Свариваемость легированных сталей

Свариваемость легированных ста­лей оценивается не только воз­можностью получения сварного сое­динения с физико-механическими свойствами, близкими к свойствам основного металла, но и возмож­ностью сохранения специальных свойств: коррозионной стойкости, жа­ропрочности, химической стойкости, стойкости против образования зака­лочных структур и др. Большое влия­ние на свариваемость стали оказы­вает наличие в ней различных ле­гирующих примесей: марганца, крем­ния, хрома, никеля, молибдена и др.

Влияние кремния и марганца на свариваемость стали описано в статье — Свариваемость.

Хром — содержание его в низколегированных сталях не превышает 0,9%. При таком содержании хром не оказывает существенного влияния на свариваемость стали. В конструк­ционных сталях хрома содержится 0,7…3,5%, в хромистых—12…18%, в хромоникелевых — 9…35%. При та­ком содержании хром снижает свариваемость стали, так как, окисляясь, образует тугоплавкие оксиды Cr₂O₃, резко повышает твердость стали в зоне термического влияния, образуя карбиды хрома, а также способствует возникновению закалочных структур.

Никель в низколегированных сталях содержится в пределах 0,3…0,6%, в конструкционных сталях — 1,0…5%, а в легированных сталях — 8…35%. Никель способствует измельчению кристаллических зерен, повышению пластичности и прочности стали; не снижает свариваемости.

Молибден в теплоустойчивых ста­лях содержится от 0,15 до 0,8%; в сталях, работающих при высоких температурах и ударных нагрузках, его содержание достигает 3,5%. Способствует измельчению кристаллических зерен, повышению прочности и ударной вязкости стали. Ухудшает свариваемость стали, так как спо­собствует образованию трещин в ме­талле шва и в зоне термического влияния. В процессе сварки легко окисляется и выгорает. Поэтому тре­буются специальные меры для надеж­ной защиты от выгорания молибде­на при сварке.

Ванадий содержится в легиро­ванных сталях от 0,2 до 1,5%. Придает стали высокую прочность, повышает ее вязкость и упругость. Ухудшает сварку, так как способст­вует образованию закалочных струк­тур в металле шва и околошовной зоны. При сварке легко окисляет­ся и выгорает.

Вольфрам содержится в легиро­ванных сталях от 0,8 до 18%. Значительно повышает твердость ста­ли и его теплостойкость. Снижает свариваемость стали; в процессе свар­ки легко окисляется и выгорает.

Титан и ниобий содержатся в нер­жавеющих и жаропрочных сталях в количестве от 0,5 до 1,0%. Они яв­ляются хорошими карбидообразователями и поэтому препятствуют образованию карбидов хрома. При сварке нержавеющих сталей ниобий способ­ствует образованию горячих трещин.

Сварка низколегированных сталей

Низколегированные стали получи­ли большое применение в связи с тем, что они, обладая повышенными механическими свойствами, позволяют изготовлять строительные конструк­ции более легкими и экономичными. Для изготовления различных конст­рукций промышленных и гражданских сооружений применяются стали марок 15ХСНД, 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 16ГС и др. Для изготовления арматуры железобетонных конструкций и свар­ных труб применяют стали 18Г2С, 25Г2С, 25ГС и 20ХГ2Ц. Эти стали относятся к категории удовлетвори­тельно свариваемых сталей; содержат углерода не более 0,25% и легирующих примесей не более 3,0%. Следует учитывать, что при содер­жании в стали углерода более 0,25% возможно образование закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва. Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва.

Сталь 15ХСНД сваривают вручную электродами типа Э50А или Э55А. Наилучшие результаты дают электро­ды УОНИ-13/55. Сварку можно выполнять переменным то­ком, но лучшие результаты дает сварка постоянным током обратной полярности. Многослойную сварку следует производить каскадным мето­дом. Чтобы предупредить перегрев стали, следует выполнять сварку при токах 40…50 А на 1 мм диаметра электрода. Рекомендуется применять электроды диаметром 4…5 мм. Авто­матическую сварку стали 15ХСНД производят проволокой Св-08ГА или Св-10ГА под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45 при высоких скоростях, но при малой погонной энергии. В зимних условиях сварку конструкций из стали 15ХСНД, 15ГС и 14Г2 можно производить при температурах не ниже — 10°С. При бо­лее низких температурах зону сварки на ширине 100… 120 мм по обе стороны от шва предварительно нагревают до 100…150°С. При температуре —25°С сварка не допускается.

Стали 09Г2С и 10Г2С1 относятся к группе незакаливающихся сталей, не склонных к перегреву и стой­ких против образования трещин. Ручная сварка электродами Э50А и Э55А выполняется на режимах, предусмотренных для сварки низкоугле­родистой стали. Механические свойст­ва сварного шва не уступают пока­зателям основного металла. Автомати­ческая и полуавтоматическая сварка выполняется электродной проволокой Св-08ГА, Св-10ГА или Св-10Г2 под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45. Свар­ку листов толщиной до 40 мм производят без разделки кромок. При этом равнопрочность сварного шва обеспечивается за счет перехода ле­гирующих элементов из электродной проволоки в металл шва.

Стали хромокремнемарганцовистые (20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА и 35ХГСА) при сварке дают закалоч­ные структуры и склонны к образова­нию трещин. При этом чем меньше толщина кромок, тем больше опасность закалки металла и образования трещин, особенно в околошовной зоне. Стали с содержанием углерода ≤0,25% свариваются лучше, чем стали с большим содержанием углерода.

При сварке можно рекомендовать следующие режимы:

Толщина металла, мм	0,5…1,5	2…3	4…6	7…10
Диаметр электрода, мм	1,5…2,0	2,5…3	3…5	4…6
Сварочный ток, А	20…40	50…90	100…160	200…240

При сварке более толстых металлов применяется многослойная сварка с малыми интервалами времени между наложениями последующих слоев. При сварке кромок разной толщины сварочный ток выбирается по кромке большей толщины и на нее направ­ляется большая часть зоны дуги. Для устранения закалки и повышения твердости металла шва и околошовной зоны рекомендуется после сварки нагреть изделие до температуры 650…680°С, выдержать при этой тем­пературе определенное время в зави­симости от толщины металла (1ч на каждые 25 мм) и охладить на воздухе или в горячей воде.

Сварку низколегированных сталей в защитном газе производят при плотностях тока более 80 А/мм². Сварка в углекислом газе выполняет­ся на постоянном токе обратной поляр­ности.

Газовая сварка отличается значи­тельным разогревом свариваемых кро­мок, снижением коррозионной стойкости, более интенсивным выгоранием легирующих примесей. Поэтому каче­ство сварных соединений ниже, чем при других способах сварки. При газовой сварке пользуются только нор­мальным пламенем при удельной мощ­ности 75…100 л/(ч·мм) при левом способе, а при правом способе — 100…130 л/(ч·мм). Проковка шва при температуре 800… 850°С с последующей нормализацией несколько повышает механические свойства шва.

Сварка средне- и высоколегированных сталей

Сварка средне- и высоколе­гированных сталей затруднена по следующим причинам: в процессе сварки происходит частичное выгора­ние легирующих примесей и угле­рода; вследствие малой теплопро­водности возможен перегрев свари­ваемого металла; повышенная склон­ность к образованию закалочных структур; больший, чем у низкоуглеродистых сталей, коэффициент линейного расширения может вызвать значительные деформации и напряже­ния, связанные с тепловым влия­нием дуги. Чем больше в стали углерода и легирующих примесей, тем сильнее сказываются эти причины. Для устранения влияния их на качест­во сварного соединения рекомен­дуются следующие технологиче­ские меры:

1. Тщательно подготавливать изделие под сварку;
2. Сварку вести при больших скоро­стях с малой погонной энергией, чтобы не допускать перегрева метал­ла;
3. Применять термическую обработку для предупреждения образования за­калочных структур и снижения внут­ренних напряжений;
4. Применять легирование металла шва через электродную проволоку и покрытие, чтобы восполнить выгора­ющие в процессе сварки примеси.

Для сварки высоколегированных сталей применяют электроды по ГОСТ 10052—75 «Электроды покрытые металлические для ручной дуго­вой сварки высоколегированных ста­лей с особыми свойствами. Типы». Электроды изготовляют из высоколе­гированной сварочной проволоки по ГОСТ 2246—70. Применяют покрытие типа Б. Обозначение типа электрода состоит из индекса Э и следующих за ним цифр и букв. Две или три цифры, следующие за индексом, указывают на количество углерода в металле шва в сотых долях процента. Следующие затем буквы и цифры ука­зывают химический состав металла, наплавленного электродом. Сварку производят постоянным током обрат­ной полярности. При этом сварочный ток выбирается из расчета 25…40 А на 1 мм диаметра электро­да. Длина дуги должна быть возможно короткой. Рекомендуется при­менять многослойную сварку вали­ками малого сечения при малой погонной энергии.

В строительстве и промышленно­сти широко применяются средне- и высоколегированные стали: хромистые, хромоникелевые, марганцови­стые, молибденовые и др.

Хромистые стали относятся к груп­пе нержавеющих коррозионно-стойких и кислотостойких сталей. По содержа­нию хрома они делятся на среднеле­гированные (до 14% Сг) и высоко­легированные (14. ..30% Сг). При сварке хромистых сталей возникают следующие затруднения. Хром при температуре 600…900 °С легко вступа­ет во взаимодействие с углеродом, образуя карбиды, которые, распола­гаясь в толще металла, вызывают межкристаллитную коррозию, снижа­ющую механические свойства стали. При этом чем выше содержание углерода в стали, тем активнее обра­зуются карбидные соединения. Кроме того, хромистые стали обладают спо­собностью к самозакаливанию (при охлаждении на воздухе), вследствие чего при сварке металл шва и околошовной зоны получает повы­шенную твердость и хрупкость. Воз­никающие при этом внутренние напряжения повышают опасность возникновеня трещин в металле шва. Усилен­ное окисление хрома и образова­ние густых и тугоплавких оксидов являются также серьезными препят­ствиями при сварке хромистых ста­лей.

Среднелегированные хромистые стали мартенситного класса (углерода до 2%) свариваются удовлетворительно, но требуют подогрева до 200…300 °С и последующей термиче­ской обработки.

Высоколегированные хромистые стали ферритного класса (углерода до 0,35%) сваривают с предварительным нагревом до 300…400 °С; после сварки для снятия внутренних напряже­ний и восстановления первоначальных физико-механических свойств изделие подвергают высокому отпуску (нагрев до 650…750 °С и медленное охлажде­ние).

Хромистые стали, как и большин­ство легированных сталей, обладают малой теплопроводностью и легко подвергаются перегреву. Поэтому сварку их производят постоянным током об­ратной полярности при малых свароч­ных токах. Ток берут из расчета 25… 30 А на 1 мм диаметра электрода.

Высоколегированные хромонике­левые аустенитные стали обладают рядом важных физико-химических и механических свойств: коррозионной стойкостью, кислотоупорностью, те­плостойкостью, вязкостью, стойкостью против образования окалины. Важным качеством этих сталей является хоро­шая свариваемость. Стали марок 08Х18Н10 и 12Х18Н9 при нагреве до температуры 600…800 °С теряют антикоррозионную стойкость. Выделение карбидов хрома по границам зерен приводит к межкристаллитной корро­зии стали. Поэтому сварку следует выполнять постоянным током обрат­ной полярности при малых сварочных токах, сокращая продолжительность нагрева металла. Следует применять также меры по отводу теплоты, например, с помощью медных подкла­док или охлаждения. После сварки рекомендуется изделие подвергнуть закалке ,с температуры 850…1100°С в воде (или воздухе для малых тол­щин металла).

Хромоникелевые стали марок 12Х18Н9Т и 08Х18Н12Б содержат ти­тан и ниобий, которые, являясь более сильными карбидообразователями, связывают углерод стали, пре­дупреждая образование карбидов хрома. Поэтому эти стали после сварки не подвергают термообработке. Для сварки хромоникелевых сталей применяют электроды марок ОЗЛ-7, ОЗЛ-8, ЦТ-1 и ЦТ-7. Рекоменду­ются электроды, изготовленные из сварочной проволоки Св-01Х19Н9, Св-06Х19Н9Т или Св-04Х19Н9С2 с по­крытием ЦЛ-2, ЦЛ-4 (содержащим 35,5% мрамора, 41% плавикового шпата, 8,5% ферромарганца и 15% молибдена), УОНИ-13/НЖ и др. Тонколистовую сталь 12Х18Н9Т сле­дует сваривать аргонодуговой свар­кой, так как при сварке качест­венными электродами или под флю­сом происходит науглероживание ме­талла шва, которое снижает стой­кость стали против межкристаллитной коррозии.

Хромоникелевые аустенитные ста­ли сваривают газовой сваркой при толщине металла не более 3 мм точно нормальным пламенем при удельной мощности 75 л/(ч·мм). Присадоч­ным материалом служат проволоки Св-01Х19Н9, Св-04Х19Н9С2, Св-06Х19Н9Т, Св-07Х19Н10Б.

Высоколегированная марганцови­стая сталь, обладающая большой твердостью и износостойкостью, содержит 13…18% марганца и 1,0… 1,3% углерода. Она применяется для изготовления зубьев экскавато­ров, шеек камнедробилок и других ра­бочих органов дорожных и строитель­ных машин, работающих при ударных нагрузках и на истирание. Для сварки применяют электроды со стержнями из углеродистой проволоки Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 с покрытием, кото­рое применяется для наплавочных электродов марки ОМГ, содержащим 23% мрамора, 15% плавикового шпата, 60% феррохрома, 2% графита, замешанных на жидком стекле (30% к общей массе сухих компонентов), а также , типа ОЗН (45… 49% мрамора, 15… 18% плавикового шпата, 26…33% ферромарганца, 3% алюминия, 4% поташа, заме­шанных на жидком стекле). При­меняют также стержни электродов из проволоки Св-04Х19Н9 и Св-07Х25Н13 с покрытием ЦЛ-2, состоящим из 44% мрамора, 51% плавикового шпата, 5% ферромарганца, замешанных на жидком стекле (20…22% к массе сухих компонентов). Хорошие результаты дает также покрытие УОНИ-13/НЖ. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности короткими участками. Сварочный ток определяется из расчета 30… 35 А на 1 мм диаметра электрода. Для получения шва повышенной прочности и износостойкости сварной шов следует проковать в горячем состоянии. При этом металл шва следует интенсивно охлаждать холодной водой (закаливать).

Стали молибденовые, хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые относятся к теплоустойчивым сталям перлитного класса. Эти стали применяют при изготовлении сварных паровых котлов, турбин, различной аппаратуры в химической и нефтяной промышленности, работающей при высоких температурах и давлениях. Как правило, эти стали свариваются удовлетворительно при выполнении установленных технологических приемов: предварительного нагрева 200…300 °С и последующего отжига при температуре 680…780 °С или отпуска при температуре 650 °С. Температура окружающего воздуха должна быть не ниже +5 °С. Сварка выполняется постоянным током обратной полярности. Рекомендуются электроды типа ОЗС-11, ТМЛ, ЦЛ-38 и др.

Для автоматической и полуавтоматической сварки применяют сварочную проволоку Св-08ХМ, Св-10Х5М, 18ХМА. При сварке в углекислом газе применяют предварительный и сопутствующий нагрев до 250…300°С, а присадочную проволоку — 10ХГ2СМА. После сварки рекомендуется термообработка.

Газовая сварка выполняется нормальным пламенем при удельной плотности 100 л/(ч·мм). Присадочный материал — сварочная проволока Св-08ХНМ, Cв-18XMA, Cв-08XM. Рекомендуется предварительный нагрев до 250…300 °С. После сварки необходима термообработка — нормализация с температуры 900…950 °С.

При сварке легированных сталей не следует допускать перегрева зоны термического влияния. Сварку выполняют при относительно малых сварочных токах (25…40 А на 1 мм диаметра электрода). Перед сваркой сталь подогревают, а затем произ­водят соответствующую термообра­ботку для получения высоких механических свойств и равновесной структуры металла. Сварка при тем­пературе ниже 5°С не допускается.