Высоколегированные стали

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ. ВЫБОР СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ.

                Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими материалами, широко применяемыми в химическом, нефтяном, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности для изготовления конструкций, работающих в широ-ком  диапазоне температур. Благодаря высоким механическим свойствам при отрицатель-ных температурах высоколегированные стали и сплавы применяют в ряде случаев и как хладостойкие.
Высоколегированные стали и сплавы классифицируют (условно) по:

• свойствам:                              коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы;
                                                     жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

• структурному классу:             аустенитно-ферритные стали;
                                                      аустенитно-мартенситные стали;
                                                      аустенитные стали и сплавы.

• по элементам легирования:   хромистые стали и сплавы;
                                                          хромоникелевые стали и сплавы;
                                                          хромомарганцевые стали и сплавы.

         Наибольшее распостранение, в силу своих свойств, в машиностроении получили высоколегированные аустенитные стали. Высоколегированными аустенитными сталями считают сплавы на основе железа, легированные различными элементами в количестве до 55%, в которых содержание основных легирующих элементов — хрома и никеля обычно не ниже 18% и 8% соответственно. К аустенитным сплавам относят железоникелевые сплавы с содержанием железа и никеля более 65% при отношении никеля к железу 1:1,5 и никелевые сплавы с содержанием никеля не менее 55%.         Соответствующий подбор легирующих элементов определяет свойства и основное служебное назначение этих сталей и сплавов.

          Характерным отличием коррозионно-стойких сталей является пониженное содержание углерода (не более 0,12%). При соответствующем легировании и термической обработке стали обладают высокой коррозионной стойкостью при 20° С и более высокой температуре как в газовой среде, так и в водных растворах кислот, щелочей и в жидкометаллических средах. 

          К жаропрочным относятся стали и сплавы, обладающие высокими механическими свойствами при повышенных температурах и способностью выдерживать нагрузки при нагреве в течение длительного времени. Для придания этих свойств стали и сплавы легируют элементами-упрочнителями — молибденом и вольфрамом (до 7% каждого). Важной легирующей присадкой, вводимой в некоторые стали и сплавы, является бор, способствующий измельчению зерна. 
          Жаростойкие стали и сплавы обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100—1150 0С. Обычно их используют для слабонагруженных деталей (нагревательные элементы, печная арматура, газопроводные системы и т. д.). Высокая окалиностойкость этих сталей и сплавов достигается легированием алюминием (до 2,5%) и кремнием, способствующими созданию прочных и плотных окислов на поверхности деталей, предохраняющих основной металл от контакта с газовой средой. 

          После соответствующей термической обработки [закалка (нагрев до 1150оС, охлаждение в воде)+ стабилизирующий отпуск (нагрев до 850оС, охлаждение на воздухе до комнатной температуры)] высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойствами. В отличие от углеродистых, эти стали при закалке приобретают повышенные пластические свойства. Структуры высоколегированных сталей разнообразны и зависят не только от их состава, но и от режимов термической обработки, степени пластической деформации и других факторов.
Введение достаточного количества никеля в 18%-ную хромистую сталь переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой и не хладоломкой.
Аустенитное состояние сплавов 18% Cr и 8-15% Ni в зависимости от структуры химического состава сплава может быть устойчивым и неустойчивым. Элементы химического состава сплава можно разделить на:

•   способствующие превращению γ-фазы железа в ά-фазу (ферритообразующие)
• препятствующие этому превращению (аустенитообразующие).
   

Для оценки структурного состояния сталей можно воспользоваться схематической диаграммой (диаграмма Шеффлера), показывающей приближенное структурное состояние сплава при комнатной температуре в зависимости от содержания ферритообразующих и аустенитообразующих элементов (рис.1).

              Рис. 1. Структурная диаграмма нержавеющих сталей (диаграмма Шеффлера).

К аустенитообразующим элементам, т.е. действующим аналогично никелю, относятся углерод, азот и марганец, к ферритообразующим, влияющим подобно хрому, - молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал, кремний. Влияние каждого элемента приведено к влиянию хрома и никеля через соответствующие коэффициенты. Так, углерод, как аустенитообразующий элемент, влияет в 30 раз сильнее никеля, а ниобий- в два раза слабее хрома.

Эквивалент Ni = %Ni+30*%C+A*%Mn
Эквивалент Cr =%Cr+%Mo+1.5*%Si+0.5*%Nb+0,8*%W+1.5*%V+4*%Ti+3.5*%Al,
где: А-коэффициент равный: 1,5-если в составе стали отсутствует азот N;
                                                   0,5-при присутствии в химическом составе стали азота N.

                       Используя приведенные зависимости, можно легко убедится в том, что наиболее распостраненные, так называемые «пищевые», промышленные хромоникелевые стали: 08-12Х18Н10Т, 08-12Х18Н9 относятся к неустойчивым аустенитам, т.к. попадают практически точно на линию границы  разделяющей аустенитные стали с аустенитно-мартенситными. Это подтверждается и практикой работы с этими сталями. Стоит изменить температурный диапазон охлаждения после термической обработки этих сталей и привести его в зону отрицательных температур или подвергнуть сталь пластической деформации при комнатной температуре, все это приведет к образованию в стали мартенсита и сталь станет аустенитно-мартенситной. Это сразу сказывается на магнитных свойствах стали, поскольку аустенитно-мартенситные стали обладают некоторым магнитным эффектом, с чем часто связаны конфликтные ситуации при приемке «пищевой нержавейки» на складах предприятий работниками бюро входного контроля, уверенных в том, что «нержавейка немагнитна».
 В аустенитных хромоникелевых сталях, легированных титаном и ниобием, образуются не только карбиды хрома, но и карбиды титана и ниобия. При содержании титана Ti > (%С—0,02)x5] или ниобия Nb > (%Сx10) весь свободный углерод (выше предела его растворимости в аустените) может выделиться в виде карбидов титана или ниобия и аустенитная сталь становится не склонной к межкристаллитной коррозии. Выпадение карбидов повышает прочностные и понижает пластические свойства сталей. Это свойство карбидов используют для карбидного упрочнения жаропрочных сталей, проводимого в комплексе с интерметаллидным упрочнением частицами. В связи с содержанием в сталях и сплавах большого количества различных легирующих элементов их упрочнение происходит за счет комплексного влияния дисперсных фаз и интерметаллидных включений.

                  СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ.

                                               ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ.

          Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения. В связи с этим и требования к свойствам сварных соеди-нений будут различными. Это определяет и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направ-ленную на получение сварного соединения с  необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.
Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства (низкий коэффициент теплопроводности, повышенный коэффициент теплового расширения, высокий коэффициент удельного электросопротивления) заставляют создавать особые условия и применять специальные технологические приемы при их  сварке. Пониженный коэффициент теплопроводности, при равных остальных условиях, значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне, что увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения – возрастает и коробление изделий.
Главной и общей особенностью сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов является склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Они могут наблюдаться как в виде мельчайших микронадрывов, так и видимых трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжений усадки.
Предупреждение образования этих дефектов достигается использованием нижеуказанных технологических приемов:
      1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висму-та) примесей, а также газов — кислорода и водорода. Для этого следует применять ре-жимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать сварочные мате-риалы с минимальным содержанием названных примесей (стали двойного переплава: вакуумного и электрошлакового). Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это умень-шит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3-5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования феррито-образующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и α-фазы.
Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 … 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритообразователей.

          Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высоко-основные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот — силь-ный аустенитообразователь, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.
Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

         3) Применением технологических приемов, направленных на изменение формы свароч-ной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероят-ность образования горячих трещин. При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристал-лизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;

         4) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок. Сни-жение его действия достигается ограничением силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конфигураций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги.

Еще одной серьезной проблемой при сварке высоколегированных аустенитных сталей различными способами является предупреждение межкристаллитной и «ножевой» кор-розии шва и околошовного основного металла.
В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя  механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва,  не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения его не совсем «чистыми» сварочными материалами, длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур.
Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое дейст-вие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах — после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии.
Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и создания в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно легируют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кислороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислительную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), он выгорает в количестве 70-90 %. Легирование швов тита-ном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флюсов. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.
При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенизацией), описанной выше. При невозможности термообработки, сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350-400°С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

       ГАЗОВАЯ СВАРКА
В настоящее время самый менее используемый способ сварки высоколегированных ста-лей. Газовая сварка обеспечивает большую зону разогрева, значительный перегрев расплавленного металла и замедленное охлаждение. При этом происходит значительный угар легирующих элементов. Она наименее благоприятна для сварки особенно кислотостойких сталей, в которых может развиваться значительная межкристаллитная коррозия. Газовая сварка может использоваться для сварки жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1-2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем с мощностью пламени 70--75 л/ч на 1 мм толщины. Процесс следует вести с возможно большей скоростью, мундштук держать под углом 45° к поверхности. В сварных соединениях образуются большие коробления.

 ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА

Электродуговая сварка - это современный и высокоманевренный способ сварки, используемое при этом оборудование обеспечивает механизацию труда сварщика.
Электродуговая сварка, по способу защиты металла шва от воздействия окружающей среды, подразделяется на:
• сварку покрытыми электродами;
• электрошлаковую сварку;
• сварку в защитной среде (под слоем флюса и газовой).

РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ

Различие типов сварных соединений, пространственного положения сварки и т.п. способ-ствует изменению глубины проплавления основного металла, а также изменению хими-ческого состава металла шва. Все это заставляет корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения, таким образом, образования в шве горячих трещин, а также достижения необходимой жаропрочности и коррозионной стойкости швов.
Получению металла шва с необходимыми химическим составом и структурами и уменьшению угара легирующих элементов способствует применение электродов с фтористокальциевым (основным) покрытием и поддержание короткой дуги без поперечных колебаний электрода, что дополнительно уменьшает вероятность образования дефектов на поверхности основного металла в результате прилипания брызг.
Тип покрытия электрода определяет необходимость использования постоянного тока обратной полярности, величину которого назначают так, чтобы отношение его к диаметру электрода не превышало 25—30 А/мм. В потолочном и вертикальном положениях сварочный ток уменьшают на 10—30% по сравнению с током, выбранным для нижнего положения сварки.
Сварку покрытыми электродами рекомендуется выполнять ниточными швами и для повышения стойкости против горячих трещин применять электроды диаметром 3 мм. Во всех случаях следует обеспечивать, минимальное проплавление основного металла. Электроды перед сваркой должны быть прокалены при 250— 400 0С в течение 1—1,5 ч для уменьшения вероятности образования в швах пор, вызываемых водородом, и трещин.
Тип электродов для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами определяется ГОСТ 10052—75. Размеры и общие технические требования регламентированы ГОСТ 9466—75.
В таблице №1 указаны некоторые марки электродов применяемые для сварки высоколегированных сталей, работающих в определенных условиях.

Таблица № 1
Марки электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов.
 

ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА

Пониженная чувствительность к образованию горячих трещин, позволяющая получать аустенитные швы без трещин, объясняется особенностями электрошлаковой сварки: малой скоростью перемещения источника нагрева, характером кристаллизации металла сварочной ванны и отсутствием в стыковых соединениях больших угловых деформаций. Однако длительное пребывание металла при 1200—1250 0С, приводя к необратимым изменениям в его структуре, снижает прочностные и пластические свойства околошовной зоны, что повышает склонность сварных соединений теплоустойчивых сталей к локальным (околошовным) разрушениям в процессе термической обработки или эксплуатации при повышенных температурах. При сварке коррозионно-стойких сталей перегрев стали в околошовной зоне может вызвать ножевую коррозию, поэтому следует производить термическую обработку сварных изделий (закалку или стабилизирующий отжиг), что иногда технически затруднительно из-за габаритных размеров изделий.
Для электрошлаковой сварки коррозионно-стойких сталей используют флюсы АНФ-6, АНФ-7, АНФ-8, 48-ОФ-6, АНФ-14и др., а для жаростойких сталей — флюсы АНФ-Ш, АНФ-7, АНФ-8 и высокоосновный АН-292. При сварке жаростойких сталей типа Х25Н13 двухфазным швом можно применять низкокремнистые флюсы АНФ-14 и АН-26. Применение фторидных безокислительных флюсов, особенно при сварке жаропрочных сталей и сплавов, не гарантирует угара легкоокисляющихся легирующих элементов (титана; марганца и др.) в результате проникновения кислорода воздуха через поверхность шлаковой ванны; это вызывает необходимость в некоторых случаях защищать поверхность шлаковой ванны путем обдува ее аргоном.
Электрошлаковую сварку можно выполнять проволокой диаметром 3 мм или пластинчатыми электродами толщиной 6—20 мм. Изделия большой толщины со швами небольшой протяженности целесообразнее сваривать пластинчатым электродом. Изготовлять пластинчатый электрод более просто, чем проволоку, но сварка проволокой обеспечивает возможность изменения формы металлической ванны и характера кристаллизации шва, что способствует получению швов без горячих трещин. Однако жесткость сварочной проволоки затрудняет длительную и надежную работу токоподводящих и подающих узлов сварочной аппаратуры.

СВАРКА ПОД СЛОЕМ ФЛЮСА

Сварка под флюсом является одним из основных процессов сварки высоколегированных сталей толщиной 3—50 мм при производстве химической и нефтехимической аппаратуры. Основным преимуществом этого способа перед ручной дуговой сваркой покрытыми электродами является стабильность состава и свойств металла по всей длине шва при сварке как с разделкой, так и без разделки кромок. Это обеспечивается возможностью получения шва любой длины без кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва и более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха.
Хорошее формирование швов с мелкочешуйчатой поверхностью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверхности изделия заметно повышают коррозионную стойкость сварных соединений. Уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок производят на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке — на металле толщиной 3—5 мм). Возможна сварка с повышенным зазором и без разделки кромок стали толщиной до 30—40 мм. Уменьшение потерь на угар, разбрызгивание и огарки электродов на 10—20% снижает расход дорогостоящей сварочной проволоки.
Техника и режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов имеют ряд особенностей по сравнению со сваркой обычных низколегированных сталей. Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим изменеием структуры металла, возможности появления трещин и снижения эксплуатационных свойств сварного соединения, рекомендуется выполнять сварку швами небольшого сечения. Это обусловливает применение сварочных проволок диаметром 2—3 мм, а с учетом высокого электросопротивления аустенитных сталей — необходимость уменьшения вылета электрода в 1,5—2 раза. Аустенитные сварочные проволоки в процессе изготовления сильно наклёпываются и имеют высокую жесткость, что затрудняет работу правильных, подающих и токоподводящих узлов сварочных установок, снижая срок их службы.
Шов легируют через флюс и/или проволоку. Способ легирования через проволоку более предпочтителен, так как обеспечивает повышенную стабильность состава металла шва. Для сварки под флюсом аустенитных сталей и сплавов используют сварочные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246—70 и по ведомственным техническим условиям, и низкокремнистые фторидные и высокоосновные бесфтористые флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. У флюсов, применяемых для коррозионно-стойких сталей, необходимо контролировать углерод, содержание которого не должно быть выше 0,1—0,2%. Наибольшее применение для сварки коррозионных сталей получили низкокремнистые флюсы АН-26, 48-ОФ-Ю и АНФ-14.
Сварку жаростойких сталей аустенитно-ферритными проволоками типа 08Х25Н13БТЮ выполняют под низкокремнистыми флюсами АН-26, АНФ-14 и 48-ОФ-10. При сварке стабильноаустенитными проволоками и проволоками, содержащими легкоокисляющиеся элементы  (алюминий,  титан,  бор и  др.),  применяют  нейтральные  фторидные  флюсы
АНФ-5, 48-ОФ-Ю. Для обеспечения стойкости против горячих трещин аустенитных швов рекомендуют применять фторидный бористый флюс АНФ-22.
Сварку под фторидными флюсами производят на постоянном токе обратной полярности, а под высокоосновными бесфтористымн флюсами — на постоянном токе прямой полярности. При этом для получения той же глубины проплавления, что и на углеродистых сталях, сварочный ток следует снизить на 10—30%. Для снижения вероятности образования пор в швах флюсы для высоколегированных сталей необходимо прокаливать непосредственно перед сваркой при 500—900 0С в течение 1—2 ч. Остатки шлака и флюса на поверхности швов необходимо тщательно удалять.
Сварка под флюсом в сочетании с высоколегированными проволоками обеспечивает получение требуемых свойств  сварных соединений.

СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ

В качестве защитных используют инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый газ, азот, кислород) газы, а также различные смеси инертных и активных газов.
Сварку в защитных газах можно использовать для соединения материалов различной толщины (от десятых долей до десятков миллиметров). Применение защитных газов с различными теплофизическими свойствами и их смесей изменяет тепловую эффективность дуги и условия ввода тепла в свариваемые кромки и расширяет технологические возможности процесса сварки.
При сварке в инертных газах повышается стабильность дуги и снижается угар легирующих элементов что важно при сварке высоколегированных сталей. Заданный химический состав металла шва можно получить путем изменения состава сварочной (присадочной) проволоки и доли участия основного металла в образовании шва, когда составы основного и электродного металлов значительно различаются, или путем изменения характера металлургических взаимодействий за счет значительного изменения состава защитной атмосферы при сварке плавящимся электродом. Сварка в среде защитных газов обеспечивает формирование швов в различных пространственных положениях, что позволяет применять этот способ вместо ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
Сварку аустенитных сталей в инертных газах выполняют как неплавящимся (вольфрамовым или угольным) так и плавящимся электродом.
Сварку вольфрамовым электродом производят в аргоне или его смесях с гелием, углекислым газом, азотом, кислородом и применяют обычно для материала толщиной до 5—7 мм. Однако в некоторых случаях, например при сварке неповоротных стыков труб, применяют и при большой толщине стенки (до 100 мм и более). Применять этот способ необходимо также для сварки корневых швов в разделке при изготовлении ответственных толстостенных изделий.
В зависимости от толщины и конструкции сварного соединения сварку вольфрамовым электродом производят с присадочным материалом или без него. Процесс осуществляют вручную с использованием специальных горелок или автоматически на постоянном токе прямой полярности. Исключение составляют стали и сплавы с повышенным содержанием алюминия, когда для разрушения поверхностной пленки окислов, богатой алюминием, следует использовать переменный ток.
Сварку можно выполнять непрерывно горящей или импульсной дугой. Импульсная дуга уменьшает протяженность околошовной зоны и коробление свариваемых кромок, а также обеспечивает хорошее формирование шва на материале малой толщины. Особенности кристаллизации металлов сварочной ванны при этом способе сварки способствуют дезориентации структуры, что уменьшает вероятность образования горячих трещин, однако может способствовать образованию околошовных надрывов. Для улучшения защиты и формирования корня шва используют поддув газа, а при сварке корневых швов на металле повышенных толщин применяют и специальные расплавляемые вставки. При сварке вольфрамовым электродом в инертных газах погруженной дугой увеличение доли тепла, идущей на расплавление основного металла, позволяет без разделки кромок, за один проход сваривать металл повышенной толщины. Однако околошовная зона расширяется, и возникает опасность перегрева металла.
Сварку угольным электродом применяют очень редко — при изготовлении тонкостенных неответственных конструкций. Это объясняется опасностью науглероживания шва и повышенным короблением изделий ввиду малой концентрированности угольной дуги как источника теплоты.
Сварку плавящимся электродом производят в инертных, а также активных газах или смеси газов. При сварке высоколегированных сталей, содержащих легкоокисляющиеся элементы (алюминий, титан и др.), следует использовать инертные газы, преимущественно аргон, и вести процесс на плотностях тока, обеспечивающих струйный перенос электродного металла. При струйном переносе дуга имеет высокую стабильность, и практически исключается разбрызгивание металла, что важно для формирования швов в различных пространственных положениях и для ликвидации очагов коррозии, связанных с разбрызгиванием при сварке коррозионно-стойких и жаростойких сталей. Однако струйный перенос возможен на токах выше критического, при которых возможно образование прожогов при сварке тонколистового металла. Добавка в аргон до 3—5% О2 и 15—20% СО2 уменьшает критический ток, а создание при этом окислительной атмосферы в зоне дуги снижает вероятность образования пор, вызванных водородом. Однако при сварке, в указанных смесях газов, увеличивается угар легирующих элементов, а при добавке углекислого газа возможно науглероживание металла шва. Добавкой к аргону 5—10% N может быть повышено его содержание в металле шва. Азот является сильным аустенизатором, и таким образом можно изменить структуру металла шва. Для сварки аустенитных сталей находит применение импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне и смесях аргона с кислородом и с углекислым газом, обеспечивающая соединение малых толщин и струйный перенос металла при прохождении импульса тока. Одновременно импульсно-дуговая сварка вызывает измельчение структуры шва и снижение перегрева околошовной зоны, что повышает стойкость сварного соединения против образования трещин.
При сварке в углекислом газе низкоуглеродистых высоколегированных сталей с использованием низкоуглеродистых сварочных проволок, при исходной концентрации углерода в проволоке менее 0,07%, содержание углерода в металле шва повышается до 0,08—0,12%. Этого достаточно для резкого снижения стойкости металла шва к межкристаллитной коррозии. Однако науглероживание металла шва в некоторых случаях при энергичных карбидообразователях (титане, ниобии) может оказать благоприятное действие при сварке жаропрочных сталей за счет увеличения в структуре количества карбидной фазы.
Окислительная атмосфера, создаваемая в дуге за счет диссоциации углекислого газа, вызывает повышенное (до 50%) выгорание титана и алюминия. Несколько меньше выгорают марганец, кремний и другие легирующие элементы, а хром не окисляется. Поэтому при сварке коррозионно-стойких сталей в углекислом газе применяют сварочные проволоки, содержащие раскисляющие и карбидообразующие элементы (алюминий, титан и ниобий). Другим недостатком сварки в углекислом газе является большое разбрызгивание металла (потери достигают 10—12%) и образование на поверхности шва плотных пленок окислов, прочно сцепленных с металлом. Это может резко снизить коррозионную стойкость и жаростойкость сварного соединения. Для уменьшения возможности налипания брызг на основной металл следует применять специальные эмульсии, наносимые на кромки перед сваркой, а для борьбы с окисной пленкой эффективна подача в дугу небольшого количества фторидного флюса типа АНФ-5. Применение импульсной сварки также позволяет несколько снизить разбрызгивание. Сварка плавящимся электродом в углекислом газе производится на полуавтоматах и автоматах.
Сварочные проволоки, созданные для сварки в углекислом газе высоколегированных аустенитных сталей, обеспечивают требуемую коррозионную стойкость и механические свойства за счет повышенного содержания титана, ниобия и элементов ферритообразователей — кремния, алюминия, хрома. В таблице № 2 приведены марки сварочных проволок, используемые для сварки высоколегированных сталей и сплавов, работающих в различных условиях.

Таблица № 2
Марки проволоки для сварки высоколегированных сталей и сплавов.
 

Высоколегированные стали сваривают также плазменной сваркой. Преимуществами этого способа являются чрезвычайно малый расход защитного газа, возможность получения плазменных струй различного сечения (круглой, прямоугольной и т.д) и изменения расстояния от плазменной горелки до изделия. Плазменную сварку можно использовать как для тонколистовых материалов, так и для металла толщиной до 12 мм. Применение ее для соединения сталей большей толщины затрудняется из-за возможности образования в швах подрезов.

ДУГОВАЯ СВАРКА ИМПОРТНЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

                Появление на российском рынке широкого ассортимента зарубежных высококачественных марок коррозионностойких сталей расширило области применения и возможности взаимозаменяемости марок различного типа. Однако наиболее экономически эффективная замена традиционно используемых аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей на новые, более дешевые хромистые или более качественные хромоникелевые, часто создает для отечественного потребителя технологические проблемы, связанные с прочностью и коррозионной стойкостью сварных соединений конструкций.
В особенности это связано со сваркой высоколегированных хромистых сталей серии AISI 400. Неадекватный выбор сварочных материалов, способа или режима дуговой сварки часто приводит потребителя этих сталей к ложным выводам о невозможности применения новых нержавеющих сталей в конкретных условиях того или иного производства или в плохом качестве поставленного металла.
Химический состав готового сварного шва должен быть либо идентичен по составу свариваемой стали либо может отличаться от него так, чтобы обеспечивать приемлемые коррозионные и механические свойства. Структуры шва и зоны термического влияния должны обеспечивать их максимально высокие прочностные характеристики. В зависимости от конкретных условий эксплуатации шов должен быть чисто аустенитным, ферритным или аустенитно-ферритным.
В общем случае для сварки одинаковых сталей возможно использование сварочных материалов, химический состав которых несколько отличается от свариваемого металла. Это объясняется с тем, что вследствие зональной ликвации металлических легирующих элементов (хром и никель) в зоне шва и термического влияния происходит локальное уменьшение их содержания, поэтому содержание их в сварочных материалах должно быть несколько выше чем в свариваемой стали. Кроме того, даже при использовании защитной атмосферы происходит частичное выгорание таких элементов как хром и титан, имеющих высокое сродство к кислороду и высокое давление насыщенного пара.
Смесь газов, используемая для создания защитной атмосферы, подразделяется по группам в зависимости от содержания в ней остаточного кислорода и углекислого газа. При использовании стандартной газовой смеси (стандарт DIN EN 439) выгорание элементов исчисляется  в пределах 0,15-0,40%. Поэтому для сварки аустенитной никельсодержащей стали марки AISI 304 желательно использовать сварочную проволоку, содержание основных легирующих компонентов в которой соответствует стали AISI 308L.
Поскольку отечественные газовые смеси, как правило готовятся потребителем металла самостоятельно и не обеспечивают столь высокую степень защиты, потери легирующих элементов могут достигать нескольких процентов.
При сварке таких популярных экономнолегированных хромом марок сталей, как AISI 409 (08Х13),  даже малая потеря хрома может привести к резкому снижению, более того – изменению знака электрохимического потенциала поверхности и, соответственно, к потере коррозионной стойкости шва. При режимах сварки, приводящих к локальному перегреву и кипению ванны расплава сварочного шва (длинная дуга), степень выгорания легирующих элементов может существенно возрасти.
Известно, что в отличии  от отечественных марок, низкое содержание углерода в зарубежных нержавеющих сталях гораздо более надежно обеспечивает защиту сварных соединений от межкристаллитной коррозии. Поэтому содержание углерода в сварочной проволоке должно быть гораздо ниже, чем в свариваемом материале.
Нежелательно, например, использование отечественной проволоки 12Х18Н10Т в качестве расходного материала при полуавтоматической сварке низкоуглеродистых зарубежных нержавеющих марок стали любого типа, поскольку стабилизирующий структуру титан выгорит в первую очередь, создавая предпосылки для развития МКК. Желательно использовать для сварки проволоки, содержащие ниобий, который менее подвержен выгоранию.
Понижение скорости кристаллизации сварного шва вследствие неправильно выбранного режима сварки или использование сварочных проволок большего диаметра, также способствует развитию МКК. Устранить эту склонность сварного шва можно термообработкой сварной конструкции, описанной выше. На практике выполнить эту операцию оказывается технически крайне затруднительно и поэтому стараются  оптимизировать технологию сварки путем максимального снижения удельного энерговклада и применения сварочных материалов минимального диаметра.
Еще одним существенным недостатком сварных соединений ферритных и мартенситных хромистых сталей является их склонность к трещинообразованию, обусловленная интенсивным ростом зерна как в самом шве, так и в зоне термического влияния в свариваемых сталях при температурах нагрева выше 900оС. Для предотвращения быстрого охлаждения, приводящего к растрескиванию, сварку следует вести с предварительным нагревом до 150-250оС. Другим способом борьбы с трещинообразованием является использование при сварке аустенитных никельсодержащих сварочных проволок. Единственным ограничением является то, что сварное соединение в этом случае будет неустойчиво к коррозии в серносодержащей среде.
Полностью аустенитный шов требуется тогда, когда необходима очень высокая   коррозионная стойкость в сильно агрессивных восстановительных и окислительных средах или когда нужна повышенная ударная вязкость материала шва, что наиболее характерно для производства сварных сосудов для транспортировки жидких газов или сосудов, работающих под давлением.
Вообще, полностью аустенитный шов обладает крупнозернистой структурой и имеет склонность к горячему растрескиванию. Конечно не только фазовый состав сварочного аустенитного шва определяет его трещиностойкость. К этим факторам относятся и увеличение объема расплавленного при сварке металла (больший объем – кристаллизуется медленно с образованием крупнозернистой структуры с большой вероятностью образования «горячих» трещин; малый объем – кристаллизуется быстро с образованием трещиностойкой, мелкозернистой структуры), и химический составе сварочной проволоки (содержание вредных для металла примесей: фосфор, сера), и массовый перенос металла свариваемых деталей в металл шва.
Явление склонности к образованию трещин может быть ограничено, если металл сварного шва содержит некоторое количество феррита, который, кристаллизуясь,  препятствует быстрому росту аустенитного зерна, повышая прочностные свойства шва и этим предотвращает растрескивание. Содержание феррита в металле шва можно регулировать подбором сварочной проволоки, с необходимым содержанием ферритообразующих легирующих элементов (описано выше). Прецизионно подобранный баланс этих легирующих элементов в сварочной проволоке обеспечивает нужную величину ферритной составляющей в сварочном шве. Это является обязательной характеристикой любого импортного расходного сварочного материала, которая прописывается в сертификате качества в виде ферритного числа FN (ferritic number), значение которого совпадает с объемной процентной долей при содержании феррита в пределах 0,0-7,0%; при большем ее содержании, FN возрастает значительно быстрее. Используя диаграмму Шеффлера (Рис.1) и химический состав сварочных проволок,  можно приблизительно определить макроструктуру наиболее используемых отечественных сварочных проволок (таблица №  3)
 

Содержание феррита в сварочном шве лимитируется отраслевыми нормами. Так для химической и нефтехимической промышленности содержание феррита в сварочном шве должно быть в пределах 2-12%. Сварочные конструкции с аустенитно-ферритными швами не требуют послесварочной термообработки.
Однако содержание феррита не должно быть высоким, так как при низких температурах феррит теряет прочность, а при высоких (выше 550оС) становится хрупким. При его большем содержании снижаются коррозионная стойкость и механические характеристики (пластичность и ударная вязкость).
Результаты экспериментальных исследований поперечных шлифов различных сварных соединений показали, что конвективный массоперенос (перемешивание жидкого металла до момента кристаллизации) по ванне расплава шва приводит к тому, что его химический состав на 60-80% состоит из материала сварочной проволоки и на 20-40% из свариваемых материалов (соответственно по 10-20% с каждой стороны). Условно говоря, происходит «разбавление» материала проволоки свариваемой сталью.
При сварке двух аустенитных никельсодержащих сталей, отличающихся только количественно по химическому составу, сварочную проволоку следует подбирать по химическому составу менее легированного материала. При сварке сталей принципиально различающихся по химическому составу и по назначению, подбираемая сварочная проволока должна обеспечивать получение прочного, стойкого к растрескиванию сварочного шва. Так для сварки углеродистой стали с нержавеющей предпочтительно обеспечить содержание хрома и никеля в металле сварочного шва на уровне- 18 и 8% соответственно. В этом случае металл сварочного шва будет с большей вероятностью аустенитным с некоторой долей феррита, что обеспечит требуемую прочность и стойкость к растрескиванию.
Приведенная ниже таблица № 4 иллюстрирует выбор сварочных проволок для сварки некоторых популярных импортных сталей:

Таблица № 4
Марки проволоки для сварки импортных высоколегированных сталей.

Примечание: Буквенное обозначение «L» в марке стали означает пониженное содержа-ние  в ней углерода.
                         AISI 308/308L  – отечественный аналог 04Х19Н9/01Х19Н9
                         AISI 309           – отечественный аналог 20Х20Н14C2
                         AISI 316/316L – отечественный аналог 08Х17Н13М2/03Х17Н13М2

Конечно, данная таблица не является исчерпывающей, и кроме приведенных марок сварочных проволок существуют марки со специальными свойствами.

Выбор сварочной проволоки для сварки нержавеющих сталей подчиняется следующим правилам:
1. Содержание углерода в сварочной проволоке должно быть  как можно ниже,  в сравнении со свариваемым материалом.
2. Содержание  основных легирующих элементов (хрома и никеля) в проволоке должно быть выше, чем в свариваемом материале.
3.Содержание вредных для металла примесей (фосфор и сера) в сварочной проволоке должно быть минимальным. Влияние вредных примесей можно также снизить при использовании сварочных проволок разумно легированных марганцем, который связывает серу и тем самым препятствует образованию чрезвычайно вредных сульфидов железа.

Сварочная проволока, для сварки сталей легированных молибденом, подбирается с учетом того, что молибден обладает сильно ограниченной растворимостью в железе, как в жидком, так в твердом состоянии. Металл шва находится в литом состоянии и подвержен сегрегации, которая возрастает с ростом содержания молибдена. Сегрегация и разделение фаз приводит к возникновению питтинговой и щелевой (ножевой) коррозии сварного шва. При содержании молибдена в основном металле до 4%, сварочная проволока  может иметь тот же набор легирующих элементов, что и свариваемый металл. Но если в свариваемом металле свыше 4% молибдена, то никельсодержащая проволока должна иметь большее количество молибдена (до 9%). В этом случае для гомогенизации состава металла шва необходим последующий отжиг.
Наличие кремния в сварочной проволоке не только гарантирует хорошую жидкотекучесть и смачиваемость, но и обеспечивает стабильное горение дуги. Сварочную проволоку с высоким содержанием кремния не следует применять для сварки аустенитных сталей (без ферритной фазы), поскольку повышенное содержание кремния увеличивает риск горячего растрескивания. Однако для аустенитно-ферритного металла сварного шва, где содержание феррита 5% и более, наличие 2% кремния не оказывает заметного влияния на устойчивость к горячему растрескиванию.
В заключении отметим, что даже правильный выбор сварочной проволоки не гарантирует хорошего качества сварного соединения. Только комплексный подход к сварочному процессу может обеспечить качество сварного соединения. Он включает в себя не только подбор сварочных материалов, технологических режимов сварки и термообработки, но комплекс мероприятий, связанный с операциями по подготовке поверхностей к сварке (правильно подобранный инструмент, обезжиривание, травление, сушка) и  механическим операциям по зачистке шва после сварки и термообработки