Тема «Сварка средне и высоколегированных сталей»

(ручной дуговой сваркой плавящимся покрытыми электродами)

Теплоустойчивые стали относятся к группе среднелегирован­ных сталей, у которых суммарное содержание легирующих эле­ментов не превышает 10 %. Легирующими добавками служат хром, никель, марганец, кремний, титан, вольфрам, молибден, ванадий и др. Исходная структура этих сталей — перлит. Стали некоторых марок (30Х2ГСНВМ, 28ХЗСНМВФА) могут относиться к мартен­ситному или мартенситно-перлитному классу.

Среднелегированные стали имеют довольно высокий предел прочности (до 2000 МПа), хорошую пластичность и повышенную стойкость к хрупкому разрушению. Применение этих сталей раз­нообразно: ответственные конструкции в авиационной промыш­ленности, химическом и энергетическом машиностроении. В про­цессе эксплуатации сварные конструкции должны сохранять проч­ностные характеристики при высоких температурах и длительном воздействии нагрузок.

Для изготовления сварных конструкций или отдельных узлов из среднелегированных сталей применяются основные известные способы сварки, но технологически их сварочный процесс значи­тельно сложнее, чем сварка низколегированных сталей.

Наиболее широко используются среднелегированные стали перлитного класса средней прочности (их продел прочности со­ставляет 1 300... 1 400 МПа). Это весьма распространенные марки сталей (25ХГСА, 30ХГСА и др.) с малым или большим содержани­ем углерода и низкоуглеродистые стали (12Х2НВФА и других, у которых содержание углерода менее 0,15%). Они занимают про­межуточное положение между сталями с хорошей и удовлетвори­тельной свариваемостью.

Высокопрочные среднелегированные стали (30ХГСН2А, 28ХЗСНВФА и 30Х2ГСНВМ с пределом прочности до 2000 МПа), отличающиеся повышенным содержанием углерода, относятся к удовлетворительно, ограниченно или плохо сваривающимся ста­лям. Они склонны к образованию закалочных структур при охлаж­дении после сварки. В связи с этим увеличивается вероятность по­явления холодных трещин. Горячие трещины возникают в металле шва из-за многокомпонентного легирования и образования по границам зерен легкоплавких эвтектик. Для сварных соединений характерна повышенная чувствительность к концентраторам на­пряжений, особенно опасных при наличии динамических нагру­зок.

Для уменьшения отрицательного влияния перечисленных фак­торов на работоспособность конструкций из высокопрочных сред­нелегированных сталей технологию их сварки разрабатывают особенно тщательно. Необходимо, чтобы содержание углерода и примесей (серы и фосфора) в основном металле было понижен­ным, сварочные материалы должны быть подготовлены к сварке за 2...3 ч, в процессе сварки не должны выполняться пересекаю­щиеся или близко расположенные швы, сборка деталей под свар­ку должна осуществляться с минимальным смещением кромок (не превышающим 10% от толщины свариваемого металла), свар­ка должна производиться короткой дугой на постоянном токе об­ратной полярности с предварительным или сопутствующим подо­гревом, а после сварки незамедлительно должен осуществляться высокий отпуск при медленном охлаждении сварных соедине­ний.

Высоколегированными сталями считаются сплавы с суммар­ным содержанием легирующих элементов свыше 10% при содер­жании в них железа более 45 %. В соответствии с содержанием основных легирующих элементов стали подразделяются на хро­мистые, хромоникелевые и т.д.

Хромистые стали могут иметь различную структуру в зависи­мости от содержания хрома и углерода: при наличии в них 12...13 % хрома и 0,06...0,08% углерода — мартенситную, при увеличении содержания хрома до 16% — мартенситно-ферритную, а при со­держании хрома свыше 16% — ферритную. Переход сталей из одного структурного класса в другой достигается добавлением в сталь и других элементов.

В процессе эксплуатации конструкций из хромистых сталей с ферритной структурой под воздействием нагретой рабочей среды могут произойти структурные изменения, и металл станет хруп­ким. Стали проявляют склонность к межкристаллитной коррозии. Охрупчивание и снижение их коррозионной стойкости связыва­ют с выделением карбида хрома по границам зерен в твердых рас­творах и снижением содержания в областях, прилегающих к гра­ницам зерен сформировавшейся структуры металла.

Хромоникелевые стали классифицируются по типу структуры, составу легирующих элементов, свойствам и назначению. В зави­симости от состава выделяют хромомарганцевые, хромоникельмолибденовые и хромоникельмарганцевые стали. В соответствии со структурой, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие классы сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно­ферритные и аустенитные.

Коррозионностойкие стали относятся к группе высоколегиро­ванных сталей, т.е. содержащих свыше 10% легирующих элемен­тов и более 45% железа. Основные легирующие элементы для этих сталей те же, что и для среднелегированных. Высоколегиро­ванные стали незаменимы в производстве оборудования, работа­ющего в широком диапазоне температур в газовых, жидких и агрессивных средах, для пищевой и химической промышленно­сти, в авиации и энергетике. Высоколегированные стали обладают весьма ценными, специфическими свойствами: высокими корро­зионной стойкостью, хладо- и жаростойкостью, жаропрочностью, сопротивлением ползучести при нагревании и т.д. Жаропрочные спали выдерживают при эксплуатации в условиях высоких темпе­ратур значительные механические нагрузки без разрушения. Жа­ростойкие стали противостоят химическому воздействию при вы­соких температурах в газовой среде или окислению на воздухе. Высоколегированные стали подразделяются на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и др.

Например, стали 12X13, 20X13, 30X13 и 40X13 применяют для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях по­вышенных температур (600...900°С) воздушной среды. Эти стали сохраняют коррозионную стойкость при эксплуатации в дистилли­рованной, морской и пресной воде, растворах азотной и серной кислот, а также в атмосфере аммиака. Стали 12Х18Н9 и OSX18H10 обладают коррозионной стойкостью при эксплуатации в морской воде и влажном воздухе с парами соляной и серной кислот. Сталь 10Х14Г14Н4Т сохраняет жаростойкость в условиях повышенных температур (700...800 °С) окружающей среды и коррозионную стойкость в растворах азотной и уксусной кислот. По структуре высоколегированные стали подразделяются на мартен­ситные, ферритные и аустенитные, а также могут относиться к любому промежуточному (по отношению к основным структурам) классу; мартенситно-ферритному и др.

При сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной марки имеют достаточно широкий допуск по химическому составу. Различие типов сварных соединений, про­странственного положения сварки и других факторов способству­ют изменению глубины проплавления основного металла, а также химического состава металла шва. Все это заставляет корректиро­вать состав покрытия для обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения образования в шве горячих трещин. Так же достигаются необходимая жаропрочность и кор­розионная стойкость швов.

Применением электродов с фтористокальциевым покрыти­ем, уменьшающим угар легирующих элементов, достигается по­лучение металла шва с необходимым химическим составом и структурой. Уменьшению угара легирующих элементов способ­ствует и поддержание короткой дуги без поперечных колеба­ний электрода. Это снижает вероятность появления дефектов на поверхности основного металла в результате попадания на него брызг.

В процессе сварки хромистых сталей мартенситного класса в металле сварного соединения образуются закалочные мартенсит­ные структуры, что приводит к снижению пластичности и повы­шению твердости металла. В результате таких изменений появля­ются холодные трещины. Избежать их образования удается с по­мощью предварительного и сопутствующего подогревов до температур 250...450 °С, обязательного последующего высокого отпуска и мер по снижению содержания водорода в металле шва.

В процессе сварки хромистых сталей ферритного класса проис­ходит резкое изменение их структуры — укрупнение зерен в око-лошовной зоне и металле шва при незначительном повышении погонной энергии сварочного процесса. По этой причине такие стали не подвергаются никаким видам термообработки.

При сварке аустенитных сталей в металле сварного шва и околошовной зоне могут возникать горячие трещины, что необходи­мо прогнозировать и предупреждать принятием соответствую­щих мер. Наиболее известный и широко используемый способ предотвращения возникновения горячих трещин заключается в том, что в сварной шов вводят посредством легирования ферри­тообразующие элементы — титан, молибден, кремний и др. Этот прием обеспечивает создание двухфазной структуры, которая способствует измельчению зерен в металле шва и уменьшениюликваций. Двухфазная структура в аустенитных сталях может быть сформирована и за счет выделения в металле шва карбидов или боридов.

Для получения двухфазной аустенитно-карбидной структуры шов легируют углеродом и карбидообразующими элементами — ниобием и титаном. Однако при таком легировании возникает другая проблема: углерод резко повышает склонность сварных швов к межкристаллитной коррозии. Поэтому данный способ предупреждения образования трещин применим только при свар­ке жаропрочных и жаростойких сталей. При формировании двух­фазной аустенитно-боридной структуры достаточно легировать сварной шов бором (0,2...0,7%). Незначительное повышение со­держания бора может вызывать возникновение холодных трещин. В этом случае следует осуществлять предварительный или сопут­ствующий подогрев до температур 260...300°С для предупрежде­нии их появления.

Таким образом, в процессе сварки высоколегированных сталей возникают серьезные затруднения, в связи с чем свариваемость этих сталей оценивается как ограниченная или плохая. Поэтому при проектировании конструкций из таких сталей технологи в проектной документации предусматривают все возможные и до­пустимые технологические приемы.

Ручная дуговая сварка высоколегированных сталей покрытыми электродами осуществляется, как правило, на постоянном токе об­ратной полярности. Подготовку кромок и сборку под сварку про­изводят так же, как и при сварке углеродистых сталей. Выбор мар­ки электрода зависит от вида свариваемой стали и тех условий, в которых будет эксплуатироваться сварная конструкция. Основное легирование происходит за счет металла электродного стержня, а дополнительное — за счет материала покрытия электрода.

Некоторые данные о режимах и выборе электродов для ручной дуговой сварки приведены в табл. 1.

Таблица 1 – Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки

Вопросы и задания

1*. Какими свойствами обладают среднелегированные стали и какие стали относятся к среднелегированным?

2. Какие способы применяются для сварки среднелегированных сталей и чем характерен технологический процесс их сварки?

3**. Какие среднеуглеродистые стали используются наиболее широко?

4*. Чем характерны высокопрочные среднелегированные стали? * На оценку «отлично» необходимо дать полный ответ.

5. Что выполняется для уменьшения отрицательного влияния негативных фак­торов на работоспособность конструкций из высокопрочных сред­нелегированных сталей? * На оценку «хорошо» и «отлично» необходимо дать полный ответ.

6. Какие сплавы считаются высоколегированными сталями?

7**. Чем характерны хромистые стали?

8**. Какие бывают хромоникелевые стали?

9**. Какие бывают и чем характерны коррозионностойкие стали?

10. Что происходит в процессе сваркивысоколегированных сталей? Дать полный ответ!

11. Что дает применением электродов с фтористокальциевым покрыти­емдля сварки высоколегированных сталей? Дать полный ответ!

12*. Что происходит в процессе сварки хромистых сталей мартенситного класса? Дать полный ответ!

13*. Что происходит в процессе сварки хромистых сталей ферритного класса? Дать полный ответ!

14*. Что происходит в процессе сварки аустенитных сталей? Дать полный ответ!

15**. Что выполняют для получения двухфазной аустенитно-карбидной структуры и двух­фазной аустенитно-боридной структуры? Дать полный ответ!

16. Что предпринимают и почему при проектировании конструкций из таких сталей?

17. Какой режим выбирают, как подготавливают детали конструкций (изделий) и какие электроды применяют для сварки высоколегированных сталей?

18. По таблице 1 определите диметр электрода, его длину и силу сварного тока для сварки легированных сталей в зависимости от толщины материала и заданного пространственного положения сварки: