Современные нержавеющие стали, даже не подвергну­тые специальному металлургическому улучшению — вакуумно­му, электрошлаковому, плазменно-дуговому переплавам,— отли­чаются хорошей раскисленностью и высокой чистотой по кисло­роду п вредным примесям. Поэтому с целью приблизить свойства металла шва к свойствам основного металла при сварке стали стремятся ограничить насыщение сварочной ванны кислородом, серой, фосфором, а в ряде случаев — углеродом и даже крем­нием и, кроме того, обеспечить хорошее раскисление жидкого металла, а также измельчить структуру шва. Все это тем более важно, что литой металл шва, как 'Правило, по пластичности и вязкости несколько уступает основному катаному металлу. Засорение же шва указанными примесями может привести к ухудшению его свойств и снижению работоспособности свар­ных изделий. Кроме того, несмотря на большую растворимость и полезность азота в высоколегированном металле по сравнению с углеродистым нелегированным или низколегированным, чреэ -

мерное насыщение жидкого металла сварочной ванны азотом за счет воздуха (при сварке без защиты) может вызвать пори­стость шва особенно прн многослойной сварке. Подтверждением этого является образование пор в многослойном шве в местах, где нарушалась защита зоны сварки из-за плохой подачи флюса или газа. Контактирование жидкого металла с воздухом при сварке тем более нежелательно, так как одновременно с азотом в металл шва может попадать в большом количестве также и кислород. Причем кислород, попавший в большом количестве в металл вместе с азотом, остается в нем как в растворенном виде, так и в виде оксидных включений, ухудшая механические свойства. В последнее время установлено, что азот прн контак­тировании с жидким металлом в чистом виде или в смеси с инерт­ной средой (аргоном, гелием) растворяется в нем в значительно меньшем количестве, чем в присутствии кислорода [206, 26, 28]. Раньше считали [157, 61, 62], что присутствие кислорода в зоне сварки, например при сварке в углекислом газе, уменьшает насыщение металла шва азотом вследствие нерастворимости закиси азота в жидком металле. В. И. Дятлов полагает, что об­разовавшаяся при высоких температурах закись азота хорошо адсорбируется поверхностью жидкого металла капель электрода, затем при понижении температуры диссоциирует на поверхности, и атомы азота и кислорода растворяются в металле. Естествен­но, что при этом значительная часть азота и тем более кислорода образуют оксиды и нитриды.

В качестве защитной среды при дуговой сварке нержавеющих сталей так же, как и при сварке ответственных изделий из кон­струкционных сталей, применяют газы н шлаки, а чаще — комби­нированную шлакогазовую защиту. К чисто газовым защитам относятся аргон, гелий, углекислый газ, смеси аргона с гелием, аргона с кислородом или углекислым газом, к шлаковым, точнее, к шлако-газовым защитам,— покрытия ручных металлических электродов, флюсы. В каждую из этих групп входят нейтральные защитные среды, не вступающие или частично вступающие во взаимодействие с жидким металлом, и активные защитные сре­ды, вступающие в химическое взаимодействие с жидким метал­лом капель электродного металла п сварочной ванны.

Нейтральной газовой защитной средой, наиболее часто при­меняемой при сварке нержавеющих сталей, является аргон, реже— гелий или смесь этих газов. Из активных газов наиболее часто используют смеси аргона с кислородом пли с углекислым газом, а также чистый углекислый газ. Для сварки хромонике­левых аустенитных и ферритно-аустенитных сталей можно также применять чистый азот, что в практике, однако, не имеет места.

В аргоне, применяемом для сварки, содержится не более 0,08% азота и не более 0,015% кислорода. При таком количестве примесей ошутимого насыщения металла шва азотом не наблю­дается, что весьма важно при сварке черных сталей. При выпол­нении аустенитных швов, не содержащих ниобий и титан, наличие в аргоне до 6% азота оказывается не только не вредным, но даже полезным. В ряде же случаев, особенно при выполнении аустенитно-ферритных швов с заданным количеством ферритной фазы, при сварке хромистых мартенситных сталей проволоками, по составу близкими к основному металлу, содержащими титан, ниобий, чрезмерное насыщение сварочной ванны азотом оказы­вается нежелательным. Поэтому содержание азота в аргоне ограничивают.

Что касается углекислого газа, применяемого для сварки, то содержание в нем азота ограничивается 0,1%, так как насыще­ние последним сварочной ванны в присутствии кислорода, обра­зующегося в дуге вследствие диссоциации углекислого газа, более значительно, чем при сварке в аргоне. Особенно опасно насыще­ние сварочной ванны азотом при сварке черных металлов или комбинированных соединений конструкционных углеродистых или низколегированных сталей с аустенитными. Достаточно чи­стый от примесей углекислый газ находит все возрастающее при­менение в качестве защитной среды не только при сварке кон­струкционных, но и высоколегированных сталей.

Таким образом, при сварке можно применять следующие смеси газов: аргон + гелий, аргон + азот, аргон + кислород, ар­гон + углекислый газ. При сварке в чистом аргоне или смеси аргона с гелием вследствие весьма незначительного количества в них кислорода наплавленный металл мало отличается от элек­тродного. Титана, например, из проволоки в шов переходит 80—90%. Шов при этом достаточно чист от шлаковых включе­ний и газов. При сварке же в газах, содержащих кислород, в том числе и в углекислом газе, наблюдается интенсивное выгорание титана, марганца, кремния, в меньшей степени — хрома, ниобия. Так, при сварке в углекислом газе титан из хромоникелевой проволоки выгорает на 65—85%, марганец — на 30—40%, крем­ний— на 25—35%, хром —на 10—20%, ниобий—на 20—30%. Если в нержавеющих присадочных проволоках содержится свы­ше 0,07—0,08% углерода, то он выгорает при сварке в углекис­лом газе на 5—15%, а при содержании его в проволоке меньше 0,07—0,08% происходит некоторое науглероживание металла шва за счет газовой фазы [263, 279, 145].

Переход элементов из проволоки в шов зависит от режима сварки. С повышением напряжения дуги возрастает время пре­бывания жидкого электродного металла в дуге (время накопле­ния капли на электроде и перекоса его в ванну), вследствие чего полнота реакций взаимодействия этого металла с защитной сре­дой (газом, шлаком) при сварке возрастает. Увеличение силы тока действует в противоположном направлении [62, 157].

Для компенсации выгорания легкоокислягощихся элементов содержание их в проволоке и в электродах должно быть соответ­ственно более высоким, чем требуемое количество этих элемен­тов в металле шва. Кроме того, с целью уменьшения выгорания титана и ниобия, необходимых в ряде случаев для связывания углерода, в проволоку дополнительно вводят алюминий, отлича­ющийся наиболее сильным из всех отмеченных элементов хими­ческим сродством к кислороду. Так, например, при сварке в угле­кислом газе введение в проволоку 0,54% А1 уменьшило выгора­ние титана до 50—60% вместо 65—85% без алюминия и ниобия до 15—25% вместо 20—30%. При этом значительно уменьшилось выгорание марганца, а хром практически не выгорал и пол­ностью перешел в шов.

Введение в хромоникелевую проволоку титана или, тем более, совместно титана, алюминия, большого количества кремния и марганца при сварке в углекислом газе способствует переходу углерода из газовой фазы в шов, что необходимо учитывать при изготовлении химической аппаратуры из нержавеющих сталей.

В качестве защитной среды при автоматической дуговой свар­ке широко применяют флюсы.

К. В. Любавскнн [132] показал, что для сварки высоколе­гированных сталей следует применять низкокремннстые флюсы основного типа. Для уменьшения окисления хрома при спарке нержавеющих сталей А. Е. Асннс, Б. И. Медовар [9], И. Г. Керр и Д. А. Кельмер [244] рекомендуют снижать также содержание окиси марганца во флюсе. Кроме того, известно, что повышение окиси марганца во флюсе вредно и с точки зрения увеличения содержания в шве фосфора, попадающего вместе с марганцевой рудой, вводимой в шихту флюса при его выплавке.

Понижение кислотности флюса (содержания кремнезема), предназначенного для сварки нержавеющих сталей, целесообраз­но в ряде случаев для уменьшения выгорания карбидообраэую - щих элементов и хрома, а также для уменьшения перехода кремния в шов. Для автоматической сварки высоколегированных сталей чаще всего применяют флюсы с минимальным содержа­нием кремнезема, двуокиси титана и окислов марганца —АН-22 и АН-26. Однако эти флюсы содержат до 30—32 БіОг и поэтому являются в некоторой степени окислительными. Такое количество кремнезема в них обусловлено технологическими трудностями получения зернистого безкремнистого флюса, а также необ­ходимостью обеспечения хорошего формирования шва и предот­вращения порообразования в нем, вызываемого водородом. При сварке под этими флюсами происходит весьма интенсивное вы­горание титана и алюминия, практически не позволяющее леги­ровать шов этими элементами через проволоку. Кроме того, восстанавливается из флюса и переходит в шов кремний, что в ряде случаев, например при сварке чистоаустенитных хромони­келевых, феррнтных или мартенситных хромистых нержавеющих сталей, нежелательно.

Во флюсе марки АНФ-14, предназначенном для замены флю­са АН-26, содержится 14—16% кремнезема, что уменьшает окис­лительную способность шлака и переход кремния в шов. Отме­ченных недостатков лишены так называемые безкислородные фторидные флюсы, предложенные в 1955 г. Б. И. Медоваром и С. М.'Гуревичем [140]. К ним относятся флюсы АНФ-1, АНФ-5, АНФ-6, АНФ-7 и флюсы 48-ОФ-6 и 48-ОФ-Ю близкие к послед­ним по содержанию кремнезема. При сварке под этими флюсами переход титана из проволоки в шов составляет 75—80%, что позволяет подобно сварке в аргоне легировать наплавленный металл легкоокисляющимися элементами — титаном и даже алюминием. При этом почти исключается окисление хрома и нио­бия и переход кремния из флюса в шов; наблюдается лишь некоторое испарение марганца. Кроме того, исключается опас­ность обогащения сварочной ванны фосфором; наблюдается даже некоторое обесфосфоривание и обессеривание сварочной ванны.

Недостатком фторидных флюсов является плохое формиро­вание сварных швов, а также плохие гигиенические условия работы с ними в связи с пылевидной их грануляцией. При вы­полнении однофазных аустенитных швов под этими флюсами не всегда удается избежать образования горячих трещин.

В последнее время автор с сотрудниками предложили для сварки глубокоаустенитных хромоникелевых, хромоникельмо - либденовых и особенно хромоникельмолибденомедистых сталей высокоокислительный низко кремнистый флюс АН-18 [103]. Для сварки жаропрочных высокохромистых мартенситных сталей успешно применен аналогичной системы, но несколько менее окислительный флюс АН-17 [102], предложенный ранее Б. С. Ка­саткиным, В. Ф. Мусияченко и Ю. Н. Вахниным для сварки высокопрочных углеродистых и низколегированных конструкци­онных сталей [70].

В швах, сваренных иод окислительными нпзкокремнистыми флюсами, содержится несколько больше кислорода и неметалли­ческих включений [102], чем в швах, выполненных под фторидни­ми флюсами или, тем более, аргоно-дуговой сваркой, но значи­тельно меньше, чем при сварке без защиты. С повышением содержания во флюсе окислов железа при прочих равных усло­виях количество кислорода в шве возрастает. Титан и алюминий, содержащиеся в проволоке, выгорают при сварке под этими флюсами столь же интенсивно, как и при сварке под флюсом АН-26, С увеличением содержания титана в проволоке свыше 0,8—1,0% резко возрастает количество его окисла в металле шва, вследствие чего сильно падает пластичность и вязкость металла. То же самое наблюдается при увеличении марганца свыше 3%. Вместе с тем, как показали опыты автора, швы, сваренные под флюсом АН-18 на стали 0Х23Н28МЗДЗТ с 0,7% Ті проволокой того же состава, имеют вполне удовлетворительную ударную вяз­кость даже при весьма низкой температуре — 8,0—9,7 кГ-м/см2 при —253° С.

В значительно меньшей степени, чем титан, выгорает ниобий при сварке под флюсом АН-18 (коэффициент перехода 0,55— 0,65), что позволяет успешно использовать последний для сварки аустенитных нержавеющих сталей проволоками с ниобием. При сварке под Этим флюсом обычно наблюдается выгорание кремния и марганца из проволоки, а при повышенном содержании в про­волоке легкоокисляющихся элементов в зависимости от режима сварки (при высоком напряжении дуги) может происходить даже некоторое восстановление кремния из флюса и переход его в шов. Однако даже в этом случае, например при сварке прово­локой с высоким содержанием марганца, благодаря повышенно­му содержанию окислов железа и пониженному содержанию кремнезема в этом флюсе кремневосстановительные реакции в зоне сварки заторможены и кремний переходит из флюса в шов меньше, чем, например, при сварке под флюсом АН-22 (18—21,5% кремнезема и 7—9% окиси марганца) н, тем более, под флюсом АН-26 (30—32% кремнезема и 2,5—3,5% окиси марганца) (табл. 14).

Исходя из условий нормального хода плавки флюса и полу­чения нормальной его грануляции (зернистости), возможности увеличения выгорания кремния из проволоки за счет понижения содержания кремнезема во флюсе с повышенным количеством 1ы. При необходимости более интенсив - 1. тем более, одновременного и дополни - I марганцем, хромом и другими элемен­тами следует пользоваться специальны­ми низкокремнистыми керамическими флюсами или ручными электродами с окислительным низкокремнистым или безкремнистым покрытием.

Рис. 53. Графики влия­ния соотношения количе­ства мрамора и плавико­вого шпата в покрытии электродов из проволоки Св 06Х19Н9 на коэффици­енты перехода углерода (I). хрома (2), марганца (3) п кремния (4) в на­плавленный металл [59].

Прн ручной сварке нержавеющих сталей толстопокрытыми электродами наблюдаются те же металлургические реакции между жидким металлом с одной стороны и шлаком и газом с другой, что и при сварке под флюсом. Поэтому для сварки этих сталей приме­няют электроды с покрытием на фто­ристокальциевой основе. При этом в зоне дуги происходит распад карбона­тов по реакции:

СаСОз -*■ СаО + С02 -* СаО +

+ со2 + СО + О

с образованием значительного количе­ства газов С02, СО и О. Газовая фаза в дуге при сварке электродами с фтористо-кальциевым покры­тием по качеству близка к защитной среде при сварке в углекис­лом газе. Количество кислорода, участвующего во взаимодей­ствии с жидким металлом, в первом случае меньше, чем во вто­ром. причем количество его пропорционально содержанию мра­мора в покрытии электродов и коэффициенту веса покрытия с учетом кислорода окислов железа и кремния, присутствующих в покрытии.

На рис. 53 приведены графики, характеризующие влияние соотношения количества СаСОэ и CaF2 в простейшем двухкомпо­нентном покрытии хромоникелевых аустенитных электродов на коэффициенты переходов С, Сг, Мп и Si из проволоки в наплав­ленный металл при коэффициенте веса покрытия 0,3 [59J. Из гра­
фиков видно, что переход в шов марганца и хрома с повышением количества мрамора в покрытии до 60% мало изменяется. Лишь при увеличении мрамора свыше 70% наблюдается некоторое вы­горание хрома. Более существенно изменяется при этом переход кремния и углерода. При увеличении мрамора более 20% крем­ний выгорает, а углерод восстанавливается из газовой фазы и переходит в шов. Исходная концентрация углерода в опытах составляла 0,05%-

Более поздние опыты Московского опытно-сварочного завода и Института электросварки им. Е. О. Патона по сварке нержаве­ющих сталей с весьма низким содержанием углерода показали.

количество Ь по

Рис. 54. Графики влияния коли­чества гематита в покрытии элек­тродов из проволоки Св-04Х19Н9 на переход элементов в наплав­ленный металл. Состав проволоки: 0.04% С, 1.39% Мп. 0,76% S1, 19.3% Сг, 9,1% Ni; состав покрытия: 20% CaCOj (мрамор). 68—53% СаР2, 4% АЬО}, 10% ТЮ,. 1,5% бентонита.

что науглероживание швов за счет газовой фазы наблюдается при повышении содержания мра­мора в покрытии высоколегиро­ванных электродов более 10%.

При отсутствии мрамора в по­крытии наблюдается увеличение

Количеств Ce/Oj б/Юхрытии. Х

Рис. 55. Графики влияния ко­личества гематита в покры­тии электродов из проволоки Сп-08Х19Н10Б па переход нио­бия в наплавленный металл.

Состав проволоки: 0.96% С, 1,73% Мп, 0,50% Si. |В,6% Сг, 9,7% N1. 1,2% Nb. Содержание компонентов по­крытия.

20% СаСо». 53—46% СаРв, 25% ТЮ„ 1,5% бентонита, 0.5% поташа

содержания кремния в шве за счет восстановления его из сухого остатка силикатного жидкого стекла; коэффициент перехода при этом составляет 1,3 [59], В ряде случаев наличие даже сухого остатка жидкого стекла в покрытии электродов оказывается до­статочным для того, чтобы содержание кремния в наплавленном

металле увеличилось до 2% и более [109]. Естественно, что при повышении содержания в покрытии кремнезема за счет других компонентов переход кремния в шов может возрастать даже в присутствии мрамора, ухудшая свойства металла, При умень­шении же количества мрамора тем более необходимо принять меры для предотвращения перехода кремния в шов. Необходи­мость этих мер вызывается, кроме того, следующими причинами. При снижении содержания мрамора в покрытии приходится повышать количество плавикового шпата в нем, что, как извест­но, ухудшает стабильность горения дуги. Для улучшения ста­бильности дуги в покрытии рассматриваемых электродов обычно повышают количество двуокиси титана, что в свою очередь несколько усиливает интенсивность кремневосстановительной реакции [60].

При сварке некоторых сталей повышение содержания угле­рода и кремния в шве недопустимо; в отдельных случаях ока­зывается необходимым также свести до минимума выгорание легкоокисляющихся элементов А1, Ті и др. Для этого электрод­ные покрытия должны быть полностью нейтральными, т, е. не содержать SiOj и других легковосстанавливаемых окислов, а со­стоять только из стойких окислов СаО, MgO, AI2O3 и галогенн - дов. В качестве связующего таких покрытий рекомендуется применять высокоглиноземистые цементы в комбинации с добав­кой алюмината натрия [164]. Следует, однако, отметить, что про­изводство электродов с использованием таких связующих мате­риалов встречает трудности и пока не налажено.

Опыты автора, проводимые совместно с В. Н, Липодаевым, показали, что при отсутствии необходимости легировать шов лег - коокисляющимися элементами — алюминием, титаном — можно успешно применять электроды с окислительным низкокремни­стым покрытием. Вводя в состав покрытия окислы железа — же­лезную окалину, гематит, либо лучше всего магнетит, содержа­щий меньше фосфора и серы, и снизив до 10—20% количество мрамора, возможно не только предупредить науглероживание и переход кремния в шов, но и обеспечить некоторое выгорание этих элементов. Так, например, при введении 10% гематита в по­крытие электродов из проволоки Св-04Х19Н9, состоящее из 20% мрамора, 55% плавикового шпата, 4% окиси алюминия, 10% двуокиси титана, 1% бентонита и 30% силикатного стекла, со­держание кремния в восьмнслойной наплавке снизилось с 0,36% (наплавка электродами с покрытием без гематита) до 0,10— 0,12% и углерода — с 0,05% до 0,03%, При этом уменьшилось
также содержание хрома и, особенно, марганца в наплавленном металле. Влияние количества гематита РедОз в покрытии указан­ного состава с соответствующим изменением содержания плави­кового шпата в нем на переход элементов из проволоки в наплав­ленный металл показано на рис. 54 и 55, Отметим, что содержа­ние мрамора в покрытии может быть уменьшено до 8—10%. а двуокиси титана увеличено до 20—25%. Электроды с таким покрытием, содержащие 2—5% желез­ной окалины, гематита или магнетита, могут применяться для сварки хромо­никелевых аустенитных. а также фер­ритно-аустенитных нержавеющих ста­лей с весьма низким содержанием углерода (до 0,03—0.05%) при изго­товлении оборудования химической промышленности в других отраслях техники.

переход в наплавленный металл. Состав покрытия: 20% CaCoj, S3—11% CaF,. 10% TiOj, 8% Сг, 5% FejOj, 15% FeNb (содержание Nb в FeNb равно 0,67%), 1% бентонита.

В случае сварки хромоникельмар - ганцевых аустенитных сталей с весьма низким содержанием углерода, а так­же сталей, содержащих титан или алю­миний, проволоками идентичного со­става введение в покрытие окислов железа нецелесообразно из условий предотвращения выгорания марганца, титана, алюминия. В этом случае в по­крытие электродов с минимальным со­держанием мрамора (8—10%) и повышенным — двуокиси тита­на и плавикового шпата, а также компонентов для технологич­ности покрытия и ферросплавов для дополнительного легирова­ния металла шва окись железа можно не вводить, Например, при необходимости связывания углерода шов можно дополнительно легировать ниобием. Примерное количество требуемого ниобия в покрытии такого типа показано на рис, 56.