Основу для сварки высоколегированных сталей составляет

Основу для сварки высоколегированных сталей составляет

§ 79. 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.

Читайте также:  Покрытие нержавеющей стали гост

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).

Читайте также:  Принглс стали не те

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

Газовая сварка аустенитных сталей производится пламенем мощностью 70 — 75 дм 3 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.

1. Что такое свариваемость металлов?

2. Как следует разрабатывать технологию на сварку углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода?

3. Каковы особенности сварки низколегированных сталей?

4. Что такое разупрочнение при сварке термически обработанной стали?

5. Как нужно подбирать покрытые электроды для сварки аустенитных сталей?

Источник

Что собой представляют высоколегированные стали? Нюансы технологии их сваривания ручным дуговым методом

Для улучшения физико-механических характеристик стали производят ее легирование. Легирование стали — это добавление в состав стали различных добавок. В качестве добавок используются хром, никель, вольфрам, ванадий, титан, молибден, кремний и другие элементы. В зависимости от содержания добавок стали бывают:

  • низколегированные (≤ 2,5%);
  • среднелегированные (≤ 10 %);
  • высоколегированные (от 10 до 50 %).

Высоколегированные стали

Высоколегированные стали применяют в различных сферах промышленности и хозяйства. Чаще всего они используются в нефтяной и химической отрасли, энергетике. Широко используются такие стали в конструкциях, работающих в условиях агрессивной среды и большого перепада температур.

По своим свойствам различают два основных вида высоколегированных сталей:

  • коррозионно-стойкие;
  • жаропрочные, или жаростойкие.

Наряду с содержанием добавок, высоколегированные стали классифицируются также по типу их внутренней структуры. Структуры их разнообразны и зависят от содержания основных элементов. При этом различают стали:

Существуют также высоколегированные стали со смешанной структурой. Например, феррит-аустенитные.

Наиболее распространенный вид высоколегированных сталей — это стали со структурой аустенит. Основными составляющими таких сталей являются никель (до 8%) и хром (≥18%). Изменением состава других добавок получают высоколегированные стали с необходимыми свойствами. При этом хром обеспечивает жаростойкость и устойчивость к коррозии, а никель делает сталь более пластичной и увеличивает жаропрочность.

Кроме того, для повышения жаропрочности в состав вводят вольфрам, ванадий, а для устойчивости к коррозии (нержавейка) в состав стали вводят титан, молибден.

Особенности сварки

По сравнению со сваркой других видов стали, сварка высоколегированных сталей имеет свои особенности. Это связано с тем, что стали такого вида имеют сниженный коэффициент теплопроводности и повышенный коэффициент линейного расширения. В результате того, что отвод тепла замедлен, увеличивается глубина проплавления основного слоя. А из-за большого коэффициента линейного расширения могут возникать деформации и трещины.

Для предотвращения трещин и других дефектов сварного шва рекомендуется:

  1. Формировать шов с двойной структурой (аустенит и феррит). При этом для жаростойких и жаропрочных сталей количество феррита в шве должно быть в пределах 3-5%, а для коррозийно-устойчивых количество феррита может достигать 15-25%.
  2. Снижать количество вредных примесей (сера, фосфор, свинец и т. п.), которые ухудшают свариваемость металла. Для этого надо использовать режимы с уменьшенным количеством основного материала, а свариваемые стали и материалы электродов должны содержать минимум вредных примесей.
  3. Для обеспечения минимального насыщения шва газами при сварке надо использовать постоянный ток обратной полярности.
  4. При сварке покрытыми электродами поддерживать короткую дугу и вести сварку без поперечных колебаний.
  5. Правильно выбирать тип электродов с фтористокальциевыми покрытиями, уменьшающими угар легирующих элементов. Для помощи в выборе типа электрода существуют специальные таблицы. В таких таблицах для различных типов высоколегированных сталей рекомендуется использование соответствующих марок электродов.
  6. Уменьшать влияние на шов силового фактора, включающего воздействие термических сил, деформации усадки и жесткости крепления кромок. С этой целью необходимо ограничивать ток сварки, заполнять разделку швами небольшого сечения и использовать разделки необходимой формы.

В зависимости от структуры стали, содержания в ней углерода, толщины деталей и жесткости конструкции может потребоваться подогрев свариваемых деталей.

Например, при сварке мартенситных деталей подогрев необходим во всех случаях, а для деталей со структурой аустенит такой подогрев требуется не всегда. Температура подогрева выбирается в пределах от 100 до 300 °С.

Читайте также:  Нержавеющая сталь aisi 304 магнитится или нет

Технология ручной дуговой сварки

Подготовка к сварке:

  1. Кромки свариваемых изделий подготавливают механическим способом. Допускается также резка плазменным, газофлюсовым или электродуговым методами. При использовании огневых типов резки необходима механическая обработка кромок на глубину 2-3 мм.
  2. Вид стыка кромок зависит от толщины изделий. При толщине более 4 мм снимается фаска под углом в 45°, а при толщине более 8 мм фаска снимается под углом в 30°. При толщинах соединяемых изделий до 10 мм зазор между кромками составляет 1 мм, а при больших толщинах зазор может быть увеличен до 1,5-2,5 мм.
  3. После снятия фасок свариваемые кромки зачищают от окалины на 20 мм и обезжиривают.
  4. Сборка стыков производится в стандартных приспособлениях или в прихватках. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к сварному шву. Нельзя ставить прихватки в местах пересечения швов.

Оборудование

При выполнении ручной электродуговой сварки используется следующее оборудование:

  • сварочный аппарат;
  • ручной инструмент сварщика;
  • приспособления.

Сварочный аппарат включает в себя источник питания для создания электрической дуги. Особенностью аппаратуры для сварки высоколегированных сталей является то, что она производится постоянным током с обратной полярностью. Поэтому в качестве источника питания для такой сварки могут служить генератор постоянного тока или выпрямитель (инвертор).

Генератор постоянного тока вырабатывает постоянное напряжение за счет преобразования механической энергии в электрическую. Выпрямитель обычно включает понижающий трансформатор и полупроводниковую схему, преобразующую переменный ток в постоянный. Часто в качестве источника постоянного тока используются инверторы. В таких приборах производится двойное преобразование электроэнергии, что позволяет получить более стабильное выходное напряжение.

Примерная стоимость инверторных источников тока на Яндекс.маркет

Кроме источника питания в состав сварочного аппарата входят панель управления, соединительные провода, сварочный электрод, держатель электрода винтового или зажимного типа.

В качестве приспособлений сварщик использует защитную маску, фильтрующую УФ- и ИК-излучения дуги, респиратор для защиты органов дыхания и спецодежду.

В набор ручного инструмента входят молоток, зубило, металлическая щетка, сумка для переноски инструмента и электродов.

Процесс сварки

Главная особенность сварки высоколегированных сталей — это требование ввода в основной материал малой погонной энергии.

Выполнение этого требования достигается за счет:

  1. Короткой дуги.
  2. Отсутствия поперечных колебаний.
  3. Высокой скорости движения сварочной дуги без перерывов и повторения нагревов одного и того же места.
  4. Использования минимально возможных режимов силы тока.

Для выбора режима силы тока имеются специальные таблицы. Например, для сварки аустенитных сталей толщиной до 2 мм электродом диаметром 2 мм рекомендуется сварочный ток силой от 20 до 50 А, а для сварки деталей толщиной от 8 до 12 мм электродом в 4-5 мм сварочный ток должен быть порядка 85-160 А.

В начале сварки дугой прогревают кромки и образуют сварочную ванну. Далее дугу равномерно перемещают по стыку. При этом необходимо следить за глубиной проплавления и отсутствием непровара. О качестве сварки можно судить по форме сварочной ванны. Если она вытянута в направлении движения дуги, то проплавление хорошее. При плохом качестве сварки ванна имеет форму круга или овала.

Источник