр электрода обычно лежит в пределах 2-6 мм и определяется толщиной свариваемых заготовок. От него, в свою очередь, зависит режим сварки. Так, сила тока при сварке 3-миллиметровыми электродами в нижнем положении составляет 80-100 А, диаметру в 4 мм соответствуют значения 130-200 А, 5-миллиметровыми изделиями работают при токе 170-280 А, а 6-миллиметровыми – 210-380 А. Температура прокаливания электродов варьируется в пределах 250-400℃.

Сварка полуавтоматом

Полуавтоматическая сварка среднеуглеродистых сталей требует раздельной структуры шва, то есть его наложения в несколько ванн. При этом рекомендуется работать короткой дугой и полностью исключить любые движения электродом, кроме продольных. Как и в случае с MIG-сваркой, заготовки прогревают до температуры не более 200℃.

Особое внимание уделяется разделыванию кромок на толстых заготовках. Скосы выполняют под углом 35-45°, тщательно зачищают и обезжиривают. Важно обеспечить высокие показатели коррозионной стойкости шва. Для сохранения его упругости принимают меры для медленного и равномерного остывания стыка.

Газовая сварка

Надежным способом соединения среднеуглеродистых сталей является газовая сварка, которая может проводиться даже при низких температурах. Используется «левая» технология со стандартным или слабо науглероживающим пламенем интенсивностью 75-100 куб. м в час. При чрезмерной мощности сваривания велик риск прожогов или нежелательной закалки стыка.

После выполнения газовой сварки заготовок из среднеуглеродистой стали рекомендуется выполнить их отпуск или отжиг. При этом локальный нагрев шва не должен превышать 650℃, а общий нагрев заготовок – 350℃. Альтернативным способом является проковка стыка.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Высокоуглеродистые стали относятся к сложно свариваемым и ограниченно свариваемым материалам ввиду их особой склонности к закалке, образованию трещин и других термических дефектов. Ввиду высокой сложности выполнения работ ручные методы электродуговой сварки практически не используются.

Основным методом соединения заготовок из высокоуглеродистой стали является газовая сварка с предварительным прогревом до 200-300℃. В ряде случаев используется и сопутствующий подогрев. Работы проводятся восстановительным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена, интенсивность – не более 90 куб. дм в час. Используется «левый» способ, позволяющий снизить время термического воздействия на металл.

В качестве присадки используется проволока Св-15 или Св-15Г, иногда – проволоки, легированные хромом, никелем, марганцем. В отличие от среднеуглеродистых сталей высокоуглеродистые не рекомендуется обрабатывать ковкой. В случае необходимости выполняется их отпуск или отжиг с полным прогревом заготовок до 350-400℃.

Другие способы сварки

Альтернативным способом соединения высокоуглеродистых сталей является лучевая сварка, которая подразделяется на электролучевую (направленный поток заряженных частиц) и лазерную (направленный поток фотонов). К недостаткам этих технологий можно отнести высокую сложность и дороговизну оборудования, к преимуществам – высокую скорость и точность проведения работ, короткое время и малую площадь температурного воздействия на стык.

Технология сварки разнородных металлов

В процессе сварки однородных деталей взаимная диффузия и растворение материалов, а также образование жидких и твердых растворов происходит без каких-либо ограничений и сложностей. Однако совсем иначе дело обстоит со сваркой разнородных металлов. В данном случае приходится сталкиваться с металлургической несовместимостью деталей, которые имеют принципиальные отличия в характеристиках кристаллической решетки, а также разные температуры плавления и показатели теплопроводности. Именно поэтому прежде чем начнется работа и осуществится, например, сварка алюминия со сталью, необходимо рассмотреть совместимость используемых металлов и учесть трудности, которые могут возникнуть в процессе их соединения.

Практически невозможно сварить металлы, неспособные взаимно раствориться между собой в расплавленном состоянии: железо и свинец, железо и магний, свинец и алюминий. Эти пары в жидком состоянии практически не смешиваются и создают слои, которые при дальнейшем затвердевании могут быть без особого труда отделены друг от друга. Что касается легко поддающихся сварке разнородных металлов, то их количество довольно ограничено. К ним можно отнести титан и железо, медь и железо, титан и ванадий, алюминий и серебро.

На данный момент самыми востребованными являются конструкции, получаемые путем сплава стали с алюминием, чугуном или медью. Сварка этих металлов широко используется в авиационном строении, радиоэлектронике, производстве бытовых приборов. Оптимальные свойства некоторых конструкций возможны только благодаря применению деталей из комбинированных материалов, ведь именно в этом случае изделие будет совмещать в себе преимущества сразу двух металлов. Однако приступая к работе с разнородными металлами, важно учитывать особенности их взаимодействия.

Процесс соединения алюминия со сталью

Сварка алюминия и стали сопряжена с серьезными трудностями, которые возникают в связи с большой разницей температур плавления металлов и различиями в уровне их теплопроводности. На практике это выражается в том, что алюминий становится жидким еще до того, как сталь успевает прогреться, кроме того, шов получается недостаточно прочным. Чтобы соединить металлы с такими разными характеристиками и получить приемлемый результат, нередко используется диффузная, ультразвуковая, а также контактная с оплавлением и холодная сварка металла.

Покрытия для улучшения свариваемости

Проблемы, которые возникают при сварке плавлением алюминия и стали, вполне удачно решаются с помощью применения специальных покрытий. На сталь гальваническим или горячим погружением наносится металл, который обладает хорошей совместимостью со сталью. Чаще всего для этих целей используется слой цинка, который улучшает растекание алюминия. Кроме того, для сварки алюминия и стали применяется переходная вставка из тех же материалов, которая получается с помощью другого метода соединения, например, путем холодной ковки.

Теплофизические свойства материалов значительно затрудняют процесс сварки, при этом даже использование специальных покрытий и вставок не решает всех возможных проблем. Дело в том, что при соединении разнородных металлов на стыке могут образовываться интерметаллиды, которые отличаются чрезмерной хрупкостью. Чтобы избежать ненужных проблем, необходимо выбрать правильный режим сварки, который позволит избежать перегрева поверхности металлов. Если процесс произведен с учетом всех особенностей алюминия и стали, в результате проведенных сварочных работ появится надежное и долговечное соединение, которое, однако, лучше не использовать для конструкций, часто подвергающихся механическому воздействию.

Свариваемость чугуна и стали

Несмотря на то, что чугун и сталь обладают схожестью химического состава, процесс сварки этих металлов также характеризуется определенными трудностями. Дело в том, что чугун содержит большое количество углерода, а потому достаточно плохо поддается плавлению. Чтобы сварить эти разнородные материалы, используются специальные электроды. Для получения надежного и прочного шва перед обработкой детали следует тщательно зачистить, особенно это касается заготовки из чугуна, который легко впитывает различные технические жидкости.

Подогрев изделия в процессе работы

Чтобы соединить чугун и сталь, как правило, используется сварочный ток обратной полярности. Однако обратите внимание, что в случае применения аппаратов с высоким током холостого хода, необходимо использовать переменный ток. В процессе работы детали необходимо прогреть до 600 градусов по Цельсию. Такая температура позволит избежать чрезмерного расширения металла, которое нередко приводит к необратимой деформации материала. В результате сварочных работ, проведенных по описанной технологии, прочный герметичный шов образуется всего за один проход.

В случае, если подогрев заготовок невозможен, сварка чугуна со сталью производится несколько иначе. Когда необходимо соединить слишком большие детали или металл имеет легкоплавкие вкрапления, процесс сварки осуществляется с помощью коротких валиков, каждый из которых необходимо охлаждать перед использованием следующего. Стоит отметить, что данный метод сварки не обеспечивает должную прочность шва, поэтому для соединения чугуна и стали более предпочтителен метод, предусматривающий предварительный подогрев деталей.

Свариваемость меди со сталью

Определенные трудности в процессе соединения данных металлов возникают в связи с различием в уровне их теплопроводности, а также из-за низкой температуры плавления меди. Именно поэтому прежде чем приступать к процессу, следует учесть все особенности материалов и подобрать наиболее оптимальный способ сварки. Только в этом случае можно получить качественное соединение, которое будет обладать всеми необходимыми характеристиками.

Применение защитных газов

На самом деле медь и все ее сплавы довольно неплохо сваривается со сталью. Пожалуй, самым высоким качеством обладает соединение, которое производится путем аргонодуговой сварки. С ее помощью образуется шов, который характеризуется хорошей герметичностью и прочностью. Аргонодуговая сварка производится с применением вольфрамовых электродов либо плазменной струи и специальной присадочной проволоки. Обратите внимание, что в процессе работы дугу следует немного смещать к меди, что поможет предотвратить перегрев стали.

Сварка меди и стали также может быть произведена с помощью флюсов в среде защитных газов. В этом случае используют плавящиеся либо неплавящиеся электроды и проволоку. При наплавлении меди на сталь вполне эффективен дуговой метод сварки керамических флюсов, который позволяет добиться требуемой износостойкости и твердости материала. Данный вид работы предполагает использование плоских электродов.

Мангал из металла — это занятие, которое по силам каждому сварщику. Как сделать его своими руками, читайте в этой статье.

Соблюдение технологии — гарантия качества

Сварка разнородных металлов — достаточно трудоемкий процесс, который осложняется существующими различиями в свойствах материалов. Однако если грамотно подойти к процессу и учесть все рекомендации, связанные с особенностями металлов, можно получить прекрасный результат в виде качественного и надежного соединения, которое будет обладать преимуществами всех его компонентов.

Сварка разнородных сталей: основные типы сталей и применяемые технологии сварочных процессов

В настоящее время в различных отраслях промышленности нередко встречается сварка разнородных сталей. Такое действие необходимо чаще всего в тех случаях, когда возникает необходимость создать соединения из сталей, различающихся по своим свойствам: например, соединить в одном изделии деталь из высоколегированной стали, которая будет подвергаться агрессивному воздействию в процессе эксплуатации, и деталь из низколегированной стали, на которую нагрузка в процессе эксплуатации будет значительно меньше.

Понятие разнородных сталей и особенности их сварки

Разнородные стали – это стали, которые различаются по своему химическому составу, степени легирования, классам, типам, степени теплопроводности и подверженности сваривания между собой.

При осуществлении сварки разнородных сталей следует учитывать ключевую особенность, которая присуща подавляющему большинству создаваемых сварных соединений: в процессе сварки могут образовываться интерметаллидные структуры, то есть соединения двух и более металлов, обладающих более высокой температурой плавления, нежели те исходные стали, что были использованы для создания изделия. Однако такие структуры могут быть очень хрупкими, и это может привести к разрушению сварного шва при несоблюдении технологии сварки.

Для того чтобы полученный шов был максимально плотным и качественным, края свариваемых деталей необходимо предварительно подогревать с помощью газовой горелки или паяльной лампы. Это не только позволит выпарить лишнюю влагу на подготовительном этапе, но также и подготовить деталь к сварке в соответствии с ее физико-химическими параметрами.

Типы разнородных сталей по признакам разнородности структур

По содержанию углерода в составе сталей происходит их деление на следующие виды:

углеродистые стали. Они являются наиболее распространенными, так как создаются на основе сплава железа и углерода. В зависимости от количества углерода в составе сплава делятся на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые, теплоустойчивые, хладостойкие;
легированные стали. В зависимости от включенных в состав стали химических элементов выделяют низколегированные, высоколегированные стали.

В зависимости от наличия в химическом составе сталей серы и фосфора выделяют:

красноломкие стали (в химическом составе которых находится сера);
хладноломкие стали (в химическом составе таких сталей присутствует фосфор);
тепло- и холодоустойчивые стали (из которых методом раскисления удалены примеси серы и фосфора, либо введены химические элементы, которые нейтрализуют их действие).

Способы и технологии сварки в зависимости от разнородности сталей

Выбор способа сварки тех или иных разнородных сталей зависит, в первую очередь, от их физико-химических свойств. В настоящее время чаще всего встречаются следующие виды соединений разнородных сталей:

стали низкоуглеродистые, низколегированные, инструментальные и стали неизвестного состава. Для оценки свариваемости разнородных сталей следует обратить внимание на эквивалент углерода Се. Когда свариваются стали с различным Се, параметры сварки подбираются по стали с большим Се, а присадочный материал — по стали с меньшим Се. При правильно выбранных режимах и присадочном материале твёрдость и механические свойства наплавленного металла будут находиться в диапазоне между свариваемыми сталями. В противном случае высока вероятность образования трещин. Выбор температуры подогрева перед сваркой также зависит от эквивалента углерода и подбирается по стали с большим Се. При сварке сталей со значительной разницей в значениях Се рекомендуется произвести отпуск для снятия напряжений. Контролируемое остывание свариваемых деталей или снижение скорости их остывания уменьшают риск образования трещин;
нержавеющие стали с низкоуглеродистыми сталями. Сварка таких сталей приводит к одновременному образованию в сварочном шве твёрдых и хрупких структур, что может быть вызвано нарушением технологий сварки. При этом при сварке нержавеющей стали с низкоуглеродистой или низколегированной сталью сварочные швы получаются высокого качества при условии тщательного соблюдения всех технологических требований к процессу. Однако следует обратить внимание на то, что многообразие комбинаций этих сталей не позволяет сформулировать общих рекомендаций по их сварке, которые для всех случаев гарантировали бы хороший результат. Для сварки высоколегированной и низколегированной сталей обычно используют присадочный материал повышенного легирования или на основе никеля. Также предварительно перед сваркой можно наплавить на кромку из низкоуглеродистой или низколегированной стали переходной слой из нержавеющей стали. Затем сварка ведётся с присадкой, аналогичной нержавеющему металлу;
чугун со сталью. Чугун обладает ограниченной свариваемостью, это является основным критерием выбора сварочных материалов и параметров сварки. Если к сварочному шву не предъявляются особые требования, то сварка ведётся с применением присадочных материалов на основе никеля. Нежелательно применять сварочные процессы, связанные с высоким тепловложением или образованием большой сварочной ванны. Белый чугун и некоторые другие виды чугуна с высоким содержанием углерода являются несвариваемыми из-за их склонности к образованию трещин. В некоторых случаях целесообразно на чугунные кромки наплавить переходной слой с присадочным материалом на основе никеля. Небольшие детали перед сваркой подвергают общему нагреву, большие заготовки подогреваются вокруг зоны сварки. Немаловажным является тот факт, что чугун обладает низкой пластинчатостью и низким коэффициентом линейного расширения. Для решения этой проблемы необходимо снизить усадочные напряжения. Лучшим способом достижения этого является проковка сварного шва сразу после сварки ударным инструментом со скруглённым бойком. Также во время сварки рекомендуется применять электроды меньшего диаметра. Для наплавки переходного слоя на чугунную кромку применяют ручную дуговую сварку и дуговую сварку порошковой проволокой. Для сварки со стальной кромкой применяют ручную дуговую сварку и сварку плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
низколегированные стали с низкоуглеродистыми сталями. Ограниченная миграция легирующих элементов при сварке из низколегированной стали обычно не приводит к повышению склонности наплавленного металла к закалке для всех основных видов сварки. Сварочные материалы подбирают под низкоуглеродистую сталь, а режимы сварки – под низколегированную. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка под флюсом, плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
различные низкоуглеродистые стали друг с другом. Если обе свариваемые кромки относятся к одному типу легирования, но при этом имеют различные эквиваленты углерода Се, то сварка ведётся с использованием сварочных материалов идентичного типа легирования. Для сварки сталей с высокой склонностью к закалке рекомендуется применять ручную дуговую сварку. Во избежание образования холодных трещин в зоне термического влияния желательно уменьшить удельное тепловложение при сварке и избегать медленной скорости сварки. Высокопрочные стали, обладающие очень высокой склонностью к закалке, требуют предварительного подогрева до достаточно высоких температур, а также послесварочную обработку. Альтернативой может быть применение специальных аустенитных присадочных материалов с минимальным предварительным подогревом. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, дуговая сварка под флюсом, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
инструментальные, пружинные стали с углеродистыми и низколегированными сталями. По причине полиморфных фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении, эти стали являются тяжело свариваемыми. Сварка таких сталей требует применения специальных приёмов. При сварке изделий небольшой толщины сварку можно осуществлять без предварительного подогрева. В остальных случаях требуется подогрев до температуры около 300 градусов, которую необходимо поддерживать во время всего сварочного процесса. Необходимо минимальное тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
высоколегированные нержавеющие стали с инструментальными и пружинными сталями. Основное требование при сварке таких сталей – применение сварочных материалов, которые дают аустенитную нержавеющую сталь или сплав на основе никеля. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
разнородные высоколегированные нержавеющие стали друг с другом. При сварке таких сталей сварочные швы получаются высокого качества. Однако когда свариваются карбидостабилизированные нержавеющие высоколегированные стали с нестабилизированными нержавеющими сталями, следует применять карбидостабилизированные сварочные материалы или сварочные материалы с пониженным содержанием углерода. Также необходимо ограничить тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
стали неизвестного или вызывающего сомнения состава с другими сталями. При ремонте стальных конструкций не всегда представляется возможным проанализировать химический состав сталей. Выполняя сварочные работы со сталями неизвестного химического состава, следует подбирать сварочные материалы и режимы как для тяжелосвариваемых сталей. Предпочтительным способом сварки является ручная дуговая сварка штучным покрытым электродом. Высокое качество сварных соединений при сварке разнородных сталей обеспечивается соблюдением технологии сварки, применяемыми сварочными материалами, способами и режимами сварки. Даже незначительные отклонения от требований, предъявляемых к сварке таких соединений, приводит к образованию дефектов и трещин.

Оборудование для сварки

Вне зависимости от того, о каких свариваемых разнородных сталях идет речь, оборудование для выполнения сварочных работ делится на две группы:

Рабочее оборудование, которое включает в себя: источник сварочного тока, силовые кабели питания источника от электрической сети или генераторов; кабели для подведения сварочного тока к свариваемым изделиям и создания сварочной цепи, в случае использования технологий с защитным газом – баллоны с газом или специальные устройства-генераторы, сварочные молотки, щетки по металлу, электроинструмент (болгарки и угловые шлифовальные машинки) для итоговой обработки сварных соединений. Кроме того, в качестве оборудования для сварки следует рассматривать присадочные материалы (сварочная проволока, электроды), а также механизмы для их направления в сварочную зону (машинки для подачи проволоки, электродержатели для электродов). . Данный вид оборудования является чаще всего индивидуальным и включает в себя: защитную одежду, прошедшую пропитку с целью огнезащиты, сварочную маску с темным стеклом или самозатемняющуюся маску, краги или перчатки, защитную обувь.

В качестве дополнительного оборудования сварочного поста рассматривается сварочный стол, а также инструменты для закрепления свариваемых деталей в необходимых пространственных положениях.

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: