Сварка високоміцних і загартованих сталей

Склад і властивості високоміцних сталей

Стали з межею міцності понад 1500 МПа називаються високоміцними. Така межа досягається підбором хімічного складу і найбільш підходящою термічною обробкою. Даний рівень міцності може утворюватися в середньовуглецевих легованих сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) шляхом використання гарту з низьким відпусткою (при 200 … 250оС). Легування таких сталей W, Mo, V ускладнює разупрочняется процеси, що знижує поріг хладоломкості і підвищує опір крихкому руйнуванню. Як варити метал, якщо перед вами високоміцна сталь? Сварка високоміцних сталей відрізняється використанням деяких додаткових технологічних прийомів (зварювання каскадом, гіркою, секціями, попередній підігрів, застосування м’якої прошарку і інших).
Загартовані стали (структура)

Изотермическая гарт середньовуглецевих легованих сталей надає їм трохи меншу міцність, але велику в’язкість і пластичність. Тому вони більш надійні в експлуатації, ніж нізкоотпущенние і загартовані. Нізкоотпущенние і загартовані середньовуглецеві стали з високим рівнем міцності володіють підвищеною сприйнятливістю до концентраторів напруги, схильністю до крихкого руйнування. Через це їх рекомендують використовувати для роботи, пов’язаної з плавним навантаженням.

До високоміцним сталям можна віднести так звані ресорні (пружинні) стали. Вони містять 0,5 … 0,75% С і додатково легується іншими елементами. Термообробка легованих ресорних сталей (гарт 850 … 880оС, відпустку 380 … 550оС) забезпечує отримання високої міцності і плинності. Може застосовуватися изотермическая гарт. Сварка ресорної сталі виконується з обов’язковою попередньою термообробкою, з підігрівом в процесі зварювальних робіт і подальшої термічної обробкою.

Мартенситно-старіючі сталі (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) також відносяться до високоміцних сталей. Вони перевершують середньовуглецеві леговані стали по конструкційної міцності і технологічності. Для таких сталей характерні високий опір крихкому руйнуванню, низький поріг хладоломкості і мала чутливість до надрізів при міцності близько 2000 МПа. Мартенситно-старіючі сталі є безуглеродістимі сплавами заліза з нікелем і додатково леговані молібденом, кобальтом, алюмінієм, хромом, титаном і іншими елементами. Ці стали мають високу конструкційну міцність в діапазоні температур від кріогенних до 500оС і застосовуються у виготовленні стовбурів артилерійського і стрілецької зброї, корпусів ракетних двигунів, зубчастих коліс, шпинделів і так далі.

Зварюваність високоміцних сплавів

Для виготовлення важко навантажених машинобудівних виробів, посудин високого тиску та інших відповідальних конструкцій використовують середньовуглецеві високоміцні сталі, які після відповідної термообробки мають міцність 1000 … 2000 МПа при досить високому рівні пластичності. Необхідний рівень міцності при збереженні високої пластичності досягається комплексним легуванням стали різними елементами, головні з яких нікель, хром, молібден і інші. Ці елементи зміцнюють ферит і підвищують прокаліваемость стали. Підігрів вироби під час зварювальних робіт не знижує швидкості охолодження металу до значень, менших критичних, і сприяє зростанню зерна, що призводить до виникнення холодних тріщин і викликає зменшення деформаційної здатності.

Тому такі метали зварюють без попереднього підігріву, але із застосуванням спеціальних прийомів зварювальних робіт (блоками, каскадом, короткими або середньої довжини ділянками). Також застосовують спеціальні пристрої, які підігрівають виконаний шов і тим самим збільшують час перебування його в певному температурному інтервалі. Для збільшення часу перебування металу околошовной зони при температурі вище точки освіти мартенситной структури накладають так званий Отжигают валик, межі якого знаходяться в межах металу шва.

Щоб уникнути тріщин при охолодженні зварного з’єднання, необхідно використовувати такі зварювальні матеріали, які забезпечили б отримання металу шва, що володіє великою деформационной здатністю. Це досягається, коли наплавлений метал і метал шва будуть менш леговані, ніж зварювана сталь. При цьому шов буде представляти як би м’яку прошарок з тимчасовим опором, але з підвищеною деформационной здатністю. Щоб забезпечувалася технологічна міцність зварних швів, виконаних низьколегованими зварювальними матеріалами, вуглець в шві повинен міститися в кількості не більше 0,15%.

Коли проводиться зварювання загартованої сталі, то після проходження зварювальної дуги на зону зварного з’єднання рекомендується подавати охолоджувач. Це робиться для зменшення ступеня знеміцнення околошовной зони. В якості охолоджувача може служити душова вода, стиснене повітря або паровоздушная суміш – в залежності від складу зварюваного матеріалу. Таке охолодження знижує час знаходження металу в зоні високих температур.

Технологія зварювальних робіт по з’єднанню високоміцних сталей

При зварюванні середньолегованих глубокопрокалівающіхся високоміцних сталей потрібно підбирати такі зварювальні матеріали, які забезпечать отримання швів з високою деформационной здатністю при мінімальній кількості водню в зварювальної ванні. Це досягається застосуванням низьколегованих зварювальних електродів, які не містять в покритті органічні речовини і підданих високотемпературної прокалке (нізководородістие електроди). При цьому потрібно виключити інші джерела насичення зварювальної ванни воднем в ході зварювання (іржа, волога та інші). Висока технологічна міцність виходить при наступному змісті легуючих елементів в металі шва: С – не більше 0,15%; Si – не більше 0,5%; Ni – не більше 2,5%; Mn – не більше 1,5%; Cr – не більше 1,5%; V – не більше 0,5%; Mo – не більше 1,0%.

Підвищення властивостей шва до потрібного рівня можливо шляхом легування металу шва за рахунок основного металу. Необхідні характеристики міцності металу шва досягаються легированием його елементами, які підвищують міцність, але не знижують його ударну в’язкість і деформаційних здатність. Для зварювання середньовуглецевих високоміцних сталей потрібно вибирати зварювальні матеріали, що містять легуючих елементів менше, ніж основний метал.

Ручна дугова зварка покритими електродами

Для зварювання середньолегованих високоміцних сталей використовують електроди типів Е-13Х25Н18, Е-08Х21Н10Г6 і інших по ГОСТ 10052-75 і ГОСТ 9467-75. Якщо сталь перед зварюванням піддавалася термічній обробці на високу міцність (гарт з відпусткою або нормалізація), а після зварювання – відпустці для зняття напружень і вирівнювання механічних властивостей зварного з’єднання, то критерієм визначення температури попереднього підігріву буде така швидкість охолодження, при якій відбувалася б часткова гарт околошовной зони. При цьому гарантується відсутність тріщин в процесі зварювання і до проведення подальшої термообробки.
Для поліпшення зварюваності загартованих металів необхідні спеціальні електроди

У тому випадку коли термообробка зварного з’єднання не може бути зроблена, наприклад, через великих габаритів, на кромки деталі, що підлягають зварюванню, наплавляют незакалівающійся шар металу аустенітними або низьковуглецевими електродами. Товщина цього шару повинна бути такою, щоб температура стали під шаром в процесі зварювання не перевищувала б температуру відпустки при термообробці деталей з наплавленими крайками. Такі деталі зварюють аустенітними або низьковуглецевими і нізководородістимі електродами без підігріву і подальшої термообробки. Режим зварювання приймають відповідно до рекомендацій для аустенітних електродів.

Зварювальні роботи в захисних газах

Висока якість зварних з’єднань із середньовуглецевих високоміцних сталей товщиною 3 … 5 мм досягається при аргонодугового зварюванні плавиться. Присадний матеріал для дугового зварювання в захисних газах слід вибирати в залежності від газу, в середовищі якого відбувається сварка. Перший шар виконують без присадки з повним проваром кромок стику, другий – з поперечними низькочастотними коливаннями електрода і механічної подачі присадного дроту. Можливо і виконання третього шару з поперечними коливаннями електрода без присадного дроту на невеликому режимі для забезпечення поступового переходу від шва до основного металу.

Для підвищення проплавляющей здатності дуги при аргонодугового зварюванні застосовують активують флюси, які дозволяють виключити оброблення крайок при товщині 8 … 10 мм. Також використовується флюс, що представляє собою суміш компонентів (TiO2, SiO2, NaF, Cr2O3). Такий метод з активує флюсом ефективний при механізованих способах для отримання рівномірної глибини проплавлення. Плавиться при такому способі зварювання вибирають з найбільш стійких в експлуатації марок вольфраму.
Сучасна аргонове пальник

При виконанні зварювання середньолегованих високоміцних сталей в захисних газах (в основному інертних або їх сумішах з активними) застосовують низьковуглецеві леговані і аустенітні високолеговані дроту, наприклад, Св-08Х20Н9Г7ТТ, Св-03ХГН3МД, Св-10ХГСН2МТ, Св-10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6 . Однак равнопрочності металу шва і зварюваної сталі отримати не вдається. В даному випадку можна забезпечити равнопрочность за рахунок ефекту контактного зміцнення м’якого металу шва. Цей ефект може бути реалізований при використанні так званої щілинний оброблення, яка представляє собою стикові з’єднання з вузьким зазором.

Зварювання під флюсом

Конструктивні елементи підготовки кромок для автоматичного і напівавтоматичного зварювання під флюсом виконують відповідно до ГОСТ 8713-79. Однак в діапазоні товщини, для якого можливе зварювання без розбирання і зі скосом кромок, останній слід віддати перевагу. При механізованому зварюванні під флюсом необхідні підготовка кромок, техніка і режими зварювання, при яких частка основного металу в шві була б мінімальною. Але така методика підвищує ймовірність утворення в зварювальних швах гарячих тріщин.

Вибір флюсу здійснюється в залежності від марки електродного дроту. При використанні низьковуглецевого дроту зварювання виконують під кислими високо- і среднемарганцовістимі флюсами. При використанні низьколегованих дротів кращі результати забезпечує застосування низькокремнистий і нізкомарганцовістих флюсів. Зварювання середньолегованих високоміцних сталей аустенитной дротом марок Св-08Х21Н10Г6 або Св-08Х20Н9Г7Т виробляють тільки під безокисного або слабо окисними основними флюсами.

електрошлакове зварювання

Схема процесу зварювальних робіт

Даний вид зварювальних робіт раціонально застосовувати для з’єднання товстолистових конструкцій з середньолегованих високоміцних сталей. Основні типи і конструктивні елементи зварних з’єднань і швів при цьому повинні відповідати вимогам ГОСТ 15164-78. Електродні дроту при зварюванні плавиться мундштуком і дротяними електродами вибирають з числа груп легованих або високолегованих дротів по ГОСТ 2246-70. Для попередження тріщин в околошовной зоні при зварюванні жорстко закріплених елементів необхідно застосовувати попередній підігрів до 150 … 200оС.

Низька швидкість охолодження околошовной зони при електрошлакового зварювання призводить до тривалого перебування її в зоні високих температур, що викликають зростання зерна і охрупчивание металу. У зв’язку з цим після електрошлакового зварювання середньолегованих високоміцних сталей необхідно виконати високотемпературну термообробку зварних виробів для відновлення механічних властивостей до потрібного рівня. Час з моменту закінчення зварювання до проведення термообробки має регламентуватися.

Ссылка на основную публикацию