Электрод для дуговой сварки деталей из разнородных сталей и способ дуговой сварки деталей из разнородных сталей
ELECTRODE FOR ARC WELDING OF PARTS MADE OF DISSIMILAR STEELS AND METHOD FOR ARC WELDING OF PARTS MADE OF DISSIMILAR STEELS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано, например, при ручной сварке резервуаров, емкостей и трубопроводов для хранения и перемещения агрессивных жидкостей, жидких минеральных удобрений, нефтепродуктов в которых выполняется соединение, например, углеродистых феррито-перлитных сталей (фланец) с нержавеющими аустенитными (патрубок), а также при ремонте таких конструкций.
Основные проблемы, характерные для сварки разнородных материалов, связаны с охрупчиванием границ раздела между ними. Степень их проявления определяется природой взаимодействующих материалов и технологией формирования неразъемных соединений. Причины, объясняющие низкий уровень прочностных свойств, ударной вязкости, статической и усталостной трещиностойкости сварных конструкций из разнородных материалов, заключаются в формировании зон переменного химического состава со сложной (различной) кристаллической структурой, присутствием хрупких интерметаллидов или неметаллических включений, высокопрочных закаленных зон, появлением остаточных напряжений и пр.
Избавиться от данных проблем путем оптимизации режимов сварки и наплавки, как правило, не удается. Неизбежность формирования такого рода структурных составляющих обусловлена самой сутью, природой сварочных процессов.
Если в процессе сварки не происходит активного перемешивания материалов соединяемых заготовок, то и добиться получения качественного шва в большинстве случаев также не удается. При повышении в углеродистых сталях количества углерода эта задача усложняется многократно. Поэтому одна из наиболее сложных с практической точки зрения задач при сварке разнородных материалов связана с соединением углеродистых и легированных сталей (Никулина А.А. Структура и свойства разнородных соединений, полученных методом сварки и наплавки углеродистых и легированных сталей, док. дисс., - Новосибирск, 2020, - 385 с.).
Известны электроды для ручной дуговой сварки разнородных сталей, содержащий металлический стержень и нанесенную на него обмазку (RU 2428290, 10.09.2011; RU 2595083, 20.08.2016).
Недостатками этих электродов являются:
- низкая технологичность при опрессовке и низкая технологичность электродного покрытия при прокалке;
- низкая сопротивляемость сварных швов образованию горячих трещин, особенно при сварке разнородных сталей,
- высокое содержание кислорода в металле сварного шва и, как следствие склонность к образованию горячих кристаллизационных трещин.
Известен способ сварки (патент SU №1389963 А1, 23.04.88) - аналог, где сварку выполняют составной проволокой, отрезки которой имеют различный химический состав, при этом сварку осуществляют с колебаниями проволоки и в процессе каждого колебания расплавляют один из отрезков проволоки.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому электроду является электрод для ручной дуговой сварки деталей из разнородных сталей, включающий стальной стержень, выполненный из металла с обмазкой близкими по химическому составу и механическим свойствами, с металлом одной из свариваемых деталей (RU №2022738, 15.11.94).
Общей технической проблемой известных аналога и прототипа является высокая трудоемкость в организации процесса сварки разнородных сталей, а общим недостатком - образование трещин и иных макродефектов в сварном шве.
Задачей решаемой настоящим изобретением является упрощение процесса сварки и повышение качества шва у свариваемых изделий из разнородных сталей.
Настоящая задача решается тем, что электрод для дуговой сварки деталей из разнородных сталей, содержащий стальной стержень с обмазкой, состав которого обеспечивает сварку стали, из которой выполнена одна из деталей, снабжен дополнительным стальным стержнем с обмазкой, состав которого обеспечивает сварку стали, из которой выполнена другая деталь, при этом каждый из упомянутых стержней электрода по всей длине освобожден от обмазки на четверти ее поверхности, причем стержни с обмазкой установлены параллельно друг другу с касанием смежных поверхностей, свободных от обмазки, и скреплены медными скобами.
В способе дуговой сварки деталей из разнородных сталей, включающем подготовку свариваемых кромок и последующее формирование свариваемого шва, для формирования шва используют электрод, состоящий из двух стальных стержней с обмазкой, скрепленных между собой медными скобами, каждый из которых имеет состав обеспечивающий сварку стали одной из свариваемых деталей, причем стержни с обмазкой установлены параллельно друг другу с касанием смежных поверхностей, свободных от обмазки по всей длине на четверти ее поверхности, при этом электрод ориентируют с размещением каждого стержня со стороны соответствующей детали, для сварки которой он предназначен, и обеспечивают совместное плавление стержней с получением сварного шва с усредненным химическим составом по сравнению с составом свариваемых деталей.
Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в процессе дуговой сварки разнородных сталей в сварочном шве целенаправленно формируются химические концентрационные градиенты (ХКГ), суть - скачки концентрации, углерода и(или) основных легирующих элементов, от оси шва (границы раздела) в направлении кромок свариваемых сталей, посредством расплавления электрической дугой сдвоенного электрода предлагаемой конструкции. При этом электрод составляется так, что химический состав каждой его части соответствует или близок к химическому составу, соединяемой сваркой стали, а при сварке происходит плавление и смешивание в сварном шве его частей с образованием нового сварочного материала - стали с усредненным химическим составом по отношению к свариваемым.
Изобретение иллюстрируется следующими материалами.
На фиг. 1 - схема предлагаемого электрода.
На фиг. 2 - общий вид предлагаемого электрода.
На фиг. 3 - схема сварки разнородных сталей сдвоенным электродом.
На фиг. 4 - микроструктура сварного шва без предварительной организации в нем химических концентрационных градиентов с характерными дефектами.
На фиг. 5 - микроструктура сварного шва при предварительной организации в нем химических концентрационных градиентов.
На фиг. 6 - влияние химического концентрационного градиента на формировании микроструктуры в сварном шве.
Электрод выполнен сдвоенным и состоит из двух металлических стержней 1 и 2 из металлов близких по химическому составу и механическим свойствами свариваемым деталям. Металлические стержни 1 и 2 соприкасаются между собой, по всей длине и имеют обмазку 3 и 4. Металлические стержни 1 и 2, для их лучшего контакта, в месте соприкосновения по их смежной стороне 5 на ¼ их диаметра освобождены от обмазки 3 и 4. Обе части электрода скреплены друг с другом одной или несколькими медными скобами 6. На фиг. 3 поясняющей реализацию способа, показаны свариваемые пластины 7 и 8 из разнородной стали (марки 12Х10Н10Т и Ст. 50).
Изобретение поясняется следующими примерами.
Пример 1. Из листовых сталей 50 и 12Х10Н10Т вырезали образцы свариваемых деталей 3 и 4 размером 80×50×6 по 6 шт. каждой. На образцах проводили подготовку свариваемых кромок для чего кромки выполняли наждачным кругом, с углом 30°.
Образцы из сталей 50 и 12Х10Н10Т перед сваркой прихватывали между собой.
Сварку разнородных металлов осуществляли сварочным инвертором «Ресанта» на режимах: ток - 120 А, полярность - обратная.
Электроды для сварки разнородных сталей: для стали 50 был выбран электрод марки Св-08, с обмазкой 5, а для стали 12X10 Н10Т - электрод марки ЦЛ11 с обмазкой 6. С обоих электродов рашпилем снималась обмазка на ¼ диаметра - до металлического стержня. Затем по образующей поверхности электроды соединяли и скрепляли медными скобами 7 диаметром равным 1,5-3 мм.
В этом примере электроды над кромками разнородных сталей располагали, как показано на фиг. 4 электрод марки Св-08 над кромкой стали 50, а стали 12Х10Н10Т - электрод марки ЦЛ11, после чего осуществляли сварку образцов на выше указанных режимах.
После остывания образцов вырезали темплеты и готовились шлифы с целью выявления образования в сварном шве дефектов (трещин, непроваров и пр.).
Микроструктура по оси сварного шва представлена на фиг. 4. При сварки разнородных сталей с организацией в сварном шве химических концентрационного градиентов в зоне термического влияния трещин обнаружено не было.
Таким образом, при формировании сварного соединения из разнородных сталей по примеру 1 предлагаемого способа, трещин в нем обнаружено не было (см. фиг. 4.)
Пример 2. Таким же образом подготовили и вторую партию образцов и электродов для дуговой сварки разнородных сталей. Отличие от предыдущего примера 1, состояло в том, что электрод марки ЦЛ11 был установлен уже над кромкой, стали 50, а электрод марки Св-08 - над кромкой стали 12Х10Н10Т.
После остывания сварного шва из него также вырезались темплеты и готовились шлифы на предмет определения микродефектов. На микрошлифах были обнаружены: трещина по оси шва (вдоль границы свариваемых разнородных сталей), микротрещины у кромок, непровар корня шва. Технический результат изобретения достигается, прежде всего, за счет формирования в сварочном шве заранее заданного, ХКГ углерода и (или) основных легирующих элементов (в нашем случае - это хром и никель) с плавным профилем концентрации химического элемента, который позволяет нивелировать неизбежный резкий скачек химического состава и связанных с ним основных физико-механических свойств, на границе свариваемых разнородных сталей, например, феррито-перлитной стали 50 и аустенитной стали 12Х10Н10Т. Также, достижению технического результата способствует и правильное расположение в пространстве сторон предлагаемого сдвоенного электрода, по отношению к свариваемым сталям (кромкам сварного шва).
Так, в обоих примерах, сварной шов образуется между разнородными сталями, отличающимися друг от друга как по содержанию углерода, так и по содержанию основных легирующих элементов (см. Табл. 1).
Как следует из приведенной таблицы, если свариванию подвергать выбранные для иллюстрации изобретения стали марок 50 и 12Х10Н10Т, то ХКГ - скачек концентрации, например, углерода при переходе от одной стали к другой составит:
С
ХКГ(50/12Х10Н10Т)=(0,47÷0,55)-0,12=0,35-0,43.
Аналогично можно рассчитать этот параметр и для основных легирующих элементов хрома и никеля:
Cr
ХКГ(50/12Х10Н10Т)=0,25-(17÷19)=-(16,75÷18,75),
Ni
ХКГ(50/12Х10Н10Т)=0-(9÷11)=-(9÷11).
Эти протяженные скачки (особенно для Cr и Ni) концентраций химических элементов и формируют будущий градиент структуры и свойств сварного соединения, являясь основной причиной формирующихся в нем остаточных напряжений, вызывающих структурные макродефекты.
Если же сварку этих сталей проводить с использованием составного электрода по предлагаемому изобретению, из сталей Св-08 и Св-08Х19Н10Б (электрод марки ЦЛ-11), то протяженный скачек концентрации, например хрома, равный - (16,75-18,75), распадается уже на две более короткие площадки: ХКГ между сталями 50 и новой сталью, полученной при совместном плавлении Св-08 и Св-08Х19Н10Б в сварочной ванне, и ХКГ между новой сталью и 12Х10Н10Т, каждый из которых составит, соответственно:
Cr
ХКГ(50/Св-08+Св-08Х19Н10Б)=0,25-(9,075÷11,075)=-(8,825÷10,825),
Cr
ХКГ(Св-08+Св-08Х19Н10Б/12Х10Н10Т)=(9,075÷11,075)-(17,0÷19,0)=-7,925,
Cr
Видно, что расчетные ХКГ на границах свариваемых разнородных сталей (50 и 12Х10Н10Т) и новой стали, полученной при совместном плавлении частей составного электрода, оказываются почти в 2 раза ниже, чем для исходного образца.
Таким образом, по результатам проведенных экспериментов, установлено, что из-за отсутствия в процессе сварки разнородных сталей в сварном шве заданного ХКГ углерода и основных легирующих элементов (хром, никель), с большой долей вероятности, возникают различные макродефекты. Путем создания, в сварном шве заданного, плавного ХКГ (углерода и(или) основных легирующих элементов) при дуговой сварке разнородных металлов, в сварном шве и зоне сплавления не образуются трещины и другие дефекты, а новая сталь, имеющая усредненное содержание химических элементов по отношению к свариваемым, образуется непосредственно в процессе сварки - путем плавления и перемешивания в сварочной ванне материалов, близких к ним по составу.