Технология сварки и свойства сварных соединений

Влияние содержания водорода на хрупкость наплавленного металла

Водородная хрупкость металла шва и наплавленного металла имеет мно-го общего с водородной хрупкостью стали. Водородная хрупкость стали имеет ряд особенностей и разновидностей, связанных с условиями эксплуатации кон-струкций. В зависимости от условий насыщения стали водородом водородная хрупкость может проявляться по-разному.

Опытами установлено, что с увеличением содержания водорода в нап-лавленном металле уменьшается его склонность к пластической деформации. На рис. 46 показано изменение вида диаграммы растяжения образца Гагарина диаметром 6 мм для наплавленого металла типа 06X1НЗМ при увеличении со-держания диффузионного водорода от нуля до 2,5...3,0 см3/100 г. Образцы ис-пытывались через 2-3 часа после сварки.

Рисунок 46 - Изменение вида диаграммы растяжения для наплавленного металла типа 06Х1НЗМ в зависимости от содержания диффузного водорода (см3/100 г):1-Нсп=0; 2 - Нсп =1,0...1,5; 3 - Нсп = 2,5...3,0

Как видно из рис. 46, с увеличением содержания водорода кривые рас-тяжения совпадают и разрыв происходит на более ранней стадии деформиро-вания при меньшей пластической деформации.

На рис.47 показано изменение вида диаграммы статического изгиба для наплавленного металла типа 10ХН2М в зависимости от содержания диффузи-онного водорода, W 650/550 = 3,6/°С. Образцы испытывались через 1 час после сварки. Как видно из рис.47, при изменении содержания водорода от 1,0 до 7,3 см³/100 г начальные участки диаграммы изгиба совпадают, а разрушения про-исходит на более ранней стадии деформирования.

Рисунок 47 - Изменение вида диаграммы статического изгиба для наплавленного металла типа 10ХН2М в зависимости от содержания диффузного водорода (см3/100 г):1-7,3; 2 - 5,2; 3 - 3,6; 4 - 1,5; 5 - 1,0

Как показали проведенные исследования, хрупкость металла шва или нап-лавленного металла, в основном, вызывается диффузным водородом (табл. 20).

Остаточный водород в тех количествах, в которых он обычно находится в наплавленном металле, практически не оказывает влияния на свойства наплав- ленного металла. Естественно встает вопрос, почему диффузионный водород оказывает такое большое влияние и каков механизм его охрупчивания? Для того чтобы понять механизм охрупчивания под действием диффузионного во-дорода, необходимо представить себе, в какой форме он находится в наплав-ленном металле. При комнатной температуре подвижность диффузионного во-дорода необычно велика в сравнении с другими элементами. Как показали про-веденные исследования, коэффициент диффузии водорода для наплавленного металла и зоны термического влияния составляет порядка 10 ^-5 -10^-7 см²/с. Для сравнения коэффициент диффузии углерода и азота в железе при комнатной температуре составляет 2.10 ^-7 и 8,8.10 ^-17 см²/с соответственно. Такую боль-шую разность в подвижности диффузионного водорода (10-12 порядков) в железе при комнатной температуре в сравнении с атомами других элементов внедрения можно объяснить тем, что диффузионный водород в наплавленном металле и в ЗТВ, очевидно, находится в виде протонов.

Это косвенно подтверждается тем, что содержание диффузионного водо-рода в металле шва и в наплавленном металле в значительной мере зависит от рода тока и полярности. Высокая подвижность диффузионного водорода также свидетельствует о том, что он находится не в связанном состоянии. Если допус-тить, что диффузионный водород в наплавленом металле находится в виде про-тонов, то становится понятным, почему с такой легкостью водород диффунди-рует со шва в околошовную зону как в процессе сварки, так и на протяжении некоторого времени после сварки, почему он не взаимодействует с дислокаци-ями и почему с увеличением диффузионного водорода не изменяется предел текучести наплавленного металла. Дислокации в железе слишком большие для протонов, чтобы они их могли закреплять и менять предел текучести. Углерод и азот взаимодействуют с дислокациями в железе, и эти элементы способны закреплять их, что приводит к росту предела текучести. Именно взаимодейст-вием растворенного углерода и растворенного азота с дислокациями железа и объясняется термическое старенне и синеломкость.

Механизм охрупчивания наплавленного металла под действием диффу-зионного водорода, видимо, состоит во взаимодействии протона с внешними электронами атома железа. В результате этого взаимодействия ослабляются си-лы связи между атомами в решетке железа, которое выражается в уменьшении эффективной поверхностной энергии. Проведенные исследования подтвержда-ют эту точку зрения. С увеличением содержания диффузионного водорода в наплавленном металле до 6-8 см³/100 г резко уменьшается (в 10-12 раз) работа зарождения трещины и также довольно существенным образом (в 3-4 раза) уме-ньшается работа распространения трещины. При этом также уменьшается коли-чество волокнистой составляющей в изломе и повышается критическая темпе-ратура хрупкости. При сварке остаточный водород может также скапливаться в разных микропустотах металла шва и ЗТВ. В процессе сварки вследствие крат-ковременности процесса и в первые минуты после сварки давление молекуляр-ного водорода в микропорах, вероятно, небольшой и в этот период роль оста-точного (молекулярного) водорода в механизме охрупчивания мала. Однако на протяжении некоторого времени после сварки давление молекулярного водо-рода в микропорах металла шва и ЗТВ повышается. Величина такого давления зависит от концентрации диффузионного (растворенного) водорода, темпера-туры, времени после сварки и других причин. Давление молекулярного водо-рода в микропорах будет усиливать действие силового фактора и тем самым будет оказывать содействие образованию холодных трещин. Этим и можно объяснить тот факт, что образование холодных трещин в металле шва и ЗТВ под действием водорода происходит через некоторое время после окончания сварки.

Высказываются и другие точки зрения на механизм водородной хрупкос-ти стали и металла сварных соединений. Тем не менее сам факт, что водород, попадая в металл шва и ЗТВ, вызывает временную хрупкость его и иногда дово-льно значительную, что приводит к образованию трещин, не вызывает сомне-ния и есть общепризнанным.

На основании изложенного основным способом уменьшения водородной хрупкости является уменьшение уровня диффузионного водорода в металле шва разными технологическими способами, изложенными выше. Другим спо-собом уменьшения водородной хрупкости является уменьшения скорости ох-лаждения, которое позволяет получить более пластический и менее склонный к водородной хрупкости металл шва и ЗТВ, а также усиливает эффект удаления водорода из металла в процессе охлаждения.

Третьим способом является повышение температуры сопутствующего по-догрева. Повышение температуры до 100...200°С существенным образом сни-жает водородную хрупкость, вызываемую диффузионным и молекулярным во-дородом.

Четвертым способом является проведение отдыха сварных соединений непосредствено после сварки при повышенной температуре, в процессе кото-рого удаляется диффузионный водород.

Основными способами сварки жаропрочных перлитных сталей являются дуговая покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом. Подготовку кромок деталей под сварку выполняют механической обработкой. Допускается применение кислородного или плазменно - дуговой резки с последующим уда-лением слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм.

Дуговую сварку выполняют при температуре окружающего воздуха не ниже 0°С с предварительным и сопутствующим местным или общим подог-ревом. Пределы изменения температуры подогрева в зависимости от марки стали и толщины свариваемого изделия приведены в табл. 6.14 и 7.9.

Таблица 6.14 - Температуры предварительного подогрева кромок при сварке теплостойких сталей

Таблица 7.9 - Температура предварительного и сопутствующего подогрева

Примечания: 1. При многопроходной автоматической сварке под флюсом допускается снижение минимальной температуры подогрева на 50°С.

2. Аргонодуговую сварку корневого слоя труб допускается выполнять без подогрева.

Большинство сварных конструкций из жаропрочных перлитных сталей подвергают термической обработке для устранения структурной неоднороднос-ти, остаточных сварочных напряжений и обеспечение эксплуатационной наде-жности. Исключение представляют сварные соединения из хромомолибдено-вых и хромомолибденованадиевых сталей толщиной менее 6 мм.

При термообработке конструкций из жаропрочных перлитных сталей используют обычный отпуск, он может применяться также как местная тер- мическая обработка. Отпуск стабилизирует структуру (твердость) сварного со-единения и снижает остаточные напряжения. С увеличением содержания хро- ма, молибдена, ванадия и других элементов, повышающих релаксационную стойкость сталей, температура отпуска и время выдержки должны увеличивать-ся.

Недостатком отпуска является невозможность полного выравнивания структуры, в частности устранение разупрочненной прослойки в зоне терми-ческого влияния сварки, что может быть достигнуто только при печной терми-ческой обработке всей конструкции (табл. 7.10).

Таблицая 7.10- Режимы отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой

Марка ста­ли	Толщина сваривае­мых дета­лей, мм	Минималь- ная про-должитель-ность вы-держки, ч	Марка стали	Толщина сваривае­мых дета­лей, мм	Минима-льная про-должи­те-льность выдержки, ч
Отпуск, Т, °С = 715±15		20...40
12ХМ		-		40... 80
12ХМ	10...20			>80
15ХМ	20...40		Отпуск, Т, °С = 745 ± 15
20ХМЛ	40...80 >80		15Х1М1Ф	<6	-
			15Х1М1ФЛ	6... 10
Отпуск, Т, °С = 735±15	12Х2МФСР	10...20
12ХМФ	<6	-		20...40
20ХМФЛ	6... 10			40... 80
	10...20			>80

Примечание. Скорость нагрева сварных соединений из хромомолибденованадиевых сталей в интервале 500... 700°С должна быть не менее 60⁰С/ч.

Для дуговой сварки, имеющей меньшую зону термического влияния, вы-полняют, как правило, высокий отпуск (Т=680....730°С), что дешевле. Необхо-димость термообработки возрастает при увеличении прочности сталей и тол-щины металла. Для толщин до 4...мм термообработку обычно не проводят.

Ручная дуговая сварка жаропрочных перлитных сталей выполняется эле- ктродами с основным (фтористо- кальциевым) покрытием и стержнем из низ-коуглеродистой сварочной проволокой с введением легирующих элементов че-рез покрытие. Они обеспечивают хорошую раскисленность металла шва при малом содержании в нем водорода. Это позволяет получить объединение высо-ких прочностных и пластических свойств швов. Однако для электродов с ос-новным покрытием характерна повышенная склонность к образованию пор при удлинении дуги, наличия ржавчины на кромках и увлажнении покрытия. В свя-зи с этим рекомендуется сварка короткой дугой, тщательная очистка сваривае-мых поверхностей, сушение электродов перед применением.

В последнее время выпускаются электроды 12 типов: Э-09М; Э-09МХ;

Э-09ХМ и др. Их основное назначение и соответствующие им марки электро-дов приведены в табл. 6.15.

Таблица 6.15. Электроды для сварки теплостойких сталей

Для сварки хромомолибденовых сталей 12МХ, 15ХМ и 20ХМЛ использу-ются электроды типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467-75) (марки ЦУ-2МХ, ЦЛ-38 и дру-гие) с СaF₂ покрытием и стержнем Св-08ХМ. Для сварки хромомолибденова-надиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ – используются электроды типа Э-09Х1МФ(марки ЦЛ-20, ЦЛ-45, стержень Св-08ХМФА).

Когда применение подогрева свариваемых изделий и последующей тер-мической обработки сварных соединений невозможно или необходима сварка перлитных жаропрочных сталей с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой основе. Сварка выполняется на постоянном токе об-ратной полярности узкими валиками без поперечных колебаний.

Сварка в защитных газах при изготовлении сварных конструкций из жаропрочных перлитных сталей может быть двух видов: дуговая сварка плавя-щимся электродом в углекислом газе и аргонодуговая сварка во льфрамовым электродом. При сварке молибденовых, хромомолибденовых и хромомолиб-денованадиевых сталей необходимо использовать одну из марок проволок, со-держащих молибден, хром и молибден или хром, молибден и ванадий

(Св-08МХ, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и др.), в зависимости от состава сваривае-мой стали.

При сварке в углекислом газе - активном окислителе ванны - в составе проволоки обязательно кроме других легирующих элементов должны присут-ствовать раскислители - кремний и марганец (иногда титан). Поэтому для сварки в углекислом газе можно использовать только те проволоки, в составе которых содержатся эти элементы, в маркировке обозначенные "Г" и "С", нап-ример,Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА и др. в зависи-мости от состава свариваемой стали и требований к механическим свойствам металла шва. Так, при сварке хромомолибденовых сталей применяется свароч-ная проволока Св-08ХГСМА, а при сварке хромомолибденованадиевых сталей - проволока Св-08ХГСМФА. Сварку осуществляют на постоянном токе обрат-ной полярности. Для проволоки диаметром 1,6 мм сварочный ток составляет 140... 200 А при напряжении на дуге 20...22В, а для проволоки диаметром 2 мм ток сварки 280... 340А и напряжение 26...28В.

При сварке в углекислом газе стали 15ХМ и 20ХМ применяют сварочную проволоку Св-10ХГ2СМА. При использовании этой проволоки прочностные и пластические свойства сварных соединений в интервале температур 20... 525° С практически не отличаются от свойств основного металла.

Автоматическая и полуавтоматическая сварка этих сталей в углекислом газе выполняется с предварительным подогревом до температуры 250...300°С. Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низкоуглеро-дистой стали. После сварки выполняют высокий отпуск конструкции (табл. 10-6).

Теплоустойчивую сталь 20ХМФЛ сваривают в углекислом газе проволо-кой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до тем-пературы 300...350°С, обеспечивающей повышение стойкости шва против тре-щин и снижение прочности металла шва и околошовной зоны. После окончания сварки конструкцию подвергают термообработке по режиму, приведенному в табл. 10-6. Сварное соединение стали 20ХМФЛ, выполненное в углекислом га-зе проволокой Св-08ХГСМФА, по всем показателям равноценно основному металлу.

Автоматическую и полуавтоматическую сварку в углекислом газе сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф осуществляют проволокой Св-08ХГСМФА с предварите-льным и сопутствующим подогревом до температуры 250...300°С. После свар-ки выполняется высокий отпуск при температуре 700...740°С.

Аргонодуговую сварку применяют для выполнения корневого слоя при многопроходной сваркею стыков труб паропроводов, поверхностей нагрева котлов и других изделий. При сварке в среде аргона хромомолибденовых ста-лей используют сварочные проволоки Св-08ХГСМА, Св-08ХМ, а при сварке хромомолибденованадиевых сталей – проволоки Св-08ХМФА и

Св-08ХГСМФА. Проволоки Св-08ХМ и Св-08ХМФА допускаются применять

только при содержании кремния в металле проволоки не менее 0,22 %.

Сварка под слоем флюса используется для изготовления корпусов ап-паратов нефтехимической промышленности и других изделий с толщиной стенки 20 мм и больше. Применяют низькоактивные по кремнию и марганцу флюсы для достижения в металле шва низкого содержания дисперсных оксид-ных включений (продуктов кремнемарганцевосстановительного процесса), а также стабильного содержания Sі и Мn в многослойных швах. Сварку осущест-вляют на постоянном токе обратной полярности.

Для уменьшения разупрочнения хромомолибденованадиевых сталей в околошовной зоне рекомендуют режимы с малой погонной энергией, поэтому используют проволоки диаметром 3 мм при токе 350... 400А и напряжении ду-ги 30...32В и повышенные скорости сварки (40...50 м/ч). Хромомолибденовые стали можно сваривать проволоками диаметром 4 и 5 мм при силе тока 520... 650А и напряжении 30...34В. Для сварки хромомолибденовых сталей исполь-зуют проволоки марок Св-08МХ и Св-08ХМ, а для сварки хромомолибденова-надиевых сталей -Св-08ХМФА.

При сварке под флюсом теплоусточивых сталей, например 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, рекомендуется применять проволоку Св-08ХМФА и флюс АН-22. Сварку осуществляют с предварительным подогревом. Можно использовать также флюс АН-17М совместно с кремнемарганцовистой проволокой

Св-08ХГСМФА. Сталь 15Х1М1ФА - флюс АН-22, проволока - 14Х1М1ФА.

При указанном применении сварочных материалов обеспечивается соде- ржание металла шва, кратковременные и длительные механические свойства которого (в состоянии после высокого отпуска) при температуре 20...585°С полностью удовлетворяют установленным требованиям.

Дата добавления: 2013-12-12