Сварка специальных сталей и сплавов


С. В. Михайлицын И. Н. Зверева М. А. Шекшеев









СВАРКА СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

И СПЛАВОВ




Учебник

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.791
ББК 34.641
    М69


















            Михайлицын, С. В.


М69      Сварка специальных сталей и сплавов : учебник / С. В. Михайли     цын, И. Н. Зверева, М. А. Шекшеев. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 192 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0481-5

    Рассмотрена технология создания качественных сварных соединений специальных сталей и сплавов. Показаны различные способы сварки, представлены пути обоснованного выбора способа сварки в зависимости от материала, размеров и конфигурации сварного изделия, а также выбора необходимых сварочных материалов, оборудования и режимов сварки.
    Для студентов магистратуры и бакалавриата машиностроительных направлений подготовки, а также специалистов и исследователей сварочного производства.

УДК 621.791
ББК 34.641




ISBN 978-5-9729-0481-5     © Михайлицын С. В., Зверева И. Н., Шекшеев М. А., 2020
                            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Предисловие......................................................4
1. Основные сведения о специальных сталях и их поведении при сварке.......................................................5
2. Сварка низкоуглеродистой и низколегированной конструкционной стали...........................................12
3. Сварка углеродистой низколегированной и среднелегированной закаливающейся стали.......................24
4. Сварка высокохромистой мартенситной, мартенситно-ферритной и ферритной стали...............................................58
5. Сварка высоколегированной аустенитной стали и сплавов........72
6. Технология сварки чугуна....................................102
7. Технология сварки цветных металлов и сплавов на их основе....116
8. Сварка меди и сплавов на ее основе..........................120
9. Сварка алюминия и сплавов на его основе.....................129
10. Сварка магния и сплавов на его основе......................138
11. Сварка никеля и сплавов на его основе......................145
12. Сварка титана и сплавов на его основе......................153
13. Сварка тугоплавких и химически активных конструкционных металлов (циркония, ниобия, тантала, молибдена, гафния, ванадия, хрома, вольфрама).............................161
14. Технология сварки разнородных металлов и сплавов. Сварка биметалла...............................................167
Заключение.....................................................182
Вопросы для самоконтроля.......................................183
Библиографический список.......................................185
Приложение.....................................................186

3

                ПРЕДИСЛОВИЕ





    Целью изучения дисциплины «Сварка специальных сталей и сплавов» является получение теоретической подготовки и практических навыков разработки технологии сварки специальных сталей и сплавов, обеспечивающих требуемое качество сварных соединений и комплекс служебных свойств свариваемых изделий.
    В процессе изучения данной дисциплины необходимо:
       -  ознакомиться с теоретическими сведениями о свойствах, свариваемости и областях рационального применения стали различных классов, цветных металлов и сплавов;
       -  усвоить теоретические сведения и изучить практические приемы при выборе способа сварки, сварочных материалов и технике выполнения сварки специальных сталей и сплавов в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям и свариваемому изделию;
       -  получить теоретические сведения о мероприятиях, проводимых с целью повышения качества сварных соединений из указанных материалов до сварки, в процессе ее выполнения и после окончания.
    Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» изучают после дисциплин «Материаловедение», «Теория сварочных процессов», «Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки». Из дисциплины «Материаловедение» необходимо знание разделов по строению и свойствам стали различных классов, цветных металлов и их сплавов, их поведение при нагреве и охлаждении. Обучающиеся должны знать и уметь (с учетом знаний, полученных в курсе «Теория сварочных процессов») прогнозировать изменения в структуре и свойствах металла в околошовной зоне.
    Практически все разделы «Теории сварочных процессов» важны при изучении данного курса. Особое внимание необходимо обратить на вопросы свариваемости металлов и их сплавов. Хорошее усвоение материалов по этому разделу позволяет наиболее прочно усвоить и материал «Сварки специальных сталей и сплавов», предусмотреть мероприятия, позволяющие обеспечить требуемые свойства сварных соединений в зависимости от условий эксплуатации свариваемых изделий.
    Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» является логическим продолжением дисциплины «Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки». Знания о способах и особенностях способов сварки плавлением, технике их выполнения необходимы при изучении данного курса.
    Знания, полученные студентами при изучении вышеуказанных дисциплин в курсе «Сварка специальных сталей и сплавов», используются как базисные.

4

                1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЯХ И ИХ ПОВЕДЕНИИ ПРИ СВАРКЕ




            1.1. Содержание и значение курса


    Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» включает:
       - изучение состава, свойств и области применения углеродистой конструкционной стали, углеродистой низко- и среднелегированной закаливающейся стали, высокохромистой мартенситной, мартенситно-ферритной и ферритной стали, высоколегированной аустенитной стали и сплавов, а также чугуна, цветных металлов и сплавов на их основе, тугоплавких и разнородных металлов и сплавов;
       - изучение процессов образования швов и околошовной зоны при сварке, основных сведений о свариваемости специальных сталей и сплавов;
       - изучение подходов к выбору способов, техники, технологии сварки и сварочных материалов;
       - изучение свойств сварных соединений, выполненных различными способами сварки, требований и способов технологической обработки конструкций после сварки.
    Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» имеет большое теоретическое и практическое значение в выборе способов, техники, технологии сварки и сварочных материалов при производстве сварных конструкций из специальных сталей и сплавов (легированных, теплоустойчивых, жаропрочных, жаростойких, хладостойких, коррозионно-стойких, жаропрочных никелевых сталей, чугуна, цветных металлов и др.) в различных отраслях промышленности (энергетическом, криогенном, химическом, нефтехимическом машиностроении и т. д.).


            1.2. Углеродистая конструкционная сталь


    В зависимости от содержания углерода конструкционная углеродистая сталь делится на 3 группы: низко-, средне- и высокоуглеродистая с содержанием углерода, соответственно, до 0,25 %; 0,26-0,45 % и 0,46-0,75 %. Повышение содержания углерода и основного легирующего элемента в этой стали, усложняет технологию сварки и затрудняет получение равнопрочного сварного соединения без дефектов. С увеличением содержания углерода повышается склонность к перегреву и закалке при сварке, образованию холодных и горячих трещин и пор в металле шва, трудно достигается равнопрочность металла шва с основным металлом.


5

    Местная повышенная концентрация серы из-за характерной неоднородности может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Спокойная сталь в отличие от кипящей стали менее склонна к старению в околошовной зоне при сварке и слабее реагирует на сварочный нагрев.
    Легированной называется сталь, содержащая специально введенные элементы. Например, марганец считается легирующим компонентом при содержании его в стали более 0,7 %. Наличие в стали марганца повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость.


            1.3. Углеродистая низко- и среднелегированная закаливающаяся сталь


    Низколегированная сталь обладает небольшой чувствительностью к термическому циклу сварки. Это связано с невысоким содержанием углерода (до 0,25 %) и низкой степенью легирования (суммарно до 4 %).
    Повышение содержания углерода, а также степени легирования стали увеличивает ее склонность к резкой закалке, в связи с этим, такие стали обладают высокой чувствительностью к термическому циклу сварки, а околошовная зона оказывается резко закаленной и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Для снижения скорости охлаждения околошовной зоны необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.
    Но уменьшение скорости охлаждения вследствие предварительного подогрева может привести к образованию мартенсита (значительного роста зерен), что вызывает резкое снижение пластичности. Т. е. чрезмерно высокий подогрев наоборот может вызвать ухудшение свойств (ударной вязкости) металла зоны термического влияния.
    В среднелегированной высокопрочной стали содержание углерода составляет до 0,5 % при комплексном легировании в сумме 5-9 % (хром, никель и молибден упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали). На практике применяют сталь с содержанием углерода 0,12-0,17 %, что существенно улучшает ее свариваемость.
    Увеличение степени легирования при повышенном содержании углерода повышает устойчивость аустенита, и при всех скоростях охлаждения околошовной зоны распад аустенита происходит в мартенситной области. Поэтому такую сталь сваривают без предварительного подогрева, но подогревают ее в процессе сварки для увеличения времени пребывания в субкритическом интервале температур (сварка каскадом, блоками, короткими участками, подогрев шва).


            1.4. Высокохромистая мартенситная, мартенситно-ферритная и ферритная сталь


    Хром придаёт сплавам с железом ряд специфических свойств. Так при наличии ~12 % Cr возникающая при окислении поверхностная пленка

6

приводит к пассивации этой поверхности, и сталь становится коррозионностойкой. Для обеспечения окалиностойкости при 800-1050 °C содержание хрома должно быть до 30 %.
    Хромистая сталь при содержании менее 0,2 % углерода и более 16 % хрома не имеет у-фазы при температурах от комнатной до плавления и является ферритной.
    Средне- и высоколегированная хромистая сталь (до 12-13 % Cr и С > 0,05 %), имеющая область аустенита при высоких температурах, после охлаждении даже с умеренными скоростями при комнатной температуре приобретает мартенситную структуру.
    При более высокой концентрации хрома (больше 16 % Cr при 0,06 % С) сталь в процессе нагрева не будет целиком переходить в состояние аустенита, а будет содержать часть ферритной фазы. Последующее ее охлаждение приведет к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры.
    Т. е. при 0,05-0,06 % С сталь с содержанием до 12-13 % Cr относится к мартенситному классу; при 13-16 % Cr - к мартенситно-ферритному классу, а при Cr > 16 % - к ферритному классу.
    Сталь мартенситного класса при сварке закаливается на мартенсит. Ее твердость и низкая деформационная способность приводят к возможности образования холодных трещин. Модифицируют металл швов титаном, а также снижают погонную энергию при сварке. После сварки сварное соединение подвергают специальной термообработке.
    Общей характеристикой для высокохромистой ферритной стали служит ее склонность к росту зерна в результате сварочного нагрева, что ведет к потере пластичности и вязкости при комнатной температуре и ниже. В целях максимального ограничения роста зерен при сварке предпочтительны методы сварки с сосредоточенными источниками теплоты (дуговая сварка, а не газовая) и малой погонной энергией. Наиболее предпочтительными являются ручная дуговая сварка и механизированная сварка под флюсом и в углекислом газе.


            1.5. Высоколегированная аустенитная сталь и сплавы


    Высоколегированная аустенитная сталь имеет повышенное содержание легирующих материалов - хрома 18-25 % (хром обеспечивает жаростойкость и коррозионную стойкость) и никеля 8-35 % (никель стабилизирует аустенитную структуру и повышает жаропрочность, пластичность и технологичность). Это позволяет применять аустенитную сталь в качестве коррозионно-стойкой, жаропрочной, жаростойкой и криогенной, в качестве конструкционных материалов в теплоэнергетических, химических и атомных установках, где они подвергаются совместному действию напряжений, высоких температур и агрессивных сред.
    Для сокращения сталь обозначают цифрами, указывающими на содержание основных легирующих элементов хрома и никеля (например, 18-8, 25-20).


7

            1.6. Состояние и перспективы использования специальной стали и сплавов в различных отраслях промышленности


    Высоколегированная сталь и сплавы по сравнению с легированной сталью обладают высокой хладостойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и жаростойкостью. Эти важнейшие материалы для химического, нефтяного, энергетического машиностроения и ряда других отраслей промышленности используют при изготовлении конструкций, работающих в широком диапазоне: от отрицательных температур до положительных температур.
    Характерное отличие коррозионно-стойкой стали - пониженное содержание углерода (до 0,12 %), оказывающее решающее влияние на межкристаллитную коррозию. Благодаря этим свойствам эту сталь используют при изготовлении трубопроводов и аппаратов для химической и нефтяной промышленности.
    Одной из основных областей применения жаропрочной стали, легированной элементами-упрочнителями (молибденом до 7 %, вольфрамом до 7 %) - энергетическое машиностроение (трубопроводы, детали и корпуса газовых и паровых турбин и т. д.), где рабочие температуры достигают 750 °C и выше.
    Жаростойкие сталь и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температуре 1100-1150 °C. Обычно ее используют для слабонагруженных деталей (нагревательные элементы, печные арматуры, газопроводные системы и т. д.). Высокая окалиностойкость этой стали и сплавов достигается легированием их алюминием (до 2,5 %) и вольфрамом (до 7 %).
    В отличие от углеродистой стали при закалке высоколегированная сталь приобретает повышенные пластические свойства. Структура высоколегированной стали зависит от содержания основных элементов: хрома (ферритиза-тор) и никеля (аустенитизатор). На структуру влияет также содержание и других элементов-ферритизаторов (Si, Mo, Ti, Al, Nb, W V) и элементов-аустенитизаторов (C, Co, Ni, Cu, Mn, B).


            1.7. Характеристики работоспособности сварных соединений


    Свариваемость аустенитной стали и сплавов затруднена многокомпонент-ностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации (коррозионная стойкость, жаростойкость или жаропрочность). Общей сложностью сварки является предупреждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных (горячих) трещин. Они могут возникнуть и при термообработке изделий или во время работы конструкций при повышенных температурах.
    К сварным соединениям из жаропрочной стали предъявляются требования длительного сохранения высоких механических свойств при повышенных температурах. Термическое старение при 350-500 °C может привести к появлению 475-градусной хрупкости.


8

    При сварке высокопрочной стали в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Подбор химического состава металла шва, получение в нем благоприятных структур за счет выбора режима сварки и термообработки, снижение уровня остаточных напряжений за счет уменьшения жесткости сварных соединений или термообработки - это основные пути предотвращения охрупчивания сварных соединений и образования в них трещин (например, предварительный или сопутствующий подогрев до температуры 350-450 °C).
    Высокая коррозионная стойкость жаростойкой стали в газовых средах при повышенной температуре определяется образованием и сохранением на поверхности прочных и плотных пленок окислов (за счет легирования хромом, кремнием, алюминием). В сварных соединениях достигается максимальное приближение состава шва к составу основного металла.
    При использовании высоколегированной аустенитной стали основное требование к сварным соединениям - стойкость к различным видам коррозии (межкристаллитной, ножевой, коррозионному растрескиванию).


            1.8. Влияние легирующих добавок


    Одна из основных трудностей при сварке специальной стали и сплавов -это предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Это достигается регулированием химического состава сварных швов (получение аустенитной структуры с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами). Так, например, благоприятно легирование швов молибденом, марганцем, вольфрамом.


            1.9. Изменение свойств стали под действием термодеформационного цикла сварки


    В связи с пониженным коэффициентом теплопроводности высоколегированной стали в ней одинаковые изотермы более развиты, чем в углеродистой. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учётом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.
    Для уменьшения коробления применяют способы сварки с максимальной концентрацией тепловой энергии.


            1.10. Технологическая прочность сварных соединений


    Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, определяемой химическим составом, условиями остывания сварной конструкции и термообработкой.
    На прочность сварных соединений оказывает влияние получаемая при сварке структура металла. При сварке низколегированной стали при

9

небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно, поскольку эти составляющие дезориентировано и равномерно расположены в мягкой ферритной основе. Однако при увеличении доли закалочных структур пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения ухудшаются. Легирование стали марганцем и кремнием способствует образованию в сварных соединениях таких закалочных структур.
    Высокие механические свойства среднелегированной стали (перлитного класса) достигаются легированием элементами, упрочняющими феррит и повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термообработкой.
    При сварке высоколегированной стали для получения и сохранения в процессе эксплуатации заданных свойств сварного соединения, для обеспечения аустенитных швов без трещин, часто приходится прибегать к применению присадочных материалов, отличающихся по композиции от основного металла (даже в ущерб свойствам сварных соединений).
    При сварке хромистой коррозионно-стойкой стали в результате воздействия сварочного термического цикла происходит укрупнение зерна, резко падает вязкость металла околошовной зоны. Это требует высокотемпературного отпуска при 760-780 °C для повышения пластичности стали.
    В результате длительной эксплуатации и пребывании при высоких температурах (500-850 °C) высоколегированные швы лишаются своей первоначальной пластичности: происходит охрупчивание металла - тепловая хрупкость, сигматизация и старение. Средством предотвращения охрупчивния металла является изменение структуры за счет легирования и термообработки.


            1.11. Металлургическая характеристика способов сварки


    Процесс плавления характеризуется химическими реакциями между расплавленным металлом и окружающей средой (газовой фазой, флюсом и шлаком). Металл шва претерпевает реакции и превращения:
       - химические реакции - окисление элементов, усвоение заданных элементов, поглощение газов и т. д.;
       - физико-химические и структурные превращения - рост зерен, образование структур закалки, эвтектические превращения, выпадение новых структурных составляющих.
    Ручная дуговая сварка - высокоманевренный способ, при сварке высоколегированной стали различные сварочные материалы имеют широкий допуск по химическому составу. Различные типы сварных соединений, пространственные положения сварки и т. п. заставляют корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения образования в шве горячих трещин. Этим же достигается и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов.
    При сварке под флюсом преимущество перед ручной дуговой сваркой достигается:


10

       - отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов;
       - равномерностью электродной проволоки и основного металла по длине шва;
       - более надёжной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха и др.
    Однако при сварке под флюсом жаропрочной стали требование обеспечения необходимого количества ферритной фазы не всегда может быть достигнуто - в этом трудность получения необходимого состава металла шва только за счёт выбора сварочных флюсов и проволок.
    Легирование через проволоку предпочтительно, т. к. обеспечивает стабильность состава металла шва. При сварке используют безокислительные низкокремнистые фторидные и высокоосновные флюсы (происходит минимальный угар легирующих элементов).
    Электрошлаковая сварка позволяет получать чисто аустенитные швы без трещин за счёт малой скорости перемещения источника нагрева и характера кристаллизации металла сварочной ванны, но повышенная длительность пребывания металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах увеличивают его перегрев и ширину околошовной зоны.
    При сварке в защитных газах (инертных) наблюдается минимальный угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированной стали. При сварке в углекислом газе низкоуглеродистой высоколегированной стали, если концентрация углерода в сварочной ванне составляет 0,1 %, происходит науглероживание металла на 0,02-0,04 %. Этого достаточно для снижения стойкости металла шва к межкристаллитной коррозии. Одновременно окислительная атмосфера, создаваемая в дуге за счёт диссоциации углекислого газа, способствует угару до 50 % титана и алюминия. Но науглероживание металла шва благоприятно при сварке жаропрочной стали, поскольку при наличии карбидообразователей (титана и ниобия) науглероживание при увеличении в структуре карбидной фазы повышает жаропрочность.


            1.12. Термическая обработка сварных соединений


    После сварки изделия часто подвергаются температурной обработке. Длительное пребывание специальной стали и сплавов при температурах 1200-1250 °C, приводя к необратимым изменениям в их структуре, снижает прочностные и пластические свойства. Это повышает склонность сварных соединений теплоустойчивой стали к локальным (околошовным) разрушениям в процессе термообработки и эксплуатации при повышенных температурах. При сварке коррозионно-стойкой стали перегрев в околошовной зоне может привести к образованию ножевой коррозии. Для предупреждения этих дефектов необходима термообработка сварных изделий (закалка или стабилизирующий отжиг). При сварке жаропрочной и жаростойкой стали обеспечение требуемых свойств достигается термообработкой (аустенизацией), снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском.


11