Сварка высоколегированных сталей и сплавов

Высоколегированными называют стали, содержащие один или несколько легирующих элементов в количестве 10 - 55%.

Высоколегированными называют сплавы на железоникелевой основе (железа и никеля содержится более 65%) и на никелевой основе (никеля содержится более 55%).

По ГОСТ 5632 - 72 насчитывается 94 марки высоколегированных стилей и 22 марки высоколегированных сплавов. Несколько марок сталей и сплавов выпускается по различным техническим условиям.

Высоколегированные стали и сплавы классифицируют по различным признакам, главным образом, по системе легирования, структуре и свойствам. По системе легирования высоколегированные стали делят, например, на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемарганцевые, хромомарганцеазотистые. Самые распространенные высоколегированные сплавы - никелевые, никелехромистые, никелехромовольфрамовые и никелехромокобальтовые.

По структуре высоколегированные стали подразделяют на стали мартенситного класса (например, 15X5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 09Х16Н4Б, 11Х11Н2В2МФ - всего по стандарту 20 марок), мартенситно-ферритного класса (15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 12X13 и др.), ферритного класса (08X13, 10Х13СЮ, 12X17, 15Х25Т), аустенитно-мартенситного класса (такие, как 07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ), аустенитно-ферритного класса (например, 08Х20Н14С2, 08Х18Г8Н2Т) и аустенитного класса (03Х17Н14М2, 03Х16Н15МЗБ, 08Х10Н20Т2, 08Х16Н13М2Б, 09Н16Х14Б, 09Н19Х14В2БР, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М). В некоторых аустенитных сталях никель, как дефицитный материал, частично или полностью заменяют марганцем и азотом: 10Х14Г14НЗ, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9Н4А, 10Х14Г15А, 15Х17Г14А; всего по ГОСТ 5632-72 выпускается 27 марок аустенитных сталей.

По системе упрочнения высоколегированные стали и сплавы делят на карбидные, содержание углерода 0,2 - 1,0%, боридные (образуются бориды железа, хрома, ниобия, углерода, молибдена и вольфрама), с интерметаллидным упрочнением (упрочнение мелкодисперсными частицами).

По свойствам высоколегированные стали и сплавы подразделяют на коррозионностойкие (нержавеющие), обладающие стойкостью против любой коррозии - атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, межкристаллитной; жаростойкие (окалиностойкие), не окисляющиеся при высоких температурах нагрева (до 1300°С); жаропрочные, способные работать при температурах свыше 1000°C в течение нормированного времени без снижения прочности.

Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов. По сравнению с низкоуглеродистыми сталями большинство высоколегированных сталей и сплавов обладают пониженным коэффициентом теплопроводности (до 2 раз при повышенных температурах) и увеличенным коэффициентом линейного расширения (до 1,5 раза).

Низкий коэффициент теплопроводности приводит при сварке к концентрации тепла и вследствие этого к увеличению проплавления металла изделия. Поэтому для получения заданной глубины проплавления следует снижать величину сварочного тока на 10 - 20%.

Увеличенный коэффициент линейного расширения приводит при сварке к большим деформациям сварных изделий, а в случае значительной жесткости - относительно крупные изделия, повышенная толщина металла, отсутствие зазора между свариваемыми деталями, жесткое закрепление изделия - к образованию трещин в сварочном изделии.

Высоколегированные стали и сплавы более склонны к образованию трещин, чем низкоуглеродистые. Горячие трещины появляются большей частью в аустенитных сталях, холодные - в закаливающихся сталях мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Кроме этого, коррозионностойкие стали, не содержащие титана или ниобия или легированные ванадием, при нагревании выше 500°С теряют антикоррозионные свойства по причине выпадения из твердого раствора карбидов хрома и железа, которые становятся центрами коррозии и коррозионного растрескивания. Термической обработкой (чаще всего закалкой) можно восстановить антикоррозионные свойства сварных изделий. Нагревом до 850°С ранее выпавшие из раствора карбиды хрома вновь растворяются в аустените, а при быстром охлаждении они не выделяются в отдельную фазу. Такой вид термообработки называют стабилизацией. Однако стабилизация приводит к снижению пластичности и вязкости стали. Получение высокой пластичности, вязкости и одновременно анти-коррозийности сварных соединений возможно нагревом металла до температуры 1000 - 1150°С и быстрым охлаждением в воде (закалка).

Содержание углерода в основном металле и металле шва до 0,02 - 0,03% полностью исключает выпадение карбидов хрома, а следовательно, межкристаллитную коррозию.

На практике нашли применение следующие пути предотвращения трещин при сварке высоколегированных сталей: создание в металле шва двухфазной структуры (аустенит и феррит); ограничение в шве содержания вредных примесей (серы, фосфора, свинца, сурьмы, олова, висмута) и введение таких элементов, как молибден, марганец, вольфрам; применение электродных покрытий основного и смешанного видов; создание при сварке менее жесткого состояния изделия.

Практикой сварки аустенитной стали установлено, что с увеличением жесткости при выполнении шва необходимо к аустениту прибавлять феррита в количестве от 2 до 10%. В этом случае пластичность металла шва по сравнению с аустенитным швом повышается и усадка даже при жестком состоянии сварного изделия происходит за счет повышенной пластической деформации металла шва без образования трещин.

Применение электродов с основным или смешанным покрытием с легированием металла шва молибденом, марганцем, вольфрамом придает металлу шва мелкозернистое строение. В этом случае пластические свойства металла возрастают и при усадке горячие трещины в нем не возникают.

Для получения сварных соединении без трещины в процессе сварки рекомендуется свариваемые детали собирать с зазором (рис. 102) и по возможности применять швы с низким проваром (коэффициент формы провара должен быть менее 2). Швы лучше выполнять тонкими электродами диаметром 1,6 - 2,0 мм при минимальной погонной тепловой энергии.

Рис. 102. Влияние коэффициента формы провара (а, б) и зазора в корне шва (в, г) на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин марок высоколегированных сталей и сплавов должен быть строго обоснован

Сварные соединения с неоднородным швом как после сварки, так и после термической обработки обладают меньшей прочностью по сравнению с основным металлом. Кроме того, в так их неоднородных сварных соединениях при эксплуатации с высоким нагревом наблюдаются диффузионные явления между металлом шва и околошовным металлом для выравнивания химического состава, что приводит к появлению холодных трещин в околошовном металле, в зоне металлической связи. Поэтому выбор типа электрода при дуговой сварке различных

Подогрев (общий или местный) до температуры 100 - 300°С рекомендуется при сварке всех высоколегированных сталей и сплавов в зависимости от характера микроструктуры основного металла, содержания углерода, толщины и жесткости изделия. Для мартенситных сталей и сплавов подогрев изделия обязателен; для аустенитных сталей он применяется редко. Подогрев способствует более равномерному распределению температур по изделию в процессе сварки и охлаждению с меньшими скоростями, в результате чего не образуются концентрированные усадочные деформации по сечению сварного соединения и трещины не возникают.

Перегрев (укрупнение зерен) металла шва и околошовного металла при сварке высоколегированных сталей и сплавов зависит от химического состава и микроструктуры, температуры нагрева и длительности пребывания металла при высокой температуре. Обычно при сварке больше перегреваются однофазные ферритные стали.

Высоколегированные стали, содержащие углерода более 0,12% (31Х19Н9МВБТ, 36Х18Н25С2, 55Х20Г9АН4, 17Х18Н9 и др.) свариваются с предварительным подогревом до 300°С и выше с последующей термической обработкой сварных изделий.

Сварочная проволока, виды электродных покрытии и типы покрытых электродов для сварки. Для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами применяют сварочную проволоку, например Св-04Х19Н9, Св-05Х19Н9Ф3С2, Св-06Х19Н9Т, Св-07Х19Н10Б, Св,08Х20Н9С2БТЮ, Св-10Х16Н25М6А - всего 41 марка по ГОСТ 2246 - 70.

Электроды берут с основными, рутилоосновными и рутилофлюоритноосновными покрытиями. Дуговая сварка аустенитных сталей электродами с основным покрытием приводит к науглероживанию металла шва, что вызывает снижение стойкости его против межкристаллитной коррозии. Науглероживание происходит за счет разложения мрамора, который содержится в большом количестве в этом покрытии. Науглероживание металла шва исключается при сварке аустенитной стали электродами с рутилоосновным покрытием (например, ОЗЛ-14), содержащего мрамора только 10% вместо 35 - 45% в электродах с основным покрытием (например, УОНИИ-13/НЖ).

Ориентировочный выбор марки сварочной проволоки, вида покрытия и типа электрода при дуговой сварке высоколегированных сталей и сплавов в зависимости от назначения сварного изделия приведен в табл. 38.

38. Примерный выбор покрытых электродов для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами

ГОСТ 10052 - 75 предусматривает 49 типов покрытых электродов для ручной дуговой сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, например, Э-02Х19Н9Б, Э-04Х20Н9, Э-07Х20Н9, Э-06Х22Н9, Э-06Х13Н, Э-08Х20Н9Г2Б, Э-08Х14Н65М15В4Г2, Э-10Х20Н70Г2М2В.

Каждый тип электрода включает одну или несколько марок покрытых электродов.

Условное обозначение электродов для дуговой сварки выполняется по ГОСТ 9466 - 75 (см. гл. V). При этом во второй строке условного обозначения электродов группа индексов, указывающих характеристики наплавленного металла и металла шва, состоит из четырех цифровых индексов для электродов, обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру наплавленного металла, и из трех цифровых индексов - для остальных электродов.

Первый индекс показывает стойкость наплавленного металла и металла шва против межкристаллитной коррозии (в зависимости от метода испытания в табл. 3 стандарта приняты индексы от 0 до 5). Второй индекс указывает максимальную рабочую температуру, при которой обеспечивается относительно длительная прочность наплавленного металла и металла шва (по табл. 4 в стандарте введены цифровые индексы от 0 до 9). Третий индекс показывает допускаемую рабочую температуру сварных соединений, выполненных данными электродами при сварке жаростойких сталей (см. табл. 5). Четвертый индекс указывает содержание ферритной фазы в наплавленном металле для электродов, обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру наплавленного металла (см. табл. 6).

Все данные, необходимые для составления группы индексов, берутся из паспортов на электроды конкретных марок.

Газовая сварка аустенитных сталей производится пламенем мощностью 70 - 75 дм³ ацетилена/ч на 1 мм толщины металла. Окислительное пламя не допускается, так как оно влечет выгорание хрома. Для присадки применяют сварочную проволоку марок Свт02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б и других с минимальным содержанием углерода, легированную ниобием или титаном. Тем не менее, при газовой сварке титан почти полностью выгорает и не может обеспечить стойкость металла шва против межкристаллитной коррозии. Кроме этого, нержавеющие стали при температурах нагрева 500 - 850°С с низкими скоростями охлаждения, которые сопутствуют газовой сварке, выделяют по границам зерен карбиды хрома, являющиеся центрами коррозии металла.

Диаметр проволоки выбирают приблизительно равным толщине основного металла при толщине листов 1 - 6 мм.

При сварке в большинстве случаев пользуются флюсами, например, марки НЖ-8 такого состава: 28% мрамора, 30% фарфора, 10% ферромарганца, 6% ферросилиция, 6% ферротитана и 20% двуокиси титана. Флюс разводится на жидком стекле и наносится на кромки деталей в виде пасты. Сварка производится после высыхания флюса.

Сварка двухслойных сталей. Двухслойные стали состоят чаще всего из низкоуглеродистой стали и покрывающего ее слоя коррозионно-стойкой стали. В качестве антикоррозионного слоя применяют аустенитные стали марок 08Х18Н10Т, 08Х17Н13МЗТ и подобных им. Дуговая сварка двухслойной стали по технике выполнения швов аналогична сварке однослойного металла. Чаще всего шов выполняется вначале со стороны углеродистой стали, затем наплавленный металл со стороны плакирующего слоя зачищается и сваривается уже плакирующий слой. Электроды по химическому составу должны быть однородны с металлом плакирующего, например для стали 08Х17Н16МЗТ применяют электроды с покрытием марки НЖ-16 и проволоку марки Св-06Х19Н10МЗТ. Для сварки аустенитными электродами применяют постоянный ток обратной полярности.

Сварка тонколистовой стали

При сварке стали толщиной 3 мм и меньше необходимо вводить в изделие строго одинаковое количество тепла на единицу длины шва (погонная энергия сварки q _в), с тем чтобы по всей длине шва была одинаковая глубина провара металла. Швы накладываются электродом диаметром 1 - 3 мм без поперечных колебательных движений. Продольные движения электрода по оси шва должны производиться с одинаковой скоростью.

Для соединения тонких металлов заслуживает широкого внедрения микроплазменная сварка импульсной дугой в защитном инертном газе. Ею сваривают листы толщиной 0,1 - 2 мм. Для микроплазменной сварки институт им. Е. О. Патона разработал специальный источник сварочного тока типа А-1347 (см. гл. XXI).

Тонкую сталь можно сваривать также угольным электродом на постоянном токе с прямой полярностью по отбортовке кромок на режиме: диаметр угольного электрода - 6 - 10 мм, сила тока - 120 - 160 А, скорость сварки - 50 - 70 м/ч.