Сварка мартенситных сталей с аустенитными сталями

Обновлено: 15.05.2024

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек - в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Состав, структура сталей и их назначение

Мартенситно-стареющие стали отличает особый механизм упрочнения, основанный на выделениях иитерметаллидов типа Ni (Ti, Al), Ni₃Ti, Ni₃Mo при нагреве 400—550 °С твердых растворов железа с никелем и добавками различных элементов замещения При этом обеспечивается σ_в= 1500÷2000 МПа, а для ряда композиций до 2800 МПа. Максимальное упрочнение при старении достигается в безуглеродистых сплавах как необходимом условии предотвращения связывания легирующих элементов в карбиды. Поэтому образующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок (σ_в = 700÷1100 МПа) и пластичен.

Основной системой легирования мартенситно-стареющей стали, обеспечивающей максимальный уровень прочности, является железоникелевый сплав (18—25% Ni), содержащий добавки Mo, Со, Ti и Al (Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ, Н18К12М5Т и др.). Другой распространенной системой, обеспечивающей уровень прочности σ_в≤1600 МПа, является железохромоникелевый сплав (10—13% Сг и 5—10% Ni) с добавками Me, Со, Ti и А1 (Х11Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ, 03Х12К14Н5М5Т и др.). В структуре этих сталей может быть 10—40 % остаточного аустенита Третьей системой легирования мартенситно-стареющих сталей, обеспечивающей уровень прочности σ_в≤1500 МПа, является сплав Fe с 12% Ni и дополнительным легированием Сu, Mn, V и другими элементами, вызывающими умеренное старение (Н12М2Д2ТЮ, 03H12X5M3, Н8Г4ФЗД2 и др.). Четвертой системой легирования - является железоникелькобальтовый сплав (9% Ni — 4% Со) с добавками карбидообразующих элементов и содержанием С 0,2—0,4 %. Смешанный карбидно-интерметаллидный механизм упрочнения обеспечивает уровень прочности σ_в = 1300÷2000 МПа. Химический состав некоторых мартенситно-стареющих сталей и их свойства приведены в табл. 20.1

Микроструктура типичных мартенситно-стареющих сталей представляет так называемый «массивный» мартенсит в виде пакетов ферритиых пластин, разделенных малоугловыми границами. Высокая плотность дислокаций и границ в объеме мартенсита обеспечивает однородное распределение выделяющихся при старении частиц с расстоянием между ними 0,2—0,5 мкм.

Мартенситно-стареющие стали изготавливаются в виде поковок, штамповок, листов, отливок, прутков и проволоки, в том числе и сварочной Для стабилизации значений пластических характеристик, увеличения усталостной прочности и предотвращения водородного охрупчиваиия применяется вакуумный переплав металла, повышающий чистоту по содержанию неметаллических включений, газов и примесей Цветных металлов. Для уменьшения содержания углерода и азота в иекоторых случаях применяют электронно-лучевой переплав.

Относительно высокая стоимость мартенситно-стареющих сталей ограничивает применение конструкциями, где на первый план выдвигается необходимость обеспечения повышенной удельной прочности, в том числе и при сварке закаленных элементов, при низкой чувствительности к наличию надрезов и трещииоподобиых дефектов Типичные области применения: оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, изделия криогенного назначения и др.

Свариваемость сталей

Фазовые и структурные превращения

По свариваемости мартенситно-стареющие стали превосходят широко используемые углеродистые легированные стали. Они мало чувствительны к образованию горячих и холодных трещин; обеспечивают повышенный уровень механических свойств сварных соединений в нетермообработанном состоянии и возможность достижения равнопрочности основному металлу проведением после сварки старения.

Высокая прокаливаемость мартенситно-стареющих сталей предопределяет получение мартенситной структуры независимо от скорости охлаждения после аустенитизации. Повышенное содержание легирующих элементов может сместить температуру окончания мартенситного превращения ниже комнатной, что обусловит наличие в структуре определенного количества остаточного аустенита. Другой причиной его появления является нагрев закаленной стали на температуру, близкую к 600 °С, что приводит к обратному α—γ-превращению.

Как при сварке в термоупрочненном, так и отожженном состоянии старение в зоне термического влияния происходит там, где нагрев достигал температур 480—540 °С. В тех случаях ЗТВ, где температура была 650 °С, мартенсит распадается на феррит и обогащенный никелем и, следовательно, стабильный аустенит. При охлаждении до комнатной температуры эти структурные составляющие сохраняются и не претерпевают изменений в результате старения после сварки.

20.2.2. Сопротивляемость ГТ

Благодаря низкому содержанию углерода в большинстве марок мартенситно-стареющих сталей сопротивляемость ГТ находится на высоком уровне (табл. 20.2). Случаи поражения сварных швов горячими трещинами наблюдались при содержании С 0,1—0,2 % или наличии в сварочной проволоке редкоземельных элементов свыше 0,03 %. Сварочная проволока не должна также содержать Са, В и Zr. Легирование Со до 5% приводит к увеличению сопротивляемости трещинам.

Сопротивляемость XT

Безуглеродистые и малоуглеродистые мартенситно-стареющие стали проявляют чувствительность к образованию XT только в присутствии Н. Неравномерность распределения водорода по зонам сварного соединения предопределяет места преимущественного зарождения трещин по центру сварного шва, линии сплавления и карбидной сетке в зоне термического влияния. Особенно неблагоприятна многопроходная сварка, при которой увеличение продолжительности пребывания металла в температурном интервале выпадения карбидов и интерметаллидов приводит к росту размеров включений, повышению локального напряженного состояния и концентрации Н, облегчающих зарождение трещин. Предотвращение образования XT достигается при наличии в структуре свыше 20 % остаточного аустенита. Действие легирующих элементов обусловлено в основном влиянием двух факторов: изменения растворимости Н и содержания остаточного аустенита в металле шва. При мартенситной структуре повышение содержания Мо и Ni ухудшает, а Мn и Со увеличивает сопротивление холодным трещинам в соответствии с изменением растворимости Н. В то же время Ni и Мо могут играть положительную роль, если при легировании образуется остаточный аустенит.

Структурные и технологические дефекты сварных соединений

Низкий уровень содержания элементов-раскислителей (С, Si и Мn) в мартенситно-стареющих сталях обусловливает определенные трудности с предотвращением образования пористости, несплавлений и загрязненности неметаллическими включениями металла шва. Развитие указанных явлений в существенной мере зависит от содержания Аl и Ti, определяющих также и уровень прочности соединения. Типичное содержание Аl и Ti в сварочных проволоках вызывает неравномерное окисление легирующих элементов в зоне сварки и, как следствие, нестабильность состава и свойств металла шва. Окисление титана, кроме того, приводит при сварке малых толщин к образованию на поверхности металла шва местных утолщений в виде пленки окислов, а также криволинейной форме соединения вследствие повышенного эффекта блуждания дуги (перемещения анодного пятна на участок металла, свободного от шлаков).

Специфический дефект сварных швов—дендритный излом, сопровождаемый резким ухудшением ударной вязкости и усталостной прочности металла шва. В первую очередь этому способствует укрупнение размера зерна в металле шва с более высоким содержанием Ni при чрезвычайной устойчивости возникшей крупнозернистой структуры к различного вида термической обработке (структурная наследственность). Другая причина связана с высокой химической неоднородностью распределения элементов, в частности Ti и Мо, способствующих неравномерному распаду твердого раствора при старении с образованием скоплений грубых частиц по границам крупнозернистого металла. Обычно применяемая для предотвращения грубокристаллитной структуры металла шва регламентация 1,5—4 % δ-феррита, препятствующего прорастанию дендритов через несколько слоев, ограничена только группой нержавеющих мартенситно-стареющих сталей, где возможно добиться необходимого соотношения между феррито- и аустенитообразующими элементами.

Технология сварки и свойства сварных соединений

Способы сварки плавлением

Мартенситно-стареющие стали могут свариваться всеми видами сварки. Благодаря специфическому механизму упрочнения технология изготовления различных изделий из этих сталей отличается простотой и надежностью. Это связано как с возможностью сваривать без подогрева и последующего немедленного отпуска, так и обеспечить близкие к основному металлу свойства применением после сварки простой операции старения.

Наиболее распространенными способами сварки мартенситно-стареющих сталей являются ЭЛС и аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом: импульсная, с поперечными колебаниями электрода, со сканирующей дугой (для малых толщин) и в щелевую разделку (для больших толщин). Указанные способы сварки обеспечивают мелкозернистое строение металла шва, малый перегрев околошовной зоны и близкие к основному металлу механические свойства. Для устранения глубоко залегающих дефектов применяют вращающийся неплавящийся электрод при осевой подаче присадочной проволоки. Используемые присадочные проволоки обычно имеют близкий к основному металлу состав (табл. 20.2). Для компенсации потерь упрочняющих элементов при выгорании их содержание может быть увеличено по сравнению со свариваемой сталью.

К достаточно распространенным способам дуговой сварки следует отнести ручную штучными электродами с покрытием и автоматическую под слоем флюса. Имеется ряд работ о возможности получения качественных сварных соединений при использовании самозащитной порошковой проволоки или сварке в углекислом газе.

Весьма перспективно применение лазерной сварки, позволяющей получить соединения с большей стойкостью против коррозионного растрескивания, чем при ЭЛС и АДС.

Способы сварки давлением

Контактная стыковая сварка сопротивлением весьма подходит для соединения мартенситно-стареющих сталей. Этот способ с успехом применяется, когда необходимо получить более или менее одинаковые сварные детали, и он очень удобен при проведении предварительных опытов по нахождению оптимальных условий сварки.

Наиболее широко распространена контактная точечная сварка. Сравнительно мягкий и пластичный мартенсит предотвращает преждевременное разрушение по присущему этому типу соединений концентратору напряжений, что наблюдается при сварке обычной высокопрочной стали.

Для изготовления единичных деталей применяется диффузионная сварка и сварка взрывом. Для определенных деталей перспективна сварка трением.

Меры предотвращения дефектов

Для предотвращения пористости при сварке все материалы и агрегаты должны быть скрупулезно чистыми. Детали, изготовленные резанием с использованием СОЖ, необходимо обезжирить, а затем промыть горячей водой для удаления натрийсодержащих веществ на свариваемых кромках, вызывающих пористость и интенсивное разбрызгивание. Для снижения концентрации растворенных элементов и получения более гладкого сварного шва кромки листа должны быть по возможности скошены.

Особое внимание следует уделять закреплению и установке свариваемого изделия в приспособлении. При некачественной подгонке сварочных стыков, когда зазоры в корневой части составляют около 1,6 мм, предотвращение горячих трещин представляет серьезную проблему. Особо подвержены растрескиванию при кристаллизации угловые швы, поскольку проплавление более тонкой пластины увеличивает ширину зазора между сварочными кромками, тем самым задерживая кристаллизацию центральной части шва. Сопротивляемость горячим трещинам можно повысить увеличением коэффициента формы шва, что достигается переходом от однопроходной к двухпроходной сварке, увеличением угла разделки кромок и изменением состава защитного газа. Сварка на пониженных токах также способствует устранению трещин вследствие перехода от швов с вогнутой формой к выпуклой.

Для предупреждения формирования по высоте сварного шва осевого столба кристаллитов и возникновения древовидного излома при многопроходной сварке следует стремиться к щелевой разделке кромок. Целесообразно также менять от слоя к слою направление сварки, что дезориентирует структуру металла шва, снижая чувствительность к горячим трещинам и образованию дендритного излома. Этим же целям служит и сварка на оптимальных скоростях, приводящая к смене ячеистой на дендритную структуру металла шва.

Для предотвращения холодных трещин следует ограничивать содержание Н в соединении менее 0,5—0,8 см 3 /100 г. Это достигают как проведением обезводороживающего отжига основного металла и сварочной проволоки, так и отпуска или старения после сварки в интервале 300—540 °С. Следует тщательно контролировать проведение многопроходной сварки, добиваясь отсутствия мартенситного превращения в нижележащих слоях перед выполнением последующих слоев (сварка с предварительным и сопутствующим подогревом, регулирование термического цикла сварки и др.). Это уменьшает уровень максимальных напряжений I и II рода и предотвращает карбидные выделения в корне шва, являющиеся местами аккумуляции водорода и зарождения холодных трещин.

Для гомогенизации и измельчения структуры металла шва перед окончательной термообработкой целесообразно проводить нормализацию с температур 1000—1050 °С. Это позволяет получать соединения с близкими к основному металлу пластическими и вязкими свойствами.

Механические свойства сварных соединений

Проведение после сварки упрочняющей термообработки делает сварное соединение равнопрочным основному металлу в случае идентичности химического состава. Однако небольшое снижение пластичности и вязкости металла шва может определить возникновение хрупкого разрушения, когда в условиях высокопрочного состояния уровень данных показателей для основного металла близок к минимально допустимым. Поэтому уровень прочности металла шва обычно не стремятся повысить сверх σ_в-1700 МПа. В тех случаях, когда для обеспечения работоспособности конструкции важна ударная вязкость, применяют сварку без последующей термообработки. При этом предел прочности соединений близок σ_в-1000 МПа при KCU = 1 МДж/м 2 . При многослойной сварке применяют подогрев, предотвращающий охлаждение наплавленных слоев ниже температур γ—α-превращения с явлением подстаривания. В противном случае старение мартенсита нижних слоев сопровождается возрастанием прочности и твердости и снижением вязкости металла шва. При этом достигается комплекс механических свойств, промежуточный между свойствами закаленного и термоупрочненного состояния. Для ряда мартенситно-стареющих сталей повышения надежности сварных соединений достигают отказом от проведения старения после сварки или применяют подстаривание при более низкой температуре (~350 °С) для ограничения уровня прочности металла шва и околошовной зоны.

Служебные свойства сварных соединений

Температура эксплуатации мартенситно-стареющих сталей не превосходит 400 °С в связи с явлениями старения и перестаривания. Высокая хладностойкость позволяет успешно эксплуатировать сварные изделия до температур -70--100 °С, а из отдельных марок стали и при криогенных температурах. Важнейшее свойство сварных изделий — высокая несущая способность при приложении статических нагрузок, в том числе и при наличии концентраторов напряжений. Это не касается конструкций, работающих в условиях вибрационных нагрузок, где преимуществ по сравнению с высокопрочными низколегированными сталями не наблюдалось. При σ_0.2≥1400 МПа в ряде случаев отмечалось ускоренное развитие трещин в сварных соединениях. Другим перспективным направлением использования мартенситно-стареющих сталей является износостойкая наплавка.

Технология сварки аустенитно-мартенситных сталей

Состав, структура и назначение сталей

К аустенитно-мартенситному классу в соответствии с ГОСТ 5632—72 относятся стали, имеющие структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменить в широких пределах К этому классу относятся стали, химический состав которых выбран с соотношением легирующих элементов, обеспечивающих начало мартенситного превращения при 20—60 °С. Представители этого класса сталей приведены в табл 19 1, 19 2.

Стали аустенитно-мартеиситного (переходного) класса, лежащего между мартенситным и аустенитным, в зависимости от термической обработки имеют структуру н обладают свойствами, близкими к свойствам сталей аустенитного или мартенситного классов.

После закалки с температуры, достаточной для растворения карбидов, структура сталей переходного класса в основном аустенитная, хотя в зависимости от марки стали и условий, заданных при выплавке, сталь может содержать некоторое количество мартенсита Однако этот аустенит неустойчив и при охлаждении до отрицательных температур (рис 19 1) либо пластической деформации при температурах γ→α сравнительно легко превращается в мартенсит, причем полнота мартенситного превращения в последнем случае зависит от температуры деформации Деформация аустенита при температуре 100—200 o С замедляет мартенситное превращение практически до нуля Структурное состояние определяет механические характеристики сталей (табл 19 3).

Указанные стали рекомендуются к применению как высокопрочные стали для изделий, работающих в атмосферных условиях, уксуснокислых и других солевых средах, а также для упругих элементов Учитывая высокую пластичность и вязкость металла после закалки, из сталей целесообразно изготовлять детали посредством глубокой штамповки с последующим упрочнением отпуском Значительное количество остаточного аустенита при соответствующих режимах термообработки обеспечивает высокую пластичность и ударную вязкость сталей при отрицательных температурах и позволяет рекомендовать стали для изделий криогенной техники, работающих до температур —196 °С. В этом случае для обеспечения высокой надежности в эксплуатации стали не следует подвергать старению.

Структура, свойства металла шва и зоны термического влияния

После сварки сталей, прошедших полный цикл упрочняющей термообработки и имеющих благодаря этому мартенситную структуру, наблюдается широкая зона, имеющая после высокотемпературного нагрева структуру аустенита. Ширина зоны определяется температурой обратного мартенситного превращения металла (Ас₁—Ас₃) (650—750 °С). Одновременно в интервале температур 550—900 °С происходит интенсивное выделение карбидов (рис 19 2), особенно по границам аустенитных зерен. Кроме того, в узкой зоне, примыкающей к поверхности сплавления, наблюдается образование некоторого количества δ-феррита Структурные превращения в зоне термического влияния приводят к снижению пластичности и ударной вязкости металла, а также его чувствительности к концентраторам напряжений (рис. 19.3). Кроме того, эти превращения снижают коррозионную стойкость и стойкость против межкристаллитной коррозии ЗТВ.

Хрупкость сварных соединений

Обратное мартенситное превращение в ЗТВ и ограниченный объем последующего мартенситного превращения при охлаждении до комнатной температуры исключает при сварке сталей этого класса образование холодных трещин. Вместе с тем интенсивное выделение карбидов, и особенно образование δ-феррита, приводят к хрупкому разрушению сварных соединений в зонах структурных изменений, особенно при понижении температуры до —196 °С. Последнее объясняется резким снижением пластичности δ-феррита. В этом случае полная термообработка (закалка, обработка холодом, отпуск) позволяет получить оптимальные соотношения аустенита и мартенсита, а также отсутствие δ-феррита. При этом восстанавливается вязкость зоны сплавления при сохранении прочностных характеристик сварного соединения на уровне 0,9 σ_в основного металла в случае выполнения сварки материалами мартенситного либо аустенитно-мартенситного класса.

Технология сварки и свойства соединений

Выбор сварочных материалов

Соединения стали аустенитно-мартенситного класса целесообразно выполнять аргонодуговой сваркой без присадки (тонколистовые детали) либо с присадкой перечисленными ниже материалами, а также контактной точечной и роликовой сваркой и электронно-лучевой сваркой.

Выбор присадочного материала осуществляют, исходя из требований прочности сварного соединения. В случае отсутствия требований высокой прочности к швам в качестве присадочной можно рекомендовать аустенитную проволоку Св-01X19Н18Г10АМ4 (ТУ 14-1-1892—71) либо Св-08Х21Н10Г6 (ГОСТ 2246—70), обладающих хорошей стойкостью против образования горячих трещин и высокой прочностью и пластичностью в широком интервале температур, в том числе отрицательных (до —196 °С).

При наличии требований высокой прочности сварных соединений рекомендуется к применению аустенитно-мартенситные проволоки Св-07Х16Н6, Св-08Х17Н5МЗ, Св-09Х15Н9Ю (ТУ 14-1-997—74), Св-01Х12Н11М2ТС (ТУ 14-1-3482—82).

Механические свойства сварных соединений, полученных с применением некоторых из указанных сварочных материалов, приведены в табл. 19.4.

Прочность сварных соединений, сваренных аустенитной присадочной проволокой, выше прочности самой присадки. Это объясняется стеснением деформации металла шва из-за более высокой прочности основного металла. Такой эффект по мере увеличения ширины шва и зоны с аустенитной структурой уменьшается.

Выбор режимов сварки

Режим сварки выбирают, исходя из способа сварки, толщины свариваемого материала, диаметра сварочной проволоки и других параметров.

Приведенные режимы сварки (табл. 19.5) могут быть скорректированы в зависимости от типа соединения, наличия разделки кромок, качества сборки, наличия либо отсутствия подкладки, положения шва в пространстве и т. д.

Выбор послесварочной термообработки

Влияние термического цикла сварки приводит к структурным изменениям, приводящим к охрупчиванию металла ЗТВ сталей, а также снижению их коррозионной стойкости и стойкости против межкристаллитной коррозии. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций, к которым предъявляются требования высокой прочности, вязкости и коррозионной стойкости сварных соединений, целесообразно предусмотреть полный цикл термообработки, включающий закалку, обработку холодом и отпуск. Режим термообработки в этом случае выбирают аналогичным термообработке основного металла (см, табл. 19.2).

В случае выполнения сварки крупногабаритных изделий, исключающих возможность закалки, следует сварное соединение подвергнуть обработке холодом и последующему отпуску. При этом несколько повышается ударная вязкость сварного соединения.

Коррозионная стойкость соединений

Стали аустенитно-мартенситного класса имеют после закалки с температур, достаточных для растворения карбидов, высокую коррозионную стойкость, определяемую прежде всего высоким содержанием хрома. Сварные соединения имеют равную коррозионную стойкость с основным металлом.

Мартенситное превращение при обработке холодом сталей, прошедших закалку, не влияет на коррозионную стойкость и способность сталей к пассивации.

Низкотемпературный отпуск и старение после обработки холодом также не вызывают каких-либо изменений общей коррозионной стойкости.

Стали аустенитно-мартенситного класса 09X15Н8Ю, 07X16Н6, 08XI7H5M3 в соответствии с требованиями ГОСТ 6032—84 после полного цикла термообработки стойки также против межкристаллитной коррозии. Вместе с тем при нагреве выше 500 °С наблюдается интенсивное падение стойкости против межкристаллитной коррозии в связи с выделением по границам бывших аустенитных зерен карбидов, богатых хромом.

Холодная пластическая деформация сталей аустенитно-мартенситного класса, при которой образуется до 75 % мартенсита, не уменьшает склонность стали к общей и межкристаллитной коррозии. Таким образом, нержавеющие стали рассматриваемого класса и их сварные соединения во многих случаях имеют хорошее сочетание высокой прочности и коррозионной стойкости в агрессивных средах (табл. 19.6).

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, аустенитные), 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. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Класс сталей и сварочных материалов

Характеристика сталей

Марки (примеры)

Перлитные и бейнитные

09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА

30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ

Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)

12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169

Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные

12 %-ные хромистые, жаростойкие

08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2

12 %-ные хромистые, жаропрочные

Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе

Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные

Жаропрочные никелевые сплавы

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 нагрузка и т.п.).

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

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 аустенитности 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);

- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), 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 аустенитным 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. 2).

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. 3), также снижающей температуру ванны.

Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)

Композиция наплавленного металла

Предельная температура эксплуатации, °С

Термическая обработка

VI – VIII + XI – XIII

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. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной 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 среднеуглеродистой 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 термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-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.

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи 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 ?-Fe (2 . 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных 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 для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.

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. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.

Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными

Технология сварки высоколегированных аустенитных сталей и сплавов

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединениях необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне (рис. 1). В результате одинаковые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегированных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопротивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне горячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

1) Ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) 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. 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, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) Получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаростойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 . 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значительному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует повышенного их легирования ферритообразующими элементами, что приведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду появления хрупких эвтектик, а иногда и ?-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мелкодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество феррита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть повышено до 15 . 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому 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.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низкокремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электродов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, 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;

3) Применением технологических приемов, направленных на изменение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 2). При механизированных способах сварки тонкими электродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горячим трещинам;

4) Уменьшением силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепления свариваемых кромок. Снижение его действия достигается ограничением силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги. Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегированных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяемые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростойких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигается термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050 . 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стабилизирующим отпуском при температуре 750 . 800 °С. При невозможности термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350 . 400 °С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости 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 МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей погонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю очередь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах - после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и создания в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно легируют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кислороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислительную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), выгорает в количестве 70 . 90 %. 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 соответствовать соотношению Ti/C > 5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно соответствовать Nb/C > 10. Однако он может вызвать появление в швах горячих трещин.

Газовая сварка обеспечивает большую зону разогрева, значительный перегрев расплавленного металла и замедленное охлаждение. При этом происходит значительный угар легирующих элементов. Она наименее благоприятна для сварки этих особенно кислотостойких сталей, в которых может развиваться значительная межкристаллитная коррозия. Газовая сварка может использоваться для сварки жаропрочных и жаростойких сталей толщиной 1 . 2 мм. Сварка ведется нормальным пламенем с мощностью пламени 70 . 75 л/ч на 1 мм толщины. Процесс следует вести с возможно большей скоростью левым способом, мундштук держать под углом 45° к поверхности. В сварных соединениях образуются большие коробления.

Ручная дуговая сварка это высокоманевренный способ. При сварке высоколегированных сталей сварочные проволоки одной по ГОСТу марки имеют достаточно широкий допуск по химическому составу. Различие типов сварных соединений, пространственного положения сварки и т.п. способствует изменению глубины проплавления основного металла, а также изменению химического состава металла шва. Все это заставляет корректировать состав покрытия с целью обеспечения необходимого содержания в шве феррита и предупреждения, таким образом, образования в шве горячих трещин. Этим же достигаются и необходимая жаропрочность и коррозионная стойкость швов.

Применением электродов с фтористокальциевым покрытием, уменьшающим угар легирующих элементов, достигается получение металла шва с необходимым химическим составом и структурами. Уменьшению угара легирующих элементов способствует и поддержание короткой дуги без поперечных колебаний электрода. Это снижает вероятность появления дефектов на поверхности основного металла в результате попадания на него брызг.

Тип покрытия электрода диктует необходимость применения постоянного тока обратной полярности (при переменном или постоянном токе прямой полярности дуга неустойчива). Тщательная прокалка электродов, режим которой определяется их маркой, способствует уменьшению вероятности образования в швах пор и вызываемых водородом трещин. Некоторые данные о режимах и выборе электродов для ручной дуговой сварки приведены в табл. 1 и 2, а о свойствах сварных соединений - в табл. 3 и на рис. 3.

Табл. 1 Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки аустенитных сталей

Читайте также: