Сварка сталей

Сваркой называется технологический процесс создания неразъемного соединения путем расплавления кромок соединяемого изделия.

Процесс сварки сопровождается резким термическим воздействием источника теплоты на основной металл и нежелательными в большинстве случаев металлургическими процессами, происходящими при образовании металла шва.

В сварном соединении различают три зоны: металл шва, зону термического влияния и зону сплавления.

Металл шва образуется при совместной кристаллизации расплавленного основного металла (металла изделия) и присадочного металла. Процесс расплавления металла сопровождается выгоранием углерода, некоторых легирующих элементов и реакциями с кислородом, азотом и парами воды. В результате металл шва по составу может значительно отличаться от свариваемого и присадочного металлов. Для того чтобы предотвратить выгорание элементов и насыщение металла шва газами, применяют добавочное легирование металла шва, используя присадочный металл с повышенным содержанием легирующих элементов, а также защищают расплавленный металл различными методами. При ручной сварке на электродный стержень наносят покрытие сложного состава, которое, расплавляясь, образует шлак и надежно защищает расплавленный металл. При автоматической и электрошлаковой сварке используют флюсы, образующие шлаки и изолирующие металл шва от действия кислорода и азота, содержащихся в воздухе. Для этих же целей служит и газовая защита: аргон, гелий, углекислый газ при сварке в инертных газах и углекислоте. В последнее время в качестве защитной среды все более широко используется вакуум — при сварке электронным лучом, дугой и диффузионной сварке.

Углеродистые стали, содержащие менее 0,25 % углерода, отличаются хорошей свариваемостью. Отрицательное влияние на свариваемость таких сталей могут оказывать газы и неметаллические включения, содержащиеся в металле. Количество таких примесей в металле зависит от способа его производства. Сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества, сталь спокойная — лучше, чем кипящая.

В сталях с содержанием углерода 0,30 % и выше в процессе охлаждения металла в зоне термического влияния образуется твердая мартенситная или тро-ститная структура, значительно более хрупкая, чем основной металл, что создает опасность хрупкого разрушения как в процессе изготовления изделия, так и при эксплуатации. С повышением содержания углерода увеличивается также опасность образования пор в металле шва.

Сварка высокоуглеродистых сталей.

Склонность высокоуглеродистых сталей к закалке в процессе сварки значительно выше, чем среднеуглеродистых сталей. Поэтому при сварке таких сталей обязательны предварительный подогрев металла до 350 — 400 °С и последующий высокий отпуск.

Получение надежных сварных соединений из высокопрочных сталей затрудняется из-за опасности образования холодных трещин, а также повышенной чувствительности сварных соединений к концентраторам напряжений при статических и особенно при динамических нагрузках. Сварное соединение необходимо проектировать так, чтобы концентраторы напряжений отсутствовали: должны быть обеспечены плавные переходы от одного сечения к другому. Изделия из высокопрочных сталей рекомендуется изготовлять из металла вакуумного или электрошлакового переплава, содержащего минимальное количество газов и неметаллических включений и вследствие этого обладающего высокими пластическими свойствами.

Сварка низколегированных сталей осложняется образованием хрупких структурных составляющих в зоне сварного соединения, что может вызвать возникновение трещии. Для предотвращения образования трещин необходимо использовать сопутствующий сварке подогрев, а иногда и выдержку сварных соединений при определенной температуре после окончания сварки. Эксплуатационная надежность сварных конструкций из металла большой толщины может быть обеспечена последующим отпуском при температуре выше 70 °С.

Сварка сталей мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов (высокохромистых сталей).

Свойства сварных соединений высокохромистых сталей могут быть удовлетворительными, если химический состав металла швов соответствует химическому составу свариваемого металла, а после сварки применяется высокий отпуск. При сварке с использованием подогрева и последующей термической обработки применяют присадочный металл из аустенитной или аустенитно-ферритной стали. Использование таких материалов не обеспечивает равнопрочности, но их коррозионная стойкость и жаростойкость мало отличаются от соответствующих свойств основного металла.

Сварка аустенитных сталей.

Аустенитные стали имеют низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент линейного расширения, что приводит к перегреву металла в зоне сварки и возникновению значительных деформаций изделия. Основные трудности сварки рассматриваемых сталей и сплавов обусловлены высокой степенью легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Основной особенностью сварки таких сталей является склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин — микротрещин и трещин значительных размеров. Это связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры. Применение методов, способствующих измельчению кристаллов, повышает стойкость швов против образования горячих трещин. Эффективным средством является создание аустенитно-ферритной структуры металла шва путем дополнительного легирования хромом, кремнием, алюминием, молибденом и др. В сварных швах изделий, работающих как коррозионно-стойкие, при температуре до 400 °С допускается содержание феррита до 20 — 25 %. В изделиях из жаропрочных и жаростойких сталей, работающих при более высоких температурах, содержание феррита ограничивают 4 — 5 %.

К сварным соединениям жаропрочных сталей предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высокой прочности при повышенных температурах. Значительные скорости охлаждения при сварке и диффузионные процессы, происходящие при повышенных температурах в процессе эксплуатации, приводят к сильному охрупчиванию металла и потере прочности при высоких температурах, результатом чего может быть образование трещин. Предотвращение возникновения трещин достигается аустенизацией при температуре, 1050 — 1100°С. В процессе аустенизации происходит также снятие остаточных напряжений.