МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Основные проблемы свариваемости разнородных сталей

Использование сварных соединений из разнородных сталей рационально в случаях, когда работоспособность сонструкции определяется комплексом необходимых свойств, получение которых труднодостижимо или эко­номически не выгодно при использовании однородных материалов. Применение разнородных сталей в сварных соединениях, как правило, связано со скачкообразным изменением условий эксплуатации отдельных участков конструкции (температуры, среды, нагрузки).

Проблемы свариваемости таких сталей связаны с осо­бенностями формирования состава и структуры шва и зоны сплавления, а также прилегающих к ним участков основного металла как в процессе сварки, так и при тер­мообработке сварного соединения или его эксплуатации

Металл шва из сталей разного легирования или раз­ных структурных классов вследствие перемешивания электродного и основного металлов всегда будет обла­дать химической и структурной неоднородностями, кото­рые особенно четко выражены на линии сплавления. Эти неоднородности приводят к появлению непластич­ных кристаллизационных и деформационных прослоек переменного состава и к различному уровню остаточных напряжений у сваренных кромок, что вызывает механи­ческую неоднородность всего соединения. Указанные особенности усложняют технологию сварки разнород­ных сталей.

Рассмотрим основные причины появления неодно­родностей и усложнения свариваемости разнородных сталей.

1. При сварке сталей одного структурного класса в ре­зультате неодинакового перемешивания наплавленного металла с основным (в центре шва и у границы сплав­ления) со стороны шва возникают прослойки перемен­ного состава шириной 0,2...0,6 мм. Их свойства при раз­ном уровне легирования сталей в большинстве случаев имеют промежуточные значения между свойствами ос­новного металла и металла шва. Влияние этих просло­ек на снижение работоспособности сварного соедине­ния незначительно при условии, что электродный (наплавляемый) металл того же структурного класса, что и свариваемые, например, ВСтЗ + 09Г2 + Э46.

Если же стали одного структурного класса (напри­мер, перлитные) свариваются электродными материала­ми другого структурного (например, аустенитными) класса, то в результате перемешивания у границы сплав­ления образуются кристаллизационные прослойки пе­ременного состава, содержащие, как правило, 3... 12%Сг и 2...8%Ni и имеющие чаще всего мартенситную струк­туру (см. диаграмму Шеффлера). Ширина таких просло­ек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла шва. Например, при сварке стали ЗОХГСА электродом типа Э-12Х18Н9 ширина мартенситной прослойки X будет больше, чем при сварке электродом типа Э-Х15Н25МЗТ (рис. 15.1).

2. При сварке разнолегированных сталей (низколеги­рованной с высоколегированной) сварочными матери­алами, содержащими большое количество энергичных карбидообразователей (Сг, С, Мп, Ті, V), в близлежащих ко шву зонах с обеих сторон возможно образование диф­фузионных переходных прослоек fособенно при длитель­ной эксплуатации и высоких температурах). Такой про­цесс характерен при сварке перлитных сталей (09Г2, 12ХМ) с перлитными сталями более высокого легиро­вания (12Х1МФ) или перлитных сталей с высоколеги­рованными мартенситными, ферритными или аустенит - ными сталями, т. е. сталями другого структурного класса. В этом случае в зоне сплавления со стороны менее легированной стали образуется обезуглероженная зона, а со стороны более легированного шва или более легированной стали — прослойка науглероженного ме -

пшлла высокой твердости, содержащего большое коли­чество карбидов. Наибольшей ширины прослойки дос - іигают в зоне сплавления углеродистой стали с аусте - нитной Объясняется это интенсивной диффузией углерода из шва к элементам-карбидообразователям при длительном воздействии температур нагрева Т > 450— 800 "С и образованием в результате диффузии термичес­ки стойких карбидов типа Cr23C6, МоС, VC, НС и др. Ьолыиое влияние на ширину этих прослоек оказывает количество углерода в менее легированной стали (или шве): чем оно ниже, тем шире зона обезуглероживания, гак как углерод диффундирует в шов из более отдален­ных от линии сплавления участков. В то же время по­вышение содержания углерода в шве увеличивает про - гяженность науглероженной прослойки. Указанные процессы часто вызывают в шве хрупкие разрушения в процессе длительной эксплуатации при высоких темпе­ратурах из-за изменения в течение времени эксплуата­ции структурного состояния шва или участков околошов­ной зоны (по существу протекает процесс термического старения).

3. При сварке толстостенных соединений из сталей разного легирования в швах и околошовных участках во шикает объемное напряженное состояние, вызывающее хрупкие локальные разрушения соединения. Например, пониженная прочность обезуглероженной зоны стано­вится причиной разрушения под действием коррозион­ной среды (коррозионное растрескивание)

Говоря о неоднородностях соединений в участках сплавления, необходимо иметь в виду, что степень их от­рицательного проявления зависит не только от химичес­ких составов основных и электродных материалов, но и or долей участия основного металла в шве и степени проплавления стыкуемых кромок, т. е. по существу от режимов сварки и типов соединений, техники выпол­нения швов и т. п.

Прогнозировать и оценивать состав и сгруктурное со­стояние металла шва и зоны сплавления из высоколе­гированных сталей можно по диаграмме Шеффлера (см. рис. 13.3). Используя ее, можно выбирать сварочные ма­териалы, определять влияние режимов (доли участия) сварки на структуру шва, принимать решение о необхо­димости термической обработки и условиях эксплуата­ции сварного соединения. Следует, однако, подчеркнуть, что структурное состояние швов из низколегированных сталей по диаграмме Шеффлера определяется весьма ориентировочно, так как диаграмма не отражает фазо­вых превращений в сварном соединении.

В практике сварочного производства встречаются в основном два варианта технологии сварки разнородных сталей:

1) сварка сталей одного структурного класса, но раз­ного легирования;

2) сварка сталей разного структурного класса и раз­ного легирования.

Рассмотрим подробнее основные особенности свари­ваемости, техники и технологии сварки по обоим вари­антам.