Глава 10 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК-решетку или при­надлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аусте-нитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различ­ным группам по типу и степени легирования (низколегированные, леги­рованные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.

В табл. 10.1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготов­ления сварных конструкций.

10.1. Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ 381

Продолжение табл. 10.1

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комби­нированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивно­стью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопере­менное нагружение и т.п.).

Если изготовление всей конструкции из стали со специальными свойствами нецелесообразно по технико-экономическим показателям, при проектировании предусматривают комбинированный вариант, а при производстве разрабатывают и применяют специальную технологию сварки заготовок из разнородных сталей или поверхностную наплавку отдельных частей требуемым составом. Пример комбинированных свар­ных конструкций приведен на рис. 10.1, а характеристики их составляю­щих-в табл. 10.2.

Рис.10.1. Сварной ротор газовой турбины транспортного двигателя:

/ - литой венец из особо жаропрочного

никелевого сплава; 2 - кованый фланец из

никелевого сплава; 3 — вал из стали 12Х1МФ

382 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

10.2. Свойства конструкционных сталей и сплавов

10.1. СВАРИВАЕМОСТЬ РАЗНОРОДНЫХ СОЧЕТАНИЙ СТАЛЕЙ

Свариваемость, т.е. пригодность сталей к формированию качествен­ных сварных соединений, является комплексной характеристикой, вклю­чающей показатели технологической прочности (стойкость против образо­вания горячих и холодных трещин) и показатели эксплугационной прочно­сти. Неоднородность различного типа, присущая сварным соединениям рассматриваемого вида, а также ее изменение во времени, обусловливает зависимость их эксплуатационной прочности от времени и температуры. Поэтому свариваемость сочетания разнородных сталей неадекватна ее со­ставляющим и требует решения ряда дополнительных самостоятельных проблем путем применения специальной технологии сварки.

СВАРИВАЕМОСТЬ РАЗНОРОДНЫХ СОЧЕТАНИЙ СТАЛЕЙ 383

Они вызваны существенными отличиями сталей: по химическому составу; коэффициентам линейного расширения; температуре плавления и теплофизическим свойствам; температуре фазовых и структурных пре­вращений. Это приводит к получению швов аномального химического состава, которые принципиально отличаются от каждой из свариваемых сталей по механическим свойствам и их стабильности, склонности к за­калке и структурным изменениям при нормальных и рабочих температу­рах в процессе эксплуатации.

Так, при сварке и наплавке сочетаний различных сталей, представ­ленных в табл. 10.1, происходит смешивание в различных соотношениях (табл. 10.3) перлитной стали с аустенитной или ферритной, либо феррит-ной с аустенитной. Получаемый при этом химический состав шва имеет промежуточные значения по содержанию элементов и другую структуру, оцениваемую по эквивалентам хрома и никеля на диаграмме Шеффлера (рис 10.2).

10.3. Доли участия в шве перлитной и аустенитной сталей в зависимости от типа соединения и метода сварки

* РДС - ручная дуговая сварка.

** АДСФ - автоматическая дуговая сварка под флюсом.

*** ЭШС - электрошлаковая сварка.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 10.2. Схема определения структуры в корневом шве и в отдельных слоях многопроходного шва с помощью диаграммы Шеффлера

СПЕЦИФИКА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА

Металл шва, соответствующий области А, имеет однофазную аусте-нитную структуру, весьма склонную к образованию горячих трещин кристаллизационного и подсолидусного типа. Шов со структурой А + Ф, т.е. с аустенитно-ферритной структурой, при повторных нагревах пре­терпевает охрупчивание в результате превращения феррита в сигма-фазу (δ - Fe → σ). Для швов со структурой Ф (феррит) характерен рост зерна при высоких температурах и хрупкость при нормальных. Швы со струк­турой М, М + А, М+Ф, М + А + Ф имеют мартенситную составляющую, вызывающую образование холодных трещин. Это осложняет обеспече­ние свариваемости при сварке сочетаний разнородных сталей, так как различные дефекты возникают не только в шве, но и в околошовной зоне.

Неоднородность химического состава сварного соединения, сло­жившаяся после его кристаллизации, вызывает внутренние напряжения, их концентрацию в отдельных зонах с пониженной прочностью, что при­водит к локальным разрушениям соединения или понижению его анти­коррозионных свойств.

Высокотемпературная эксплуатация сварных соединений иницииру­ет развитие диффузионных процессов, приводящих к перемещению от­дельных атомов в более стабильное, с термодинамических позиций, по­ложение, что вызывает образование хрупких и малопрочных прослоек, понижение их длительной прочности, коррозионной стойкости и агрегат­ной прочности всего соединения.

Специальная технология сварки позволяет свести к минимуму ука­занные негативные явления путем управления формированием структуры при сварке сталей в разнородных сочетаниях. При выборе сварочных ма­териалов и режимов сварки применяют качественные и количественные методы оценки сопротивляемости образованию горячих и холодных трещин по ГОСТ 26389-84 и 26388-84.

10.2. СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

Наиболее сложно происходит формирование зоны сплавления пер­литной и аустенитной сталей. Оно имеет место во многих вариантах ком­бинированных конструкций и отличается несколькими особыми явле­ниями:

1. Различным объемом расплавления заготовок при образовании ванны из-за различия теплофизических свойств свариваемых сталей.

2. Формированием переходной "кристаллизационной" прослойки аномального состава при зарождении кристаллитов в сварочной ванне.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

3. Различием температур плавления сталей и шва, приводящим к пе­регреву в околошовной зоне стали с пониженной температурой плавле­ния и теплотой кристаллизации металла шва, затвердевающего при более высокой температуре.

4. Нестабильностью соединения, в котором продолжается диффузи­онное перераспределение углерода при высоких температурах и форми­рование зоны переменного состава и структуры.

5. Образованием после охлаждения закаленных слоев и внутренних напряжений между слоями вследствие их различных теплофизических свойств.

Таким образом создается химическая, структурная и механическая неоднородности в сварном соединении.

Кристаллизация ванны

При формировании сварочной ванны доли участия аустенитной и перлитной сталей неодинаковы. Они обусловлены различиями в темпера­туре их плавления, теплопроводности и теплоемкости (см. табл. 10.2). Как правило, аустенитная сталь составляет 60 %, а перлитная - 40 % объ­ема шва в условиях равного теплового воздействия.

В процессе затвердевания первых слоев металла возникает "кри­сталлизационная" прослойка, которая образуется из расплавленных объ­емов свариваемых частей, перемешанных турбулентными потоками в ванне. Кристаллизация имеет направленный характер и начинается на оплавленных зернах перлитной и аустенитной стали, играющих роль те-плоотводов и плоских зародышей. Их рост осуществляется по принципу ориентационного и размерного соответствия путем единичного или группового оседания атомов жидкости во впадинах кристаллической ре­шетки зародышей, что обеспечивает связь шва с основным металлом.

При этом различна роль легирующих элементов, входящих в состав ванны. Элементы-ферритизаторы (Сг, Ti, Mo), атомный объем которых больше, чем Fe, способствуют росту кристаллитов с ОЦК-решеткой, а аустенизаторы (С, Mi, N, Mn) - с ГЦК-решеткой. Последняя имеет более плотную упаковку и большие размеры; отличается от ОЦК-решетки ско­ростью и направлением роста. Это приводит к преимущественному осе­данию одних атомов и отталкиванию других. В результате избирательно­го роста перед передними гранями растущих кристаллитов концентри­руются в жидком слое инородные атомы, что приводит к остановке рос­та, переохлаждению жидкого слоя, примыкающего к межфазной поверх­ности, и зарождению кристаллитов с решеткой другого типа.

СПЕЦИФИКА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА

Рис. 10.3. Микроструктура зоны

сплавления перлитной стали

30Н4МФДА с аустенитным

швом 08Х20Н9Г7Т (шов с правой стороны), 600

На рис. 10.3 представлена микроструктура зоны сплавления перлитной стали с аустенитным швом, подтверждающая этот меха­низм. Столбчатые кристаллиты перлитной стали постепенно пре­кращают свой рост в аустенитном металле. При этом в зоне сплавле­ния образуется "кристаллизацион­ная" прослойка, т.е. промежуточ­ный слой сопрягающихся между собой деформированных кристал­лических решеток. Так в зоне сплавления перлитной и аустенит­ной сталей участок "кристаллиза­ционной" прослойки с содержани­ем Сг 3 ... 12 % и Ni 2 ... 7 % имеет особую структуру высоколегиро­ванного мартенсита.

Толщина переходных кристаллизационных прослоек изменяется от 0,05 до 0,6 мм в зависимости от скорости охлаждения шва, а также от степени его аустенитности. Чем выше концентрация никеля в шве, тем раньше стабилизируется аустенитная структура с ГЦК-решеткой и тонь­ше переходная кристаллизационная прослойка от перлитной стали к ау­стенитной (рис. 10.4).

Основной объем затвердевшего металла шва имеет однородный со­став, отличающийся от прослойки. Его конечная структура оценивается с помощью структурных диаграмм Шеффлера, Делонга, Потака и Сагале-вича. Пример применения диаграммы Шеффлера приведен на рис. 10.2. Структура перлитной стали 12Х1МФ соответственно ее эквивалентным значениям элементов ферритизаторов и аустенизаторов характеризуется т. Я, а аустенитной 08Х18Н10Т - т. Б. С учетом их расплавления в соот­ношении 0,40/0,6 металл шва будет иметь мартенситную или аустенитно-мартенситную структуру (т. Г), состоящую из кристаллов с ОЦК- и ГЦК-решеткой. Такой металл хрупок и весьма склонен к холодным трещинам, что недопустимо.

13»

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 10.4. Схема определения ширины хрупких кристаллизационных

прослоек в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом

в зависимости от содержания никеля в шве:

А, Б- свариваемые элементы; В - ширина зоны переменного состава;

Х₁ ... Х₃-толщинамартенситной прослойки, содержащей 7 % никеля

при сварке различными электродами

Повторный нагрев шва при термообработке, выполнении после­дующих проходов или высокотемпературной эксплуатации приведет к распаду мартенсита, выпадению карбидов хрома и формированию аусте-нитно-карбидной структуры, также имеющей малую пластичность. При­менением плавящегося электрода или присадки изменяют доли участия сталей и регулируют структуру шва (табл. 10.3). Той же цели служит раз­делка кромок или их предварительная наплавка с регламентированным составом. При электронно-лучевой сварке также возможно регулирова­ние состава шва путем применения легирующих накладок, подкладок или подачей проволочной присадки в зону сваривания.

Диффузионные процессы

Наибольшее значение в обеспечении прочности и надежности свар­ного соединения имеют специфические процессы, развивающиеся после кристаллизации шва в околошовной зоне. Они связаны с тем, что при перемешивании сталей с высокой (Т_пл = 1500 °С) и низкой (Т_пл = 1400 °С) температурами плавления металл шва имеет промежуточную температу­ру плавления и затвердевания, но более высокую, чем для одной из сва­риваемых сталей. Это приводит к тому, что на свариваемую сталь после дугового нагрева, оплавляющего кромки и заполняющего сварочную

СПЕЦИФИКА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА

ванну жидким металлом, при затвердевании шва воздействует теплота перегрева выше ликвидуса, а также скрытая теплота кристаллизации, выделяемая из металла шва.

Она вызывает дополнительное локальное расплавление основного металла, который не может участвовать в турбулентном перемешивании ванны из-за высокой вязкости кристаллизующегося шва у стенок ванны. Этот нагрев стенок ванны вызывает преимущественное оплавление гра­ниц зерен, их обогащение по законам восходящей диффузии из объемов зерен легирующими элементами и примесями в связи с повышенной рас­творимостью элементов в жидкой фазе.

Последующая кристаллизация таких межзеренных прослоек обособ­ленно от ванны создает микрохимическую неоднородность в околошов­ной зоне, негативно влияющую на сопротивляемость горячим и холод­ным трещинам, жаропрочные и коррозионные свойства сварного соеди­нения среднеуглеродистых и высоколегированных сталей. Снижение та­кого перегрева может быть обеспечено металлургическими и технологи­ческими средствами. Последнее достигается вводом в ванну внешних или внутренних стоков тепла (см. рис. 10.11, схема 3), применением электро­дов с высоким содержанием никеля, снижающим температуру плавления металла шва и сварочной ванны.

После образования кристаллической решетки по всему сечению шва доминирующее значение приобретают диффузионные процессы в твер­дой фазе, протекающие по двум противоположным законам: выравнива­ния химического состава и восходящей диффузии, обусловленной хими­ческим сродством элементов между собой. Последнее приводит к тому, что углерод, имеющий малый диаметр атома и большую скорость диф­фузии, диффундирует в зоны, где его концентрация выше, но имеются малоподвижные свободные карбидообразующие элементы.

Главное значение в этом процессе имеет скорость диффузии отдель­ных элементов в объемах с ГЦК- и ОЦК-решеткой. При всех температу­рах диффузионная подвижность углерода в α-Fe заметно выше, чем в более плотно упакованной решетке γ-Fe. Коэффициент диффузии углеро­да в α-Fe выше, чем в γ-Fe при 900 °С, в 39 раз, при 755 °С в 126 раз, и при 500 °С в 835 раз. Диффузионная подвижность других легирующих элементов, образующих твердые растворы замещения, значительно меньше и проявляется лишь при температуре свыше 1000 °С.

Такое соотношение приводит к обеднению углеродом перлитной стали и его сосредоточению в прилегающих слоях аустенитной стали, содержащей много хрома. Это создает условия для закалки металла и последующего образования карбидов хрома, содержащих 6 % углерода.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Три фактора управляют завершенностью этого процесса: температу­ра, время пребывания при высоких температурах и концентрация сво­бодного углерода. Процесс начинается в условиях сварки и получает су­щественное развитие при повторных нагревах, при термообработке и вы­сокотемпературной эксплуатации. Он приводит к образованию диффузи­онных обезуглероженных прослоек со стороны перлитной стали и обо­гащенных углеродом в аустенитной.

Кинетика роста толщины прослоек в соответствии с зако­номерностями диффузионного процесса определяется экспо­ненциальной зависимостью от температуры и квадратичной от времени выдержки. В координа­тах log δ (Т) и δ ( ) рост тол­щины прослоек 5 отображается прямыми линиями. Результатом их развития является создание зон переменного состава, структуры и твердости.

Наиболее заметны результа­ты этих процессов при измере­нии твердости в поперечном се­чении сварного соединения (рис. 10.5). При этом обнаружи­вается зона переменной твердо­сти с минимумом в обезуглероженном слое перлитной стали и с максимумом в аустенитной стали в результате диффузии углерода к малоподвижным атомам хрома.

Характер изменения твер­дости имеет три разновидности в зависимости от степени аусте-нитности стали (см. рис. 10.5). При малом значении отношения эквивалентов хрома и никеля (Сг_э/Ni_э) ширина зоны перемен­ной твердости δ минимальна.

Рис. 10.5. Распределение твердости в зоне сплавления среднелегированной

Cr-Ni-Mo стали с аустенитным швом, полученным аустенитными

сварочными проволоками с различным соотношением Cr_э/Ni_э:

/-Св-09Х16Н25М6АФ,

С_э/Ni_э = 0,8; 2 - Св-04Х19Н11МЗ,

С_э/Ni_э = 1,8; 3 - Св-08Х19Н9Ф2С2,

C_э/Ni_э = 2,2

СПЕЦИФИКА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА

При увеличении Cr_э/Ni_э растет ширина этой зоны. Максимуму Cr_э/Ni_э соответствует экстремальный характер изменения твердости. В том же порядке увеличивается склонность к образованию холодных трещин, образующихся по перпым слоям аустенитного металла шва, претерпе­вающим закалку. Холодные трещины такого вида получили название "отрыв", что в макромасштабе подразумевает отрыв аустенитного шва от перлитной стали (рис. 10.6). В закаленной ЗТВ перлитной стали образу­ются холодные трещины типа "откол" и "частокол".

Рис. 10.6. Микроструктура зоны сплавления (линия / - /) перлитной стали с

аустенитным швом на участке холодной трещины типа

"отрыв", проходящей преимущественно по аустенитной стали (а);

микроструктура центра аустенитного шва с четко выраженной

границей зерна на фоне дендритной структуры (б), 600

Рис. 10.7. Обезуглероженный "мягкий" слой в зоне сплавления

углеродистой стали 30 с 12 %-ным хромистым швом

(сталь - с левой стороны, шов - с правой)

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Принято считать, что минимизация ширины зоны переменной твер­дости до 0,15 ... 0,25 мкм позволяет устранить склонность к холодным трещинам. Это объясняется снижением объемного напряженного состоя­ния в сверхтонких закаленных слоях.

Второй негативный результат диффузионного перераспределения элементов состоит в образовании малопрочного обезуглероженного слоя со стороны перлитной стали (рис. 10.7). Наибольшая степень и глубина обезуглероживания наблюдается при сварке углеродистой стали, так как углерод в ней не связан в термостойкие карбиды. Важно отметить, что этот процесс протекав! не только при сварке, термообработке, но и при высокотемпературной эксплуатации соединений, что приводит к увели­чению его ширины. В обезуглероженном слое при этом укрупняется зер­но, снижается прочность и возможно разрушение при длительной экс­плуатации вследствие развития высокотемпературной ползучести. В ле­гированной стали, где углерод связан в термостойкие карбиды, обезугле-роженный слой менее развит.

Остаточные напряжения и послесварочная термообработка

На этапе охлаждения сварного соединения после сварки, термообра­ботки или эксплуатации характерно аномальное возникновение напряже­ний вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения (рис. 10.8). В ау-стенитной стали возникают растягивающие напряжения, так как она имеет значительно больший коэффициент линей­ного расширения по сравне­нию с перлитной (табл. 10.2). Поэтому эпюра остаточных напряжений при сварке пер­литной стали перлитными или аустенитными сварочными ма­териалами имеет принципи­альные отличия. Эти напряже-

Рис. 10.8. Распределение остаточных

напряжений в сварном стыке труб

из разнородных сталей после

отпуска при 650 °С:

σ_φ - окружные; σ_и - изгибающие; τ - касательные напряжения

ния в большинстве случаев не могут быть сняты термообра­боткой и создают опасность как разрушения, так и измене­ния размеров конструкции во времени.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ 393

Нецелесообразность термообработки соединений с аустенитным швом обусловлена развитием диффузионных процессов обезуглерожива­ния и охрупчивания отдельных зон соединения, а для швов с аустенитно-ферритным швом - охрупчивание шва в результате перехода ферритной фазы в хрупкую σ-фазу. Лишь для швов, эксплуатируемых при высоких температурах и в агрессивных средах, необходима (см. гл. 9) аустениза-ция (1150 °С) и стабилизация (850 °С). Напротив, для соединений с пер­литным низколегированным швом, а также для швов с мартенситно-ферритным швом, необходим подогрев и отпуск для предотвращения холодных трещин и повышения пластичности металла. При этом режимы термообработки назначают по наиболее легированной стали, входящей в разнородное сочетание

Таким образом, сварные соединения разнородных сталей могут иметь значительную изменяющуюся во времени химическую, структур­ную и механическую неоднородность, наиболее сильно выраженную при сварке перлитной стали с аустенитной или наплавке.

Минимизация указанных видов неоднородности и обеспечение сва­риваемости достигается обоснованным выбором сварочных материалов, способов и режимов сварки и термической обработки с учетом жесткости соединений, температуры эксплуатации и агрессивности среды.

10.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ

КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СТАЛЕЙ

РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ КЛАССОВ

Выбор способов и режимов сварки

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенит­ной сталей - образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной ста­ли. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешива­ния жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе ау-стенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочте­ние технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:

- применением высококонцентрированных источников тепла (элек­тронный луч, лазер, плазма);

394 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 10.9. Схема комбинированной наплавки свариваемой кромки: / - углеродистая сталь; 2 - перлитный стабилизированный слой; 3 - аустенитный слой; 4 - аустенитная сталь

- разделкой кромок или их наплавкой (рис. 10.9), уменьшающей долю участия сталей;

- выбором режимов свар­ки с минимальной глубиной проплавления;

- переходом к дуговой

сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное пере­мешивание металла ванны.

Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, сни­жением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением ин­тенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энер­гии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.

Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает от­меченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аусте-нитным швом.

При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ван­ны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температу­ры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и мар­ганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным меро­приятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 10.10).

При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Одна­ко рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличи­вает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемеши­ванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля пер­литной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 10.11), также снижающей температуру ванны.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

Рис. 10.10. Снижение толщины кристаллизационных (а) и

диффузионных (б) прослоек в зоне сплавления стали 20 и

12Х18Н10Т при увеличении содержания никеля в металле шва:

/ - без подогрева; 2 - подогрев до 500 °С; 3 - обезуглероженная прослойка в углеродистой стали, подогрев до 550 °С, выдержка 1000 ч.; - то же, подогрев до 650 °; 5 - науглероженная прослойка в аустенитном шве, подогрев до 650 °С, выдержка 1000 ч

Рис. 10.11. Сокращение толщины слоя переменного состава при вводе в ванну внутренних стоков тепла в виде охлаждающей

присадки при сварке под флюсом стали марки 30Н4МФДА при равном расходе электрода и присадки типа Св-08Х20Н9Г7Т:

/ - сварка без присадки; 2 - сварка с присадкой по схеме 3

396 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Выбор сварочных материалов

Выбор сварочных материалов должен исключить образование тре­щин различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность свар­ных соединений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспе­чивающие получение композиций наплавленного металла с таким запа­сом аустенитности, чтобы компенсировать участие в шве перлитной ста­ли и гарантированно получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру (табл. 10.4). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлера (см. рис. 10.2). На этой диаграмме точки /7 и Б означают структуру свариваемых сталей. При соотношении их долей участия 0,4/0,6 расплав после охлаждения на диа­грамме будет находиться в т. Г, т.е. будет иметь мартенситную или ау-стенитно-мартенситную структуру, что недопустимо. Применив электрод типа Х15Н25 с высоким запасом аустенитности (т. В на диаграмме) в со­отношении 50/50 к указанному выше расплаву, получим требуемый ме­талл шва со структурой аустенита - отрезок а-б.

10.4. Выбор композиции наплавленного металла и

термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ

При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрез­ком е-д.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникно­вению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, обра­зующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции (см. рис. 10.6, б). Для их предотвращения в швах со стабильно аустенит-ной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающи­ми диффузионные процессы при высоких температурах, применяют элек­троды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 ... 0,3 % N. Они пре­пятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пла­стичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предот­вращают образование горячих трещин. Более сложный вариант техноло­гии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеро-дистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увели­чения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование го­рячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "от­кол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащи­ми до 60 % Ni и 15 % Мо.

Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоуп-рочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми спла­вами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - ау-стенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 ... 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 ... 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но не­сколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.

398 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразова-тели для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма ма­лое количество углерода путем его частичной замены азотом.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с пер­литной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.

При недостаточности или неприемлемости указанных технологиче­ских вариантов прибегают к сварке через проставки или к предваритель­ной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки пер­литной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заго­товок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламенти­рованным количеством δ-Fe (2 ... 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых фер-ритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI ... XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного ука­занными электродами. При этом с повышением температуры эксплуата­ции выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать ука­занные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой осно­ве, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высоко­хромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 ... 27 %) и никеля (12 ... 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.

При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообра­ботка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.

Третий вариант технологии предусматривает предварительную на­плавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при кото­рой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспе­чивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ 399

для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплав­ленными кромками сваривают с аустенитнои сталью на режимах, оптималь­ных для последней согласно рекомендациям, изложенным в гл. 7 - 9.

Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает порис­тость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше ти­пов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтори­сто-кальциевой основе.

Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в свар­ных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также раз­вития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной экс­плуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить обра­зование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 10.5). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегирован