Электроды для сварки высоколегированных и разнородных сталей

Машиностроительное производство невозможно без сварки. Обычно для получения неразъемного соединения используют углеродистые и низколегированные стали, содержащие не более 0,3 % углерода. Одним из распространенных методов является ручная дуговая сварка плавящимися электродами, при использовании которых проблем с формированием качественного шва, как правило, не возникает. Однако иногда нужно сварить сплавы, которые заметно различаются по химсоставу и назначению, например, коррозионно-стойкие и жаропрочные. В таком случае качество соединения определяется прежде всего тем, насколько верно подобраны электроды для сварки высоколегированных сталей.

Сварной шов формируется при кристаллизации расплавленного металла – чем меньшее расхождение по физико-механическим свойствам он имеет с основным материалом заготовки, тем выше вероятность получения качественного соединения. Однако если металлы, из которых сделаны заготовки, сильно различаются по химсоставу, подобрать сварочный электрод бывает непросто.

Данная проблема характерна для разнородных сталей, то есть таких, которые значительно различаются по:

• Процентному содержанию углерода;
• Комплексу легирующих элементов;
• Кристаллическому строению;
• Структуре;
• Эксплуатационным и технологическим свойствам, и в первую очередь, по свариваемости.

По признаку разнородности их делят на 4 категории. В первую группу входят углеродистые и близкие им по свойствам стали, содержащие не более 5 % добавок. Во вторую – среднелегированные стали, к которым предъявляются особые требования по прочности. Третья категория – это металлы, устойчивые к действию повышенных температур, к четвертой принадлежат стали с содержанием легирующих элементов более 10 %. Сюда же относят сплавы на основе железа, никеля, хрома, кобальта, марганца и вольфрама, а также хромоникелевые.

Электроды, которыми сваривают низкоуглеродистые стали в данном случае не годятся по нескольким причинам. Во-первых, высока вероятность того, что в металле шва появятся трещины.


Во-вторых, в зоне сплавления не исключены участки с интерметаллидными включениями, что приведет к снижению прочности и пластичности, а возможно, и к разрушению конструкции.


В третьих, большая разница в значениях коэффициентов линейного расширения свариваемых изделий вызовет заметный рост концентрации напряжений в полученном соединении.

Выбирая электрод, важно учесть весь комплекс задач, которые возникают вследствие разнородности характеристик соединяемых материалов. Для их решения разработан ряд нормативных документов, регламентирующих их свойства, параметры и область применения.

Типы изделий определяют ГОСТы 9467 и 10052, а также ГОСТ 9466 - 75, устанавливающий ряд параметров:

• Классификацию по назначению;
• Разделение на марки;
• Типологию по толщине и виду покрытия;
• Регламентацию геометрических размеров;
• Условные обозначения.

Кроме того, ГОСТ 9466 -75 регламентирует требования на изготовление, определяет, какие именно характеристики должны проверяться при приемке готовой продукции и указываться на упаковке, а также виды и способы испытаний сварочных швов.

ГОСТы 9467 - 75 и 10052 - 75 устанавливает типы изделий, каждому из которых соответствуют определенные механические свойства и химсостав наплавленного слоя.

ГОСТ 9467 вводит индексы:

• Временное сопротивление разрыву – Ϭв;
• Относительное удлинение – δ₅ ;
• Рабочая температура сварного шва.

ГОСТ 10052 дополнительно содержит индексы, указывающие на:

• Устойчивость сварного шва к межкристаллитной коррозии;
• Рабочую температуру наплавленного металла;
• Содержание ферритной фазы в структуре шва.

Некоторые ведомства и организации, для которых сварка ответственных металлоконструкций является повседневной деятельностью, в дополнение к государственным стандартам разрабатывают собственные технические условия и стандарты предприятий.

Поскольку к металлу шва предъявляются высокие требования по прочности и пластичности, необходимо максимально приблизить химсостав и физико-механические свойства наплавленного металла к основному. Поэтому стержень должен быть изготовлен из высококачественной стали, в состав которой, помимо железа, входят 9 легирующих элементов. Их список и процентное содержание приведены в таблице 1.

Количество нежелательных примесей (S и P) должно находиться в пределах ≤ 0,3% и ≤0,4 соответственно.

Кроме основного материала имеет значение химический состав покрытия. Углеродистые и низколегированные стали сваривают с помощью электродов с органическим покрытием, но для разнородных материалов они не подходят, поскольку при нагреве до температур выше + 140 °С органика разлагается, и в зоне наплавленного металла возрастает концентрация углерода, отчего увеличивается хрупкость соединения. Поэтому для сварки сталей, обладающих стойкостью к коррозии и высоким температурам, а также других сплавов, упомянутых выше, используют стержни с рутиловым и рутил-карбонатным покрытием.

Кроме того, важно учитывать толщину электрода. При монтаже ответственных металлоконструкций не допускается использовать изделия с тонким и средним покрытием, поскольку такая обмазка недостаточно хорошо защищает шов от воздуха. В результате недопустимо возрастает содержание азота (в 50 и более раз) и кислорода (в 5-10 раз) в наплавленном металле по сравнению с основным, что также приводит к высокой хрупкости шва.

Диаметр проволоки, из которой делают электроды, обычно варьируется в пределах от 2,5 до 4 мм.

Примечание:

*к данной группе относится, например, сталь Гатфильда марки 110Г13Л;
** к данной группе относится, например, 30ХГСА.

Электроды всех марок, содержащихся в таблице 2, требуют производить сварку постоянным током обратной полярности (исключение составляет ЛЭЗ-29/9, который допускает использование переменного тока). При этом сварочные работы можно выполнять во всех пространственных положениях, кроме вертикального в направлении "сверху вниз".

Несмотря на то, что сварка материалов, имеющих различный состав и структуру, сопровождается определенными трудностями, при грамотном подборе электродов и соблюдении технологических режимов получение качественного соединения вполне реально.