Сварка легированной стали

Подробности

Опубликовано 03.08.2013 11:15

Просмотров: 23149

Что такое легированная сталь?

Сталь представляет собой металлический сплав, состоящий главным образом из железа, в дополнении с небольшим количеством углерода, в зависимости от сорта и качества стали.  Легированная сталь это любой тип стали, на которой один или более элементов, кроме углерода были преднамеренно добавлены, для получения желаемого физического свойства или характеристики. Элементы, которые добавляют чтобы сделать сплав стали это: молибден, марганец, никель, кремний, бор, хром и ванадий.

Легированная сталь часто подразделяют на две группы: высоколегированных сталей и низколегированных сталей.  Разница между этими двумя определена несколько произвольно.  Тем не менее, большинство согласны, что любая сталь, которая сплавляется с более чем восьми процентов своего веса быть рядом с другими элементами железа и углерода, является высоколегированной стали.  Низколегированные стали немного более распространены.  Физические свойства этих сталей модифицированы другими элементами, чтобы дать им большую твердость, прочность, коррозионную сопротивление, или ударной вязкости по сравнению с углеродистой стали.  Для достижения таких свойств, эти сплавы часто требуют термической обработки.

Если уровень углерода в низколегированной стали высокого диапазона, она может быть трудно свариваемой.  Если содержание углерода снижается до диапазона от 0,1% до 0,3%, а в некоторых легирующих элементов уменьшается, сталь может достичь большей свариваемости и формуемости при сохранении прочности.  Такие металлы, классифицируются как высокая прочность, низколегированных сталей.

Пожалуй, самая известная легированная сталь это  нержавеющая сталь.  Это легированная сталь с минимальным 10% содержанием хрома.  Нержавеющая сталь более устойчива к образованию пятен и коррозии, чем обычная сталь.  Она была обнаружена в 1913 году Гарри Шеффилдом,  но открытие не было объявлено всему миру до 1915 года.  Нержавеющая сталь широко используется в Столовых приборах, ювелирных изделиях, браслетах для часов, хирургических инструментах, а также в авиационной промышленности.  Ее применяли также в известных архитектурных проектах, таких, как Gateway Arch в Сент-Луисе, штат Миссури, и вершина Крайслер-билдинг в Нью-Йорке.

Во всех типах легированной стали, легирующие элементы, как правило, либо образуют карбиды или соединения, а не просто равномерно смешаны железо и углерод.  Никель, алюминий и кремний являются примерами элементов, которые образуют соединения в стали.  Вольфрам и ванадий образует карбиды, оба из которых повышают жесткость и стабильность готового продукта.

Сварка легированной стали

Легированная сталь наиболее подходящий выбор для таких объектов как, мосты, высокие башни и подъемное оборудование.

Как написано выше, манипуляции с химическим составом, дает легированные стали универсальными и способными отображать специфические характеристики, подвергаясь подходящей термической обработки.

Используя максимальную отдачу от повышенной прочности, твердости, пластичности и ударной прочности через инновационный дизайн, можно построить более легкие конструкции со значительной экономической выгодой.

Сварка легированной стали, является одной из сложнейших операций, и нуждается в понимании и подготовке.

Причина в том, что термообработка, закаленных и отпущенных сталей склонна к растрескиванию, если соответствующие меры предосторожности не будут приняты.

Легированных стали, в просторечии, имеют 0,25 до 0,5% С, то есть средним содержанием углерода, и обычно до 5% общего содержания сплава.

Это означает, что арифметическое подведения числа, выражающие процент содержания легирующих элементов в химическом составе, то есть элементов (хром, никель, молибден и др.), каждый получает около 5%.

В чем состоит опасность?

Механические свойства, которые могут быть разработаны (прочность, твердость и пластичность), обеспечиваются влиянием определенной температуры.

Эти называют закалкой и отпуском.

Первая часть (закалка) состоит в постепенном нагревании сталей в печи до температуры превращения, держа их при этой температуре некоторое время, а затем резкое охлаждение до комнатной температуры.

Закаленные стали являются несколько хрупкими.  Чтобы восстановить пластичность, выполняется вторая часть (закалки) цикла, заключающаяся в нагревании при промежуточной температуре в течение необходимого времени, а затем охлаждается.

Описанные процессы изменяют микроструктуру стали для придания требуемых механических свойств.

Тем не менее, всякий раз, при сварке легированной стали, материал подвергается неконтролируемому циклу нагрева и охлаждения.

В процессе закалки, как и при сварке, сталь становится твердой, хрупкой и склонной к холодному растрескиванию под действием внутренних напряжений.

Поэтому те же самые благоприятные качества, которые делают эти материалы, пригодные для сложных конструкций, делают их более восприимчивыми к образованию холодных трещин при сварке сплава стали.

Наиболее важные параметры: ввод тепла, скорость охлаждения, "содержание легирующих элементов" (то есть сумма процентов из наиболее важных легирующих элементов) имеют большое влияние на поведение материала при термических циклах, связанных со сваркой.

Отдельные условия предпочтительны для сварки легированной стали, в то время как полное развертывание свойств получается выполнением термообработки как отдельного процесса, после того как все сварочные работы будут завершены.

Обозначения легированных сталей

Некоторые из них стали известны под обозначением AISI-SAE, 13xx, 40XX, 41xx, 43XX, 46XX, 51XX, 61XX, 86XX, где последние XX две цифры указывают содержание углерода, выраженное в сотых процента, может быть что угодно от 18 до 50.

Некоторые основные факты металлургии стали следует помнить при сварке сплава стали.  Устанавливает уровень углерода твердость и хрупкость, которая будет показана в мартенситной структуре.

Это получается путем быстрого охлаждения после аустенизации (то есть после того, как нагрев стали выше температуры превращения где доля  феррита в аустенит изменена).

Проблема усугубляется еще и более высокой прокаливаемости из-за высокого содержания сплава стали, то есть, их тенденцию затвердевать, путем формирования мартенсита, даже при больших размерах и медленнее скорость охлаждения, которая не будет влиять на другие, менее легированные стали.

Большая прокаливаемость, это то, что отличает легированные стали от углеродистых с тем же содержанием углерода и представляет также наиболее важной проблемой для сварки легированной стали.  Это означает, что, как показано выше, что жесткая мартенситная структура достигается даже при медленном охлаждении после сварки.

Свариваемость, понимаемая как простота сварки без трещин, уменьшает в сталях как прокаливаемость увеличивается.  Это означает, что чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем выше риск образования трещин, если соответствующие меры предосторожности не реализованы.

Полезный инструмент.

Концепция углеродного эквивалента была разработана в целях сокращения влияние вклада различных легирующих элементов на трудности, возникающие при сварке легированной стали.

Одина из принятых эмпирических формул соответствует углеродный эквивалент на сумму процентного содержания каждого элемента деленное на определенный коэффициент следующим образом:

Углеродного эквивалента

 CE =% C +% Mn / 6 +% + Ni/15% Cr / 5% Mo + / 4 +% V / 5.

Использование этой формулы предназначено для обеспечения правила для принятия решения, если и то, что специальные положения должны быть реализованы по сварке легированных сталей:

СЕ равна или меньше 0,40, никаких условий не требуется.

Для CE более 0,40, но меньше, чем 0,60 должна быть предварительно нагрета до сварки.

Для CE более 0,60 должен быть применен предварительный нагрев и последующий подогрев.

Очевидно, что такой подход к оценке свариваемости упрощает вопрос с видом других факторов, таких как дополнительные элементы, толщины, сдержанность сустава, природа наполнителя, температурные градиенты, все из которых способствуют и даже могут решить результат сварки сплавов стали процедуры.

Для любого реального применения комплекса все условия участия должны быть оценены.  Не менее важно тщательно очистить все материалы, недрагоценные металлы, расходные материалы, оборудование и аксессуары, от жира, краски, влаги, ржавчины, грязи и других загрязнений.

Риски водорода

Для сварки легированных сталей, водород является наиболее опасным из всех газов, поскольку он может вызвать образование трещин. Обычно он поступает в следствии влажных электродов или других условий, связанных с плохой подготовкой шва и плохой обработки.

Он может быть поглощен в расплаве в атомарной форме, при повышенной температуре, а затем быть отклонен, если растворимость падает при более низкой температуре, со значительным повышением давления в канале для молекулярной формы.

Хотя привлекательно своей простотой, эта теория была недавно подвергнута сомнению, в рамках гипотезы о наличии уже существующих  дефектов в материале.

Под напряжением, водород диффундирует, снижает местную когезионную прочность.  Отказ будет происходить, когда эта сила падает ниже уровня.  Водород развивается во вновь образованной полости, и процесс повторяется.

Из-за тенденции холодного растрескивания, проявляемой при сварки легированной стали, он имеет первостепенное значение, чтобы минимизировать возможность водородного охрупчивания, используя только низкий расходный водород.

Низко-водородные электроды применяется для сварки сплавов стали в очень ограниченных местах, они должны быть сохранены и храниться в сухом месте, чтобы минимизировать поглощение влаги.

Процессы, происходящие при сварке легированных сталей

Все общие процессы применимы при сварке сплава стали, выбор определяется главным образом экономическими и практическими соображениями.

Однако некоторые меры предосторожности должны всегда рассматриваться: низкий расход водорода, нагрев деталей, чтобы избежать холодных трещин, кроме контроля микроструктуры.

По этим причинам, экранированная сварка металла легированной стали выполняется с низко-водородными электродами.  Целью выбор присадочного металла, чтобы соответствовать в металле сварного шва не столько химии и состава, а механические свойства получаемых после соответствующей термической обработке.  Некоторые электроды не распространяют принятые стандарты специального назначения производителями.

Газ вольфрама дуговой сварки считается лучшим, способным контролировать содержание водорода до минимума и, следовательно, процесс выбора для критических приложений сварки легированной стали.

Оба защитных газа ручные процессы (пруток и полуавтоматической сварки) обеспечивают хороший контроль химии и чистоты.  При более высокой производительности они необходимы, механизированных процессов выше, или FCAW и пила может быть реализована по сварке легированных сталей, как правило, с более стабильным качеством.  Некоторые эксперты не рекомендуют FCAW в критически важных приложениях, однако вопрос возможности контроля содержания влаги в потоке зависит от производителей.

Наполнитель металлов

Наполнители металлов должны быть приобретены у известных производителей, которые знакомы с требованиями сварки и заботиться не только о композиции, но и о качестве поверхности и чистоте их материалов.

Порошковые проволоки могут поставляться с композициями для получения в сварном свойстве, аналогичные материально-технической базы, после закалки и отпуска.  Производители должны быть поставлены под сомнение, чтобы удовлетворить особые требования.

Некоторые из этих электродов обеспечивают сварную твердость, близкую к полной обработке цветных металлов даже с более низким содержанием углерода.

Когда, в отдельных случаях, развертывание полной закалкой и отпуском свойств в металле шва не является необходимостью, сборку можно поставить на вооружении и только после снятия стресса.

Электрод должен быть специально подобран для сварки-легированной стали, например, аустенитный нержавеющий или никелевый сплав имеет меньшую прочность и высокую пластичность и способствует образованию трещин сварных швов.

С этой экспозиции получается, что выбор надлежащего электрод присадочного металла регулируется уровнем проектной прочности сварного шва.  Это требование должно быть предметом заботы, другая необходимость это сведения к минимуму растрескивание шва, для этого должен быть выбор расходных материалов обеспечивающих максимальную пластичность.

Химия сварного шва

В общем случае следует иметь в виду тот факт, что наплавленный материал при сварке сплава стали может отличаться от состава присадочного металла, из-за разбавления основного металла и из-за дуги, которое зависит от того, как элементы переносят сварочную дугу.

Поэтому не все расходуемые элементы электродов присутствуют в сварном шве в их первоначальном процентном содержание, в то время как наполнитель проводов, используемых с неплавящимся электродами, подают непосредственно в сварочную ванну, более вероятно, проходит неизменным в сварном шве.

Свобода выбора зачастую отдается профессиональному сварщику, который может выбрать наполнитель для обеспечения этих характеристик, который даст лучшую общую производительность, даже с композицией, отличающейся от основного металла.

В частности лучше свариваемость иногда достигается за счет использования наполнителя композиции, которая уменьшает прокаливаемость шва.

Коэффициент теплового расширения.

Другой фактор, который следует учитывать это коэффициент теплового расширения, особенно для разнородных соединений, где подходящий металла, наполнитель должен быть выбран для размещения различных термических свойств и поглощать трещины внутренних напряжений.

Может возникнуть истощение углерода в основном металле, вызванное некоторыми металлами наполнителя.  Следует рассматривать другой наполнитель, имеющий меньшую тенденцию к разрушению углерода, если совместные механические свойства, должна быть проверены на растяжение и изгиб поперек сварного шва, являются важными для приложения.

Другие вредные элементы

Повышенное содержание серы или фосфора, которые не включены в формулу углеродного эквивалента, могут привести к появлению «горячей слезы» в сварном шве. «Горячие слезы» появляются из за трещин и внутренних напряжений, в конце процесса кристаллизации, в то время когда материал остается еще горячим и слабым.

Иногда негативному влиянию серы можно противодействовать путем предоставления наполнителя с повышенным содержанием марганца, что способствует производству сульфидов безвредного марганца, таким образом, решение проблемы горячей серы будет решено.

Газы, в сварном шве обнаруживаются при наличии пористость, которая усиливается, когда растворимость при низкой температуре ниже, чем в жидком металле или при повышенной температуре.

Контроль микроструктуры

Сварка легированной стали обеспечивает интенсивное местное тепло, которое влияет на структуры, присутствующие вблизи сустава и вызывает те структурные изменения, которые должны быть предусмотрены, зная химический состав основного металла, форму и размеры структурных элементов и скорости охлаждения.

Как уже отмечалось, твердость и хрупкость идут вместе.  Поэтому, если условия (углеродистое и низколегированное содержание) таковы, что можно ожидать твердость и хрупкость мартенситной микроструктуры при охлаждении температуры после сварки-легированной стали, риск развития трещин, то изменение скорости охлаждения должна быть реализована, главным образом путем предварительного нагрева, чтобы предотвратить структуру из формовки, или закалить их и снизить твердость с повышенной пластичностью.

Поступление тепла является одним из основных факторов, участвующих в успехе сварки легированной стали.  Хотя точное значение не может быть доступно из-за потери тепла, которое трудно объяснить, общая оценка его последствий может помочь в оценке возможных результатов процедуры изменения.