Сварка высоколегированных сталей

Используют в судостроении, химической промышленности, в энергетике, при производстве летательных аппаратов и т .д .Эти стали по сравнению с углеродистыми имеют более низкую теплопроводность, большой коэффициент теплового расширения и высокое омическое сопротивление.

По особенностям структуры их подразделяют на 8 групп:
1) М -Мартенситная 15Х11МФ 10Х12НД турбины, газотурбины. Предназначены для работы при температуре до 650 ⁰С. Технологию сварки этих сталей усложняет их повышенная склонность к хрупкому разрушению в состоянии закалки. Поэтому соединения большинства мартенситных сталей немедленно после сварки подвергают термической обработке ( отпуску) для снятия внутренних напряжений и формирования нужных механических свойств.
2)М+Ф (мартенситно-ферритная) 08Х13 , 14Х17М2 имеют повышенное ( до 12…18 % ) содержание хрома. Это придает им стойкость против коррозии. Эти стали используют для изготовления конструкций , работающих в агрессивных средах , например в нефтехимии и в воде при высоком давлении и температурах. Для соединения мартенситно – ферритных сталей используют дуговую сварку штучными электродами, в защитных газах и под флюсом. Применяют электроды типа Э-10Х25Н13Г2 ( марки ОЗЛ-6 , ЦЛ-25). С точки зрения свариваемости мартенситно – ферритные стали являются „неудобным” материалом. В связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях возможно появление холодных трещин. Во избежание этого сварку нужно вести с предварительным и сопутствующим подогревом, а также подвергать сварные соединения ТО ( отпуск ). Сталь 08Х13 подогревают до температуры 150…200 ⁰С , а отпускают при температуре 680…700⁰С. Сталь 14Х17Н2 подогревают также , а отпускают при температуре 620…640⁰С. Время между сваркой и отпуском для этих сталей неограниченно. Стали 12Х13 и 20Х13 подогревают перед сваркой до температуры 300⁰С и не позже чем через 2 часа после сварки производят отпуск при температуре 620…640⁰С.
3)А (аустенитные жаропрочные) Х14Н16Б применяют при высоких температурах. Склонны к горячим трещинам при сварке и к охрупчиванию сварных конструкций. Поэтому при сварке , особенно изделий , работающих при температуре до 600⁰С, используют электроды , обеспечивающие присутствие в металле шва 1…2% ферритной фазы (ЦТ-26, ЦТ-16, ЦТ-7, КТИ-5). Для сохранения легирующих элементов в швах ответственных конструкций применяют защитные инертные газы и безокислительные галоидные флюсы ФЦ-17, АНФ-5. Для избежания горячих трещин скорость сварки регулируют , порой уменьшая до 6м/ч. Повысить стойкость шва против горячих трещин и улучшить механические свойства сварного шва можно внешними технологическими воздействиями: перемешивание сварочной ванны путем механического или электромагнитного воздействия , интенсивным охлаждением сварочной ванны подачей в нее твердого присадочного материала или струи воды.
4)Ф- Ферритная 08Х17Т 15Х25Т оборудование без ударных нагрузок
5)А (аустенитные коррозионно стойкие) 18Х10Н хромоникелевые стали типа 18-10 ( 18 % хрома и 10 % никеля ), хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые , хромоникелемолибденовые и высококремнистые стали. Наиболее распространена сталь типа 18-10, поскольку высокое содержание в ней хрома и никеля обеспечивает коррозионную стойкость в сочетании с жаропрочностью.
6)Ф+А Ферритноаустенитные 08Х22М6Т . Эти стали имеют высокие пределы прочности и текучести, хорошую коррозионную стойкость и хорошо свариваются. Эти стали можно сваривать ручной и механизированной дуговой сваркой , а также другими способами , причем предпочтительны способы сварки с невысокой погонной энергией. При сварке плавлением используют электроды ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ЦТ-15-1, НЖ-13, АНВ-36, проволоку Св08Х21Н7ВТ, Св03Х21Н10АГ5, флюсы АН-26, АИК-45МУ. При сварке деталей с толщиной кромок 16…20мм рекомендуется обрабатывать границы шва с основным материалом сварочной дугой, горящей в аргоне с неплавящимся электродом. Такой местный нагрев с малой погонной энергией обеспечивает мелкозернистую ферритную структуру с аустенитными прослойками по границам зерен. Это повышает пластичность и коррозионную стойкость.
7)А+М Аустенит+ мартенсит
8)Мартенситностареющие Н18К9М5Т Х12Н9К4МВТ применяются в конструкциях, требующих повышения удельной прочности металла при низкой чувствительности к надрезам и трещиноподобным дефектам . Это , например , корпуса двигателей, сосуды высокого давления , изделия криогенного назначения. Перспективно использование этих сталей для износостойкой наплавки.

Эти стали хорошо свариваются всеми способами сварки. Малочувствительны к образованию холодных и горячих трещин , обеспечивают высокие механические свойства сварных соединений. Сваривать можно без подогрева и без последующего отпуска , обеспечивая нужные свойства операцией старения. Чаще всего применяют электронно – лучевую и дуговую сварку в аргоне с неплавящимся электродом и с присадочной проволокой близкого к основному металлу состава. Применяют импульсную дугу, колебания электрода поперек стыка деталей. Большие толщины сваривают в щелевую разделку ( устанавливая между кромками деталей зазор , в который вводится электрод). Все это обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва и близкие к основному металлу механические свойства.

Аустенитные стали имеют одно или двухфазную структуру. Нужно определить соотношение хрома к никелю. Если Cr/Ni>1, например Х18Н9Тто удовлетворительная сопротивляемость образованию горячих трещин обеспечивается образованием в металле шва некоторого количества ферритной составляющей, т.е.получением аустенино-ферритных швов. Положительное влияние феррита объясняется так. Однофазные, чисто аустенитные швы обычно имеют крупнозернистое строение. Феррит измельчает структуру аустенитных швов. Оптимальное его содержание в пределах 2-5%. Для сварки сталей большей аустенитности Cr/Ni< 1 не допускается применение аустенитно-ферритных электродов.

 

Особенности сварки высоколегированных сталей

1)Высокое электросопротивление требует уменьшения вылета проволоки, укорочение электродов и меньшей плотности тока при РД.
2)Пониженная теплопроводность приводит к увеличению глубины проплавления, следовательно уменьшаем силу тока
3)Повышенное тепловое расширение, приводит к короблению ,потому используют способы и режимы обеспечивающие минимальное количество тепла в одном месте.
4)Для уменьшения угара легирующих элементов, сварку ведут короткой дугой, с минимальными колебательными движениями.
5)Насыщение водородом шва при сварке высокохромистых сталей, может привести к образованию холодных трещин
6)По возможности использовать проволоку из стали вакуумного или электрошлакового переплава
7)Остатки шлака на поверхности и повреждения основного металла из за попадания брызг возбуждения дуги не заваренных кратеров могут вызвать коррозию
8)Остающиеся подкладки и не провары в корне шва обращенные к агрессивной среде, могут стать очагами коррозии
9)Для предупреждения появления различных видов коррозии при многослойной сварке перед последующим проходом охлаждать сварное соединение до температуры окружающей среды.

 

Способы сварки

1)РД-ток постоянный, полярность обратная, основное легирование наплавленного металла обеспечивается за счет электрода
Режим сварки высоко легированных сталей РД

Толщина металла , ммЭлектродСила тока
ДиаметрДлинаНижниеВертикальноеПотолочное
До 22220-25030-50
2.5-3325070-10050-8045-75
3-83-4250-35085-14075-13065-120
8-124-535085-16075-15065-120

2)Аргонно-дуговая сварка: минимум угара легирующих элементов, постоянный ток ,прямая полярность,(за исключением стали с большим содержанием алюминия)металл не толще 5-7мм.Хорошее образование обратного валика ,позволяет рекомендовать сварку корневого шва при больших толщинах.
Режим сварки для аргоно — дуговой сварки (автоматическая)

1Стыковое с присадкой80-1400.0730-50
2Стыковое с присадкой140-2400.1-0.1220-05
4Стыковое с присадкой200-2800.12-0.1415-20
1Стыковое без присадки60-1200.0735-50
1.5Стыковое без присадки110-2000.1-0.1220-30
4Стыковое без присадки130-2500.12-0.1415-25

 

Толщина металла, ммТип соединенияСила тока, АРасход аргона, л/секСкорость сварки, м/ч
1С отбортовкой35-600.06-0.07
2С отбортовкой75-1200.08-0.1
3100-1400.1-0.12

Режимы сварки аргон- дуговой сварки (ручная)

 

3)Сварка под флюсом: При толщине металла 5-50 мм, этот способ ведущий.Постоянная глубина провара ,постоянный состав металла, отсутствие кратеров, равномерная чешуйчатость-преимущество. Однако при сварке стыков труб диаметром менее 250мм трудно осуществлять подогрев.
Для предупреждения образования горячих трещин проволоку выбирают небольшого диаметра, чтобы уменьшить сечения шва.
4)Сварка в защитных газах: Выполняют в инертных активных газах или смесях. А при сварке сталей содержащих алюминий и титан защитный газ только аргон. Ток выбирают так чтобы получался струйный перенос.

Режим сварки высоко легированных сталей автоматической аргон – дуговой сваркой

 

Толщина металла, ммПодготовка кромокЧисло слоёвДиаметр провлоки,ммСила тока,АСкорость сварки, м/чРасход аргона,л/сек
1Без подготовки10.530-4030-500.1
2Без подготовки11200-21030-500.14-0.16
3Без подготовки11220-23040-500.14-0.16
4Без подготовки11230-24040-500.14-0.16
5V-образная11260-27530-400.14-0.16
6.5V-образная11260-28025-300.14-0.16
8V-образная22300-38015-250.2-0.25
10V-образная22330-44015-250.2-0.3

 

Особенности сварки высоколегированных сталей

К высоколегированным относят стали, суммарный состав легирующих элементов в которых составляет не менее 10%, при содержании одного из них не менее 8%. При этом содержание железа должно составлять не менее 45%. В основном это стали, обладающие повышенной коррозионной стойкостью или жаростойкостью. Легирование сталей выполняют углеродом, марганцем, кремнием, молибденом, алюминием, ванадием, вольфрамом, титаном и ниобием, бором, медью, серой и фосфором. Введение легирующих элементов меняет физические и химические особенности стали.

Так, углерод способствует повышению прочности стали и снижению ее пластичности. Окисление углерода в процессе сварки способствует появлению пор. Кремний является раскислителем и содержание его в стали более 1% приводит к снижению свариваемости. Хром также снижает свариваемость, способствуя созданию тугоплавких окислов. Никель повышает прочность и пластичность сварочного шва, не снижая свариваемость стали. Молибден увеличивает прочность и ударную вязкость стали, ухудшая свариваемость. Ванадий в процессе сварочных работ сильно окисляется, поэтому его содержание в стали предусматривает введение раскислителей. Вольфрам тоже сильно окисляется при повышенных температурах, ухудшает свариваемость стали.

Титан и ниобий предотвращают межкристаллитную коррозию. Бор повышает прочность, но затрудняет свариваемость. Медь повышает прочность, ударную вязкость и коррозийную стойкость стали, но снижает ее свариваемость. Повышенное содержание в стали серы приводит к образованию горячих трещин, а фосфор способствует образованию холодных трещин.

Содержание тех или иных легирующих элементов определяют по маркировке стали. Первые две цифры в маркировке означают содержание углерода в сотых долях процента; легирующие элементы обозначают буквенными символами, а стоящие за ними цифры указывают на примерное содержание этих элементов, при этом единицу и меньше не ставят. Символ «А», установленный в конце маркировки, указывает, что сталь высококачественная, с пониженным содержанием серы и фосфора. Наиболее широкое применение получили коррозионно-стойкие хромоникелевые стали (12Х18Н10Т, 10Х23Н18 и некоторые другие).

Из вышесказанного видно, что, как правило, легирование стали приводит к снижению ее свариваемости, а первостепенную роль при этом играет углерод. Поэтому доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. Повышенное содержание углерода и легирующих элементов способствует увеличению склонности стали к резкой закалке в пределах термического цикла, происходящего во время сварки. В результате этого околошовная зона оказывается резко закаленной и теряет свою пластичность.

Поэтому при сварочных процессах высоколегированных сталей, происходящих в зоне плавления металла и околошовной области, возникают горячие трещины и межкристаллитная коррозия, проявляющаяся в процессе эксплуатации. Основной причиной появления трещин является образование крупнозернистой структуры в процессе кристаллизации и значительные остаточные напряжения, полученные при затвердевании металла. Легирование влияет на вязкость металла и коэффициент поверхностного натяжения, поэтому у большинства высоколегированных сталей сварочный шов формируется хуже, чем у низколегированных и даже углеродистых сталей.

Межкристаллитная коррозия характерна для всех видов высоколегированных сталей, имеющих высокое содержание хрома. Под действием нагрева образовавшиеся карбиды хрома выпадают по границам зерен, снижая их антикоррозийные свойства.

Препятствует образованию карбидов хрома легирование стали титаном, ниобием, танталом, цирконием и ванадием. Положительное влияние на качество сварочного шва оказывает дополнительное легирование сварочной проволоки хромом, кремнием, алюминием, ванадием, молибденом и бором.

Для сварки высоколегированных сталей используют как ручную дуговую, так механизированную сварку под флюсом и в среде защитных газов. Сварка выполняется при минимальном тепловложении с использованием термообработки и применением дополнительного охлаждения. Введение легирующих элементов меняет и технологические особенности стали. Так, система легирования снижает теплопроводность стали и повышает ее электрическое сопротивление. Это оказывает влияние на скорость и глубину плавления металла, что требует меньшего вложения энергии, и увеличения скорости подачи сварочной проволоки.

Ручную дуговую сварку высоколегированных сталей выполняют при пониженных тока обратной полярности. Сварку ведут короткой дугой ниточными валиками без поперечных колебаний.

Проволока, применяемая для изготовления электродов, должна соответствовать марке стали с учетом ее свариваемости. Защитное покрытие электродов должно иметь состав, снижающий отрицательное действие повышенной температуры. К примеру, для сварки кислотостойкой стали 12X18HI0T электроды типа Э-04Х20Н9 (марки ЦЛ-11) препятствуют образования горячих трещин и межкристаллитной коррозии. Предварительный и сопутствующий подогрев снижает опасность возникновения трещин. Для защиты сварочной ванны используют инертный газ или аргон и его смеси с гелием, кислородом и углекислым газом.

Сварку в среде углекислого газа можно выполнять только в случаях, когда отсутствует опасность возникновения межкристаллитной коррозии. Сварка плавящимся электродом выполняется при значениях тока, обеспечивающих струйный перенос электродного металла.

При сварке возникает опасность коробления и остаточных сварочных напряжений. Поэтому после сварки часто возникает необходимость в термообработке.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *