Технология сварки среднелегированных (теплоустойчивых) и высоколегированных (нержавеющих) сталей

Температура плавления стали типа 18-8 составляет 1475°С

Трудности при сварке

• Закаливаемость сталей 0Х13 и, как следствие, образование в околошовной зоне твердых и хрупких участков основного металла
• Склонность металла и околошовной зоны к образованию горячих трещин
• Повышенная чувствительность к термическому циклу сварки, снижающая эксплуатационные свойства сварного соединения
• Трудность достижения коррозионной стойкости шва.

Следует тщательно выбирать оптимальный режим сварки, с учетом минимальною нагрева зоны термического влияния и минимального объема сварочной ванны. При многослойной сварке каждый последующий шов нужно выполнять после остывания предыдущего. Охлаждение можно ускорить обдувом воздухом. Необходимо тщательно осушать защитный газ и очищать свариваемые кромки и проволоку от загрязнений.

В качестве защитного газа предпочтителен аргон

Один из недостатков сварки коррозионностойких сталей в углекислом газе и его смесях — образование на поверхности трудноудаляемой оксидной пленки. Необходимо выбирать режимы, при которых обеспечивается не только минимальный нагрев основного металла, но и наименьшее разбрызгивание электродного металла.

Технология сварки теплоустойчивых среднелегированных сталей

Теплоустойчивые стали применяются для сварки металлоконструкций, которые должны сохранять свою работоспособность под воздействием высоких температур (400-600°C) и под действием высокого давления газа или пара (до 30МПа).

Такая группа сталей имеет склонность к образованию трещина в зоне термического влияния. Для того чтобы уменьшить риск их возникновения, перед сваркой выполняют предварительный подогрев свариваемого металла до температуры 200-400°C, а после окончания сварки сварное соединение подвергают высокому отпуску, нагревая его до 710°C, выдерживая при этой температуре, и медленно охлаждают. В некоторых случаях проводят отжиг при температуре 670-800°C.

Сварка теплоустойчивых сталей марок 12МХ и 20МХЛ

Металлоконструкции из сталей марок 12МХ и 20МХЛ способны сохранять свою работоспособность при повышении температуры до 550°C. Для их сварки используют электроды типа ЦЛ-14. Режимы сварки электродами данного типа представлены в таблице, выше по тексту. Перед сваркой свариваемые детали из стали 12МХ предварительно подогревают до температуры 200°C, а из стали 20МХ — до 300°C. После окончания сварки сварные соединения подвергают низкотемпературному отпуску при температуре 710°C.

Сварка теплоустойчивых сталей марок 34ХМ и 20Х3МВФ

Сварные изделия из сталей марок 34ХМ и 20Х3МВФ предназначены для работы при температурах, достигающих 470°C. Для их сварки применяют электроды ЦЛ-30-63.

Перед сваркой выполняют предварительный подогрев свариваемого металла. Для стали 34ХМ температура подогрева составляет 350°C, а для стали 20Х3МВФ — 400°C. После сварки сварные соединения проходят термическую обработку: сталь 34ХМ подвергают отпуску при температуре 600°C, а сталь 20Х3МВФ отпускают при 680°C.

Сварка изделий из сталей 20ХМФ, 20ХМФЛ, 12Х1М1Ф

Сварные соединения из сталей марок 20ХМФ, 20ХМФЛ, 12Х1М1Ф способны сохранять свою работоспособность при повышении температуры до 570°C. Их сваривают электродами типа ЦЛ-20-63. После окончания сварки рекомендуется выполнять термическую обработку — высокотемпературный отпуск при температуре 700-740°C в течение 3ч.

Сварка изделий из сталей 15ХМФКР и 12Х2МФБ

Изделия из сталей обладают большой теплоустойчивостью, они способны сохранять эксплуатационные свойства, работая при температурах до 600°C. Для их сварки выбирают электроды типа ЦЛ-26М-63, режимы сварки для которых приведены в таблице выше.

При сварке электрическая дуга должна быть как можно более короткой. Перед сваркой обязателен предварительный подогрев, а во время сварки — сопутствующий. Температура подогрева — 400°C. После окончания сварки соединение подвергают высокотемпературному отпуску при температуре 740-760°C.

Сварка сталей Х5М и 15Х5МФА

Теплостойкие стали марок Х5М и 15Х5МФА предназначены для работы под воздействием агрессивных сред и высоких температур (450°C). Для их сварки применяют электроды марок ЦЛ-17-63.

Сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 400°C. После сварки необходим высокотемпературный отпуск при температуре 760°C в течение 3ч.

Сварка теплоустойчивых сталей покрытыми электродами

Сварку выполняют при таких же режимах, как и сварку низколегированных конструкционных сталей. При сварке таких сталей очень важно хорошо проварить корень шва. Поэтому, первый слой наплавляют электродами малого диаметра, 2-3мм. Для большинства электродов необходимо применять постоянный ток обратной полярности.

Техника сварки среднеуглеродистых теплоустойчивых сталей такая же, как и техника сварки низкоуглеродистых сталей. При наплавке сварных швов из множества слоёв используют каскадный способ сварки, не охлаждая при этом каждый отдельно выполненный слой.

Подготовка к сварке

Кромки стыкуемых деталей из высоколегированных сталей лучше готовить механическим способом. Однако допускается плазменная, электродуговая, газофлюсовая или воздушно-дуговая резка. После огневых способов обязательно обрабатывают кромки механическим инструментом на глубину 3-5 мм.

Снимать фаску для получения скоса кромки необходимо только механическим способом. Снаружи и внутри кромки зачищают от окалины и загрязнений на ширину 20 мм и обезжиривают.

Затем осушают защитный газ, очищают электродную проволоку от смазки и грязи травлением или механически с последующим прокаливанием.

Стыки собирают в приспособлениях либо с помощью прихваток. Их нужно располагать равномерно по всей длине стыков на расстоянии 75-125 мм одна от другой. Размеры прихваток выбирают в зависимости от толщины металла и геометрии стыка. Прихватки перед сваркой зачищают до металлического блеска и проверяют, нет ли в них трещин и других дефектов. Прихватки с недопустимыми дефектами удаляют механическим способом.

В местах пересечения швов прихватки устанавливать нельзя.

Выбор параметров режима

Сварку ведут постоянным током обратной полярности, желательно в среде инертных газов. Целесообразно выбирать сварочные проволоки сходные по химическому составу с основным металлом.

Режим сварки нужно соблюдать таким, чтобы шов остывал как можно быстрее.

Сварка высоколегированных коррозионностойких сталей возможна в СО2, газовых смесях: Ar+СО2; Ar+О2. Для получения качественных швов применяют проволоки с повышенным содержанием титана и алюминия, например: Св-07Х18Н9ТЮ, Св-08Х20Н9С2БТЮ

Ориентировочные режимы сварки сталей типа 18-8 в инертных газах

Ориентировочные режимы сварки высоколегированных сталей в углекислом газе

Сталь 30ХМ (30ХМА) конструкционная легированная

Расшифровка

• Согласно ГОСТ 4543-2016 цифра 30 в обозначении стали указывает среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента, т.е. углерода в стали 30ХМ около 0,30%
• Буква Х указывает что в стали содержится хром (Cr), отсутствие цифр за буквой указывает, что хрома в стали содержится примерно до 1,5%.
• Буква М указывает что в стали содержится молибден (Mo), отсутствие цифр за буквой указывает, что молибдена в стали содержится до 1,5%.
• Наличие буквы А в конце обозначения марки стали указывает, что сталь 30ХМA является высококачественной, т.е. с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению с качественной сталью.

Заменитель

Иностранные аналоги [1, 2]

Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)

Вид поставки

• Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88.
• Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73.
• Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77.
• Полоса ГОСТ 103-76.
• Поковка и кованая заготовка ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.
• Труба ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8732-78.

Характеристики и свойства [3]

Хромомолибденовая сталь 30ХМ (30ХМА) является конструкционной легированной улучшаемой сталью. Обычная термическая обработка таких сталей — закалка в масле и высокий отпуск (550-650°C).

Прокаливаемость 30ХМ немного выше, чем у стали 40Х, но ниже порог хладноломкости, кроме того сталь 30ХМ нечувствительна (как и другие молибденовые стали) к отпускной хрупкости II рода.

Назначение

• валы,
• шестерни,
• шпиндели,
• шпильки,
• фланцы,
• диски,
• покрышки
• штоки и другие ответственные детали, работающие в условиях больших нагрузок и скоростей при температуре до 450-500 °C.
• Силовые детали реактивных двигателей, работающие при температурах до 450°C.

Применение стали 30ХМА в качестве материала трубопроводов в зависимости от параметров транспортируемой среды (ГОСТ 32569-2013)

Применение стали 30ХМ и 30ХМА в качестве материала для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)

Пределы применения, виды обязательных испытаний и контроля стали 30ХМА для фланцев, линз, прокладок и крепежных деталей для давления свыше 10 МПа (100 кгс/см2) (ГОСТ 32569-2013)

Максимально допустимая температура применения стали 30ХМА в водородсодержащих средах, °C (ГОСТ 32569-2013)

Максимально допустимые температуры применения стали 30ХМА в средах, содержащих аммиак, °C (ГОСТ 32569-2013)

Условия применения стали 30ХМА для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

Условия применения стали 30ХМА для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

ПРИМЕЧАНИЕ. Допускается применять крепежные изделия из стали марок 30ХМА при температурах ниже минус 40°C до минус 60°C, если при испытании на ударный изгиб образцов типа 11 по ГОСТ 9454 при рабочих отрицательных температурах ударная вязкость не будет ниже 300 кДж/м2 (3 кгс*м/см2) ни на одном из испытуемых образцов.

Рекомендации по применению стали 30ХМА для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (ГОСТ 33260-2015)

Стойкость стали 30ХМА против щелевой эрозии (ГОСТ 33260-2015)

ПРИМЕЧАНИЕ. Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).

Рекомендуемая термическая обработка стали 30ХМА [4]

• Предварительная термическая обработка: нормализация с 900°C, отпуск при 670°C.
• Окончательная термическая обработка: закалка с 880±10°C в масле, отпуск при 550-650°C с охлаждением в масле или воде.

Ориентировочные режимы термической обработки стали 30ХМ [5]

Режимы термической обработки стали 30ХМ и 30ХМА [5]

Твердость по Бринеллю металлопродукции из стали 30ХМ и 30ХМА (ГОСТ 4543-2016)

ПРИМЕЧАНИЕ. Твердость по Бринеллю указана для металлопродукции в отожженном (ОТ) или высокоотпущенном (ВО) состоянии, а также горячекатаной и кованой металлопродукции, нормализованной с последующим высоким отпуском (Н+ВО), диаметром или толщиной свыше 5 мм.

Механические свойства металлопродукции из стали 30ХМ (30ХМА) (ГОСТ 4543-2016)

Механические свойства в зависимости от сечения [6]

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Примечание. Закалка с 880°C в масле.

Механические свойства при повышенных температурах [6]

Предел выносливости

Ударная вязкость КСU [6]

Механические свойства при испытании на длительную прочность [9]

Технологические свойства [10]

• Температура ковки,°C: начала 1260, конца 760-800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, сечения 101-300 мм — в мульде.
• Свариваемость — ограниченно свариваемые. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка.
• Обрабатываемость резанием — Кv тв.спл= 0,7 и Kv б.ст.= 0,3 МПа после закалки и отпуска при НВ 229-269 σв= 930 МПа.
• Флокеночувствительность — малочувствительна.
• Склонность к отпускной хрупкости — не склонна.

Плотность ρп кг/см3 при температуре испытаний, °C

Коэффициент линейного расширения α*106, К-1

Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К)

Модуль Юнга (нормальной упругости) Е, ГПа

Удельная теплоемкость c, Дж/(кг*К)

Удельное электросопротивление ρ нОм*м

Библиографический список

• Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов — 2000 г.
• СТ ЦКБА 005ю3-2009
• Гуляев А.П. Металловедение. 1986г.
• Скляров Н.М. Конструкционные стали Т1 — 1975 г.
• Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов. Справочник — 1982 г.
• Материалы в машиностроении. Т.2. конструкционная сталь: Справочник/ Под ред. И.В.Кудрявцева, Е.П.Могилевского. — М.: Машиностроение, 1967.-496 с.
• Гуляев А.П., Мещеринова О.Н., Трифонова Т.Н. Влияние бора на свойства легированных конструкционных сталей / С. научн. тр. ЦНИИЧМ. 1962. Специальные стали и сплавы. Вып. 27. — М.: Металлургия, С.29-46
• Ващенко К.И., Ростовцев Л.И., Аленкевич А.В. Безникелевые сптали для отливок колосников холодильника цементных печей / Литейное производство. 1973. №6. С. 22-23.
• Михайлов-Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. -М. -Л.: Машиностроение, 1961.
• Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г.Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989.-639 c.

Узнать еще

Сталь 30Х3МФ конструкционная легированная…

Сталь 10Х17Н13М3Т (ЭИ432) коррозионностойкая аусте…

Сталь 25 конструкционная углеродистая сталь…

Сталь марки 03Х18Н10Т хромисто-никелевая с титаном…