Технология сварки закаливающихся сталей

Основными способами сварки закаливающихся сталей являются дуговая сварка покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом. Соединения толстолистовых конструкций наиболее целесообразно выполнять элекгрошлаковой сваркой. Перспективным методом соединения конструкций из закаливающихся сталей является также элскгронно-лучевая сварка.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктивные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки покрытыми электродами такие же, как и для сварки низкоуглсродистых низколегированных сталей в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5264–80.

Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности электродами с основным видом покрытия, подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды). Для устранения других источников, снабжающих атмосферу дуги водородом, перед сваркой осуществляют очистку свариваемых кромок от ржавчины, масла и других загрязнений.

В зависимости от химсостава, прочности и пластичности свариваемой стали, а также условий эксплуатации сварных конструкций выбирают ту или иную марку электродов. Так, для сварки низколегированных теплоустойчивых сталей типа 12МХ выбирают электроды типа Э- 09МХ (марок ОЗЛ-11, ЦД-38, ТМЛ-1У, ЦУ-2ХМ), для сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ — электроды типа Э-09Х1МФ (марок ЦЛ-39, ЦЛ-20, ТМЛ-ЗУ) и др., ГОСТ 9467–75.

Для предотвращения образования холодных трещин сварку ведут при температуре окружающего воздуха не ниже О °С с предварительным местным или общим подогревом (Т — 150…450 °С). После сварки большинство сварных конструкций подвергают термической обработке, так как без нес сварные соединения нс обладают эксплуатационной надежностью ввиду структурной неоднородности и наличия остаточных сварочных напряжений. Исключение составляют сварные соединения из хромомолибденовых сталей толщиной менее 10 мм и из хромомолибденованадиевых сталей при толщине менее 6 мм.

В качестве термообработки после сварки используют обычно высокий отпуск (Т = 680…730 °С). Его преимущества заключаются в том, что он может быть использован в качестве местной термообработки. Отпуск стабилизирует структуру (твердость) сварного соединения и снижает остаточные напряжения. Недостатком отпуска является невозможность полного выравнивания структуры (устранение разупрочненной прослойки). Последнее может быть достигнуто применением полной печной термообработки всей конструкции, что в большинстве случаев невозможно.

В отдельных случаях, когда невозможны подогрев свариваемых изделий и последующая термообработка, применяют элекгроды на никелевой основе ЦТ-36 (тип Э-08Н60Г7М7Т) ГОСТ 10 052–75, обеспечивающие наплавленный металл аустенитной сгрукгуры.

Ручная дуговая сварка является распространенным способом сварки низкои среднелегированных высокопрочных сталей. Используют в основном электроды с основным видом покрытия. В зависимости от марки стали, требований, предъявляемым к металлу шва и технологии сварки, используют электроды марок: АНП-1, АНП-2 (тип Э-70) для сварки сталей 14Х2ГМР, 14ХМНДФР и др.; НИАТ-ЗМ, УОНИ-13/85,.

ЦЛ-18 (тип Э-85) — для сталей ЗОХГСА, ЗОХГСНА и др.; ВИ-10−6, УОНИ-13/18ХГС (тип Э-100) — для сталей ЗОХСНВФА и др.; НИИ-ЗМ (тип Э-125) — для сталей 30ХГСН2А, 40ХН2СВА и др.; НИИ-3, НИ АТ-3 (тип Э-150) — для сталей ЗОХГСНА и др., обрабатываемых термически на прочность 1470 МПА (150 кгс/мм²) ГОСТ 9467–75. После сварки применяют полную термическую обработку — закалку и отпуск. При невозможности ее выполнения сварку выполняют в термически обработанном состоянии без последующей термообработки электродами, обеспечивающими получение аустенитного металла шва: НИАТ-5, ЦТ-10 (тип Э-11Х15Н25М6АГ2) ГОСТ 10 052–75.

Сварка в защитных (азах. Этот процесс находит широкое применение при изготовлении как тонколистовых конструкций из низкои среднелегированных высокопрочных сталей, так и конструкций из металла средней и большой толщины. Конструктивные элементы подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 14 771–76. В зависимости от разновидностей способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна быть различной.

При сварке теплоустойчивых сталей используют в основном два способа сварки в защитных газах: аргонодуговую сварку нсплавящимся вольфрамовым электродом и дуговую сварку плавящимся электродом в среде С0₂.

Ручную аргонодуговую сварку применяют как в заводских, так и в монтажных условиях при сварке корневых слоев кольцевых швов труб поверхностей нафева котлов и паропроводов, когда сварку осуществляют без подкладных колец. Автоматическую сварку используют главным образом для сварки неиоворогных стыков паропроводов в условиях монтажа. При этом для сварки хромомолибденовых сталей применяют присадочные проволоки Св-08ХМ, Св-08ХГСМА, а для сварки хромомолибдснованадисвых сталей — Св-08ХМФА и Св-08ХГСМФА.

При сварке в углекислом газе в составе проволоки обязательно, кроме легирующих элементов, должны присутствовать элементыраскислители — кремний и марганец (иногда титан). Поэтому при сварке хромомолибденовых сталей применяют сварочную проволоку Св-08ХГСМА, а для сварки хромомолибденованадиевых сталей — проволоку Св-08ХГСМФА.

К технологическим особенностям сварки закаливающихся высокопрочных сталей в защитных газах следует отнести тщательную осушку газа с целью предельного снижения содержания водорода в металле шва, а также использование режимов и техники сварки, обеспечивающих понижение скорости остывания сварных соединений. Эти меры необходимы для повышения стойкости сварных соединений против образования трещин. В качестве защитных газов применяют преимущественно СО2 и Аг, а также смесь Аг + ССЬ.

Сварку в Аг производят неплавящимся вольфрамовым электродом и в меньшей мере — плавящимся электродом, в основном для изготовления ответственных конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Сварку в СО2 и смеси Аг +СО2, как правило, осуществляют плавящимся электродом. При этом для сварки используют проволоки Св-ЮГСМТ, Св-10ХГСН2МТ, Св-08ХЗГ2СМ и др. Режимы сварки выбирают обычно такие же, как и для низколегированных сталей. Металл толщиной до 4 мм сваривают без разделки кромок за один проход, а толщиной более 4 мм — с разделкой кромок за несколько проходов. Сварку металла толщиной до 10 мм выполняют без предварительного подогрева, а более 10 мм — с предварительным подогревом.

Иногда для исключения подогрева и термообработки при сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными газами) используют низкоуглсродистыс легированные проволоки, например Св-ОЗХГНЗМД или аустенитные высоколегированные — Св-08Х20Н9Г7Т, Св-08Х21Н10Г6, Св-10Х16Н25АМ6 и др. Однако при этом равнопрочное™ металла шва и свариваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность сварного соединения можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В этом случае работоспособность сварного соединения при данном соотношении свойств мягкой прослойки (шва) и основного металла определяется относительной толщиной мягкой прослойки. Эффект контактного упрочнения в наиболее полной степени может быть реализован при применении так называемой щелевой разделки, представляющей собой стыковое соединение с относительно узким зазором.

Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять многопроходную полуавтоматическую сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного шва и тем самым обеспечить образование благоприятной структуры в околошовной зоне. Все это позволяет успешно применять сварку в защитных газах для соединения металла средней и большой толщины и в ряде случаев отказаться от предварительного подогрева.

Высокое качество сварных соединений из закаливающихся высокопрочных сталей толщиной 3…5 мм достигают применением автоматической аргонодуговой сварки с поперечными перемещениями нсплавящегося электрода. Как правило, предусмагривают выполнение сварного соединения в два слоя. Первый слой выполняют без присадки с полным проплавлением кромок стыка и формированием обратного валика. Сварку осуществляют без поперечных перемещений электрода. Для увеличения глубины проплавления иногда привлекают активирующие флюсы, которые наносят тонким слоем на свариваемые кромки посредством прочерчивания узкой полоски специальным стержнемкарандашом. При сварке второго слоя неплавящемуся электроду придают низкочастотные поперечные колебания (3…4 кол/с амплитудой 2,5…3,5 мм) и осуществляют механическую подачу присадочной проволоки. Возможен и третий слой со стороны обратного валика, который выполняют также с поперечными колебаниями электрода, но без подачи присадочной проволоки на небольшом режиме для обеспечения плавного перехода от металла обратного валика к основному металлу. Для сварки сталей 25ХГСА, ЗОХГСА в качестве присадочных материалов применяют проволоки марок Св-18ХМА, Св-18ХГС. Для сталей 30Х2ГСНВМА, 42Х2ГСНМА широко используют проволоки Св- 20Х2ГСНВМ, Св-20ХСНВФАВД.

Сварка под слоем флюса. Автоматическая сварка под флюсом рекомендуется при толщине свариваемого металла 5…50 мм для прямолинейных и кольцевых (диаметром свыше 80 мм) соединений.

Конструктивные элементы подготовки кромок под автоматическую и механизированную сварку под флюсом выполняют такими же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструкционных сталей, т. е. в соответствии с ГОСТ 8713–79.

Сварку под слоем флюса теплоустойчивых сталей используют для изготовления корпусов аппаратов нефтехимической промышленности и других изделий с толщиной стенки 20 мм и более. При этом применяют защитно-легирующие флюсы с пониженным содержанием оксидов кремния и марганца в сочетании с легированной проволокой. Например, сочетание флюса АН-22 с проволокой Св-08ХМФА или флюса АН-17М с проволокой Св-08ХГСМФА. Это позволяет практически предотвратить развитие окислительно-восстановительных реакций и благодаря этому получить стабильный по составу металл шва с высокими пластическими свойствами.

При сварке углеродистых, низкои среднелегированных закаливающихся сталей в зависимости от состава и назначения свариваемой стали и требований, предъявляемым к сварным соединениям, используют низкоуглсродистую проволоку Св-08А или легированные проволоки, например Св-ЮГН, Св-08ГСМТ, Св-18ХГС, Св-08ХМФА, Св-08Х21Н10Г6, Св-08Х20Н9Г7Т и др.

При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегированной, не содержащей достаточно элементов раскислителей, сварку выполняют под кислыми высокоили среднемарганцовистыми флюсами, например АН-348А, ОСЦ-45. При сварке низколегированными проволоками, содержащими раскислители в достаточном количестве, применяют низкокремнистые флюсы, такие как АН-15, АН-15М, АН-24. Последние флюсы по сравнению с первыми позволяют получить металл шва с более высокими пластическими свойствами. Однако флюсы АН-15, АН-15М несколько уступают флюсу АН-348А в технологическом отношении, и при их использовании сварку выполняют только на постоянном токе обратной полярности.

Конструкционные низкои среднелегированные стали сваривают под флюсом, как правило, без подогрева. Только в случае сварки жестких узлов, а также сварки сталей типа ЗОХГСА и ЗОХГСНА большой толщины применяют подо1рев до 250…300 °С. После сварки во всех случаях необходим общий отпуск при 600 °C, или местный при 300 °C для предупреждения образования холодных трещин. Если к сварным соединениям предъявляются требования равнопрочности, то после сварки изделия подвергают полной термической обработке.

В случае отсутствия возможностей проведения предварительного или сопутствующего подогрева, а также последующей термообработки используют высоколегированные аустенитные проволоки Св-08Х21Н10Г6, Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х16Н25АМ6. При этом сварку выполняют только под слабоокислитсльными или бсзокислитсльными флюсами, например АН-20, АН-22, АН-22М. Прочность таких швов уступает прочности основного металла, однако высокий запас пластичности обеспечивает достаточно хорошую работоспособность конструкции.

Для предотвращения пористости и наводороживания швов флюсы перед сваркой необходимо прокалить, чтобы их влажность не превышала 0,1% для стекловидных флюсов и 0,05% для пемзовидных. Это достигается нагревом стекловидных флюсов до 350…400 °С, а пемзовидных — до 400…500 °С с выдержкой 2…3 ч.

Сварку под слоем флюса можно выполнять как с разделкой кромок (при больших толщинах деталей), так и без нес односторонними или двухсторонними швами. Сваривать стали без разделки кромок можно толщиной до 25 мм двухсторонним швом. Как односторонние, так и двусторонние швы могут быть однопроходными или многопроходными. С целью повышения производительности процесса стремятся выполнять сварку однопроходными швами, однако в отдельных случаях, например при сварке металла больших толщин, приходится применять многопроходную сварку с разделкой кромок.

Для повышения сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин многослойную сварку деталей толщиной свыше 40 мм можно выполнять с «мягкой прослойкой», используя для выполнения первых слоев сварочную проволоку Св-08ГА.

Подкладные кольца и замковые соединения для сталей, например 30ХГСНА, не применяют, так как они снижают надежность соединения в эксплуатации. Вместо подкладных колец первые слои шва целесообразно выполнять аргонодуговой сваркой на весу.

Электрошлаковаи сварка. Для соединения толстолистовых конструкций из низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода и среднелегированных глубокопрокаливающихся сталей наиболее рационально применение электрошлаковой сварки. Основные типы сварных соединений и конструктивные элементы подготовки кромок под электрошлаковую сварку регламентирует ГОСТ 15 164–78.

Для элекгрошлаковой сварки низколегированных сталей повышенной прочности и срсднслсгированных высокопрочных сталей применяют флюсы марок АН-8, АН-22 и др. При выборе электродной проволоки следует исходить из требований к составу металла шва. Флюс практически мало влияет на состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае необходимости легирования шва элементами, обладающими большим сродством к кислороду (например, Ti, А1), следует применять флюсы на основе фторидов или системы CaF₂-Ca0-Al₂0₃ типа АНФ.

Электродные проволоки в зависимости от состава свариваемой стали и гребований, предъявляемых к шву, выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246–70, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА и др. Пластины для сварки плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами изготавливают из аналогичных сталей.

Элсктрошлаковая сварка наряду с высокой производительностью и экономичностью сварочных работ обеспечивает и высокое качество сварных соединений, главным образом благодаря высокой стойкости металла околошовной зоны и шва против образования трещин. Однако при неблагоприятных условиях в ходе электрошлаковой сварки могут возникать кристаллизационные трещины в металле шва, а также горячие и холодные трещины типа отколов в участке перегрева околошовной зоны.

Трещины — отколы, возникают, как правило, через несколько часов после окончания сварки, преимущественно в начале шва, особенно после возобновления прерванного случайно процесса сварки, а также при большой жесткости соединяемых элементов. Их образование можно предотвратить, если соединения сразу же после сварки подвергнуть высокому отпуску. Способствует этому и некоторое замедление процесса сварки, достигаемое уменьшением силы сварочного тока и увеличением ширины шва за счет более сильного оплавления свариваемых кромок и получения относительно неглубокой и широкой металлической ванны. Такие режимы характеризуются повышенным напряжением сварки.

Для предупреждения образования отколов при сварке жестко закрепленных элементов применяют предварительный подогрев начального участка или всего шва до 150…200 °С. Для восстановления механических свойств до необходимого уровня сварное изделие после сварки подвергают высокотемпературной термообработке.

Электронно-лучевая сварка является одним из перспективных методов соединения узлов конструкций из закаливающихся сталей, поскольку обеспечивает получение сварных соединений с высокой стойкостью против образования холодных трещин, а также минимальной величиной сварочных деформаций. Отмеченные преимущества метода обусловлены высокой конценграцией энергии и большой скоростью нагрева, кинжальной формой проплавления основного металла и высокими скоростями кристаллизации металла сварочной ванны, а также большой скоростью охлаждения соединения в целом.

Погонная энергия однопроходной электронно-лучевой сварки (ЭЛС) в несколько раз меньше, чем при других видах сварки плавлением. Благодаря высоким скоростям нагрева и охлаждения в сварных соединениях формируется весьма мелкозернистая структура металла шва, и предельно ограничиваются перегрев и разупрочнение участков зоны термического влияния. Участок перегрева практически отсутствует. Замена многослойной электродуговой сварки на однопроходную ЭЛС значительно повышает производительность процесса.

При ЭЛС термоупрочненных сталей сварные соединения практически равнопрочны основному металлу, тогда как полученные дуговыми методами сварки значительно разуирочнены. Однако следует заметить, что соединение узлов конструкций из закаливающихся сталей ЭЛС даст хорошие результаты лишь при толщине металла до 30 мм. ЭЛС средних и больших толщин затрудняет высокая чувствительность процесса к повышенному содержанию в основном металле углерода, легирующих элементов и газов, в частности кислорода. Так, например, при сварке сталей толщиной более 30 мм с содержанием углерода свыше 0,2% в швах возникают кристаллизационные трещины. Если содержание кислорода в этой стали превышает 0,02%, ЭЛС становится практически невозможной из-за повышенного разбрызгивания жидкого металла и образования пор в шве. В то же время сваркой сталей толщиной до.

25 мм при соответствующем выборе режима обеспечивается качественное соединение без пор и трещин даже при содержании углерода 0,3% (например, трубчатых узлов из стали 30ХГСНА).