Эти стали[24] отличаются тем, что содержание углерода в них наполовину меньше, и они содержат как обязательный легирующий элемент хром – до 5 %. Остальные легирующие элементы – молибден, ванадий, вольфрам, ниобий.
В жаропрочных сталях имеет место сложное, комплексное легирование. Оно позволяет упрочнить феррит[25], а после сварки и термообработки получить сварные конструкции с высокой прочностью порядка 60–200 кг/мм2.
Широкое применение получили стали 30ХГСА (хромомарганцовистая), 30ХН2МФА и подобные им.
При электродуговой сварке технологические рекомендации для низколегированных и среднелегированных сталей в принципе одинаковы.
Хромокремнемарганцовистые стали. Среднелегированные конструкционные стали повышенной прочности 20ХГСА, 25ХГСА, ЗОХГСА и 35ХГСА при сварке образуют закалочные структуры. В зависимости от толщины металла применяют однослойную и многослойную сварку с малыми интервалами времени между наложением слоев. Для сварки применяют электроды со стержнями Св-18ХГС, Св-18ХМА или низкоуглеродистую проволоку Св-08А с покрытием типа НИАТ-ЗМ, ЦЛ-18–63, ЦЛ-30–63, ЦЛ-14, УОНИИ-13/85. Изделия, сваренные из стали 25ХГСА, нагревают до температуры 650–880 °C с выдержкой в течение 1 ч на каждые 25 мм толщины и охлаждают на воздухе или в горячей воде.
Трудности сварки:
● повышенная вероятность появления холодных трещин в околошовной зоне, реже – в наплавленном металле вследствие повышенного содержания углерода и других элементов; сопротивляемость околошовной зоны холодным трещинам снижается из-за резкого различия ее свойств и свойств металла шва;
● повышенная вероятность образования в металле шва кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием серы, углерода;
● необходимость получения равнопрочного сварного соединения вступает в противоречие с необходимостью уменьшения содержания углерода в металле шва по условиям трещинообразования;
● разный химический состав основного металла и шва затрудняет выбор режима термообработки. При грамотном подборе присадочного материала, защитного газа, электродов, при правильно выбранном технологическом процессе сварные соединения получаются качественными и надежными. Рекомендуется применять многослойную сварку по принципу «слой на слой», с перекрытием ⅓ предыдущего слоя, но не во всю ширину шва в окончательном виде.
Варианты технологического процесса:
1. Для сварки деталей ответственного назначения из стали 30ХГСА применяется следующая проверенная технология сварки: подогрев до 350 °C, сварка в защитной газовой смеси (аргон – 90 %, углекислый газ – 10 %) с разделкой кромок; толщина металла (и шва) – 22 мм, сварочная проволока марки Св07ХНЗМД по ТУ14–1-4345–87, ∅ 1,2 мм. Сварочный ток 210–230 А, сварка в 3–4 слоя, подогрев после сварки зоны шва на 200 °C, затем защита (укутывание) асботканью в 3 слоя всей зоны сварки, остывание со скоростью 3–6 °C в секунду до 60 °C. Сварной шов испытывает большие переменные (не знакопеременные) нагрузки и прекрасно работает.
2. Сварка крупных изделий из стали 12ГН2МФАЮ выполняется проволокой сварочной марки Св08ХН2ГМТА ∅ 1,2 мм в защитной среде смеси газов: аргон – 88 % + углекислый газ – 12 %, с предварительным местным подогревом зоны сварки до 200 °C, ширина околошовной зоны ~80 мм, толщина листов 8 мм, швы в 2 слоя: один на другой – ступенькой (не во всю ширину). Указанная газовая смесь смягчает процесс сварки, уменьшает количество и размер брызг, повышает глубину провара, уменьшает вероятность появления горячих трещин и пор.
Опасной вредной примесью в околошовной зоне является водород, который диффундирует в околошовную зону, скапливается в микропустотах и несовершенствах кристаллической решетки и, переходя в молекулярную форму, создает громадное давление, что приводит к образованию трещин.
Для сваривания низколегированных и среднелегированных сталей используются ручная сварка электродами, автоматическая под флюсом, полуавтоматическая и автоматическая в защитных газах и их смесях. Оптимальная скорость охлаждения для сталей типа 30ХГСА составляет 6,3 °C в секунду.
Вариант технологического процесса. C точки зрения протекания процесса сварки, сталь низколегированную высокопрочную марки 14Х2ГМР не отличить от низкоуглеродистой, но для получения надежного качества после сварки необходимо выполнить комплекс технологических мер и правильно выбрать сварочные материалы. Варианты сварки этой стали следующие: полуавтоматическая сварка сварочной проволокой марки Св10ХГ2СМА, защитный газ СО2 или Аr + СО2, либо порошковой проволокой ПП-АН54 по ВТУ ИЭС № 90–73. Диаметр сварочной проволоки 1,0–1,6 мм. При ручной сварке сталей 14Х2ГМР + 09Г2С, 10ХСНД сталь 3 применяются электроды АНП-2 по ТУ 14–4-468–73 или УОНИИ-13/45.
При автоматической сварке под флюсом – проволока сварочная Св-08ХН2ГМЮ, флюс АН-17М или проволока Св-10ГА, Св-08ГС, Св-10Г2, флюс тот же. Сварка должна выполняться при отсутствии сквозняков и при окружающей температуре не ниже –10 °C. Местный подогрев до 150–200 °C применяют для больших толщин (более 8 мм) и для узлов со сложными сопряжениями деталей. Время нагрева примерно 1,5–2,0 мин на 1 мм толщины соединения нормальным пламенем газового резака. Начало и окончание сварного шва должны быть выведены на технологические пластины. Сварочный ток немного ниже обычного (до 10 %), протяженность сварки одного участка шва – до 250 мм. Рекомендуется сварка многослойным швом.
Газовая сварка. Среднелегированные и высоколегированные хромистые стали (1X13, 2X13 и др.) склонны к образованию закалочных структур на воздухе и трещин в области шва и в околошовной зоне.
Вид пламени – нормальное; расход ацетилена 70 дм3/ч на 1 мм толщины металла.
В качестве присадочного материала используют сварочную проволоку марок Св-02Х19Н9, Св-04Х19Н9 и Св-06Х19Н9Т. Сварку проводят с применением флюса следующего состава (%): борная кислота – 55, оксид кремния – 10, ферромарганец – 10, феррохром – 10, ферротитан – 5, титановая руда – 5, плавиковый шпат – 5.
Сварку выполняют в один слой с предварительным подогревом до температуры 200–250 °C и максимально допустимой скоростью, без перерывов и повторного нагрева. При толщине металла до 3 мм применяют левый способ сварки, при толщине свыше 3 мм – правый.
Сварка высоколегированных сталей
Высоколегированными называют стали на основе железа, легированные одним или несколькими элементами в количестве 5–55 %. Эти стали имеют высокие прочность, вязкость, пластичность и широко применяются в промышленности. Но далеко не все из них по свариваемости пригодны для сварных конструкций и изделий. По содержанию никеля эти стали делят на 3 группы.
1. Безникелевые.
2. Никельсодержащие – до 8 % Ni.
3. Никельсодержащие – 8–30 % Ni.
По назначению они образуют 8 групп.
1. Инструментальные высококачественные.
2. Шарикоподшипниковые.
3. Магнитные.
4. Нержавеющие.
5. Жаростойкие.
6. Маломагнитные и немагнитные.
7. Жаропрочные.
8. С высоким омическим сопротивлением (например, нихром Х20Н80).
В сварных конструкциях применяются лишь стали 4-й, 5-й и 7-й групп.
Высоколегированные стали имеют ряд свойств, которые сказываются на технологии сварки.
1. Теплопроводность по сравнению с низкоуглеродистыми сталями понижена в 1,5–2 раза, а коэффициент линейного расширения увеличен в 1,5 раза. Это приводит при сварке к концентрации теплоты и к увеличению проплавления металла изделия, поэтому силу тока нужно уменьшать на 15–20 %. Большой коэффициент линейного расширения порождает значительные деформации в процессе и после сварки, а при отсутствии зазоров в сварном соединении и большой жесткости узла или больших толщинах свариваемого изделия – даже трещины, к которым эти стали более склонны.
2. Высокое электрическое сопротивление приводит к сильному нагреву электродного стержня. Поэтому при сварке электроды с хромоникелевыми стержнями выпускают длиной не более 350 миллиметров.
3. Сравнительно большая литейная усадка увеличивает деформацию и склонность к образованию трещин.
Хромистые стали 40Х9С2, 15Х5М, 10Х5МФ, 12X13, 15X28, 15Х18С10 хорошо сопротивляются окислению при высоких температурах и стойки к агрессивной среде, но склонны к закалке на воздухе и росту зерен в ЗТВ. Их сварку необходимо выполнять с предварительным подогревом до 200–400 °C. После сварки изделие охлаждают на воздухе до 150–200 °C, а затем подвергают высокому отпуску: нагрев в печи до 720–750 °C с выдержкой в течение 5 мин на 1 мм толщины металла, но не менее 1 ч, с последующим медленным охлаждением на спокойном воздухе. Закалку проверяют с помощью магнита (закаленная сталь немагнитна).
