Сварка разнородных сталей

Сварочные материалы для соединения разнородных сталей

В результате проведенных исследований был установлен опти­мальный состав сплава, пригодный для металла шва соединений разнородных сталей. Он оказался таким, что для сварки этих сталей потребовалось разработать специальные сварочные мате­риалы. Первый из таких материалов был разработан автором со­вместно с В. В. Снисарем [26]. Это проволоки марок ЭП622, ЭП673 и ЭП606 (табл. 13). Первая из них предназначена для сварки сталей в конструкциях, эксплуатируемых при температурах 350—450° С, вторая —- 450—550 и третья — выше 550° С. Каждая из этих прово­лок может быть использована и при изготовлении конструкций, которые работают при температурах, ниже указанных пределов. Однако такое их использование нежелательно по экономическим соображениям. В некоторых случаях, наоборот, той или иной из них можно производить сварку конструкции, предназначенной для работы при температуре, превышающей ту, которая для нее до­пустима. Это может быть в том случае, если используемая в кон­струкции перлитная сталь выбирается, исходя не из допустимой для нее температуры, а из каких-либо других соображений. На­пример, в нефтеперерабатывающей аппаратуре широко используется сталь Х5М. Здесь она может быть использована и в тех аппаратах, которые должны работать при температуре, значительно меньше допустимой для этой стали, в связи с тем, что сталь Х5М обладает хорошей стойкостью против коррозии от воздействия сернистых соединений, содержащихся в нефти некоторых месторождений. В этом случае сварка стали Х5М с аустенитной может произво­диться проволокой ЭП622, а не ЭП673, которую следует применять

для сварки этой стали, если она используется, исходя из допустимой для нее температуры.

Указанные проволоки в сочетании с флюсом АН-15М или АН-20 обеспечивают получение металла шва, стойкого против образования трещин. Трещины отсутствуют даже при сварке таких жестких соединений, как специальные образцы, собираемые по схеме, приведенной на рис. 74. Трещин в металле шва жестких образцов не обнаружено не только на его поверхности, но и в макрошлифах.

Рис. 76. Микроструктура металла шва, получаемого при сварке под флю­сом аустенитной стали с неаустенит - нои проволоками ЭП622 (о), ЭП673 (б) и ЭП606 (е), ХЗОО.

хотя металл шва, получаемый при сварке этими проволоками, имеет чисто аустенитную структуру (рис. 76)..

При сварке проволоками ЭП622, ЭП673 и ЭП606 под флюсом АН-15М или АН-26 получается металл шва, химический состав ко­торого приведен в табл. 14. В табл. 15 приведены его механические свойства. Сравнение этих данных с данными табл. 9, где указаны требуемые механические свойства наиболее распространенных сварных соединений разнородных сталей, показывают, что все три типа металла шва удовлетворяют предъявляемым требованиям.

Зона сплавления металла шва с неаустенитным металлом в со­единениях, выполненных проволоками ЭП622, ЭП673 и ЭП606, вполне стабильна, если соединения эти эксплуатируются в усло­виях температур, для которых рекомендуются упомянутые про-

волоки. Длительный нагрев ее при этих температурах не вызывает образования той структурной неоднородности, которая наблюдается в нестабильной зоне сплавления разнородных сталей. В подтверж­дение сказанному на рис. 77 приведены микроструктуры зоны сплавления всех трех типов металла шва с неаустенитной сталью
после длительных (1990—5140 ч) выдержек при предельно допусти­мой для данного металла шва температуре.

Как известно, важным требованием, предъявляемым к металлу, который используется в конструкциях, эксплуатируемых при высо­ких температурах, является стабильность его структуры и свойств. Требование это обусловлено тем, что во многих металлах при не­благоприятном составе вследствие длительного воздействия высо­кой температуры происходит изменение структуры, в результате

Рис. 77. Микроструктуры металла зо­ны сплавления, ХІ50:

а — сталь 45, проволока ЭП622, выдержка 5140 ч при 450° С; б — сталь Х5М, проволо­ка ЭП673, выдержка 2000 ч при 550° С; е— сталь 12ХМФ, проволока ЭП606, выдержка 1990 ч при 580° С.

чего металл теряет присущие ему механические свойства. В угле­родистых и легированных перлитных сталях при этом происходит сфероидизация цементита и коагуляция карбидных выделений, что приводит к охрупчиванию металла. В сталях и сплавах аустенит­ного класса нагрев до температур, при которых эксплуатируются комбинированные конструкции (350—600° С), может вызвать вы­падение и коагуляцию вторичных карбидов, а также появление интерметаллидных фаз, таких как о-фаза, х-фаза, фазы Лавеса типа Ме2 • Ме'! (например Fe2W или Fe2Mo), у'-фазы (Ni3Al, Ni3Ti и др.).

Нагрев аустенитных сталей с двухфазной (аустенитно-феррит - ной) структурой в указанном интервале температур настолько их охрупчивает, что такие стали не следует применять в конструкциях, работающих при этих температурах, особенно, если они содержат
более 5—8% феррита. При кратковременном нагреве этик сталей появляется так называемая «475-градусная хрупкость». В случае длительного нагрева происходит перерождение 6-феррита в о-фазу.

В аустенитных сталях и сплавах из интерметаллидных фаз, ко­торые весьма сильно охрупчивают металл, наиболее легко и часто образуется о-фаза. В настоящее время имеются данные, свидетельст­вующие о том, что эта хрупкая структурная составляющая обра­зуется не только из феррита вследствие превращения 6(a) — о, но и непосредственно из аустенита по схемеу а - Иными словами, сейчас принято считать, что к образованию о-фазы при нагреве склонны не только двухфазные, но и чисто аустенитные стали.

Образование сг-фазы возмож­но даже в сплавах на никеле­вой основе [104]. О возможности появления сг-фазы предложено судить по числу вакансий элек­тронов, которое подсчитывается по формуле:

Nv = 4,66 (атомн. % Сг +

-Ьатомн. % Мо)+1,71 (атомн.%

Со) + 0,61 (атомн.% Ni).

Предполагается, что о-фаза появляется в том случае, если Nv больше 2,32. Более точно оце­нить склонность аустенитного металла к появлению о-фазы позволяет исследование микро­структуры после длительного нагрева в интервале температур 650—875° С. В чисто аустенитном металле наиболее интенсивно эга фаза образуется при температурах 800—875° С [721. В металле, склонном к сигматизации, она появляется после 100 ч выдержки при таких температурах. Этим и объясняется тот факт, что для ускоренной оценки склонности исследуемого металлами сигмати­зации используется нагрев его в течение 100 ч при 800° С.

В металле шва, выполненного проволоками ЭП622, ЭП673 и ЭП606, не появляется о-фаза. После выдержки 100 ч при 800° С в междендритных участках обнаруживаются лишь незначительные выделения карбидов (рис. 78), количество которых в металле шва, выполненном проволокой ЭП673, несколько больше, чем в шве, получаемом при сварке проволокой ЭП622. В структуре металла шва, выполненного проволокой ЭП606, карбидные выделения имеют вид отдельных скоплений.

Что касается стабильности свойств, то в металлах, предназна­ченных для работы в условиях высоких температур, она оценива­ется прежде всего по падению ударной вязкости после длительной выдержки при рабочей температуре. В табл. 16 приведены средние результаты испытаний на ударную вязкость металла шва, получен­ного при сварке проволоками ЭП622, ЭП673 и ЭП606 в состоянии
после сварки и после длительных (до 2000 ч) выдержек при той температуре, которая является предельной для комбинированных конструкций, изготовляемых с применением данной проволоки. Здесь же для сравнения приведены аналогичные данные для ме­талла шва, выполненного проволоками марок Св-07Х25Н13 и Св- 10Х16Н25М6, которые используются при сварке разнородных ста­лей. Из этой таблицы видно, что ударная вязкость металла шва, получаемого при сварке проволоками ЭП622, ЭП673, и ЭП606, хотя и уменьшается при старении, но остается значительно выше вяз­кости металла шва, выполненного стандартными проволоками.1

Во многих случаях сварные соединения разнородных сталей имеют такие размеры и форму, что их можно выполнить только ручной сваркой. В связи с этим возникает необходимость иметь электроды, созданные с учетом особенностей, присущих сварке разнородных сталей.

Автором совместно с В. В. Снисарем, исходя из принципа, из­ложенного в гл. V, было предложено для ручной сварки разнород­ных сталей применять четыре типа электродов, которые должны отличаться друг от друга содержанием никеля в наплавляемом ими металле.

Электроды первого типа должны обеспечить в металле шва лишь такое количество никеля, которое исключает образование в нем малопластичной мартенситной структуры. Поэтому в качестве та­ких электродов могут быть использованы стандартные электроды аустенитного класса. При этом следует только учитывать, что на­плавляемый аустенитный металл в случае сварки разнородных сталей разбавляется расплавляемым свариваемым металлом, часть которого в конструкциях, изготовляемых из разнородных сталей* как правило, является неаустенитным. В таких условиях надежно - предупредить образование в металле шва мартенситной структуры: можно лишь при условии, что используемые электроды обеспечи­вают получение наплавленного металла с достаточным запасом аус- тенитности. Исходя из сказанного, сваривать разнородные стали,.

если хотя бы одна из них является неаустенитной, следует электро­дами с запасом аустенитности не ниже, чем у электродов типа ЭА-2.

Что касается остальных трех типов электродов, предназначен­ных для сварки разнородных сталей, то они должны обеспечивать в металле шва повышенное содержание никеля, как показано в гл. V: не менее 19% — электроды второго типа, 31% — третьего и 47% — четвертого. Повышение же содержания никеля в металле шва способствует образованию трещин. Особенно склонным к по­явлению трещин оказался металл шва с концентрацией никеля, приводящей к образованию однофазной чистоаустенитной струк­туры. Такой металл шва настолько склонен к образованию трещин, что появления их нельзя избежать при применении почти всех ра­нее существовавших электродов, обеспечивающих высоконикеле­вый металл шва. Так, в ряде случаев трещины, особенно при вы­полнении швов больших сечений, обнаруживаются в верхней части валика, выполняемого электродами типа ЭА-ЗМ6, при которых наплавленный металл содержит 25% никеля, и их по предложенной классификации следует отнести к электродам второго типа. По­этому сварка ответственных конструкций этими электродами про­изводится с удалением верхней части каждого наплавленного слоя механическим способом, что при многослойном шве существенно увеличивает трудозатраты на выполнение соединения.

Еще чаще образуются трещины при сварке электродами типа ЭА-4ВЗБ2. Наплавленный ими металл содержит 35% никеля и поэтому эти электроды можно отнести к электродам третьего типа. Кроме того, металл шва, получаемый при сварке электродами типа ЭА-4ВЗБ2, содержит сильные карбидообразующие элементы— титан, ниобий и вольфрам, которые вызывают образование струк­турной неоднородности в зоне сплавления его с неаустенитным.

Особенно трудно избежать образования трещин, если приме­няются электроды, при сварке которыми в металле шва образуется сплав на никелевой основе. В этом случае, как уже указывалось, необходимо обеспечить получение металла шва, легированного алюминием, ниобием, титаном, вольфрамом и другими элементами. Такие электроды вполне приемлемы для сварки жаропрочных спла­вов на никелевой основе. Сварка ими разнородных сталей в кон­струкциях, работающих при температурах 550—600° С, имеет те же недостатки, что и сварка электродами типа ЭА-4ВЗБ2.

В настоящее время для получения металла шва с таким содер­жанием никеля, которое должны обеспечивать электроды, отне­сенные к четвертому типу, широкое применение нашли лишь две марки электродов—ЦТ-28 и НМЕТ-4, разработанные для сварки жаропрочных никелевых сплавов. Однако при сварке электродами ЦТ-28 получается металл шва, содержащий до 4% вольфрама, наличие которого не требуется в металле шва сварного соединения разнородных сталей. Наличие вольфрама, как показано в гл. IV, приводит к образованию структурной неоднородности в зоне сплав­ления металла шва с неаустенитным металлом в соединении, под­вергаемом нагреву после сварки. Кроме того, металл шва, получае­мый при сварке электродами ЦТ-28, имеет невысокие пластические свойства и большую склонность к старению, что вполне допустимо для сварных соединений никелевых сплавов, работающих при 800—850° С, для которых предназначены эти электроды, и неприем­лемо для сварных соединений разнородных сталей.

Более приемлемыми по композиции получаемого наплавленного металла для сварки разнородных сталей могли бы быть электроды ИМЕТ-4. Однако стержни этих электродов изготовляются из про­волоки Х20Н80 (сплав ЭИ435). Для предупреждения при таком сравнительно небольшом содержании хрома и столь высокой кон­центрации никеля образования трещин в металле шва в обмазку этих электродов вводится 30% молибденового порошка. При этом в металле шва получается такое количество молибдена (10—12%), которое при указанном содержании хрома и никеля не всегда ис­ключает образование трещин в металле шва. Поэтому для сварки жестких и особо жестких конструкций количество вводимого в обмазку молибденового порошка рекомендуется увеличить до 50% (электроды ИМЕТ-4М) или 60% (электроды ИМЕТ-4П). Однако при столь существенном повышении содержания молибдена в на­плавленном металле (18—20% — электроды ИМЕТ-4М и 23—25% — электроды ИМЕТ-4П) заметно снижаются его пластические и вяз­кие свойства (б = 4,0% и а„= 0,2 гДж/см2 при сварке электрода­ми ИМЕТ-4П). Такие свойства вполне допустимы для соединения ряда жаропрочных сплавов, что соответствует назначению электро­дов ИМЕТ-4, но они неприемлемы для сварных соединений разно­родных сталей в конструкциях, эксплуатируемых при температу­рах выше 550° С.

Из изложенного следует, что для сварки разнородных сталей в конструкциях, работающих при температурах выше 350° С, необ­ходимо применять специальные электроды. Одним из таких вариан­тов являются электроды марок АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3, раз­работанные автором с В. В. Снисарем [27—29].

Электроды АНЖР-1 предназначены для сварки разнородных сталей в конструкциях, работающих при температурах 550—600° С, АНЖР-2 — при 450 -550° С и АНЖР-3 — при 350—450° С. Ука­занные температуры относятся к тем случаям, когда менее легиро­ванная сталь в изготовляемом соединении выбрана, исходя из до­пустимых для него температур эксплуатации. С учетом указанных температур, электроды АНЖР-1 могут быть использованы прежде всего для изготовления энергетического оборудования из разно­родных сталей. Электроды АНЖР-2 наиболее широко могут быть применены при сварке узлов нефтеперерабатывающих установок, а АНЖР-3 — современной химической аппаратуры.

Для изготовления электродов АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3 используются проволоки ЭП606 (электроды АНЖР-1). ЭП673 (АНЖР-2) и ЭП622 (АНЖР-3). И хотя эти проволоки обеспечивают

металл шва композиции, которая исключает образование трещин, при изготовлении из них электродов большое внимание следует уделять составу покрытия. Покрытие следует выбирать основного типа с содержанием таких компонентов, при которых сводится к минимуму насыщение металла шва кислородом, т. е. так называемое безокислительное покрытие на основефлюротового концентрата|411.

Технология изготовления электродов АНЖР-1. АНЖР-2 и АНЖР-3 не сложна. Указанные электроды обладают удовлетвори­тельными технологическими свойствами даже при сварке в пото­лочном положении. Они обеспечивают стабильное горение дуги, довольно равномерное плавление покрытия, равное распределе­ние шлаковой корки на поверх­ности наплавленного металла, нормальную ее отделимость и хо­рошее формирование усиления, если сварку выполняет свар­щик, обладающий навыком ра­боты с высоконикелевыми или хотя бы с обычными аустенит­ными электродами. Рекомендуе­мый ток сварки этими электро­дами приведен в табл. 17.

Металл, наплавляемый элек­тродами АНЖР-1. АНЖР-2 и АНЖР-3, стоек против образования горячих трещин и пор. При применении электродов АНЖР-3 в металле шва получают 20— 22% никеля. По стойкости наплавленного металла против образо­вания трещин электроды АНЖР-3 даже превосходят широко используемые электроды типа ЭА-ЗМ6 (НИАТ-5, ЭА-395/9 и ЭА-981/15) [301, которые обеспечивают такое же содержание никеля.

Химический состав и структура металла, наплавляемого элект­родами АНЖР-1. АНЖР-2 и АНЖР-3, соответствуют составу и структуре металла, получаемым при сварке проволоками ЭП622, ЭП673 и ЭП606. Поэтому сварное соединение, выполненное электро­дами АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3, обладает вполне стабильной структурой в зоне сплавления и имеет механические свойства, ко­торые удовлетворяют требованиям, предъявляемым к сварным со­единениям разнородных сталей.

При длительном воздействии температуры, превышающей опре­деленное значение, пластическая деформация металла, как извест­но, зависит не только от температуры испытания, но и от длительнос­ти приложения нагрузки. При таких температурах в случае дли­тельного воздействия нагрузки в металле может произойти пласти­ческая деформация от напряжений, значительно меньших его пре­дела текучести. Поэтому сварное соединение разнородных сталей в конструкциях, эксплуатируемых при высоких температурах дли­тельное время, должно подвергаться оценке с точки зрения пригод­ности его для такой работы.

1/2 6 1*189

Основной характеристикой, позволяющей оценить пригодность металла для длительной работы при высоких температурах, явля­ется предел длительной прочности. Поэтому должна обязательно определяться эта характеристика сварных соединений, предназна-

<v ГПа 0,20 0,15

0,10

<s.

ГПа--------------

0,2.

0,15

0,10 0,07 0,05

0,03
высоких) температурах. Как видно из рисунка, длительная проч­ность сварных соединении, выполненных предложенными электро­дами, полностью удовлетворяет предъявляемым требованиям. Она не ниже длительной прочности менее прочной стали, использован­ной в сварном соединении.

Следует отметить, что разрушение сварных соединений раз­нородных сталей, обладающих требуемым пределом длительной прочности, имеет некоторые особенности. В сварных соединениях разнородных сталей в отличие от соединений сталей с близким химическим составом, которые при испытании на длительную прочность разрушаются всегда в одном и том же месте и имеют один и тот же характер разрушения, с изменением температуры испыта­ния и величины нагрузки изменяются место и характер разрушения. Сварные соединения, разрушаемые при одних условиях по основ­ному металлу вдали от зоны сплавления и с высокими показателя­ми пластичности, с изменением условий испытания могут разру­шаться хрупко по зоне сплавления.

При нестабильной зоне сплавления отмеченная особенность раз­рушения соединений разнородных сталей является вполне законо­мерной. В таких соединениях с повышением температуры испыта­ния в зоне сплавления развивается структурная неоднородность, которая приводит к преждевременному разрушению конструкции.

Установлено, что сварное соединение разнородных сталей мо­жет быть разрушено по зоне сплавления также и тогда, когда в ней нет развитой структурной неоднородности [22]. В таких соеди­нениях место и характер разрушения образцов при испытании их на длительную прочность зависит от величины приложенной на­грузки. При довольно высоких нагрузках, вызывающих раз­рыв испытываемых образцов за сравнительно короткое время (до 1500 ч) разрушение происходит по основному (перлитному) металлу вдали от зоны сплавления и имеет вязкий характер. В слу­чае малых нагрузок, когда образцы разрываются за более длитель­ное время, они разрушаются по зоне сплавления и разрушение носит хрупкий характер.

Природа рассмотренной особенности разрушения сварных сое­динений разнородных сталей при длительном нагружении их в ус­ловиях высоких температур еще не выяснена. Специалисты выска­зывают предположение, что она обусловлена значительным разли­чием жаропрочности металла шва и свариваемой перлитной стали. Обусловленная этим различная их деформационная способность в условиях высоких температур приводит к тому, что при опреде­ленных температурах и времени воздействия приложенной нагруз­ки деформация испытываемого образца локализуется в зоне сплав­ления, что создает здесь концентратор напряжений, который и вы­зывает разрушение. Следовательно, одним из путей устранения разрушения сварных соединений разнородных сталей по зоне сплавления может быть приближение жаропрочности металла шва к жаропрочности используемой в соединении перлитной стали.