ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Из низколегированных сталей в сварных конструкциях исполь­зуют как простые конструкционные (машиностроительные и строительные), так и теплоустойчивые. Стали указанных групп отличаются не только по эксплуатационным свойствам, но и по чувствительности к процессу сварки.

Характеристика конструкционных сталей и особенности их сварки, Свойства низколегированных сталей в известных пределах регулируют за счет изменения содержания углерода и легирую­щих элементов. С увеличением содержания углерода сваривае­мость стали ухудшается из-за повышения вероятности образо­вания горячих и холодных трещин. Повышение вероятности обра­зования горячих трещин при увеличении содержания углерода обусловлено склонностью углерода к ликвации, а холодных тре­щин – тем, что углерод снижает температуру мартенситного превращения и способствует формированию малопластичного (двойникованного) мартенсита. Объемные изменения (увеличение объема) при превращении аустенита в мартенсит с повышением содержания углерода возрастают. Это приводит к увеличению внутренних напряжений.

В связи с отмеченным в сварных конструкциях применяют в основном низкоуглеродистые низколегированные стали повышен­ной прочности, содержащие до 0,23%С и относящиеся к перлит­ному классу. Они обладают достаточной прочностью и относи­тельно хорошей свариваемостью. Основные легирующие элементы низколегированных сталей — марганец, кремний, хром. В неко­торых сталях имеется никель, ванадий, медь и др. С целью уменьшения роста зерна в околошовной зоне стали, используемые в сварных конструк­циях, как правило, дополнительно раскисляют алюминием или титаном.

Низколегированные стали поставляют в основном в горяче­катаном состоянии или после нормализации.

В последние годы получили применение высокопрочные низко­легированные стали с мартенситной или бейнитной структурой (14Х2ГМР, 14ХМНДФР и др.), которые наряду с высокими механическими свойствами обладают удовлетворительной свари­ваемостью. Сочетание подобных свойств достигается за счет комп­лексного многокомпонентного легирования стали при малом содержании углерода. Малое содержание углерода обеспечивает при охлаждении аустенита в зависимости от скорости его охлаждения получение металла со структурой реечного мартенсита или бейнита.

Реечный (или дислокационный) низкоуглеродистый мартенсит, упрочняемый в результате формирования в процессе превращения дислокаций, в отличие от пластинчатого (или двойникованного) мартенсита, образующегося в сталях с содержанием свыше 0,22% С, более пластичен. Поскольку мартенситное превращение при малом содержании углерода протекает в области относительно высоких температур (выше 350° С), то оно сопровождается сравнительно низкими напряжениями. Все это снижает вероят­ность образования холодных трещин при сварке подобных сталей.

Металлургические особенности сварки. В большинстве слу­чаев низколегированные стали — спокойные. При выборе марки электродной проволоки обычно стремятся обеспечить состав металла шва, близкий к основному, а также требуемые эксплуатационные свойства. Образование горячих трещин при сварке низколегированных сталей в основном свя­зано с присутствием в металле шва углерода, серы и фосфора сверх допустимых пределов. Допустимое содержание серы и фосфора в металле шва регламентируется стандартом на основ­ной металл и электродную проволоку.

Образование горячих трещин предотвращают также за счет рационального выбора сварочных материалов: флюсов, электро­дов, электродных проволок таким образом, чтобы при осуще­ствлении любого отмеченного металлургического варианта обеспе­чивалось снижение вредных примесей в металле шва. Содержа­ние углерода в металле шва обычно устанавливают не более 0,15%, а необходимые свойства получают путем дополнительного его легирования.

Образование пор при сварке низколегированных сталей, так же как и углеродистых, связано с выделением окиси углерода, водо­рода и азота. Вероятность образования пор из-за выделения окиси углерода при сварке низкоуглеродистых сталей небольшая, поскольку в сварочной ванне, как правило, обеспечивается доста­точная концентрация сильных раскислителей (например, крем­ния). Вероятность образования пор из-за водорода при сварке низколегированных сталей выше, чем при сварке углеродистых сталей, из-за повышенной степени раскисленности. Поэтому при сварке низколегированных сталей необходимо предусматривать меры для снижения вероятности попадания водорода и азота в зону сварки.

Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. Как правило, низкоуглеродистые низколегированные стали обладают удовлетворительной тепловой свариваемостью. Однако по сравнению с низкоуглеродистыми при сварке низколегированных­ в особенности при сварке металла большой толщины, исполь­зуют подогрев.

При разработке режимов сварки следует иметь в виду, что в структуре металла зоны сварного соединения низкоуглероди­стых низколегированных сталей допустимо содержание до 90% мартенсита, если твердость металла не превышает 415НV. Это обусловлено относительно высокими пластическими свойствами низкоуглеродистого реечного (дислокационного) мартенсита.

Сварка покрытыми электродами. Для сварки низколегиро­ванных сталей повышенной и высокой прочности в основном используют электроды с покрытием основного типа.

В зависимости от свойств свариваемой стали используют стандартные (ГОСТ 9467—60) электроды: типа Э42А (марок УОНИ-13/45, СМ-11 и др.); типа Э46А (марки Э-138/45Н для сталей 09Г2, 10ХСНД, 15ХСНД и др.); типа Э50А (марок УОНИ-13/55, ДСК-50, АН-Х7 и др. 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).

Сварка под флюсом. При этом используют кремне- и марганцо­вистые флюсы АН-348А, АН-60 и флюсы с пониженным содер­жанием МпО и Si0₂ –АН-47, АН-15, АН-22, АН-42 ( Таблица). Электрод­ную проволоку выбирают в зависимости от состава свариваемой стали (Св-08ГА, Св-10Г2, Св-08ХМ, Св-08ХМФА, Св-10НМА и др.).

Таблица –Химический состав флюсов для сварки легированных сталей

Наиболее рационально для сварки низколегированных сталей использовать флюсы с пониженным содержанием МпО и Si0₂, так как уменьшается загрязненность металла шва шлаковыми включениями.

Хорошие результаты получены при сварке высокопрочных низколегированных сталей при использовании флюсов АН-17 и AH-17M в сочетании с кремнемарганцовистыми и другими ле­гированными проволоками (например, Св-08ХН2М; Св-08ХМФА). Указанные флюсы характеризуются пониженным содержанием МпО и Si0₂ и наличием небольших количеств окислов железа. При этом флюсы содержат достаточное количество фтористого кальция и окиси кальция. Подобный состав флюса и соответственно шлаков обеспечивает хорошие металлургические условия фор­мирования сварочной ванны, приводит к снижению исходной концентрации серы и фосфора, а также водорода в металле шва.

Сварка в атмосфере защитных газов. Технология сварки низко­легированных сталей в атмосфере защитных газов мало чем отли­чается от технологии сварки углеродистых сталей.

Низколегированные стали плавящимся электродом в боль­шинстве случаев сваривают в углекислом газе. При сварке сталей 09Г2, 10Г2СД, 14ХГС, 15ХСНД и подобных им в основном при­меняют электродную проволоку Св-08Г2С. Для повышения кор­розионной стойкости сварных соединений в морской воде используют сварочную проволоку Св-08ХГ2С.

В некоторых случаях для повышения производительности сварки, улучшения внешнего вида швов, повышения пластиче­ских свойств металла шва применяют порошковые проволоки марок ПП-АН8, ПП-АН10, ПП-АН4, ПП-АН9. Проволоки ПП-АН4 и ПП-АН9 обеспечивают более высокие механические свойства металла шва при отрицательных температурах. Высо­копрочные низколегированные стали сваривают электродными проволоками сложного легирования, которые выбирают в зави­симости от свойств свариваемых сталей.

Электрошлаковая сварка. Технология электрошлаковой сварки низколегированных сталей аналогична технологии сварки угле­родистых сталей. Сварку в основном осуществляют с применением флюса АН-8, однако возможно использование флюса АН-22. Электродную проволоку выбирают в зависимости от свойств сва­риваемой стали. Так, например, при сварке сталей 09Г2С, 16ГС, 14ГС, 15ХСНД используют проволоки Св-08ГС, Св-10Г2. Про­волока Св-08ГА не обеспечивает достаточной прочности металла шва.

В зависимости от предрасположенности основного металла к росту зерна и требований, предъявляемых к сварному соеди­нению, после сварки назначают термообработку. Для сталей, склонных к росту зерна, обычно назначают нормализацию; для сталей, не склонных к росту зерна, как правило, ограничиваются отпуском при температуре 650° С.

Характеристика теплоустойчивых сталей и особенности их сварки. Низколегированные теплоустойчивые стали относятся, в основном к перлитному классу (например, сталь 12Х1МФ.) Они характеризуются достаточной жаропрочностью, жаростойко­стью, запасом пластичности и стабильностью структуры при тем­пературах до 600°С, что позволяет использовать их в зависимости от состава для работы в области температур 450—585° С.

Повышенная прочность стали в области высоких температур достигается за счет упрочнения легирующими элементами -твердого раствора железа и формирования устойчивых карбидов, не склонных к коагуляции. Основные легирующие элементы теп­лоустойчивых сталей — карбидообразующие: хром, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий. Содержание углерода в хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталях обычно 0,08— 0,12%.

Теплоустойчивые стали упрочняются термообработкой. Од­нако, как правило, стали используют или в отожженном состоя­нии, или после нормализации и высокого отпуска (при темпера­туре 650—750° С в зависимости от марки стали). Использование сталей в подобных состояниях обусловлено особенностями их работы: длительные сроки службы (сотни тысяч часов) при повы­шенных температурах (450—585° С).

Металлургические особенности сварки. Теплоустойчивые стали относятся к спокойным.

Сварные соединения теплоустойчивых сталей, как правило, подвергаются длительной эксплуатации при повышенных темпе­ратурах. При подобных условиях получают значительное раз­витие диффузионные процессы. При различии в составе металла шва и основного, особенно по карбидообразующим элементам, возможно перераспределение углерода, обладающего повышенной диффузионной подвижностью по сравнению с другими компо­нентами стали. Это может привести к неблагоприятному изме­нению свойств металла в зоне сварного соединения. Для предотвра­щения развития указанных процессов состав металла шва должен быть близким к основному. В первую очередь это относится к содержанию карбидообразующих элементов.

С целью предотвращения образования кристаллизационных трещин содержание углерода в металле шва ограничивают в пре­делах 0,07—0,12%, а необходимые свойства металла шва обеспе­чивают за счет дополнительного введения легирующих элемен­тов, исключающих заметное развитие диффузионных процессов в области границы сплавления. В этом случае рационально ис­пользовать комплексное легирование металла шва хромом, мо­либденом, ванадием, вольфрамом, чтобы градиент концентраций по каждому элементу в зоне сплавления был небольшим.

Изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния. В зоне термического влияния теплоустойчивых сталей можно выделить два характерных участка, определяющих рабо­тоспособность сварного соединения: участок повышенной твер­дости, который включает высокотемпературную область и зону аустенитизации, и участок пониженной твердости, включающий зону неполной перекристаллизации и разупрочнения в случае использования стали в состоянии после нормализации и высокого отпуска.

Аустенит теплоустойчивых сталей склонен к переохлаждению и образованию структур закалки. Это необходимо учитывать при выборе режима сварки, особенно при многослойной сварке эле­ментов большой толщины. Для предотвращения образования холодных трещин сварку теплоустойчивых сталей, особенно при толщине соединяемых элементов свыше 10 мм, выполняют с подо­гревом.

Температуру подогрева (местного или общего) назначают в зависимости от марки свариваемой стали. С увеличением содер­жания углерода и степени легирования температура подогрева повышается.

На работоспособность сварных соединений теплоустойчивых сталей большое влияние оказывает второй участок, особенно вона неполной перекристаллизации. Это обусловлено тем, что в указанной зоне сварного соединения наряду с продуктами рас­пада вновь образовавшегося при сварке высокоуглеродистого аустенита в структуре металла имеется феррит с пониженной (по сравнению с аустенитом) концентрацией углерода. Поэтому участок неполной перекристаллизации характеризуется гетеро­генностью структуры и механических свойств, что особенно сказывается на длительной прочности при высоких темпера­турах.

Разрушение соединений происходит по зоне неполной перекри­сталлизации из-за локализации пластической деформации и разрушения ферритных зерен.

Улучшение свойств металла зоны термического влияния до­стигают, как правило, за счет высокотемпературного отпуска. Более оптимальные свойства достигаются при проведении полной термообработки (нормализация и высокотемпературный отпуск) сварного изделия. Однако подобную термообработку к громозд­ким сварным изделиям применить, как правило, не представ­ляется возможным.

Особенности сварки. Сварка покрытыми электродами — основ­ной способ выполнения сварных соединений теплоустойчивых сталей. Это обусловлено тем, что детали и узлы энергостроения отличаются сложностью и разнообразием конструктивных реше­ний и единичным характером производства. Сварку преимуще­ственно осуществляют электродами с основным покрытием. В зависимости от состава свариваемой стали применяют электроды; для сварки стали 12МХ — типа Э-МХ (марки ГЛ-14 со стержнем из про­волоки Св-08ХМ); для сварки сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л — типа Э-ХМФ (марки ЦМ-20-63 со стержнем из проволоки Св-08ХМФА) и др.

Сварку под флюсом выполняют в сочетании с легированной электродной проволокой, например сочетания флюс АН-22 с проволокой Св-08ХМФА или флюс АН-17М с проволокой Св-08ХГСМФА.

Сварку в атмосфере защитных газов успешно применяют для теплоустойчивых сталей. Особенно широко используют способ дуговой сварки в атмосфере углекислого газа. Марку проволоки выбирают в зависимости от состава свариваемой стали. Для стали 20ХМ используют проволоку Св-10ХГ2СМА, для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФ-Л — проволоку Св-08ХГСМФА.