Сварка разнородных сталей нержавеющей и обычной

Как сварить нержавейку с черным металлом: особенности технологии

Сложности, с которыми связана сварка изделий, изготовленных из нержавейки, с черным металлом, объясняются преимущественно тем, что эти материалы, хотя и относятся к сталям, являются, по сути, разнородными. Для того чтобы качественно сварить такие металлы, то есть получить сварной шов, который по своим механическим характеристикам будет близок к основному металлу соединяемых изделий, следует в первую очередь правильно подобрать электроды. Кроме того, надо учитывать такой параметр соединяемых металлов, как их свариваемость, то есть способность образовывать качественные и надежные неразъемные соединения, полученные методом сварки.

Сварка нержавеющего фланца с отводом из углеродистой стали

Принципы сварки нержавеющих сталей

На свариваемость нержавеющих сталей – способность образовывать качественные сварные соединения (в том числе и с черными металлами) – оказывают влияние определенные характеристики таких сплавов.

• Теплопроводность нержавеющих сталей, если сравнивать ее с аналогичным параметром сплавов с низким содержанием углерода, невысокая. Из-за того, что нержавейка не способна быстро отводить тепло, при сварке она сильно нагревается, а это отрицательно сказывается на характеристиках создаваемого соединения и основного металла. Чтобы избежать перегрева изделий из нержавеющих сталей при их сварке с деталями из черного металла, необходимо снижать силу сварочного тока (в среднем на 20%).
• Нержавеющие стальные сплавы отличаются высоким коэффициентом линейного расширения, что приводит к значительному деформированию металла в процессе выполнения сварочных работ. Кроме того, данный фактор является причиной деформации изделий из нержавейки и в тот момент, когда они уже соединены при помощи сварки и остывают. Чтобы избежать этого, необходимо предусматривать более широкие зазоры между соединяемыми деталями.
• Высокое электрическое сопротивление, которым обладает нержавейка, становится причиной значительного перегрева сварочных электродов. Особенно актуально это в том случае, если для сварки используются электроды, изготовленные из высоколегированной стали. Чтобы избежать этих проблем, сварку как однородных, так и разнородных стальных сплавов следует выполнять короткими электродами (не более 350 мм), стержень которых изготовлен из хромоникелевых сплавов, отличающихся невысоким электрическим сопротивлением.
• Склонность к образованию межкристаллитной коррозии, которой особенно подвержены высокохромистые стали, приводит к ухудшению антикоррозионных свойств нержавейки и появлению в ее внутренней структуре трещин. Этот вид коррозии возникает также из-за перегрева металла в процессе выполнения сварочных работ. С таким явлением, суть которого заключается в том, что на границах кристаллов основного металла возникают твердые карбидные соединения, борются различными способами. К наиболее эффективным из таких способов относится быстрое охлаждение металла, подвергшегося значительному нагреву в процессе сварки. Однако следует заметить, что метод быстрого охлаждения, для которого используется обычная вода, эффективен лишь в тех случаях, когда материалом изготовления соединяемых деталей является хромоникелевая сталь.

Методы сварки изделий из нержавеющих сталей и черного металла

Для того чтобы сварить заготовки из нержавейки и черных стальных сплавов, получив при этом качественные и надежные соединения, применяют сварку следующих типов:

• покрытыми штучными электродами в режиме MMA;
• неплавящимися электродами, изготовленными из вольфрама;
• в среде защитного газа, в качестве которого преимущественно используется аргон.

Если сварка изделий из черного металла и нержавейки проводится по первой технологии (MMA), то необходимо взять электроды, специально предназначенные для выполнения соединений цветных металлов и сплавов.

Марки и применение высоколегированных электродов

Однако лучше всего варить нержавейку и черный металл в среде защитного газа аргона. Для этого, естественно, потребуется специальный сварочный аппарат. Аргон в данном случае обеспечивает надежную защиту зоны формируемого сварного шва от чрезмерного насыщения металла азотом и его окисления. Если не обеспечить такой защиты, то металл сформированного сварного шва будет очень хрупким, что значительно снизит надежность полученного соединения.

Схема сварки нержавейки аргоном

Чтобы качественно сварить изделия из нержавейки и черного металла, в процессе выполнения операции необходимо следить за положением электрода. Последний, чтобы сварной шов получился качественным и надежным, надо держать перпендикулярно к поверхности соединяемых заготовок.

Выбор электродов

Чтобы надежно приварить изделие, изготовленное из нержавейки, к детали из обычного черного металла, следует учитывать ряд важных нюансов. В первую очередь они касаются выбора присадочной проволоки определенного химического состава. В металле присадочной проволоки, степень легирования которого должна быть выше, чем аналогичный параметр материала свариваемого изделия, обязательно должны содержаться такие элементы, как марганец, никель и иногда хром.

Марки и химический состав высоколегированной сварочной проволоки (нажмите для увеличения)

Важным условием формирования качественного сварного соединения является наличие в составе формируемого шва некоторой доли основного металла. В зависимости от используемой технологии сварки количество основного металла в материале сварного шва может составлять 30–40%.

Прежде чем варить заготовку из нержавейки с деталью из черного металла, следует выяснить химический состав свариваемых сталей, чтобы правильно подобрать тип электродов.

Разнородные материалы, которые необходимо соединить при помощи сварки, могут отличаться по целому ряду параметров:

• способности образовывать неразъемные соединения (свариваемости);
• теплопроводности;
• механическим характеристикам;
• степени легирования;
• химическому составу.

При этом стальные сплавы, изделия из которых необходимо сварить между собой, могут относиться к одной из следующих категорий:

• углеродистые;
• низколегированные;
• теплоустойчивые;
• легированные;
• отличающиеся высокой степенью легирования – высоколегированные.

Ориентировочный выбор сварочного материала в зависимости от назначения сварочного шва

Основная проблема, с которой связана сварка разнородных сталей (нержавейки и черных металлов), заключается в образовании трещин в сформированном сварном шве. Очень часто, чтобы избежать такой проблемы, для сварки изделий из нержавейки с деталями из черных металлов специалисты используют высоколегированные электроды, позволяющие сформировать сварной шов с высокими прочностными параметрами.

Результат дуговой сварки нержавейки с черной сталью электродом ОЗЛ-6. Швы хоть и темнее, но не поржавели за несколько месяцев

Вообще для сварки изделий из нержавейки с деталями, изготовленными из черных металлов, используют несколько основных типов электродов:

• Э50А – для сталей, отличающихся высокой теплоустойчивостью;
• ОЗЛ-25Б – для стальных сплавов, относящихся к категории жаропрочных;
• НИАТ-5 – для сталей, отличающихся аустенитной внутренней структурой;
• ЦТ-28 – для стальных сплавов, содержащих в своем химическом составе значительную долю никеля.

Сварка нержавейки с черным металлом

Электродуговая сварка является, пожалуй, одним из самых распространённых методов соединения металлических деталей. Технологически процесс сваривания металла выглядит таким образом: под действием электрической дуги, металл в зоне варки плавится и, смешиваясь, соединяет детали. Фактически получается одна целая деталь, поэтому сварочное соединение по характеристикам равно цельнометаллической детали.

Разные сплавы имеют разную температуру плавления и текучесть, поэтому иногда появляются сложности, когда требуется сварить два разных вида металла. Например, нержавейку и чёрный металл.

Можно ли сварить чёрный металл с нержавейкой

Ещё на заре зарождения электродуговой сварки, изобретатель Николай Гаврилович Славянов представил публике небезызвестный «Стакан Славянова». Этот стакан примечателен тем, что он состоит из семи металлов, которые нельзя сплавить естественными методами. Несмотря на различные характеристики чёрного металла и нержавейки, сварить их, тем не менее можно. О том, как происходит сварка нержавейки с простым чёрным металлом, основных трудностях процесса и способах их решения будет рассказано ниже.

Схема сварки нержавейки с черным металлом

Трудности в сварке разнородных сталей

Как говорилось выше, при варке сплавов разных сортов, а также во время сваривания сталей разных марок, могут возникнуть некоторые сложности. Основные трудности, которые могут возникнуть:

• Разная теплопроводность. Может служить причиной прожога деталей во время сварочного процесса. Чем хуже металл отводит тепло от сварочной ванны, тем выше её температура. Уменьшение сварочного тока снижает температуру, но может привести к непровару в соединении.
• Разное линейное расширение. При нагреве все тела увеличиваются в размерах, при остывании, соответственно принимают прежние размеры. Таким образом, изменение размера в процессе остывания могут послужить причиной разрыва сварочного шва или образованием в нём трещин.
• Разница в электрическом сопротивлении. Влияет на перегрев электрода во время сварочного процесса. Это также сказывается на прочности шва.

Разнородные слои при сварке

Перегрев некоторых видов металлов ведёт к печальным последствиям. Нержавейка, например, при температуре свыше 500 градусов теряет свои свойства. То есть из нержавейки она превращается в обычный чёрный металл. Сварка приводит к перегреву стали в месте шва, поэтому на месте сварочного шва часто выступает ржавчина. Несмотря на кажущиеся трудности, сварка нержавейки и чёрного металла возможна при соблюдении ряда определённых правил.

Технологии сварки нержавейки и чёрного металла

Перед тем как ответить на вопрос «как сварить нержавейку с обычным чёрным металлом», следует рассмотреть существующие способы получения сварного соединения. Наиболее распространены следующие способы:

• MMA. Ручная электродуговая сварка при помощи электрода в специальной обмазке.
• MIG. Полуавтоматическая сварка в среде защитного газа с применением специальной проволоки.
• TIG. Сварка в среде инертного газа неплавящимся вольфрамовым электродом.

Практически все виды металлов, в том числе и нержавейку с чёрным можно сваривать электродом, однако, потребуется подобрать электрод, обладающий определёнными характеристиками. В принципе, при этом получается неплохое соединение, однако, в промышленных условиях сварка разнородных сталей нержавеющей обычной производится в среде защитного газа. Это обусловлено тем, что сварной шов, при контакте с воздухом, насыщается азотом и становится довольно хрупким. Что является недопустимым при создании ответственных или несущих конструкций, поэтому, например, способы сварки швеллеров между собой предусматривают исключение попадания воздуха к остывающему сварному шву. При сварке большинства изделий, изготовленных из нержавейки, в качестве защитного газа используется аргон. Он обладает большой инертностью и не вступает в реакцию с расплавленным металлом в зоне шва. Также аргон имеет молекулярную массу выше, чем у воздуха, поэтому полностью вытесняет его из зоны сварки.

Технология сварки нержавейки с черным металлом

В процессе сваривания, плавится больше нержавеющая сталь, а чёрный только-только становится вязким. Для равномерного распределения расплавленного металла и получения прочного и красивого шва, свариваемые детали необходимо расположить строго горизонтально. В принципе, этого требуют все методы сварки нержавейки.

Дополнительно стоит упомянуть, что во время процесса сваривания, электрод должен находиться строго перпендикулярно свариваемой поверхности.

Сварку всегда ведут только при постоянном токе, переменка при варке нержавейки и чёрной стали – недопустима. Всё это позволит достичь высокого качества и прочности сварных швов. Помимо техники, немаловажным фактором, играющим большую роль в получении прочного шва, является правильный выбор присадочной проволоки или электрода.

Применяемые электроды

Разобравшись с технологией сварки, можно переходить к вопросу какими электродами и присадочной проволокой следует воспользоваться для сварки чёрного металла и нержавейки. Проволока, применяемая в процессе сваривания двух различных сталей должна содержать не менее 30% основного материала. Степень его легирования должна быть такой же или выше, как у свариваемых металлов. В случае с нержавейкой и чёрным – основным материалом является нержавеющая сталь (как имеющая наиболее высокую степень легирования). Остальную долю в присадочном материале занимает никель и марганец.

Электроды для сварки

В принципе, хорошее сварное соединение для не сильно ответственных конструкций, можно получить и без применения специальных расходных материалов. Чаще всего применяются для соединения нержавеющей и обычной стали нержавеющий электрод или нержавеющая присадочная проволока. Такие электроды содержат повышенное количество легирующих компонентов, позволяющих компенсировать их выгорание в процессе нагрева.

Если необходимо сварить какую-либо ответственную конструкцию, следует обратить внимание на специальные переходные электроды для варки разнородных или трудно свариваемых сталей. При их использовании наплавляется специальный промежуточный (или буферный) слой, который и позволяет соединить детали. Наиболее часто используются электроды ОЗЛ-312 (в случае, когда химический состав сталей вообще неизвестен) и НИИ-48Г.

Как проконтролировать качество соединения

Проверку полученного шва проводят после полного его остывания. В первую очередь производят визуальный осмотр поверхности на наличие трещин или прожига деталей. Если требуется герметичность соединения, то проверку продолжают с применением керосина или аммиака. С помощью керосина проверяются микротрещины, которые могли возникнуть в процессе сваривания. Для этого с одной стороны проверяемого шва наносят меловой раствор, а с другой стороны — керосин, подкрашенный красителем. Если меловой раствор изменил цвет – герметичность шва отсутствует. В том месте, где произошло окрашивание и отсутствует герметичность. Эффект окрашивания основан на капиллярном проникновении керосина по микротрещинам. Именно керосин также выбран неслучайно, эта жидкость имеет очень большую текучесть. Проверка аммиаком не отличается от проверки с помощью керосина, только в этом случае меловой раствор заменяют специальными индикаторами, меняющими цвет.

Качество соединения шва

Ответственные замкнутые конструкции можно также проверить и на герметичность, и на прочность одновременно. Для этого используется искусственно создаваемое гидравлическое давление.

Важно помнить, что если есть подозрение в заведомо слабом сварном шве, то применять этот способ категорически запрещено.

Проверка качества шва позволит быть уверенным, что удалось качественно сварить детали.

Правила безопасности

При проведении любых сварочных работ всегда необходимо соблюдать правила техники безопасности. Особенно это касается процесса сваривания нержавейки и чёрной стали.

Нержавейка очень текуча в расплавленном состоянии и может сильно разбрызгиваться, поэтому всегда необходимо надевать защитный костюм сварщика и рукавицы.

Сварочную маску также желательно выбирать закрытого типа.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Как осуществляется сварка нержавейки и черного металла

Сварка материалов, схожих по своим физико-химическим свойствам, обычно не вызывает затруднений. Даже для «капризных» металлов, обладающих низкой свариваемостью, разработаны определенные алгоритмы, позволяющие получить качественное соединение. Но когда речь идет о работе с разнородными металлами, возникает ряд серьезных проблем. Все эти проблемы сводятся к необходимости подбора правильного режима сварки, технологии работ и расходных материалов.

Ярким примером проблемного вопроса является сварка нержавейки с черным металлом. Несмотря на то, что оба материала представляют собой сталь, их технические свойства существенно различаются.

Чтобы реализовать качественный процесс сварки, необходимо знать, как именно подобрать оптимальные параметры. Парадокс заключается в том, что сварной шов, как известно, обладает максимальной надежностью только когда состоит из того же материала, что и заготовки. Прежде всего, отметим, что работы с нержавеющей сталью обладают своей спецификой, и ее придется учитывать при сварке разнородных материалов.

Особенности

Во всех справочниках и рекомендациях встречается такое понятие, как свариваемость. Это способность металла или металлов к образованию качественных и прочных соединений посредством электросварки. Что касается свариваемости нержавеющей стали, то она напрямую зависит от ряда характеристик материала.

• Относительно низкая теплопроводность нержавейки негативно сказывается на качестве соединения. Так как теплообмен с окружающей средой происходит гораздо медленнее, чем у черных металлов, то нержавейка сильно нагревается. Перегрев сварочной ванны чреват появлением трещин или сквозных прожогов, ослабляющих шов. Чтобы сваривать материалы с разной теплопроводностью, приходится снижать силу тока примерно на 20%.
• Тепловое расширение присуще любому металлу, однако несоответствие коэффициентов линейного расширения приведет к деформации детали, особенно в процессе остывания шва. Зачастую дефекты обнаруживаются именно на этой стадии процесса. Выходом из ситуации служит соблюдение зазоров между деталями. Данную особенность технологии следует помнить и при сварке разнородных деталей.
• Удельное сопротивление стали высокое, поэтому при образовании электрической дуги электроды перегреваются. В особенности данное явление наблюдается при сварке электродами из высоколегированной стали. Выходом из ситуации служит использование электродов малой длины (с уменьшением длины уменьшается сопротивление) или применение хромоникелевых электродов с малым удельным сопротивлением.
• Высокие температуры отрицательно сказываются на антикоррозийных свойствах стали. Стали, содержащие высокое количество хрома, склонны к тому, что во внутренней структуре начинает образовываться коррозия. Между кристаллами образуются трещины. Подобное явление часто наблюдается при выполнении сварочных работ. Самый эффективный способ борьбы с карбидными соединениями – интенсивное охлаждение металла. Но в данном способе есть один нюанс. Средством отвода тепла служит вода. Она применима только для хромоникелевых сталей.

Способы

Наиболее популярным способом для сварки нержавеющей стали и черных металлов является электрическая сварка. Этот способ заслужил признание и популярность, благодаря низкой себестоимости и малому количеству вспомогательных манипуляций. К сожалению, выбирая электросварку, приходится зачастую жертвовать качеством соединений. Причиной тому служит разные показатели вязкости нержавеющей стали и черных металлов. При температуре горения дуги сталь может растекаться, в то время, как черный металл остается достаточно вязким.

Высокая текучесть ограничивает сварщика в действиях. Практически невозможно наложить вертикальный или потолочный шов. Работая с разнородными металлами, приходится использовать переходные электроды, адаптированные под нержавейку и черный металл. Сами электроды, вернее их стержни, выполнены из нержавеющей стали.

Для газовой сварки характерно наличие присадочного материала, представленного в виде проволоки из нержавеющей стали. При газовой сварке сталь менее текучая, поэтому данный способ обладает неким преимуществом по сравнению с дуговой сваркой. Повысить эффективность плавления черного металла позволяет специальный флюс. Минусом газовой сварки выступают повышенные требования по технике безопасности, а также большой объем подготовительных работ.

Лучшим способом сварки нержавейки и черного металла специалисты называют аргонодуговую сварку. Нет необходимости использовать присадочную проволоку с покрытием, так как аргон прекрасно справляется с задачей защиты сварочной ванны. При всех достоинствах перечисленных методов следует отметить, что сварка нержавейки и металла не всегда себя оправдывает, так как финансовые затраты оказываются чрезмерно высокими.

Определяющим моментом в выборе одного из перечисленных способов сварки будет выступать поставленная цель и имеющиеся условия.

• При проведении мелкого бытового ремонта в домашних условиях самым оптимальным решением выступает электродуговая сварка электродами из нержавеющей стали. Естественно, исключаются высокие механические нагрузки на конструкцию.
• Более надежное соединение обеспечит газовая сварка. Но она доступна только в специализированных мастерских. Частный мастер вряд ли согласится приобретать дорогостоящее оборудование, к тому же занимающее много места. В промышленности и на производстве используются полуавтоматы TIG для ведения аргонодуговой сварки. Качество полученных швов высокое, но сам процесс сопряжен с материальными расходами.

Выбор электродов

Если подходить объективно к вопросу о приоритете методов сварки, то абсолютного лидерства не найти. Каждый из способов имеет свои достоинства и недостатки. При работе с электродуговой сваркой важно, чтобы электроды были пригодными для сварки нержавейки. Газовая сварка также требует присадки из нержавеющей стали. Помимо этого, в ней обязательно присутствуют легирующие вещества, в качестве которых используется никель или марганец. В сплаве сварочного шва должно присутствовать, как минимум, 40% нержавеющей стали.

Плавящиеся электроды выбираются, исходя из физических свойств обоих материалов. Вот почему сварка разнородных сталей считается сложной. Осложняет ситуацию тот факт, что не всегда материалы отличаются по механическим или техническим параметрам. Зачастую не совпадают такие показатели, как свариваемость или степень легирования.

Говоря о легировании, следует учитывать, что в простой классификации стали делятся на легированные, низколегированные, высоколегированные, углеродистые и теплоустойчивые. Каждый тип стали накладывает на выбор электродов свои требования.

Таблица совместимости электродов для сварки того или иного металла содержит в себе исчерпывающую информацию о химическом составе электрода, однако читать такие данные не каждому под силу. Наиболее популярные электроды для сварки нержавеющей стали и черных металлов:

• НИАТ-5 – определены для работы с аустенитными металлами.
• ЦТ-28 – предназначены для сварки сплавов, в которых присутствует никель.
• Э50А – подходят для сталей, обладающих высокой теплоустойчивостью.
• ОЗЛ-25Б – электроды для жаропрочных материалов.

Технология процесса

Как и любой сварочный процесс, работа с нержавейкой требует наличия подготовительного этапа. Сначала необходимо зачистить поверхности и обработать кромки деталей. Они обрабатываются до появления блеска, а затем обезжириваются. В качестве средства отлично подойдет спирт или растворитель.

Газосварку рекомендуется проводить с флюсом, который укладывается в зазоры между кромками. Работы проводятся в нижнем положении, так как повышенная текучесть не позволит накладывать вертикальные или потолочные швы. В данном процессе от сварщика требуется наличие навыка. Так, плавящийся электрод должен быть расположен чуть ближе к поверхности черного металла, нежели к кромке из нержавейки.

При разделке кромок важно помнить, что наиболее прочный шов получится с увеличением площади сварочной ванны. Предпочитается пассивное охлаждение металла. Контроль качества полученного шва предполагает исследование на наличие сквозных протечек. На поверхность с одной стороны наносят керосин или ацетон. Допускается подкрашивание жидкостей. Если необходимо проверить шов на прочность, то жидкости подаются под давлением. Однако избыточное давление следует подавать только после отсутствия протечек при обычном нанесении жидкостей.

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:

• сварные соединения перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными;
• сварные соединения перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными.

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

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

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей — образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

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