Электрошлаковая сварка

Электрошлаковую сварку широко применяют при изготовлении конструкций из толстолистовых низкоуглеродистых сталей. При атом равнопрочность сварного соединения достигается за счет легирования металла шва через электродную проволоку и перехода элементов из расплавляемого металла кромок основного металла. Последующая термообработка, помимо снижения остаточных напряжений, благоприятно влияет и па структуру и свойства сварных соединений.

При электрошлаковой сварке рассматриваемых сталей используют флюсы АН-8, АН-8М, ФЦ-1, ФЦ-7 и АН-22. Выбор электродной проволоки зависит от состава стали. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с содержанием до 0,15% С хороших результатов достигают при использовании проволок марок Св-08А и Св-08ГА. Для предупреждения образования газовых полостей и пузырей при сварке кипящих сталей, содержащих мало кремния, рекомендуется электродная проволока Св-08ГС с 0,6—0,85% Si.

При спорке сталей марок ВСтЗ удовлетворительные результаты получают при использовании электродных проволок марок Св-08ГА, Св-10Г2 и Св-08ГС.

Низколегированные стали. Низколегированные конструкционные стали делятся на низкоуглеродистые, теплоустойчивые и среднеуглеродистые. В сталях этой группы содержание углерода не превышает 0,25%, а легирующих элементов 2-5%. В зависимости от легирования низкоуглеродистые стали подразделяют на марганцовистые (14Г, 14Г2), кремнемарганцовистые (09Г2С, 10Г2С1, 14ГС и др.), хромокремнемарганцовистые (14ХГС и др.), хромокремненикелемедистые (10ХСНД, 15ХСНД и др.).

Низколегированные теплоустойчивые стали обладает повышенной прочностью в условиях высоких температур эксплуатации. Они наиболее широко применяются при изготовлении металлических конструкций энергетических установок.

Низколегированные среднеуглеродистые стали (более 0,25% углерода) (17ГС, 18Г2АФ, 35ХМ и др.) используют обычно в термообработанном состоянии.

Особенности сварки низколегированных сталей. Эти стали свариваются труднее, чем низкоуглеродистые. При сварке могут образовываться закалочные структуры, возможен перегрев (рост зерен) в зоне термического влияния. Для предупреждения образования закалочных структур применяют подогрев изделия, многослойную сварку с малым интервалом времени между наложениями слоев металла в шов и др.

Покрытые сварочные электроды подбирают так, чтобы содержание углерода, серы, фосфора в них было низкое.

Низколегированные низкоуглеродистые стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1 и 10Г2Б при сварке покрытыми электродами не закаливаются и мало склонны к перегреву. Сварка этих сталей аналогична сварке низкоуглеродистых сталей. Для обеспечения равнопрочности при сварке используют электроды типов Э46А и Э50А. Изделие перед сваркой не подогревают. Твердость и прочность околошовной зоны и основного металла практически не различаются.

При выполнении соединений из низколегированных низкоуглеродистых сталей 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было закалочных структур и сильного перегрева металла. Для предупреждения перегрева сваривать стали 15ХСНД и 14ХГС следует при малой силе сварочного тока электродами меньшего диаметра (по сравнению со сваркой низкоуглеродистых сталей). Равнопрочность сварного соединения при сварке сталей 15ХСНД и 14ХГС достигается применением электродов типа Э50А или Э55. Сварку ведут электродами диаметром 4—5 мм в несколько слоев, а при толщине стали более 15 мм швы выполняют «каскадом» или «блоками», при этом не слишком разогревают металл, чтобы не перегреть зону термического влияния.

Для сварки низколегированных сталей повышенной и высокой прочности, как правило, применяют электроды с основным покрытием. В зависимости от свойств свариваемой стали используют электроды: типа Э42А (марки УОНИ-13/45, СМ-11 и др.); типа Э46А (марки Э-138/45Н для сталей 09Г2, 10ХСНД, 15ХСНД и др.); типа Э50А (марки УОНИ-13/55, ДСК-50 и другие для сталей 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД и др.); типа Э55 (марки УОНИ-13/55У для сталей 18Г2С, 25ГС, 15ГС и др.).

Для некоторых сталей типа 09Г2 используют также электроды с покрытием рутилового типа Э42 (например, электроды марки АНО-1).

Дефектные участки следует подваривать швами нормального сечения длиной не более 100 мм или предварительно подогревать до 150-200 °С.

При сварке термоупрочненных сталей для уменьшения разупрочнения металла в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Режим сварки следует выбирать такой, чтобы швы выполнялись с малой погонной энергией.

Свариваемые металлы (стали, сплавы) могут иметь одинаковые и различные химический состав и свойства. В первом случае это однородные по химическому составу и свойствам металлы, во втором - разнородные.

Среднелегированные стали. Среднелегированные стали (содержание легирующих элементов 5-10%) применяют для изготовления конструкций, работающих при низких или высоких температурах, при ударных и знакопеременных нагрузках, в агрессивных средах и других тяжелых условиях. Их разделяют на теплоустойчивые, высокопрочные и др.

Для обеспечения требуемого качества сварных соединений необходимо выполнение ряда технологических приемов.

- В деталях из высокопрочной легированной стали должны быть предусмотрены плавные переходы при соединении элементов и изменении сечений, плавные закругления угловых соединений и другие конструктивные формы, устраняющие концентрацию напряжений.

- Сборку элементов рекомендуется производить в сборочных приспособлениях, обеспечивающих свободную усадку швов и сохранение при этом размеров конструкций.

- Сварные швы выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом, если прочность сварного соединения должна быть не ниже прочности основного металла. Листовые конструкции толщиной до 3 мм и менее сваривают без подогрева, при большей толщине используется подогрев. Например, для сталей ЗОХГСА, 25ХГСА температура подогрева составляет 200-300 °С. Для того чтобы избежать перегрева, применяют сварку на малой погонной энергии (пониженное тепловложение). После сварки соединение подвергают термообработке - высокому отпуску.

- Сварные швы выполняют без предварительного и сопутствующего подогрева, если к сварному соединению не предъявляются требования прочности, близкой прочности основного металла. При этом сварку швов ведут электродами, обеспечивающими получение аустенитного металла шва. В этом случае последующую термообработку не производят.

При сварке среднелегированных сталей могут образовываться закалочные структуры, холодные трещины, возможен перегрев металла околошовной зоны. Чем выше содержание углерода и легирующих примесей, толще металл, тем хуже свариваемость этих сталей.

Среднелегированные стали сваривают покрытыми электродами с основным покрытием постоянным током обратной полярности.

В зависимости от требовании, предъявляемых к металлу шва, используют электроды, обеспечивающие получение среднелегированного металла шва. К ним относятся электроды марок УОНИ-13/85 (типа Э85), ВИ-10-6 (типа Э100), НИАТ-ЗМ (типа Э125), НИАТ-3 (типа Э150) и электроды, обеспечивающие получение аустенитного металла шва, например марки НИАТ-5 (типа Э-11Х15Н25М6АГ2).

Швы выполняются многослойными, каскадным или блочным способом, с малыми интервалами времени между наложением слоев. Подогрев металла выше 150 °С снижает вероятность образования закалочных структур и трещин. Электроды перед сваркой прокаливают. Кромки металла следует тщательно защищать от влаги, ржавчины, органических и других загрязнений.

Стали 20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА, ЗОХГСНА сваривают электродами марок ЦЛ-18-63, ЦЛ-30-63, НИАТ-ЗМ, ЦЛ-14, УОНИ-13/85 предельно короткой дугой. После сварки соединения подвергают термической обработке -закалке с температуры 880°С и низкому отпуску с целью обеспечения высокой прочности.

Сварка теплоустойчивых сталей. Теплоустойчивые стали предназначены для изготовления деталей, работающих в условиях высоких температур (400-600°С) и при давлении газа или пара до 30 МПа. Эти стали имеют склонность к образованию трещин в зоне термического влияния. Поэтому требуется предварительный подогрев до 200-400 °С и последующая термообработка (отпуск) по режиму: нагрев изделия до 710 °С, выдержка при этой температуре не менее 5 мин на 1 мм толщины металла с последующим медленным охлаждением. Иногда эти стали отжигают при температуре 670-800 °С.

Изделия из сталей 12МХ и 20МХЛ, работающие при температуре до 850°С, сваривают электродами марки ЦЛ-14. Сварку выполняют с предварительным подогревом изделия до 200°С для стали 12МХ и до 300°С - для стали 20МХЛ. После сварки применяют высокий отпуск при температуре 710 °С.

Изделия из сталей 34ХМ и 20Х3МВФ, работающие при температуре до 470°С, сваривают электродами марки ЦЛ-30-63. Сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом изделия до 350°С -400°С. Сварные соединения подвергаются отпуску при температуре 600 °С.

Изделия из сталей 20ХМФ, 20ХМФЛ, 12Х1М1Ф, работающие при температуре до 570°С, сваривают электродами марки ЦЛ-20-63 короткой дугой с предварительным и сопутствующим подогревом до 350 °С. После сварки рекомендуется высокий отпуск при 700-740 °С в течение 3 ч.

Сварку теплоустойчивых сталей покрытыми электродами производят на тех же режимах, что и сварку низколегированных конструкционных сталей. При этом необходимо полностью проварить корень шва, для чего первый слой выполняют электродами диаметром 2-3 мм. Большинство электродов предназначено для сварки постоянным током обратной полярности. Техника сварки теплоустойчивых сталей аналогична технике сварки низкоуглеродистых сталей. Многослойную сварку выполняют каскадным способом (без охлаждения каждого слоя выполненного шва).

Сварка высокопрочных сталей. При изготовлении ответственных сварных конструкций широко применяют высокопрочные стали 14Х2ГМРБ, 14Х2ГМРЛ, 14Х2ГМ и 12ГН2МФАЮ.

Основная трудность при сварке этих сталей - необходимость предотвращения образования в металле шва и зоны термического влияния холодных трещин, а также структур, резко снижающих сопротивляемость сварных соединений хрупкому разрушению. Решение задачи усложняется тем, что требуемые эксплуатационные и технологические свойства сварные соединения должны приобретать после сварки без дополнительной термообработки.

Для повышения стойкости сварных соединении из высокопрочных сталей к образованию холодных трещин необходимо перед сваркой обязательно прокаливать электроды с целью удаления влаги. Следует также соблюдать определенные условия подготовки к сварке и выполнения соединений.

Ручную сварку высокопрочных сталей выполняют электродами марки ЭА-981/15. Эти электроды технологичны при сварке во всех пространственных положениях. Сварку ведут постоянным током обратной полярности. Сила сварочного тока зависит от диаметра электрода и положения шва. Например, сварку в нижнем положении электродом диаметром 4 мм производят при силе сварочного тока 150-200 А. Перед сваркой электроды прокаливают при температуре 420-450 °С.

Перед сваркой поверхности деталей и места наложения швов зачищают до полного удаления ржавчины, окалины, краски, масла, влаги и других загрязнений. Зачистку производят на участке, равном ширине шва плюс 20 мм в каждую сторону.

При выполнении соединений необходимо предотвращать попадание влаги в зону сварки и не допускать быстрого охлаждения сварных соединений.

Сборку деталей под сварку часто производят прихватками. Прихватки длиной 50-100 мм выполняют электродами марок УОНИ-13/45А или ЭА-981/15. Расстояние между прихватками не должно превышать 400-500 мм. Не следует устанавливать их в местах пересечения швов. Перед сваркой прихватки нужно тщательно очистить и проверить. Сварку необходимо начинать и заканчивать на технологических (выводных) планках, приваренных к изделию. Кроме того, следует создавать плавные переходы от шва к основному металлу.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке соединений большой толщины и жесткости следует применять предварительный подогрев. Как правило, его назначают при сварке металла толщиной свыше 20 мм. Температура подогрева 60-150°С.

Стойкость сварных соединений к образованию холодных трещин можно повысить, применяя технологию сварки с мягкими прослойками. Этот технологический прием заключается в том, что первые слои многослойного шва выполняют менее прочным и пластичным металлом по сравнению с последующими. Иногда пластичные швы в один-два слоя накладывают в процессе заполнения разделки кромок. Для выполнения мягких слоев могут быть использованы электроды марки УОНИ-13/45.

При двусторонней сварке стыковых соединений первый шов рекомендуется накладывать со стороны, противоположной прихваткам. После наложения каждого валика металл шва и околошовную зону тщательно зачищают от шлака и брызг металла. При обрыве дуги необходимо тщательно зачистить кратер от шлака и только после этого снова возбуждать дугу.

После завершения сварочных работ в монтажных условиях сварные соединения необходимо укрыть асбестовой тканью или мотками с песком для медленного охлаждения.

Высоколегированные стали и сплавы. К высоколегированным относят стали, содержание в которых одного или нескольких легирующих элементов составляет 10-15%.

В соответствии с ГОСТ 5632-72 насчитывается 94 марки высоколегированных сталей и 22 марки высоколегированных сплавов.

Высоколегированные стали и сплавы классифицируют по системе легирования, структуре, свойствам и другим признакам.

По системе легирования высоколегированные стали делят на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемарганцевые и хромомарганцеазотистые.

По структуре высоколегированные стали подразделяют на стали мартенситного (15X5, 15Х5М и др.), мартенситно-ферритиого (15Х6СЮ, 12X13 и др.), аустенитно-мартенситного (07Х16Н6,08Х17Н5МЗ и др.), аустенитно-ферритиого (08Х20Н14С2 и др.) и аустенитного классов (03Х17Ш4М2, 12Х18Н9 и др.).

По свойствам высоколегированные стали и сплавы бывают коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные.

Особенности сварки высоколегированных сталей и сплавов. Большинство высоколегированных сталей и сплавов по сравнению с низкоуглеродистыми сталями обладает более низким (в 1,5-2 раза) коэффициентом теплопроводности и более высоким (примерно в 1,5 раза) коэффициентом линейного расширения. Низкий коэффициент теплопроводности приводит к концентрации теплоты при сварке и вследствие этого к увеличению проплавления металла, а высокий коэффициент линейного расширения к большим деформациям свариваемых изделий.

Эти стали склонны к образованию горячих и холодных трещин при сварке, что усложняет процесс обеспечения качества сварных соединений с требуемыми свойствами. В связи с этим при сварке изделий из этих материалов предусматривают выполнение определенных требований. Обычно сварку ведут на повышенной скорости и на малой силе сварочного тока для получения минимальной зоны разогрева.

Высоколегированные стали и сплавы более склонны к образованию трещин, чем низкоуглеродистые. Пути предотвращения трещин при сварке: создание в металле шва двухфазной структуры (аустенит и феррит); ограничение в шве содержания вредных примесей (серы, фосфора, свинца, сурьмы, висмута); применение электродных покрытий основного и смешанного видов; уменьшение жесткости свариваемых узлов.

Для получения сварных соединений без трещин рекомендуется свариваемые детали собирать с определенным зазором. Швы лучше выполнять электродами диаметром 1,6-2,0 мм при минимальной погонной энергии.

Подогрев (общий или местный) до температуры 100-300°С рекомендуется в зависимости от характера структуры основного металла, содержания углерода, толщины свариваемых элементов и жесткости изделия. Для мартенситных сталей и сплавов подогрев изделия обязателен, для аустенитных сталей он применяется редко.

При дуговой сварке высоколегированных сталей поверхности следует предохранять от брызг металла и шлака, так как они могут быть причиной коррозии или концентрации напряжений, ослабляющих конструкцию. Чтобы не было приваривания брызг, на поверхность металла, прилегающего к шву, наносят защитное покрытие.

Требования к качеству сборки и очистки металла перед сваркой достаточно жесткие.

После сварки мартенситные, мартенситно-ферритные, а иногда и ферритные стали подвергают высокому отпуску при температуре 680-720 оС, а жаропрочные (12X13, 20X13 и др.)- при 730-750 °С. Отпуск улучшает структуру, механические свойства и коррозионную стойкость.

Для сварки мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных сталей применяют электроды, стержни и покрытия которых обеспечивают получение наплавленного металла, близкого по химическому составу к основному металлу. Например, мартенситную сталь 15X11ВМФ сваривают электродами типа Э12Х11НВМФ марки КТИ-10; мартенситно-ферритную сталь 12X13 - электродами типа Э12Х13 марки УОНИ-13/1Х13 и т.д.

Если конструкции из стали этого класса работают на статическую нагрузку и к швам не предъявляются требования высокой прочности, сварку можно выполнять аустенитными или аустенитно-ферритными электродами. Так, ферритную сталь 15X25T сваривают электродами типа Э02Х20Н14Г2М2 марки ОЗЛ-20, при этом отпуск после сварки можно не проводить.

Для предотвращения роста зерна и повышения хрупкости зоны термического влияния при сварке таких сталей используют режим с малой погонной энергией.

К высоколегированным хромоникелевым сталям относятся стали аустенитного, аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов. Эти стали и сплавы содержат мало вредных примесей, поэтому основные требования при сварке - хорошая защита расплавленного металла от воздуха и применение электродов со стержнем, имеющим аустенитную структуру и покрытие основного типа.

Сварка аустенитных сталей не вызывает особых затруднений. Надо иметь в виду, что в сварных соединениях аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей возможно выделение водорода по границам зерен. Для предупреждения этого сварное соединение подвергают отпуску в течение 1-2 ч при температуре 150 °С.

ГОСТ 10051-75 предусматривает 49 типов покрытых электродов для ручной дуговой сварки высоколегированных сталей. Каждый тип электрода включает одну или несколько марок электродов.

Тема 2.3. Технология сварки среднелегированных закаливающихся сталей. Характеристика сталей. Основныефакторы, затрудняющиесварку закаливающихся сталей перлитного, мартенситного классов. Технологические особенности сварки. Сварочные материалы. Техника сварки. Назначение режимов сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Характеристика сталей. Среднелегированные стали в зависи­мости от состава, характеризуются высоким пределом прочности и текучести в сочетании с достаточными пластическими свойствами (З0ХГСНА), относительно высокой жаропрочностью (20ХЗМВФ), окалиностойкостью (12Х5МА) и др.

Свойства среднелегированных сталей могут регулироваться в известных пре­делах за счет взаимного изменения содержания углерода и легирующих элементов, а также в зави­симости от режима термообработки.

Изменение механических свойств стали в широких пределах в зависи­мости от вида термообработки вызы­вает значительные трудности при сварке. Среднелегированные стали чув­ствительны к образованию холодных трещин; они склонны также к разви­тию кристаллизационных трещин в ме­талле шва. Это особенно проявляется при необходимости обеспечения равной прочности металла шва с основным.

Среднелегированные стали поставляют по ГОСТ 4543—71 и специальным ТУ; они могут относиться или к перлитному (25ХГСА, З0ХГСА, 35ХГСА), или к мартенситному (30Х2ГН2СВМА) классам.

Металлургические особенности сварки. Среднелегированные стали относятся к спокойным. Используемые при этом шлаковые системы не должны при­водить к значительному развитию окислительно-восстановитель­ных реакций на границе шлак—металл, что позволяет уменьшить загрязненность металла шва шлаковыми включениями. Напри­мер, при сварке под флюсом АН-348А содержание неметалли­ческих включений в металле шва составляет 0,039%, а при сварке под флюсом АН-15М 0,006—0,008%. Несмотря на по­вышенную загрязненность металла шва шлаковыми включе­ниями, в некоторых случаях при сварке среднелегированных сталей используют флюсы типа АН-348А. Это обусловлено тем, что подобные флюсы обеспечивают хорошее формирование шва, легкое удаление шлаковой корки, стабильное горение дуги.

При выборе состава металла шва необходимо учитывать усло­вия работы сварного соединения и требования, предъявляемые к сварным соединениям. Поскольку углерод повышает чувстви­тельность стали к образованию кристаллизационных трещин в металле шва, то обычно содержание углерода в шве ограничи­вают 0,23%, а необходимые свойства получают за счет дополни­тельного легирования. Так, например, сварные соединения стали 30ХГСА, выполненные под флюсом АН-15, после закалки и от­пуска на = 1300МПа в зависимости от проволоки имеют = 1300 МПа в случае использования проволоки Св-20Х4ГМА и = 1000 МПа — проволоки Св-18ХМА.

Для снижения вероятности образования горячих трещин из-за серы и фосфора обычно в сварных конструкциях исполь­зуют высококачественные стали.

Наряду с уменьшением содержания серы и фосфора в исход­ных материалах рационально использовать сварочные материалы (флюсы, электродные покрытия, электродную проволоку), кото­рые обеспечивают понижение концентрации серы и фосфора в шве или уменьшают их вредное влияние. Например, содержание серы и фосфора понижается при использовании низкокремнистых флюсов с повышенным содержанием окиси кальция, например флюса АН-15М.

Основная причина образования пор при сварке среднелегиро­ванных сталей — водород. Для предупреждения образования пор применяют различные металлургические приемы, исключа­ющие попадание влаги в зону сварки.

Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. Среднелегированные стали обладают ограниченной сва­риваемостью. Это выражается в ограничении режимов сварки и тепловых условий проведения процесса, при которых обеспечи­ваются требуемые свойства. Ограниченная свариваемость обус­ловлена повышенной прокаливаемостью среднелегированных ста­лей и большой зависимостью механических свойств сталей от режима термообработки.

Наиболее опасный дефект околошовной зоны — холодные тре­щины. Независимо от исходного состояния свариваемых сталей образование холодных трещин наблюдается в высокотемператур­ной области зоны аустенитизации. Переход к режимам сварки с большей погонной энергией позволяет снизить вероятность образования холодных трещин, если изменение режима приводит к снижению содержания мартенсита или предотвращает его обра­зование в структуре металла зоны термического влияния. В неко­торых случаях подобный режим обеспечивается только при при­менении подогрева, предварительного или сопутствующего. Пред­варительный подогрев целесообразен при сварке массивных дета­лей, сопутствующий можно использовать как для тонкостенных деталей, так и массивных.

Образование холодных трещин носит замедленный характер, поэтому в тех случаях, когда время до термообработки сварных соединений меньше инкубационного периода образования холод­ных трещин, образование холодных трещин предотвращают путем проведения после сварки отпуска.

Ограничения в режимах сварки с целью предотвращения обра­зования холодных трещин возрастают с повышением содержания углерода в стали. Это вызвано несколькими причинами: пониже­нием температуры мартенситного превращения, критической ско­рости закалки и пластических свойств мартенсита с увеличением содержания углерода. Влияние температуры начала мартенсит­ного превращения на образование холодных трещин связывают с развитием самоотпуска мартенсита. Если мартенситное превра­щение протекает при температурах 250—300° С, то. из-за развития процесса самоотпуска мартенсита опасность образования холод­ных трещин снижается. Поскольку пластические свойства мартен­сита с увеличением содержания углерода падают, а внутренние напряжения, формирующиеся в результате мартенситного превра­щения, возрастают, то с целью снижения ограничений в техно­логии сварки следует использовать среднелегированные стали с минимальным содержанием углерода, обеспечивающим задан­ную прочность.

Оптимальные свойства среднелегированных сталей обеспе­чиваются после проведения термообработки, которая в большин­стве случаев заключается в закалке (нормализации) с отпуском.

В зависимости от структурного состояния элементов, посту­пающих на сварку, возможно изготовление сварных узлов по двум основным вариантам: элементы поступают на сварку в термообработанном состоянии на оптимальные свойства; термообра­ботку, обеспечивающую оптимальные свойства металла, проводят после выполнения сварочных работ.

При сварке сталей в термообработанном состоянии прочность сварного соединения определяется прочностью зоны разупроч­нения. Уменьшения уровня снижения свойств сварного соеди­нения достигают путем использования режимов с малой погонной энергией. Если возможно, выполняют многослойную сварку. Однако режимы с малой погонной энергией могут привести к обра­зованию холодных трещин. Образованию холодных трещин при сварке элементов в термообработанном состоянии способствует также повышенная жесткость металла. Для предотвращения образования холодных трещин и уменьшения потери свойств в зоне разупрочнения используют режимы сварки, характери­зующиеся малой величиной погонной энергии в сочетании с по­догревом.

Обычно температуру подогрева принимают несколько ниже температуры начала мартенситного превращения. Для высоко­прочных сталей (ЗОХГСА, ЗОХГСНА и др.) температуру подо­грева назначают в пределах 200—300° С. Если возможно, то непо­средственно после сварки узел подвергают отпуску обычно по режиму отпуска стали. Наиболее рационально использовать сопутствующий локальный подогрев (локальная термообработка), который не сказывается на протяженности зоны термического влияния сварки и в то же время позволяет осуществить или отпуск закаленного металла зоны аустенитизации, или режим, близкий к ступенчатой закалке.

Локальную термообработку осуществляют путем последова­тельного перемещения дополнительного источника нагрева, газо­вого пламени, плазменной струи, светового луча или индуктора вдоль сварного соединения. Локальная термообработка может быть совмещена со сваркой или выполнена отдельно.

Если предварительный или сопутствующий подогрев, а также отпуск узла после сварки недопустимы по каким-либо условиям, а путем изменения режима сварки образование трещин не пре­дотвращается, то используют проволоку, обеспечивающую полу­чение металла шва с аустенитной структурой. В этом случае, как правило, прочность соединения определяется прочностью ме­талла шва.

Если полную термообработку проводят после сварки, то основным критерием выбора режима сварки служит предотвра­щение образования холодных трещин. Не следует применять режимы сварки с заведомо большой погонной энергией, так как их использование усиливает формирование структур перегрева. По этой причине иногда сварку ведут на режимах с малой погон­ной энергией, но в сочетании с подогревом (общим или локаль­ным).

В большинстве случаев после сварки среднелегированных сталей для улучшения структуры, снижения структурных напря­жений, а также предотвращения образования холодных трещин в зоне сварных соединений проводят промежуточную термооб­работку, общую или локальную. Как правило, локальная термо­обработка оказывается более рациональной, поскольку может осуществляться в общем производственном потоке. Температуру промежуточной термообработки при общем нагреве выбирают в пределах до Ас1 (высокий отпуск).

Особенности сварки сталей различными способами. Для сварки покрытыми электродами в основном используют электроды с покрытием основного типа. В зависимости от требований, предъявляемых к металлу шва и технологии сварки, используют электроды, обеспечива­ющие получение среднелегированного металла шва; НИАТ-ЗМ (тип Э85), ВИ10-6 (типа Э100); УОНИ-13/18ХМА (тип ЭЮО-Ф), НИАТ-3 (типа Э145) и электроды, обеспечивающие получение аустенитного металла шва, НИАТ-б, ВИ12-6.

Сварка под флюсом. В зави­симости от требований к металлу шва используют высокомарган­цовистые флюсы — силикаты типа АН-348А и низкокремнистые безмарганцовистые флюсы АН-15, АН-15М и др. Низкокремни­стые безмарганцовистые флюсы по сравнению с высокомарган­цовистыми флюсами позволяют получить металл шва с более высокими пластическими свойствами. Флюсы АН-15 и АН-15М несколько уступают флюсу АН-348-А в технологическом отно­шении, и при их использовании сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности.

Для дуговой сварки в атмосфере защитных газов в качестве защитного газа используют углекислый газ и аргон. При сварке в углекислом газе в зависимости от требований, предъявляемых к шву, применяют сварочные проволоки: Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-18ХМА, Св-08ХГ2С, Св-08ХЗГ2СМ, Св-10ХГ2СМА и др.

Поскольку в проволоке Св-18ХМА пониженное суммарное содержание раскислителей, то наиболее рационально ее исполь­зовать при сварке одно- и двухслойных швов. При сварке много­слойных швов применяют электродную проволоку Св-08ХЗГ2СМ, при этом первый слой можно выполнять менее легированной про­волокой, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ и др.

При сварке плавящимся электродом с целью снижения вероят­ности образования пор и повышения стабильности процесса ра­ционально использовать аргон с добавками 5—10% кислорода или углекислого газа.

При сварке сталей высокой прочности ( > 1500 МПа) небольшой толщины (в основном до 3 мм) рационально исполь­зовать одностороннюю двухслойную аргонодуговую сварку воль­фрамовым электродом поперечными колебаниями.

При сварке неплавящимся электродом для увеличения глу­бины проплавления, особенно в случае использования сталей спе­циальной выплавки (электрошлакового переплава, рафиниро­ванных синтетическими шлаками и др.), целесообразно исполь­зовать активирующие флюсы-пасты. Флюс наносят на свариваемые кромки в виде тонкого слоя с помощью специального стержня-карандаша. Содержащиеся во флюсе компоненты (главным образом фториды и окислы) способствуют сжатию столба дуги, благодаря чему и обеспечивается увеличение глубины проплавления.

При электрошлаковой сварке используют флюсы АН-8, АН-8М, АН-22 и стандартные электродные проволоки Св-12ГС, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА, Св-10Х5М и др., которые выбирают в зависимости от состава свариваемой стали. Поскольку электродная проволока имеет пониженное содержание углерода, то обычно применяют электродную проволоку, которая позволяет дополнительно леги­ровать металл шва.

С целью получения металла шва с требуемыми свойствами обычно используют режимы, обеспечивающие долю участия основного металла в образовании шва до 50—60%, что позволяет приблизить состав металла шва к основному.

При электрошлаковой сварке, как правило, не наблюдается образования холодных трещин. Это обусловлено малыми скоро­стями охлаждения металла зоны аустенитизации, позволяющими предотвратить образование структур закалки или обеспечить их самоотпуск. Однако подобные термические условия способ­ствуют формированию в зоне термического влияния струк­тур перегрева, что приводит к значительному снижению пласти­ческих свойств. Для восстановления свойств металла зоны перегрева применяют полную термообработку (закалку с отпу­ском).

Электронно-лучевая сварка применительно к среднелегированным сталям и особенно высокопрочным — перспективный метод, поскольку позволяет получить сварные соединения с бла­гоприятной структурой и высокими механическими свойствами. Подобное сочетание свойств обеспечивается путем использования режимов с малой погонной энергией.

Склонность к образованию холодных трещин швов, выпол­ненных электронно-лучевой сваркой на режимах с малой погон­ной энергией, ниже, чем швов, выполненных дуговой сваркой. Это, по-видимому, обусловлено, с одной стороны, более низким уровнем внутренних напряжений в сварных соединениях, выпол­ненных электронно-лучевой сваркой, с другой — повышением температуры мартенситного превращения из-за большой неод­нородности аустенита.

Электронно-лучевая сварка дает хорошие результаты при сварке сталей толщиной до 30 мм. При сварке более толстого металла и содержании углерода в стали свыше 0,2% возникают трудности из-за образования кристаллизационных трещин.

Тема 2.4. Технология сварки высоколегированных сталей. Состав и свойства. Основные сведения о свариваемости. Выбор способов сварки и сварочных материалов. Технология сварки мартенситных и мартенситно-ферритных высокохромистых сталей. Технология сварки высокохромистых ферритных сталей. Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей.

ТЕХНООГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Характеристика высоколегированных сталей. В зависимости от структуры основы (матрицы) высоколегированные стали могут относиться к ферритному, аустенитному и мартенситному клас­сам. Помимо сталей с однофазной основой, в настоящее время широко используют двухфаз­ные стали переходных клас­сов: аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и мартенситно-ферритные.

Основными легирующими элементами высоколегиро­ванных сталей являются хром, никель, марганец. По системе легирования стали подразделяют на высокохро­мистые, хромоникелевые, хромоникелемарганцевые и др.

Высокохромистые стали. В безуглеродистых железо-хромистых сплавах область -твердых растворов замы­кается при содержании свыше 13% Сг. При наличии углерода область -твердых растворов расширяется. Например, в хромистой стали, содержащей 0,25% С, область -твердого раствора замыкается при концентрации хрома свыше 21—22%. Таким образом, структура и свойства хромистых сталей опре­деляются содержанием хрома и углерода.

В зависимости от развития структурных превращений хроми­стые стали подразделяют на три группы Стали первой группы обычно относятся к мартенситным (20X13, 14Х17Н2 и др), второй — ферритно-мартенситным (12X13, 14Х12В2МФ) и третьей — ферритным (12X17, 08Х17Т).

В хромистых сталях хром, как более энергичный карбидообразователь, вытесняет железо из цементита и образует сложные карбиды типа (CrFe)₇C₃; (CrFe)₂₃C₆. Хром снижает критическую скорость закалки и способствует прокаливаемости стали. Наличие хрома в стали повышает коррозионные свойства стали, а при содержании свыше 12—13% Сг сталь не подвержена коррозии в атмосфере воздуха, а также в некоторых средах и относится к коррозионностойким.

Упрочнения феррита в высокохромистых сталях достигают легированием, главным образом вольфрамом, молибденом, нике­лем, ванадием, а также закалкой из -области.

Формированию мартенсита способствуют элементы, понижа­ющие температуру →М превращения никель, марганец; наобо­рот, вольфрам, молибден и кремний повышают температуру превращения, благодаря чему эффект закалки снижается. Опти­мальные свойства термически-упрочняемые высокохромистые стали приобретают после закалки и высокого отпуска при температуре 650—700° С. Температуру закалки выбирают в зависимости от содержания хрома и углерода, поскольку температура нагрева сказывается на фазовом составе.

Высокохромистые стали с различными добавками используют не только как коррозионно-стойкие, но и как жаростойкие и жаропрочные.

Ферритные жаропрочные стали по сравнению о аустенитными имеют пониженную жаропрочность. Ферритные стали более склонны к росту зерна в околошовной воне при сварке.

Хромоникелевые стали. Введение в 18%-ную хромистую сталь свыше 7% Ni переводит ее в аустенитное состояние. Сталь с аустенитной структурой по сравнению с ферритной обла­дает лучшими механическими свойствами (сочетание высокой прочности и пластичности), менее склонна к росту зерна и более коррозионностойкая.

В зависимости от содержания хрома и никеля хромоникелевые стали могут иметь структуру метастабильного аустенита — стали типа 18-10 (18-9): 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т и стабиль­ного — стали типа 15-25 (например, 08Х15Н24В4ТР). В сталях с метастабильным аустенитом при опреде­ленных условиях возможно превра­щение аустенита или в мартенсит (при низких температурах, особенно в сочетании с деформацией), или в феррит с выделением карбидов (при повышенных температурах). В структуре стали типа Х18Н9 кар­биды могут наблюдаться при содер­жании углерода выше предела рас­творимости.

Выпадение карбидов по границам зерен зависит от времени нахождения стали в области опасных температур. Быстрое охлаждение металла позволяет предотвратить выпадение карбидов. Склонность к межкристаллитной коррозии можно предотвратить, если содержание углерода в стали будет ниже предела раствори­мости.

Дополнительное легирование хромоникелевой стали позво­ляет повысить жаропрочность. При этом жаропрочность повы­шается как за счет упрочнения основы стали — аустенита, так и за счет формирования дополнительных фаз — карбидных или интерметаллидных. Карбидное упрочнение используют в сталях в небольшим содержанием никеля и соотношением Сг : Ni > 1 (стали типа Х18Н9), вводят в состав стали элементы, образующие стойкие карбиды: W, Nb, V. Стали с карбидным упрочнением имеют повышенное содержание углерода (0,3—0,5%).

Более высокие жаропрочные свойства имеют стали с относи­тельно большим содержанием никеля и соотношением Сг : Ni < 1 (стали типа Х12Н20). Благодаря повышенной концентрации никеля в сталях подобного типа создаются условия для интерметаллидного упрочнения.

Двухфазные стали. В последние годы значительное приме­нение в промышленности нашли двухфазные стали. Широкому внедрению двухфазных сталей способствовали их высокие проч­ностные свойства в сочетании g хорошей коррозионной стой­костью, повышенным сопротивлением межкристаллитной корро­зии и коррозии под напряжением. Двухфазные стали, как пра­вило, отличаются от однофазных лучшей свариваемостью.

Наибольшее применение нашли двухфазные стали на основе еистемы Fe—Сг—Ni: 07X16Н6, 08Х17Н5МЗ, 12X21Н5Т, 08Х22Н6Т, 10Х20Н6МД2Т.

В зависимости от соотношения хрома и никеля и температуры начала мартенситного превращения двухфазные стали могут относиться к аустенитно-мартенситному, аустенитно-ферритному и мартенситно-ферритному классам. Стали аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов отличаются по температуре начала мартенситного превращения. Аустенитно-мартенситные стали имеют температуру начала мартенситного превращения 60—20° С, температура начала мартенситного пре­вращения аустенитно-ферритных сталей лежит в области отри­цательных температур.

Двухфазные стали в большинстве случаев упрочняются за счет дисперсионного твердения (упрочнение за счет выделения из пересыщенного твердого раствора дисперсных фаз). При этом из-за различия растворимости упрочняющей фазы в аустените и феррите (мартенсите) процессы дисперсионного твердения разви­ваются только в ферритной (мартенситной) фазе. Поэтому степень упрочнения двухфазной стали определяется количеством феррит­ной (мартенситной) составляющей. В этом случае аустенитная составляющая играет роль своеобразной барьерной фазы, повы­шающей вязкость и пластичность стали, при этом прочность стали несколько снижается.

Мартенситно-стареющие коррозионно-стойкие стали. В этих сталях (например, в стали 08Х15Н5Д2Т) высокая прочность в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью достигается при формировании высоколегированной низкоуглеродистой мартенситной матрицы, обладающей высокой пластичностью, и последующем упрочнении матрицы в процессе дисперсионного твердения—старения. Этим мартенситно-стареющие стали отли­чаются от высокохромистых мартенситных сталей, упрочняемых в процессе закалки в связи с наличием углерода в твердом рас­творе и частичным распадом мартенсита с образованием кар­бидов.

Формирование мартенситной матрицы с высокой пластич­ностью достигается путем максимального легирования стали никелем при сохранении мартенситного класса и уменьшения до минимума содержания углерода и азота, а также вредных при­месей серы и фосфора. Благодаря малому содержанию примесей атомов внедрения (азота и углерода) снижаются искажения кри­сталлической решетки и вероятность закрепления дислокаций.

Упрочнение мартенситной матрицы достигается в результата развития процесса дисперсионного твердения—старения, осуще­ствляемого введением в состав стали элементов, образующих интерметаллидные упрочняющие фазы. При введении меди эффект упрочнения достигается за счет выделения дисперсных частиц чистой меди. В качестве элементов, обеспечивающих старение, используют титан, алюминий, марганец, ниобий, цирконий' молибден, медь и кремний. Особенно желательно введение в сталь, титана, который, образуя карбонитриды титана, способствует удалению углерода и азота из твердого раствора. Это способ­ствует повышению пластичности мартенситной матрицы.

В мартенситно-стареющих сталях содержание легирующих элементов подбирают таким образом, чтобы начало и конец мар­тенситного превращения лежали в области температуры 130— 30° С. Обычно структура стали после закалки состоит из мар­тенсита и остаточного аустенита (около 10%). Остаточный аустенит обеспечивает закаленной и состаренной стали достаточную вязкость. Снижение остаточного аустенита за счет быстрого ох­лаждения при закалке приводит к некоторому повышению проч­ности, но в этом случае резко понижается вязкость стали после старения. Слишком медленное охлаждение при закалке может привести к выделению карбидов хрома в виде сетки по границам зерен, а следовательно, снижению вязкости. Термообработку сварных соединений назначают в зависимости от условий работы. Если сталь работает при обычных температурах, то сварные соединения не подвергают старению; если же предполагается работа при повышенных температурах, то сварные соединения обрабатывают при температуре 600—650° С. Подобная обработка обеспечивает перестаривание мартенсита и предотвращает ста­рение металла в зоне сварного соединения в процессе эксплуатации.

Металлургические особенности сварки. Высоколегированные стали являются хорошо раскисленными, как правило, с малым содержанием вредных примесей: серы, фосфора и кислорода.

При выборе присадочных материалов необходимо учитывать не только условия работы сварных соединений, но и возмож­ность образования дефектов в металле шва. Для сварных соеди­нений, работающих при высокой температуре, наиболее опти­мальный состав металла шва — состав основного металла. Для улучшения свойств металла шва, осо­бенно при сварке однофазных сталей — высокохромистых, хромоникелевых аустенитных и др., рационально вводить в металл сварочной ванны небольшие добавки элементов, обеспечивающих измельчение структуры, например титана.

При выборе состава металла шва необходимо учитывать склон­ность высоколегированных сталей к образованию горячих тре­щин и предусматривать меры их предупреждения. В зависимости от стабильности аустенита применяют различные способы борьбы с горячими трещинами. При сварке сталей о метастабильным аустенитом (типа Х18Н9) образование горячих трещин предот­вращают путем формирования металла шва с двухфазной аустенитно-ферритной структурой. С увеличением количества ферритной фазы стойкость металла шва против образования горячих трещин возрастает.

Наличие феррита в аустенитной стали повышает вероятность образования хрупкой фазы при длительной работе в области высоких температур, поэтому в большинстве случаев количество феррита в металле шва ограничивают 2—7%.

Если сварные соединения работают при температуре ниже 300 ⁰С, увеличение количества ферритной фазы рационально, поскольку при наличии ферритной фазы повышается коррозион­ная стойкость металла шва.

При сварке высокохромистых ферритных сталей формирова­ние швов с двухфазной аустенитно-ферритной структурой ра­ционально, поскольку позволяет повысить их стойкость против образования горячих трещин.

Холодные трещины. Образование холодных трещин наблю­дается при сварке высокохромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритного классов и обусловлено формированием мартенсита. В некоторых случаях образование холодных трещин наблюдается и при сварке сталей ферритного класса, когда содер­жание хрома и кремния в стали на нижнем пределе. Предпола­гают, что образование холодных трещин при подобных условиях обусловлено формированием при быстром нагреве метастабиль­ного аустенита в пограничных слоях ферритных зерен, где из-за растворения карбидов наблюдается повышенная концентрация углерода. В процессе охлаждения возможно превращение метастабильного аустенита в мартенсит.

Во всех случаях при сварке высокохромистых сталей вероят­ность образования холодных трещин возрастает с повышением содержания углерода, поскольку сувеличением содержания углерода снижаются пластические свойства мартенсита.

Для предотвращения образования холодных трещин, как правило, используют подогрев до температуры 250—300° С (пред­варительный или сопутствующий). При этом целесообразность использования подогрева возрастает с увеличением содержания углерода в стали, а также толщины свариваемого металла. Например, для стали 08X13 подогрев назначают при сварке металла толщиной свыше 16 мм; 12X13 — свыше 10 мм, а 20X13 — свыше 8 мм.

После сварки высокохромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритного, а в некоторых случаях и ферритного клас­сов, как правило, применяют высокотемпературный отпуск при температуре 680—720° С в течение 3—5 ч, а жаропрочные стали отпускают при более высокой температуре (730—750 С).

Иногда проведение отпуска после сварки вызывает значитель­ные трудности. В подобных случаях отпуск можно не проводить, если сварные соединения работают при статических нагрузках, а сварка выполнена с использованием аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих достаточную вязкость соединения за счет формирования металла шва с аустенитной или с аустенитно-ферритной структурой.

Отпуск позволяет не только улучшить механические свой­ства сварного соединения, но и повысить его коррозионные свойства.

Межкристаллитная коррозия. Предрасположенность высоко­легированных хромоникелевых сталей к межкристаллитной кор­розии зависит от свойств стали и характера термического воз­действия. Поскольку в условиях сварки плавлением в зоне тер­мического влияния металл нагревается до температур 500—800° С, то это может привести к формированию структуры, склонной к межкристаллитной коррозии. Поэтому при изготовлении свар­ных конструкций, предназначенных для работы в агрессивных средах, используют хромоникелевые стали, стабилизированные титаном или ниобием.

Металл шва также должен быть легирован элементами-стаби­лизаторами, в особенности со стороны воздействия агрессивной среды. В качестве элементов-стабилизаторов в зависимости от способа сварки используют титан или ниобий. При наличии эле­ментов-стабилизаторов длительное нахождение металла в области опасных температур может привести к формированию структуры, склонной к межкристаллитной коррозии. Поэтому сварку следует вести, используя режимы с малой погонной энергией, особенно при выполнении многослойных швов.

Предрасположенность к межкристаллитной коррозии наблю­дается и в сварных соединениях высокохромистых сталей. Склон­ность сварных соединений высокохромистых сталей к межкри­сталлитной коррозии в области, где нагрев превышает 900° С, наблюдается при выполнении сварных соединений на режимах с малой погонной энергией. При сварке на мягких режимах склонность к межкристаллитной коррозии не наблюдается. Подоб­ное поведение высокохромистых сталей обусловлено тем, что фор­мирование карбидов хрома с одновременным обеднением границ ферритных зерен хромом наблюдается только при сварке на жестких режимах.

Предполагают также, что известную роль в предрасположен­ности высокохромистых сталей к межкристаллитной коррозии при сварке на жестких режимах играют внутренние напряжения, связанные с формированием карбидов по границам зерен. При сварке на мягких режимах из-за большой скорости диффузии в ОЦК-решетке феррита происходит выравнивание концентрации хрома, а также напряжений в области границ. Это предотвращает возможность развития межкристаллитной коррозии.

Ножевая коррозия. Склонность к ножевой коррозии, как правило, проявляется в сварных соединениях хромоникелевых сталей, стабилизированных титаном и реже ниобием. Ножевая коррозия проявляется в интенсивной локальной коррозии основ­ного металла вблизи границы сплавления. Возможность развития ножевой коррозии появляется после отпуска при температуре 650° С однослойного шва или в зоне сплавления первого шва многослойных швов.

Причины предрасположенности металла зоны сплавления к ножевой коррозии обусловлены выпадением карбидов хрома и титана. При сварке нагрев металла зоны термического влияния до температур 1200—1300° С приводит к растворению карбидов титана в аустенитных зернах. При охлаждении титан и углерод фиксируются в аустените. Последующий нагрев (или при отпуске, или при выполнении второго слоя) металла до температуры 600— 700° С приводит к выпадению карбидов. При этом формируются карбиды титана и хрома. Это обусловлено тем, что для связывания углерода, диффундирующего к границам с значительно большей скоростью, чем титан, титана в пограничных слоях зерен оказы­вается недостаточно.

Формирование карбидов хрома приводит к обеднению погра­ничных слоев аустенитных зерен хромом. Как следствие, металл становится предрасположенным к локальной коррозии. С повы­шением относительного содержания титана (Ti/C) в стали вероят­ность развития ножевой коррозии снижается. Однако в этом слу­чае возможно охрупчивание стали из-за развития процесса ста­рения. Ножевая коррозия предотвращается также при содержа­нии углерода в стали не выше 0,02—0,03%. Во всех случаях при выполнении двухслойных швов второй шов необходимо выполнять со стороны действия агрессивной среды.

Охрупчивание металла. Охрупчивание металла зоны сварного соединения может быть вызвано или формированием структуры перегрева, характеризующейся крупным зерном, или неблаго­приятной формой выпадения избыточных фаз. В большинстве случаев охрупчивание металла зоны термического влияния обус­ловлено сочетанием указанных процессов. Наибольшую склонность к охрупчиванию проявляют высокохромистые стали, особенно ферритного класса, а также хромоникелевые стали переходного аустенитно-ферритного класса.

Охрупчивание металла зоны сварного соединения высоко­хромистых сталей связано е их природой — формированием при температурах, близких к солидусу ферритной структуры, в ко­торой диффузионные процессы протекают с большей скоростью чем в аустените. Это облегчает укрупнение зерен металла зоны-: термического влияния в области высоких температур и способ­ствует более интенсивному выделению карбидов по границам зерен в процессе охлаждения. Однако частично углерод остается в ферритной матрице и искажает ее решетку. Последнее затруд­няет перемещение дислокаций в процессе деформации и, как следствие, вызывает снижение пластических свойств.

Охрупчивание высокохромистых сталей предупреждают, ис­пользуя режимы с малой погонной энергией, или применяют стали, легированные элементами, снижающими ее склонность к росту зерна в зоне термического влияния.

Охрупчивание двухфазных аустенитно-ферритных хромоникелевых сталей связано с фазовой перекристаллизацией и ростом зерна. В результате фазовой перекристаллизации в структуре металла зоны термического влияния, нагревавшейся до высо­ких температур (выше 1200—1300° С), происходит увеличение-содержания ферритной фазы, а вблизи зоны сплавления возможно формирование полностью ферритной структуры, способ­ствующей интенсивному росту зерна.

Рассмотренные структурные превращения в зоне термического влияния двухфазных сталей при многослойной сварке могут привести к катастрофическому снижению пластических свойств металла из-за выпадения избыточных фаз в виде сплошной сетки по границам зерен зоны термического влияния первых слоев при выполнении последующих слоев.

Особенности сварки сталей различными способами. При сварке высоколегированных сталей покрытыми электродами используют электроды с основным покрытием. Применение электродов с по­крытием фтористокальциевого типа позволяет обеспечить форми­рование наплавленного металла необходимого химического со­става, а также других свойств путем использования высоколеги­рованной электродной проволоки и делегирования через покрытие.

Сочетание легирования через электродную проволоку и по­крытие позволяет обеспечить не только гарантированный хими­ческий состав в пределах паспортных данных, но и определенные другие свойства, например гарантированное содержание феррит-ной фазы в узких пределах. В качестве примера можно привести электроды марки ЦТ-15 (тип ЭА-1Ба, содержание ферритной фазы 2,5—5,5% по ГОСТ 10052—75), предназначенные для сварки аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н12Т и им подобных. Электроды ЦТ-15 при использовании стандартной электродной проволоки Св-07Х19Н10Б обеспечивают за счет делегирования через покрытие содержание ферритной фазы в на­плавленном металле в пределах 2,5—4,5%.

При использовании электродов ЦТ-15 сварку первого слоя стыкового шва из-за большой доли участия основного металла рекомендуется выполнять электродами ЦТ-15-1 (тип ЭА-1Б, со­держание ферритной фазы 5,5—15% по ГОСТ 10052—75), обеспе­чивающими более высокое содержание ферритной фазы в наплав­ленном металле (5,5—9%). Последнее достигается при использо­вании стандартной электродной проволоки Св-07Х19Н10Б и до-легировании через покрытие.

Содержащийся в электродных стержнях титан при сварке практически полностью окисляется. По этой причине при сварке покрытыми электродами в качестве элемента-стабилизатора ис­пользуют ниобий. Коэффициент перехода ниобия из стержня при сварке покрытыми электродами составляет 60—65%.

Для сталей с низким содержанием углерода наличие значитель­ных количеств СаС0 ₃ в покрытии электродов нежелательно, поскольку образующийся углекислый газ может привести к на­углероживанию металла сварочной ванны. В подобных случаях можно использовать электроды с окислительным низкокрем­нистым покрытием. При этом можно избежать не только наугле­роживания, но и перехода кремния из покрытия в сварочную ванну. Указанные процессы в некоторой мере обеспечиваются при использовании электродов с рутил-карбонатно-фтористым покрытием, например электродов марки ОЗЛ-14 (типа ЭА-1 по ГОСТ 10052—75).

Глубокоаустенитные стали при повышенном содержании крем­ния склонны к образованию горячих трещин. Поэтому нежелателен переход кремния из покрытия в шов в результате развития кремневосстановительного процесса. В подобных случаях исклю­чают присутствие SiО₂ в покрытии, не только подбирая шихту соответствующей композиции, но используя в качестве связующего не жидкое стекло, а высокоглиноземистые цементы в комбинации с добавками алюмината натрия. Подобными свойствами обладают электроды марки ЦТ-22. Недостаток имеющихся алюминатных покрытий — недостаточная их прочность.

Сварку высоколегированных сталей под флюсом . С металлургической точки зрения для сварки высоколегированных сталей наиболее рацио­нальны фторидные флюсы типа АНФ-5, которые обеспечивают хорошую защиту и металлургическую обработку металла сва­рочной ванны и позволяют легировать сварочную ванну титаном через электродную проволоку. При этом процесс сварки малочув­ствителен к образованию пор в металле шва из-за водорода. Однако фторидные бескислородные флюсы имеют относительно низкие технологические свойства. Именно низкие технологиче­ские свойства фторидных флюсов служат причиной широкого использования для сварки высоколегированных сталей флюсов на основе окислов.

К флюсам на основе окислов относятся низкокремнистые типа АН-26, обеспечивающие хорошее формирование ме­талла шва. Однако при сварке наблюдается интенсивное окисление титана и алюминия (не удается легировать шов этими элементами через проволоку), переход кремния в шов. Последнее при сварке глубокоаустенитных сталей повышает вероятность образования горячих трещин, а при сварке высокохромистых мартенситных сталей приводит к охрупчиванию из-за формирования ферритной фазы.

Наряду с низкокремнистыми для сварки высоколегированных сталей используют флюсы на основе высокоустойчивых окислов — высокоосновные флюсы типа АН-292 (флюс на основе системы А1₂О₃—СаО—MgO). Указанные флюсы обладают хорошими ме­таллургическими и технологическими свойствами. Однако они чувствительны к образованию пор в металле шва из-за водорода.

Сочетание положительных свойств фторидных флюсов и флюсов на основе окислов достигается при использовании фторидных безокислительных флюсов типа АНФ-8 и фторидных окислитель­ных типа АНФ-14, АНФ-17 и АНФ-22. Флюс АНФ-14 исполь­зуют взамен флюса АН-26. Флюсы АНФ-17 и АНФ-22 позволяют осуществить необходимые при сварке глубокоаустенитных сталей изменения состава металла шва (снижение концентрации крем­ния, легирование бором и марганцем). Фторидные окислительные флюсы уступают безокислительным флюсам по своим форми­рующим свойствам.

В некоторых случаях при сварке глубокоаустенитных сталей, особенно системы Cr—Ni—Mo—Сu, используют высокоокислительный низкокремнистый флюс АН-18, а при сварке жаропроч­ных высокохромистых мартенситных сталей — флюс АН-17, менее окислительный по сравнению в флюсом АН-18.

Сварку высоколегированных сталей для снижения вероятности формирования структуры перегрева, как правило, выполняют на режимах, характеризующихся малой величиной погонной энергии. При этом предпочтение отдают швам малого сечения, получаемым при использовании электродной проволоки неболь­шого диаметра (2—3 мм). Поскольку высоколегированные стали обладают повышенным электросопротивлением и пониженной электропроводностью, то вылет высоколегированного электрода при сварке уменьшают в 1,5—2 раза по сравнению с вылетом электрода из углеродистой стали.

Для сварки высоколегированных сталей в атмосфере защитных газов используют аргон, гелий (реже), углекислый газ.

Аргонодуговую сварку выполняют плавящимися и неплавящимися вольфрамовыми электродами. Плавящимся электродом сваривают на постоянном токе обратной полярности, используя режимы, обеспечивающие струйный перенос электродного металла. В. некоторых случаях (в основном при сварке аустенитных сталей) для повышения стабильности горения дуги и особенно снижения вероятности образования пор из-за водорода при сварке плавя­щимся электродом используют смеси аргона с кислородом или уг­лекислым газом (до 10%).

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в основном осуществляют на постоянном токе прямой полярности, в некото­рых случаях при наличии в сталях значительного количества алюминия используют переменный ток для обеспечения катод­ного разрушения окисной пленки.

При сварке высоколегированных сталей для защиты металла широко применяют углекислый газ, в результате чего снижается вероятность образования пор в металле шва из-за водорода, при этом обеспечивается относительно высокий коэффициент перехода легкоокисляющихся элементов. Так, например, коэффициент перехода титана из проволоки достигает 50%. При сварке в атмосфере аргона коэффициент перехода титана из проволоки составляет 80—90%.

При сварке в углекислом газе сталей, имеющих высокое содержание хрома и низкое кремния, на поверхности шва образуется тугоплавкая, трудноудаляемая окисная пленка. Ее при­сутствие затрудняет проведение многослойной сварки. При сварке сталей с малым содержанием углерода (ниже 0,07—0,08%) воз­можно науглероживание наплавленного металла. Переход угле­рода в сварочную ванну усиливается при наличии в электрод­ной проволоке алюминия, титана, кремния. В случае сварки глубокоаустенитных сталей некоторое науглероживание металла сварочной ванны в сочетании с окислением кремния снижает вероятность образования горячих трещин. Однако науглероживание может изменить свойства металла шва и, в частности, снизить коррозионные свойства.

При сварке в углекислом газе наблюдается повышенное раз­брызгивание электродного металла. Наличие брызг на поверх­ности металла снижает коррозионную стойкость. Особенности сварки в атмосфере углекислого газа необходимо учитывать при разработке технологии сварки.

Тема 2.5. Технология сварки разнородных сталей и сплавов. Образование шва. Особенности технологии и техники сварки сталей одного структурного класса. Особенности технологии и техники сварки сталей разного структурного класса.