Сварка высоколегированных сталей. Часть 1

Эти стали широко применяются в промышленности, но далеко не многие пригодны для сварных конструкций и изделий. Это связано с оценкой пригодности по свариваемости. По содержанию никеля эти стали делят на 3 группы.

1. Безникелевые.
2. Никелесодержащие - до 8%Ni.
3. Никелесодержащие - 8-30% Ni. По назначению они образуют 8 групп.

1. Инструментальные высококачественные .
2. Шарикоподшипниковые.
3. Магнитные.
4. Нержавеющие.
5. Жаростойкие.
6. Маломагнитные и немагнитные.
7. Жаропрочные.
8. С высоким омическим сопротивлением (например, нихром Х20Н80).

Но нас больше интересует только три из этих восьми, которые применяются в сварных конструкциях.

Сварке чаще подвергаются стали 4, 5 и 7-й групп. Высоколегированные стали имеют ряд свойств, которые сказываются на технологии сварки.

1. Теплопроводность по сравнению с низкоуглеродистыми сталями понижена в 1,5-2 раза, а коэффициент линейного расширения увеличен в 1,5 раза. Это приводит при сварке к концентрации теплоты и к увеличению проплавления металла изделия, поэтому при сварке нужно уменьшать силу тока на 15- 20%. Большой коэффициент линейного расширения порождает значительные деформации в процессе и после сварки, а при отсутствии зазоров в сварном соединении и большой жесткости узла или больших толщинах свариваемого изделия - даже трещины, к которым эти стали более склонны.
2. Высокое омическое сопротивление приводит к сильному нагреву электродного стержня. Электроды с хромоникелевыми стержнями выпускают длиной не более 350 мм.
3. Сравнительно большая литейная усадка увеличивает деформацию и склонность к образованию трещин.

Сварка высоколегированных сталей. Часть 2

Коррозионностойкие высокохромистые стали способны утрачивать антикоррозийные свойства при неправильном термическом цикле сварки. Это явление называется межкристаллитной (ножевой) коррозией. Если сталь не содержит до 1% титана или ниобия, а содержит бор и ванадий, которые снижают жаростойкость, то при нагревании выше 500ºС происходит выпадение из твердого раствора карбидов хрома и железа по границам зерен. Хромом обедняются границы зерен (кристаллов) и карбиды хрома и железа становятся центрами коррозии и коррозионного растрескивания. Поэтому коррозия называется межкристаллитной (ножевой), так как нет химической однородности зерна (кристалла).

Меры по предотвращению межкристаллитной коррозии:

1. Снижение содержания углерода в металле до 0,02-0,03%. При этом минимальном содержании выпадение карбида хрома исключается.
2. Применение основного металла, легированного элементами, обладающими большим сродством по углероду, чем хром. Например, титан, ниобий не позволяют обеднять границы зерен хромом. Титан прочно связывает освободившийся углерод, не давая возможности образовываться карбидам хрома, предотвращает распад аустенита.
3. Последующая термообработка (чаще - закалка) позволяет восстановить антикоррозионные свойства. Нагревом до 850ºС ранее выпавшие из раствора карбиды хрома вновь растворяются в аустените, а при быстром охлаждении они не выделяются в отдельную фазу. Быстрым охлаждением фиксируется строение металла. Такой вид термообработки называется стабилизацией. Но стабилизация несколько снижает пластичность и вязкость металла, хотя эти свойства зачастую у коррозионностойких сталей не являются главенствующими, и этим снижением свойств можно пренебречь.

При сварке жаростойких сталей нужно обеспечивать быстрое охлаждение (любыми методами), тогда коррозийная стойкость сохраняется и без применения термообработки. К таким маркам относятся стали аустенитного класса, типа 18/8, т. е. с содержанием 18% хрома и 8% никеля. Эти марки сталей относятся к группе хорошо сваривающихся из-за наличия никеля и позволяют применять ускоренное охлаждение при сварке и после нее.

Сварка высоколегированных сталей. Часть 3

Для получения высокой пластичности, вязкости и без потери антикоррозийных свойств сварного соединения необходимо нагреть металл до температуры 1000- 1100ºС, прогреть по всей толщине и быстро охладить в воде (закалка). Этот режим приемлем для хромоникелевых сталей аустенитного класса. Электроды для сварки высоколегированных сталей имеют основной тип покрытия и редко - смешанный. Электродный стержень близок по химическому составу к основному металлу, но с увеличенным количеством некоторых легирующих элементов (молибден, марганец, вольфрам), необходимых сварному шву, для придания ему мелкозернистой структуры и для улучшения механических свойств, в первую очередь пластичности.

В сварном стыке обязательно должен быть зазор (разумного размера) для свободной усадки шва при остывании. Сварку нужно вести по возможности тонкими электродами и швами при минимальной погонной тепловой энергии.

Подогрев до 100-300ºС высоколегированных сталей применяется тогда, когда по характеру микроструктуры основного металла, содержанию углерода, толщине металла и жесткости изделия сварной стык склонен к закалке либо к трещинам. Для мартенситных сталей и сплавов требуется подогрев изделия, а для аустенитных сталей в этом нет необходимости.

Цель подогрева - более равномерно распределять нагрев по изделию в процессе сварки и уменьшать скорость охлаждения изделия и после нее- для сталей, склонных к закалке.

Главной причиной появления пор при сварке жаростойких старей является водород. Источники водорода - флюс, электродное покрытие, защитный газ, различные наслоения с влагой. Свариваемые кромки должны быть чистыми. Сварочная проволока (в том числе и для электродов) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами выпускается по ГОСТу 2246-70, которым предусмотрена 41 марка, например, марки СВ-06Х19Н9Т, СВ-04Х19Н9, СВ-05Х19Н9ФЗС2, СВ-10Х17Т, СВ-12ХПНМФ и др. Электроды )той группы применяются для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, таких как: 15Х25Т, 08Х18Т1, 20Х23Н13, 20Х23Н18, 10Х23Н18, 15Х12ВНМФ, 14Х17Н2, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т и др. Следует еще раз отметить, что никель улучшает свариваемость.

Газовая сварка высокоуглеродистых сталей может применяться только когда нет другого выхода, так как процесс этот непростой.

Небольшой избыток кислорода в пламени приводит к выгоранию хрома. В качестве присадки применяют сварочную проволоку, близкую по химсоставу к свариваемому металлу. При газосварке гитан выгорает полностью, что приводит к межкристаллитной коррозии. При нагреве до 500-800ºС и медленном охлаждении, что характерно для газовой сварки, выпадают из твердого раствора карбиды хрома по границам зерен (кристаллов), с потерей коррозионной стойкости. Для сварки необходим еще и флюс сложного состава: 28% мрамора, 30% фосфора, 10% ферромарганца, 6% ферросилиция, 6% ферротитана, 20% двуокиси титана.

Флюс разводится на жидком стекле и наносится на кромки детали в виде пасты. Сварка выполняется после высыхания флюса.

При наличии в настоящее время хороших электродов и источников питания дуги нет необходимости применять более сложную и малопроизводительную технологию сварки, да еще с потерей качества соединений.

Самым предпочтительным способом сварки высоколегированных сталей является автоматическая сварка, затем остальные, с учетом наименьшей погонной энергии.

Для повышения коррозийной стойкости сталей необходимо ускоренное охлаждение (вода, медные подкладки, обдув воздухом и другие приемы), минимальная продолжительность нагрева и по возможности меньшее количество вводимого тепла.