Характеристики электродов для сварки разнородных сталей
В современным машиностроении, нефтегазохимической и других отраслях широко используется оборудование из разнородных сталей и сплавов. Это означает, что конструкция была сварена из материалов, которые серьезно различаются по своим физико-механическим характеристикам, химическому составу, процессу легирования и способности к свариванию. Иными словами, материалы имеют разную атомарно-кристаллическую структуру. Для соединения таких деталей применяются специальные электроды для разнородных сталей.
Где и зачем используются разнородные стали и сплавы
В современной промышленности конструкции из таких материалов имеют широкое применение. Они необходимы там, где их отдельные детали работают в разных условиях – при разных знакопеременных нагрузках, уровнях температур и агрессивности сред, абразивного износа, давления и т. д. В ряду таких сфер:
Конструкции такого типа называют комбинированными. Они обеспечивают необходимые технические и технологические характеристики оборудования, в широком ряде случаев позволяют сделать его производство более экономичным.
В чем сложность сварки разнородных сталей
Вся совокупность таких материалов условно подразделяется на четыре основные группы:
Сваривать детали разнородного состава обычными электродами нельзя, поскольку риски получения некачественного шва максимальны.
В результате сварки в металле шва могут появиться интерметаллидные структуры – соединения из металлов, рассчитанных на совершенно разный температурный режим сварки. Поскольку эти структуры очень хрупкие, существуют высокие риски быстрого разрушения металла шва и конструкции в целом.
Особенности электродов
Ключевая задача электродов для ММА сварки разнородных сталей – получение равнопрочного сварного соединения. Большая часть таких изделий применяется для сварки высоколегированных и легированных высокопрочных сталей. Особенности таких присадочных материалов:
Еще одна особенность: наличие в составе, помимо никеля, кремния, цинка и других легирующих добавок – в широком ряде случаев они позволяют подавить рост и даже полностью предотвратить образование указанных выше хрупких интерметаллических прослоек.
Особенности сварки
В большинстве случаев соединения разнородных сплавов ММА сварка выполняется на пониженных токах, при этом – с увеличенной скоростью. Это необходимо для того, чтобы ширина переходного интерметаллического шва была минимальной. Таким образом предотвращается появление трещин, которые могут образоваться у линии сплавления в металле шва.
При сварке перлитных (углеродистых) и аустенитных (высоколегированных) сталей используются стержни из более тугоплавких аустенитных сталей. Это необходимо для того, чтобы обеспечить наплавленному металлу необходимую аустенитную структуру, что важно для конструкций из теплостойких, жаростойких и жаропрочных сталей. Одна из технологий такой сварки:
При соединении углеродистых и хромистых сталей, напротив, используются электроды из сталей перлитного класса. В этом случае в зоне переходных участков со стороны хромистой стали обеспечивается необходимая высокая пластичность и ударная вязкость.
Как правило, сварка выполняется постоянным током обратной полярности. Инверторный аппарат позволяет максимально точно задать все сварочные параметры для получения металла шва необходимых характеристик.
Марки электродов для сварки разнородных сталей
Назовем некоторые наиболее распространенные марки электродной продукции, применяемые для решения профильных задач.
Среди профильной продукции также широко известны отечественные марки ЦТ-28, Э-42А-Э100, ОЗЛ-6, ОЗЛ-27, ОЗЛ-28, НИАТ-5, ОЗЛ-25Б. Их специализация – соединение деталей из сталей самой обширной группы – углеродистых и низколегированных с элементами из теплостойких, жаростойких, неконструкционных, трудносвариваемых и других сталей.
Электроды для сварки разнородных сталей широко представлены в каталоге изделий Магнитогорского электродного завода.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Разнородная сталь
Разнородные стали ( например, быстрорежущая и поделочная) могут также свариваться трением. Однако при большом различии: их теплофизических свойств наблюдается перегрев стали с низкой теплопроводностью. [1]
Сварка разнородных сталей имеет целый ряд специфических особенностей, определяющих работоспособность сварных соединений; появление при сварке кристаллизационных прослоек в зоне сплавления, нестабильность структуры шва при эксплуатации и наличие зысоких остаточных напряжений. [4]
Сварку разнородных сталей одного структурного класса разного легирования между собой производят с использованием сварочных материалов, применяемых обычно к стали, менее легированной. [5]
Сварка разнородных сталей затруднена еще и тем, что они в подавляющем большинстве случаев отличаются друг от друга величиной коэффициентов линейного расширения. [7]
При сварке разнородных сталей в образовании шва, кроме дополнительного ( электродного) металла, участвуют еще два других основных металла, зачастую существенно отличающихся по составу и свойствам. [8]
При сварке разнородных сталей одного структурного класса, но разной степени легирования технологию и режимы выбирают для более легированной стали. Если сваривают разнородные стали различных структурных классов, технологию и режимы выбирают таким образом, чтобы обеспечить минимальное проплавление основного металла. [9]
Особенности сварки разнородных сталей определяются главным образом разбавлением, диффузией и сопутствующими процессами. [10]
При сварке разнородных сталей и двухслойного проката известные преимущества достигаются при сварке постоянным током. [14]
При сварке разнородных сталей более теплопроводный металл сваривается с большей установочной длиной. Правильность выбора установочной длины в этом случае оценивается равномерным нагревом с обеих сторон от стыка. [15]
Технология сварки разнородных сталей
Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.
В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.
Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей
Класс сталей и сварочных материалов
Перлитные и бейнитные
09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА
30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ
Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)
12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169
Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные
12 %-ные хромистые, жаростойкие
08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2
12 %-ные хромистые, жаропрочные
Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе
Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные
Жаропрочные никелевые сплавы
Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).
Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов
Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:
— Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);
— Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;
— Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;
— Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.
Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.
Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.
При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).
При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.
Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами
Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)
Композиция наплавленного металла
Предельная температура эксплуатации, °С
Сварка разнородных сталей: основные типы сталей и применяемые технологии сварочных процессов
В настоящее время в различных отраслях промышленности нередко встречается сварка разнородных сталей. Такое действие необходимо чаще всего в тех случаях, когда возникает необходимость создать соединения из сталей, различающихся по своим свойствам: например, соединить в одном изделии деталь из высоколегированной стали, которая будет подвергаться агрессивному воздействию в процессе эксплуатации, и деталь из низколегированной стали, на которую нагрузка в процессе эксплуатации будет значительно меньше.
Понятие разнородных сталей и особенности их сварки
Разнородные стали – это стали, которые различаются по своему химическому составу, степени легирования, классам, типам, степени теплопроводности и подверженности сваривания между собой.
При осуществлении сварки разнородных сталей следует учитывать ключевую особенность, которая присуща подавляющему большинству создаваемых сварных соединений: в процессе сварки могут образовываться интерметаллидные структуры, то есть соединения двух и более металлов, обладающих более высокой температурой плавления, нежели те исходные стали, что были использованы для создания изделия. Однако такие структуры могут быть очень хрупкими, и это может привести к разрушению сварного шва при несоблюдении технологии сварки.
Для того чтобы полученный шов был максимально плотным и качественным, края свариваемых деталей необходимо предварительно подогревать с помощью газовой горелки или паяльной лампы. Это не только позволит выпарить лишнюю влагу на подготовительном этапе, но также и подготовить деталь к сварке в соответствии с ее физико-химическими параметрами.
Типы разнородных сталей по признакам разнородности структур
По содержанию углерода в составе сталей происходит их деление на следующие виды:
В зависимости от наличия в химическом составе сталей серы и фосфора выделяют:
Способы и технологии сварки в зависимости от разнородности сталей
Выбор способа сварки тех или иных разнородных сталей зависит, в первую очередь, от их физико-химических свойств. В настоящее время чаще всего встречаются следующие виды соединений разнородных сталей:
Оборудование для сварки
Вне зависимости от того, о каких свариваемых разнородных сталях идет речь, оборудование для выполнения сварочных работ делится на две группы:
В качестве дополнительного оборудования сварочного поста рассматривается сварочный стол, а также инструменты для закрепления свариваемых деталей в необходимых пространственных положениях.
Технология сварки разнородных сталей
При сварке разнородных сталей одного структурного класса, но различного легирования, как правило, дополнительных требований к выбору способа сварки и режимов не вводят. Это обусловлено тем, что стали имеют близкие теплофизические свойства, а переходные слои в области границ сплавления мало отличаются от металла шва.
При сварке сталей различных структурных классов, особенно перлитной стали с аустенитной, выбирают способ сварки и режимы, обеспечивающие минимальное проплавление соединяемых металлов. Это позволяет получить высоколегированный шов, приближающийся по составу к присадочному металлу.
Во всех случаях сварочные материалы выбирают из условий предотвращения формирования хрупкого металла шва, а также предотвращения возможности образования в зоне сплавления хрупких прослоек: кристаллизационных и диффузионных.
При сварке сталей одного структурного класса в большинстве случаев используют сварочные материалы, близкие по составу к менее легированной стали. В случае выполнения соединений сталей разного структурного класса (например, перлитного с аустенитной) в большинстве случаев используют высоколегированные сварочные материалы, а в некоторых случаях сплавы на никелевой основе, которые позволяют значительно снизить ширину диффузионных прослоек.
Поскольку при сварке легированных сталей в зоне термического влияния возможно формирование структур закалки, то для предотвращения их образования используют подогрев. Температуру подогрева назначают исходя из свойств стали, наиболее склонной к формированию структур закалки. При этом с целью снижения вероятности формирования диффузионных прослоек назначают минимально допустимую температуру подогрева. При выборе температуры подогрева необходимо учитывать не только свойства свариваемых сталей, но и свойства металла шва. В тех случаях, когда в металле шва возможно образование структур закалки, температуру подогрева назначают исходя из свойств металла шва. Структуру металла шва обычно оценивают по структурной диаграмме.
Когда применение подогрева встречает трудности, используют сварочные материалы, обеспечивающие получение аустенитных швов. Пластичный аустенитный шов позволяет снизить внутренние напряжения в зоне сварки и тем самым предотвратить образование холодных трещин. Следует отметить, что аустенитный шов сдвигает температуру мартенситного превращения перлитной (мартенситной) стали в область более высоких температур. Этому способствуют внутренние напряжения, образующиеся из-за различия коэффициентов линейного расширения.
Развитие мартенситного превращения в области высоких температур позволяет получить более пластичный мартенсит, так как проявляется эффект самоотпуска. Иногда для исключения подогрева при выполнении соединения используют предварительную наплавку на сталь, склонную к закалке, слоя незакаливающейся стали. Наплавку слоя ведут с подогревом или используют отпуск наплавленной детали. Толщину наплавленного слоя назначают из условий, чтобы в процессе сварки закаливающаяся сталь в зоне термического влияния не нагревалась выше температуры А1 (обычно толщина слоя до 9 мм).
В некоторых случаях для придания определенных свойств металлу в зоне соединения разнородных сталей или снятия внутренних напряжений назначают термообработку. Однако необходимо иметь в виду, что снятие внутренних напряжений возможно только в соединении разнородных сталей одного структурного класса. В сварных соединениях разнородных сталей различного структурного класса из-за различия в коэффициентах линейного расширения в результате термообработки величина внутренних напряжений может возрасти. При назначении термообработки соединений из разнородных сталей необходимо провести оценку возможности формирования диффузионных прослоек.
Таким образом, при назначении термообработки необходима всесторонняя оценка возможных изменений свойств металла в зоне 140 сварного соединения, а также величины внутренних напряжений. В большинстве сложных случаев термообработку (обычно отпуск) назначают, если это приводит к получению в зоне сварного соединения более пластичного металла. Благодаря повышению пластических свойств снижается вероятность хрупкого разрушения сварного соединения.
Очень часто вместо высокотемпературного отпуска, который приводит к развитию диффузионных прослоек, используют нормализацию, которая позволяет снизить интенсивность развития диффузионных прослоек. Последнее обусловлено, во-первых, снижением скорости диффузии углерода в аустените при нагреве выше точки А3, во-вторых, снижением стойкости карбидов.
Сварка разнородных сталей одного структурного класса
Для сталей перлитного класса используют сварочные материалы, рекомендуемые для менее легированной стали. Например, при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали с теплоустойчивой хромомолибденовой используют электроды типа Э42А или Э50А с покрытием основного вида. При большом различии в легировании рекомендуется использовать сварочные материалы, обеспечивающие наплавку металла промежуточного легирования. Например, при сварке ВСт3 с хромомолибденовой 15Х1М1Ф рекомендуются электроды типа 3-09Х1М.
Режим сварки и температуру подогрева назначают исходя из свойств более легированной стали.
При выполнении соединений между высокохромистыми фер-ритными, ферритно-аустенитными и мартенситными сталями с целью предотвращения образования хрупких кристаллизационных прослоек, а также хрупкого металла шва сварочный материал выбирают ферритно-аустенитного класса. В этом случае обеспечивается формирование металла шва с более мелкой структурой, чем при использовании ферритного сварочного материала. Сварка ведется с подогревом; после сварки высокий отпуск (700—750 °С).
Для сварки аустенитных и аустенитно-ферритных сталей разного легирования сварочные материалы выбирают исходя из соотношения Cr/Ni. Если в свариваемых сталях соотношение больше единицы, то выбирают аустенитно-ферритные сварочные материалы. Это позволяет избежать образования горячих трещин в металле шва. Если соотношение в свариваемых сталях Cr/Ni Сварка разнородных сталей разного структурного класса
Можно выделить две подгруппы разнородных сварных соединений сталей разного структурного класса:
Соединения из перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными характеризуются тем, что в сварном соединении возможно появление холодных трещин, а также развитие кристаллизационных и диффузионных прослоек в зоне сплавления. Соединения перлитной стали с 12 %-ной хромистой обычно выполняют, используя перлитные электроды типа Э-09Х1М для ручной сварки или проволоку Св-08ХМ для сварки под флюсом. Подобные сварочные материалы позволяют получить металл шва с содержанием хрома до 5 %, что обеспечивает достаточную прочность и пластичность металла шва и переходных слоев. Температурный режим сварки назначают применительно к свойствам высоколегированной стали.
Очень часто, особенно при соединении элементов большой толщины, выполняют облицовку кромок 12 %-ной хромистой стали (например, электродами типа Э-09Х1М), а дальнейшую сварку ведут электродами типа Э42 или Э50А, состав которых обеспечивает наплавку металла, близкого к составу менее легированной стали. В тех случаях, когда металл шва работает при температурах, близких к предельной для 12 %-ной хромистой стали, для снижения вероятности образования диффузионных прослоек наплавку на высокохромистую сталь вначале осуществляют электродами типа Э-09Х1МФ или Э-10ХЗМФ6, а затем электродами типа Э-09Х1М.
Для сварки перлитных сталей с высокохромистыми ферритными, аустенитно-ферритными и мартенситными перлитные сварочные материалы нежелательны из-за неблагоприятного легирования металла шва. В этом случае наблюдается формирование хрупких кристаллизационных прослоек. Для указанных сочетаний обычно используют сварочные материалы аустенитно-ферритного класса, например, электроды типа Э-08Х24Н6ТАМФ. Эти электроды позволяют получить более стабильную и пластичную структуру металла шва в переходных участках со стороны перлитной стали. Применяют также аустенитные электроды. Однако в этом случае химическая неоднородность будет повышенной, и в случае эксплуатации в области высоких температур возможно образование хрупких диффузионных прослоек, что может привести к преждевременному разрушению сварного соединения.
Соединения перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными характеризуются наибольшей химической, структурной и механической неоднородностью. Поскольку применение 142 перлитных сварочных материалов неизбежно приводит к формированию хрупких кристаллизационных слоев, то для выполнения соединений используют аустенитные сварочные материалы, которые выбирают в зависимости от соотношения Cr/Ni в аустенитной стали. При соотношении Cr/Ni > 1 применяют аустенитно-ферритные сварочные материалы, например, электроды типа Э-10Х25Н13Г2, которые при разбавлении металла шва перлитным основным металлом до 30 % обеспечивают получение аустенитно-ферритного шва. Если в свариваемой аустенитной стали отношение Cr/Ni