Электроды для сварки разнородных сталей и сплавов
Сварка разнородных материалов всегда сложнее обычного соединения «сталь к стали» одного класса. Проблема не только в том, что металлы отличаются по химическому составу. Они по-разному расширяются при нагреве, по-разному ведут себя в зоне термического влияния и по-разному реагируют на разбавление наплавленного металла основой. Именно поэтому для таких соединений подбирают не «универсальный» сварочный электрод, а металл шва, который выдержит сразу несколько конфликтующих требований: прочность, пластичность, стойкость к трещинам, рабочую температуру и, при необходимости, коррозионную стойкость.
Условно разнородные сочетания можно свести к четырем крупным группам: углеродистые и низколегированные стали; легированные стали повышенной и высокой прочности; теплоустойчивые стали; высоколегированные стали и сплавы. На практике именно граница между этими группами и определяет выбор электрода. Чем сильнее различие по легированию и структуре, тем выше риск получить хрупкие прослойки, закалочные структуры у линии сплавления и опасные остаточные напряжения.
Почему нельзя выбирать электрод по одной стороне
Главная ошибка — подбирать электрод только по более дорогому или более легированному металлу. Для разнородного шва это почти всегда неверно. В реальном соединении металл шва формируется не только электродом, но и разбавлением от обеих кромок. Из-за этого вблизи линии сплавления меняется химический состав, могут появляться хрупкие кристаллизационные и диффузионные прослойки, а при неблагоприятной схеме охлаждения — участки с высокой твердостью и низкой пластичностью. Для предварительной оценки структуры такого шва до сих пор используют диаграмму Шеффлера и ее более поздние модификации: они помогают понять, в какую область структуры сместится металл шва при конкретном составе и уровне разбавления.
Именно поэтому в сварке разнородных сталей так часто применяют аустенитные и железоникелевые либо никелевые электроды. Аустенитный металл шва лучше переносит разбавление, сохраняет пластичность и, при наличии контролируемого количества феррита, менее склонен к горячим трещинам. Никелевые присадки идут дальше: они особенно полезны там, где нужна повышенная стойкость к охрупчиванию, к термическим деформациям и к сложным режимам службы.
Отдельно стоит сказать о 309-м классе. Он действительно считается рабочим решением для многих соединений «углеродистая/низколегированная сталь + нержавеющая», а также для первого слоя плакировки. Но делать из него абсолютный стандарт нельзя. Если узел затем идет на жесткую термообработку, работает при повышенной температуре или в особенно тяжелой среде, нередко переходят на никелевые присадки либо на схему с буферным слоем.
Технология важна не меньше марки электрода
Даже правильно выбранный электрод не спасет шов, если нарушен режим. Для разнородных соединений обычно работают короткой дугой и стараются ограничить разбавление. Практически это означает умеренный ток, отсутствие излишне широкой «елочки», узкие проходы и контроль тепловложения. Для аустенитных присадок особенно важно не разгонять длину дуги: при падении ферритной составляющей возрастает склонность к горячим трещинам. Хороший ориентир — держать смешение с основным металлом на разумном уровне, а не «проваривать на всякий случай» половину детали.
Предварительный подогрев назначают не по нержавеющей стороне, а по той части соединения, которая склонна к закалке и водородному растрескиванию. Для мартенситных сталей обычно применяют низководородные процессы, подогрев порядка 200–300 °C и последующую термообработку примерно в диапазоне 650–750 °C. Для части ферритных сталей при тонком металле допустима сварка аустенитным присадочным без специальных мер, а вот на более толстых сечениях приходится ограничивать тепловложение и межслойную температуру; если же требуется ПТО, нередко переходят на никелевые присадки.
Что чаще всего портит швы
- выбор электрода по одной кромке без учета разбавления;
- попытка варить разнородный стык «обычным» электродом для углеродистой стали;
- завышенный ток и широкие колебания, которые резко увеличивают долю основного металла в шве;
- игнорирование подогрева на мартенситной или высокопрочной стороне;
- назначение ПТО без проверки, как ее перенесет выбранный металл шва;
- использование 309-го класса там, где соединение работает в более жестких условиях и требуется никелевый металл шва.