Борьба с горячими трещинами

Прочие методы борьбы с холодными трещинами

Предварительная наплавка кромок

Сущность способа состоит в том, что перед сваркой на кромки на­плавляют слой аустенитного или ферритного металла. Способ позволяет предупредить образование околошовных трещин типа отколов вследствие благоприятного напряженного состояния на границе раздела металла шва - основной металл. При сварке шва наплавленная околошовная зона может подвергаться отпуску, что также уменьшает опасность образова­ния трещин.

Применение наплавки кромок позволяет осуществить полную термо­обработку деталей с наплавленными кромками и полностью устранить неблагоприятные структурные изменения в околошовной зоне даже в том случае, когда термообработка после сварки невозможна или затруднена.

Наплавка кромок металлом того же состава, что и основной металл, или переплав кромок неплавящимся электродом также значительно повышают стойкость соединении против образования отколов. В этом слу­чае положительное влияние наплавки обусловлено мелко дисперсным распределением в переплавленном металле неметаллических включений и благоприятным изменением их формы и химического состава. Предва­рительная наплавка кромок является весьма трудоемким и дорогим способом предупреждения трещин и поэтому редко применяется.

а). Проковка сварных соединения с помощью пневматических устройств и обработка их ультразвуком сразу же после сварки, что позволяет
в сварных соединениях ослаблять пиковые значения напряжений 1-го и 2-го родов.

б). Понижение температуры сварных соединений ниже 0°С сразу же
после их остывания до комнатной температуры (замораживание следует
связывать с повышением сопротивляемости закаленного металла локальным пластическим деформациям, ответственным за зарождение и разви­тие трещин. Следует, однако, иметь в виду, что после размораживания
трещины снова образуются даже с большей интенсивностью, чем до замораживания. Указанный способ целесообразно применять лишь в неко­торых специфических условиях, например, для консервации мелких
сварных деталей до термообработки.

в). Предупреждение увлажнения сварных соединений после окончания сварки. Под влиянием влага микродефекты шва и особенно околошовной зоны становятся очагами зарождения и развития холодных трещин.

Рассмотренные способы предупреждения образования холодных трещин чаще всего применяет совместно.

а). Применение сварочных материалов с низким содержанием углерода, никеля и кремния.

б). Легирование металла шва элементами, повышающими стойкость против образования кристаллизационных трещин (марганцем, хромом, титаном).

в). Применение режимов сварки, обеспечивающих высокое значение
коэффициента формы шва, избегать узкой и глубокой разделки кромок.

г). Применение предварительного подогрева.

2.ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

2.1. Особенности сварки конструкций, подвергающихся полной термообработке

Следует иметь ввиду, что сварные соединения из среднелегированных сталей подвергают полной термообработке (закалке с последу­ющим отпуском) во всех случаях изготовления ответственных и тяжелонагруженных конструкций, когда это возможно. Последующую полную термообработку производят, если позволяют габаритные размеры кон­струкций и обеспечиваются условия предупреждения деформаций при термообработке.

После полной термообработки сварное соединение, как правило, становится равноценным основному металлу по всему комплексу физико-химических свойств при условии, что химический состав металла шва и свариваемой стали был одинаков. В ряде случаев при одинаковом с основным металлом химическом составе и термообработке металл шва может иметь механические свойства, превышающие свойства основ­ного металла. Это обусловлено более благоприятной структурой пер­вичной кристаллизации и большей химической однородностью металла шва. Может быть и наоборот. Ухудшение свойств обычно происходит вследствие повышения в металле шва содержания газов, серы и фосфо­ра, образования микродефектов, неполного устранения химической неоднородности и столбчатой структуры при термообработке, проводи­мой на режиме, принятом для основного металла.

В связи с этим сварку следует производить плавящимся электро­дом того же состава, что и основной металл, или же неплавящимся электродом, ограничивать угар легирующих элементов и предупреждать загрязнение металла шва газами и вредными примесями, модифициро­вать металл шва титаном, алюминием.

В том случае, если состав металла склонен к образованию кристаллизационных трещин, состав металла шва должен быть другим, чем ос­новной металл (с меньшим содержанием кремния, углерода, никеля). Для сохранения механических свойств увеличивают содержание других легирующих элементов.

В сварных соединениях, подвергающихся полной термообработке, можно меньше считаться с влиянием первичной структуры на свойства металла шва, чем в соединениях, не подвергающихся термообработке. Грубозернистая структура участка перегрева ОШЗ при термообработ­ке практически полностью устраняется. Это позволяет применять для сварки термообрабатываемых конструкций высокопроизводительные режимы и методы сварки, при использовании которых в сварных соедине­ниях непосредственно после сварки может образоваться грубокристаллическая структура. К таким методам относится электрошлаковая сварка и сварка под флюсом при большой погонной энергии.

Термообработка сварных соединений обычно производится по режимам, установленным для свариваемой стали. Во всех случаях, когда металл шва отличается по химическому составу от основного металла, необходимо проверять соответствие этих режимов конкретным сварным соединениям и в случае необходимости корректировать.

2.2. Сварные соединения, не подвергающееся термообработке после сварки.

При соответствующем выборе режима сварки и присадочных мате­риалов можно сварное соединение получить равнопрочное основному металлу при σ_вр= 100 кгс/мм². При этом пластичность и вязкость остаются достаточно высокими. Столь высокие свойства достигаются при условии улучшения не только первичной, но и вторичной структуры металла шва и предупреждения перегрева и разупрочнения в процессе сварки околошовной зоны.

Получение заданных свойств связано обычно со снижением производительности. Для повышения производительности при многослойной сварке соединений, не подвергающихся последующей термообработке, следует рекомендовать многодуговую сварку раздвинутыми дугами. При этом наряду с повышением производительности и сохранением всех преимуществ многослойной сварки в отношении качества металла шва достигается высокая стойкость сварных соединений против отколов.

При сварке особо ответственных конструкций, не подвергающихся последующей термообработке, в тех случаях, когда равнопрочность не является обязательным условием, используют сварочную проволоку с высоким содержанием легирующих элементов, обеспечивающих получение металла шва с аустенитной структурой с временным сопротивлением до 55 кгс/мм² отличающейся высокой пластичностью и вязкостью даже при грубой литой структуре. Такой шов не теряет пластических свойств при низких температурах, и ударных нагрузках. Он обладает высокой стойкостью против образования трещин в околошовной зоне. Сварные швы с аустенитной структурой применяют в самых ответственных кон­струкциях.

К недостаткам сварки среднелегированных сталей аустенитной сварочной проволокой кроме пониженной прочности металла шва следует отнести высокую стоимость проволоки и возможность возникновения отрывов по зоне сплавления.

2.3. Сварные соединения, подвергающиеся после сварки только высокому отпуску

В случаях, если нельзя применить закалку конструкции или со­единения после сварки, например, из-за опасности деформации, но не­обходимо несколько повысить механические свойства металла шва и околошовной зоны и снять сварочные напряжения, прибегают к высокому или низкому отпуску сварных конструкций. Высокий отпуск (нагрев до температуры 600-650°С) более эффективен, чем низкий, так как обеспечивает полное снятие сварочных напряжений и устраняет за­калку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность металла несколько понижается, а пластичность и ударная вязкость существенно повышается. Отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и, следовательно, не может устранить ни столбчатой структура, ни явлений перегрева в околошовной зоне. Поэтому необходимо применять те же технологические меры по измельчению первичной структуры и вторичной, что и в случае сварки без термообработки.

Улучшение пластичности и вязкости металла шва в результате от­пуска допускает его значительно большее легирование по сравнению со швами, не подвергающимися термообработке. Если же подвергать отпуску соединения, не повышая легирования металла шва, то прочностные и вязкие свойства его могут заметно понизиться.

2.4. Дуговая сварка покрытыми электродами

Особенности сварки РДС среднелегированных сталей: использование низководородистых электродов с фтористо-кальциевым покрытием, при­менение постоянного тока обратной полярности, выполнение швов боль­шого сечения каскадным и блочным методами.

Аустенитными электродами обычно сваривают без подогрева (предварительного), но при этом регламентируется время с момента окончания сварки до проведения термообработки изделия. Если сваривают средне-легированные стали с невысоким содержанием углерода (0,12-0,17%), то последующую термообработку проводят в исключительно редких слу­чаях. Разделку заполняют каскадом или горкой.

Если термообработка последующая невозможна, то используют предварительную наплавку на кромке аустенитного либо перлитного слоя, толщина которого обеспечит при сварке отпуск ОШЗ.

Для сварки среднелегированных сталей используют электроды типов ЭА1Г6, ЭА2Г6, ЭАЗМ6 по ГОСТ 10052-75. Режимы дуговой сварки среднелегированных сталей покрытыми электродами подбирают в зави­симости от типа стержня. При ферритном стержне они не отличаются от режимов применяемых при сварке низкоуглеродистых сталей, при аустенитном - от режимов сварки аустенитных сталей.

Сварка под флюсом

Сварка под флюсом подучила широкое применение для сварки среднелегированных сталей. Особенности - использование постоянного тока обратной полярности, предварительной подогрев или разогрев области шва при наложении многослойного шва, сварку первого слоя по при­садочной проволоке и при увеличенном угле разделки кромок. Флюсы в основном низкокремнистые с небольшим содержанием окислов (типа АН-15, АН-15М, АН-20) - сварка на постоянном токе - обеспечивают высокую ударную вязкость и высокую прочность при соответствующем выборе сварочной проволоки. Эти флюсы обеспечивают низкое содержа­ние фосфора и неметаллических включений.

Состав проволоки и флюсов выбирается в зависимости от требова­ний, предъявляемых к сварному соединению.

Сварка в среде защитных газов

При сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными) используют низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколеги­рованные проволоки типа Св 10ХГСН2МТ, Св 0ЗХГНЗМД, Св 0Х20Н9Г7Т, Св Х21Н10Г6.

Сварку в аргоне производят неплавящимся и в меньшей мере плавя­щимся электродом, в основном для изготовления ответственных конструкций с σ_вр= 150 кгс/мм².

К технологическим особенностям сварки среднелегированных ста­лей в защитных гагах следует отнести тщательную осушку газа с целью

предельного снижения содержания водорода в металле шва, а также использование режимов сварки, обеспечивающих пониженные скорости остывания сварных соединений.

Для увеличения показателей прочности металла шва, а также сни­жения влияния процессов разупрочнения на агрегатную прочность свар­ного соединения применяют щелевую разделку (стыковое бесскосное соединение с относительно узким зазором) позволяющую получать сварное соединения с узкой "мягкой" прослойкой, применяют автомати­ческую аргонодуговую сварку с поперечными перемещениями неплавящегося электрода. Сварка как правило идет в два слоя. При первом слое, выполненном без поперечных перемещений электрода, обеспечивается полное проплавление свариваемых кромок. При сварке второго слоя электроду придают низкочастотные поперечные колебания (3-6 колебаний в секунду). Сварку осуществляют по присадочной проволоке, подающейся в зону дуги.

Поперечные колебания (при определенных режимах сварки) обеспе­чивают: улучшение формирования шва - плавный переход к основному металлу; ослабляется столбчатая ориентация структуры металла шва; ослабляется перегревов ОШЗ (за счет пульсации температуры уменьшается время пребывания металла ОШЗ при температурах 1000°) дробление и измельчение кристаллитов.

Для увеличения глубины проплавления при аргонодуговой сварке на свариваемые кромки наносят тонкий слой специального активирующе­го флюса -пасты (на основе фторидов и окислов), способствующих повышению концентрации сварочного нагрева (уменьшают диаметр столба дуги).

Электрошлаковая сварка

Сварные соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных сталей, подвергающиеся последующей термообработке, наибо­лее целесообразно выполнять электрошлаковой сваркой. Наряду с высокой производительностью и экономичностью работ при этом

Лекции

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Стали с содержанием легирующих элементов > 10% относят к высоколегированным сталям. По системе легирования высоколегированные стали делят на хромистые хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемарганцевые, хромомаргацеазотистые.

Главными легирующими элементами являются хром и никель. Они определяют основные свойства и структуру высоколегированных сталей и сплавов.

Стали и сплавы с содержанием хрома более 12% являются нержавеющими. В качестве легирующих элементов применяют также C, Si, W, Mo, Nb, ванадий, титан, алюминий, бор, которые сообщают высоколегированным сталям и сплавам особые свойства – прочность, жаропрочность, жаростойкость, стойкость против некоторых видов коррозии.

Высоколегированные стали применяются широко в химической и нефтехимической промышленности, в авиационной, ракетной и атомной технике, в энергетике, судостроении, медицине, для производства термических и обжиговых печей пищевой аппаратуры, для украшений и скульптур.

В зависимости от структуры высоколегированные стали делят на следующие классы:

мартенситные – 2Х13, 1Х13Н3, 4Х10С2М и др.

мартенситно-ферритные – 1Х12В2МФ, 1Х13, 1Х13Н и др.

ферритные – ОХ13, Х14, Х17, ОХ17Т.

Эти стали носят названия высокохромистых сталей.

аустенитно-мартенситные – Х16Н3, Х17Н7Ю

аустенитно-ферритные – ОХ20Н14СЧ

аустенитные – ОООХ18Н10, ООХ18Н10, ОХ18Н10, ОХ18Н10Т, Х18Н10Т, Х16Н9ИЧ, Х25Н20СЧ, ООХ23Н28М3Д3Т.

Подразделение сталей на классы по видам структуры является условным (по основной структуре).

До недавнего времени ферритные и мартенситные стали применяли в специальных сварочных конструкциях в несравненно меньших масштабах, чем аустенитные. Теперь в связи с необходимостью экономии никеля разработано и эксплуатируется большое количество безникелевых и с ограниченным содержанием никеля сталей этих классов. Широко применяют также аустенитную сталь, в которой никель частично или полностью заменен марганцем и азотом.

Рассмотрим сварку хромистых сталей

Хром придает сплавам с железом следующие свойства. При содержании Cr в стали ≥ 12% возникающая при окислении поверхностная пленка приводит к пассивации этой поверхности, сталь становится коррозионно-стойкой при относительно невысокой температуре. С повышением содержания хрома окалиностойкость возрастает. Возрастает стойкость и к агрессивным средам (азотной и фосфорной кислотам и др.).

Наличие хрома в сталях значительно снижает критические скорости охлаждения.

В соответствии с влиянием Cr и С на кристаллическую решетку по структуре при обычных температурах хромистые стали разделяют на мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные.

Средне и высоколегированные хромистые стали (до 12-13% Cr и С ≥ 0,05-0,06%), имеющие область аустенита при высоких температурах, после охлаждения даже с умеренными скоростями при комнатной температуре приобретают мартенситную структуру.

При более высокой концентрации хрома (>16% и С = 0,06%) сталь в процессе нагрева не будет целиком переходить в состояние аустенита, а будет иметь некоторое количество не превращенной ферритной фазы. Последующее ее охлаждение приведет к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры, причем увеличение содержания хрома в стали (при С=const) способствует относительному увеличению ферритной составляющей в структуре.

Дальнейшее увеличение содержания хрома при малой концентрации углерода приведет к тому, что сталь при любых температурах сохранит ферритную структуру. Такая структура получается при любой скорости охлаждения.

Свариваемость хромистых сталей и свойства сварных соединений в значительной степени зависит от того, к какому классу относится свариваемый металл.

Ряд высокохромистых сталей в зависимости от режима термообработки и температуры эксплуатации могут изменять свои структуру и свойства, в основном приобретая хрупкость. Известны три вида охрупчивания металла высоколегированных швов: тепловая хрупкость, сигматизация и старение.

Тепловая (475ºС) хрупкость не сопровождается явными структурными изменениями. Она является своего рода старением, обусловленным, по видимому, выпадением субмикроскопических частиц на границах зерен твердого раствора. Явление тепловой хрупкости возникает в результате длительного нагрева при температурах 350-500ºС сталей с содержанием 15-70% Cr. Тепловому охрупчиванию способствует хром, ванадий, ниобий, кремний.

Сигматизация – появление в металле шва при длительной выдержке в интервале температур 550-875ºС хрупкой структурной составляющей – интерметаллида типа FeCr, известной под названием δ-фазы. Чаще всего δ-фаза образуется в аустенитно-ферритных и хромистых швах.

Падение пластичности швов и основного металла в результате старения происходит при длительной эксплуатации сварных соединений при повышенных температурах (500-750ºС). Оно сопровождается выделением по границам зерен вторичных карбидов и интерметаллидов.

Борьба с этими видами хрупкости: Исключить вредное влияние 475º-ной хрупкости и выпадение δ-фазы можно нагревом выше температуры их образования (соответственно 550ºС и 1100ºС) с последующим быстрым охлаждением; со старением – снижение содержания углерода и нагревом до температуры выше 900ºС, при которой происходит распад вторичных карбидов и интерметаллидов.

Сварка мартенситных и мартенситно-ферритных сталей

Стали мартенситного класса в условиях сварочного термического цикла в участках З.Т.В., а также металле шва (если химсостав его подобен основному металлу) закаливаются на мартенсит. Высокая твердость и низкая деформационная способность металла с мартенситной структурой в результате деформаций, сопровождающих сварку, а также длительного воздействия остаточных и структурных напряжений может привести к образованию холодных трещин. С увеличением размеров зерен склонность к трещинам возрастает. Такое же влияние оказывает и жесткость конструкции.

Радикальная мера предотвращения трещин – применение предварительного и сопутствующего сварке подогрева до 200-450ºС.

Предварительный подогрев не исключает мартенситное превращение в стали и сварное соединение характеризуется высокой твердостью и низкой вязкостью. Для улучшения структуры и свойств необходим высокий отпуск. Структура после отпуска – сорбит отпуска с небольшим количество феррита. Термообработку необходимо делать сразу же после сварки, либо после 10 час. выдержки при температуре 110-120ºС.

В тех случаях, когда термообработку (предварительную или сопутствующую) проводить сложно, для сварки применяются материалы, дающие металл шва с аустенитной, либо аустенитно-мартенситной структурой. Эти сварные соединения более работоспособны, чем швы, соответствующие по химсоставу основному металлу. Следует отметить, что при таких швах последующая термообработка по режиму, благоприятному для измененного сварочным термодеформационным циклом основного металла, как правило, ухудшает свойства металла шва и вызывает резкие перепады остаточных напряжений вблизи границы сплавления. Поэтому термообработку для таких сварных соединений обычно не применяют.

Благоприятное влияние на свойства сварных соединений оказывает модифицирование металла швов (например титаном), предупреждающее рост зерен и применение более жестких режимов (с меньшей погонной энергией), т.к. крупнозернистый металл швов и З.Т.В. склонен к образованию трещин больше, чем мелкозернистый.

Повышение жесткости свариваемых изделий увеличивает вероятность образования трещин, причем в большей степени тем, чем меньшей деформационной способностью обладает закаленный металл.

Свойства сварных соединений с точки зрения равнопрочности с основным металлом зависят не только от режима термообработки после сварки, но и от режима термообработки изделия перед сваркой. Так, если отпуск после закалки перед сваркой проводили при температурах ниже тех, которые используют при термообработке после сварки, то обычно в сварных соединениях обнаруживается наиболее слабая зона в нескольких миллиметрах от границы сплавления (до 4-5 мм), в которой при сварке достигались температуры наиболее разупрочняющего отпуска. Мартенситно-ферритные стали склонны к межкристаллитной коррозии (м.к.к.). особо высокую склонность к м.к.к. они приобретают после быстрого охлаждения с высоких температур. Для восстановления стойкости к м.к.к. возможно применение высокого отпуска, причем его температура и длительность для различных сталей различна.

Технология сварки

Высокохромистые стали мартенситного и мартенситно-ферритного класса могут свариваться всеми видами сварки плавлением – ручной дуговой сваркой покрытыми электродами, аргонодуговой сваркой, в СО₂ и под флюсом. Наибольшее распространение получила РДС покрытыми электродами.

При выборе вида сварки, сварочных материалов и режимов сварки высокохромистых сталей, особенно жаропрочных, необходимо учитывать, что даже небольшие отклонения в химическом составе металла швов (по ряду элементов в пределах десятых долей процента) могут приводить к значительному изменению их служебных свойств.

В связи с тем, что растворяющийся при сварке в расплавленном металле водород значительно усиливает склонность к образованию холодных трещин в хрупком металле швов и околошовной зоне, для ручной сварки высокохромистых сталей не следует применять электродные покрытия, содержащие в качестве газообразующих органические соединения. В этом случае используют электродные покрытия фтористокальциевого типа, при котором газовая защита сварочной ванны образуется за счет распада карбонатов покрытия (мрамора). Образующиеся высококальциевые шлаки благоприятны для удаления из сварочной ванны серы и фосфора. Компенсация окислительного воздействия газовой фазы (СО₂ и продуктов ее распада) осуществляется за счет раскислителей в металлическом стержне или в покрытии.

Для уменьшения возможного поглощения водорода при сварке электроды перед сваркой следует прокаливать при повышенных температурах (450-500ºС) длительностью 2 часа. Сварку выполняют постоянным током обратной полярности.

Сварка в среде защитных газов производится как в среде инертных газов (в основном ручная аргоно-дуговая сварка), так и в среде СО₂. с позиции металлургии наиболее благоприятна сварка в аргоне, где можно получать металл шва любого состава без потерь легирующих элементов. Однако вследствие низкой производительности этот способ применяется для сварки тонких материалов и выполнением корневого валика многослойных швов. При сварке в среде СО₂ окислительное действие газа приходится компенсировать за счет усиленного легирования присадочных материалов. Разработаны некоторые марки порошковых проволок.

Таблица

Электроды для сварки мартенситных и

мартенситно-ферритных сталей

Электроды марка	Марка проволоки	Назначение (для каких сталей)
УОНИ 13/1Х13	Св10Х13	12Х13, 20Х13
КТИ-9	Св10Х11МФН	15Х11МФ
КТИ-10	Св10Х11ВМФН	15Х12ВНМФ, Х11ЛБ, Х11ЛА
УЛ-32	Св10Х11ВМФН	13Х11В2МФ
ЭЛ-898/2/	Св08Х19Н10Б	14Х17Н2
АНВ-2	Св08Х18Н2ГТ	14Х17Н2

Проволоки, применяемые для сварки в среде СО₂:

Св08Х14ГНТ (Св10Х13), ПП-08Х14ГТ – для сталей 12Х13 и 20Х13;

Св15Х12НМВФВ, Св15Х12ПНМФБ – для стали 15Х11МФБ, Х11ЛА;

Св08Х18Н2ГТ – для стали 14Х17Н2.

При сварке под флюсом применяются, как правило, либо слабоокислительные флюсы типа АН-17 в комбинации со специальными проволоками типа 15Х12НМВФБ, либо безокислительные флюсы типа 48-ОФ-6. Кроме того, применяются флюсы

АН-30, АН-18, АН-10, АН-17 – безкремнистый флюс системы CaF₂ – Al₂O₃ – MnO;

48-ОФ-6 – фторидный безокислительный флюс системы CaF₂ – Al₂O₃ – СаО;

АН-30 – флюс системы CaF₂ – Al₂O₃ – MgO.

Используется постоянный ток обратной полярности (в случае применения безфтористых флюсов – прямая полярность). Следует иметь в виду, что сварке аустенитными проволоками, за счет пониженной ее теплопроводности и высокого электрического сопротивления при прочих равных условиях, она плавится быстрее, чем обычная низкоуглеродистая проволока. Поэтому для получения с хорошим формированием вылет электрода необходимо уменьшать в 1,5–2 раза в сравнении с низкоуглеродистой проволокой. Диаметр проволоки 2–3 мм (для уменьшения склонности к образованию кристаллизационных трещин).

Сварка высокохромистых ферритных сталей

К ферритным сталям относятся стали с 13% Cr с очень низким содержанием углерода, а также с 25–30% Cr. Общей характеристикой для этих сталей служит их склонность к росту зерна при высокотемпературной термообработке, в том числе и в результате сварочного нагрева в З.Т.В. и в металле шва (в случае одинакового со сталью состава). При крупном зерне такие стали теряют пластичность и вязкость при комнатной температуре и более низкой.

В целях максимального ограничения роста зерна при сварке предпочтительным методом с сосредоточенными источниками теплоты и малой погонной энергией.

В тех случаях, когда по условиям эксплуатации для сварных соединений допустима невысокая пластичность, для исключения возможности появления при сварке трещин, особенно при большей жесткости свариваемого изделии, применяют предварительный и сопутствующий подогрев при температурах 120-180ºС и последующую термообработку. В этом случае применяют присадочные материалы с получением такого же типа наплавленного металла, что и основной металл.

Для снижения хрупкости применяют также материалы, дающие состав металла шва, который при сварочных скоростях охлаждения позволяет получить не чисто ферритную структуру, а с некоторым содержанием мартенситной составляющей, либо аустенитно-ферритные швы.

Технология

Для сварки применяют РДС, под флюсом, в СО₂, порошковыми проволоками, в среде инертных газов. Состав присадочных материалов зависит от требуемого состава металла шва и окислительного потенциала защитной седы. Электроды – основное фтористо-кальциевое покрытие, сварка на постоянном токе обратной полярности.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

1. Общие сведения о сталях

К высоколегированным аустенитным сталям относятся стали, имеющие повышенное содержание хрома и никеля (обычно не ниже 16% и 7%). В никелевых сплавах никель служит основой, а железо – легирующей присадкой. Эти стали и сплавы обладают более высокими свойствами, чем высоколегированные хромистые стали – коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах при нормальной и повышенной температуре, жаропрочностью, жаростойкостью, хладностойкостью. В зависимости от требований и соответственно химического состава аустенитные высоколегированные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, жаропрочные, жаростойкие.

Коррозионно-стойкие стали характеризуются низким содержанием углерода (<0,12%), оказывающего определяющее влияние на стойкость к межкристаллитной коррозии. Эти стали стойки при нормальных и повышенных (до 800ºС) температурах в атмосферной, газовой средах, в чистых и водных растворах кислот и щелочей, жидкометаллических средах.

Жаропрочные сплавы – обладают повышенными механическими характеристиками (прочностью) при высоких температурах и способностью сохранять их длительное время. Для этого сталь помимо Ni и Cr легируется вольфрамом и молибденом (до 7% каждого), а также бором.

Жаростойкие сплавы – сплавы стойкие против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах до 1100-1150ºС. Обычно их используют для слабонагруженных деталей. Высокая окалиностойкость достигается легированием их алюминием (до 2,5%) и вольфрамом (до 7%). Эти легирующие элементы и кремний способствуют созданию на поверхности деталей прочных и плотных окислов, предохраняющих металл от непосредственного контакта с газовой средой.

После соответствующей термообработки высоколегированные стали и сплавы приобретают высокие прочностные и пластические свойства. В отличие от углеродистых при закалке эти стали приобретают повышенные пластические свойства.

Рассмотрим фазовые области системы Fe – Ni – Cr – C при содержании С = 0,05%. При очень медленном охлаждении и затвердевании из расплава вначале начинают выпадать кристаллы хромоникелевого феррита, имеющего решетку δ-железа, а по мере охлаждения – и кристаллы хромоникелевого аустенита, имеющего решетку γ-железа. После затвердевания всего расплава сталь имеет аустенитно-ферритную структуру. При дальнейшем охлаждении происходит превращение δ – γ, и сталь приобретает аустенитную структуру; углерод в аустенитно-ферритной и аустенитной стали при температурах выше 800ºС находится в твердом растворе в виде фаз внедрения. Медленное охлаждене стали ниже 800ºС приводит к выделению углерода из твердого раствора в виде химического соединения – карбидов хрома Cr₂₃C₆, располагающегося преимущественно по границам зерен; дальнейшее охлаждение ниже 500ºС (в зависимости от содержания С) способствует выпадению по границам зерен вторичного феррита, т.е. сталь с содержанием С = 0,05%, Ni = 18% и Cr = 8% будет иметь при комнатной температуре аустенитную структуру с вторичными карбидами и ферритом.

При быстром охлаждении (закалке) распад твердого раствора не успевает произойти, и аустенит фиксируется в пересыщенном и неустойчивом состоянии. При быстром охлаждении может фиксироваться и первичный δ-феррит.

Свариваемость аустенитных сталей

1. Общей сложностью сварки является предупреждение образования горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер, наблюдаемых в виде мельчайших надрывов и трещин. Образование горячих трещин наиболее характерно для крупнозернистой структуры металла шва, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя.

2. Образование холодных трещин в металле шва и ОШЗ при сварке высокопрочных сталей.

3. Обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений.

4. Получение и сохранение в процессе эксплуатации требуемых свойств сварных соединений.

5. Получение плотных швов.

Основные причины образования горячих трещин при сварке аустенитных сталей:

а) сильно развитая транскристаллитная направленная первичная структура;

б) увеличенная литейная усадка кристаллизующегося металла;

в) значительные растягивающие напряжения, действующие на сварочную ванну в процессе ее затвердевания (вследствие высокого коэффициента линейного расширения);

г) многокомпонентное легирование, усиливающее вероятность появления малых количеств легкоплавкой эвтектической составляющей на границах дендритов в момент завершения кристаллизации сварочной ванны.

Применяются следующие пути предотвращения горячих трещин в металле шва:

1. Получение швов, имеющих в структуре некоторое количество первичного δ-феррита. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного δ-феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т.е. уменьшению сечения столбчатых кристаллов и утонению межкристаллитных прослоек, разделенных участками первичного δ-феррита, т.е. создание в шве двухфазной структуры – аустенитно-ферритной.

Получение аустенитно-ферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами – хромом, кремнием, алюминием, молибденом и др. Однако повышение содержания феррита приводит к охрупчиванию стали за счет выпадения δ-фазы. Достаточное количество первичного δ-феррита – 2-3%.

2. Ограничение содержания вредных примесей – фосфора и серы, свинца, сурьмы, олова, висмута и ликвирующих примесей (кремний, титан, алюминий) в чисто-аустенитных швах, способствующих образованию легкоплавких эвтектик, располагающихся на завершающейся стадии кристаллизации по границам столбчатых кристаллов. Это достигается применением сварочных материалов, минимально засоренных вредными и ликвирующими примесями, а также ограничивается проплавление основного металла.

В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитно-ферритной структурой затруднено необходимостью легирования их повышенным количеством ферритизаторов, что снижает пластические свойства стали.

3. Создание в металле шва двухфазной аустенитно-карбидной или аустенитно-боридной структуры.

Чтобы металл шва приобрел двухфазное аустенитно-карбидное строение, его легируют углеродом (до 0,30%). Однако углерод снижает (причем резко) коррозионную стойкость металла. Поэтому к указанному средству повышения стойкости шва против образования кристаллизационных трещин при сварке нержавеющих сталей можно прибегать только при условии легирования их такими элементами, как ниобий, титан (карбидообразующие). На практике аустенитно-карбидные композиции нашли применение преимущественно при сварке жаропрочных и жаростойких сталей. При этом ограничивают содержание кремния, серы и фосфора.

Для создания аустенитно-боридных композиций достаточно легировать бором в количестве 0,2% (обычно 0,5–0,6%). Однако при содержании бора > 0,8–1% в швах и околошовной зоне возможно образование холодных трещин, устранение которых достигается предварительным и сопутствующим подогревом сварного соединения до температуры 250–550ºС. Бор в указанных концентрациях повышает прочность и жаропрочность аустенитных сталей и сварных швов при сохранении достаточно высокой и, что очень важно, стабильной во времени длительной пластичности.

4. Применение фтористо-кальциевых электродных покрытий и фторидных сварочных флюсов способствует измельчению структуры металла шва и повышению в результате этого его стойкости против образования кристаллизационных трещин.

5. Помимо перечисленных чисто металлургических средств находят применение некоторые технологические приемы повышения стойкости швов против образования кристаллизационных трещин. Эти приемы в основном рассчитаны на изменение формы шва и характера кристаллизации металла.

Особенность дуговой сварки высоколегированных сталей заключается в том, что в ряде случаев стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин падает с увеличением коэффициента формы шва. При электрошлаковой сварке пластинчатым электродом – наоборот.

При дуговой сварке тавровых соединений благоприятное влияние на предупреждение трещин оказывает увеличение зазора, т.к. узкий зазор играет роль острого надреза, инициирующего трещину.

Опыт показывает, что влияние предварительного и сопутствующего подогрева сварного соединения высоколегированных аустенитных сталей и сплавов не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на стойкость против образования кристаллизационных трещин. Более того, в ряде случаев он вреден вследствие увеличения провара и повышения в шве кремния, серы, фосфора, ниобия.

6. большое влияние на образование кристаллизационных трещин в высоколегированных швах оказывает режим сварки. Швы, выполненные тонкой проволокой, диаметром 1,2–2 мм на умеренных режимах при минимально возможных значениях погонной энергии сварки обладают повышенной стойкостью против образования кристаллизационных трещин.

При сварке плавлением высоколегированных сталей и сплавов возможно образование в околошовной зоне горячих, строчечных и локальных трещин. Горячие трещины появляются в результате частичного расплавления в околошовной зоне по границам зерен или кристаллитов легкоплавких прослоек эвтектического происхождения и воздействия на околошовную зону напряжений, возникающих в результате сварочного нагрева.

Строчечные околошовные трещины обусловлены повышенной загрязненностью сталей и сплавов неметаллическими включениями и, преимущественно, строчечным их залеганием. Трещины этого типа могут быть холодными и горячими.

Ряд чисто аустенитных сталей (особенно легированных ниобием и титаном с повышенным содержанием углерода) подвержены так называемым локальным разрушениям – это трещины в О.Ш.З. возникающие в процессе длительной эксплуатации изделий при температуре старения сталей (550–700ºС). Одной из причин их возникновения является снижение межзеренной пластичности аустенитной стали в результате воздействия сварочного нагрева.

Методы борьбы с горячими и строчечными трещинами – увеличение чистоты исходного материала (стали), применение электрошлакового переплава, проковка О.Ш.З., применение чистых относительно примесей (серы, фосфора, кремния) сварочных материалов, применение сталей с низким содержанием неметаллических включений.

Борьба с локальным разрушением – снижение содержания углерода, исключение из состава стали ниобия, повышения запаса пластичности.

Пути предотвращения холодных трещин

При сварке высокопрочных сталей в О.Ш.З. возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется их аустенизация для получения высоких пластических свойств металла, а после сварки – упрочняющая термообработка. Этим же целям служит предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 350–450ºС, подбор химического состава металла шва, снижения уровня остаточных напряжений, термообработка.

Обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений

В процессе сварки отдельные участки О.Ш.З. подвергаются нагреву до температур, могущих вызвать распад твердого раствора и выпадение карбидов. Выпадение комплексных карбидов хрома и железа влечет за собой обеднение хромом (ниже 10-12%) пограничных слоев зерен или кристаллитов твердого раствора и соответствующую потерю коррозионной стойкости.

Межкристаллитная коррозия может поражать также участки шва подвергавшиеся повторному воздействию сварочного нагрева, а именно места пересечения швов, места возобновления сварки после смены электродов, первый шов при двусторонней сварке. Этот вид коррозии может наблюдаться и на границе швов – основной металл в виде так называемой ножевой коррозии, охватывающей по ширине всего несколько зерен. Ножевая коррозия наблюдается преимущественно в сталях, стабилизированных титаном или ниобием.

Предупреждение склонности стали и швов к межкристаллитной коррозии достигается:

а) снижением содержания углерода до 0,03%;

б) легирование более энергичными, чем хром карбидообразующими элементами;

в) аустенизацией (закалкой) с температурой 1050–1100ºС;

г) стабилизирующим отжигом при температуре 850–900ºС в течение 2–3 час;

д) созданием аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20–25%.

Эти же меры способствуют и предупреждению ножевой коррозии. Наблюдается еще один вид коррозионного разрушения – коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллитное. Снижение уровня остаточных напряжений (сварочных) одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения. Помогает также увеличение содержания никеля (> 40%), создание двухфазной аустенитно-ферритной или аустенитно-боридной структуры, предупреждение коробления и наклепа.

Обеспечение стойкости металла шва против образования пор

Азот хорошо растворяется в высоколегированных сталях, поэтому пор в сварных швах не вызывает.

Основной причиной пор является водород, поступающий в сварочную ванну из флюса, электродного покрытия или защитного газа. Эффективное средство предупреждения пор – удаление влаги из флюсов, электродных покрытий и газов. Флюсы и электроды необходимо прокаливать непосредственно перед сваркой, а газ осушать в процессе сварки. Сварку производят фторидными флюсами и электродами с фтористо-кальцыевыми покрытиями на постоянном токе обратной полярности.

При сварке в аргоне некоторых аустенитных сталей возможно образование пор по границе оплавления. Добавка к аргону 2-5 % кислорода предупреждает образование пор.

Особенности технологии и техники сварки

Технология и техника сварки высоколегированных сталей и сплавов определяется требованиями, предъявленными к сварным соединениям.

РДСОсобенности - преимущественное применение электродов с фтористокальциевым покрытием, сварка на постоянном токе обратной полярности, сварка короткой дугой без поперечных колебаний конца электрода, сварка сравнительно короткими электродами на небольших токах. Марка электрода выбирается в зависимости от конкретных условий эксплуатации сварных соединений. Примеры марок электродов приведены в таблице. Режим сварки назначают с таким расчетом, чтобы отношение величины тока к диаметру электрода не превышало 25-30А/мм. Обязательна прокалка электродов при 230-400ºС в течение 1-1,5 час.

Таблица

Марка стали	Марка электрода	Тип электрода по ГОСТ 10052-75	Наплавленный металл, структура
Коррозионно-стойкие
08Х18Н10, 0818Н10Т, 08Х22Н6Г стойкие к м.к.к.	ЦЛ–11	Э04Х20Н9 Э07Х20Н9 Э08Х19Н10Г2Б	Аустенитно-ферритная с 2,5-7 % фазы
к металлу шва предъявление жестких требований против м.к.к.	ОЗЛ–7	Э02Х19Н9Б	Аустенитно-ферритная с 5-10% фазы
то же, работа при температурах 600ºС, стойкие к м.к.к.	Л–З8М	Э02Х19Н9Б	Аустенитно-ферритная с 3,0-5,0% фазы
Жаропрочные
12Х18Н9 0818Н12Т до 800ºС	ЦТ–26	ЭА-1М2 Э-08Х16Н8М2 Э-08Х17Н8М2	Аустенитно-ферритная с 2-4% феррита
10Х23Н18 выше 850ºС	ОЗЛ–4	Э10Х25Н13Г2	Аустенитно-ферритная с не менее 2,5% феррита
Жаростойкие
Х20Н14С2 ОХ20Н14С2 20Х25Н20С2 900-1100^0С	ОЗЛ	Э-12Х24Н14С2	Аустенитно-ферритная с 3-10% фазы
20Х25Н20С2 4Х18Н25С2 до 1050^0С жаростойкость и жаропрочность	ОЗЛ–9–1	Э28Х24Н16Г2	Аустенитно-карбидная

Сварка под флюсом

Это один из основных способов сварки высоколегированных сталей и сплавов дает более стабильные свойства и химсостав по всей длине шва. Уменьшается число кратеров. Швы гладкие (без чешуек) с плавным переходом к основному металлу. Такие швы отличаются более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со швами, выполненными вручную. Однако при сварке под флюсом некоторых марок жаропрочных сталей требование обеспечения в металле шва регламентированного количества ферритной фазы не всегда может быть достигнуто (колебание хим. состава проволоки, разделка разная, режимы и т.д.).

Отличительные особенности сварки под флюсом (в сравнении со сваркой низколегированных сталей):

1) уменьшение вылета электрода в 1,5–2 раза в виду повышенного электросопротивления.

2) Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим огрубления структуры сварка швами малого сечения малыми диаметрами проволоки (2-3 мм).

3) Снижается надежность работы правильных, подающих и токоподводящих устройств автоматов вследствие повышенной жесткости проволок.

При сварке используют безокислительные низко-кремнистные фторидные и высокоосновные флюсы. Остатки шлаков и флюсов необходимо тщательно удалять, так как они служат очагами коррозии.

Тип флюсов предопределяет преимущественное использование для сварки постоянного тока обратной полярности.

Таблица

Марки сварочных проволок для электродуговой сварки под флюсом и ЭШС

Марка стали	Марка проволоки ГОСТ 2246-70
Коррозионно-стойкие стали
1Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Г к металлу шва предъявляются требования стойкости к м.к.к.	Св01Х19Н9 Св04Х19Н9 Св06Х19Н9Г Св07Х18Н9ТЮ Св04Х19Н9С2 Св05Х19Н9Ф3С2
12Х18Н10Т, ОХ18Н10Т, 08Х18Н12Т, 08Х18Н12В работающие при температуре или в условиях, когда к металлу шва предъявляются требования стойкости к м.к.к.	Св07Х19Н10Б Св05Х20Н9ФБС
10Х17Н13М3Т, 08Х18Н12Б и подобные; к металлу шва предъявляются жесткие требования по стойкости к м.к.к.	Св08Х19Н10М3Б Св06Х20Н11М3ТБ
08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т – свариваемые в углекислом газе; к металлу шва предъявляются требования стойкости к м.к.к.	Св08Х25НВБТЮ
Жаропрочные стали
12Х18Н9 с аустенитно-ферритными швами 12Х18Н9Б, 08Х18Н12Т и др. с аустенитно-ферритными швами Х15Н35В4Т	Св04Х19Н19 Св08Х18Н8Г2Б Св06Х19Н10М3Т
Жаростойкие стали
20Х23Н13, 08Х20Н14С2 и подобные 20Х23Н18 и подобные, работающие при температуре 900–1100ºС	Св07Х25Н12Г2Т Св06Х25Н12ТЮ Св08Х25Н13БТЮ
ХН35ВЮ, 20Х25Н20С2 подобные, работающие при температурах до 1200ºС	Св08ХН50
А. в. электродуг. сварка аустенитно-ферритными швами – // – // – // – // – с небольшим запасом аустенитности аустенитно-ферритными швами – // – // – // – // – с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами А. в. электродуг. и электрошлак. стали с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами ЭШС с большим запасом аустенитности чисто аустенитными швами	АНФ1АНФ16, 48ОФ10 К–8 АН–26   АНФ5 ФЦК   48–ОФ–6 АНФ1, АНФ6, АНФ7 АН–29, АН–29С2

Электрошлаковая сварка

Применительно к высоко легированным сталям и сплавам особо ценные технологические свойства электрошлакового процесса – это возможность сварки без разделки кромок, повышение стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин и сравнительно небольшое коробление при сварке стыковых швов. Недостаток – чрезмерный перегрев металла в ОШЗ. Поэтому после сварки сварные соединения подвергают термообработке (закалка, стабилизирующий отжиг), иначе возникает ножевая коррозия.

Для электрошлаковой сварки используют в основном флюсы фторидные системы CaF₂ – CaO – Al₂O₃ , CaF₂ – CaO, CaF₂, CaF₂ – CaO – Al₂O₃ – MgO – SiO₂. Однако эти флюсы не всегда обеспечивают надежную защиту и поэтому добавляют защиту аргоном.

Повышение стойкости швов ЭШС к горячим трещинам объясняется характером кристаллизации металла сварочной ванны, малой скоростью перемещения источника нагрева, отсутствием в стыковых соединениях угловых деформаций. Длительное пребывание металла при температурах 1200–1250ºС приводит к необратимым изменениям в его структуре, снижает прочностные и пластические свойства. Это повышает склонность сварных соединений теплоустойчивых сталей к локальным (околошовным) разрушениям в процессе термообработки или эксплуатации при повышенных температурах. Борьба с этим – закалка или стабилизирующий отжиг.

Сварка в защитных газах

В качестве защитных газов используются инертные (аргон и гелий) и активные (СО₂) газы, а также различные смеси инертных или активных газов, или инертных с активными.

Этот способ сварки по сравнению с рассмотренными выше имеет ряд существенных преимуществ. Его используют для соединения металлов широкого диапазона толщин – от десятых долей до десятков миллиметров. При сварке толстого металла в некоторых случаях этот способ может конкурировать с электрошлаковой сваркой.

Сварка в инертных газах производится плавящимся и неплавящимся электродом. Неплавящимся электродом экономически целесообразно сваривать металлы толщиной до 7 мм. Однако в некоторых случаях, например, при сварке неповоротных стыков труб, сварку вольфрамовым электродом применяют на сталях и больших толщин. Высокое качество формирования обратного валика вызывает необходимость применения этого способа и при сварке корневых швов в разделках при изготовлении ответственных конструкций, сварка обычно на постоянном токе прямой полярности. Для сплавов с большим содержанием алюминия – на переменном токе.

При толщине 1,5 мм применяется только аргоно-дуговая сварка. Применение импульсной дуги за счет дезориентации структуры и меньшего коробления кромок позволяет уменьшить склонность к образованию горячих трещин. Однако импульсный режим может способствовать образованию околошовных надрывов.

При сварке погруженной дугой процессы формирования шва и дефектов швов – аналогично ЭШС.

В последнее время начинает применяться плазменная сварка. Большое ее преимущество – малый расход защитного газа. Применяют и для сварки малых толщин и до толщин 12 мм.

Сварка плавящимся электродом производится в среде инертных газов и СО₂. Для уменьшения разбрызгивания стараются применять струйный перенос металла. Для этого необходимы токи выше критического. Для снижения значения критического тока при сварке относительно тонкого металла добавляют в аргон 3–5% кислорода. Добавка в аргон 15–20% СО₂ уменьшает вероятность образования пор и снижает расход дефицитного газа.

При сварке в СО₂ при концентрациях углерода в металле менее 0,10% происходит науглероживание металла на 0,02–0,04%. Этого достаточно для резкого снижения стойкости металла шва к межкристаллитной коррозии. Одновременно наблюдается угар до 50% Ti и Al. Поэтому при сварке коррозионно-стойкой стали в СО₂ применяют сварочные проволоки, содержащие раскисляющие и карбидообразующие элементы.

Для уменьшения возможности налипания на основной металл брызг следует применять специальные эмульсии, наносимые на кромки перед сваркой. Применение импульсной сварки также способствует снижению разбрызгивания. Наличие на поверхности швов трудно удаляемой окисной пленки делает практически невозможной сварку в СО₂ многопроходных швов.

В защитных газах возможна сварка во всех пространственных положениях.

Ориентировочные режимы сварки в защитных газах

а) вольфрамовым электродом

Толщина металла, мм	Тип соединения	I, А	Расход аргона л/мин	Скорость сварки
Ручная сварка
	с отбортовкой	35–60	3,5–4	–
	75–120	5–6	–
	100–140	6–7	–
	встык без разделки	40–70	3,5–4	–
	80–130	5–6	–
	120–160	6–7	–
Автоматическая
	встык с присадкой	80–140		30–60
	140–240	6–7	20–30
	200-250	7–8	15–30
	встык без присадки	60–120		35–60
2,5	110–200	6–7	25–30
	130–250	7–8	25–30

б) плавящимся электродом

Толщина металла, мм	Подготовка кромок	Число слоев	dэ, мм	I, А	Vсв, м/ч	Расход аргона
Автоматическая
	без разделки			200–210		8–9
	образная -50ºС			260–275		8–9
	то же			330–340	15–30	12–17
Полуавтоматическая
	без разделки		1,0–1,6	160–300	–	6–8
	обр. разделки		1,6–2,0	240–360	–	11–15

в) сварка в СО₂

Толщина металла, мм	Шов	dпр, мм	Вылет электрода, мм	I, А	U(в)	Vсв, м/ч	Расход СО2 л/мин
	Односторонний						10–12
	Односторонний			230–240	24–28	45–50	12–15
	Двусторонний			250–260	28–30		12–15
	Двусторонний			350–360	30–32	–	–
	Двусторонний		15–20 20–25	380–400 430–450	30–32 33-35	–	12–15 12–15
	Двусторонний		15–20 25–30	420–440 530–560	30–32 34–36	–	12–15 12–15

Сварка на ЭЛУ довольно перспективна. Важное технологическое преимущество – возможность сварки за один проход металла большой толщины без разделки с минимальной протяженностью ОШЗ. Однако и при этом способе возможно образование горячих трещин и локальных разрушений в шве и ОШЗ. В вакууме возможно испарение элементов. Поры образуются меньше, но возможны за счет задержки паров растущими кристаллами. Важный недостаток – сложность и дороговизна оборудования.

СВАРКА КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Краткие сведения об основах коррозии

Практически все металлы, соприкасаясь с окружающей средой (газовой или жидкой), подвергаются коррозионному разрушению, заключающемуся в уменьшении их веса (толщины).

Коррозия – самопроизвольное разрушение металла вследствие химической и электрохимической гетерогенной реакции, протекающей на его поверхности.

Коррозия бывает химическая и электрохимическая, равномерная и сосредоточенная.

Химическая реакция характеризуется образованием химического соединения при взаимодействии металла с агрессивной средой без появления электрического тока (взаимодействие металла с сухими газами, при отсутствии конденсации влаги на поверхности металла или при контактировании металла с жидкостями, не проводящими электрический ток).

Наиболее характерным примером химической коррозии может служить образование окалины (окисной пленки) при контакте металла с воздухом при высоких температурах.

Основным элементом, сообщающим окалиностойкость стали, является хром. Окалиностойкость высокохромистых сплавов повышают также кремний и алюминий. Кремний, хром, алюминий имеют значительно большее сродство с кислородом, чем железо. В связи с этим при достаточно длительном времени контактирования металла с воздухом и высокой температурой, обеспечивающих интенсивное протекание процессов диффузии этих элементов из толщи металлов в поверхностные слои наблюдается обогащение ими окалины. В результате на поверхности металла может образоваться защитный слой плотной окисной пленки, препятствующий дальнейшему его разрушению. Особенно сильно изменяется жаростойкость стали при совместном легировании хромом, кремнием и алюминием.

Хромоалюминиевые стали обладают исключительно высокой жаростойкостью при температурах до 1300ºС.

Никель оказывает положительное влияние на жаростойкость металла при введении его в достаточно больших количествах.

Марганец несколько ухудшает сопротивление окислению высоколегированных сталей. Хромомарганцевые стали обладают повышенной стойкостью против коррозии в сернистом газе до температуры 900ºС.

Ванадий и молибден ухудшают окалиностойкость.

Электрохимическая коррозия – это растворение металла в электролитах с появлением электрического тока. Как известно электролитами могут быть различные кислоты и их водные растворы, щелочи и их растворы, растворы соли в воде.

Интенсивность электрохимической коррозии металлов зависит от характера раствора в электролите, концентрации его и температуры.

Виды коррозии

Коррозия может быть равномерная и сосредоточенная. С целью обеспечения высокой работоспособности изделий в условиях воздействия агрессивных сред стремятся, чтобы металл не был склонен к сосредоточенной коррозии.

Различают несколько видов сосредоточенной коррозии: межкристаллитная – коррозия по пограничным слоям зерен; структурная – преимущественное растворение одной из фаз гетерогенного сплава; точечная – коррозия преимущественно в локализованных участках (точках) поверхности металла с распространением ее вглубь последнего.

Межкристаллитная коррозия – наиболее опасный вид коррозионного разрушения. Развиваясь по границам зерен, она распространяется в толщу металла. Металл, пораженный межкристаллитной коррозией, разрушается от приложения даже незначительных нагрузок.

Межкристаллитной коррозии подвержены, как правило, металлы имеющие однофазную структуру. Природа этого вида коррозии в настоящее время изучена недостаточно и существующие теории не во всех случаях позволяют объяснить причины, вызывающие восприимчивость металлов различного состава к этому виду коррозии.

Стали, невосприимчивые к межкристаллитной коррозии в состоянии поставки, могут приобрести склонность к ней после неблагоприятного термического воздействия, в том числе воздействия термического цикла сварки. При этом для аустенитных сталей опасным является нагрев в интервале 400–800ºС, а для ферритных – нагрев выше 900ºС с последующим быстрым охлаждением.

Существуют различные теории, объясняющие причину межкристаллитного коррозионного разрушения металла. Одна из наиболее распространенных теорий – теория объединения. Как известно, углерод обладает ограниченной растворимостью в аустените (0,02–0,03%), а по данным некоторых исследователей и 0,007%. В том случае, если содержание углерода превышает предел растворимости, гомогенная аустенитная структура, образующаяся после высокотемпературной обработки (нагрев до 1050–1150ºС и последующее быстрое охлаждение), находится в состоянии неустойчивого равновесия. При повторных нагревах в интервале температур 400–800ºС она стремится к уменьшению свободной энергии, что приводит к выделению сложных карбидов хрома и железа (Fe₃O ∙ Cr)₃ или (Fe ∙ Cr)₂₃C₆ по границам зерен. Вместе с карбидами, по-видимому, выделяются и нитриды (Ni). Скорость выделений карбонитридов возрастает с повышением температуры и увеличением времени выдержки. При этом увеличивается склонность к межкристаллитной коррозии. При том диффузия углерода из центральных участков зерен к границам протекает значительно быстрее, чем хрома, благодаря большей разности коэффициентов диффузии их атомов. Вновь поступивший в периферийные участки углерод образует карбиды, черпая запасы хрома в этих участках. Содержание хрома в них резко снижается, достигая менее 12%. В результате этого сильно обедненные хромом периферийные участки зерен теряют способность к пассивации и подвергаются интенсивному коррозионному разрушению.

При достаточно длительном нагреве металла в области критических температур (870ºС) стойкость его против межкристаллитной коррозии восстанавливается. Этот процесс обусловлен тем, что при длительной выдержке в области критических температур после выделения карбидов происходит выравнивание содержания хрома по телу зерна за счет его диффузии из центральных областей в периферийные. Содержание хрома в объединенных участках повышается, и они вновь приобретают способность к пассивации.

Имеется еще ряд теорий по природе межкристаллитной коррозии.

ПУТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СКЛОННОСТИ К МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ КОРРОЗИИ

Термическая обработка.

Нагрев аустенитных сталей до температуры 950–1100ºС с последующим быстрым охлаждением способствует предупреждению межкристаллитной коррозии. Недостаток способа – удорожание технологического процесса; для крупногабаритных изделий применение этого способа затруднительно.

Металлургические средства.

1. Снижение содержания углерода в стали.

2. Легирование элементами, обладающими большим сродством к углероду, чем хром.

3. Изменение химического состава металла с целью обеспечения гетерогенной аустенитно-ферритной структуры.

Наиболее эффективным способом устранения склонности сталей к межкристаллитной коррозии является введение элементов имеющих большее сродство к углероду, чем хром (, Mo, V, Nb, Zr). Наиболее устойчивые карбиды образуют V, Ti, Nb. Связывая избыточный углерод стали в прочные карбиды эти элементы получают возможность выделения карбидов хрома. Роль ферритной фазы в предотвращении межкристаллитной коррозии заключается в изменении зерна, в результате чего общая протяженность границ зерен увеличивается, а количество выделяющегося в виде карбидов хрома из единиц площади поверхности зерен уменьшается. В двухфазном металле карбиды выделяются по границам ферритных зерен. Содержание хрома в феррите выше, че

Дата добавления: 2014-10-22