Технология сварки разнородных сталей

В процессе работы с металлическими изделиями — создания конструкций, восстановления изношенных частей, упрочнения поверхности — нередко проводится сварка разнородных сталей. Эта технология самая сложная из всех видов аналогичных работ из-за разных кристаллических решеток, структур и свойств. При плавлении происходит смешивание 2 химических составов, в результате чего образуется вещество, совершенно не схожее по параметрам с основными. Это чревато осложнениями в сварной зоне:

• Возникают внутренние напряжения, как следствие — микро- и макротрещины.
• Образуется большое количество карбидов и/или мартенсита, приводящих к хрупкости (так происходит из-за разных порогов нагрева в околошовной и сварной зонах).
• Имеют место различные коэффициенты линейного расширения, из-за которых разрушения происходят при достижении определенной t.

Учитывая все факторы, влияющие на качество, разработана технология сварки разнородных сталей, которая, по сути, представляет собой наплавление одного универсального или нескольких слоев, плавно переходящих по химическому составу.

Минимальное вмешательство в соединяемые поверхности практически исключает структурные изменения в месте плавления: появление неоднородностей и внутренних напряжений. Сварка сталей разных марок предполагает использование:

• электродов различного химсостава, подбираемых по структурному классу металла;
• наиболее подходящей конструкции (внахлест, стык, угол и т. д.);
• термообработку сварных соединений.

Сваренные медь (Cu), сталь (Fe) и алюминий (Al)

Особенности и классификация сталей

Важно! Точное определение марки детали не всегда возможно, поэтому достаточно знать тип структуры и использовать электроды универсальные или повышенного легирования

Под разнородностью подразумеваются структуры металлов, таких как сварка углеродистых и легированных сталей, которые отличаются по физико-механическим свойствам:

• линейным расширением;
• температурой образования карбидов.

Типы структур — аустенит, феррит, феррито-перлит, все вариации закалочных конструкций (мартенсит, бейнит), эвтектика — по признаку разнородности делятся на 4 группы:

1. У — углеродистые и низколегированные.
2. Л — легированные повышенной прочности.
3. Т — теплоустойчивые.
4. Высоколегированные:
   1. Ва — аустенит;
   2. Вж — жаропрочные.

Чтобы определить, чем и как правильно производить сварку металла, шовные соединения разделены на 4 группы, в зависимости от температуры эксплуатации:

• до 350 °С;
• 350-450 °С;
• 450-550 °С;
• свыше 550 °С.

Технология сварки материалов одного структурного класса

К таким операциям относятся: сварка чугуна со сталью, углеродистые сплавы с разной степенью легирования, но с условием соответствия одной структуре. К швам не предъявляются требования относительно повышенной прочности, наличия специфических свойств, но есть несколько правил по определению режима:

1. Электроды и технологии подбираются в соответствии с требованиями для менее легированного сплава.
2. Терморежимы (подогрев, мощность аппарата) должны учитывать особенности более легированной марки.

У сильнолегированной вариации (феррито-перлитной) температура закалки намного ниже, чем у обычных углеродистых (аустенит не рассматривается, поскольку у этого твердого раствора порог превращения находится гораздо ниже, у некоторых — в зоне отрицательных температур). Чтобы не получить мартенсит или бейнит, необходимо либо обеспечить очень медленное охлаждение (что при сварочных работах невозможно), либо заведомо исключить влияние t на основную матрицу. Для этого наплавляется слой электродами с более легированным составом типа Э42А, Э46 для углеродистых низколегированных марок. Например, сварка стали 45 со сталью 3 имеет феррито-перлитную структуру. Термический режим подбирается для Ст45, т. е. подогрев до 400-500 °С и медленное охлаждение.

При работе с аустенитными, мартенситными и смешанными структурами приобщаются эл-ды с наличием Ni, Cr, тугоплавких элементов.

Схема сварки неплавящимся электродом с комбинированной защитой

Технология сварки материалов разных структурных классов

Сварка разнородных металлов осложняется образованием карбидов, их типом и содержанием. Профилактикой образования неоднородных структур является комплекс мер, снижающих термодинамическую активность углерода.

1. В первую очередь это использование электродов, обеспечивающих получение аустенита. В большей мере этому способствует никель, где он присутствует в количествах, представленных в таблице.

Дополнительно электроды легируются: C, Si, Mn, Mo и Cr.

1. Второй аспект относится к техническим приемам, таким как минимальный провар. Для этого выбирают соответствующие режимы: силу тока, полярность.
2. Поскольку такие детали используются в сложных условиях, а сварное соединение всегда является слабым местом, этот недостаток компенсируют особым расположением поверхностей и формой соединения.

Нюансы и трудности при сварке

Важно! В большинстве случаев качество шва определяет термическая составляющая: нагрев и охлаждение. Для этого учитываются особенности более легированной марки металла, поскольку порог структурных превращений значительно ниже

В первую очередь при выборе электрода нужно руководствоваться температурными условиями, в которых будет работать деталь (в таблице).

Сварка разнородных сталей, нержавеющей и обычной, затрудняется тем, что первая может иметь как аустенитную структуру, так и ферритную. Проверить этот момент можно с помощью магнита — первая парамагнитна.

Параметры соединения, на которые нужно ориентироваться, — это ударная вязкость (показатели шва должны быть меньше, чем самой детали) и относительное удлинение металла.

Сварка низколегированной стали с углеродистой чувствительна к временному сопротивлению. Характеристики электрода и детали должны совпадать, чтобы не исключить внутренние напряжения.

Заключение

Выполняя работы, нелишним будет обратиться к табличным данным по электродам для сварки разнородных сталей по ГОСТ 10052-75 и 14651-69, определить марку металла или, что еще более важно, его структуру. Правильный выбор эл-ов и термического режима (нагрев, охлаждение) позволит минимизировать такую проблему, как усадка металла при сварке.

Видео: СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ электродом. Welding of dissimilar steels.