Сварка разнородных сталей

Ширина слоя переменного состава и способы ее регулирования

Согласно диаграммам структурного состояния высоколегирован­ных (хромоникелевых, хромистых) сталей, в переходном слое, об­разующемся в зоне сплавления разнородных сталей, неизбежно появляется прослойка металла с химическим составом, который в обычных условиях должен приводить к возникновению мартен- ситной структуры. Между тем металлографически такая структура в рассматриваемом слое не всегда обнаруживается. Так, на рис. 20 отчетливо видно, что в зоне сплавления используемых здесь раз­нородных сталей нет мартенсита, хотя в ней, как это следует из рис. 16, обнаруживается слой промежуточного состава.

Поскольку при металлографических исследованиях в зоне сплавления разнородных сталей часто не обнаруживается мартен - ситных структур, некоторые исследователи утверждают, что такие структуры здесь отсутствуют. Причиной отсутствия этих структур считают специфические условия кристаллизации металла шва в зоне сплавления. Так, фиксируемое при обычном металлографическом исследовании отсутствие мартенсита в зоне сплавления стабильно - аустенитного металла с неаустенитным предложено объяснять тем, что здесь из-за большой скорости охлаждения не происходит рас­пада аустенита даже в зоне с пониженным содержанием хрома и никеля [63].

Однако в ряде случаев сварные соединения разнородных сталей разрушаются преждевременно по участку металла шва, непосред­ственно прилегающему к границе сплавления, причем разрушения

эти носят хрупкий характер, несмотря на то что используемые здесь сплавляемые металлы сами по себе обладают достаточно высокой пластичностью и вязкостью. Исследование химического состава металла на поверхностях излома показало, чго происходят такие разрушения в зоне, которая по своему составу является промежуточной относительно сплавляемых металлов [13]. При этом установлено, что чаще всего разрушение происходит в зоне метал­ла, содержащего 5—7% хро­ма и 4—6% никеля (рис. 21), т. е. металла с химическим составом, при котором в обыч­ных условиях охлаждения неизбежно образуется мар­тенсит.

Таким образом, можно ут­верждать, что в зоне сплав­ления разнородных сталей в переходном слое образуется малопластичная мартенсит - ная структура. Утверждение об отсутствии здесь мартен­сита можно объяснить тем, что выявление структуры смежных металлов, заметно отличающихся по химическо­му составу и физическим свой­ствам, зависит от их хими­ческих потенциалов [41]. Со­существующие металлы в этом случае являются гальвани­ческим элементом, в котором один служит катодом, дру­гой — анодом. Катод обла­дает положительным элек­тродным потенциалом и по­этому стоек против коррозии (травления). Анод имеет отрицательный электродный потенциал, в связи с чем его склонность к коррозийному разрушению повы­шена.

В зоне сплавления высоколегированного металла с низко - или среднелегированным мартенситная структура переходного слоя в силу присущих ей специфических физико-химических свойств может быть катодом и поэтому будет катоднозащитной для смежных структур, являющихся протекторами по отношению к ней. В таком случае структура мартенсита не проявляется и ее нелегко обнару­жить в зоне сплавления разнородных сталей. Например, мартенсит в переходном слое зоны сплавления аустенитного металла типа Х25Н13 с армко-железом и низкоуглеродистой сталью удалось
обнаружить благодаря применению специальной методики травле­ния [78, 85].

Выявление мартенсита в зоне сплавления разнородных сталей затруднено еще и потому, что на протекающий здесь процесс мар - тснситного превращения оказывает влияние присущее этой зоне особое напряженное состояние, которое может проявляться, на­пример, в формировании малоугловых дислокационных границ и приводить к дополнительному наклепу металла мартенситной прослойки. Напряженное состояние зоны сплавления зависит от типа сплавляемых металлов. Этим, вероятно, и объясняется тот факт, что с помощью' указанной методики нельзя выявить мартен­сит в зоне сплавления аустенитного металла с перлитной сталью,

содержащей повышенное количество углерода — сталью 50. По этой, видимо, причине с использованием указанной методики ав­тору также не удалось выявить мартенсит в зоне сплавления под­вергнутых исследованию вариантов соединения разнородных ста­лей . Понадобилось разработать новую методику, сущность которой состоит в длительном (60 мин и более) химическом травлении в горячем растворе 10 г пикриновой кислоты и 50 г едкого натра в 100 мл воды.

Неизбежное образование в зоне сплавления сталей, сильно от­личающихся по химическому составу, переходного слоя с мартен­ситной структурой и является причиной возникновения в металле шва холодных трещин, которые располагаются непосредственно на границе сплавления и поэтому называются отрывами. Типичный вид этих трещин показан на рис. 22, на котором приведены макро­структура с отрывом, полученным в сварном соединении стали ЗОХГСА, выполненном аустенитной хромомарганцевой проволокой Св-08Х20Н10Г6 (а), и микроструктура (Х300) в месте отрыва (б).

Поскольку при сварке разнородных сталей в зоне сплавления неизбежно образуется переходный слой с малопластичными струк­турами, для получения сварного соединения требуемого качества
необходимо применить способ сварки, который позволил бы нейтра­лизовать вредное влияние этого слоя.

Одним из способов нейтрализации вредного влияния образую­щегося в зоне сплавления переходного слоя является уменьшение его ширины до минимума. Поэтому выбирать нужный способ свар­ки следует с учетом тех процессов и факторов, которые определяют формирование в зоне сплавления разнородных сталей переходного слоя, и прежде всего ширину мартенситной прослойки.

В настоящее время уже известны некоторые способы сужения переходного слоя и мартенситной прослойки, образующихся в зоне

сплавления аустенитного металла с перлитным. Это прежде всего исполь­зование технологии сварки, обеспечи­вающей в аустенитном металле, сплав­ляемом с перлитным, высокое со­держание никеля [32], или примене­ние методов сварки, способствующих уменьшению глубины проплавления •основного металла [9], или использование таких технологических приемов, которые увеличивают подвижность металла сварочной ванны у ее границы (вибрация свариваемого изделия, ультразву­ковые или электромагнитные колебания).

Влияние содержания никеля в аустенитном металле на изме­нение ширины мартенситной прослойки можно объяснить с по­мощью схемы, показанной на рис. 23. При составлении схемы пред­полагалось, что количество хрома в этой прослойке постоянно, поскольку оно в современных аустенитных сплавах изменяется ■сравнительно мало (в пределах 15—20%), и что прослойку состав­ляют сплавы, содержащие никеля 5—6% и меньше. Оба эти пред­положения существенно отличаются от действительности. Как пока­зывает рентгеноспектральный микроанализ, содержание хрома в переходном слое, в том числе и в мартенситной прослойке, может

изменяться существенно — от 0 (перлитная сталь) до 25% (аусте - нитный металл). Существенно отличается от принятого при состав­лении схемы и содержание никеля в металле мартенситной прослой­ки. Следовательно, указанной схемой можно пользоваться только для сугубо ориентировочных суждений и ни в коей мере по ней нельзя устанавливать количественные характеристики влияния содержа­ния никеля или другого фактора на ширину мартенситной про­слойки. Для этого нужны прямые экспериментальные данные.

На рис. 24 приведены экспериментальные данные, полученные автором совместно с. В. В. Снисарем и Д. П. Новиковой при иссле­довании наплавок, выполненных под флюсом на углеродистую сталь аустенитными проволока­ми, обеспечивающими изменение никеля в наплавленном металле от 5 до 54,0% . В процессе ис­следования прежде всего уста­навливали ширину переходного слоя и ее изменение с измене­нием содержания никеля в аус­тенитном металле. Определяли эту ширину по кривым измене­ния в зоне сплавления концент­рации никеля и хрома, записан­ным на микроанализаторе. Как следует из рис. 24, в условиях проведенных исследований ши­рина переходного слоя состав­ляет 85—95 мкм. С изменением содержания никеля в аустенитном металле она изменяется настолько незначительно, что практически ее можно считать постоянной.

Ширину мартенситной прослойки определяли металлографи­ческим путем на шлифах, протравленных по специально разрабо­танной методике, сущность которой изложена выше. Предложен­ная методика позволила довольно четко выявить структуру мартен­ситной прослойки, образовавшейся в исследованных наплавках (рис. 25). В результате установлена зависимость ширины этой прослойки от содержания никеля в аустенитном металле. Как видно из рис. 24, с увеличением содержания никеля в аустенитном метал­ле ширина образуемой в зоне сплавления мартенситной прослойки резко уменьшается. При концентрации его 30% и более мартен­ситная прослойка практически полностью отсутствует. Это под­тверждает микроструктура металла зоны сплавления в шлифе с на­плавкой, содержащей 37,7% никеля (рис. 26).

Полученная зависимость, а также ранее опубликованные данные [97] позволяют наметить «критическое» содержание никеля в аус­тенитном металле, сплавляемом с перлитным, т. е. такое его мини­мальное содержание, при котором образующаяся в зоне сплавления мартенситная прослойка не сказывается на работоспособности свар-
ного соединения. Если учесть, что на работоспособности соедине­ния не сказывается прослойка шириной до 15 мкм [97], то, согласно рис. 24, «критическое» содержание никеля в обычном (содержащем 15—20% хрома) хромоникелевом аустенитном металле, сплавляе­мом с перлитным, должно составить 14% . При уменьшении содер-

жания этого элемента увеличивается ширина образующейся в зоне сплавления мартенситной прослойки. При чрезмерно низком его количестве мартенситная структура образуется во всем сечении шва. В этом случае неизбежно возникают холодные трещины, рас­полагающиеся вдоль шва по его середине (рис. 27).

Таким образом, можно счи­тать, что повышение содержа­ния никеля в аустенитном метал­ле является одним из способов сужения мартенситной прослой­ки, образующейся в зоне сплав­ления его с перлитной сталью, причем довольно эффективным.

Однако он не всегда может быть применен в сварочном производ­стве, и поэтому необходимо при­менить другой способ регулиро­вания ширины рассматривае­мой прослойки.

Согласно существующему представлению, возникновение мар­тенситной прослойки в зоне сплавления аустенитного металла с пер­литным обусловлено недостаточным перемешиванием жидкого ме­талла сварочной ванны у ее границы. Длительное время принято было считать, что металл шва в поперечном сечении имеет одинако­вый химический состав. Такое мнение обосновывалось тем, что металл сварочной ванны должен быть хорошо перемешан в резуль­тате механического действия дуги, под воздействием сил электри­ческого происхождения, а также конвекции, вызываемой нагревом

различных зон жидкого металла ванны до различных температур. Лишь недавно установлено, что обнаруживаемый в металле шва непосредственно у границы сплавления слой промежуточного со­става формируется уже в сварочной ванне [63]. Рассматривая схему сварочной ванны как участок сужающегося канала (желоба) с дви­жущейся в нем жидкостью, автор этой работы установил те фак­торы, которые определяют формирование указанного слоя. Таким фактором является, прежде всего, неизбежное образование у сте­нок канала слоя жидкости, скорость движения которой в этом слое значительно меньше, чем в слоях, удаленных от стенок. Особенно четко выделяется этот слой в потоке с турбулентным движением, которое характерно для сварочной ванны.

Для выяснения причины указанного изменения в скорости дви­жения жидкого металла у границы сварочной ванны использовано известное в гидродинамике положение, что скорость движения жидкости в трубе изменяется в ее сечении (от стенки до оси трубы) по закону, который выражается кривой, асимптотически прибли­жающейся к параболе. Математически это изменение определяется выражением

v/Ь = 2[1 — (v//?)2],

где v— истинная скорость движения жидкости в трубе на данном расстоянии от ее оси; v — средняя скорость течения жидкости в трубе по поперечному сечению; v — кинематический коэффициент вязкости (кинематическая вязкость), равный отношению вязкости жидкости к ее плотности.

Приведенное выражение показывает, что изменение скорости движения жидкости в трубе является функцией радиуса трубы:

v/v = f(R).

Следовательно, ширина слоя, в котором значительно снижается скорость движения жидкости, зависит от диаметра трубы (канала). Поэтому, исходя из указанной схемы сварки, можно считать, что ширина переходного слоя, образуемого в зоне сплавления сварного соединения разнородных сталей, должна изменяться с изменением размеров поперечного сечения (ширины и глубины) сварочной ван­ны. В таком случае ее можно регулировать с помощью тех же фак­торов, которые изменяют указанные размеры сварочной ванны. К таким факторам относится прежде всего режим сварки.

Расчеты [63] показали, что с изменением режима сварки (увели­чением силы сварочного тока и снижением скорости сварки) дейст­вительно можно заметно изменить ширину переходного слоя: она будет находиться в пределах 0,25—0,6 мм. Проведенные впослед­ствии эксперименты качественно подтвердили теоретические пред­положения, была лишь несколько скорректирована количественная оценка возможной ширины переходного слоя. Для обычных режи­мов ручной и автоматической сварки ее предложено считать в пре­делах 0,25—0,5 мм [63].

Автор исследовал возможность изменения ширины переходного слоя путем изменения режима при автоматической сварке под флю­сом. При этом изучалось влияние изменения основных составляю­щих режима сварки: силы сварочного тока, напряжения на дуге и скорости сварки. При исследовании влияния силы сварочного тока напряжение дуги и скорость сварки сохраняли постоянными (Up,— 30...32 В, Оси = 18,5 міч). Силу тока изменяли от 300 до 750 А. Влияние напряжения дуги исследовали при постоянных зна­чениях силы тока (/д= 440...460 А) и скорости сварки (vCK —

— 18,5 ы/ч). Напряжение дуги при этом изменяли от 24 до 51 В. Для исследования влияния скорости свар­ки постоянными выдерживали силу тока (/д = 440...460 А) и напряже­ние дуги (Нд = 32...34 В). Скорость сварки при этом изменяли от 13,5 до 62,0 м/ч.

Ширину переходного слоя опреде­ляли по кривым распределения хрома и никеля в зоне сплавления, запи­санным с помощью микрозонда. Как показывают полученные результаты (рис. 28), ширина переходного слоя, образуемого в зоне сплавления раз­нородных сталей, изменяется с изме­нением режима сварки: увеличива­ется с повышением силы тока и на' пряжения и уменьшается с увеличе­нием скорости сварки. Наиболее силь­ное влияние оказывают напряжение дуги и скорость сварки.

Полученные данные показывают, что при практически используемых переходного слоя составляет 0,06— 0,16 мм, т. е. его максимальная ширина не превышает 0,2 мм. Мак­симальную ее ширину можно получить при сварке с большой силой. тока и высоким напряжением, используя при этом минимальную ско­рость сварки, применяемую в практике сварочного производства. Аналогичные результаты (80—115 мкм) получены при исследовании изменения химического состава в зоне сплавления разнородных сплавов с помощью электронного микроанализатора [84]. Близкие к приведенным значения ширины переходного слоя можно получить и расчетным путем, если исходить не из указанной, а другой модели сварочной ванны. Отличительной особенностью новой модели яв­ляется то, что она учитывает присущие сварочной ванне более вы­сокие скорости движения жидкого металла и завихрения, возни­кающие в его пограничном слое, которые усиливают перемешивание и тем самым уменьшают ширину переходного слоя.

Возможность изменения в зоне сплавления разнородных сталей ширины мартенситной прослойки путем изменения режима сварки исследовалась автором совместно с В. В. Снисарем и Д. П. Но­виковой. Использовались наплавки аустенитного металла типа Х25Н13 на углеродистую сталь СтЗ, выполненные под флюсом. Для исследования влияния силы сварочного тока наплавки выпол­нялись при постоянных значениях напряжения дуги ((/д= 30... 32 В) и скорости сварки (осв = 18,5 м/ч). Силу сварочного тока изменяли от 400 до 750 А. Влияние скорости сварки исследовали при постоянных значениях силы тока (Іє = 600...620 А) и напряже-

ния дуги (Пд= 32...34 В). Скорость сварки изменяли от 13,5 до 71 м/ч. При исследовании влияния напряжения дуги неизменными были сила тока (/д= 400...420 А) и скорость сварки (иСв= 36,5 м/ч). Напряжение дуги изменяли от 28 до 48 В.

Полученные результаты приведены на рис. 29. Как видно, ши­рина мартенситной прослойки существенно изменяется с изменени­ем всех основных составляющих режима сварки. Причем увели­чение силы сварочного тока вызывает увеличение ширины мартеи- ситной прослойки (рис. 29, кривая 1), что является неожиданным, так как с повышением этой составляющей режима сварки должна увеличиваться подвижность металла сварочной ванны, а следова­тельно, уменьшаться ширина прослойки. Отмеченный факт можно объяснить, если учесть, что с увеличением силы сварочного тока увеличивается доля основного (перлитного) металла (в исследуе­мых наплавках она изменяется от 48 до 70%), в результате чего
снижается запас аустенитности металла наплавки, что, как сле­дует из рис. 24, увеличивает ширину мартенситной прослойки. Что­бы исключить влияние доли основного металла на ширину про­слойки, была выполнена серия наплавок, в которых путем приме­нения различных технологических приемов (изменение полярности, сварка на удлиненном вылете и др.) доля металла при изменении силы тока выдерживалась одинаковой. В полученных наплавках она составляла 37—40% . Результаты этих исследований приведены на рис. 30 (кривая 1). Отчетливо видно, что в этом случае увеличе­ние силы сварочного тока, как и следовало ожидать, сужает мартенситную прослойку.

Увеличение ширины мартенситной прослойки при увеличении силы сварочного тока без применения специальных мер, сохраняю­щих долю основного металла постоянной, свидетельствует о том, что изменение доли основного металла оказывает на ширину этой прослойки более сильное влияние, чем изменение силы сварочного тока. Весьма сильное влияние доли основного металла, особенно при ее содержании 30% и выше, на ширину мартенситной прослойки подтверждают и результаты специальных экспериментов (рис. 30, кривая 2), в которых при одной и той же силе сварочного тока полу­чена различная (от 13 до 67%) доля основного металла.

Таким образом, чтобы уменьшить ширину образующегося в зоне сплавления разнородных сталей переходного слоя, особенно мартен­ситной прослойки, что необходимо для обеспечения требуемой ра­ботоспособности сварного соединения, сварку разнородных сталей следует производить при режиме с умеренными (невысокими) зна­чениями сварочного тока и напряжения дуги и повышенной ско­ростью сварки. При этом аустенитный металл, сплавляемый с не - аустенитным, должен иметь повышенное содержание никеля, для чего рекомендуется применять сварочные материалы из высоко­никелевых сплавов.