Сварка высоколегированных сталей

Высоколегированными называют стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5–55 %. Эти стали имеют высокие прочность, вязкость, пластичность и широко применяются в промышленности. Но далеко не все из них по свариваемости пригодны для сварных конструкций и изделий. По содержанию никеля эти стали делят на 3 группы.

1. Безникелевые.

2. Никельсодержащие – до 8 % Ni.

3. Никельсодержащие – 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).

В сварных конструкциях применяются лишь стали 4-й, 5-й 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 силу тока нужно уменьшать 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 электрическое сопротивление приводит к сильному нагреву электродного стержня. Поэтому при сварке электроды с хромоникелевыми стержнями выпускают длиной не более 350 миллиметров.

3. Сравнительно большая литейная усадка увеличивает деформацию и склонность к образованию трещин.

Хромистые стали 40Х9С2, 15Х5М, 10Х5МФ, 12X13, 15X28, 15Х18С10 хорошо сопротивляются окислению при высоких температурах и стойки к агрессивной среде, но склонны к закалке на воздухе и росту зерен в ЗТВ. Их сварку необходимо выполнять с предварительным подогревом до 200–400 °C. После сварки изделие охлаждают на воздухе до 150–200 °C, а затем подвергают высокому отпуску: нагрев в печи до 720–750 °C с выдержкой в течение 5 мин на 1 мм толщины металла, но не менее 1 ч, с последующим медленным охлаждением на спокойном воздухе. Закалку проверяют с помощью магнита (закаленная сталь немагнитна).

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

Последующая термообработка (чаще – закалка) позволяет восстановить антикоррозионные свойства. Нагревом до 850 °C 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. Стабилизация несколько снижает пластичность и вязкость металла, но зачастую эти свойства у коррозионно-стойких сталей не являются главенствующими, и таким эффектом можно пренебречь.

При сварке жаростойких сталей нужно обеспечивать быстрое охлаждение (любыми методами), тогда коррозионная 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.

Для получения высокой пластичности и вязкости без потери антикоррозионных свойств сварного соединения необходимо закалить металл: прогреть по всей толщине до температуры 1000–1100 °C и быстро охладить в воде. Этот режим приемлем для хромоникелевых сталей аустенитного класса.

При электродуговой сварке электроды для 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. Чтобы более равномерно распределять нагрев по изделию в процессе сварки и уменьшать скорость охлаждения изделия после нее, высоколегированные стали, склонные к закалке, подогревают до 100–300 °C.

Главной причиной появления пор при сварке жаростойких сталей является водород. Источники водорода – флюс, электродное покрытие, защитный газ, различные наслоения с влагой. Поэтому свариваемые кромки должны быть чистыми. Сварочная проволока (в том числе и для электродов) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами выпускается по ГОСТ 2246–70, которым предусмотрена 41 марка, например марки Св-06Х19Н9Т, Св-04Х19Н9, Св-05Х19Н9ФЗС2, Св-10Х17Т, Св-12ХПНМФ и др. Электроды этой 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.

Режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов аустенитными электродами назначают с таким расчетом, чтобы отношение силы тока к диаметру электрода не превышало 25–30 А/мм. При сварке аустенитными электродами в вертикальном или потолочном положении силу тока уменьшают на 10–30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении. Электроды перед сваркой, во избежание образования пор в металле шва, прокаливают при температуре 250–400 °C в течение 1–1,5 часа.

Газовая сварка высоколегированных сталей может применяться только в случаях, когда нет другого выхода. Высоколегированные (содержащие свыше 10 % легирующих элементов) хромистые (свыше 14 % хрома) и хромоникелевые стали сваривать газовой сваркой не рекомендуется из-за резкого ухудшения их эксплуатационных свойств. Даже небольшой избыток кислорода в пламени приводит к выгоранию хрома.

В качестве присадки применяют сварочную проволоку, близкую по химическому составу к свариваемому металлу. При газосварке титан выгорает полностью, что приводит к межкристаллитной коррозии. При нагреве до 500–800 °C и медленном охлаждении, что характерно для газовой сварки, из твердого раствора выпадают карбиды хрома по границам зерен 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 хороших электродов и источников питания дуги нет необходимости применять более сложную и малопроизводительную технологию сварки, да еще с потерей качества соединений.