Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединениях необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 1). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Рис. 1 Температурные поля при одинаковой погонной энергиии толщине металла при сварке углеродистой (а) и высоколегированной (б) сталей

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов — предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов — кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 … 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и σ-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 … 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот — сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3) Применением технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 2). При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;

4) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок. Снижение его действия достигается ограничением силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги. Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050 … 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750 … 800 °С. При невозможности термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350 … 400 °С. Чрезмерное охрупчивание   швов  за  счет образования  карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии.

Рис. 2 Влияние направления роста кристаллитов на вероятность образования в швах горячих трещин:а — направление роста кристаллитов и растягивающих напряжений совпадает (трещина возможна по оси встречи кристаллов); б — направление растягивающих напряжений под углом к направлению роста кристаллов (трещины между осями кристаллов более вероятны, а по оси их встречи менее вероятны); в и г — наличие зазора в угловом соединении (дезориентируя структуру шва за счет уменьшения интенсивности теплоотвода, уменьшает вероятность образования горячейтрещины; этому способствует и отсутствие концентратора напряжений в соединении с зазором (г))

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах — после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и создания в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно легируют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кислороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислительную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), выгорает в количестве 70 … 90 %. Легирование швов титаном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флюсов. В металле швов содержание титана должно соответствовать соотношению Ti/C > 5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно соответствовать Nb/C > 10. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.

Газовая сварка обеспечивает большую зону разогрева, значительный перегрев расплавленного металла и замедленное охлаждение. При этом происходит значительный угар легирующих элементов. Она наименее благоприятна для сварки этих особенно кислотостойких сталей, в которых может развиваться значительная межкристаллитная коррозия. Газовая сварка может использоваться для сварки жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1 … 2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем с мощностью пламени 70 … 75 л/ч на 1 мм толщины. Процесс следует вести с возможно большей скоростью левым способом, мундштук держать под углом 45° к поверхности. В сварных соединениях образуются большие коробления.

Ручная дуговая сварка это высокоманевренный способ. При сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют достаточно широкий допуск по химическому составу. Различие типов сварных соединений, пространственного положения сварки и т.п. способствует изменению глубины проплавления основного металла, а также изменению химического состава металла шва. Все это заставляет корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения, таким образом, образования в шве горячих трещин. Этим же достигаются и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов.

Применением электродов с фтористокальциевым покрытием, уменьшающим угар легирующих элементов, достигается получение металла шва с необходимым химическим составом и структурами. 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.

Тип покрытия электрода диктует необходимость применения постоянного тока обратной полярности (при переменном или постоянном токе прямой полярности дуга неустойчива). Тщательная прокалка электродов, режим которой определяется их маркой, способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин. Некоторые данные о режимах и выборе электродов для ручной дуговой сварки приведены в табл. 1 и 2, а о свойствах сварных соединений — в табл. 3 и на рис. 3.

Табл. 1 Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки аустенитных сталей

Толщина материала, мм Электрод Сила сварочного тока (А) при положении сварки
диаметр, мм длина, мм нижнем вертикальном потолочном
До 2,0 2 150 … 200 30 … 50
2,5 … 3,0 3 225 … 250 70 … 100 50 … 80 45 … 75
3,0 … 8,0 3 … 4 250 … 300 85 … 140 75 … 130 65 … 120
8,0 … 12,0 4 … 5 300 … 400 85 … 160 75 … 150 65 … 130

Табл. 2 Некоторые марки электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов

Марка стали Марка электродов Тип электродов по ГОСТ 10052-75 Структура наплавленного металла
Коррозионно-стойкие стали
08Н18Н10,08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х18Н12Б, 08Х22Н6Т и подобные, работающие в агрессивных средах: к металлу шва предъявляются требования по стойкости к МКК к  металлу шва предъяв­ляются жесткие требова­ния по стойкости к МКК ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ОЗЛ-8, ОЗЛ-22, ОЗЛ-36 Э-04Х20Н9,
Э-07Х20Н9,
Э-08Х19Н10Г2Б
Аустенитно-ферритная с 2,5… 7% α-фазы
ОЗЛ-7, АНВ-13 Э-08Х20Н9Г2Б Аустенитно-ферритная с 5,0… 10% α-фазы
Те же стали, работающие при температурах до 600 °С в жидких агрессивных сре­дах; к металлу шва предъяв­ляются требования по стой­кости к МКК Л-38М Э-02Х19Н9Б Аустенитно-ферритная с 3,0… 5,0% α-фазы
10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, 08Х18Н12Б, 08X2IH6M2T и подобные, работающие при температу­рах до 700 °С: к металлу шва предъяв­ляются требования по стойкости к МКК к металлу шва предъяв­ляются жесткие требова­ния по стойкости к МКК СЛ-28, ОЗЛ-20, ОЗЛ-41 Э-8Х19Н10Г2МБ, Э-09Х19Н10Г2М2Б Аустенитно-ферритная с 4,0… 5,0% α-фазы
НЖ-13 Э-09Х19Н10Г2М2Б Аустенитно-ферритная с 4,0… 8,0% α-фазы
Жаропрочные стали
12Х18Н9,12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, работающие при температурах до 800 °С ЦТ-15, ЦТ-26 ЭА-1М2
Э-08Х16Н8М2
Э-08Н17Н8М2
Аустенитно-ферритная с 2,0… 4,0% феррита
10Х23Н18 и подобные, ра­ботающие при температурах выше 850 °С ОЗЛ-4, ОЗЛ-6 Э-10Х25Н13Г2 Аустенитно-ферритная с содержанием феррита не менее 2,5 %
Жаростойкие стали
Х20Н14С2,20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, работающие при температурах 900 … 1100°С ОЗЛ-6, ОЗЛ-31М Э-12Х24Н14С2 Аустенитно-ферритная с 3 … 10% α-фазы
20Х25Н20С2, 4Х18Н25С2, работающие при температурах до 1050 °С; к металлу шва предъявляются требования жаростойкости и жаропрочности ОЗЛ-5, ОЗЛ-9-1 Э-28Х24Н16Г6 Аустенитно-карбидная

Табл. 3  Типичные механические свойства металла шва при комнатной температуре

Марка электро­да σт, МПа σв, МПа δ, % Ударная вяз­кость, Дж/см2
Коррозионно-стойкие стали
ЦЛ-11 360 600 24 70
ОЗЛ-7 400 640 25 100
Л-38М 300 600 30 90
Л-40М 350 600 24 70
СЛ-28 600 38 120
НЖ-13 450 600 26 100
Жаростойкие стали
ОЗЛ-5 350 600 25 60
ОЗЛ-6 350 570 33 100
ОЗЛ-9-1 500 650 12 50


Сварка под флюсом.
Этот один из основных способов сварки высоколегированных сталей толщиной 3 … 50 мм имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой покрытыми электродами ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва при сварке с разделкой и без разделки кромок. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва (при ручной сварке меньшая скорость плавления электрода вначале его использования и большая в конце изменяет долю основного металла в шве, а значит, и его состав), более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха и др.

Рис. 3. Длительная прочность аустенитно-ферритных сварных швов при температуре 600 … 650 °С: 1 — сталь ХН70ВМЮТ, электроды КТИ-5; 2 — сталь 12Х18Н12Т, электроды ЦТ-15; 3 — сталь 08Х22Н6Т, электроды ЦТ-26

Хорошее формирование поверхности швов с мелкой чешуйчатостью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверхности изделия заметно повышают коррозионную стойкость сварных соединений. При этом способе уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке свыше 3 … 5 мм). Возможна сварка с повышенным зазором и без разделки кромок стали толщиной до 30 … 40 мм. Уменьшение потерь на угар, разбрызгивание и огарки электродов на 10 … 20 % снижает расход дорогостоящей сварочной проволоки.

Однако при сварке под флюсом некоторых марок жаропрочных сталей требование обеспечения в металле шва регламентированного количества ферритной фазы не всегда может быть достигнуто. Это объясняется трудностью получения необходимого состава металла шва за счет выбора только сварочных флюсов и проволок (последние имеют значительные колебания химического состава в пределах стали одной марки) при сварке металла различной толщины (различная форма разделки и, значит, доля участия основного металла в формировании шва).

Отличие техники сварки высоколегированных сталей и сплавов от техники сварки обычных низколегированных сталей заключается в уменьшении вылета электрода в 1,5 … 2 раза ввиду повышенного электросопротивления сварочных проволок. Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим огрубления структуры, возможности появления трещин и снижения эксплуатационных свойств сварного соединения многослойные швы повышенного сечения рекомендуется сваривать швами небольшого сечения. Это предопределяет использование сварочных проволок диаметром 2 … 3 мм. Аустенитные сварочные проволоки в процессе изготовления сильно наклёпываются и имеют высокую жесткость, что затрудняет работу правильных, подающих и токоподводящих узлов сварочных установок, снижая срок их службы. Легировать шов можно через флюс (табл. 4) или проволоку (табл. 5).

Легирование через проволоку более предпочтительно, так как обеспечивает повышенную стабильность состава металла шва. При сварке используют безокислительные низкокремнистые фторидные и высокоосновные флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. Остатки шлака и флюса на поверхности швов, которые могут служить очагами коррозии сварных соединений на коррозионно- и жаростойких сталях, необходимо тщательно удалять. Тип флюсов предопределяет преимущественное использование для сварки постоянного тока обратной полярности. При этом достигается и повышенная глубина про-плавления. Некоторые данные о механических свойствах металла сварных швов и соединений приведены в табл. 6 и 7

Табл. 4 Флюсы для электродуговой и электрошлаковой сварки высоколегированных сталей

Марка флюса Назначение
АНФ-14; АНФ-16;
48-ОФ-10; К-8
Автоматическая электродуговая сварка аустенитно-ферритными швами
АН-26 Автоматическая электродуговая сварка сталей с небольшим запасом аустенитности аустенитно-ферритными швами
АНФ-5 ФЦК Автоматическая электродуговая сварка сталей с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами
48-ОФ-6 Автоматическая электродуговая и электрошлаковая сварка сталей с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами
АНФ-1;АНФ-6;
АНФ-7; АН-29;
АН-292
Электрошлаковая сварка сталей с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами

Табл. 5 Некоторые марки сварочных проволок для электродуговой сварки под флюсом и электрошлаковой сварки высоколегированных сталей

Марка стали Марка проволоки
Коррозионно-стойкие стали
12Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и подобные; к металлу шва предъявляются требования стойкости к МКК Св-01Х19Н9
Св-04Х19Н9
Св-06Х19Н9Т
Св-07Х18Н9ТЮ
Св-04Х19Н9С2
Св-05Х19Н9ФЗС2
12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и подобные, работающие при температурах выше 350 °С или в условиях, когда к металлу шва предъявляются требо­вания стойкости к МКК Св-07Х19Н10Б
Св-05Х20Н9ФБС
10Х17Н13МЗТ, 08Х18Н12Б и подобные; к металлу шва предъявляются жесткие требо­вания стойкости к МКК 08X18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и подоб­ные, свариваемые в углекислом газе; к ме­таллу шва предъявляется требование стойко­сти к МКК Св-08Х19Н10МЗБ
Св-06Х20Н11МЗТБ
Св-08Х25Н13БТЮ
Жаропрочные стали
12Х18Н9 с аустенитно-ферритными швами Св-04Х19Н19
12Х18Н9Б, 08Х18Н12Т и др. с аустенитно-ферритными швами СВ-08Х18Н8Г2Б
Х15Н35В4Т Св-06Х19Н10МЗТ
Жаростойкие стали
20Х23Н13, 08Х20Н14С2 и подобные Св-07Х25Н13
20Х23Н18 и подобные, работающие при температурах 900 … 1100 °С Св-07Х25Н12Г2Т
Св-06Х25Н12ТЮ
Св-08Х25Н13БТЮ
ХН35ВЮ, 20Х25Н20С2 и подобные, работающие при температурах до 1200 °С Св-08ХН50

Табл. 6 Кратковременные механические свойства при температуре 20 °С металла шва и сварного соединения высоколегированных сталей и сплавов

Марка металла Толщина, мм Марка проволоки Сварка Испытуемый образец σт, МПа σв, МПа δ, %
20Х23Н8 ХН35ВТ 12 Св-13Х25Н8
Св-0Х15Н35ВЗБЗТ
Электродуговая под флюсом АНФ-5 Металл шва* 665 797 5,9
То же,  под флюсом АНФ-17 Металл шва Металл шва** 463 474 654 784 24,7 15,8
ХН77ТЮР 100 Св-08Н50 Электрошлаковая, пластинчатым электродом, флюс АНФ-7 Металл шва* 587 762 18,0
ХН78Т 125 Св-08Н50 То же,  под флюсом АНФ-1 Металл шва 288 638 17,4
*Термообработка: аустенизация при 1080 °С 2 ч на воздухе и старение при 700 °С 16 ч. **Термообработка: старение при 800 °С 10 ч.

Электрошлаковая сварка. Важнейшая особенность способа — пониженная чувствительность к образованию горячих трещин, что позволяет получать чисто аустенитные швы без трещин. Это объясняется специфическими особенностями электрошлаковой сварки: малой скоростью перемещения источника нагрева и характером кристаллизации металла сварочной ванны, отсутствием в стыковых соединениях угловых деформаций. Однако малая концентрация нагрева и скорость сварки, повышая длительность пребывания металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах, увеличивают его перегрев и ширину околошовной зоны.

Табл. 7 Длительная прочность сварных соединений высоколегированных сталей и сплавов

Марка металла Сварка Марка проволоки Условия испытания
температура, °С постоянное напряжение, МПа время до разрушения, ч
12X18Н9Т Под флюсом
В аргоне
В углекислом газе
Св-01Х19Н9 600 300 1,5
3,0
4,0
12Х18Н9Т Под флюсом
В аргоне
В углекислом газе
СВ-06Х19Н9Т 600 300 35,0
21,0
218,0
12Х18Н9Т Под флюсом
В аргоне
В углекислом газе
СВ-07Х19Н10Б 600 300 33 86 320
12Х18Н9Т Электрошлаковая пластинчатым электродом СВ-06Х19Н9Т 700 180 42,0
ХН77ТЮР** Тоже Св-08Н50 700 400 116,0
20Х23Н8 Под флюсом СВ-13Х25Н8 700 400 46 …79
ХН78Т** Аргонодуговая вольфрамовым электродом 700 210 125 … 161
** Термообработка: аустенизация при 1050 °С 15 мин и старение при 700 °С 16 ч.

Длительное пребывание металла при температурах 1200 … 1250 °С, приводя к необратимым изменениям в его структуре, снижает прочностные и пластические свойства. Это повышает склонность сварных соединений теплоустойчивых сталей к локальным (околошовным) разрушениям в процессе термообработки или эксплуатации при повышенных температурах. При сварке коррозионно-стойких сталей перегрев стали в околошовной зоне может привести к образованию в ней ножевой коррозии. Для предупреждения этих дефектов необходима термообработка сварных изделий (закалка или стабилизирующий отжиг). Применение неокислительных флюсов, особенно при сварке жаропрочных сталей и сплавов, не исключает угара легкоокисляющихся легирующих элементов (титана, марганца и др.) за счет проникновения кислорода воздуха через поверхность шлаковой ванны. Это вызывает необходимость в ряде случаев защищать поверхность шлаковой ванны путем обдува ее аргоном.

Электрошлаковую сварку можно выполнять проволочным или пластинчатыми электродами (табл. 8). Изделия большой толщины со швами небольшой протяженности целесообразнее сваривать пластинчатым электродом. Изготовление пластинчатого электрода более простое. Но сварка проволокой позволяет в более широких пределах, варьируя режим, изменять форму металлической ванны и характер кристаллизации металла шва, а это один из действенных факторов, обеспечивающих получение швов, свободных от горячих трещин. Однако жесткость сварочной проволоки затрудняет длительную и надежную работу токоподводя-щих и подающих узлов сварочной аппаратуры.

Табл. 8 Типовой режим электрошлаковой сварки высоколегированных сталей и сплавов

Толщина металла, мм Электрод, мм Марка флюса Глубина шлаковой ванны, мм Скорость подачи электрода, м/ч Сила тока, А Напряжение, В Зазор, мм
100 Проволока Ø3 АНФ-7 25 … 35 330 600 … 800 40 … 42 28 … 32
100 Пластина 10х100 АНФ-7 15 … 20 2,4 1200 … 1300 24 … 26 28 … 32
200 Пластина 12х200 АНФ-1 15 … 20 1,9 3500 … 4000 22 … 24 38 … 40
200 Пластина 12х200 АНФ-6 15 … 20 1,9 1800 … 2000 26 … 28 38 … 40

Сварка в защитных газах. В качестве защитных используют инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый) газы, а также различные смеси инертных или активных газов и инертных с активными. Этот способ сварки по сравнению с рассмотренными выше имеет ряд существенных преимуществ. Его можно использовать для соединения металлов широкого диапазона толщин — от десятых долей до десятков миллиметров. При сварке толстых металлов в некоторых случаях этот способ сварки может конкурировать с электрошлаковой сваркой.

Применение инертных газов существенно повышает стабильность дуги. Значительное различие теплофизических свойств защитных газов и применение их смесей, изменяя тепловую эффективность дуги и условия ввода теплоты в свариваемые кромки, значительно расширяют технологические возможности дуги. При сварке в инертных газах наблюдается минимальный угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированных сталей. При сварке в защитных газах возможности изменения химического состава металла шва более ограничены по сравнению с другими способами сварки и возможны за счет изменения состава сварочной (присадочной) проволоки или изменения доли участия основного металла в образовании металла шва (режим сварки), когда составы основного и электродного металлов значительно различаются.

При сварке плавящимся электродом появляется возможность изменения характера металлургических взаимодействий за счет значительного изменения состава защитной атмосферы, например, создания окислительных условий в дуге, путем применения смеси газов, содержащих кислород, углекислый газ и др. Этим способом можно выполнять сварку в различных пространственных положениях, что делает ее целесообразной в монтажных условиях по сравнению с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами. Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся вольфрамовым или плавящимся электродом.

Вольфрамовым электродом сваривают в инертных газах или их смесях. Для сварки высоколегированных сталей используют аргон высшего или 1-го сортов по ГОСТ 10157-79. Обычно сварку вольфрамовым электродом технически и экономически целесообразно использовать при сварке металлов толщиной до 7 мм (при толщине до 1,5 мм применение других способов дуговой сварки практически невозможно из-за образования прожогов). Однако в некоторых случаях, например при сварке неповоротных стыков труб, сварку вольфрамовым электродом применяют на сталях и больших толщин.

Высокое качество формирования обратного валика вызывает необходимость применения этого способа и при сварке корневых швов в разделках при изготовлении ответственных толстостенных изделий. В зависимости от толщины стали и конструкции сварного соединения сварку выполняют с присадочным материалом или без него вручную с использованием специальных горелок или автоматически. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Исключение составляют стали и сплавы с повышенным содержанием алюминия, когда для разрушения поверхностной пленки окислов, богатой алюминием, следует применять переменный ток.

Сварку можно выполнять непрерывно горящей или импульсной дугой. Импульсная дуга благодаря особенностям ее теплового воздействия позволяет уменьшить протяженность околошовной зоны и коробление свариваемых кромок, а также сваривать металл малой толщины при хорошем формировании шва. Особенности кристаллизации металла сварочной ванны при этом способе сварки способствуют дезориентации структуры, уменьшая вероятность образования горячих трещин. Однако эта же особенность может способствовать образованию околошовных надрывов при сварке высоколегированных сталей. Для улучшения формирования корня шва используют поддув газа, а при сварке корневых швов на металле повышенных толщин — специальные расплавляющиеся вставки.

При сварке погруженной дугой особенности процесса, определяющие увеличение доли теплоты, идущей на расплавление основного металла, позволяют без разделки кромок за один проход сваривать металл повышенной толщины. Однако уменьшение концентрации нагрева приводит к термическому циклу сварки, сходному с термическим циклом при электрошлаковой сварке. В результате расширяется зона термического влияния и возникает опасность перегрева в ней основного металла, т.е. в ней возможны те же дефекты, что и при электрошлаковой сварке.

Для высоколегированных сталей применяется и плазменная сварка. Большое ее преимущество — малый расход защитного газа. Получение плазменных струй различного сечения (круглого, прямоугольного и т.д.) и значительное изменение расстояния от плазменной горелки до изделия значительно расширяют технологические возможности этого способа. Плазменную сварку можно использовать для весьма тонких металлов и для металла толщиной до 12 мм. Применение ее для соединения сталей большой толщины затрудняется возможностью образования в швах подрезов.

Сварку плавящимся электродом выполняют в инертных, активных газах или их смесях. При сварке высоколегированных сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы (алюминий, титан и др.), следует использовать инертные газы, преимущественно аргон. При сварке в инертных газах возможен капельный и струйный перенос электродного металла. При струйном переносе дуга имеет наиболее высокую стабильность и значительно улучшается перенос электродного металла в сварочную ванну; практически исключается разбрызгивание металла. Это особенно важно при сварке швов в вертикальном и потолочном положениях.

Отсутствие разбрызгивания и связанных с этим очагов коррозии благоприятно при сварке коррозионно-стойких и жаростойких сталей. Однако струйный перенос возможен на токах выше критического, при которых возможно образование прожогов при сварке тонколистового металла. Добавка в аргон до 3 … 5 % кислорода уменьшает значение критического тока. Кроме того, создание при этом окислительной атмосферы в зоне дуги уменьшает и вероятность образования пор, вызванных водородом. Последнее достигается и применением смеси аргона с 15 … 20 % углекислого газа. Это позволяет уменьшить и расход дорогого и дефицитного аргона. Однако при указанных добавках газов увеличивается угар легирующих элементов, а при добавке углекислого газа возможно и науглероживание металла шва. Добавкой к аргону 5 … 10 % азота может быть повышено его содержание в металле шва. Азот, являясь сильным аустенизатором, позволяет изменять структуру металла шва.

При сварке в углекислом газе низкоуглеродистых высоколегированных сталей с использованием низкоуглеродистых сварочных проволок, если исходная концентрация углерода в сварочной ванне менее 0,10 %, происходит науглероживание металла на 0,02 … 0,04 %. Этого достаточно для резкого снижения стойкости металла шва к межкристаллитной коррозии. Одновременно окислительная атмосфера, создаваемая в дуге за счет диссоциации углекислого газа, способствует угару до 50 % титана и алюминия.

Несколько меньше выгорают марганец, кремний и др. Поэтому при сварке коррозионно-стойких сталей в углекислом газе применяют сварочные проволоки, содержащие раскисляющие и карбидообразующие элементы (алюминий, титан и ниобий).

Науглероживание металла шва в некоторых случаях может оказать благоприятное действие при сварке жаропрочных сталей. При наличии в металле шва энергичных карбидообразователей (титана и ниобия) его науглероживание при увеличении в структуре количества карбидной фазы повышает жаропрочность. Недостатком сварки в углекислом газе является большое разбрызгивание металла (потери достигают 10 … 12 %) и образование на поверхности шва плотных пленок оксидов, прочно сцепленных с металлом. Это может резко снизить коррозионную стойкость и жаростойкость сварного соединения.

Для уменьшения возможности налипания на основной металл брызг следует применять специальные эмульсии, наносимые на кромки перед сваркой. Применение импульсной сварки также позволяет несколько снизить разбрызгивание. Наличие на поверхности швов трудноудаляемой пленки оксидов делает практически невозможной сварку в углекислом газе многопроходных швов. Сварку плавящимся электродом в защитных газах выполняют полуавтоматически или автоматически на постоянном токе обратной полярности (табл. 9, 10, 11).

Табл. 9 Примерные режимы аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом высоколегированных сталей

Толщина металла, мм Тип соединения Сила тока, А Расход аргона, л/мин Скорость сварки, м/ч
Ручная сварка
1
2
3
С отбортовкой 35 … 60
75 … 120
100 … 140
3,5-4
5 … 6
6 … 7
1
2
3
Встык без разделки кромок с присадкой 40 … 70
80 … 130
120 … 160
3,5 … 4
5 … 6
6 … 7
Автоматическая сварка
1
2
4
Встык с присадкой 80 … 140
140 … 240
200 … 280
4
6 … 7
7 … 8
30 … 60
20 … 30
15 … 30
Автоматическая сварка
1
2
4
Встык с присадкой 80 … 140
140 … 240
200 … 280
4
6 … 7
7 … 8
30 … 60
20 … 30
15 … 30

Табл. 10 Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки встык плавящимся электродом высоколегированных сталей в нижнем положении

Толщина металла, мм Подготовка кромок Число слоев Диаметр сварочной проволоки, мм Сила тока, А Скорость сварки, м/ч Расход аргона, л/мин
Автоматическая сварка
2 Без разделки 1 1 200 … 210 70 8 … 9
5 V-образная разделка под углом 50° 1 1 260 … 275 44 8 … 9
10 Тоже 2 2 330 … 440 15 … 30 12 … 17
Полуавтоматическая сварка
4 8 Без разделки
V-образная разделка
1 2 1,0 … 1,6
1,6 … 2,0
160 … 300
240 … 360
— — 6 … 8
11 … 15

Табл. 11 Ориентировочные режимы дуговой сварки высоколегированных сталей без разделки кромок плавящимся электродом в углекислом газе

Толщина металла, мм Шов Диаметр сварочной проволоки, мм Вылет электрода, мм Сила тока, А Напряжение дуги,В Скорость сварки, м/ч Расход углекислого газа, л/мин
1 Одностор. 1 80 16 80 10 … 12
3 То же 2 15 230 … 240 24 … 28 45 …50 12… 15
6 Двустор. 2
3
2
15
15
15 … 20
250 … 260
350 … 360
380 … 400
28 … 30
30 … 32
30 … 32
30
30
12 … 15
12 … 15
8 То же 3
2
20 … 25
15 … 20
430 … 450
420 … 440
33 … 35
30 … 32

30

12 … 12
10 » 3 25 … 30 530 … 560 34 … 36

Другие способы сварки. Сварку угольным электродом применяют очень редко — при изготовлении тонкостенных неответственных конструкций. Это объясняется опасностью науглероживания шва и повышенным короблением изделий ввиду малой концентрированности угольной дуги как источника теплоты.

Перспективно для сварки высоколегированных сталей использование электронного луча. Возможность за один проход сварить без разделки кромок металл большой толщины с минимальной протяженностью околошовной зоны — важное технологическое преимущество этого способа. Однако и при этом способе возможно образование в шве и околошовной зоне горячих трещин и локальных разрушений. Наличие вакуума, способствуя удалению вредных примесей и газов, увеличивает испарение и полезных легирующих элементов. При глубоком и узком проваре часть газов может задержаться растущими кристаллами в шве и образовать поры. Сварка металла большой толщины затруднена из-за непостоянства глубины проплавления. Сложность и дороговизна аппаратуры и процесса определяют возможность применения электронно-лучевой сварки только при изготовлении ответственных конструкций.