Сварка является одним из наиболее распространённых и технологически значимых процессов в современной металлургии и машиностроении. От правильности выбора режима сварки, типа электрода и термической обработки напрямую зависит прочность, надёжность и долговечность металлических конструкций. Особенно это актуально при работе с различными видами сталей, от малоуглеродистых до высоколегированных, каждая из которых предъявляет уникальные требования к технологии сварки. Данный материал раскрывает особенности сварки сталей разных классов и предназначен для специалистов, инженеров и техников, стремящихся обеспечить высокое качество сварных соединений.
Сварка малоуглеродистых сталей
Стали, содержащие до 0,25 % углерода, относят к малоуглеродистым. Эти сплавы обладают высокой свариваемостью без необходимости в термической подготовке изделия до начала сварки и после её завершения. Такой материал позволяет выполнять сварочные работы при максимально допустимых значениях тока и напряжения, что существенно увеличивает скорость и эффективность производственного процесса. Сформированные соединения хорошо поддаются последующей механической обработке, включая фрезерование, сверление и токарную обработку, что делает их удобными в промышленной практике.
Сварка углеродистых сталей
Среднеуглеродистые стали при сварке требуют повышенного внимания, так как склонны к образованию холодных и горячих трещин как в зоне наплавки, так и в области основного металла. Чтобы снизить вероятность появления дефектов, необходимо осуществить предварительный прогрев конструкции до температуры в диапазоне от 200 до 350 °С. После выполнения сварки деталь подвергается термической обработке: её помещают в печь, где нагревают до 675–700 °С, выдерживают заданное время и далее медленно охлаждают совместно с печью до температуры 100–150 °С, а затем оставляют остывать на открытом воздухе.
В качестве присадочных материалов и расходных компонентов применяются электроды марок УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, К-5А, УП-1/45, ОЗС-2, УП-2/45, ВСП-1, МР-1, ОСЗ-4 и аналогичные. Некоторые из них (например, УОНИ-13, ОЗС-2, ВСП-3) работают исключительно на постоянном токе с обратной полярностью, тогда как электроды ВСП-1, МГ-1, ОЗС-4, К-5А универсальны и могут применяться как с постоянным, так и переменным током.
Технологические особенности сварки высокоуглеродистых сталей заключаются в обязательности использования предварительного нагрева до температуры порядка 350–400 °С. В ряде случаев рекомендуется проводить подогрев в процессе сварки, а после — производить окончательную термическую обработку. Наплавка осуществляется узкими валиками, формируемыми на относительно коротких участках. Работа в условиях температуры воздуха ниже +5 °С или при наличии сквозняков категорически не допускается, так как это значительно увеличивает риск появления трещин.
Сварка легированных сталей
Легированные стали по степени содержания легирующих компонентов классифицируются следующим образом: низколегированные (до 2,5 %), среднелегированные (в пределах 2,5–10 %) и высоколегированные (более 10 %). Перед началом сварочных операций поверхность свариваемых кромок необходимо тщательно очистить от продуктов коррозии, загрязнений, пыли, а также остатков шлака.
Кроме того, допустимо использование газовой горелки для предварительного прогрева участков соединения до температуры 110–120 °С с целью удаления влаги. Особенно важно перед сваркой выполнить подогрев металла до 100–350 °С, чтобы минимизировать вероятность образования трещин. Используют многопроходную технику с равномерной формой швов и применением метода отжигающих валиков, что предотвращает закаливание металла в зоне термического влияния.
Низколегированные стали
К группе низколегированных сталей относятся сплавы типа 15ХСНД, обладающие повышенной прочностью, но склонные к образованию закалочных структур. Для предотвращения негативных изменений структуры металла используют многослойную сварку, при этом между нанесением слоев выдерживается значительный временной интервал. При сварке конструкций, толщина которых превышает 2 мм, применяются электроды марок УОНИ-13/55 или УОНИ-13/65, работающие на постоянном токе с обратной полярностью. Если толщина изделия превышает 15 мм, то после сварки необходимо провести процесс высокотемпературного отпуска, производимый при 550–650 °С.
Хромокремнемарганцовистые стали — 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА — входят в категорию низколегированных конструкционных материалов, обладающих улучшенными прочностными характеристиками. При выполнении сварочных работ эти стали склонны к образованию закалочной структуры. Выбор между однослойной и многослойной техникой зависит от толщины материала, при этом применяются короткие временные промежутки между проходами.
В качестве сварочной проволоки используют материалы Св-18ХГС, Св-18ХМА, либо Св-08А с низким содержанием углерода. Покрытия электродов могут быть следующих марок: НИАТ-3М, ЦЛ-18-63, ЦЛ-30-63, ЦЛ-14, УОНИ-13/85. После завершения сварки элементы, выполненные из стали 25ХГСА, подвергают термообработке — нагреву до 650–880 °С с выдержкой около 1 часа на каждые 25 мм толщины с последующим охлаждением либо на воздухе, либо в горячей воде.
Среднелегированные стали
Стали марок 12М, 12ХМ, 15ХМ, 20ХМ широко применяются при производстве деталей, эксплуатируемых в условиях высоких температур (400–600 °С) и под воздействием значительного давления до 30 МПа. Такие стали используются для изготовления трубных элементов паровых котлов, а также в нефтехимическом оборудовании и других тепловых агрегатах. Эти материалы склонны к образованию трещин в зоне, подверженной термическому воздействию. В связи с этим, перед началом сварки рекомендуется производить предварительный прогрев до 200–300 °С.
После сварки следует термическая обработка изделия — отпуск: изделие нагревают до 710 °С и выдерживают определенное время (в расчете 5 минут на каждый миллиметр толщины), после чего обеспечивают постепенное снижение температуры. Применяемые электроды включают марки ЦУ-2МХ, ЦЛ-38, ЗИО-20, УОНИ-13ХМ, при этом сварку ведут на постоянном токе с обратной полярностью.
Высоколегированные стали
К разновидностям сталей с повышенным содержанием легирующих компонентов, используемых в машиностроении пищевого и химического направлений, относятся сплавы типа Х18Н9, Х18Н9Т. Они отличаются сочетанием высокой механической прочности, повышенной вязкости и отличной пластичности, что делает их пригодными для эксплуатации в агрессивных средах. Однако низкие значения теплопроводности и электропроводности нередко приводят к возникновению значительных температурных деформаций и образованию межкристаллитной коррозии при сварочных работах.
Для получения качественных соединений применяются электроды марок ЗИО-3, ОЗЛ-8, ЦЛ-11, ЦТ-1 и аналогичные. Сварку выполняют на постоянном токе с обратной полярностью, часто с использованием медных подкладок, а также организуя интенсивное охлаждение сварочного шва струёй воды или сжатого воздуха для минимизации термического влияния.
Для сталей категории Х25Н12 и Х25Н20, обладающих устойчивостью к окислению и применяемых при производстве трубопроводных систем, турбинных компонентов, деталей для котельных установок и оборудования, эксплуатируемого под высоким давлением, характерна высокая коррозионная стойкость и способность выдерживать долговременное термическое и механическое воздействие.
Однако при сварке этих сплавов может возникнуть явление горячеломкости. Поэтому для соединения используются электроды таких марок, как ЦЛ-25, ОЗЛ-4, ОЗЛ-9А, ГС-1, ОЗЛ-5, ЦТ-17, а сам процесс ведется на постоянном токе с обратной полярностью. Сразу после окончания сварочных работ детали подвергаются высокотемпературному отпуску при 650 °С, позволяющему снять остаточные внутренние напряжения.
В группу хромистых сплавов входят стали Х6СМ, 4Х9С2, 15Х5М, Х5МФ, 12Х13, содержащие от 4 до 14 % хрома, и применяемые при производстве оборудования для переработки нефти и газов. Эти материалы обладают повышенной прочностью и способны функционировать в химически агрессивных условиях. Также распространены хромосодержащие сплавы 15Х28, 1Х17Ю5, в составе которых содержится от 18 до 30 % хрома, обеспечивающего устойчивость к термическому окислению.
Наиболее критичной особенностью этих сталей является склонность к закаливанию при естественном охлаждении на воздухе, сопровождающаяся формированием мартенситной структуры и увеличением размеров зерен в зоне термического воздействия. Поэтому сварочные мероприятия сопровождаются обязательным предварительным нагревом до 200…400 °С. По завершении соединения, заготовку охлаждают до 150…200 °С, после чего подвергают высокотемпературному отпуску — нагревают в печи до 720…750 °С. Минимальное время выдержки составляет 1 час, однако также применяется расчет 5 минут на каждый миллиметр толщины металла. Охлаждение проводится на тихом воздухе для равномерного снижения температуры.
Если содержание хрома в стали находится в диапазоне 7…10 %, то длительность выдержки при отпуске составляет 10 минут на миллиметр толщины. При сварке применяются электроды марок ЦЛ-17-63, СЛ-16, УОНИ-13/85 и им подобные, при этом ток должен быть постоянным, с обратной полярностью.
Высокомарганцовистые стали
Высокомарганцовистые стали, представленные маркой 110Г13Л, содержат в своём составе марганец в количестве от 11 до 16 %, что обеспечивает их исключительную устойчивость к абразивному износу. Данные сплавы находят применение в производстве высоконагруженных элементов: железнодорожных стрелочных крестовин, ковшей экскаваторов, рабочих органов землеройной техники и других деталей, подвергающихся ударным нагрузкам. Сварку данных сталей проводят в предварительно закаленном состоянии, используя постоянный ток с обратной полярностью. Применяются специальные никелемарганцовистые электроды, содержащие 4…4,5 % никеля, 11…13 % марганца и от 0,6 до 1,0 % углерода. Электродные стержни покрываются основными смесями с содержанием до 60…65 % феррохрома, обеспечивающими коррозионную устойчивость и минимальное выгорание легирующих элементов.
Инструментальные стали
Инструментальные стали, включая быстро режущие сорта P18 и Р9, а также их аналоговые заменители типа ХВГ, 9ХВГ, 9ХС, активно применяются при изготовлении режущего инструмента различного назначения. Электродуговая сварка используется в основном для приварки высокотвердых режущих пластин к державкам из стали обычного качества или же при наплавке слоев быстрорежущего материала на заготовки из конструкционной углеродистой стали.
Наплавочный процесс осуществляется непрерывно, без остановок, чтобы исключить образование дефектных зон. После завершения процесса наплавки проводится обязательный отжиг, механическая доработка, затем выполняется закалка и трёхкратный отпуск, повышающий стабильность структуры. В результате такой комплексной обработки достигается твердость сварочного слоя в пределах HRC 61…64, что делает инструмент пригодным для резки твердых материалов при высоких скоростях.
Интересные факты:
-
Некоторые высоколегированные стали, например Х18Н9, обладают не только коррозионной стойкостью, но и способностью к самопассивации — самопроизвольному восстановлению защитного оксидного слоя после его повреждения.
-
Высокомарганцовистые стали типа 110Г13Л обладают феноменальной износостойкостью и даже после интенсивной эксплуатации на железнодорожных стрелках восстанавливаются сваркой без потери прочности.
-
Инструментальные стали типа Р18 при правильной термообработке могут достигать твёрдости до 64 единиц HRC — такой же, как у качественных промышленных резцов.
-
При сварке сталей с высоким содержанием хрома и углерода возникает риск образования мартенситной структуры, которая резко снижает пластичность сварного шва, требуя точного соблюдения температурных режимов.
-
Сварка при температуре ниже +5 °C без подогрева приводит к образованию холодных трещин даже в сталях с низким содержанием углерода.
Сварка сталей различных марок — это тонкий баланс между физикой металлов, химией состава и технологией процесса. Успешное выполнение сварных соединений требует глубокого понимания поведения стали при термическом воздействии, правильного выбора электродов, оптимальных режимов сварки и последующей термообработки. Каждая группа сталей — от малоуглеродистых до инструментальных — предъявляет свои особые требования, которые невозможно игнорировать без ущерба для качества. Освоение и строгое соблюдение этих требований позволяет не только обеспечить прочность соединений, но и продлить срок службы деталей, работающих в самых тяжёлых условиях.
