Образование шва и околошовной зоны при сварке среднелегированных высокопрочных сталей

Для изготовления сосудов высокого давления, тяжело нагруженных ма-шиностроительных изделий и других ответственных конструкций ис­пользуют среднелегированные высокопрочные стали, которые после со­ответствующей термообработки обладают временным сопротивлением 1000 ... 2000 МПа при достаточно высоком уровне пластичности(табл.7.3).

Для сталей этой группы характерно содержание углерода до 0,5 % при ком­плексном легировании в сумме 5 ... 9 %. В связи с весьма высокой чувст­вительностью к термическому циклу сварки стали с таким высоким содержанием углерода для изготовления сварных конструкций применяют только в особых случаях. Необходимый уровень прочности при сохране­нии высокой пластичности достигается комплексным легированием ста­ли различными элементами, главные из которых хром, никель, молибден и др. Эти элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали. Увеличение степени легирования при повышенном содержании углерода повышает устойчивость аустенита, и практически при всех ско­ростях охлаждения околошовной зоны и режимах сварки, обеспечиваю­щих удовлетворительное формирование шва, распад аустенита происхо­дит в мартенситной области. Подогрев изделия при сварке не снижает ско­рости охлаждения металла зоны термического влияния до значений, мень­ших W_kp, и способствует росту зерна, что вызывает уменьшение деформаци­онной способности и приводит к возникновению холодных трещин.

Указанные стали с целью повышения пластичности и вязкости выплавля-ют из чистых шихтовых материалов, а также тщательно очищают в процессе производства от серы, фосфора, газов и неметаллических включений, в ряде случаев подвергая их вакуумно-дуговому, электро­шлаковому переплавам, ра-финированию в ковше жидкими синтетиче­скими шлаками. Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет достичь на среднеуглеродистых сталях хорошего сочетания прочности, пластич­ности и вязкости.

Поэтому такие стали, как правило, сваривают без предварительного по-догрева, но с использованием специальных технологических приемов сварки (каскадом, блоками, короткими или средней длины участками), а также спе-циальных устройств, подогревающих выполненный шов и тем самым увели-чивающих время пребывания его в определенном темпера­турном интервале.

Особенность термического цикла многослойной сварки указанными ме-тодами состоит в том, что тепло от второго и последующих слоев не позволяет металлу околошовной зоны 1 -го слоя охладиться ниже опреде­ленной темпера-туры. После сварки 2-го и последующих слоев околошов­ная зона охлаждается значительно медленнее, чем после сварки одного 1-го слоя. При наложении

1-го слоя температура точки 1 резко возрастает (рис. 7.5, а), превышая темпе-ратуру Ас₃, а затем резко падает. В момент, когда температура в точке 1 пони-зится до допустимого значения Т_в > Т_м, тепловая волна от наложения 2-го слоя осуществит повторный нагрев металла околошовной зоны 1-го слоя, но до тем-пературы более низкой, чем при сварке 1-го слоя. При сварке 3-го слоя снова происходит некоторый подогрев, причем по мере выполнения последующих слоев температурные воздействия ослабевают и процесс стремится к установившемуся температурному состоянию. По окончании сварки металл околошовной зоны медленно охлаждается.

На рис. 7.5,бпоказано изменение температуры в точке 2, находя­щейся у поверхности листов. При наложении каждого последующего слоя температура в точке 2нарастает, при выполнении последнего слоя достигает максимума и после этого начинает снижаться. По проше­ствии времени t_B (время пребывания металла в интервале температур Т_Асз -Т_м) температура точки 2снижается до температуры мартенситного превращения и, если за это время не успеет произойти распад аустени­та, образуется мартенситная структура.

Для увеличения времени пребывания металла околошовной зоны при тем-пературе выше точки мартенситного превращения накладывают так называе-мый отжигающий валик, границы которого не выходят за пределы металла шва и тем самым не нагревают подверженный закалке металл околошовной зоны до температуры выше Ас₃. Наплавка отжи­гающего валика увеличивает время пребывания металла околошовной зоны в интервале температур Т_Ас3– Т_м с t_Bдо t^/_в.

Для того чтобы при сварке в околошовной зоне получить такие структу-ры, которые обеспечат деформационную способность металла, достаточную для предотвращения образования трещин при охлаждении и вылеживании из-делия до проведения соответствующей термообработки, необходимо, чтобы об-щее время выдержки в субкритическом интервале температур было бы достато-чным для полного распада аустенита. Это время определяют по диаграмме изо-термического распада аустенита ста­ли данной марки. Время пребывания ме-талла околошовной зоны при температуре выше температуры Т_мдолжно быть больше, чем время изо­термического распада аустенита при этой температуре для стали данной марки. Однако если сваривается среднелегированная сталь с повышен­ным содержанием углерода, то даже при многослойной сварке корот-кими участками практически не удается избежать закалки металла околошов­ной зоны на мартенсит, так как длительность распада аустенита значи­тельно больше, чем время пребывания металла при температурах выше температур мартенситного превращения в процессе сварки. В этом слу­чае необходимо, чтобы объемные изменения, сопутствующие образова­нию мартенсита, не мог-ли привести к появлению трещин до того, как он будет отпущен, т.е. чтобы температура зоны закалки в процессе сварки не опускалась ниже 120 ... 150 °С. При наложении последующих слоев необходимо также обеспечить "авто-термообработку" (отпуск) всего металла на участке зоны термиче­ского влия-ния, закаленного при сварке предыдущего слоя. В условиях нагрева при сварке и непродолжительной выдержке при высоких темпе­ратурах происходит отпуск только тех слоев мартенсита, которые нагре­ваются до температуры 600...700°С. Отпущенная при этом режиме зона термического влияния приобретает трос-тосорбитную или сорбитную структуру с твердостью 360 ... 410 НВ.

Для того чтобы закаленные прослойки не сохранились, необходимо так рассчитать режим каждого последующего слоя, чтобы обеспечить распростра-нение температур отпуска (600 ... 700 °С) на всю глубину за­калки от предыду-щего слоя. Схема выполнения сварки слоями, полно­стью обеспечивающими отпуск закаленных зон, приведена на рис. 7.6.

Рисунок 7.6 – Схема выполнения сварки валиками, обеспечивающими отпуск закаленных зон:

а — при наплавке 1-го и 2-го валиков; б - при наплавке 3-го валика;

в - при наплавке 4-го валика; 1 - 1-й валик; 2 - 2-й валик; 3 ~ зона отпуска

от 2-го валика; 4 — зона закалки от 1-го и 2-го валиков; 5 - 3-й валик;

6— зона отпуска от 2-го и 3-го валиков; 7 - 4-й валик; 8 - зона отпуска от 4-го валика

После наплавки 1-го валика образуется зона закалки. При наплавке 2-го валика - зона закалки и зона отпуска, частично охватывающая зону закалки от 1-го валика (рис. 7.6, а). При наплавке 3-го валика со скоро­стью, несколько ме-ньшей, чем при наплавке 1-го и 2-го валиков, образу­ется зона отпуска также определенных размеров (рис. 7.6, б). При на­плавке 4-го валика должен быть принят такой режим, при котором зона отпуска полностью охватит зону закал-ки, не отпущенную предыдущими слоями (рис. 7.6, в).

Чтобы избежать трещин при охлаждении сварного соединения, необходи-мо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение ме-талла шва, обладающего большой деформационной способ­ностью. Это может быть достигнуто, если наплавленный металл и металл шва будут в меньшей степени легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять собой как бы мягкую прослойку с времен­ным сопротивлением, меньшим, чем временное сопротивление сваривае­мой стали, но с повышенной деформацион-ной способностью.

Для обеспечения технологической прочности сварных швов, выполнен-ных низколегированными сварочными материалами, содержание уг­лерода в шве не должно превышать 0,15 %. Уменьшенное содержание, по сравнению с содержанием в свариваемой стали углерода и легирующих элементов, приводит к изменению температуры -превращения, ко­торую можно оценить урав-нением

Т = 550 - [360С + 40 (Mn + Cr) + 20Ni + 28Mo],

где химические символы означают процентное содержание этих элемен­тов в металле.

Поэтому -превращение в низколегированном металле шва бу­дет происходить при более высоких температурах, чем в околошовной зоне сред-нелегированной стали.

Наряду с потерей пластичности металлом околошовной зоны из-за резкой подкалки или чрезмерного роста зерна на образование трещин при сварке зака-ливающихся, а особенно среднелегированных высокопрочных сталей оказывает водород, при определенных условиях попадающий в сварочную ванну. В ме-талле сварочной ванны всегда имеется некоторое количество растворенного во-дорода, попадающего в ванну из влаги, ржавчины и других загрязнений. Наибо-льшей растворимостью водород обладает в жидком металле. При затвердева-нии металла растворимость водорода резко снижается и зависит от температу-ры и структурного со­стояния. От этих факторов зависит и диффузионная (про-никающая) спо­собность водорода (табл. 7.4).

Таблица 7.4– Влияние температуры и структурного состояния на растворимость и диффузионную подвижность водорода

Как следует из данных таблицы, раствори­мость водорода в аустените зна-чительно больше растворимости водорода в феррите. Одновременно с этим ди-ффузионная подвижность его в фер­рите значительно больше, чем в аустените. Поэтому при температурах - превращения в низколегированном металле шва образуется сво­бодный диффузионно-подвижный водород, который относи-тельно сво­бодно перемещается в сторону высоколегированного металла около-шов­ной зоны, имеющего при этих температурах структуру аустенита.

В связи с малой подвижностью водорода в аустените граница сплав­ления оказывается как бы барьером, у которого накапливается большое количество водорода, поступающего в несплошности, где он ассоциирует в молекулы и пе-рестает быть диффузионно-подвижным. Постепенно в таких несплошностях возрастает давление молекулярного водорода в связи с дальнейшим поступле-нием атомарного водорода и образованием новых молекул. Накопление диф-фузионно-подвижного, а также молеку­лярного водорода в несплошностях отри-цательно сказывается на сопро­тивляемости стали разрушениям и способствует образованию трещин - отколов по зоне сплавления.