ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СВАРИВАЕМОСТЬ И ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Высокохромистые стали

Система легирования Fe-Cr-C является весьма интересной и по­служила для создания целого семейства сталей различных структур­ных классов, помимо высокой прочности обладающих весьма значи­тельной коррозионной стойкостью. Это тем более ценное свойство, что достигается оно за счет легирования стали дешевым и малодефи­цитным хромом. Высокая коррозионная стойкость хромистых ста­лей объясняется окисной пленкой, приводящей к пассивации ее по­верхности. В зависимости от содержания хрома коррозионная стойкость стали сохраняется до температур 600...800 °С, а с увеличе­нием его содержания обеспечивается окалиностойкость при высоких температурах (800...1100 °С).

Структура хромистых сталей может быть различна, что определя­ется процентным содержанием в них углерода и хрома. В зависимос­ти от развития структурных превращений хромистые стали подраз­деляются на 3 группы: с полным у -> а - превращением; с частичным у -> а - превращением; без превращения.

Стали первой группы имеют мартенситную структуру (20X13, 14Х17Н2 и др.), второй — мартенсито-ферритную структуру (12X13, 14Х12В2МФ) и третьей — ферритную (12X17, 08Х17Т). Сваривае­мость этих сталей тесно связана с их структурой. Наиболее затрудне­на сварка сталей М и М + Ф класса. Стали с мартенситной структу­рой при сварке в зоне и в шве (если химический состав шва подобен составу основного металла) закаливаются на мартенсит. Такие швы обладают низкой деформационной способностью, что на последней стадии охлаждения (при Т ~ 100 °С) может привести к образованию холодных трещин.

Большая, чем в ЗТВ, крупнозернистость металла шва также спо­собствует образованию в нем холодных трещин; к интенсификации этого процесса приводит и увеличение жесткости закрепления при сварке. Для предотвращения образования холодных трещин обычно применяется подогрев и модифицирование металла шва.

Температура подогрева выбирается в зависимости от склоннос­ти стали к закалке и жесткости (толщины) свариваемых элементов изделия. Практически температура подогрева колеблется в интер­вале 100..,250 °С, Верхний предел сопутствующего подогрева огра­ничен из-за опасности появления синеломкости металла. Однако любая температура подогрева не предупреждает распад по мартен- ситному механизму; металл ЗТВ имеет достаточно высокую твер­дость и низкую ударную вязкость. Это связано с высокими скорос­тями охлаждения даже нри наличии подогрева. Поэтому сварные соединения после их выполнения должны подвергаться термообра­ботке (высокому отпуску).

Наилучшими режимами термообработки являются или подсту - живание после сварки изделия примерно до 100 °С с выдержкой до двух часов (это необходимо для полного распада аустенита) с после­дующим нагревом до 700 °С и медленным охлаждением, или «отдых» после сварки в течение 10 ч, охлаждение до комнатной температуры с последующим высоким отпуском. Для обеспечения равнопрочности соединения отпуск после сварки рекомендуется давать при темпера­туре примерно на 20 °С ниже температуры отпуска стальных загото­вок до сварки.

Для сварки конструкций из М и М + Ф сталей применяют почти все разновидности сварки плавлением. Особое распространение по­лучили ручная сварка покрытым электродом, автоматическая сварка под флюсом и сварка в защитных газах.

Наиболее часто для этих способов сварочные материалы (элект­роды, электродную и присадочные проволоки) выбирают с таким расчетом, чтобы получить металл того же химического состава, что и основной. В этом случае после последующей термообработки удает­ся получить свойства сварного соединения, наиболее близкие к свой­ствам исходного металла. Если нет условий для такого усложнения технологии (сопутствующего подогрева и последующей термообра­ботки), то следует изменить подход и выбрать сварочные материалы, обеспечивающие аустенитную или аустенитно-ферритную структу­ру металла шва. В этом случае отпадает необходимость в последую­щей термообработке, так как деформационная способность металла шва повышается.

Для ручной сварки покрытыми электродами в зависимости от марки свариваемой стали можно рекомендовать:

- для стали марок 08X13, 12X13 электроды Э-12Х13 (марка УОНИ-13/Х13);

— для стали 15X11МФ электроды Э-12Х11НМФ (марка КТН-9).

Для автоматической сварки под флюсом:

— для стали 12X13 и 20X13 — проволоку марки Св-06Х13 и флюс АН-20;

— для сварки в среде углекислого газа сталей 12X13 и 20X13 — проволоку марки Св-08Х14ГНТ.

Основной особенностью свариваемости хромистых сталей фер - ритного класса является их повышенная склонность к росту зерна в ЗТВ и шве (если последний аналогичен по своему химическому со­ставу основному металлу). Для ослабления этого процесса рекомен­дуется применение способов сварки с сосредоточенными источника­ми тепла с ограничением погонной энергии.

При применении сварочных материалов, дающих в шве А или А+Ф структуру, необходимо учитывать разбавление металла шва рас­плавленным основным металлом с целью сохранения в шве структу­ры желаемого типа,

Аустенитные высоколегированные стали

К этому классу относятся стали, имеющие повышенное содержа­ние легирующих элементов, которые при всех температурах обеспе­чивают аустенитную структуру металла. Наиболее распространены стали системы легирования Cr-Ni. Стали этой системы являются аустенитными при содержании хрома и никеля не менее 16 и 7% соответственно. Такие стали немагнитны, обладают высокой хлад - ностойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью и коррозионной стойкостью в различных коррозионных средах. Как правило, они содержат минимальное количество углерода, обладая при этом дос­таточной прочностью и высокой пластичностью. При эакалке эти стали приобретают повышенную пластичность.

Структурные состояния сталей этого класса могут быть весь­ма разнообразными и зависят от содержания в стали элементов ферритизаторов и аустенизаторов (рис. 8,5). Приведенная на этом рисунке структурная диаграмма Шеффлера может быть исполь­зована и для подбора сварочных материалов в связке химсостав - структура. При этом эквивалентное содержание хрома и никеля в металле шва можно определять по формулам

[И})КВ =%М+ЭД°/С1-кЗО[%Ы]+й51%М1];

Рис. 8.5. Структурная диаграмма Шеффлера

СГжв =%Crf2*[%Мо]+1,5 х [%Si]+5 * [%Ti]+ +2*[°/<№]+2х[%А1]+1,5X[%W]+%V.

Подсчет содержания элементов в металле шва по этим формулам производят с учетом долей основного и дополнительного металла.

Особенностей свариваемости сталей этого класса, которые нужно учитывать при разработке технологии, несколько.

1. Опасность возникновения в металле шва и ЗТВ так называе­мой межкристаллитной коррозии (МКК). Механизм этого яв­ления, возникающего в определенной температурно-временной области, заключается в обеднении хромом пограничных обла­стей зерен металла за счет его диффузии к границам зерен и образованию там карбидов хрома.

Причиной этому может служить неблагоприятный режим сварки (рис. 8.6) (малые скорости охлаждения), когда есть достаточно вре­мени для диффузии атомов хрома из приграничных районов зерна к его границам и образованию там карбидов, что приводит к появле­нию зон металла, обедненных хромом. Они-то и подвергаются корро­зионному разрушению при работе изделия в агрессивных средах.

Для предупреждения МКК принимают ряд мер. Стараются сни­зить содержание углерода в стали до 0,02...0,03% (это уменьшает ко­личество карбидов, так как такое содержание углерода полностью растворимо в твердом растворе аустенита). Часто сталь (и сварочные материалы) легируют такими элементами как титан, ниобий, вана­дий, тантал. Эти элементы являются более энергичными карбидооб - разователями, чем хром, и раньше, чем хром, образуют карбиды, по­давляя, таким образом, появление карбидов хрома.

Если не удается получить высокую скорость охлаждения сварно­го соединения, можно применить стабилизирующий отжиг при

850.. .900 °С либо провести аустенизацию — нагрев до 1050...1100 °С с последующим быстрым охлаждением. Возможно также создание в шве аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20...25% путем дополнительного легирования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и пр.

Реализация некоторых из этих рекомендаций технологическим путем заключается в разработке таких технологий, которые позволя­ют получать величину скорости охлаждения, попадающей для дан­ной марки стали в инкубационный период образования карбидов хрома (см. рис. 8.6, кривая 2).

2. Наличие явно выраженной крупнодендритной столбчатой структуры металла шва, что повышает его чувствительность к

образованию горячих трещин. Для уменьшения этой опаснос­ти рекомендуется применение всех способов, приводящих к измельчению структуры: модифицирование металла титаном и ниобием, применение физических способов (введение виб­рации, ультразвука, электромагнитное перемешивание), а так­же введение в шов элементов ферритизаторов, приводящих к получению в шве островков б-феррита. Следует также избе­гать режимов сварки, приводящих к узкой и глубокой форме провара. Актуальным, особенно в глубокоаустенитных швах, является уменьшение содержания таких примесей как фосфор и сера, образующих легкоплавкие эвтектики.

3. Диффузионные процессы (особенно для жаропрочных сталей), происходящие в сварных соединениях при высоких температу­рах их эксплуатации. Так, термическое старение в диапазоне температур 350...500 °С вызывает появление «475-градусной хрупкости».

При температурах 500...650 °С наблюдается выпадение карбидов и образование а-фазы, происходит выпадение интерметаллидов. Все эти процессы теплового старения приводят к охрупчиванию металла при низких температурах и снижению прочности при высоких. Эф­фективной мерой, предотвращающей вредное действие теплового старения, является уменьшение содержания углерода как в основном металле, так и металле шва.

Технология сварки сталей этого класса должна строиться с учетом как указанных особенностей, так и их теплофизических свойств. Пос­ледние характеризуются низкими значениями коэффициента тепло­проводности и высокими значениями коэффициента линейного рас­ширения. Отсюда вытекает (при прочих равных условиях по сравнению с перлитными сталями) увеличение глубины проплавления. Для умень­шения деформаций наилучшими способами и режимами сварки бу­дут те, которые характеризуются максимальной концентрацией тепло­вой энергии.

Технологические способы борьбы с образованием трещин предус­матривают изыскание конструктивных форм сварных соединений и режимов сварки, снижающих темп нарастания деформаций в про­цессе остывания соединения. Важной является форма проплавления, которая не должна быть глубокой при малой ширине (опасность по­явления горячих трещин по плоскости спайности кристаллитов в сва­рочной ванне при кристаллизации).

Для сварки этого класса сталей применимы практически все спо­собы сварки плавлением.

При ручной сварке плавящимся покрытым электродом основной трудностью является стабильное обеспечение требуемого химичес­кого состава шва в зависимости от его пространственного положения при различных типах сварного соединения с учетом изменения коли­чества наплавленного металла и глубины проплавления основного. Это достигается в основном за счет корректировки состава покрытия (по содержанию в шве необходимого количества феррита).

Тип покрытия — основной (например, фтористокальциевое), ток постоянный обратной полярности. Швы рекомендуется выпол­нять на малых токах при минимальном диаметре электрода (во из­бежание появления горячих трещин). При сварке наиболее рас­пространенных коррозионностойких сталей марок 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и т. д. рекомендуется при­менять электроды типа Э-04Х20Н9, Э-07Х20Н9, Э-08Х19Н10Г2Б марки ЦЛ-11 и др.

При сварке ответственных конструкций следует применять меры, предотвращающие попадание капель расплавленного металла на по­верхность основного металла во избежание микротермических уда­ров, способных при эксплуатации вызвать коррозионное растрески­вание под напряжением в этих районах.

Автоматическая сварка под флюсом широко распространена для изготовления конструкций из элементов в толщинах 4,0...60,0 мм. При этом процесс обеспечивает высокая стабильность химического со­става шва по длине с одновременной хорошей защитой шва и его фор­мированием. Ток постоянный, полярность - в зависимости от марки применяемых флюсов. Режимы по току невелики (по сравнению с перлитными сталями). Легирование шва производят через флюс или через проволоку. Флюсы безокислительные или малоокислительные (низкокремнистые фторидные или высокоосновные безфтористые). Широко применяются марки АН-26, 48-ОФ-Ю и АНФ-14. В зави­симости от марки свариваемой стали выбирается система флюс-про­волока (например, для стали 20Х23Н8 проволока Св-13Х25Н18, флюс АНФ-5).

При сварке в защитных газах используют как активные газы (СОг), так и инертные (аргон, гелий) либо их смеси. Здесь (особенно при применении смесей) появляется возможность широко регулировать форму проплавлення, повышать стабильность горения дуги и умень­шать угар легирующих элементов. При сварке в инертных газах воз­можно применение как неплавящегося (вольфрамового), так и пла­вящегося электрода. Первый применяют для сварки металла небольших толщин либо для обеспечения качественного проплавле­

ния корня шва. Вольфрамовый электрод применяют в сочетании с аргоном высшего или первого сорта для выполнения соединений в толщинах до 12,0 мм (что не исключает применения способа и для сварки больших толщин).

Сварка ведется на постоянном токе прямой полярности во всех пространственных положениях непрерывной или импульсной дугой. Последний способ при отличном формировании шва на малых тол­щинах позволяет уменьшить деформации и ширину ЗТВ, получить дезориентированную структуру первичной кристаллизации шва, уменьшая этим опасность возникновения горячих трещин. При свар­ке плавящимся электродом можно регулировать состав наплавлен­ного металла за счет изменения состава защитной атмосферы.

Сварку плавящимся электродом выполняют как в инертных, так и в активных газах или их смесях. В зависимости от плотности тока и диаметра электродной проволоки перенос металла в дуге может быть капельный и струйный (последний представляется бо­лее предпочтительным — при нем практически исключается раз­брызгивание).

Струйный перенос кроме критического тока связан с составом газовой атмосферы. Так, добавка 3-5% кислорода уменьшает вели­чину критического тока и (за счет окисления) уменьшает пористость, вызванную водородом. Последнее достигается смесью 85...80% Аг + + 15...20% СО^. Эта смесь дешевле чистого аргона, однако, здесь суще­ствует опасность выгорания легирующих элементов из наплавляемо­го металла. Этот же процесс сопутствует сварке в чистом СО^, как и определенное науглераживание наплавленного металла.

Сила тока при сварке вольфрамовым электродом выбирается в зависимости от его диаметра, а при сварке плавящимся электродом — в зависимости от диаметра электродной проволоки и толщины сва­риваемых элементов. Так, для толщины 4,0 мм встык без разделки кромок сварка ведется в один проход dt = 1,0... 1,6 мм; I = = 160—280 А; расход аргона <р = 6...8 л/мин, а сварка толщины 8,0 мм с V-образной разделкой — в два прохода проволокой dt = 1,6...2,0 мм при силе тока /в = 240...340 А, при расходе <р =12-15 л/мин.