Укажите технологические приемы для уменьшения деформаций конструкций из аустенитных сталей

Обновлено: 28.03.2024

Основные трудности сварки рассматриваемых сталей и сплавов обусловлены многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Главной и общей особенностью сварки является склонюсть к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Они могут наблюдаться как в виде мельчайших микро-надрывов, так и видимых трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжений усадки.

Металлу сварных швов свойственны ячеисто-дендритные формы кристаллизации, что приводит к образованию крупных столбчатых кристаллов и обогащению междендритных участков примесями, образующими легкоплавкие фазы. В аустенитных швах столбчатая структура выражена наиболее четко. Применение методов, способствующих измельчению кристаллов и устранению столбчатой структуры, повышает стойкость швов против образования горячих трещин. Одним из таких методов является получение швов, имеющих в структуре некоторое количество первичного δ-феррита. Положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах на предупреждение образования в них горячих трещин связано с изменением схемы кристаллизации и большей растворимостью в нем ликвирующих примесей. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного δ-феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т. е. к уменьшению сечения столбчатых кристаллов, разделенных участками первичного δ-феррита. В результате вероятность образования горячих трещин по местам расположения жидких прослоек уменьшается. Получение аустенитноферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами, такими как хром, кремний, алюминий, молибден и др. В изделиях, Работающих как коррозионно-стойкие при температурах до 400° С., допукается содержание феррита до 20–25%. В изделиях из жаропрочных и жаростойких сталей, работающих при более высоких температурах, с целью предупреждения сигматизации количество δ-феррита в швах ограничивают 4 – 5%.

В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитноферритной структурой затруднено. Возможность предотвращения в них горячих трещин достигается ограничением содержания в швах примесей, образующих легкоплавкие эвтектики (фосфора, серы). для этого применяют сварочные материалы, изготовленные из сталей вакуумной выплавки или электрошлакового переплава, и ограничивают проплавление основного металла. В некоторых случаях можно улучшить стойкость швов против горячих трещин повышением содержания ликвирующих примесей до концентраций, обеспечивающих получение на завершающих стадиях кристаллизации обильной эвтектики на поверхности кристаллитов, например при легировании стали бором (0,3 – 1,5%). При этом уменьшаются деформации, накапливаемые в металле шва к концу кристаллизации, вследствие понижения верхней температуры эффективного интервала кристаллизации. Снижение действия силового фактора (ограничением тока, заполнением разделки валиками небольшого сечения, рациональной конструкцией соединения и др.) также является фактором предупреждения горячих трещин.

Кроме сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин, имеются и другие особенности сварки, обусловленные особенностями их использования. К сварным соединениям жаропрочных сталей предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения при сварке приводят к фиксации неравновесных структур в металле шва. В процессе эксплуатации при температурах выше 350°С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые структурные составляющие, приводящие к снижению пластических свойств металла шва. Термическое старение при 350 – 500°С вызывает появление «475-градусной хрупкости», а при 500 – 650°С приводит к выпадению карбидов и одновременно к образованию σ- фазы. Выдержка при 700 – 850°С интенсифицирует образование σ-фазы с соответствующим сильным охрупчиванием металла при более низких температурах и снижением прочности при высоких температурах. При этом возрастает роль и интерметаллидного упрочнения. В процессах теплового старения аустенитных сталей ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения, поэтому для уменьшения склонности сварных соединений жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате выпадения карбидов эффективно снижать содержание углерода в основном металле и металле шва.

В околошовной зоне некоторых жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин. Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повышенной концентрации в металле околошовной зоны поверхностно-активных элементов (углерода, кислорода и др.), которые совместно с другими примесями могут образовывать легкоплавкие эвтектики и в конечном итоге обусловливать появление горячих трещин. Кроме того, при длительной эксплуатации в этой зоне могут выделяться мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды. Образование непрерывной прослойки карбидов и интерметаллидов по границам зерен приводит к охрупчиванию шва. При сварке этих сталей для предупреждения горячих трещин в шве часто получают наплавленный металл, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру. Однако в процессе высокотемпературной эксплуатации происходит карбидное и интерметаллидное упрочнение такого наплавленного металла и соответствующее снижение его пластических свойств, что приводит к локализации в околошовной зоне деформаций и образованию в ней трещин. Этому способствуют и значительные остаточные сварочные напряжения, а также рабочие напряжения. Предотвращение подобных локальных разрушений достигается термической обработкой: аустенизацией при 1050 – 1100°С для снятия остаточных сварочных напряжений, самонаклепа и придания сварному соединению более однородных свойств. В некоторых случаях аустенизация сопровождается последующим стабилизирующим отжигом при 750 – 800°С для получения относительно стабильных структур в результате выпадения карбидной и интерметаллидной фаз.

Локальные разрушения характерны для участка перегрева околошовной зоны и являются межкристаллическими разрушениями вследствие концентрации деформаций по границам зерен и развития процессов межзеренного проскальзывания. Упрочнение границ зерен стали типа Х16Н9М2 за счет молибдена, образующего карбиды по границам зерен, а также уменьшение содержания углерода (до 0,02%) или увеличение содержания бора до 0,5% в сталях 1Х15Н24В4Т (ЭП164) и 1Х14Н14В2М (ЭИ257) соответственно повышает сопротивляемость сталей локальным разрушениям (табл. 1). другим средством снижения склонности к локальным разрушениям является получение более пластичного металла шва.

Таблица 1. Сопротивление локальным разрушениям металла околошовной зоны ряда жаропрочных аустенитных сталей

Сопротивление локальным разрушениям металла околошовной зоны ряда жаропрочных аустенитных сталей

При сварке высокопрочных сталей в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется произвести их аустенизацию для получения высоких пластических свойств металла, а упрочняющую термическую обработку проводить после сварки. Предварительный и сопутствующий нагрев до 350 – 450°С также уменьшает опасность образования холодных трещин.

При сварке жаростойких сталей под действием нагрева в металле швов могут наблюдаться такие же структурные изменения, как и при сварке жаропрочных сталей. Большинство жаростойких сталей и сплавов имеют большой запас аустенитности и поэтому при сварке не претерпевают фазовых превращений, кроме карбидного и интерметаллидного дисперсионного твердения. На этих сталях также возможно образование холодных трещин в шве и околошовной зоне, предупреждение которых в некоторых случаях может быть достигнуто предварительным нагревом до 250 – 550°С.

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основным требованием, которое предъявляется к сварным соединениям, является стойкость к различным видам коррозии.

Специфика и основные нюансы технологии сваривания для нержавеющей стали аустенитного класса

Сталь аустенитного типа получила широкое распространение в энергетическом, химическом и машиностроительном производствах, благодаря своим химико-физическим показателям.

Аустенитные стали: состав и свойства

Главное преимущество этого класса стали – коррозионностойкость, благодаря добавлению хрома. Наличие добавки хрома в количестве 18% делает сталь устойчивой ко многим окислительным средам (например, в азотной кислоте).

Добавление в сталь никеля в количестве 9-12% превращает материал в аустенитный класс. Этот процесс увеличивает практичность применения стали, а именно повышает пластичность и снижает вероятность к появлению зерна.

Вместо хрома и никеля в составе аустенитной стали могут быть другие добавки: ферритизаторы и аустенизаторы.

Сложности и их устранение при сварке аустенитной стали

Помимо преимущественных характеристик, данная сталь имеет определенные особенности, что влияет на сложность сварного процесса. В первую очередь, из-за того, что у аустенитной стали есть предрасположенность к формированию микроскопичных надрывов и трещин горячего типа. Локализация этих дефектов происходит в основном шве и околошовной зоне. Таким процессам способствует форма кристаллизации этого металла (ячеисто-дендритная).

Методики, устраняющие кристаллизацию аустенитной стали:

  1. Снижение уровня проплавления металла с помощью материалов для сварки из электрошлакового переплава или вакуумной выплавки.
  2. Увеличение легирующих добавок, таких, как бор, что дает возможность создать эвтектику.
  3. Модификация кристаллизационной схемы сварных швов. Этот способ считается универсальным, т. к. он увеличивает степень растворимости легирующих добавок в первичном железе. Таким образом, существенно снижается вероятность возникновения горячих трещин.

Сварные соединения аустенитных сталей эксплуатируются при высоких температурах, поэтому они должны не изменять своих характеристик (жаростойкость). Выполнить это сложно в силу того, что в охлажденном сварочном шве происходит закрепление неравновесных структур. Это уменьшает пластические способности сварного соединения уже при температуре +350 о С. Также в сталях этого класса нередко возникают трещины в зоне вокруг шва.

Данные проблемы способна решить наплавка дополнительного металлического слоя двухфазной структуры, по составу непохожая на основной металл.

Длительная эксплуатация приводит к возникновению трещин и поврежденных участков – от этого избавляются аустенизацией при температуре +1100 о С и последующим самонаклёпом или стабилизирующим отжигом.

Технологии сварки

Для минимизации возникновения дефектов в дальнейшем процессе эксплуатации хромоникелевых сталей необходимо правильно подобрать оптимальный способ сваривания аустенитной стали.

Основные способы сварки аустенитной стали:

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка представляет собой достаточно маневренный способ. Это сваривание происходит таким образом, чтобы химический состав оставался неизменным при разных пространственных положениях и возможных позициях соединений.

Важно рассчитать размер наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя. Выполнить эти условия возможно, изменяя состав покрытия используемых электродов. Покрытие подбирают для того, чтобы в итоге в сварочном шве не было горячих трещин и присутствовал в необходимом количестве первичный феррит. Для этого часто используют электроды с содержанием фтора и кальция.

Оптимальные рекомендации для ручной дуговой сварки:

  • ниточные швы с помощью электродов сечением 3 миллиметра;
  • 60-90 минут прокаливать сварочные электроды при температуре от 250 о С до 400 о С (выполнить это необходимо перед началом сварки). Это препятствует возникновению пор в соединительном шве.

Подходящие электроды используют на постоянном токе и обязательно с обратной полярностью. На максимальном токе сварка выполняется в положении снизу. А если работа необходима в вертикальном или потолочном расположении, нужно брать силу тока на 10-30% меньше.

Электрошлаковая сварка

Технология выполнения работы электрошлаковой сваркой сама по себе минимизирует возможность образования горячих трещин.

Преимущества данной техники сварки:

  1. Отсутствие существенных деформаций в угловой и стыковой областях.
  2. Неспешная скорость движения нагревательного оборудования.
  3. Мягкая кристаллизация сварочной ванны.

Для данного типа сварки используют электроды в форме пластин с толщиной от 6 до 20 мм или проволоку с толщиной 3 мм.

Сварка в атмосфере защитных газов

Сварка в атмосфере защитных газов позволяет выполнять работы на изделиях разнообразной толщины. В этой технологии положительно работают активные и инертные газы. Сварщик за счет разнообразия защитных газов самостоятельно выбирает условия ввода в металл необходимого количества тепла и может менять эффективность электродуги.

Данный способ сваривания можно осуществлять в любом положении. Благодаря этому преимуществу такую сварку часто используют вместо дугового процесса, особенно если защитная среда создается с помощью аргона или гелия.

Для этого типа работы характерно использование вольфрамовых или плавящихся электродов. Они отлично подходят для изделий в 5-7 мм.

Сварка выполняется импульсной или горящей дугой. Оптимальнее использование первого вида, т. к. при импульсной работе снижается искажение конфигурации кромок, а также уменьшается длина околошовной зоны.

Вольфрамовые электроды можно использовать как с присадочным материалом, так и без него. Это зависит от толщины соединяемого места и конструкции детали.

Работа происходит на постоянном токе с прямой полярностью (в ручном или автоматическом режиме). Но следует помнить, что автоматическое сваривание нержавеющих сталей с высоким объемом алюминия выполняют, используя только переменный ток.

Для активных газов и смеси из газов применяются плавящиеся электроды. Стержни такого типа способствуют высокому качеству работы при использовании их в импульсно-дуговой сварке. Данная техника выполняется в смеси кислорода, углекислого газа и аргона, а также в чистом виде аргона.

Шестель, Л.А. Производство сварных конструкций. Заготовительное производство - файл n1.doc

3.3. Технологические приёмы уменьшения
или устранения сварочных напряжений и деформаций

Сварочные деформации и напряжения в конструкциях в большинстве случаев являются недопустимым дефектом, снижающим эксплуатационные показатели конструкции и ухудшающим её внешний вид. Поэтому при производстве многих сварных конструкций возникает необходимость их снижения до значений, обусловленных техническими условиями на изготовление конструкций. В силу этого возникает производственная необходимость управлять развитием сварочных деформаций и напряжений, удерживая их в пределах оптимальных значений.

Усиление деформаций предусматривается на всех этапах проектирования и изготовления сварных конструкций.

3.3.1 Мероприятия по уменьшению сварочных деформаций,
применяемые в процессе разработки конструкции

На стадии разработки проекта необходимо принимать конструктивные решения, позволяющие избегать значительных искажений конструкции и при необходимости обеспечивать их правку.

Во-первых, назначают минимальные объёмы наплавленного металла. Используют способы сварки с минимальным тепловыделением, например контактную вместо дуговой, многопроходную вместо однопроходной.

Балочные конструкции проектируют с таким поперечным сечением и расположением швов, чтобы моменты, создаваемые усадочными силами, были уравновешены.

Иногда целесообразно обеспечить свободное сокращение элементов оси усадки, чтобы не вызвать искажение конструкции в целом. Например, нахлёсточное соединение, ещё не сваренное, позволяет смещаться листам, не передавая остальной части конструкции усадку.

В конструкциях с тонкостенными элементами швы располагают либо на жёстких элементах, либо вблизи них.

В тех случаях, когда возможно искажение конструкции при сборке и сварке, проектирование ведут так, чтобы обеспечить возможность последующей правки.


  1. Применяют рациональную последовательность сборочно-сварочных операций. Например, конструкцию расчленяют на узлы, которые по отдельности могут быть легко выправлены, а затем сварены между собой с минимальными отклонениями. Сборку целесообразно вести от наиболее жёсткого элемента.

  2. Назначают экономичные способы и режимы сварки с минимальным тепловыделением и таким характером искажений, который безвреден для качества конструкции. Например, если недопустим излом длинной трубы в зоне кольцевого шва, то применяют многопроходную сварку. Регулированием скорости охлаждения и химического состава металла шва изменяют характер структурных превращений и усадочную силу.

  3. Применяют соответствующую оснастку и приспособления для сборки и закрепления свариваемых элементов. Они эффективно применяются для значительных временных перемещений, но с малыми усадочными силами, например прижатие тонких листов при сварке стыковых соединений, закрепление рёбер или диафрагм при выполнении угловых швов и т.д.

  4. Назначают размеры заготовок с учётом последующей усадки.

а б

в г
Рис. 3.5. Виды заготовок с учетом последующей усадки


  1. Предварительной пластической деформацией заготовок перед сваркой соз­дают перемещения, противоположные ожидаемым при сварке. Например, изгибают полки в балке, чтобы уменьшить грибовидность оси укладки продольных швов, раскатывают края оболочек перед сваркой кольцевых швов, изгибают в штампах края отверстий в оболочках, чтобы компенсировать последующее перемещение соединения и оси оболочки и т.д.

3.3.2. Мероприятия по уменьшению сварочных деформаций,
осуществляемые в процессе сварки. Правка конструкций


  1. Регулирование теплового состояния металла сварного соединения при сварке, которого можно достичь путем интенсивного теплоотвода из зоны шва. Например, подачей воды при контактной сварке, обдувом газо-водяной смесью (при некоторых других способах сварки), использованием охлаждаемых подкладок и накладок в зажимных приспособлениях. Регулирование теплового состояния при сварке возможно также применением сварки с высококонцентрированными источниками нагрева.

  2. Активное нагружение свариваемых элементов в процессе сварки, т.е. в зоне сварки с помощью приспособлений или специальных установок создают напряжения растяжения, обычно путём изгиба, чтобы уменьшить усадочную силу (при сварке балок).

  3. Непосредственно после сварки создают пластические деформации удлинения путём проковки металла специальным инструментом при дуговой сварке или сварочным электродом при точечной контактной сварке.

Для правки конструкций применяют различные способы – механические и термические.

Механические способы основаны на создании пластических деформаций удлинения с целью компенсации пластических деформаций упрочнения, вызванных сваркой. Силовое воздействие на сварное соединение может быть осуществлено растяжением сварного соединения, прокаткой роликами зоны шва, гибкой, вибрационной или взрывной обработкой зоны шва.

Термические способы основаны на создании пластических деформаций необходимого знака. При местных нагревах (так называемая термическая правка) создают пластические деформации укорочения. Нагрев, как правило, должен производиться вне зоны пластических деформаций, возникших при сварке. Например, в изогнутых балках (рис. 3.5а) нагревают более длинную сторону и вызывают обычную усадку металла, как при сварке.

Усадочная сила после местного нагрева выпрямляет балку. В листах, потерявших устойчивость оси напряжений сжатия (рис. 3.5б), создают нагрев и усадку в зонах сжатия. Сокращение листа в результате нагрева и последующего остывания обеспечивает его выпрямление. Нагрев ведут пятнами или полосами. Необходимо стремиться к кратковременному и концентрированному нагреву, чтобы соседние зоны оставались не нагретыми и сопротивлялись расширению нагретого металла, вызывая в нём усадку. Углеродистые стали обычно нагревают горелками до 600–800 °С.

3.3.3. Термообработка сварных конструкций

Термообработка является распространённым способом снятия остаточных сварочных напряжений, применяется для конструкций, насыщенных сварными швами, доступ к которым затруднён, характеризуется большой жёсткостью и металлоёмкостью, требующих восстановления пластических свойств.

Одной из широко применяемых разновидностей термической обработки – отпуск. При отпуске температура нагрева конструкции не превышает температуру Ac для данной стали. Для конструкционных сталей температура лежит в пределах 250–650 °С. Процесс отпуска идёт в три стадии: первая стадия – нагрев изделия, обеспечивающий выравнивание температур по сечению изделия, вторая стадия – выдержка при постоянной температуре и третья стадия – медленное остывание изделия. Различают общий (всей конструкции) и местный отпуск. Процесс снижения напряжений при отпуске можно представить в виде графика.
Рис. 3.6. График процесса снижения напряжений при отпуске
Как видно из графика, значения напряжений падают более ощутимо на стадии нагрева, когда происходит переход упругой деформации в пластическую.

Местный отпуск отличается от общего тем, что нагреву подвергается часть изделия – шов и околошовная зона. Поскольку нагревается только часть конструкции, то напряжения полностью не снимаются, а перераспределяются.

Кроме отпуска применяют другие виды термообработки – предварительный и сопутствующий нагрев, нормализацию, закалку и отпуск, отжиг.

Выбор вида термообработки определяется составом металла, его теплофизическими свойствами, технологией сварки, видом сварного соединения и т.д.

Термообработка сварных соединений проводится на тех же режимах, что и основного металла. Её проводят либо сразу после сварки, либо по истечении нескольких часов, что зависит от химического состава металла. Для сталей, чувствительных к термическому циклу, термообработка обязательна.

Термообработка применяется и в тех случаях, когда сваренный узел подвергается после сварки механической обработке. Если такой узел не подвергнуть термообработке, то после снятия напряжённых слоёв металла в процессе механической обработки, форма и размеры узла могут значительно измениться.

Изделия из низкоуглеродистых сталей с содержанием углерода до 0,25 % небольшой толщины термообработке, как правило, не подвергаются. При сварке больших толщин требуется предварительный или сопутствующий подогрев до 120–150 °С.

Предварительный или сопутствующий подогрев до 250–300 °С требуется при сварке изделий из среднеуглеродистых и низколегированных сталей.

Изделия из сталей с мартенситной или мартенситно-ферритной структурой, склонных к закалке, независимо от толщины изделий сваривают с подогревом (250–300 °С) и немедленным отпуском после сварки.

Изделия из сталей аустенитного класса для стабилизации аустенита следует либо закаливать, либо проводить отжиг (850–900 °С).

Изделия из среднелегированных сталей подвергают закалке с последующим высоким отпуском. Если изделие деформируется, то применяют только отпуск.

Термообработку проводят в стационарных печах или с помощью переносных нагревателей, форма которых соответствует форме изделия. Местный нагрев может производиться газовыми горелками, применяют также индукционный нагрев.

Необходимо помнить, что термообработка является дорогостоящей и трудоёмкой операцией и применяется тогда, когда это диктуется технологической необходимостью.

Технологические мероприятия по снижению остаточных сварочных напряжений и деформаций

Технологические мероприятия по снижению остаточных сварочных напряжений и формоизменения конструкций можно условно разделить на две группы:

1) не требующие дополнительных компенсационных воздействий,

2) связанные с дополнительными силовыми либо температурными воздействиями на конструкцию.

Основное содержание мероприятий первой группы связано с рациональным выбором последовательности сборки и сварки конструкции, а также режимов сварки, обеспечивающих качественное формирование швов заданного сечения в сочетании,по возможности, с благоприятным влиянием на уровень остаточных напряжений и формоизменение конструкций. Такие мероприятия не требуют, как правило, дополнительных ресурсов. Мероприятия второй группы сопряжены с привлечением дополнительных силовых либо температурных воздействий, которые можно разделить на дополнительные воздействия перед сваркой, в процессе сварки и после сварки. С помощью этих мероприятий можно управлять уровнем остаточных напряжений и формоизменением конструкций в широких пределах, однако расходы на их реализацию могут в несколько раз превышать остальные расходы, связанные с изготовлением сварной конструкции. Поэтому в каждом конкретном случае выбор технологических мероприятий требует серьезного внимания при технологической подготовке производства.

Дополнительный компенсационный нагрев (термическая правка) заключается в нагреве элемента со стороны выпуклости. Его преимущества следующие: невысокие энергетические затраты, высокая технологичность и управляемость процесса, широкие возможности для механизации и автоматизации.

Обратный выгиб - эффективный метод для компенсации сварочных деформаций в конструкциях с относительно небольшой изгибной жесткостью, например, при аварке в тонкостенные оболочки различных фланцев, патрубков и т. п.

Предварительный подогрев зоны сварки либо всего свариваемого узла является одним из распространенных способов снижения уровня остаточных напряжений. Однако предварительный равномерный подогрев обычно увеличивает размеры зоны пластических деформаций, т.е. объемы продольного и поперечного укорочения, и поэтому является неблагоприятным мероприятием с позиции формоизменения.

Дополнительное охлаждение (технологически трудоемкое) свариваемого изделия, уменьшая продольную и поперечную усадку, способствует снижению сварочных деформаций, искажения размеров и формы изделия. Известны следующие способы уменьшения деформаций тонколистовых изделий:

  • подачей воды при контактной сварке;
  • обдувом газоводяной смесью при некоторых других способах сварки;
  • использование охлаждаемых подкладок и накладок в зажимных приспособлениях, теплоотводящих паст и другие приемы дополнительного охлаждения.

Проковка сварных швов - это метод для уменьшения продольных и поперечных напряжений, а также для уменьшения продольной и поперечной усадки зоны сварного шва. В последние годы получила развитие проковка с помощью ультразвукового ударною инструмента, отличающаяся меньшими шумовыми эффектами по сравнению с ударным пневматическим инструментом и более высокими возможностями для управления.

Сварка с силовым растяжением - метод снижения сварочных деформаций тонко- листовых конструкций, а также уровня остаточных напряжений. Он заслуживает особого внимания при сварке набора с полотнищем тонкостенных плоских конструкций из алюминиевых сплавов. Использование начальных растягивающих напряжений в полотнище и ребрах большой протяженности обеспечивает качественную сборку, отклонение от прямолинейности ребер и полотнища не более 0,5 мм на базе 2 м и зазоры в соединении не более 0,1 мм. При этом резко снижаются деформации бухтиноватности после приварки ребер к полотнищу.

Существенный недостаток этого способа- необходимость в специальном оборудовании для нагружения свариваемых элементов.

Правка сварных конструкций применяется, когда конструктивные и технологические мероприятия, описанные выше, не позволяют по тем или иным техническим или зкономическим причинам получить деформации в пределах допуска. Она заключается в пластическом удлинении волокон укороченных частей конструкции (обычно в зоне сварных соединений), либо укорочении волокон участков конструкции, имеющих излишнюю длину.

Правку можно проводить холодным методом (механическим воздействием), тепловым и комбинированным методами (кратковременные нагревы с механическим воздействием). Холодный метод правки обычно используется для удлинения волокон зоны сварных соединений, а тепловой и комбинированный - для укорочения волокон основного металла с целью компенсации укорочения в зоне сварных соединений.

Термическая обработка отпуском в зажимных приспособлениях позволяет одновременно устранять остаточные напряжения и деформации. С этой целью конструкцию обычно сваривают в жестком приспособлении, которое обеспечивает при сварке сохранение необходимых размеров и формы. Затем проводят термообработку конструкции отпуском вместе с приспособлением, в противном случае освобождение конструкции будет сопровождаться определенными упругими деформациями, которые в ряде случаев не соответствуют допускаемым.

Рациональный режим отпуска следует назначить исходя из рекомендаций по релаксации напряжений для данного материала.

Отпуск сварных конструкций - это наиболее распространенная операция для снижения остаточных сварочных напряжений и улучшения структуры и свойств металла с целью повышения эксплуатационных свойств сварных конструкций.

Термообработка отпуском целесообразна для сварных конструкций, изготовление которых связано с последующей обработкой резанием и повышенными требованиями в отношении точности. Отпуск также необходим, если к сварной конструкции предъявляются повышенные требования стабильности формы и геометрических размеров при эксплуатационном нагружении. Кроме того, его назначают для повышения сопротивления хрупким разрушениям при низких температурах, стойкости против коррозионного растрескивания и для получения требуемых свойств.

Большие затраты на отпуск крупных сварных конструкций, связанные с необходимостью оснащения предприятий соответствующими крупными печами, обусловливает применение в целом ряде случаев местного отпуска сварных конструкций, когда зона сварного шва нагревается до температуры отпуска с помощью различных местных (локальных) нагревательных устройств и достаточно медленно охлаждается. Эффективность такой термообработки в каждом конкретном случае существенно зависит от тщательности проведенной операции нагрева и охлаждения термообрабатываемой зоны, т.е. требует внимательного подхода к выбору устройств и режимов нагрева, а также соответствующего контроля за исполнением.

Статическое нагружение силовой нагрузкой как метод снижения остаточных сварных напряжений известно достаточно давно. Сущность его заключается в том, что при силовом нагружении в результате взаимодействия остаточных напряжений с напряжением от внешней нагрузки появляются дополнительные пластические деформации, способствующие релаксации остаточных сварочных напряжений. При этом (в зависимости от знака и направления внешней нагрузки) релаксация остаточных напряжений происходит за счет либо уменьшения пластических деформаций укорочения, вызванных сваркой, либо пластического удлинения периферийных волокон. В реальных условиях многоосного напряженного состояния условия возникновения пластического течения и релаксации остаточных напряжений более сложны. Однако качественная картина остается подобной описанной выше.

Основной недостаток этого метода- необходимость в достаточно сложном и громоздком оборудовании. Кроме того, при наличии существенных геометрических неоднородностей трудно добиться необходимого распределения внешних напряжений для эффективного снижения остаточных напряжений в различных участках конструкции.

Импульсное и вибрационное нагружение находит в последние годы все большее распространение для снижения уровня остаточных сварочных напряжений. Механизм релаксации здесь во многом подобен механизму релаксации при статическом нагружении, однако эти способы часто более технологичны. Невысокая стоимость оборудования и возможность локальной обработки позволяет их использовать в достаточно общих условиях.

Ряд рассмотренных технологических методов снижения остаточных напряжений и формоизменения конструкций (ультразвуковая ударная обработка, термический отпуск, статическое, импульсное и вибрационное натружение) применяются также для повышения сопротивления усталости сварных соединений.

Общие технологические условия сварки аустенитных сталей

Аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств, поэтому одну и ту же сталь иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения: коррозионно-стойких, хладостойких или жаропрочных. При этом требования к свойствам сварных соединений и технология сварки будут различными. Однако теплофизические свойства аустенитных сталей и склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин определяют некоторые общие особенности их сварки.

 Схемы температурных полей при сварке углеродистой (a) и хромоникелевой сталей (б)

Рис. 1. Схемы температурных полей при сварке углеродистой (a) и хромоникелевой сталей (б)

Характерные для большинства высоколегированных сталей низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент линейного расширения обусловливают при одинаковой погонной энергии и прочих равных условиях (метода сварки, геометрии кромок, жесткости соединения и др.) расширение зоны проплавления и областей, нагретых до различных температур, и увеличение суммарной пластической деформации металла шва и околошовной зоны (рис. 1). Это увеличивает коробление изделий. Поэтому для высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии, или уменьшать ток по сравнению с током при сварке углеродистой стали. Нагрев до высоких температур сварочной проволоки в вылете или металлического стержня электрода для ручной сварки за счет повышенного удельного электросопротивления при автоматической и полуавтоматической дуговой сварке требует уменьшения вылета электрода и повышения скорости его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

При сварке аустенитных сталей пластическая деформация металла шва и околошовной зоны в результате больших коэффициентов линейного расширения и усадки, а также отсутствия полиморфных превращений происходит в большей степени, чем при сварке углеродистых сталей перлитного класса (табл. 1). В этих условиях при многослойной сварке металл околошовной зоны и первые слои металла шва могут упрочниться под действием многократного пластического деформирования, т. е. наблюдается явление самонаклепа при сварке. Влияние этого явления на свойства металла шва определяется жесткостью свариваемых элементов (табл. 2). В относительно более жестких соединениях, где самонаклеп вызывает повышение прочностных характеристик, наблюдают повышение остаточных напряжений (табл. 3) в отдельных случаях до 45 – 50 кгс/мм 2 . Такие сравнительно высокие остаточные напряжения при низкой релаксационной способности аустенитных сталей требуют выбора такого режима термической обработки, который обеспечивает снижение остаточных напряжений, снятие самонаклепа и максимально возможную гомогенизацию структуры сварного соединения.

К числу основных трудностей, возникающих при сварке аустенитных сталей, относится также необходимость повышения стойкости металла шва и околошовной зоны против образования трещин. Горячие трещины являются межкристаллитным разрушением и разделяются на кристаллизационные и подсолидусные; последние возникают при температуре ниже линии солидуса, т. е. после окончания процесса кристаллизации. Вероятность появления кристаллизационных трещин определяется характером изменения пластичности сплавов при деформировании металла в твердо-жидком состоянии. В качестве критерия сопротивления металла околошовной зоны хрупкому межкристаллическому разрушению принимают температуру восстановления пластичности (Тв) и прочности металла при охлаждении (метод ИМЕТ-1). Чем выше Тв и интенсивнее восстановление пластичности, тем меньше вероятность хрупкого межкристаллитного разрушения (табл. 4). Однако при сравнении сопротивляемости образованию горячих трещин различных сплавов следует учитывать темп нарастания внутренних деформаций при сварке. Поэтому оценка по величине Тв часто требует корректировки по результатам технологических проб.

С увеличением содержания никеля, углерода, алюминия и титана в аустенитных сталях Тв снижается, а измельчение зерна способствует повышению Тв. С измельчением кристаллитов в шве при одинаковом объеме (толщине) жидких прослоек пластичность двухфазных сред также возрастает. При этом важны не только размер и форма кристаллитов, но и характер распределения напряжений сдвига относительно направления их преимущественного роста. В связи с этим предлагают следующие пути повышения сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин:

  • 1) подавление столбчатой кристаллизации и измельчение кристаллической структуры путем легирования элементами-модификаторами, а также элементами, способствующими образованию высокотемпературных вторых фаз при кристаллизации;
  • 2) повышение чистоты сплавов по примесям, способствующим образованию при кристаллизации легкоплавких фаз в той области составов, в которой увеличение количества этих фаз снижает технологическую прочность, и, наоборот, увеличение количества легирующих элементов, образующих эвтектики, в области составов сплавов, близких к эвтектическим.

Эти пути сужают температурный интервал хрупкости и повышают запас пластичности.

Технологические меры борьбы с трещинами направлены на изыскание рациональных способов и режимов сварки плавлением и конструктивных форм сварных соединений, снижающих темп нарастания внутренних деформаций в процессе затвердевания. Межкристаллитное разрушение однофазных аустенитных сварных швов при температурах ниже температуры затвердевания в условиях нарастающих напряжений (подсолидусные трещины) по схеме близко к разрушению при высокотемпературной ползучести. Необходимым условием образования зародышевых трещин такого разрушения является межзеренное проскальзывание, которое раскрывает как ступеньки в границах, так и уже существующие микрополости, образовавшиеся вследствие выделения вакансий на границах, перпендикулярных действию растягивающих напряжений.

Для повышения сопротивляемости металлов и их однофазных сплавов образованию подсолидусных горячих трещин при сварке рекомендуют:

  • 1) легирование сплавов элементами, снижающими диффузионную подвижность атомов в решетке или способствующими созданию фрагментарной литой структуры (искривление границ кристаллитов, образование в процессе кристаллизации дисперсных вторых фаз и выделений при последующем охлаждении);
  • 2) повышение чистоты основного металла по примесям внедрения;
  • 3) сокращение времени нахождения металла при температуре высокой диффузионной подвижности (увеличение скорости охлаждения металла сварных швов) и снижение темпа нарастания упруго- пластических деформаций при охлаждении (ограничение деформаций за счет выбора рациональной конструкции соединений).

Установлены следующие наиболее важные металлургические факторы, способствующие повышению сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин при сварке аустенитных сталей:

  • 1) образование двухфазной структуры в высокотемпературной области при кристаллизации металла за счет выделения первичного феррита, дисперсных частиц тугоплавкой фазы или боридной фазы и хромоникелевой эвтектики;
  • 2) ограничение содержания примесей, образующих легкоплавкие фазы, с целью сужения эффективного интервала кристаллизации.

Для измельчения структуры используют легирование наплавленного металла элементами, способствующими выделению при кристаллизации металла высокотемпературного δ-феррита. Наличие δ-феррита измельчает структуру металла и уменьшает концентрацию Si, P, S и некоторых других примесей в межкристаллитных областях за счет большей растворимости этих примесей в δ-феррите, что уменьшает опасность образования легкоплавких эвтектик.

Количество ферритной фазы в наплавленном металле после его охлаждения зависит от состава этого металла и скорости охлаждения в области высоких и средних температур. Приближенное представление о концентрации феррита в аустенитно-ферритном металле дает диаграмма Шеффлера, составленная по опытным данным применительно к скорости охлаждения, характерной для обычных режимов ручной дуговой сварки (рис. 2). Рекомендуемое содержание ферритной фазы в наплавленном металле ограничивается 2 – 6%. При сварке сталей с более высокой степенью аустенитности, например 08Х18Н12Т, Х14Н14 и др., пределы содержания ферритной фазы в наплавленном металле повышают для того, чтобы обеспечить ее присутствие в шве с учетом перемешивания наплавленного металла с основным.

 Диаграмма Шеффлера

С увеличением доли основного металла используют, например, электроды ЦТ-15-1 (08Х20Н9Г2), обеспечивающие получение структуры, содержащей 5,5 – 9% феррита, или ЦТ-16-1 (08Х20Н9ВБ), обеспечивающие получение структуры, содержащей 6,0 – 9,5% феррита. Иногда при сварке корневых слоев многопроходных швов на сталях типа 2Х25Н20С2, склонных к образованию кристаллизационных трещин, применяют электроды ГС-1 (10Х25Н9Г6С2), обеспечивающие получение структуры, содержащей 25 – 30% феррита в наплавленном металле.

Для кооррозионно-стойких сталей повышение содержания первичного феррита до 15 – 25% улучшает характеристики за счет большей растворимости хрома в феррите, чем в аустените, что предотвращает обеднение пограничных слоев хромом и сохраняет высокую сопротивляемость межкристаллитной коррозии. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15% предупреждение горячих трещин достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 –- 5% феррита. Большое количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов в виду их сигматнзации в интервале температур 450 – 850°С.

Получение аустенитно-ферритной структуры швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15% Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию за счет появления хрупких эвтектик, а иногда и σ-фазы. Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами и легировать швы повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющими процесс образования горячих трещин. Необходимо также ограничивать в основном и наплавленном металлах содержание вредных (сера, фосфор) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов – кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Поэтому для изготовления сварочных проволок желательно применять стали вакуумной плавки, после электрошлакового переплава или рафинирования: то же относится и к основному металлу. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах для предупреждения подсоса воздуха необходимо поддерживать короткий вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов.

Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. При наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов. Поэтому для сварки рекомендуется использовать низкокремнистые высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористо-кальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служат этой цели. Азот, являясь сильным аустенизатором, одновременно способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин. Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих трещин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения.

Важным мероприятием для борьбы с горячими трещинами является применение технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита, а также уменьшение силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок (рис. 3). При действии растягивающих сил перпендикулярно направлению роста столбчатых кристаллов вероятность образования трещин возрастает. При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, уменьшают склонность металла шва к горячим трещинам. Снижение действия усадочных деформаций достигается ограничением сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением разделок соответствующих конструкций. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги.

Влияние коэффициента формы ванны (κф=Z/B) при сварке на технологическую прочность металла шва типа Х10Н65М23

Рис. 3. Влияние коэффициента формы ванны (κф=Z/B) при сварке на технологическую прочность металла шва типа Х10Н65М23

Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных талей и сплавов, есть особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей требуемые свойства во многих случаях обеспечиваются термической обработкой (аустенизацией) при 1050 – 1100°С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при 750 – 800°С. При невозможности термической обработки сварку иногда производят с предварительным или сопутствующим подогревом до 350 – 400°С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой жаростойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов, стойких к общей жидкостной коррозии.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения межкристаллитной коррозии не следует допускать повышения в металле шва углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазкой проволоки и т. д.) и длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур. Поэтому сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя механизированные способы, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, оказывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, следует, по возможности, сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, а последующие швы в многослойных швах выполнять после полного охлаждения предыдущих и принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии и должны тщательно удаляться с поверхности металла, швов, так же как и остатки шлака и флюса, которые, взаимодействуя в процессе эксплуатации с металлом, могут привести к коррозии или снижению местной жаростойкости. При сварке создание в металле шва аустенитно-ферритной структуры для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии достигается легированием титаном или ниобием. Однако титан, обладающий высоким сродством к кислороду, выгорает в зоне сварки на 70 – 90% (при ручной дуговой сварке, сварке под кислыми флюсами). Поэтому легирование швов титаном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флюсов. В металле швов содержание титана должно соответствсвать соотношению Ti/C≥5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и поэтому чаще используется для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно отвечать соотношению Nb/C>10. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.

Таблица 1. Свойства металла шва, выполненного аустенитными электродами ЦТ-7

 Свойства металла шва, выполненного аустенитными электродами ЦТ-7

Таблица 2. Теплофизические свойства хромоникелевых аустеннтных сталей

Теплофизические свойства хромоникелевых аустеннтных сталей

Таблица 3. Остаточные (тангенциальные) напряжения (кгс/мм 2 ) в кольцевых швах различной жесткости аустенитных сталей ЭИ257 и ЭИ680, выполненных электродами ЦТ-7

Остаточные (тангенциальные) напряжения (кгс/мм2) в кольцевых швах различной жесткости аустенитных сталей ЭИ257 и ЭИ680, выполненных электродами ЦТ-7

Таблица 4. Характеристика реформационной способности жаропрочных сталей и сплавов различных структурных классов в условиях термического цикла околощовной зоны

Читайте также: