СВАРКА ВЫСОКО ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. Диплом. - Технология
СВАРКА ВЫСОКО ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Высоколегированными сталями считают сплавы на основе железа с суммарным
содержанием легирующих элементов свыше 10% при содержании железа в них
более 45%. Если содержание железа меньше этой величины, то материалы
считаются специальными сплавами. Основные легирующие элементы сплавов и
сталей этой группы - хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам,
ванадий, молибден, титан, бор и др.
Высоколегированные стали и сплавы обладают специфическими свойствами:
высокой коррозийной стойкостью, хладостойкостью, жаропрочностью,
жаростойкостью, сопротивлением ползучести при нагреве и др. Жаростойкость
(окалиностойкость) - свойство металлов и сплавов хорошо противостоять при
высоких температурах химическому воздействию, в частности окислению на
воздухе и в другой газовой среде. Жаропрочностью - способность материалов
при высоких температурах выдерживать без разрушения химические нагрузки.
Высоколегированные стали и сплавы - важнейшие конструкционные материалы,
применяемые в производстве оборудования, работающего в широком диапазоне
температур. Газовых или жидких средах, для химической промышленности, а
также авиации и энергетики.
Свариваемость сталей. В зависимости от содержания основных легирующих
элементов стали различаются на хромистые, хромоникелевые,
хромомарганцевые, хромомарганцевоазотистые и т. д. По структуре
высоколегированные стали разделяются на мартенситные,
мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно-мартенситные,
аустенитно-ферритные и аустенитные.
Высоколегированные сплавы делят на две группы: сплавы на железоникелевой
(суммарное содержание железа и никеля более 65%) и никелевой (содержание
никеля более 55%) основах. Они имеют стабильную аустенитную структуру.
Хромистые стали имеют различную структуру в зависимости от содержания
хрома и углерода. При содержании в стали хрома 12…13% и углерода более
0,06…0,08% сталь относят к мартенситному классу; при содержании хрома
13…16% - мартенситно-ферритному; при содержании хрома более 16% - к
ферритному классу. Введение в стали других элементов изменяет её структуру
и может привести к переходу из одного класса в другой.
Стали с содержанием хрома 10,5…12% при легировании молибденом, вольфрамом,
ниобием и ванадием обладают повышенным сопротивлением высокотемпературной
ползучести и поэтому их используют как жаропрочные при температурах до
6000С. Термическая обработка и температуры эксплуатации могут вызвать
изменения в структуре стали и сделать её хрупкой. При некоторых видах
термического воздействия хромистые ферритные стали приобретают склонность
к межкристаллитной коррозии. Охрупчивание и снижение коррозийной стойкости
связано с выделением карбида хрома и других хрупких фаз по границам зёрен
и обеднением хромом твёрдого раствора в областях, прилегающих к границам
зёрен.
При сварке сталей мартенистого и мартенситно-ферритного класса в металле
сварного соединения образуются закалочные мартенситные структуры, имеющие
высокую твёрдость и малую пластичность. При определенных условиях это
может привести к появлению холодных трещин. Образование трещин исключается
предварительным и сопутствующим подогревами до температуры 200…4500С,
снижением в металле шва водорода и применением последующего высокого
отпуска.
При невозможности по каким-либо причинам осуществить подогрев и
последующую термическую обработку применяют сварочные материалы. Дающие
металл шва с аустенитной структурой.
Проблема сварки ферритных сталей - укрупнение зерна в околошовной зоне и в
металле сварного шва при повышении погонной энергии сварки и уменьшении
концентрации источника сварочной теплоты. По этой причине становится
нежелательным применение сопутствующего или предварительного прогрева и
последующего отпуска для предотвращения появления холодных трещин. Сплавы
и стали классифицируют по системе легирования, структурному классу,
свойствам и служебному назначению. По системе легирования их делят на два
основных типа: хромоникелевые и хромомагниевые. Существуют также
хромоникельмолибденовые и хромоникельмарганцевые стали. В зависимости от
структуры, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие
классы сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитные.
Сплавы на железоникелевой (при содержании более 30%) и никелевой основах
по структуре являются стабильно аустенитными и не имеют структурных
изменений при охлаждении на воздухе. В настоящее время используют также
боридные аустенитные стали и сплавы, основная структура которых - аустенит
с включениями боридной фазы.
При сварке аустенитных сталей и сплавов в металле шва и околошовной зоне
могут возникнуть горячие трещины. Для их предупреждения существуют
несколько способов. Один из них - создание в шве двухфазной структуры,
способствующей измельчению зерна в металле шва и уменьшению ликвации. В
большинстве случаев для этого в структуре шва достаточно иметь 2…3%
первичного d-феррита, что обеспечивается легированием шва
ферритообразующими элементами (титаном, молибденом, кремнием и др.).
Двухфазная структура в стабильно аустенитных сталях и сплавах может быть
создана за счёт выделения в металле шва карбидов или боридов. Для
получения аустенитно-карбидной структуры шов легирую углеродом и
карбидообразующими элементами - ниобием или титаном. Однако углерод резко
повышает склонность швов к межкристаллической коррозии. Поэтому этот
способ применим только при сварке жаропрочных и жаростойких сталей.
Получение аустенитно-боридной структуры достигается легированием шва
0,2…0,7% бора. При больших содержаниях бора в швах могут появиться
холодные трещины, для предупреждения которых требуется предварительный или
сопутствующий подогрев до температуры 250…3000С.
При сварке чисто аустенитных сплавов в них ограничивают содержание вредных
примесей (серы, фосфора, висмута) и других элементов, образующих
легкоплавкие эвтектики (кремния, титана, алюминия и ниобия). Положительное
действие оказывают легирование этих сплавов молибденом, вольфрамом,
танталом и замена части никеля марганцем.
Измельчение структуры швов высоколегированных сталей и сплавов достигается
также использованием для сварки фторидных флюсов и электродов с
фторитсто-кальциевым покрытием. Большое внимание обращают на технику и
режим сварки, определяющие форму шва и характер кристаллизации его
металла. Уменьшение коэффициента формы шва, малые зазоры между кромками
повышают вероятность появления горячих трещин. Сварка электродными
проволоками малого диаметра (до 2 мм) и умеренные режимы сварки повышают
стойкость швов к горячи трещинам.
От состава и структуры и металлургического способа получения стали зависит
появление трещин в околошовной зоне в процессе длительной эксплуатации при
температурах 550…7700С (так называемых локальных разрушений).
При работе изделий в интервале температур от 350 до 5000С в ферритных и
аустенитно-ферритных швах, содержащих 15…20% сложнолегированного феррита,
может появиться 475-градусная, или тепловая, хрупкость. Она не
сопровождается заметными структурными изменениями. Предотвращение
охрупчивания швов подобного типа достигается ограничением в металле
феррита. Выдержка аустенитных аустенитно-ферритных сталей при температурах
550…8750С приводит к охрупчиванию в результате выпадения s-фазы,
представляющей собой интерметаллид. Предупреждение того вида охрупчивания
достигается закалкой с температуры 1050…11000С, а в двухфазных
аустенитно-ферритных сталях - ограничение содержания первичного феррита
(менее 20%).
Необходимо отметить, что из-за высокого коэффициента теплового расширения
высоколегированных сталей значительно возрастает суммарная пластическая
деформация металла шва и околошовной зоны. В результате самонаклёпа
жёстких соединений (при сварке многослойных швов) количество феррита в
металле может повышаться. При длительной эксплуатации сварное соединение
стареет в результате выделения по границам зёрен карбидов и
интерметаллидов. Для уменьшения старения следует снижать содержание в
металле углерода. Этому же служит термическая обработка с нагревом выше
температура распада карбидов и интерметаллидов (выше 900…9500С).
Большинство высоколегированных сталей и сплавов широко используются как
корозийностойкие материалы. Однако под действием агрессивной среды в
сварных соединениях могут наблюдаться различные виды коррозийного
разрушения, связанные с перераспределением хрома. Под действием хрома. Под
действием критических температур (500…8000С) по границам зёрен выделяются
карбиды, обогащённые хромом. Одновременно происходит обеднение хромом
приграничных слоёв зёрен. Которое ведёт к потере стойкости к действию
агрессивной среды и проявлению межкристаллитной коррозии. Межкристаллитная
коррозия наблюдается в металле шва, околошовной зоны или в узкой зоне на
границе сплавления (ножевая коррозия). Появление ножевой коррозии может
быть связано с условиями нагрева при сварке или эксплуатации изделия в
интервале критических температур при сварке многослойных или
перекрещивающихся швов, при смене электрода и т. д. снижает коррозийную
стойкость сварных соединений.
Предупреждение склонности сплавов к межкристаллитной коррозии достигается:
снижением содержания углерода и легированием сильными карбидообразующими
элементами - титаном, ниобием, имеющими большее сродство к углероду, чем
хром. Обычно должны выдерживаться соотношения Ti>5(C - 0.02) и Nb>10C;
формирование двухфазной аустенитно-ферритной структуры с содержанием
феррита до 20…25%;
Термической обработкой (закалка для сталей Х18Н10 с температуры
1050…11000С или стабилизирующий отжиг в течение 2…3 ч при температурах
700…7800С - для хромистых сталей). При нагреве под закалку карбиды
растворяются, при быстром охлаждении углерод фиксируется в твёрдом
растворе (аустените). Однако повторный нагрев может снова вызвать
межкристаллитную коррозию шва. При стабилизирующем отжиге происходит более
полное выпадение карбидов и выравнивание концентрации хрома по объёму
зерна.
Предотвращение ножевой коррозии обеспечивается приёмами, снижающими
перегрев металла в околошовной зоне (сварка короткой дугой, ускоренное
охлаждение и др.).
Для уменьшения общей коррозии следует применять технику и технологию
сварки, при которых металл шва не отличается по химическому составу от
основного металла.
Коррозийное растрескивание наблюдается в сварных соединениях на
аустенитных сталях при совместном действии агрессивной среды и
растягивающих напряжений. Снижение уровня остаточных растягивающих
напряжений и образование двухфазной аустенитно-ферритной или
аустенитно-боридной структуры - главные способы борьбы с этим видом
разрушения сварных соединений.
Высокая коррозийная стойкость сталей при повышенных температурах в газовых
средах (жаростойкость) определяется возможностью образования и сохранения
на их поверхности плотных и прочных плёнок оксидов. Это достигается их
легированием кремнием и алюминием. Требуемую жаростойкость металла шва
обычно получают за счёт максимального сближения химических составов шва и
основного металла.
Общие технологические приёмы при сварке. Высоколегированные стали и сплавы
сваривают следующими способами сварки: ручной дуговой покрытыми
электродами, дуговой под флюсом, в защитных газах плавящимся и не
плавящимся электродом, электрошлаковой сваркой. Применяют также сварку
лучом лазера и электронно-лучевую сварку.
Теплофизические и химические свойства высоколегированных сталей и сплавов
определяют следующие особенности их сварки:
высокое удельное электросопротивление рассматриваемых сталей по сравнению
с углеродистыми требует применения уменьшенных вылетов проволоки при
механизированных способах сварки, укороченных электродов и меньшей
плотности сварочного тока при ручной дуговой сварке;
пониженная теплопроводность приводит к увеличению глубины проплавления и
должна быть учтена при выборе режимов сварки;
повышенное тепловое расширение приводит к короблению изделий. Для снижения
коробления следует использовать способы, режимы и технику сварки,
обеспечивающие максимальную концентрацию тепловой энергии;
для уменьшения угара легирующих элементов (титана и ниобия как
карбидообразующих в коррозионностойких швах; хрома, кремния, молибдена и
других как ферритизаторов) ручную сварку необходимо вести короткой дугой
без поперечных колебаний, а при сварке в защитных газах принимать меры,
предупреждающие окисление зоны сварки;
насыщение металла шва водородом при сварке высокохромистых мартенистых и
мартенсито-ферритных сталей может привести к образованию холодных трещин.
В случае сварки высоколегированных сталей водород приводит к появлению в
швах пор. Рекомендуется не допускать попадания влаги и загрязнений на
свариваемые кромки и удалять влагу из газов, флюсов, покрытий электродов.
Электроды и флюсы прокаливают при температуре 4500С в течение 2 ч. Не
ранее чем за 2…3 ч. До сварки. Использование постоянного тока обратной
полярности, фторидных флюсов и электродов с фтористо-кальциевым покрытием
так же способствует уменьшению пористости;
применение сварочных проволок из стали вакуумного или электрошлакового
переплава, содержащих минимальное количество вредных примесей, снижает
вероятность образования в шве горячих трещин при сварке стабильно
аустенитных сталей. Режимы и приёмы сварки должны обеспечивать снижение
доли участия основного металла в металле шва и повышенный коэффициент
формы шва;
остатки шлака на поверхности и повреждение основного металла в результате
попадания брызг, возбуждения дуги, плохо заваренных кратеров могут усилить
коррозию. Следует избегать подобных повреждений;
остающиеся подкладки и непровары в корне шва, обращённом к агрессивной
среде, могут быть очагами коррозии, что недопустимо при изготовлении
кислородной аппаратуры. При использовании для подготовки кромок
кислородно-дуговой и плазменной резки необходимо следить за тщательным
удалением грата в местах реза. Зона нагрева, образующаяся при этих
способах подготовки кромок и применение шлифовальных кругов, может снизить
коррозийную стойкость сварного соединения. Воздушно-дуговая резка для
подготовки кромок и удаления дефектов шва недопустима в связи с
науглероживанием кромок;
для предупреждения различных видов коррозии в сварных соединениях при
сварке коррозийностойких сталей следует уменьшить перегрев, при
многослойной сварке перед последующим проходом охлаждать сварное
соединение до температуры окружающей среды. Следует учитывать, что даже
небольшие отклонения состава металла шва, наблюдаемые на жаропрочных
сталях после высокого отпуска, могут привести к значительному снижению их
служебных характеристик.
Сварка высокохромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритного типа
можно осуществлять по двум схемам. По первой схеме сварочные материалы
должны обеспечивать максимальное сходство химических составов металла шва
и основного металла. После соответствующей термической обработки сварное
соединение имеет свойства, приближающиеся к свойствам основного металла.
Для предупреждения образования холодных трещин сварку выполняют с
предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 200…4500С.
Температура подогрева тем выше, чем выше в стали содержание углерода,
жёсткость узлов и толщина металла (подогрев не требуется при
электрошлаковой сварке).
Когда подогрев или последующий отпуск невозможен, применяют сварку по
второй схеме, используя сварочные материалы, образующие металл шва с
аустенитной или аустенитно-ферритной структурой. В этом случае шов имеет
высокие пластические свойства, но сварное соединение структурно
неоднородно. Неоднородность увеличивается с течением времени. Когда
изделие эксплуатируют при повышенных температурах. При этом не обеспечена
и равная прочность сварного соединения.
При сварке высокохромистых ферритных сталей основная трудность -
интенсивный рост зерна в околошовной зоне, вызывающий хрупкость и снижение
ударной вязкости.
Сварку таких сталей также осуществляют по двум рассмотренным ранее схемам.
При сварке по первой схеме хрупкость может наблюдаться и в металле шва.
Применяя сварку по второй схеме, получают металл шва с
мартенситно-ферритной структурой. Для предупреждения холодных трещин
сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом до
температуры 120…1800С.
При сварке сталей с высоким содержанием хрома (25…30%) получают в шве
двухфазную аустенитно-ферритную структуру, используя хромоникелевые
электроды и проволоки.
Хромоникелевые аустенитные стали и сплавы в отожжённом состоянии и
аустенитно-мартенситные стали обычно сваривают двухфазными
аустенитно-ферритными швами для предупреждения образования горячих трещин.
С этой же целью применяют способы и режимы сварки, способствующие
измельчению зёренной структуры металла шва и уменьшению напряжения усадки.
При сварке высокопрочных сталей могут возникнуть холодные трещины в
околошовной зоне, а при сварке жаростойких сталей такие трещины могут
появиться в металле шва. Предварительный и сопутствующий нагрев до
температуры 250..5500С могут предупредить их образование.
Ручная дуговая сварка. Её осуществляют на постоянном токе обратной
полярности (см. табл.1). Кромки подготавливают и собирают под сварку так
же, как и при сварке на углеродистых сталях. Выбор марки электрода зависит
от марки свариваемой стали и конкретных условий эксплуатации конструкции.
Табл. 1
Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки высоколегированных сталей
+------------------------------------------------------------------------+
| | Электрод | Сила сварочного тока, А, при | |
| Толщина | | положении сварки | |
| металла, мм |-----------+---------------------------------+------------|
| || диаметр, | длинна, | нижнем | вертикальном | потолочном |
| || мм | мм | | | |
|-------------||----------+---------+--------+--------------+------------|
| || | 222 или | | | |
| До 2 || 2 | 250 | 30-50 | - | - |
| || | | | | |
| 2,5-3 || 3 | 250 | 70-100 | 50-80 | 45-75 |
| || | | | | |
| 3-8 || 3-4 | 250 или | 85-140 | 75-130 | 65-120 |
| || | 350 | | | |
| 8-12 || 4-5 | | 85-160 | 75150 | 65-130 |
| || | 350 или | | | |
| || | 450 | | | |
+------------------------------------------------------------------------+
При сварке высоколегированных сталей и сплавов основное легирование
наплавленного металла обеспечивается за счёт металла электродного стержня.
Дополнительное легирование осуществляется введением легирующих компонентов
в покрытие электрода.
Сварка под флюсом. При изготовлении изделий из металлов толщиной 5…50 мм
этот способ сварки ведущий. Постоянная глубина проплавления по всей длине
шва и, следовательно, постоянный состав металла шва, отсутствие кратеров,
вызванных сменой электродов, и чешуйчатости на поверхности швов,
благоприятная форма швов - преимущества сварки под флюсом по сравнению с
ручной дуговой сваркой покрытыми электродами. Однако применение этого
способа вызывает трудности при сварке кольцевых стыков труб диаметром
менее 250 мм. Трудно осуществить и предварительный или сопутствующий
подогрев.
Из-за более низкой температуры плавления и низкой теплопроводности
высоколегированных сталей и сплавов для получения той же глубины
проплавления, что и при сварке низколегированных сталей, сварочный ток
должен быть уменьшен на 10…30%. Из-за повышенного электросопротивления
вылет электрода уменьшают в 1,5…2 раза по сравнению со сваркой
низкоуглеродистой стали. Поскольку для предупреждения образования горячих
трещин швы должны быть небольшого сечения, рекомендуется использовать
электродную проволоку диаметром 2…3 мм. При использовании фторидных флюсов
сварку ведут на постоянном токе обратной полярности, при использовании
высокоосновных бесфтористых флюсов - на токе прямой полярности.
Электрошлаковая сварка. Из-за специфических особенностей этого способа
сварки (малая скорость перемещения источника нагрева и направленная
кристаллизация металла сварочной ванны) понижается вероятность образования
в шве горячих трещин и уменьшаются угловые коробления изделия. Однако
увеличенная ширина околошовной зоны, длительное пребывание свариваемого
металла при повышенных температурах приводят к необратимым изменениям в
структуре и свойствах сварных соединений. В результате снижаются
прочностные и пластические свойства металла, а в околошовной зоне
теплоустойчивых сталей могут возникнуть локальные разрушения. В
околошовной зоне коррозийностойких сталей может наблюдаться ножевая
коррозия, для предотвращения которой следует выполнять термическую
обработку изделий (закалка или стабилизирующий отжиг). Применение флюсов
не исключает угара легирующих элементов, поэтому в ряде случаев необходимо
поверхность шлаковой ванны защищать инертным газом. Короткие швы на
металле большой толщины рекомендуется сваривать пластинчатым электродом, а
протяжённые швы - проволочным.
Сварка вольфрамовым электродом. Такая сварка в инертных газах или их
смесях отличается минимальным угаром легирующих элементов, что важно для
высоколегированных сталей. Сварку выполняют на постоянном токе прямой
полярности (за исключением сталей с большим содержанием алюминия, которые
сваривают на переменном токе). Толщина свариваемого металла не более 5…7
мм. Хорошее формирование обратного валика позволяют рекомендовать сварку
вольфрамовым электродом для выполнения корневых швов на сталях повышенных
толщин (остальные валики могут выполняться под флюсом, покрытыми
электродами или плавящимся электродом в защитных газах). Сварку можно
вести непрерывно или импульсной дугой, вручную, механизировано или на
автоматически на режимах, приведённых в таблице 2.
Табл. 2
Примерные режимы аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом
высоколегированных сталей
+------------------------------------------------------------------------+
| Толщина | | Сила | Расход | Скорости |
| металла, мм | Тип соединения | сварочного | аргона, л/с | сварки, |
| | | тока, А | | м/ч |
|------------------------------------------------------------------------|
| Ручная сварка |
|------------------------------------------------------------------------|
| 1 | | 35-60 | 0,06-0,07 | - |
| | | | | |
| 2 | С отбортовкой | 75-120 | 0,08-0,1 | - |
| | | | | |
| 3 | | 100-140 | 0,1-0,12 | - |
|-------------+--------------------+------------+-------------+----------|
| | | 40-70 | 0,06-0,07 | - |
| | Стыковое без | | | |
| 1 | разделки с | 80-130 | 0,08-0,1 | - |
| | присадкой | | | |
| | | 120-160 | 0,1-0,12 | - |
|------------------------------------------------------------------------|
| Автоматическая сварка |
|------------------------------------------------------------------------|
| 1 | | 80-140 |
|
