Для высоколегированных сталей электроды сварочные

Согласно современной классификации (ГОСТ 5632—72) к высоколегированным сталям условно относят сплавы, содержание железа в которых более 45%, а суммарное содержание легирующих элементов не менее 10%, считая по верхнему пределу, при концентрации одного из элементов не менее 8% по нижнему пределу. К сплавам на никелевой основе относят сплавы с содержанием не менее 55% Ni. Такие стали и сплавы применяют в качестве коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных материалов. Соответственно можно классифицировать и сварочные электроды по ГОСТ 10052—75 и отраслевой нормативно-технической документации. Высоколегированные электроды используют также для получения качественных соединений разнородных сталей и сплавов, при сварке конструкционных сталей без подогрева, для наплавки.

Специфическими особенностями физических свойств высоколегированных материалов являются пониженные температура плавления и теплопроводность, высокие электросопротивление и (для сталей) коэффициент линейного расширения. Указанные особенности и предопределяют поведение высоколегированных материалов при ручной дуговой сварке. Из-за низкой теплопроводности и высокого электросопротивления скорость плавления, а следовательно, и коэффициент наплавки электродов со стержнями из высоколегированных сталей и сплавов существенно выше, чем у электродов общего назначения. Повышенное электросопротивление металла стержней обусловливает применение укороченных электродов и меньших сварочных токов (20—30 А/мм). Превышение рекомендуемых документацией сварочных токов для высоколегированных электродов недопустимо, так как приводит к перегреву сварочного стержня, изменению характера плавления покрытия, вплоть до опадания кусков обмазки. Применению малых сварочных токов способствует и низкая теплопроводность металла, обусловливающая повышенную глубину проплавления (в сравнении с конструкционными сталями).

Отмечено различное поведение высоколегированных электродов при сварке на прямой и обратной полярности, связываемое с тепловыми характеристиками дуги. При сварке на прямой полярности напряжение на дуге на 15—20% выше, чем при сварке на обратной полярности. Соответственно больше тепловая мощность дуги, также повышается температура катода-электрода при сварке на прямой полярности. В основном из-за этого во избежание перегрева электрода при ручной дуговой сварке высоколегированных сталей и сплавов рекомендуется обратная полярность.

Высоколегированные стали и сплавы являются сложными металлургическими системами, содержащими в своем составе самые разнообразные элементы, которые обеспечивают их специальные свойства в различных условиях обработки и эксплуатации. Концентрация вредных примесей в них ограничена пониженными пределами, так как они в первую очередь понижают стойкость сталей и швов к образованию горячих трещин. Большое (иногда решающее) влияние на свойства сварных соединений высоколегированных сталей и сплавов оказывает металлургическая наследственность металла. Именно по этой причине целесообразен отбор плавок металла по специальным технологическим пробам для изготовления электродной проволоки.

Химический состав и структура наплавленного металла электродов для сварки высоколегированных сталей и сплавов отличаются, часто существенно, от состава и структуры свариваемых материалов. Даже при одинаковом составе свойства листового проката и литого металла шва будут различны, например, по пределу текучести для хромоникелевых аустенитных сталей типа 18—10 в 1,5 раза. Технология изготовления сталей и технология получения качественного сварного соединения также предъявляют специфические и противоречивые требования к составам материалов, в частности по структуре. С точки зрения обеспечения необходимой горячей пластичности и получения технологичного на различных стадиях металлургического передела металла необходима однофазная (аустенитная) структура, а для предотвращения образования горячих трещин — наличие определенного количества второй фазы в металле шва.

Основными вопросами, решающими выбор электродов при сварке высоколегированных сталей и сплавов, являются обеспечение основных эксплуатационных характеристик сварных изделий (коррозионной стойкости, жаростойкости и пр.), обеспечение стойкости металла к образованию горячих трещин, сварочно-технологические возможности электродов. Разнообразие условий работы оборудования из высоколегированных сталей и сплавов сотен марок, требований к свойствам сварных соединений в различных конструкциях (даже из стали одной марки) и к сварочно-технологическим свойствам электродов диктует необходимость использования большого ассортимента сварочных электродов.

До недавнего времени электроды для сварки высоколегированных сталей и сплавов отличало однообразие применяемых видов покрытий. При этом ведущим в отечественной практике является основное покрытие типа УОНИ-13, на базе которого, комбинируя проволоки различного состава, номенклатуру и содержание легирующих и раскислителей в покрытии, получают самые разнообразные электроды. Необходимость применения основных покрытий часто даже относят к общим правилам ручной дуговой сварки высоколегированных сталей всех марок. Этот взгляд во многом обусловлен опасностью развития при низкой основности покрытий кремневосстановительного процесса, приводящего к загрязнению металла шва силикатными включениями, вследствие чего возможно снижение его ударной вязкости и повышение склонности к образованию горячих трещин.

Такой процесс протекает из-за того, что стандартное связующее электродных покрытий — растворы силиката натрия — играют особую роль при сварке высоколегированных сталей. При понижении основности покрытия и наличии таких энергичных раскислителей, как алюминий и титан, возникают благоприятные условия для протекания кремневосстановительного процесса за счет сухого остатка жидкого стекла. Радикальным средством его предотвращения служит только замена связующего.

Органические покрытия в электродах для сварки высоколегированных сталей и сплавов не применяются из-за высокой науглероживающей способности и высокого содержания водорода. Органические соединения при температуре свыше ~140°С разлагаются с образованием активного сажистого углерода, который и является причиной повышения концентрации углерода в наплавленном металле. Использование рудно-кислых покрытий затруднено из-за их высокой окислительной способности.

Рутиловые и рутил-карбонатные покрытия для сварки высоколегированных сталей начали применять позже. Накопленный к настоящему времени опыт свидетельствует о рациональности их применения. К выводам о равнозначности характеристик металла шва одинакового уровня легирования и структуры, полученного с применением основных, рутиловых и рутил-карбонатных покрытий, приводят статистические данные. Рутиловые и рутил-карбонатные электроды ОЗЛ-14А, 03Л-36, ЭА-400/10Т, ОЗЛ-17У, НИАТ-1 и другие успешно применяют в различных отраслях в качестве ведущих сварочных материалов наряду с основными электродами марок ОЗЛ-8, ЭА-400/10У и пр.; рутил-карбонатные электроды ОЗЛ-9А распространены при сварке жаростойких сталей и т. д.

С точки зрения предотвращения образования горячих трещин радикальным средством является получение двухфазной структуры металла шва. При этом не важно, что представляет собой вторая фаза — δ-феррит, интерметаллиды или что-то иное. Необходимо образование в высокотемпературной области при кристаллизации металлов двухфазного строения, что приводит к получению швов с дезориентированной структурой. При двухфазной структуре металла шва его стойкость к трещинам не зависит от вида покрытия.

При сварке стабильно аустенитных сталей и сплавов для борьбы с горячими трещинами достаточно успешно применяют легирование наплавленного металла молибденом и марганцем, а в ряде случаев и азотом (электроды НИАТ-5, 03Л-37-2, АНВ-20 и др.). Это позволяет получать достаточную стойкость к трещинам даже в условиях кремневосстановительного процесса, характерного для рутиловых электродов.

Жесткие ограничения по видам применяемых покрытий накладывают требования обеспечения необходимой коррозионной стойкости металла шва в связи с продолжающейся тенденцией к применению коррозионно-стойких сталей со сверхнизким содержанием углерода (≤0,03%), что выдвигает на первый план проблему получения наплавленного металла с таким же содержанием углерода. При сварке электродами с основными покрытиями происходит науглероживание наплавленного металла. Концентрация углерода повышается за счет взаимодействия металла с углекислым газом, образующимся при диссоциации карбонатов.

При этом наиболее резко концентрация углерода возрастает при введении небольшого (до 15%) количества мрамора в покрытие и малой исходной концентрации углерода в проволоке.

Одним из ограничений может стать то обстоятельство, что мрамор при его содержании, принятом для основных покрытий, представляет собой достаточно сильный окислитель. Особенно йрко это проявляется для элементов с высоким сродством к кислороду, например для титана коэффициент перехода из проволоки уменьшается вдвое при изменении концентрации мрамора от 10 до 40. Также увеличивается разница в коэффициентах перехода элемента из проволоки и покрытия. По указанным причинам при сварке высоколегированных сталей, в состав которых входят легкоокисляющиеся элементы, часто необходимы неосновные, так называемые безокислительные рутиловые покрытия.

Применяющиеся в настоящее время в мировой практике электроды построены на принципе газошлаковой защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха. В качестве компонентов, обеспечивающих газовую защиту, применяют, как правило, карбонаты. При их уменьшении или отсутствии в покрытии газовую защиту может обеспечивать плавиковый шпат за счет выделяющихся фторидов. Плавиковый шпат также способствует устранению водородной пористости, для чего его содержание в рутиловых покрытиях не должно снижаться менее 8%. Газовый состав для электродов с покрытиями разных видов отличается не очень значительно.

Вследствие повышенной растворимости газов в металле с высокими концентрациями хрома и никеля вопросы пористости применительно к таким электродам имеют существенно меньшее значение. Основной причиной образования пор служит азот, выделяющийся из пересыщенного жидкого металла в процессе его охлаждения и кристаллизации. Низкая скорость диффузии азота является причиной того, что он при кристаллизации выделяется не так быстро, как другие газы, вследствие чего может образоваться пористость, особенно при затруднении условий выделения азота, например, при сварке в горизонтальном или потолочном положениях. Водород и кислород существенно меньше влияют на процесс порообразования, но в сочетании с азотом могут способствовать возникновению пористости металла шва, являясь газами-заполнителями.

При прочих равных условиях решающее значение часто приобретают сварочно-технологические свойства электродов. Они существенно зависят от материала электродного стержня. В частности, переход на высоколегированные стержни для покрытий закрепленного состава весьма сказывается на качестве формирования швов при сварке в различных пространственных положениях. Например, коэффициент формы выпуклости шва, служащий критерием оценки качества формирования, снизился от 3,75 (стержень Св-08) до 2,72 (стержень Св-02Х19Н9), т. е. в 1,4 раза. Вероятно это связано с изменением межфазного натяжения на границе шлак—металл и текучести ванны, представляющей собой сложную характеристику. Для высоколегированных электродов текучесть ванны жидкого металла, оцениваемая массой выплеска, резко возрастает при переходе от электродов диаметром 4 мм к диаметру 5 мм: от 0,08—0,3 до 0,9—1,1 (для разных покрытий). В обратной зависимости снижается критерий качества формирования шва — от 3,4 до 1,75 (для электродов с основным покрытием). Для электродов диаметром менее 4 мм масса выплеска, как правило, не превышает 0,1 г, что и предопределяет их технологичность. По-видимому, этим обстоятельством во многом вызвано распространение в мировой практике электродов диаметром 3,15—3,25 мм.

Сварочно-технологические характеристики высоколегированных электродов с разными видами покрытий различны. Основные покрытия дают шлаки малой жидкотекучести и предпочтительны для швов, выполняемых в вертикальном и потолочном положениях. Электроды с рутиловыми покрытиями обеспечивают более гладкую поверхность швов, легкую отделимость шлака, мягкое горение и малое разбрызгивание, дают принципиальную возможность сварки на переменном токе. Повышенная жидкотекучесть шлаков обеспечивает их легкое передвижение и повышенную скорость сварки. Рутиловые электроды обеспечивают малое проплавление основного металла. Применительно к сварке высоколегированных сталей последняя характеристика покрытий с большим содержанием оксида титана (рутила) имеет важное значение. Покрытия из плавикового шпата обеспечивают существенно большее проплавление, что нежелательно.