Особенности сварки сталей.

Особенности сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Эта группа сталей применяется в самых различных отраслях промышленности для изготовления сварных изделий и конструкций, работающих в различных условиях – при воздействии статических, циклических и ударных видов нагружения при температурах от -100 до +540оС.

Классификация сталей рассматриваемой группы возможна по различным признакам, однако, с точки зрения сварки, наиболее рациональна классификация рассматриваемых сталей по температуре эксплуатации с учетом условий внешних силовых воздействий и температуры, при которой должна выполняться сварка.

По температурным условиям эксплуатации сварных конструкций и изделий углеродистые низко- и среднелегированные стали можно разбить на три группы:

Общего назначения;

Хладостойкие;

Теплоустойчивые.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали применяют для сварных конструкций, работающих в интервале температур -40..+450оС. Это стали обыкновенного качества марок Ст1 - Ст5, стали качественные углеродистые и низколегированные.

Стали хладостойкие предназначены для работы при температуре ниже -60оС. К этой группе относятся стали 06Н3; 06Н6; 06Н9.

Стали теплоустойчивые: для работ при повышенных температурах до 570С применяют низколегированные стали, в основном хромо-молибденовые и добавлением ванадия: 12МХ; 12Х1М1Ф; 15Х1М1Ф; 12х5М.

Сварка каждой из этих групп сталей имеет свои особенности, связанные с составом сталей, их структурным состоянием перед сваркой, назначением и условиями работы сварных соединений.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали.

1. Эти стали содержат до 0,15-0,18% углерода и имеют очень высокую критическую скорость охлаждения при закалке (это минимальная скорость охлаждения с температуры закалки, при которой весь аустенит превращается в мартенсит). Поэтому охлаждение после сварки не оказывает заметного влияния на твердость в ЗТВ (практически не образуется мартенсит). Как правило, твердость в ЗТВ не превышает НВ 180.

2. Склонность к образованию горячих и холодных трещин практически отсутствует, что позволяет использовать различные виды сварки как при малых, так и при больших значениях погонной энергии.

Низколегированные стали с повышенным содержанием марганца, хрома и др. и содержанием углерода более 0,15 %. У этих сталей вследствие наличия карбидов с более высокой устойчивостью, чем цементит при наличии повышенного количества углерода при сварочном нагреве – образуется неоднородный аустенит (легирующие элементы повышают критические точки). При охлаждении после сварки – происходит образование бейнита, мартенсита и даже остаточного аустенита (уменьшается критическая скорость охлаждения при закалке). В связи с эти есть ограничения при ведении сварочного процесса: быстрый нагрев и быстрое охлаждение при сварке будут способствовать повышению твердости в ЗТВ. Т.Е. сварку лучше выполнять при повышенных погонных энергиях без подогрева или с небольшим подогревом. Особенно важны эти ограничения для деталей большой толщины. В тонких деталях, даже если в ЗТВ образуется некоторое количество мартенсита, количество его невелико и большого влияния не оказывает.

Сварка низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением (типа 15Г3АФ)

Принцип легирования этих сталей основан на упрочнении феррита марганцем – тем самым обеспечения высокой прочности. Образованием дисперсной упрочняющей фазы на базе азота, углерода, ванадия м получении очень мелкого зерна за счет ограничивающих его рост нерастворившимися при нагреве нитридами, которые также служат центрами перекристаллизации при охлаждении. Это способствует повышению вязкости и хладостойкости.

Условия обеспечения высокой прочности и вязкости требуют сохранения упрочняющей фазы в дисперсном состоянии и сохранения мелкого зерна. Нагрев при сварке может привести к коагуляции и растворению упрочняющей фазы и росту зерна, тем самым ухудшить свойства стали в этих участках. Для сварки таких сталей наиболее приемлема газоэлектрическая сварка – процесс, позволяющий обеспечить малое тепловое воздействие на ЗТВ. Несколько хуже ручная дуговая сварка. Электрошлаковая сварка дает наихудшие результаты.

Низколегированные стали в термически улучшенном состоянии – после закалки и высокого отпуска при температурах 550-670оС (10ХСНД; 17ГС; 16Г2АФ). Сварка этих сталей осложнена тем, что в зоне ЗТВ, где происходит нагрев до температуры близкой к А1, происходит разупрочнение. Степень разупрочнения тем выше, чем выше прочность стали перед сваркой и тем большая погонная энергия при сварке. Поэтому сварку термически улучшенных сталей лучше проводить с малым пребыванием металла при высокой температуре. Так как полностью не избежать воздействия высокой температуры, чтобы обеспечить однородные свойства сварного соединения – это термообработка после сварки. При термообработке существенно снижается уровень остаточных внутренних напряжений, способных вызвать образование холодных напряжений и уменьшить работоспособность сварного соединения в условиях низких температур. Наиболее эффективно использовать тот вид термообработки, какой подвергалась сталь перед сваркой – закалке с отпуском на ту же температуру.

Рациональной местной термообработкой зоны сварного соединения является высокий отпуск. Этот вид термообработки применим для сварных соединений различных сталей с целью снижения твердости, хрупкости различных участков ЗТВ и остаточных сварочных напряжений.

Среднеуглеродистые, низколегированные стали.

Это стали, которые имеют среднее содержание углерода 0,25-0,45% и могут быть как нелегированными (Ст25, 30, 40, 45), так и низколегированными (30ХГСА, 40Х, 25ХГМ). Эти конструкционные стали применяют, как правило, после закалки с отпуском и реже в нормализованном состоянии. После термообработки достигаются прочность сталей до 1000 МПа и хорошая сопротивляемость циклическим нагрузкам.

Критическая скорость охлаждения среднелегированных сталей при охлаждении при закалке намного ниже, чем у низкоуглеродистых сталей. Поэтому при охлаждении этих сталей даже на воздухе часть аустенита превращается в мартенсит. В условиях нагрева и охлаждения ЗТВ при сварке в наиболее перегретых участках с гомогенным аустенита при повышенной скорости охлаждения может образоваться мартенсит.

Образование мартенсита в ЗТВ – является основной причиной повышения склонности к образованию холодных трещин. Недостатком сварных соединений из этих сталей является также мартенситное строение ЗТВ, которое определяет повышенную хрупкость этих участков.

При сварке таких сталей прежде всего необходимо снизить скорость охлаждения сварочного соединения после сварки и снизить уровень возникающих сварочных напряжений. Для этого прибегают либо к подогреву свариваемого металла, либо к увеличению погонной энергии при сварке (увеличению сварочного тока). Возможна комбинация этих способов.

Поскольку на образование холодных трещин может повлиять попадающий в металл водород, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности против попадания в зону сварки влаги. Для этого следует тщательно сушить сварочные материалы и очищать перед сваркой кромки свариваемого изделия.

Целесообразна также термообработка (высокий отпуск), позволяющая одновременно привести к распаду мартенситу и к снижению остаточных сварочных напряжений. Термообработка сварных соединений из таких сталей необходима сразу же после завершения сварки, чтобы свести к минимуму время, за которое может развиться разрушение.

Таким образом, условия сварки среднеуглеродистых и среднелегированных сталей зависят от многих факторов: состав стали, жесткость конструкции, толщина металла. Стали данной группы относятся к числу наиболее трудносвариваемых.

Высокоуглеродистые стали.

Стали, содержащие более 0,5% углерода, не относятся к машиностроительным или конструкционным. В пределах содержания углерода до 0,7% углеродистые и низколегированные стали применяют на железнодорожном транспорте для рельс и как штамповые. При содержании углерода 0,7-1,2% углеродистые и легированные стали называются инструментальными.

Характерными особенностями высокоуглеродистых сталей являются:

• наличие избыточных заэвтектоидных карбидов (W и V);

• у легированных высокоуглеродистых сталей очень малы критические скорости охлаждения при закалке, и охлаждение на воздухе часто дает в них неравновесные структуры – мартенсит и бейнит;

• легированные инструментальные стали имеют повышенную устойчивость против отпуска. В связи с пониженной теплопроводностью в этих сталях при наличии градиента температур при охлаждении возникают более высокие остаточные напряжения, чем в сталях низко- и среднелегированных.

В связи с указанными особенностями рассматриваемые стали имеют очень высокую склонность к образованию горячих и холодных трещин при сварке и сваркой плавлением почти не свариваются. В тоже время некоторые из этих сталей с успехом свариваются контактной сваркой при изготовлении режущего инструмента. При этом после сварки необходима термообработка: общая или местная для придания нужных свойств рабочей части.

Хладостойкие стали.

Это стали типа 06Н3, 06Н6, 06Н9.

Это группа низко- и среднелегированных сталей предназначена для работы при температурах до –196С. Долгое время для этих температурных условий применяли только никельсодержащие стали с 3%, 6%, 9% и низким содержанием углерода или аустенитные хромониколевые стали. В последнее время начали применять безникелевые стали или с его содержанием менее 1,5%. Эти стали характеризуются очень низким содержанием углерода.

Никелевые хладостойкие стали имеют сложное фазовое и структурное состояние. Благодаря значительному сужению  - области никелем, особенно в присутствии углерода, точка А3 с повышением содержания никеля значительно снижается. Кроме этого никель сильно снижает критическую скорость охлаждения при закалке. Поэтому стали с 9% никеля после охлаждения с температуры  - состояния на воздухе закаливаются с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом. Сталь с 6% никеля при охлаждении дает феррито-мартенситную структуру, а при более быстром охлаждении – мартенсит. После отпуска закаленная сталь имеет высокую хладостойкость. Сталь с 3% никеля закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Применяется эта сталь также в закаленном и отпущенном состоянии.

Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки. Основными показателями свариваемости для этих сталей являются склонность к образованию холодных трещин, изменение свойств в ЗТВ. По этим показателям рассматриваемые никелевые стали являются хорошо свариваемыми: низкое содержание углерода снижает склонность к холодным трещинам, даже в случае образования мартенсита.

Так как хладостойкость сталей обеспечивается также мелким зерном аустенита, применяют газоэлектрическую или ручную дуговую сварку, чтобы в ЗТВ не выросло зерно. Подогрев при сварке почти не используют. Термообработка необязательна.

Теплоустойчивые стали.

Низко- и среднелегированные, хромомолибденовые и хромо-молибдено-ванадиевые стали способны сохранять механические свойства в условиях эксплуатации при повышенных температурах (550-570С). Теплоустойчивость этих сталей обусловлена тем, что легирование хромом и молибденом низкоуглеродистых сталей в количествах выше критического отношения Ме/С приводит к тому, что значительная доля этих элементов находится в твердом растворе. Такое легирование феррита вызывает его упрочнение и затрудняет процессы диффузии и самодиффузии при повышенных температурах, что определяет устойчивость свойств при нагреве.

• При легирование хромом, молибденом и ванадием образуются специальные карбиды, которые имеют повышенную устойчивость против коагуляции при нагреве.Этот фактор также влияет на сохранение свойств хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей при температурах до 570С. Но это обстоятельство приводит также к тому, что образующийся аустенит может быть негомогенным по содержанию углерода, но он не имеет резкой неоднородности по содержанию легирующих элементов.

В связи с этим образующийся при сварке в ЗТВ легированный аустенит имеет повышенную устойчивость и при охлаждении после сварки может претерпевать превращения и различные продукты распада аустенита определяют склонность сталей теплоустойчивых к образованию холодных трещин при сварке и принятия технологических мер по их предупреждению. Как правило, теплоустойчивые стали хорошо свариваются различными видами сварки. Ограничения могут быть связаны с необходимостью подогрева, условиями термообработки.

Высоколегированные хромистые стали.

Хром – основной легирующий элемент для получения коррозионно-стойких и жаропрочных и жаростойких сталей. В коррозионно-стойких сталях хром играет двоякую роль. При его содержании более 12% резко повышается электрохимический потенциал и сталь становится более устойчивой в растворах электролитов. В то же время хром способствует образованию на поверхности металла плотной и достаточно прочной окисной пленки, защищающей поверхность от воздействия агрессивной среды. Эта же пленка хрома защищает от окисления при высоких температурах – повышает жаростойкость. Таким образом, высокохромистые стали оказываются стойкими против химической и электрохимической коррозии в окислительных средах. Наряду с высокой коррозионной стойкостью стали, содержащие примерно 12% хрома, имеют высокие прочность и жаропрочность.

Высокохромистые стали в связи с указанным сочетанием свойств широко применяются в различных областях промышленности. Однако такие стали имеют пониженную технологичность, в том числе пониженную свариваемость. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении.

Хромистые стали с содержание хрома 8-14% и 0,06-0,4%С относятся к классу мартенситных в связи с небольшой критической скоростью охлаждения при закалке. Такие стали можно подвергать термообработке с целью упрочнения. Для характерно, что мартенситный распад при отпуске обуславливает значительные искажения в кристаллической решетке и повышение плотности дислокаций за счет их блокирования карбидом хрома. Такое упрочнение устойчиво даже при высокой температуре.

Дополнительное повышение жаропрочности высокохромистых сталей достигается введением карбидообразующих элементов: вольфрама, ванадия, ниобия, молибдена.

Таким образом, стали 08Х13, 12Х13, 20Х13 применяют для изготовления оборудования, эксплуатируемого в условиях воздействия сернистых газов и других сред при температуре до 500С. Стали 10Х13 и 40Х13 используют как коррозионно-стойкие для различных инструментов и пружин.

Стали 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 15Х12ВНМФ и 14Х12В2МФ являются жаропрочными, применяются при температуре соответственно 550, 580, 630 для изготовления деталей турбин, литых конструкций и труб.

Стали с 17% хрома по сравнению со сталями, содержащими 12% хрома, имеют более высокую стойкость к коррозии в атмосфере и, например, в азотной кислоте. 12Х17, 12Х17Т, 12Х17Н2. Эти стали имеют практически ферритную структуру.

Сварка сталей всех 3 групп связана с рядом трудностей:

1.Выделение избыточных фаз в участках ЗТВ (400-500, 550-850, 1000-Тпл), которые понижают ударную вязкость, что в свою очередь, вызывает охрупчивание околошовной зоны. В этой связи повышения сопротивления сварных соединений хромистых ферритных сталей можно достигнуть за счет минимизации углерода, азота и кислорода, а с другой стороны-подавлением рекристаллизацонных процессов например легированием нитридами.

3. Стали имеют низкую теплопроводность, что приводит к возникновению в зоне сварки более высокого градиента температур, а значит повышенного уровня сварочныъ напряжений.

4. В мартенситных сталях –образование мартенсита в ЗТВ, который обуславливает склонность к образованию холодных трещин при сварке.

5. Стали мартенситного класса являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска. В процессе сварки происходит разупрочнение в ЗТВ. Такое разупрочнение может быть ликвидировано только повторной сложной термообработкой (нормализацией и отпуском). Поскольку для этих сталей применимы различные отпуски (250…760С) в зависимости от требуемой твердости, то для сварных изделий рекомендуется выбирать сталь с наиболее высоким отпуском, так как в этом случае будет наименее заметным разупрочнение в ЗТВ.

6. Для полуферритных и ферритных сталей с содержанием хрома 17-25% хрома при сварке в ЗТВ происходит резкий рост размера зерна феррита, что значительно охрупчивает ЗТВ.

7. Повышение хрупкости ЗТВ у высокохромистых сталей может быть связано и сдругим явлением – развитие хрупкости в участках, нагревавшихся до 500С м выделением по границам зерен карбидов. В этой связи этот недостаток может быть устранен за счет легирования ниобием и титаном, которые связывают углерод в стойкие карбиды. Если в сталях не содержаться ниобий и титан, то для повышения стойкости к межкристалитной коррозии проводят термообработку.

Таким образом, высокохромистые стали можно сваривать различными способами сварки, но при условии наименее интенсивного теплового воздействия сварочного источника теплоты в ЗТВ. При сварке мартенситных сталей это уменьшает размер мартенситных участков.

Неблагоприятные факторы – низкую теплопроводность и повышенный градиент температур в ЗТВ, можно компенсировать предварительным подогревом сталей или уменьшить скорость охлаждения после сварки.

Все сварные соединения мартенситных сталей подвергаются высокому отпуску для снятия напряжений, распада мартенсита и общего повышения ударной вязкости. Обычно это нагрев до температур 680-760С в зависимости от состава сталей.

Сварные изделия, работающие в коррозионно-активных средах для восстановления устойчивости к межкристаллитной коррозии подвергают термообработку при температуре 760-780С с последующим ускоренным охлаждением.

Хромоникелевые аустенитные стали.

Хромоникелевые стали относятся к особой группы сталей с комплексом свойств, принципиально отличающиеся от свойств обычных углеродистых низко- и среднелегированных сталей. Никель стабилизирует аустенитную фазу, расширяет температурную и концентрационную область ее существования, тем самым снижает критическую температуру охлаждения при закалке. При легировании никелем более 8% и хромом более 18% критическая скорость охлаждения снижается настолько, что даже при очень медленном охлаждении сохраняет переохлажденный аустенит.

В реальных сплавах фазовое состояние как при нагреве, так и при охлаждении может быть более сложным.

Широко известна коррозионно-стойкая сталь 18%Cr и 8% Ni . Высоколегированные хромоникелевые стали с аустенитной основой имеют высокие жаропрочность и хладостойкость. Эти свойства будут зависеть от химического состава сплава, фазового и структурного состояния.

Особенности структуры хромоникелевых сталей:

1.Значения Мн и Мк сильно зависят от содержания никеля. Большое влияние на понижение температуры мартенситного превращения оказывают и другие легирующие элементы – углерод, азот, марганец и кремний. У высоколегированных хромоникелевых сталей температура мартенситного превращения лежит в области от 0 до 100С и даже ниже. Поэтому переохлаждаемый аустенит до 20С может быть при определенном составе стали стабильным и нестабильным и претерпевать при определенных условиях мартенситное превращение.

2.Хром сильно увеличивает устойчивость ферритного состояния стали. В этих условиях в сталях со значительным содержанием хрома при нагреве возможны 2 схемы фазовых превращений: а)при нагреве примерно до 1300С и концентрацией в среднем до 18% Cr (замкнутая область существования гамма-фазы на диаграмме) происходит плная перекристаллизация и после охлаждения в зависимости от скорости охл. Образуется аустенит, мартенсит или мартенсит с остаточным аустенитом; б) нагрев этих же сталей до более высоких температур при достижении области -феррита после охлаждениявозможно образование феррито-аустенитной структуры. Количество феррита будет зависеть от соотношения суммарного содержания аустенитообразующих элементов (Ni, C, Mn, N) и феррито-образующих (Cr, Mo, W, V).

Феррит в таких случаях оказывает определенное влияние на свойства. Отличаясь более низкой по сравнению с аустенитом пластичностью, он осложняет процессы обработки давлением, способствуя появлению надрывов. Кроме этого более хрупкий феррит снижает ударную вязкость стали. Он отрицательно влияет на жаропрочность стали. В связи с отрицательным влиянием феррита на технологические и другие свойства аустенитных сталей его количество регламентируется. Обычно для сохранения удовлетворительной деформируемости допускают его содержание до 25%. Регулируют количество феррита в основном соотношением содержания в сталях хрома и никеля. Так стали, содержащие 18% хрома и 8% никеля могут иметь в составе от 0 до 30% феррита. Стали, содержащие 25% хрома и 20% никеля имеют полностью аустенитную структуру.

3. Неблагоприятное влияние на свойства хромоникелевых высоколегированных сталей может оказывать -фаза, которая образуется при длительных нагревах в интервале 600-900С в сталях с повышенным содержанием хрома и ферритообразующих элементов. Эта фаза представляет собой сложное интерметаллическое соединение на базе железа и хрома, которое заметно снижает ударную вязкость стали и способствует упрочнению даже при повышенных температурах.

Аустенитные стали можно разделить на несколько групп.

1.Хладостойкие стали имеют температуру мартенситного превращения ниже –100С и зависит от состава стали. Обычно их подвергают закалке на гомогенный аустенит. Очень важное значение имеет величина зерна: чем мельче структура, тем более высокая хладостойкость.

2.Жаропрочные свойства аустенитных сталей достигаются специальной термообработкой. Закалкой на аустенит и последующим отпуском с целью выделения дисперсных карбидов.

3. Кислотостойкие стали. Сопротивление коррозии зависит от их структурной и химической однородности для обеспечения определенного электрохимического потенциала. В связи с этим наличие в сталях карбидов хрома неблагоприятно сказывается на их коррозионной стойкости. Поэтому проводят термообработку закалку на гомогенный аустенит.Для повышения стойкости к МКК проводят отжиг при 850-900С в течение 2-3 часов.

4. аустенитно-мартенситные и мартенсито-ферритные высокопрочные стали. (018Х15Н5Д2Т). Упрочняющая термообработка: закалка и старение при 450 за счет выделение дисперсных интерметаллидных фаз.

Несмотря на сложный состав, высокое содержание легирующих элементов, стали относятся к удовлетворительно свариваемым.

Основные трудности связаны

А) со склонностью образования горячих трещин в швах и околошовной зоне для аустенитных сталей;

Б) со склонностью к образованию холодных трещин в ЗТВ для мартенситных и аустенито-мартенситных сталей;

В) с появлением  феррита после сварочного нагрева, выделением карбидов из аустенита в определенных участках ЗТВ и ухудшением стойкости к МКК;

Г) Повышенное сродство к кислороду хрома по сравнению с железом приводит к повышенной окисляемости и возможности загрязнения металла шва;

Д) в аустените с повышенным содержанием никеля растворимость водорода повышена, что может привести к повышенной пористости.

Однако, процессы, протекающие при сварке различных по назначению и исходному фазовому состоянию, имеют много общего. У всех сталей при сварочном нагреве участки ЗТВ в оклошовной зоне, являются в основном аустенитными. В тех случаях, когда образуется феррит, его количество невелико, которое может оказывать также положительное действие на уменьшение возможности образования кристаллизационных трещин. Получение аустенитного состояния в зоне сварки даже в высокопрочных мартенсито-стареющих сталях обеспечивает хорошую свариваемость практически всех хромоникелевых сталей.

Положительное значение для свариваемости рассматриваемых сталей имеет то обстоятельство, что рост аустенитного зерна в ЗТВ происходит в меньшей степени, чем в ЗТВ углеродистых и низколегированных сталях, а также ниже уровень остаточных напряжений.

Рассматривая возможную схему строения ЗТВ можно отметить следующее:

В околошовной зоне – оплавление границ зерен вследствие их загрязненности примесями. Именно здесь возможно образование горячих трещин.

Участок, нагретый до 1200С – происходит растворение карбидов Ti, Nb, V, Zr. Это може вызвать разупрочнение.

Участок, нагретый до 750-950С – выделение карбидов хрома по границам зерна, тием самым повышается хрупкость .

Участок, нагретый ниже 700-750С – возможно выделение феррита и -фазы.

Участок, нагретый ниже 300С – возможно образование мартенсита.

Однако, строение ЗТВ у таких сталей может быть гораздо сложнее.

У разных по составу и назначению высоколегированных сталей указанные процессы будут развиваться по разному. Поэтому предпочтение отдается таким видам сварки, при котором тепловое воздействие будет наименьшим: в среде защитного инертного газа тонкой проволокой, электронно-лучевую и различные способы сварки давлением.

Термообработке такие сварные соединения чаще не подвергают. При необходимости проводят аустенизацию. При работе сварных конструкций при повышенных температурах проводят стабилизирующий отжиг.

Для повышения жаропрочности – аустенизацию при 1050-1100С, которая улучшает структуру ЗТВ. В случае, когда металл шва аналогичен по составу основному материалу, то возможна полная упрочняющая термообработка (для высокопрочных сталей.)