Указания по сварке углеродистых и легированных сталей

СВАРКА УГЛЕРОДИСТЫХ И ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
 

Сварка углеродистых сталей

К углеродистым конструкционным сталям относятся стали, содержащие 0,1 - 0,7 % углерода, который является основным легирующим элементом в сталях этой группы и определяет их механические свойства. Повышение содержания углерода усложняет технологию сварки и получение качественных сварных соединений. В сварочном производстве в зависимости от содержания углерода углеродистые конструкционные стали условно разделяют на три группы: низко-, средне- и высокоуглеродистые. Технология сварки сталей этих групп различна.

Большинство сварных конструкций в настоящее время изготовляют из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода до 0,25 %. Низкоуглеродистые стали относятся к хорошо сваривающимся металлам практически всеми видами и способами сварки плавлением.

Технологию сварки для этих сталей выбирают из условий соблюдения комплекса требований, обеспечивающих прежде всего равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние, а деформация конструкции должна быть в пределах, не отражающихся на ее работоспособности. Металл шва при сварке низкоуглеродистой стали незначительно отличается по своему составу от основного металла  -  снижается содержание углерода и повышается содержание марганца и кремния. Однако обеспечение равнопрочности при дуговой сварке не вызывает затруднений. Это достигается за счет увеличения скорости охлаждения и легирования марганцем и кремнием через сварочные материалы. Влияние скорости охлаждения в значительной степени проявляется при сварке однослойных швов, а также в последних слоях многослойного шва. Механические свойства металла околошовной зоны подвергаются некоторым изменениям по сравнению со свойствами основного металла  -  при всех видах дуговой сварки это незначительное упрочнение металла в зоне перегрева. При сварке стареющих (например, кипящих и полуспокойных) низко углеродистых сталей на участке рекристаллизации околошовной зоны возможно снижение ударной вязкости металла. Металл околошовной зоны охрупчивается более интенсивно при многослойной сварке по сравнению с однослойной. Сварные конструкции из низкоуглеродистой стали иногда подвергают термической обработке. Однако у конструкций с угловыми однослойными швами и многослойными, наложенными с перерывом, все виды термической обработки, кроме закалки, приводят к снижению прочности и повышению пластичности металла шва. Швы, выполненные всеми видами и способами сварки плавлением, имеют вполне удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин из-за низкого содержания углерода. Однако при сварке стали с верхним пределом содержания углерода могут появиться кристаллизационные трещины, прежде всего в угловых швах, первом слое многослойных стыковых швов, односторонних швах с полным проваром кромок и первом слое стыкового шва, сваренного с обязательным зазором.

Большое распространение при изготовлении конструкций из углеродистых сталей получил;) ручная сварка покрытыми электродами. В зависимости от требований к сварной конструкции и прочностных показателей свариваемой стали выбирают тип электрода. В последние годы широкое применение получили электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием. Для особо ответственных конструкций используют электроды с фтористо-кальциевым и фтористо-кальциеворутиловым покрытием типа Э42А, обеспечивающие повышенную стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и более высокие пластические свойства. Применяются также высокопроизводительные электроды с железным порошком в покрытии и электроды для сварки с глубоким проплавлением. Род и полярность тока выбирают в зависимости от особенностей электродного покрытии.

Несмотря на хорошую свариваемость низкоуглеродистых сталей иногда для предотвращения образования закалочных структур в околошовной зоне следует предусматривать специальные технологические меры. Поэтому при сварке первого слоя многослойного шва и угловых швов па толстом металле рекомендуется предварительный подогрев его до 120 - 150 °С, чем обеспечивается стойкость металла против появления кристаллизационных трещин. Для уменьшения скорости охлаждения перед исправлением дефектных участков необходимо выполнять местный подогрев до 150° С, что будет препятствовать понижению пластических свойств наплавленного металла.

Низкоуглеродистые стали газовой сваркой сваривают без особых затруднений нормальным пламенем и, как правило, без флюса. Мощность пламени при левом способе выбирают из расчета расхода 100 - 130 дм/ч ацетилена па 1 мм толщины металла, а при правом  -  120 - 150 дм/ч. Высококвалифицированные сварщики работают с пламенем большой мощности  -  150 - 200 дм /ч ацетилена, используя при этом присадочную проволоку большего, чем при обычной сварке диаметра. Для получения равнопрочного с основным металлом соединения при сварке ответственных конструкций следует применять кремнемарганцовистую сварочную проволоку. Конец проволоки должен быть погружен в ванну расплавленного металла. В процессе сварки нельзя отклонять сварочное пламя т ванны расплавленного металла, так как и о может привести к окислению металла шва кислородом. Для уплотнения и повышения пластичности наплавленного металла осуществляют проковку и последующую термообработку.

Отличие среднеуглеродистых сталей от низкоуглеродистых в основном состоит и различном содержании углерода. Среднеуглеродистые стали содержат 0,26 - 0,45 % углерода. Повышенное содержание углерода создает дополнительные трудности при сварке конструкций из этих сталей. К ним относится низкая стойкость против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом. Повышение стойкости металла шва против кристаллизационных трещин достигается снижением количества углерода в металле шва путем применения электродных стержней и присадочной проволоки с пониженным содержанием углерода, а также уменьшения доли основного металла в металле шва, что достигается сваркой с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавлепие основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Этому же способствуют электроды с большим коэффициентом наплавки. Для преодоления трудностей, возникающих при сварке изделий из среднеуглеродистых сталей, выполняют предварительный и сопутствующий подогрев, модифицирование металла шва и двухдуговую сварку в раздельные ванны. Ручную сварку среднеуглеродистых сталей ведут электродами с фтористо-кальциевым покрытием марок УОНИ-13/55 и УОНИ-13/45, которые обеспечивают достаточную прочность и высокую стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Если к сварному соединению предъявляются требования высокой пластичности, необходимо подвергнуть его последующей термообработке. При сварке следует избегать наложения широких валиков, сварку выполняют короткой дугой, небольшими валиками. Поперечные движения электрода нужно заменять продольными, кратеры заваривать или выводить на технологические пластины, так как в них могут образовываться трещины.

Газовую сварку среднеуглеродистых сталей ведут нормальным или слегка науглероживающим пламенем мощностью 75 - 100 дм/ч ацетилена на 1 мм толщины металла только левым способом, уменьшающим перегрев металла. Для изделий толщиной свыше 3 мм рекомендуется общий подогрев до 250 - 350 °С или местный  -  до 600 - 650 °С. Для сталей с содержанием углерода на верхнем пределе целесообразно применять специальные флюсы. Для улучшения свойств металла используют проковку и термическую обработку.

К высокоуглеродистым сталям относят стали с содержанием углерода в пределах 0,46 - 0,75 %. Эти стали, как правило, не пригодны для изготовления сварных конструкций. Однако необходимость сварки возникает при ремонтных работах. Сварка производится с предварительным, а иногда с сопутствующим подогревом и последующей термообработкой. При температуре ниже 5 °С и па сквозняках сварку выполнять нельзя. Остальные технологические приемы такие же, как и для сварки среднеуглеродистых сталей. Газовую сварку высокоуглеродистых сталей осуществляют нормальным или слегка науглероживающим пламенем мощностью 75 - 90 дм/ч ацетилена на 1 мм толщины металла с подогревом до 250 - 300 °С. Применяют левый способ сварки, позволяющий уменьшить время перегрева и время пребывания металла сварочной ванны в расплавленном состоянии. Используются флюсы того же состава, что и для среднеуглеродистых сталей. После сварки шов проковывается с последующей нормализацией или отпуском.

В последние годы находят применение термоупрочненныс углеродистые стали. Стали повышенной прочности позволяют уменьшить толщину изделий. Режимы и техника сварки термоупрочненных сталей такие же, как и для обычной углеродистой стали того же состава. Сварочные материалы выбирают с учетом обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом Главным затруднением при сварке является разупрочнение участка околошовной зоны, подвергающегося подогреву до 400 - 700 °С. Поэтому для термоупрочненной стали рекомендуются маломощные режимы сварки, а также способы сварки с минимальным теплоотводом в основной металл.

Применяют также стали с защитными покрытиями. Наибольшее распространение получила оцинкованная сталь при изготовлении различных конструкции и санитарно-технических трубопроводов. При сварке оцинкованной стали в случае попадания цинка в сварочную ванну создаются условия для появления пор и трещин. Поэтому цинковое покрытие необходимо удалять со свариваемых кромок. Учитывая, что следы цинка на кромках остаются, следует принимать дополнительные меры по предупреждению образования дефектов: по сравнению со сваркой обычной стали зазор увеличивают в 1,5 раза, а скорость сварки уменьшают на 10 - 20 %, электрод вдоль шва перемещают с продольными колебаниями. При ручной сварке оцинкованной стали лучшие результаты получают при работе электродами с рутиловым покрытием, обеспечивающими минимальное содержание кремния в металле шва. По можно применять и другие электроды. В связи с тем, что пары цинка чрезвычайно токсичны, сварку оцинкованной стали можно производить при наличии сильной местной вентиляции. После окончания сварочных работ необходимо нанести защитный слой на поверхность шва и восстановить его на участке околошовной зоны.

Сварка легированных сталей

К низколегированной относится сталь, легированная одним или несколькими элементами, если содержание каждого из них не превышает 2 %, а суммарное содержание легирующих добавок не более 5 %. Низколегированные стали делятся на низкоуглеродистые конструкционные, теплоустойчивые и среднеуглеродистые стали.

Низколегированная низкоуглеродистая конструкционная сталь по реакции на термический цикл сварки мало отличается от обычной низкоуглеродистой стали. Различие в основном состоит в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоны при повышенных скоростях охлаждения. Дополнительное легирование стали марганцем, кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства этих сталей ограничивается более узкими пределами погонной энергии, чем при сварке низкоуглеродистой стали. Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается главным образом за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку. Стойкость металла против кристаллизационных трещин несколько ниже, чем у низкоуглеродистых сталей. Повышения стойкости достигают путем снижения содержания в металле шва углерода, серы и некоторых других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбора соответствующей технологии и рациональной конструкции. Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталей покрытыми электродами мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистых сталей. Сварку ведут в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием типа Э42А и Э50А, которые обеспечивают более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенные пластические свойства по сравнению с электродами других типов. При газовой сварке низколегированной стали используют нормальное пламя, мощность которого выбирают из расчета 75 - 100 дм/ч ацетилена при левом способе и 100 - 130 дм/ч при правом способе на 1 мм толщины металла. Для повышения механических свойств металла шва его проковывают при 800 - 850 °С с последующей нормализацией.

При изготовлении изделий из низколегированных теплоустойчивых сталей наибольшее распространение находит ручная сварка покрытыми электродами и полуавтоматическая сварка в защитных газах. Работ конструкций при высоких температурах способствует протеканию диффузионных процессов. Поэтому для снижения интенсивности протекания этих процессов в сварном соединении стремятся максимально приблизить составы металла шва и основного. Для сварки хромомолибденовых сталей применяют электроды типа ЭМХ. Стали с малым содержанием углерода рекомендуется сваривать с предварительным подогревом до 200 °С, при большем содержании подогрев производят при 250 - 300 °С. Хромомолибденованадиевые стали сваривают электродами типа ЭХМФ с предварительным и сопутствующим подогревом до 300 - 350 °С и последующим высоким отпуском при 700 - 740 °С в течение 2 - 3 ч. При сварке листовой молибденовой стали малых толщин предварительный подогрев не выполняют, а при толщинах более 6 мм требуется предварительный подогрев, температуру которого увеличивают с увеличением толщины металла. Многослойную сварку ведут способом "каскад". При сварке трубопроводов с толщиной стенки более 6 мм и содержанием углерода в металле более 0,18 % следует применять предварительный подогрев, обеспечивающий во время сварки температуру металла шва в околошовной зоне не ниже 200 °С. Стык должен завариваться без перегрева. В случае возникновения перегрева необходимо обеспечить медленное остывание и нагрев перед возобновлением сварки до 200°С. Газовую сварку низколегированных теплоустойчивых сталей выполняют нормальным ацетилено-кислородным пламенем (расход ацетилена 100 дм/ч на 1 мм толщины металла левым и правым способами). Металл сварочной ванны необходимо поддерживать в густом состоянии, чтобы предотвратить выгорание хрома и молибдена. Рекомендуется предварительный подогрев до 250 - 300 °С. Применяется одно- и многослойная сварка с наименьшим числом перерывов. После окончания сварки пламя горелки медленно отводят вверх, что способствует более полному выделению газов из расплавленного металла. Хромомолибденовые и молибденовые стали подвергают термической обработке.

К среднелегированным относятся стали, легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5 - 10 %. Главной и общей характеристикой этих сталей являются механические свойства. Так, временное сопротивление их составляет 588 - 1960 МПа, что значительно превышает аналогичный показатель обычных углеродистых конструкционных сталей. При высоких прочностных свойствах среднелегированные стали после соответствующей термообработки по пластичности и вязкости не только не уступают, но в ряде случаев и превосходят малоуглеродистую сталь. При этом среднелегированные стали обладают высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние. Поэтому их применяют для работы в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, низких и высоких температур, в агрессивных средах. Получение сварных соединений необходимого качества, учитывая особые физико-химические свойства среднелегированных сталей, встречает ряд специфических трудностей. Прежде всего, главным образом при сварке сталей с Повышенным содержанием углерода и легирующих элементов, является предупреждение появления холодных трещин в металле сварного соединения. Второй трудностью является предупреждение возникновения кристаллизационных трещин в металле шва. Борются с этим теми же методами, что и при сварке углеродистых сталей. Возникает также трудность в получении металла сварного соединения с равноценными или близкими механическими свойствами к основному металлу. В ряде случаев возникают серьезные затруднения в обеспечении необходимых прочностных и пластических свойств металла околошовной зоны и зоны сплавления. Для предупреждения образования холодных трещин в сварных соединениях из среднелегированных сталей следует применять стали, обладающие требуемыми механическими свойствами при возможно низком содержании углерода и легирующих элементов; регулировать сварочный термический цикл путем изменения режима сварки. Если стойкость сварного соединения против появления холодных трещин очень низкая и избежать их образования путем подбора режима сварки не удается, в отдельных случаях прибегают к регулированию термического цикла путем предварительного и сопутствующего подогрева свариваемых кромок. Стойкость сварных соединений из среднелегированных сталей против возникновения холодных трещин можно также изменять, регулируя нарастание временных сварочных напряжений при охлаждении применением сварочных проволок с возможно более низкой температурой плавления, уменьшением содержания водорода в основном металле и металле шва, термообработкой сварных соединений сразу же после окончания сварки, предварительной наплавкой кромок, а также проковкой сварных соединений и обработкой ультразвуком сразу после окончания сварки, понижением температуры сварных соединений ниже 0°С сразу после их остывания до комнатной температуры, предупреждением увлажнения сварных соединений после окончания сварки.

Большинство конструкций из среднелегированных сталей сваривают, вручную низководородистыми электродами с фтористо-кальциевым покрытием на постоянном токе обратной полярности. Швы большого сечения выполняют каскадным и блочным способами. При этом обеспечивается разогрев области шва, особенно при сварке сталей большой толщины, свыше 150°С. Для создания такого разогрева используют каскадный способ сварки при небольшой (менее 200 мм) длине его ступени. Режимы сварки выбирают в зависимости от типа стержня  -  при ферритном стержне они не отличаются от режимов сварки низкоуглеродистых сталей, при аустенитном  -  от режимов сварки аустенитных сталей.

Высоколегированные стали и сплавы составляют значительную группу конструкционных материалов. К числу основных трудностей, которые возникают при сварке указанных материалов, относится обеспечение стойкости металла шва и околошовной зоны против образования трещин, коррозионной стойкости сварных соединений, получение и сохранение в процессе эксплуатации требуемых свойств сварного соединения, получение плотных швов. При сварке высоколегированных сталей могут возникать горячие и холодные трещины в шве и околошовной зоне. С кристаллизационными трещинами борются путем создания в металле шва двухфазной структуры, ограничения в нем содержания вредных примесей и легирования вольфрамом, молибденом и марганцем, применения фтористо-кальциевых электродных покрытий и фторидных сварочных флюсов, использования различных технологических приемов. Присутствие бора может привести к образованию холодных трещин в швах и околошовной зоне. Предотвращение их появления достигается предварительным и сопутствующим подогревом сварного соединения свыше 250 - 300 °С. С помощью технологических приемов можно также предотвратить кристаллизационные трещины. В ряде случаев это достигается увеличением коэффициента формы шва, увеличением зазора до 1,5 - 2 мм при сварке тавровых соединений. Предварительный и сопутствующий подо грев не оказывает заметного влияния на стойкость против образования кристаллизационных трещин. Больниц влияние оказывает режим сварки. Применение электродной проволоки диаметром 1,2 - 2 мм на умеренных режимах при минимально возможных значениях погонной энергии создает условия для предотвращения появления трещин. Предпочтение следует отдавать сварочным материалам повышенной чистоты. При сварке аустенитных сталей проплавлепие основного металла должно быть минимальным. Горячие трещины образуются при сварке стали с повышенным содержанием серы, фосфора, кремния, марганца в сочетании с медью, ниобием и легкоплавкими примесями. С околошовными горячими трещинами борются созданием в околошовной зоне двухфазной структуры, уменьшением содержания в стали серы и фосфора, применением чистых сварочных материалов и мелкозернистых сталей и сплавов.

Обладая высокой коррозионной стойкостью, аустенитная и хромистые стали подвержены опасному виду коррозионного разрушения  -  межкристаллитной коррозии. Для предотвращения межкристаллитной коррозии при сварке высоколегированных сталей рекомендуется снижать содержание углерода и основном металле и металле шва до 0,02 - 0,03 %; легировать основной металл и металл шва титаном, ниобием, танталом, ванадием, цирконием; применять стабилизирующий отжиг в течение 2-З ч при 850 - 900 °С с охлаждением на воздухе; дополнительно легировать металл шва хромом, кремнием, молибденом, ванадием, вольфрамом, алюминием; закалять стали (стали типа 18-8 при 1050 - 1100°С). При сварке жаростойких сталей нужно стремиться приблизить состав металла шва к составу основного металла. Азот хорошо растворяется в высоколегированных сталях, полому пор в сварных швах не вызывает. При сварке и аргоне некоторых аустенитных сталей наблюдается образование пор по границе сплавления. Добавка к аргону 2 -5% кислорода предупреждает появление нор. В остальном требования к предотвращению пор такие же, как и при сварке обычных углеродистых сталей.

Технология сварки высоколегированных сталей за некоторыми исключениями не отличается от технологии сварки углеродистых конструктивных сталей. Из-за пониженной теплопроводности и высокого коэффициента линейного расширения во избежание коробления необходимо выбирать режимы сварки, обеспечивающие минимальную концентрацию нагрева. Сварку аустенитных сталей выполняют укороченными электродами для снижения коэффициента наплавки. Для получения заданной глубины провара силу тока снижают на 10 - 15 % по сравнению со сваркой углеродистой стали. Для уменьшения угара легирующих элементов сварку ведут короткой дугой без колебаний конца электрода. При сварке коррозионно-стойких сталей не допускается возбуждение дуги на основном металле, попадание брызг металла на основной металл. Складки на поверхности шва, углубления между чешуйками, щели или непровары в корне шва при воздействии агрессивной среды могут явиться очагами коррозии. Лучшей коррозионной стойкостью обладают гладкие швы с плавным переходом к основному металлу. Поэтому очистка швов пневматическим зубилом или другими способами, при которых образуются вмятины и забоины, не рекомендуется.

При изготовлении конструкций из высоколегированных сталей применяют все виды сварки плавлением. Ручную сварку покрытыми электродами выполняют за некоторым исключением, как сварку обычных конструкционных сталей. Сварку производят на постоянном токе обратной полярности в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием короткой дугой без поперечных колебаний конца электрода. Сварку выполняю электродами меньшей длины по сравнению с обычными и на небольших токах. Перед сваркой электроды прокаливают при 250 - 400 °С в течение 1 - 1,5 ч. Силу тока для аустенитных электродов берут из расчета 25 - 30 А на 1 мм диаметра электрода. При сварке в вертикальном или потолочном положении силу тока уменьшают на 10 - 30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении. Сварка в аргоне или гелии характеризуется стабильностью дуги, высоким качеством сварных швов, которое обеспечивается хорошей защитой зоны сварки от воздуха. Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе прямой полярности. При сварке сталей с высоким содержанием алюминия рекомендуется переменный ток, способствующий разрушению оксидной пленки. Конец присадочной проволоки должен все время находиться в струе защитного газа. Как правило, аустенитные стали сваривают плазменной сваркой.

При газовой сварке хромистых сталей применяют нормальное пламя. Сварку ведут пламенем пониженной мощности из расчета 70 дм/ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла. Для предохранения выгорания хрома и для удаления из сварочной ванны его окислов применяют специальные флюсы. Стали толщиной до 3 мм сваривают левым способом, толщиной более 3 мм - правым способом, С целью уменьшения коробления выполняют предварительный подогрев до 150 - 250 °С. Сварку ведут в один слой с максимально допустимой скоростью, без перерывов и повторного нагрева одного и того же места. Хромоникелевые аустенитные стали толщиной до 3 мм сваривают газовой сваркой. Сварку осуществляют строго нормальным пламенем с максимальной скоростью. Сварку ведут левым и правым способами, длинные швы  -  обратноступенчатым способом. Для удаления окислов применяют флюс НЖ-8, а для улучшения механических свойств, предупреждения межкристаллитной коррозии и деформаций -  термическую обработку с нагревом до 1050 - 1100°С с последующим охлаждением в воде.

Одним из путей экономии дорогостоящих высоколегированных сталей является применение комбинированных конструкций, изготовленных из нескольких сталей. Сварка высоколегированных сталей со средне- или низколегированными и обычными углеродистыми сталями явилась настолько трудной задачей, что составила целую проблему, известную как проблема сварки разнородных сталей. При сварке разнородных сталей в шве часто появляются трещины, в зоне сплавления может происходить изменение структуры с образованием прослоек, существенно отличающихся от структуры свариваемых металлов. Сварка разнородных сталей затруднена еще тем, что в подавляющем большинстве случаев они отличаются друг от друга коэффициентом линейного расширения. Основным путем решения вопроса сварки разнородных сталей является использование сварочных материалов, способствующих получению аустенитного металла шва с высоким содержанием никеля, который обеспечивает стабильную зону сплавления. Содержание никеля в металле шва зависит от температуры его эксплуатации. Для экономии никеля сварные соединения разнородных сталей делят на четыре группы; I - работающие при температурах до 350 °С, II -  350 - 450°C, III - 450 - 550 °С и IV - выше 550 °С. Ручную сварку разнородных сталей первой группы можно производить существующими электродами. Не следует пользоваться электродами типа ЭЛ-1. Для соединений II- IV групп рекомендуются электроды АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3. В остальном технология сварки разнородных сталей такая же, как и сварки других сталей.