8.2.4.2 Сварка среднеуглеродистых и легированных сталей.

При сварке под флюсом этих сталей (30ХГСА, 23Х2НБФА и др) основная задача - получение сварных швов с достаточно высокой ударной вязкостью. Благодаря наличию в стали легирующих элементов, обладающих большим сродством к кислороду (Cr,Si) происходит раскисление сварочной ванны, в результате чего она обогащается мелкими дисперсными включениями, из-за чего ударная вязкостьа_Нкатастрофически снижается.

FeO+CrFe+Cr₂О

Следовательно, с целью получения высокой а_Нследует перейти на сварку НК, НМ (АН-15М) или БМ, БК флюсами на фторидной основе (ФЦК-М).

Для сварки под флюсом нержавеющих сталей такжене рекомендуется применять ВК, ВМ флюсы, в противном случае неизбежно повышение окисления металла с образованием тугоплавких окисловCr,Ti и ухудшение его свойств. Поэтому применяют БМ, НК флюсы типа ФЦЛ-2 (30%СaF₂, 30%SiO_2, СаF₂), фтористые АНФ-5 (75% СаF_2, 15%NaF), либо керамические на основе жидкого стекла.Таким образом, легирование флюсами невозможно, т.к. легирующие элементы дают тугоплавкие окислы, поэтому легирование должно идти через проволоку, например, св06Х18Н9Т при сварке стали 12Х18Н9Т.

8.3 Сварка неплавящимся электродом в среде инертных газов

В качестве электрода обычно применяется вольфрамовый стержень, заточенный на конус под углом 60. Выполняется в среде инертного газа, обычно аргона, при этом газ имеет двойную функциюзащиты сварочной ванны от взаимодействия с окружающими газами и защиты самого вольфрамового электрода от окисления. Выбор присадки производить исходя из требований, предъявляемых к конструкцииравнопрочности, коррозионной стойкости, пластичности, жаропрочности и других требований.

1. Сварка углеродистых сталей

Схема поста для ручной дуговой сварки сталей неплавящимся электродом в среде инертного газа приведена на рис. 46.

9

-

+

7

5

8

1

2

10

11

6

4

3

Рис. 46.

1 -источник питания постоянного тока (выпрямитель ВС-300 с осциллятором, ВСВУ-315, ТИР-300ДМ, УДГУ-351и др.);

2 - сварочный кабель с обратным кабелем;

3 - свариваемое изделие;

4 - стол сварщика;

5 - горелка (РГА-150, ЭЗР-5 и др.);

6 - трубка для подвода газа;

7 - ротаметр типа РС или расходомер типа АР;

8 - манометр давления газа (требуется, если баллон находится вне сварочного поста);

9 - редуктор баллонный с манометрами высокого и низкого давления;

10 - баллон с аргоном;

11 - присадочная проволока.

Примечание: 1 При сварке тонколистовых материалов целесообразно использовать стабилизированные источники питания типа ВСВУ.

Для сборки и сварки деталей с продольными сварными швами применять стенды или другие приспособления с прижимом свариваемых кромок к подкладке.

2 Для автоматической и механизированной сварки применять автоматы типа АРК-3 и сварочные манипуляторы типа М 11010, М 11050 и др.

3 В состав источников питания ВСВУ, УДГУ и ТИР-300 входит осциллятор, который на схеме не показан.

Для сварки сталей обычно применяется постоянный ток прямой полярности, для сварки алюминиевых сплавов – переменный ток. Следует отметить, что для сварки легированных сталей, содержащих алюминий в большом количестве, также применяется переменный ток для облегчения удаления окисной пленки.

Прямая полярность способствует уменьшению ширины шва и увеличению глубины проплавления, поэтому для получения гарантированного провара 1-й проход при многослойной сварке выполняют именно этим методом.

Для сварки низкоуглеродистых сталей рекомендуется применять не чистый аргон, а смесь аргона с углекислым газом, т.к. при сварке таких сталей наличие окисляющего газа желательно для полного протекания кремнемарганцего восстановительного процесса.

Сварку выполнять короткой дугой во избежание окисления сварочной ванны.

Среднеуглеродистые стали толщиной до 7мм хорошо свариваются неплавящимся электродом в среде аргона, более толстые детали рекомендуется сваривать в два этапа1-й проход (корень шва) выполнять неплавящимся электродом, а все последующие слои – плавящимся, такая технология обеспечивает качественное проплавление корня шва, а также надежное проникновение литой зоны шва в основной металла и сплавление между слоями. Заполнение разделки при многослойной сварке рекомендуется выполнять с поперечными колебаниями электрода. Поперечные колебания улучшают формирование шва и обеспечивают плавный переход от шва к основному металлу, при этом ослабляется перегрев шва и столбчатая ориентация структуры шва, последняя дробится и измельчается.

2. Сварка высоколегированных сталей и сплавов

При аргонодуговой сварке этих материалов наблюдается высокая стабильность горения дуги и меньший угар легирующих элементов, чем при сварке в среде углекислого газа. Сварку выполняют с присадкой, в составе которой учитывается угар легирующих элементов, и без присадки, при этом, чтобы не было занижения шва, применяют сварку по оплавляемому буртику (см. рис. 47). Этот способ сварки применяется для сварки тонкостенной детали с массивной. Сварка нержавеющих сталей без присадки дает заниженные показатели коррозионной стойкости.

ИН-С6

Рис. 47.

Д

l

ля эффективной защиты металла шва используют горелки с соплами, имеющими сетчатые вкладыши. Сборку тонкостенных деталей малой жесткости рекомендуется выполнять на стендах с подкладками, оформляющими проплав, и с прижимом свариваемых кромок к подкладке (см. рис. 48).

прижим

подкладка

Р

Рис. 48.

Ориентировочные данные для проектирования стендов для сварки продольных швов обечаек указаны в таблице № 8.

Таблица № 8

Наименование свариваемых материалов	Толщина металла, мм	Расстояние от прижима до стыка, мм (см.рис.48) l,	Усилие прижима, кгс/пог.см Р
Алюминиевые сплавы	До 1 1…3 3…8 >8	8…10 10…12 12…15 20…30	10…15 15…20 20…25 25…30
Нержавеющие стали, титановые сплавы	0,8…1,0 1…2 3 и более	8…10 10…15 15…25	30…40 50…60 70…80

Высоколегированные стали – это стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5-55%.

Высоколегированные сплавы подразделяются на 2 группына железоникелевой основе и на никелевой.

Общим признаком для большинства этих материалов является их пониженный по сравнению с НУС коэффициент тепло и электропроводности, большой коэффициент литейной усадки и высокий коэффициент линейного расширения.

В зависимости от свойств эти стали и сплавы делятся на коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие. Последние, в отличие от жаропрочных, кроме сохранения требуемой прочности при высоких температурах, должны при этом не окисляться не только на воздухе, но и в агрессивной среде. Главными легирующими элементами высоколегированных сталей и сплавов являются углерод, кремний, вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, титан, алюминий, бор и другие. В зависимости от структуры высоколегированные стали и сплавы делятся, в основном, на однофазныемартенситные (М), ферритные (Ф), аустенитные (А) и 2-хфазныеМ-Ф, А-М, А-Ф.

Для выбора марки присадочной проволоки, режимов сварки и термообработки важно сначала определить, к какому структурному классу относится применяемый материал.

Структура этих материалов определяется соотношением эквивалентного содержания ферритизирующих ( Cr,Si,Mo,Ti,Al,Nb,V,W) и аустенизирующих (Ni,Co,C,N,Cu,Mn,B) элементов. Для определения ориентировочной структуры хромоникелевых сталей, а также сварных швов можно пользоваться диаграммой Шеффлера ( рис.49).

Если принять эффективность действия хрома и никеля в сварном шве за единицу, то эквивалентная концентрация хрома и никеля в сварном шве может быть подсчитана по формулам.

Cr = Cr +1,5Si + 2Mo + 5Ti + 2Al + 2Nb + V + 1,5W

Ni  = Ni+30C+30N+0,5Mn+ 10B

Для основного металла (катаных сталей) эквиваленты никеля и хрома выражаются другими формулами

Cr = Cr +3Si + 2Mo + 7Ti + 12Al + 4,5Nb + 11V + 2W

Ni=Ni+30C+26N+0,7Mn+ 0,3Cu

						А+10 …20 %Ф		А+5... 10%Ф
			А			А+5% Ф
					А+20 …40 %Ф
	А+М				А+40 …80 %Ф
				А+80 …100 %Ф
	М			А+Ф +М
	Ф+М		М+Ф				Ф

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 %Cr

Рис. 49

Диаграмма влияния элементов на структуру металла сварных швов высоколегированных сталей ( диаграмма Шеффлера).

%Ni - эквивалентная концентрация никеляNi , %Cr - зквивалентная концентрация хромаCr.

Например, для стали 12Х18Н10Т, которая по диаграмме попадает в подгруппу А+10…20% Ф

( Cr= 25,Ni= 13,6) с целью получения коррозионностойких и жаропрочных швов следует из каталога сварочных материалов выбрать проволоку А-Ф структуры, св06Х19Н9 (5..10%Ф), т.к. 2-х фазные структуры способствуют измельчению структуры, а, следовательно, упрочнению, жаропрочности и стойкости против коррозии.

Если же сталь используют для изготовления хладостойкой аппаратуры, предпочтение надо отдать проволоке со структурой А или А+2…3% Ф, например, св10Х16Н25АМ6 (аустенитные швы не теряют пластичности при низких температурах).

При сварке высоколегированных сталей и сплавов возможно образование горячих (в том числе и кристаллизационных) и холодных трещин (ГТ, КТ и ХТ).

Горячим подвержены, в основном, аустенитные стали и сплавы, холодным – закаливающиеся стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Это объясняется сильно развитой

направленной первичной микроструктурой, увеличенной литейной усадкой. многокомпанентным легированием, усиливающим вероятность появления легкоплавких составляющих на границе зерен.

Пути предотвращения КТ

1. Создание 2-х фазных структур (А+Ф, А+карбиды и др.) Такую структуру обеспечивает, прежде всего, соотношение эквивалентов Crи. Ni . Удовлетворительную стойкость против КТ при сварке аустенитных сплавов можно получить при наличии в металле шва 3…8% Ф+А. Если требуется еще и пластичность приt= 450…650С, то содержание феррита должно быть в пределах 2…5%. Это требование особенно тщательно должно соблюдаться при сварке конструкций, длительно работающих в интервале температур 450…650С, например, контуров атомных станций, высокотемпературных реакторов, паропроводов. Специально для них созданы проволоки св04Х17Н10М2 и св02Х17Н10М2-ВИ.

2. Ограничение вредных примесей (серы, фосфора, свинца, сурьмы, олова, висмута), а также таких элементов, как кремний, титан, алюминий, титан. Они способствуют образованию по границам зерен легкоплавких прослоек, которые при остывании сварочной ванны долго не кристаллизуются, инициируя образование трещин.

3 Легирование молибденом, марганцем, вольфрамом, танталом, азотом, заменой части никеля марганцем, углеродом, бором. Введение углерода способствует образованию 2-х фазной аустенитно-карбидной фазы, что измельчает структуру, но снижает коррозионную стойкость. С целью повышения коррозионной стойкости одновременно с введением углерода легируют шов такими элементами, как ниобий и титан, способными связать углерод в прочные карбиды.

4. Применение фтористо-кальциевых электродов для ручной сварки и фторидных флюсов при автоматической сварке под флюсом, т.к. наличие фтора измельчает структуру.

Холодные трещины в шве и околошовной зоне возможны после кристаллизации сварочной ванны или в процессе эксплуатации изделия при сварке мартенситных и мартенситно-ферритных сталей, а также малопластичных сложнолегированных сталей и сплавов

Пути предотвращения ХТ

1. Предварительный и сопутствующий подогрев до 250…300С.

2. Сварка минимальной погонной энергией с минимальным проплавлением.

3. Применение чистого от вредных примесей основного и присадочного металла, лучше всего металлы электрошлакового или вакуумного переплава, что дает повышенную пластичность.

4. Применение более пластичной, чем основной металл, присадки, что, конечно, приводит к снижению прочности сварного шва за счет повышения пластичности.

5. Снижение углерода вплоть до предела его растворимости в железе (до 0,02…0,03%), исключение ниобия.

Нержавеющие стали и сплавы обладают очень важной характеристикой – коррозионной стойкостью, т.е. способностью противостоять окислению в агрессивных средах, за что и получили название нержавеющих.

Коррозионностойкими или нержавеющими являются хромоникелевые аустенитные и 13, 17, 28% хромистые стали, а также хромомарганцевые аустенитные, хромоникелевые аустенитно-ферритные и другие.

Обладая высокой коррозионной стойкостью, эти стали, однако, подвержены опасному виду коррозионного разрушения - межкристаллитной коррозии (МК). После длительного воздействия на эти материалы критических температур 500…800С углерод связывает хром в карбиды, за счет чего происходит обеднение хромом (основным элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость) пограничных слоев зерен и потеря коррозионной стойкости, т.е. нержавеющие стали ржавеют

Сварка вызывает нагрев околошовной зоны до критических температур, поэтому впоследствии, в них может развиться МК. Провоцируют МК такие факторы, как подварка, пересечение швов, места перекрытия при сварке замкнутых швов (это когда начало и конец шва перекрываются с целью ликвидации дефектного участка при зажигании дуги).

В сталях, стабилизированных TiиNb, МК развивается на границе шов - околошовная зона и называется ножевой коррозией.

Средства борьбы с МК

1. Снижение содержания углерода в основном металле и шве до 0,02…0,03%, т.е. до предела его растворимости в аустените. При столь малой концентрации углерод остается в твердом растворе при любой температуре и не соединяется с хромом.

2. Легирование титаном, ниобием, танталом, цирконием, ванадием, которые сами дают устойчивые карбиды (наиболее эффективное средство).

3. Закалка (для сталей типа 18-10 от 1050…1100С). При нагреве под закалку карбиды хрома растворяются в аустените, а быстрое остывание фиксирует однородное строение стали или сплава. Повторное воздействие критических температур может снова привести к МК.

4. Стабилизирующий отжиг в течение 2…3 часов при температуре 850…900С с охлаждением на воздухе

5. Повышение в швах до 20…25% феррита путем дополнительного легирования хромом, кремнием, алюминием, ванадием, молибденом. вольфрамом.

6. Для предупреждения ножевой коррозии применяют приемы, направленные на недопущение или уменьшение перегрева металла в околошовной зонесварка короткой дугой, на высокой скорости, сварка с промежутками во времени после наложения каждого валика.

В последнее время широкое применение в атомной и теплоэнергетике, в химическом машиностроении, авиации нашли новые жаропрочные сплавымартенситно-стареющие (ЭП637), высокохромистые никелевые сплавы сложной гетерогенной структурыЭП648 (Х35Н50ВМТЮБ-ВИ), ЭП126, ВЖ159(Х27Н58М7Б3Ю-ИД). По сравнению с другими жаропрочными сплавами, они имеют более высокую стойкость к термическим напряжениям, большую жаростойкость, особенно в таких агрессивных средах, как высокосернистое и дизельное топливо, морская вода и др.

В зависимости от режима термообработки эти сплавы могут длительно работать и при tдо 1100С, и приtдо 750С, что позволяет снизить номенклатуру используемых сплавов в одном изделии. Эти сплавы обладают хорошей технологичностьюхорошо свариваются, подвергаются холодной штамповке, после длительной работы их можно подваривать без термообработки.

Сплав ЭП648 под штамповку и сварку рекомендуется использовать после закалки с tдо 1140С, охлаждение на воздухе и старения приt= 900С в течение 16 часов, при этом выравнивается структура, и сплав становится более пластичнымпредел прочности_В = 9,7МПа,= 45%.

При гибке такого материала толщиной 1,5мм достигается минимальный радиус гиба 5мм.

Сварка сплавов выполнятся неплавящимся электродом в среде аргона, для ЭП648 проволокой св 03Х35Н50ВМТЮБ (ЭП648), для ВЖ159 – св 08Х20Н57М8В8Т3Р (ЭП533).

Режимы ручной сварки листов толщиной 1,5 ммсила тока 50А, расход газа 7л/мин, поддув с обратной стороны с расходом 4л/мин. Очень хорошее качество дает сварка на ЭЛУ, вакуум 510 ^-5мм рт. ст. После сварки для получения оптимальных свойств сплав подвергают двойному старению, сначала при 900С в течение 16 часов, затем при 750С в течение 16 часов. охлаждение на воздухе. Показатели механических свойств после сварки и термообработки ЭП648_В = 931МПа,= 45%, а_Н = 19кгм/см², предел ползучести_{50ч (1000С)} 29,4МПа.