СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

СВАРИВАЕМОСТЬ СТАЛЕЙ

Малоуглеродистые стали вообще отличаются хорошей сварива­емостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если со­держание их превышает норму.

Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем из нормы, если они образуют местные скопления, например, вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в малоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причём последняя особенно склонна к лик­вации с образованием местных скоплений.

Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать так­же засорённость металла газами и неметаллическими включениями. Засорённость металла вредными примесями зависит от способа его производства и о ней частично можно судить по маркировке метал­ла. Сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная лучше, чем кипящая. При изготовлении ответственных сварных из­делий указанные отличия в свариваемости малоуглеродистых ста­лей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла.

Углеродистые стали, содержащие углерода более 0,25%, обла­дают пониженной свариваемостью по сравнению с малоуглероди­стыми, причём свариваемость постепенно снижается по мере повы­шения содержания углерода. Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведёт к получению твёрдых хруп­ких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин. С повышением содержания углерода растёт склонность металла к перегреву в зоне сварки. Увеличенное содер­жание углерода усиливает процесс его выгорания с образо­ванием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавлен­ного металла.

При содержании углерода свыше 0,4—0,5% сварка стали ста­новится одной из сложнейших задач сварочной техники. Углероди­стые стали вообще обладают пониженной свариваемостью и, если это возможно, рекомендуется заменять их низколегированными кон­струкционными сталями, которые дают ту же прочность при значи­тельно меньшем содержании углерода за счёт других легирующих элементов. При сварке углеродистых сталей плавлением обычно не придерживаются соответствия химического состава присадочного и основного металла, стремясь получить наплавленный металл рав­нопрочным с основным за счёт легирования марганцем, кремнием и др. при сниженном содержании углерода.

Сварка углеродистых сталей часто выполняется с предваритель­ным подогревом и последующей термообработкой, причём, если возможно, во многих случаях стремятся совместить термообработку с процессом сварки, например при газовой сварке мелких деталей, при газопрессовой сварке, при точечной и стыковой контактной сварке и т. д.

Большинство низколегированных конструкционных сталей обла­дает удовлетворительной свариваемостью. Ввиду возросшего зна­чения сварки новые марки конструкционных низколегированных сталей, как правило, выпускаются с удовлетворительной свари­ваемостью. Если же испытания пробных партий стали показывают недостаточно удовлетворительную свариваемость, то обычно для улучшения свариваемости изготовители корректируют состав стали. В некоторых случаях требуется небольшой предварительный подо­грев стали до 100—200°, реже приходится прибегать к последующей термообработке. Для предварительной грубой качественной оценки свариваемости низколегированных сталей иногда прибегают к под­счёту эквивалента углерода по химическому составу стали. Под­счёт ведётся по следующей эмпирической формуле:

TOC o "1-5" h z ^ п, Мп, Сг, Ni і V

Эквивалент углерода = С -|----------------- 1---------------------- - ,

6 3 15 5

где символы элементов означают процентное содержание их в стали. При эквиваленте углерода меньше 0,45 свариваемость стали может считаться удовлетворительной, если же эквивалент углерода больше 0,45, то необходимо принимать специальные меры, как, например, предварительный подогрев и последующая термо­обработка. Следует отметить, что метод оценки свариваемости по эквиваленту углерода является весьма ориентировочным и далеко не всегда даёт верные результаты.

По структуре низколегированные стали относятся обычно к пер­литному классу. Большое разнообразие химического состава низко­легированных сталей делает весьма трудным получение совпадания химического состава наплавленного и основного металла при сварке плавлением, что требует весьма большого, трудно осуще­ствимого разнообразия присадочных материалов. Поэтому, за исключением некоторых особых случаев, где требуется соответствие химического состава основного и наплавленного металла (например, получение устойчивости против коррозии, крипоустойчивости и т. п.), обычно ограничиваются получением необходимых механи­ческих свойств наплавленного металла, не принимая во внимание его химический состав. Это даёт возможность при сварке многих сортов сталей пользоваться немногими видами присадочных ма­териалов, что является существенным практическим преимуществом. Например, электродами УОНИ-13 успешно свариваются десятки марок углеродистых и низколегированных сталей. В сварных кон­струкциях низколегированные стали обычно предпочитают углеро­дистым той же прочности. Для установления необходимости неболь­шого предварительного подогрева и последующего отпуска часто принимают во внимание максимальную твёрдость металла зоны влияния. Если твёрдость не превышает 200—250 Н в то подогрев и отпуск не требуются, при твёрдости 250—30G Нв применение по­догрева или отпуска является желательным, при твёрдости свыше 300—350 Нв — обязательным.

Из высоколегированных сталей обладают хорошей свари­ваемостью и находят широкое применение в сварных конструкциях стали аустенитного класса. Наиболее широко применяются хромо­никелевые аустенитные стали, например общеизвестная нержавею­щая сталь 18/8 (18% хрома и 8% никеля). Хромоникелевые аусте­нитные стали применяются как нержавеющие, а при более высоком легировании, например при содержании 25% хрома и 20% никеля, они являются и жароупорными сталями. Содержание углерода в хромоникелевых аустенитных сталях должно быть минимальным, не превышающим 0,10—0,15% в различных марках, иначе возможно выпадение карбидов хрома, резко снижающее ценные свойства аустенитной стали.

Для частей машин, работающих на истирание, например для щёк камнедробилок, а также для рельсовых крестовин, применяется обычно в форме отливок сравнительно дешёвая марганцовистая аустенитная сталь, содержащая 13—14% марганца и 1,0—1,3% углерода.

Сварка аустенитных сталей должна, как правило, сохранить структуру аустенита в сварном соединении и связанные с аустени - том ценные свойства: высокое сопротивление коррозии, высокую пластичность и т. д. Распад аустенита происходит с выпадением карбидов, образуемых освобождающимся из раствора избыточным углеродом. Распаду аустенита способствуют нагрев металла до температур ниже точки аустенитного превращения, уменьшение со­держания аустенитообразующих элементов, повышение содержания углерода в малоуглеродистых аустенитах, загрязнение металла при­месями и т. д. Поэтому, при сварке аустенитных сталей следует сокращать до минимума продолжительность нагрева и количество вводимого тепла и применять возможно более интенсивный отвод тепла от места сварки посредством медных подкладок, водяного охлаждения и т. д.

Аустенитная сталь, идущая для изготовления сварных изделий, должна быть высшего качества с минимальным количеством за­грязнений. Поскольку распад хромоникелевого аустенита вызы­вается образованием и выпадением карбидов хрома, стойкость аустенита может быть повышена введением в металл карбидообра- зователей более сильных, чем хром. Для этой цели оказались при­годными титан Ті и ниобий Nb, в особенности первый элемент, к тому же не являющийся дефицитным. Титан весьма прочно свя­зывает освобождающийся углерод, не позволяя образовываться карбидам хрома, и тем самым предотвращает распад аустенита. Для сварки рекомендуется применять аустенитную сталь с неболь­шим содержанием титана. Хорошей свариваемостью отличается, на­пример, нержавеющая аустенитная хромоникелевая сталь ЭЯ-1Т типа 18/8 с небольшим количеством титана (не свыше 0,8%). Более строгие требования, естественно, предъявляются к присадочному металлу, который должен быть аустенитным, желательно с неко­торым избытком легирующих элементов, с учётом возможного их выгорания при сварке и со стабилизирующими добавками — тита­ном или ниобием. ГОСТ 2246-51 предусматривает аустенитную при­садочную проволоку для сварки нержавеющих и жароупорных ста­лей. Аустенитная присадочная проволока иногда применяется и для сварки сталей мартенситного класса.

Дефицитность и высокая стоимость аустенитной хромоникеле­вой проволоки заставляют проводить изыскания над получением более дешёвых заменителей. В лабораторных условиях были полу­чены удовлетворительные результаты с электродами, имеющими стержень из малоуглеродистой проволоки марки Св1А по ГОСТ 2246-51, с обмазкой, содержащей хром и никель, а также при авто­матической сварке проволокой марки Св1А под керамическим не - плавленным флюсом, содержащим хром и никель. При сварке этими электродами в обоих случаях отпадает лишь необходимость в де­фицитной аустенитной проволоке, но остаётся расход дефицитного металлического никеля и металлического хрома или высокопро­центного малоуглеродистого феррохрома, вводимых в соответствую­щих количествах в обмазку или во флюс.

Точечная контактная сварка нержавеющих сталей ведётся на очень жёстких режимах, время прохождения тока часто снижается до х/г и }4 периода переменного тока, т. е. до 0,01 и 0,005 сек.

Стали мартенситного класса, отличающиеся высокой прочностью и твёрдостью, находят применение как инструментальные стали, как броневые и т. д. Сварка их связана с известными труд­ностями.

Стали легко и глубоко закаливаются, поэтому после сварки обычно необходима последующая термообработка, заключающаяся в низком или высоком отпуске. Часто необходим также предвари­тельный подогрев изделия. Существенное значение может иметь предшествующая термообработка изделия перед сваркой, жела­тельно по возможности равномерное мелкодисперсное распреде­ление структурных составляющих. При сварке плавлением часто отказываются от соответствия наплавленного и основного металла не только по химическому составу, но и по механическим свойствам, стремясь, в первую очередь, обеспечить повышенную пластичность наплавленного металла и устранить образование в нём трещин. Для этой цели при дуговой сварке довольно часто применяют, на­пример, аустенитные электроды.

Стали карбидного класса применяются главным образом как инструментальные, и на практике чаще приходится иметь дело не со сваркой, а с наплавкой этих сталей при изготовлении и восста­новлении металлорежущего инструмента, штампов и т. п. Предва­рительный подогрев и последующая термообработка для этих ста­лей по большей части обязательны.

Для дуговой сварки и наплавки применяются электродные стержни легированных сталей, близких по свойствам к основному металлу, а также и стержни малоуглеродистой стали с легирую­щими покрытиями, содержащими соответствующие ферросплавы. По окончании сварки или наплавки обычно производится термо­обработка, состоящая из закалки и отжига.

Стали ферритного класса отличаются тем, что в них совершенно подавлено или ослаблено образование аустенита при высоких тем­пературах за счёт введения больших количеств стабилизаторов феррита.

Существенное практическое значение имеют хромистые феррит - ные стали с содержанием хрома от 16 до 30% и углерода не свыше 0,1—0,2%, отличающиеся кислотоупорностью и исключительной жаростойкостью. Стали могут быть сварены с присадочным метал­лом того же состава или аустенитным. Обязателен предваритель­ный подогрев, по окончании сварки производится продолжительный отжиг в течение нескольких часов, за которым следует быстрое охлаждение.