Что называется легированием сварного шва
Легированные стали и особенности их сварки
Легированными называются стали, которые в своем составе содержат легирующие элементы, придающие сталям специальные свойства. Основные легирующие элементы — это хром, марганец, никель, кремний, молибден, вольфрам и другие. Легирование делается с целью изменения строения металла и придания ему определенных физико-механических свойств. Легированием можно повысить коррозионностойкость материала, его твердость, износостойкость и так далее. Ниже будут рассмотрены особенности сварки легированных сталей.
Низколегированные стали
Низколегированные стали должны обладать хорошей пластичностью, удовлетворительной свариваемостью и высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению. Оптимальные механические свойства они приобретают после закалки или нормализации и последующего высокого отпуска. Примеры низколегированных сталей — 14Г2, 14ХГС, 15ГС и другие. Они характеризуются малым содержанием углерода ( Технология сварки низколегированных металлов
Основными показателями свариваемости низколегированных сталей являются сопротивляемость сварных соединений холодным трещинам и хрупкому разрушению. Такие металлы обычно имеют ограниченное содержание C, Ni, Si, S и P, поэтому при соблюдении режимов сварки и правильном применении присадочных материалов горячие трещины отсутствуют. Критериями при определении диапазона режимов выполнения сварочных работ и температур предварительного подогрева служат допустимые максимальная и минимальная скорости охлаждения металла околошовной зоны. Максимально допустимые скорости охлаждения принимаются таким образом, чтобы предотвратить образование холодных трещин в металле околошовной зоны.
Химический состав сплавов
Электроды для сварки низколегированных сталей ручной дуговой сваркой имеют низководородное фтористо-кальциевое покрытие. Широко применяют электроды типа Э70 по ГОСТ 9467-75. Сварку выполняют постоянным током при обратной полярности. Металл, наплавленный электродами, должен соответствовать следующему химическому составу, %: С до 0,10 ; Mn 0.8…1,2 ; Si 0,2…0.4 ; Cr 0,6…1,0 ; Mo 0,2…0.4 ; Ni 1,3…1,8 ; S до 0,03 ; Р до 0,03. Сварочный ток выбирают в зависимости от марки и диаметра электрода, при этом учитывают положение шва в пространстве, вид соединения и толщину свариваемого металла. Сварку технологических участков нужно производить без перерывов, не допуская охлаждения сварного соединения ниже температуры предварительного подогрева и нагрева его перед выполнением следующего прохода выше 200С°.
Особенности сварки низколегированных сталей под флюсом заключаются в её проведении на постоянном токе обратной полярности. Сила тока при этом не должна превышать 800 А, напряжение дуги — не более 40 В, скорость сварки изменяют в пределах 13…30 м/ч. Одностороннюю однопроходную сварку применяют для соединений толщиной до 8 мм и выполняют на остающейся стальной подкладке или флюсовой подушке. Максимальная толщина соединений без разделки кромок, свариваемых двусторонними швами, не должна превышать 20 мм. Для стыковых соединений без скоса кромок (односторонних или двусторонних) используют проволоку марки Св-08ХН2М, так как швы в этом случае имеют излишне высокую прочность и применение более легированной проволоки для таких соединений нецелесообразно.
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства металлов
Если сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей осуществляется в углекислом газе, то в качестве электрода применяют проволоку марок Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ (ГОСТ 2246-70) или порошковую проволоку. При сварочных работах в смесях на основе аргона используют проволоку марки Св-08ХН2ГМЮ, которая обеспечивает высокий уровень механических свойств и хладостойкость металлических швов при сварке сталей с прочностью до 700 МПа. Проволоки указанных марок рекомендуются и для сварки угловых швов с катетом свыше 15 мм. Для угловых швов с меньшим катетом в большинстве случаев используют проволоку марки Св-08Г2С. Эту проволоку также применяют при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей повышенной прочности 09Г2, 10Г2С1, 14Г2, 10ХСНД и 15ХСНД.
Газовая сварка низколегированных сталей характеризуется повышенным разогревом свариваемых кромок, пониженной коррозионностойкостью и усиленным выгоранием легирующих примесей. Это приводит к ухудшению качества сварных соединений по сравнению с другими способами сварки. При газовой сварке в качестве присадочного материала используют проволоку марок СВ-10Г2, Св-08, Св-08А, а для ответственных швов — Св-18ХГС и Св-18ХМА. Механические свойства шва можно повысить проковкой при температуре 800 °С — 850°С с последующей нормализацией.
Среднелегированные стали
Среднелегированные стали содержат углерод в количестве от 0,4% и более. Они легированы в основном Ni, Mo, Cr, V, W. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности достигается после закалки и низкого отпуска. Такие среднелегированные стали, как ХВГ, ХВСГ, 9ХС, пользуются большим спросом за счет своих легирующих добавок при изготовлении сверл, разверток и протяжек.
Эти стали выплавляют из чистых шихтовых материалов для повышения пластичности и вязкости. Также их тщательным образом очищают от фосфора, серы, газов и различных неметаллических включений. В этом случае стали могут подвергаться электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками. Хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности среднелегированных сталей достигается термомеханической обработкой.
Технология сварки среднелегированных металлов
Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений, нужно при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Степень изменения этих свойств зависит от доли участия основного металла в формировании шва. Поэтому следует выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основной металл. Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить свойства шва до необходимого уровня.
При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке. Одновременно при выполнении сварочных работ следует исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом (влага, ржавчина и другие).
Для сварки среднелегированных сталей широко применяются аустенитные сварочные материалы. Для механизированной сварки и изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 — электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки — основные флюсы. Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и другие по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75.
Высокое качество сварных соединений толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При этом для увеличения проплавляющей способности дуги применяют активирующие флюсы (АФ). Сварка с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама.
Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленокислородом, который обеспечивает качественный сварной шов. Газы-заменители в данном случае применять не рекомендуется. Но даже ацетиленокислород не может стопроцентно гарантировать получение качественного шва. Этого можно достичь только путем применения дуговой сварки.
Закалка стали — обязательный этап в машиностроении, так как от правильности его выполнения зависит качество продукции. Подробнее читайте в этой статье.
Высоколегированные стали
Высоколегированные стали имеют повышенно содержание легирующих элементов — Cr и Ni (обычно не ниже 16% и 7% соответственно). Они придают таким металлам соответствующую структуру и необходимые свойства. Высоколегированные стали по сравнению с менее легированными обладают высокой хладостойкостью, коррозионностойкостью, жаропрочностью и жаростойкостью. Несмотря на высокие свойства этих сталей, их основное служебное назначение определяет соответствующий подбор состава легирования. В соответствии с этим их можно разделить на три группы: жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.
После соответствующей термообработки высоколегированные стали обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых при закалке эти материалы приобретают повышенные пластические свойства.
Структуры высоколегированных сталей очень разнообразны и зависят в основном от их химического состава, то есть от содержания основных элементов: хрома (ферритизатора) и никеля (аустенитизатора). Также на структуру влияет содержание других легирующих элементов-ферритизаторов (Mo, Ti, Si, Al, W, V) и аустенизаторов (Co, Cu, C, B).
Технология сварки высоколегированных металлов
Высоколегированные стали обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут индивидуальными. Это определит и различную технологию выполнения сварочных работ, направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.
Легирующие элементы – обозначение
Особенности сварки высоколегированных сталей определяются наличием у них характерных теплофизических свойств. Пониженный коэффициент теплопроводности сильно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий. Поэтому для уменьшения коробления нужно применять способы и режимы, отличающиеся максимальной концентрацией тепловой энергии.
При ручной дуговой сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют широкий допуск по химическому составу. Применением электродов с фтористокальциевым покрытием достигается получение металла шва с нужным химическим составом. Тип покрытия электродов для данной сварки диктует необходимость применения тока обратной полярности. Тщательная прокалка электродов способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин.
Газовая сварка высоколегированных сталей наименее благоприятна, для соединения этих кислотостойких сталей, которые подвержены значительной межкристаллитной коррозии. Такая сварка может использоваться для сваривания жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1…2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем мощностью 70…75 л/ч на 1 мм толщины. В сварных соединениях могут образовываться большие коробления.
Сварка под флюсом высоколегированных сталей толщиной 3…50 мм имеет большое преимущество перед ручной дуговой сваркой ввиду стабильности состава и свойств металла по всей длине шва. Это достигается отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва, а также более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.
При сварке под флюсом уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке — свыше 3…5 мм). Типы флюсов предопределяют их использование для сварки постоянным током обратной полярности.
Пути легирования металла шва при сварке покрытыми электродами
Состав металла шва определяется в зависимости от состава свариваемого металла, вида и условий эксплуатации конструкции, термического цикла сварки и других факторов. Чаше всего стремятся получить металл шва, близкий или идентичный основному металлу. Пути легирования наплавляемого металла при этом могут быть самыми различными.
Способ легирования за счет сварочной проволоки — один из наиболее надежных для легирования наплавляемого металла с точки зрения получения стабильных результатов при сварке легированных сталей. При этом легирующие элементы (добавки) могут либо содержаться в металле электродного стержня, либо вводиться в виде порошкообразных металлов внутрь проволоки трубчатого сечения (порошковой проволоки). Последний способ нашел широкое применение при механизированной наплавке, в том числе и под флюсом.
Легирование посредством электродного стержня — наиболее простой и эффективный способ. К сожалению, далеко не всегда удается подобрать проволоку нужного состава. Поэтому широко используют другие пути легирования.
Способ легирования за счет проплавления основного металла необходимо использовать при сварке и наплавке специальных сталей и сплавов в тех случаях, когда режимом сварки может быть обеспечено глубокое проплавление свариваемого металла, например при сварке короткой дугой, особенно тонких листов. Этот путь легирования дает возможность при однопроходной сварке некоторых легированных сталей малого сечения получать достаточно высокие прочностные свойства металла швов при использовании обычных электродов общего назначения, предназначенных для сварки низкоуглеродистых сталей.
Вместе с этим следует отметить, что рассмотренный путь легирования металла шва может быть использован в весьма ограниченном числе случаев сварочной практики и только после экспериментальной проверки.
Способ легирования через электродное покрытие характерен для легирования наплавляемого металла при сварке покрытыми электродами. При дуговой сварке с использованием нивкоуглеродистой проволоки этот способ позволяет получать сварной шов из легированной стали или специальных износостойких, абразивостойких или инструментальных сплавов (специальные наплавочные электроды).
В качестве легирующий добавок преимущественно используют различные металлургические полуфабрикаты, предварительно подготовленные в виде металлических порошков. Такие порошки вводят с другими компонентами в шихту электродных покрытий в виде смеси.
В большинстве случаев дополнительные металлические материалы в период существования сварочной ванны должны равномерно распределиться по ее объему. Иногда этот процесс начинается в каплях и продолжается в сварочной ванне. Если такие добавки играют роль раскислителей, их равномерное распределение в сварочной ванне и обеспечение этим процесса раскисления не является обязательным. Они могут оказывать и превентивное действие, связывая кислород еще в электродных каплях.
К металлическим порошкам, вводимым в электродные покрытия, предъявляют особые требования, связанные с их размерами. Например, если вводимый металлический порошок предназначен выполнять функции раскислителя, следует увеличивать поверхность взаимодействия такой добавки с окислителями. Это достигается применением более дисперсного металлического порошка-раскислителя. Если металлический порошок выполняет функции легирующего компонента, то для уменьшения его потерь на окисление целесообразно использовать порошок большего гранулометрического состава.
Вместе с этим чрезмерное увеличение размеров порошка может осложнить производство электродов, ухудшить их технологические характеристики. Чрезмерное уменьшение частиц раскислителей может полностью ликвидировать их основную функцию, поскольку такой дисперсный порошок способен к окислению еще в период изготовления электродов. Поэтому в технологическом процессе изготовления покрытых электродов названные факторы учитывают в виде определенных требований к гранулометрическому составу порошкообразных компонентов.
Способ легирования через шлакообразующие компоненты покрытия наиболее просто использовать применительно к элементам, обладающим сродством к кислороду меньшим, чем железо (медь, никель, вольфрам, молибден), и ограниченно для таких активных элементов, как хром, марганец, кремний и другие, окисляющихся по реакции
Рассматриваемый способ легирования имеет существенный недостаток, заключающийся в неизбежном окислении сварочной ванны и насыщении ее продуктами указанных реакций.
Большее распространение этот способ легирования нашел при механизированной сварке под плавлеными флюсами, когда ограничены другие пути легирования металла шва.
Легирование металла шва при сварке плавлением
Легирование металла шва при сварке плавлением
В ряде случаев сварки состав металла шва для обеспечения надлежащего его качества и эксплуатационных свойств должен отличаться от состава свариваемого металла. Иногда надо компенсировать потери легирующих элементов на испарение и окисление. В связи с этим процессом, сопутствующим ряду других видов металлургической обработки (в первую очередь раскислению), является легирование металла шва.
Чем активнее окисляется легирующий элемент в зоне сварки, тем меньше его переход в сварочную ванну. При прочих равных условиях (концентрация, температура, состав газовой и шлаковой фазы) элементы, присутствующие в сварочной ванне, по убывающей степени сродства к кислороду при температуре до 1600 0 С могут быть представлены в виде следующего ряда:
Элементы, стоящие в этом ряду справа от железа, практически почти полностью усваиваются. Элементы, находящиеся слева от железа, в той или иной мере окисляются и лишь частично легируют металл шва. Степень легирования тем меньше, чем дальше элемент расположен от железа. Al, Zr, Ti при дуговой сварке покрытыми электродами практически полностью окисляется и в наплавленном металле имеются лишь следы этих элементов. Эти элементы достаточно полно усваиваются сварочной ванной только при предельно возможном снижении окислительных условий (сварка в инертных газах, в вакууме, с применением пассивных флюсов). В обычных условиях W и Mo достаточно полно усваиваются сварочной ванной; Cr, Mn, V, Si как окисляются, так и переходят в металла шва. При одинаковых условиях введение в сварочную ванну элемента с относительно большим сродством к кислороду предохраняет от активного окисления другие элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду. Например, для более полного усвоения титана в зону сварки целесообразно вводить алюминий.
Изучив металлургические процессы при сварке, можно наметить пути легирования металла шва, заранее расчетным путем определить его примерный состав.
Легирование металла при сварке возможно воздействием металлической или шлаковой фаз, а также газов. Основным способом легирования металла шва является легирование посредство введения в сварочную ванну соответствующих элементов в металлическом состоянии, в частности в виде сплавов. Легирование в этом случае происходит в результате:
– поступления легирующего элемента из расплавляемого при сварке основного металла;
– поступления легирующего элемента из присадочного металла (плавящихся электродной проволоки, электродного стержня при дуговой и электрошлаковой сварке);
– введения легирующего элемента в состав электродного покрытия, керамического флюса, шихты порошковой проволоки или ленты.
Химический состав наплавленного металла зависит от химического состава основного и присадочного металлов и металлургических процессов в сварной ванне.
Обозначим содержание какого-либо легирующего элемента в основном металле, присадочной проволоке и металлической добавке (входящей в состав электродного покрытия, керамического флюса или шихты порошковой проволоки, либо ленты) соответственно – [Ле]о.м, [Ле]пр, [Ле]мд.
Тогда в простейшем случае (исключая металлургические процессы, протекающие в зоне плавления) концентрация легирующего элемента в металле шва будет равна:
[Ле]и = g[Ле]о.м + (1-g-с)[Ле]пр + с[Ле]мд, (4.31)
где g – доля участия основного металла в металле шва
с – доля участия металлической добавки в образовании металла шва;
[Ле]и – исходная концентрация легирующего элемента в металле шва.
Из опытных данных с » 0,003 × (% Р), где (% Р) – содержание металлической добавки в составе покрытия, флюса или шихты ПП, ПЛ.
Действительная концентрация [Ле]шв легирующего элемента отличается от исходной в результате протекания металлургических процессов в зоне плавления.
Отношение этих концентраций представляет коэффициент усвоения элемента
Величина коэффициента усвоения зависит от нескольких фактов: химической активности легирующего элемента, способа сварки, процентного содержания этого элемента в основном и присадочном металлах (см. табл. 12 и 13).
Таблица 12. Значения коэффициентов усвоения элементов при сварке под флюсом
в проволоке, %
усвоения
ОСЦ-45
ОСЦ-45
Таблица 13. Значение коэффициентов усвоения элементов при сварке в углекислом газе
Коэффициент усвоения
Примечание. При исходном содержании С ³ 0,07 ¸ 0,10 % наблюдается его выгорание, а при содержании С Рубрики Статьи