Сварка специальных сталей и сплавов

УДК 621.791  
ББК 34.641  
М69  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
 
 
Михайлицын, С. В.  
М69             Сварка специальных сталей и сплавов : учебник / С. В. Михайлицын, 
И. Н. Зверева, М. А. Шекшеев. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. - 192 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1792-1 
  
Учебник знакомит с особенностями сварки специальных сталей и сплавов, коISBN 978-5-9729-1792-1 
 
 
торые являются одной из составных частей теории монтажа, эксплуатации и ремонта 
узлов и агрегатов различного металлургического оборудования, изготовленных из 
этих материалов. Даны современные представления о металлургических основах создания качественных сварных соединений из специальных сталей и сплавов, выполненных различными способами сварки, представлены пути обоснованного выбора 
способа сварки в зависимости от материала, размеров и конфигурации сварного изделия, а также выбора необходимых сварочных материалов, оборудования и режимов сварки.  
Для обучающихся в магистратуре и бакалавриате по направлению «Машиностроение» по профилю «Оборудование и технология сварочного производства»,  
а также молодых специалистов, изобретателей, учёных, специалистов и исследователей сварочного производства. 
 
УДК 621.791  
ББК 34.641  
 
 
 
‹ Михайлицын С. В., Зверева И. Н., Шекшеев М. А., 2024 
‹ Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
‹ Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024  
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие 
............................................................................................................. 4 
1. Основные сведения о специальных сталях и их поведении  
при сварке 
........................................................................................................... 5 
2. Сварка низкоуглеродистой и низколегированной  
конструкционной стали .................................................................................. 12 
3. Сварка углеродистой низколегированной  
и среднелегированной закаливающейся стали.. .......................................... 24 
4. Сварка высокохромистой мартенситной, мартенситно-ферритной  
и ферритной стали. 
.......................................................................................... 58 
5. Сварка высоколегированной аустенитной стали и сплавов.. ....................... 72 
6. Технология сварки чугуна 
.............................................................................. 102 
7. Технология сварки цветных металлов и сплавов на их основе  
................. 116 
8. Сварка меди и сплавов на её основе 
.............................................................. 120 
9. Сварка алюминия и сплавов на его основе 
................................................... 129 
10. Сварка магния и сплавов на его основе ...................................................... 138 
11. Сварка никеля и сплавов на его основе ...................................................... 145 
12. Сварка титана и сплавов на его основе 
....................................................... 153 
13. Сварка тугоплавких и химически активных  
конструкционных металлов (циркония, ниобия, тантала, молибдена,  
гафния, ванадия, хрома, вольфрама) ........................................................... 161 
14. Технология сварки разнородных металлов и сплавов.  
Сварка биметалла .......................................................................................... 167 
Заключение 
........................................................................................................... 182 
Вопросы для самоконтроля ................................................................................ 183 
Библиографический список 
................................................................................ 185 
Приложение ......................................................................................................... 186 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Целью изучения дисциплины «Сварка специальных сталей и сплавов» 
является получение теоретической подготовки и практических навыков 
разработки технологии сварки специальных сталей и сплавов, обеспечивающих требуемое качество сварных соединений и комплекс служебных свойств 
свариваемых изделий. 
В процессе изучения данной дисциплины необходимо: 
 ознакомиться с теоретическими сведениями о свойствах, свариваемости и областях рационального применения стали различных 
классов, цветных металлов и сплавов; 
 усвоить теоретические сведения и изучить практические приёмы 
при выборе способа сварки, сварочных материалов и технике выполнения сварки специальных сталей и сплавов в зависимости от 
требований, предъявляемых к сварным соединениям и свариваемому изделию; 
 получить теоретические сведения о мероприятиях, проводимых  
с целью повышения качества сварных соединений из указанных материалов до сварки, в процессе её выполнения и после окончания. 
Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» изучают после дисцип- 
лин «Материаловедение», «Теория сварочных процессов», «Технология  
и оборудование сварки плавлением и термической резки». Из дисциплины 
«Материаловедение» необходимо знание разделов по строению и свойствам 
стали различных классов, цветных металлов и их сплавов, их поведение при 
нагреве и охлаждении. Обучающиеся должны знать и уметь (с учетом знаний, 
полученных в курсе «Теория сварочных процессов») прогнозировать 
изменения в структуре и свойствах металла в околошовной зоне. 
Практически все разделы «Теории сварочных процессов» важны при 
изучении данного курса. Особое внимание необходимо обратить на вопросы 
свариваемости металлов и их сплавов. Хорошее усвоение материалов по этому 
разделу позволяет наиболее прочно усвоить и материал «Сварки специальных 
сталей и сплавов», предусмотреть мероприятия, позволяющие обеспечить 
требуемые свойства сварных соединений в зависимости от условий 
эксплуатации свариваемых изделий. 
Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» является логическим 
продолжением дисциплины «Технология и оборудование сварки плавлением и 
термической резки». Знания о способах и особенностях способов сварки 
плавлением, технике их выполнения необходимы при изучении данного курса. 
Знания, полученные студентами при изучении вышеуказанных дисциплин в курсе «Сварка специальных сталей и сплавов», используются как 
базисные. 
4 

1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЯХ
И ИХ ПОВЕДЕНИИ ПРИ СВАРКЕ 
1.1. Содержание и значение курса 
Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» включает: 
 изучение состава, свойств и области применения углеродистой конструкционной стали, углеродистой низко- и среднелегированной закаливающейся стали, высокохромистой мартенситной, мартенситноферритной и ферритной стали, высоколегированной аустенитной стали и сплавов, а также чугуна, цветных металлов и сплавов на их основе, тугоплавких и разнородных металлов и сплавов;  
 изучение процессов образования швов и околошовной зоны  
при сварке, основных сведений о свариваемости специальных сталей и сплавов; 
 изучение подходов к выбору способов, техники, технологии сварки 
и сварочных материалов;  
 изучение свойств сварных соединений, выполненных различными 
способами сварки, требований и способов технологической обработки конструкций после сварки. 
Курс «Сварка специальных сталей и сплавов» имеет большое теоретическое и практическое значение в выборе способов, техники, технологии сварки 
и сварочных материалов при производстве сварных конструкций из 
специальных сталей и сплавов (легированных, теплоустойчивых, жаропрочных, 
жаростойких, 
хладостойких, 
коррозионно-стойких, 
жаропрочных 
никелевых сталей, чугуна, цветных металлов и др.) в различных отраслях 
промышленности (энергетическом, криогенном, химическом, нефтехимическом машиностроении и т. д.). 
1.2. Углеродистая конструкционная сталь 
В зависимости от содержания углерода конструкционная углеродистая 
сталь делится на 3 группы: низко-, средне- и высокоуглеродистая с содержанием углерода, соответственно, до 0,25 %; 0,26–0,45 % и 0,46–0,75 %. 
Повышение содержания углерода и основного легирующего элемента в этой 
стали, усложняет технологию сварки и затрудняет получение равнопрочного 
сварного соединения без дефектов. С увеличением содержания углерода 
повышается склонность к перегреву и закалке при сварке, образованию 
холодных и горячих трещин и пор в металле шва, трудно достигается 
равнопрочность металла шва с основным металлом.  
5 

Местная повышенная концентрация серы из-за характерной неоднородности может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве  
и околошовной зоне. Спокойная сталь в отличие от кипящей стали менее 
склонна к старению в околошовной зоне при сварке и слабее реагирует  
на сварочный нагрев. 
Легированной называется сталь, содержащая специально введённые элементы. Например, марганец считается легирующим компонентом при содержании 
его в стали более 0,7 %. Наличие в стали марганца повышает ударную вязкость и 
хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. 
 
1.3. Углеродистая низко- и среднелегированная закаливающаяся сталь 
 
Низколегированная 
сталь 
обладает 
небольшой 
чувствительностью  
к термическому циклу сварки. Это связано с невысоким содержанием 
углерода (до 0,25 %) и низкой степенью легирования (суммарно до 4 %). 
Повышение содержания углерода, а также степени легирования стали 
увеличивает её склонность к резкой закалке, в связи с этим, такие стали 
обладают высокой чувствительностью к термическому циклу сварки, а 
околошовная зона оказывается резко закалённой и непластичной при всех 
режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. 
Для 
снижения 
скорости 
охлаждения 
околошовной 
зоны 
необходим 
предварительный подогрев свариваемого изделия. 
Но уменьшение скорости охлаждения вследствие предварительного 
подогрева может привести к образованию мартенсита (значительного роста 
зёрен), что вызывает резкое снижение пластичности. Т. е. чрезмерно высокий 
подогрев наоборот может вызвать ухудшение свойств (ударной вязкости) 
металла зоны термического влияния. 
В среднелегированной высокопрочной стали содержание углерода составляет до 0,5 % при комплексном легировании в сумме 5–9 % (хром, никель и 
молибден упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали). На практике 
применяют сталь с содержанием углерода 0,12–0,17 %, что существенно 
улучшает её свариваемость. 
Увеличение степени легирования при повышенном содержании углерода 
повышает устойчивость аустенита, и при всех скоростях охлаждения 
околошовной зоны распад аустенита происходит в мартенситной области. 
Поэтому 
такую 
сталь 
сваривают 
без 
предварительного 
подогрева,  
но подогревают её в процессе сварки для увеличения времени пребывания  
в субкритическом интервале температур (сварка каскадом, блоками, 
короткими участками, подогрев шва). 
 
1.4. Высокохромистая мартенситная, мартенситно-ферритная  
и ферритная сталь 
 
 
Хром придаёт сплавам с железом ряд специфических свойств. Так при 
наличии ~12 % Cr возникающая при окислении поверхностная плёнка 
6 
 

приводит к пассивации этой поверхности, и сталь становится коррозионностойкой. Для обеспечения окалиностойкости при 800–1050 °С содержание 
хрома должно быть до 30 %. 
Хромистая сталь при содержании менее 0,2 % углерода и более 16 % 
хрома не имеет Ȗ-фазы при температурах от комнатной до плавления  
и является ферритной. 
Средне- и высоколегированная хромистая сталь (до 12–13 % Cr  
и С • 0,05 %), имеющая область аустенита при высоких температурах, после 
охлаждении даже с умеренными скоростями при комнатной температуре 
приобретает мартенситную структуру. 
При более высокой концентрации хрома (больше 16 % Cr при 0,06 % С) 
сталь в процессе нагрева не будет целиком переходить в состояние аустенита, 
а будет содержать часть ферритной фазы. Последующее её охлаждение 
приведёт к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры. 
Т. е. при 0,05–0,06 % С сталь с содержанием до 12–13 % Cr относится 
к мартенситному классу; при 13–16 % Cr – к мартенситно-ферритному классу, 
а при Cr > 16 % – к ферритному классу. 
Сталь мартенситного класса при сварке закаливается на мартенсит. Её 
твёрдость и низкая деформационная способность приводят к возможности 
образования холодных трещин. Модифицируют металл швов титаном, а также 
снижают погонную энергию при сварке. После сварки сварное соединение 
подвергают специальной термообработке. 
Общей характеристикой для высокохромистой ферритной стали служит 
её склонность к росту зерна в результате сварочного нагрева, что ведёт к 
потере пластичности и вязкости при комнатной температуре и ниже. В целях 
максимального ограничения роста зёрен при сварке предпочтительны методы 
сварки с сосредоточенными источниками теплоты (дуговая сварка, а не 
газовая) и малой погонной энергией. Наиболее предпочтительными являются 
ручная дуговая сварка и механизированная сварка под флюсом и в углекислом 
газе. 
 
1.5. Высоколегированная аустенитная сталь и сплавы 
 
Высоколегированная аустенитная сталь имеет повышенное содержа- 
ние легирующих материалов – хрома 18–25 % (хром обеспечивает жаростойкость и коррозионную стойкость) и никеля 8–35 % (никель стабилизирует 
аустенитную структуру и повышает жаропрочность, пластичность и 
технологичность). Это позволяет применять аустенитную сталь в качестве 
коррозионно-стойкой, жаропрочной, жаростойкой и криогенной, в качестве 
конструкционных материалов в теплоэнергетических, химических и атомных 
установках, где они подвергаются совместному действию напряжений, 
высоких температур и агрессивных сред.  
Для сокращения сталь обозначают цифрами, указывающими на содержание основных легирующих элементов хрома и никеля (например, 18–8, 25–20). 
7 
 

1.6. Состояние и перспективы использования специальной стали 
и сплавов в различных отраслях промышленности 
 
Высоколегированная сталь и сплавы по сравнению с легированной сталью 
обладают 
высокой 
хладостойкостью, 
жаропрочностью, 
коррозионной 
стойкостью и жаростойкостью. Эти важнейшие материалы для химического, 
нефтяного, энергетического машиностроения и ряда других отраслей промышленности используют при изготовлении конструкций, работающих в широком 
диапазоне: от отрицательных температур до положительных температур. 
Характерное отличие коррозионно-стойкой стали – пониженное содержание углерода (до 0,12 %), оказывающее решающее влияние на межкристаллитную коррозию. Благодаря этим свойствам эту сталь используют при 
изготовлении трубопроводов и аппаратов для химической и нефтяной 
промышленности. 
Одной из основных областей применения жаропрочной стали, легированной элементами-упрочнителями (молибденом до 7 %, вольфрамом  
до 7 %) – энергетическое машиностроение (трубопроводы, детали и корпуса 
газовых и паровых турбин и т. д.), где рабочие температуры достигают 750 °С 
и выше. 
Жаростойкие сталь и сплавы обладают стойкостью против химического 
разрушения поверхности в газовых средах при температуре 1100–1150 °С. 
Обычно её используют для слабонагруженных деталей (нагревательные 
элементы, печные арматуры, газопроводные системы и т. д.). Высокая 
окалиностойкость этой стали и сплавов достигается легированием их 
алюминием (до 2,5 %) и вольфрамом (до 7 %). 
В отличие от углеродистой стали при закалке высоколегированная сталь 
приобретает повышенные пластические свойства. Структура высоколегированной стали зависит от содержания основных элементов: хрома (ферритизатор) и никеля (аустенитизатор). На структуру влияет также содержание  
и других элементов-ферритизаторов (Si, Mo, Ti, Al, Nb, W V) и элементоваустенитизаторов (C, Co, Ni, Cu, Mn, B). 
 
1.7. Характеристики работоспособности сварных соединений 
 
Свариваемость аустенитной стали и сплавов затруднена многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации (коррозионная 
стойкость, жаростойкость или жаропрочность). Общей сложностью сварки 
является предупреждение образования в шве и околошовной зоне кристаллизационных (горячих) трещин. Они могут возникнуть и при термообработке 
изделий или во время работы конструкций при повышенных температурах. 
К сварным соединениям из жаропрочной стали предъявляются требования длительного сохранения высоких механических свойств при повышенных 
температурах. Термическое старение при 350–500 °С может привести  
к появлению 475-градусной хрупкости. 
8 
 

При сварке высокопрочной стали в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Подбор химического состава металла шва, получение 
в нём благоприятных структур за счёт выбора режима сварки и термообработки, снижение уровня остаточных напряжений за счёт уменьшения жёсткости 
сварных соединений или термообработки – это основные пути предотвращения охрупчивания сварных соединений и образования в них трещин 
(например, предварительный или сопутствующий подогрев до температуры 
350–450 °С). 
Высокая коррозионная стойкость жаростойкой стали в газовых средах 
при повышенной температуре определяется образованием и сохранением на 
поверхности прочных и плотных плёнок окислов (за счёт легирования хромом, 
кремнием, алюминием). В сварных соединениях достигается максимальное 
приближение состава шва к составу основного металла. 
При использовании высоколегированной аустенитной стали основное 
требование к сварным соединениям – стойкость к различным видам коррозии 
(межкристаллитной, ножевой, коррозионному растрескиванию). 
 
1.8. Влияние легирующих добавок 
 
Одна из основных трудностей при сварке специальной стали и сплавов – 
это предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. 
Это достигается регулированием химического состава сварных швов 
(получение аустенитной структуры с мелкодисперсными карбидами и 
интерметаллидами). 
Так, 
например, 
благоприятно 
легирование 
швов 
молибденом, марганцем, вольфрамом. 
 
1.9. Изменение свойств стали под действием  
термодеформационного цикла сварки 
 
В связи с пониженным коэффициентом теплопроводности высоколегированной стали в ней одинаковые изотермы более развиты, чем в углеродистой. 
Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учётом 
повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление 
изделий. 
Для уменьшения коробления применяют способы сварки с максимальной 
концентрацией тепловой энергии. 
 
1.10. Технологическая прочность сварных соединений 
 
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от 
его структуры, определяемой химическим составом, условиями остывания 
сварной конструкции и термообработкой. 
На прочность сварных соединений оказывает влияние получаемая при 
сварке структура металла. При сварке низколегированной стали при 
9 
 

небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические 
свойства сварных соединений незначительно, поскольку эти составляющие 
дезориентировано и равномерно расположены в мягкой ферритной основе. 
Однако при увеличении доли закалочных структур пластичность металла и его 
стойкость против хрупкого разрушения ухудшаются. Легирование стали 
марганцем и кремнием способствует образованию в сварных соединениях 
таких закалочных структур. 
Высокие механические свойства среднелегированной стали (перлитного 
класса) достигаются легированием элементами, упрочняющими феррит  
и повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термообработкой. 
При сварке высоколегированной стали для получения и сохранения  
в процессе эксплуатации заданных свойств сварного соединения, для 
обеспечения аустенитных швов без трещин, часто приходится прибегать  
к применению присадочных материалов, отличающихся по композиции  
от основного металла (даже в ущерб свойствам сварных соединений). 
При сварке хромистой коррозионно-стойкой стали в результате воздействия сварочного термического цикла происходит укрупнение зерна, резко 
падает вязкость металла околошовной зоны. Это требует высокотемпературного отпуска при 760–780 °С для повышения пластичности стали.  
В результате длительной эксплуатации и пребывании при высоких температурах (500–850 °С) высоколегированные швы лишаются своей первоначальной пластичности: происходит охрупчивание металла – тепловая хрупкость, 
сигматизация и старение. Средством предотвращения охрупчивния металла 
является изменение структуры за счёт легирования и термообработки.  
 
1.11. Металлургическая характеристика способов сварки 
 
Процесс плавления характеризуется химическими реакциями между 
расплавленным металлом и окружающей средой (газовой фазой, флюсом и 
шлаком). Металл шва претерпевает реакции и превращения: 
 химические реакции – окисление элементов, усвоение заданных 
элементов, поглощение газов и т. д.; 
 физико-химические и структурные превращения – рост зёрен, образование структур закалки, эвтектические превращения, выпадение 
новых структурных составляющих.  
Ручная дуговая сварка – высокоманевренный способ, при сварке высоколегированной стали различные сварочные материалы имеют широкий 
допуск по химическому составу. Различные типы сварных соединений, 
пространственные положения сварки и т. п. заставляют корректировать состав 
покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита  
и предупреждения образования в шве горячих трещин. Этим же достигается  
и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов. 
При сварке под флюсом преимущество перед ручной дуговой сваркой 
достигается: 
10 
 

 отсутствием частых кратеров, образующихся при смене электродов; 
 равномерностью электродной проволоки и основного металла по 
длине шва; 
 более надёжной защитой зоны сварки от окисления легирующих 
компонентов кислородом воздуха и др.  
Однако при сварке под флюсом жаропрочной стали требование обеспечения необходимого количества ферритной фазы не всегда может быть 
достигнуто – в этом трудность получения необходимого состава металла шва 
только за счёт выбора сварочных флюсов и проволок. 
Легирование через проволоку предпочтительно, т. к. обеспечивает стабильность состава металла шва. При сварке используют безокислительные 
низкокремнистые 
фторидные 
и 
высокоосновные 
флюсы 
(происходит 
минимальный угар легирующих элементов). 
Электрошлаковая сварка позволяет получать чисто аустенитные швы 
без трещин за счёт малой скорости перемещения источника нагрева и 
характера кристаллизации металла сварочной ванны, но повышенная 
длительность пребывания металла шва и околошовной зоны при повышенных 
температурах увеличивают его перегрев и ширину околошовной зоны. 
При сварке в защитных газах (инертных) наблюдается минимальный 
угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированной 
стали. При сварке в углекислом газе низкоуглеродистой высоколегированной 
стали, если концентрация углерода в сварочной ванне составляет 0,1 %, 
происходит науглероживание металла на 0,02–0,04 %. Этого достаточно для 
снижения стойкости металла шва к межкристаллитной коррозии. Одновременно окислительная атмосфера, создаваемая в дуге за счёт диссоциации 
углекислого газа, способствует угару до 50 % титана и алюминия. Но 
науглероживание металла шва благоприятно при сварке жаропрочной стали, 
поскольку при наличии карбидообразователей (титана и ниобия) науглероживание при увеличении в структуре карбидной фазы повышает жаропрочность.  
1.12. Термическая обработка сварных соединений 
После сварки изделия часто подвергаются температурной обработ- 
ке. Длительное пребывание специальной стали и сплавов при температурах 
1200–1250 °С, приводя к необратимым изменениям в их структуре, снижает 
прочностные и пластические свойства. Это повышает склонность сварных 
соединений теплоустойчивой стали к локальным (околошовным) разрушениям 
в процессе термообработки и эксплуатации при повышенных температурах. 
При сварке коррозионно-стойкой стали перегрев в околошовной зоне может 
привести к образованию ножевой коррозии. Для предупреждения этих 
дефектов 
необходима 
термообработка 
сварных 
изделий 
(закалка 
или 
стабилизирующий отжиг). При сварке жаропрочной и жаростойкой стали 
обеспечение требуемых свойств достигается термообработкой (аустенизацией), 
снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском.  
11