Сварка легированных сталей – просто и понятно об особенностях процесса

1 Краткая справка о легированных сталях с точки зрения их свариваемости

Легирование сталей различными химическими элементами (кремний, молибден, хром, ванадий и другие) выполняется с целью улучшения их антикоррозионных свойств, теплоустойчивости, различных механических характеристик, жаропрочности, а также в целом качества сплавов. По уровню легирования "улучшенные" материалы делят на:

• обычные легированные (в них имеется от 2,5 до 10 % специальных добавок);
• низколегированные (не более 2,5 % легирующих компонентов);
• высоколегированные (более 10 % добавок).

Строительные стали с малым уровнем легирования включают в свой состав до 0,22 % углерода. По данной причине их часто именуют низколегированными низкоуглеродистыми. Подобные сплавы свариваются по тем же методикам, что и обычные низкоуглеродистые стали.

Кроме того, низколегированные стали делят на разные группы (конструкционные, высокопрочные, теплоустойчивые). Процесс сварки изделий из них характеризуется рядом нюансов.

Общей и основной характеристикой сплавов со средним уровнем легирования считаются их механические показатели. Во-первых, они описываются повышенной стойкостью к охрупчиванию, что позволяет использовать их в агрессивных атмосферах, при пониженных и высоких температурах, при серьезных перегрузках, включая и ударные. Во-вторых, величина их предела прочности находится в пределах от 588 до 1960 МПа. Сварка таких сталей имеет определенные трудности, о которых будет рассказано ниже.

Сварка высоколегированных сплавов также затруднена. Причем металлургические композиции с высокой степенью легирования имеют собственные особенности в зависимости от того, к какому подвиду высоколегированных сталей они относятся:

• стойкие против негативного химического воздействия в газовых средах при температурах свыше 550 °С (жаростойкие);
• нержавеющие (способны противостоять межкристаллитному, электрическому и сугубо химическому ржавлению);
• стойкие против высоких температур (от 1000 °С) – жаростойкие.

Далее мы подробно опишем, какими способами в настоящее время производится сварка высоколегированных и иных легированных сталей.

2 Сварка низколегированных сталей – технология и тонкости процесса

Как было отмечено, сварка конструкционных низколегированных сплавов с содержанием углерода не выше 0,22 % осуществляется такими же способами, как и стандартная углеродистая сталь. Разница в данном случае является несущественной. Обуславливается она тем, что в полученных швах легированных изделий могут образовываться (при сравнительно высоких темпах охлаждения) особые закалочные структуры. Бороться с ними несложно. Достаточно обеспечить меньшие пределы погонной энергии при сварке, чтобы не беспокоиться об указанных структурах.

Равной прочности соединения добиваются путем привнесения из основного металла в металл шва специальных добавок. А защитить шов от хрупкости можно посредством применения сварочной проволоки, через которую производится дополнительное его легирование.

Чтобы получить качественный шов, для сварки углеродистых и низколегированных сталей следует использовать электроды Э50А и Э42А.

На такие стержни наносится фтористо-кальциевый слой, гарантирующий высокие пластические характеристики и эффективное противодействие возникновению кристаллизационных трещин.

Газопламенная сварка легированных и конструкционных углеродистых сталей выполняется правым либо левым способом. В первом случае расход ацетилена составляет не более 130 кубических дециметров в час, во втором – от 75 до 100. После завершения сварочной операции выполняют проковку металла шва (температура данной процедуры – около 850 градусов), после чего изделие подвергается нормализации. Описанные виды дополнительной обработки обеспечивают увеличение (весьма, кстати, ощутимое) механических показателей соединения.

Полуавтоматическая сварка в газовой атмосфере, а также сварка (ручная) стержнями покрытого типа обычно рекомендуется для работы с теплоустойчивыми низколегированными материалами. Для хромомолибденованадиевых сплавов идеальными являются электроды марок ЭМХФ, для хромомолибденовых – марок ЭМХ. Другие электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей лучше не применять. Желательно выполнять подогрев свариваемой конструкции до 350 градусов (нередко после этого назначается и 2–3-часовой отпуск металла при температуре около 720 градусов).

Газовая сварка теплоустойчивых сплавов демонстрирует хорошую результативность. Важно лишь соблюдать следующие условия:

• необходим подогрев (предварительный) до 300 градусов (либо немного меньше);
• металл в ванне должен иметь густую консистенцию (за счет такого его состояния молибден и хром не выгорают);
• ацетилена расходуется из расчета на один миллиметр свариваемого изделия не более 100 дм3/ч.

При многослойном процессе нужно добиваться того, чтобы количество перерывов было минимальным. Еще один нюанс – после газопламенной сварки легированных и конструкционных углеродистых сталей горелку подают (медленно) вверх. За счет этого нехитрого приема из расплава газы удаляются в полном объеме. Сплавы с молибденовым и хромомолибденовым составом обязательно подвергают термообработке.

3 Технология сварки высоколегированных сплавов

При работе с такими сталями нужно подбирать сварочный режим, который способен гарантировать очень малую степень нагрева металла. Связано это с большим коэффициентом расширения и малой теплопроводности высоколегированных сплавов. Из-за указанных особенностей шов и деталь могут подвергнуться короблению.

Электродуговая сварка сталей с высоким содержанием добавочных компонентов выполняется короткой дугой (это значительно снижает явление угара). Причем конец сварочного стержня колебать запрещается. Соединение аустенитных высоколегированных композиций рекомендуется производить электродами укороченного вида, что позволяет уменьшить наплавочный коэффициент.

В целом же допускается использовать любые варианты сварки плавлением. Если выполняется ручная дуговая сварка при помощи покрытых стержней, берут фтористо-кальциевые изделия. Процесс при этом идет на обратнополярном постоянном токе. Профессионалы сварочного дела советуют:

• выбирать на один миллиметр сечения стержня ток не более 30 ампер;
• осуществлять в течение 60–90 минут прокаливание электродов перед началом сварочной операции (температура – от 250 до 400 градусов);
• при "нижней" сварке сила тока должна быть на 15–30 процентов выше, чем при "потолочной" и "вертикальной".

Отметим, что при использовании вольфрамовых электродов применяется прямой по полярности ток (постоянный).

Максимальную эффективность соединения высоколегированных аустенитных сталей демонстрирует плазменная сварка. Впрочем, если процесс ведется в атмосфере гелия либо аргона, сварочный шов также отличается приемлемым качеством, так как сварочный участок защищен от воздействия воздуха. Важен и такой момент: когда проходит сварка высоколегированных сплавов с большим количеством алюминия, необходимо позаботиться о том, чтобы оксидная пленка на их поверхности была разрушена. Добиваются этого путем применения переменного тока.

Хромистые стальные композиции хорошо свариваются по газовой технологии. Здесь важно выбрать малую мощность пламени (ацетилена нельзя расходовать более 70 дециметров кубических) и правильно подобрать флюсы (часто применяется состав "НЖ-8"). Флюсы нужны для того, чтобы из ванны удалялись оксиды хрома, а сам хром не выгорал.

При обработке металлов толщиной свыше трех миллиметров нужно применять правый способ сварки, толщиной менее трех миллиметров – левый. При этом запрещается несколько раз нагревать одну и ту же сварочную зону, делать перерывы в процессе. Желательно, кроме того, задавать наибольшую допустимую скорость сварки высоколегированных хромистых сталей.

Хромистые и аустенитные стали нередко подвергаются межкристаллитной коррозии, которая оказывает крайне негативное влияние на качество сварочной операции. Избавиться от подобного явления можно посредством уменьшения объема (примерно до 0,03 процента) в металле углерода. Для этого следует:

• выполнять закалку металла (температура – около 1100 °С);
• легировать (добавочно) шов и основной металл ванадием, ниобием, цирконием, титаном;
• легировать околошовный металл алюминием, ванадием, кремнием;
• подвергать соединение 2–3-часовому стабилизационному отжигу.

4 Сварка легированных сталей со средним уровнем легирования

Свариваемость среднелегированных сплавов может сопровождаться образованием холодных и кристаллизационных дефектов (трещин) в шве. Также нередко отмечается трудность в получении желаемых пластических и прочностных характеристик области оплавления и околошовной зоны, не всегда удается добиться и равнозначности механических показателей основного металла и металла шва. Борьба со всеми означенными проблемами выполняется разными способами:

• изменением цикла термообработки стальных кромок (их подогрев – во время сварочного мероприятия либо предварительный до определенной температуры);
• выбором оптимально сварочного режима;
• снижением в шве и металле изделия количества водорода;
• использованием особых проволок для сварки, которые характеризуются минимальной температурой плавления;
• наплавкой (предварительной) кромок.

Кроме всего прочего, технология сварки среднелегированных сплавов использует специальные методы улучшения качества соединения – обработку ультразвуком, резкое снижение температуры по окончанию процесса сварки (вплоть до 0 °С), проковку.

Большая часть конструкций из сталей со средним уровнем легирования в наши дни сваривается фтористо-кальциевыми маловодородистыми стержнями по ручной технологии (обратная полярность тока). Когда требуется сделать швы сравнительного крупного сечения, используется блочный либо каскадный метод сварки, причем нужно обязательно подогревать металл до 180–200 градусов.

Подбор того или иного сварочного режима производят с учетом вида применяемого сварочного стержня. Например, для ферритного электрода требуется выбирать режимы, которые назначаются для сварки низкоуглеродистых сплавов. В остальном же соединение среднелегированных композиций ничем не отличается от сварки высоколегированных сплавов.