Сварка разнородных сталей

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Согласно вышеизложенному, способы предотвращения образова­ния структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления разнородных сталей, должны сводиться к пред­отвращению перемещения углерода из менее легированного ме­талла в более легированный. Опыт сварки разнородных сталей по­казывает, что изыскание и использование при изготовлении кон­струкций из разнородных сталей средств, исключающих в зоне

сплавления перемещение углерода, особенно в соединениях, под­вергаемых последующему нагреву, представляет собой сложную технологическую задачу, не имеющую еще окончательного решения. Поэтому наряду с изысканием таких средств используются другие способы повышения рабогоспособпости сварных соединений разно­родных сталей. Одним из них является такое изменение конструкции

сварного соединения, при

котором значительно уве­

личивается поверхность сплавления металлов 1.115]. Наибольшее распростране­ние среди них получило соединение «Келкаллой». На рис. 57 приведена схе­ма такого соединения для трубных элементов. Как видно из рисунка, соеди­нение разнородных сталей в этом случае осущест­вляется с помощью специального переходного элемента — вставки. Сплавление разнородных сталей производится автоматической на­плавкой или заливкой высоколегированного (аустенитного) металла на сточенный на конус отрезок трубы из менее легированной (пер­литной) стали. Фирма «Маннесман» предложила изготовлять та­кие соединения прессовой сваркой труб, предварительно расточен­ных на конус.

Изготовление рассмотренного соединения весьма сложно, а работоспособность конструкции при этом повышается несущест­венно. Более того, имеются сведения, из которых следует, что рас­положение границы сплавления разнородных сталей под углом, особенно 45° к направлению разрушающих усилий, не улучшает, а даже ухудшает работоспособность сварного соединения. Поэтому
такое соединение разнородных сталей не получило широкого при­менения.

Следует отметить, однако, что изготовление сварных соедине­ний разнородных сталей с применением вставок считают целесо­образным многие исследователи. В настоящее время такая техно­логия широко рекомендуется при изготовлении комбинированных конструкций, особенно их трубных элементов. Обусловлено это тем, что при изготовлении сварного соединения разнородных сталей в виде отдельных вставок из коротких отрезков можно выполнить механическую обработку не только наружной, но и внутренней сто­роны сварного соединения и при этом удалить те его участки, кото­рые наиболее часто имеют дефекты. Один из вариантов такой вставки показан на рис. 58. Соединение разнородных сталей в этой вставке выпол­няют автоматической сваркой по специаль­ной технологии [231.

Наиболее целесо­образно применять вставки при изготов­лении сварных соеди­нений разнородных сталей, которые не­обходимо выполнять при монтаже. В этом случае ответственное соединение раз­нородных сталей можно выполнять в цеховых (стационарных) условиях при наиболее удобном расположении его для сварки. Затем в монтажных условиях выполняются соединения однородных сталей.

При изготовлении сварных соединений разнородных сталей с при­менением переходных элементов необходимо учитывать, что их длина должна быть такой, чтобы при выполнении монтажных швов в соединении разнородных сталей не появлялось значительных дополнительных напряжений. Эту длину рекомендуется [107] вы­бирать из выражения

1,285

где Р = уТ7Г’ г — РаДиУс трубы; п — толщина ее стенки.

В последнее время предложено изготовлять вставки так, чтобы получить плавное изменение химического состава от одного сва­риваемого металла к другому. Рекомендуется, например, изготов­лять их из смеси порошков методом порошковой металлургии [24]
или электрошлаковым переплавом специально комбинируемых штанг [79]. С нашей точки зрения, электрошлаковый способ изго­товления вставок заслуживает внимания, особенно в том случае, если переплавлять штанги, комбинируемые таким образом, что в получаемой вставке обеспечивается изменение состава от высоко­никелевого сплава до применяемой в данной конструкции аустенит­ной стали и исключаются композиции, представляющие собой ма - лопластичный металл.

Что касается мер, исключающих перемещение углерода, то все существующие в настоящее время рекомендации направлены на уменьшение разницы термодинамической активности этого элемен­та в сплавляемых металлах. Практическое решение этой задачи предусматривает прежде всего выбор наиболее приемлемого хими­ческого состава (марки) той стали, которая используется в данной конструкции в качестве менее легированной. Общей рекомендацией здесь является применение низко - или среднелегированных сталей с достаточным содержанием сильных карбидообразующих элемен­тов, таких, как ниобий, титан, ванадий, которые обладают наиболее высоким сродством к углероду. В этом случае можно ожидать до­вольно прочного связывания углерода, что, как показано в этой главе, должно уменьшить вероятность перемещения этого элемента в более легированную сталь. В тех случаях, когда в изготовляемой конструкции в качестве менее легированной должна применяться сталь с карбидообразующими элементами, недостаточно прочно связывающими углерод, сварку ее с высоколегированной сталью рекомендуется производить через вставку из стабилизированной стали, т. е. содержащей более сильные карбидообразующие эле­менты или большее их количество.

Следует отметить, однако, что практически осуществить ука­занные рекомендации можно не всегда, так как выбор низко - или среднелегированных сталей, содержащих требуемые карбидообра­зующие элементы, особенно таких, которые могут быть работоспо­собными при высоких температурах, весьма ограничен. Более приемлемой является облицовка свариваемых кромок нестабильной низко - или среднелегированной стали слоем металла, содержащего большее количество карбидообразующих элементов либо такие из них, которые обладают большим сродством к углероду, чем эле­менты, входящие в состав используемой в данной конструкции вы­соколегированной стали.

Стабилизация менее легированного металла в зоне сплавления его с высоколегированным путем облицовки свариваемой кромки слоем металла с необходимым для данного соединения содержанием карбидообразующих элементов заслуживает предпочтения потому, что этот способ позволяет получить практически любой требуемый состав металла, так как облицовка выполняется сваркой. Послед­няя, как известно, позволяет довольно легко получать металл любой степени легированности. Для этого в большинстве случаев не нужна даже специальная сварочная проволока, так как легирование на-

определяется не только науглероженной, но и обезуглероженной про­слойкой. Как было показано в § 1 главы IV, мягкая прослойка су­щественно снижает прочность сварного соединения при статическом нагружении, особенно в случае длительного воздействия нагрузки. Облицовка же свариваемой кромки менее легированной стали слоем металла с низким содержанием углерода сама является в сварном соединении обезуглероженным участком.

Предотвратить перемещение углерода в зоне сплавления разно­родных сталей позволяет применение сварочных материалов, обес­печивающих получение в металле шва аустенитной стали с высоким содержанием никеля или даже сплава на никелевой основе. Реко­мендация эта исходит из установленного практикой факта, что сварные соединения разнородных сталей с металлом шва на нике­левой основе являются наиболее приемлемыми как по стабильности структуры в зоне сплавления, так и по работоспособности в усло­виях высоких температур.

В настоящее время применение сварочных материалов, обеспе­чивающих в металле шва аустенит с высоким содержанием никеля вплоть до сплава на никелевой основе, следует считать основным способом улучшения качества зоны сплавления в сварных соедине­ниях разнородных сталей. Основным его можно считать потому, что большинство современных соединений разнородных сталей имеют шов из аустенитного металла. Таким швом соединяются, как правило, аустенитные стали с неаустенитными, хотя в литера­туре можно встретить отдельные сообщения о возможности соеди­нения таких сталей неаустенитным швом. Во многих случаях аусте - нитный шов следует применять также в сварных соединениях пер­литных сталей с высокохромистыми ферритными, содержащими 17—28% хрома. Обусловлено это тем, что высокохромистые феррит­ные стали весьма склонны к росту зерна и поэтому при сварке сильно охрупчиваются в зоне термического влияния. При аустенитном шве это охрупчивание проявляется в меньшей степени [50]. В ряде слу­чаев аустенитным швом целесообразно соединять перлитные стали с высокохромистыми (12% Сг) мартенситными. В тех случаях, когда по каким-либо причинам нельзя применить предварительный подогрев и последующую термообработку, соединение таких ста­лей аустенитным швом является единственно возможным.

Механизм положительного влияния высокого содержания ни­келя в аустенитном металле на качество зоны сплавления с неаус­тенитным еще не совсем ясен. Некоторые исследователи полагают, что высокое содержание никеля в твердом растворе в значительной степени тормозит диффузию углерода. Однако такое утверждение не согласуется с имеющимися данными по влиянию легирующих эле­ментов на коэффициент диффузии в аустените. Подтверждением сказанному может быть рис. 60, который иллюстрирует влияние легирующих элементов на коэффициент диффузии D углерода в аустените при 1200° С [5]. Как видно из рис. 60, сильно тормозит диффузию углерода в аустените хром. Что касается никеля, то он,
наоборот, не тормозит, а существенно повышает коэффициент диф­фузии углерода в аустените, особенно при содержании этого эле­мента выше 10%.

Возможность предотвращения образования структурной неод­нородности в зоне сплавления разнородных сталей при легировании никелем объясняется [47] также тем, что последний, являясь графи - тизатором по отношению к железу, способствует уменьшению тер­модинамической стойкости карбидов и тем самым повышению кон­центрации углерода, находящегося в твердом растворе аустенит - ного металла. При этом уменьшается разность концентрации раст­воренного углерода в сплавляемых металлах (контактируемых системах), которую принято считать основным фактором, определяющим перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей. Такое объяснение является наиболее достоверным, но с нашей точ­ки зрения оно не единствен­ное. Положительное влияние высокого содержания никеля можно объяснить еще и тем, что при этом снижается коэф­фициент линейного (темпера­турного) расширения [24]. Он становится близким к коэф­фициенту линейного расши­рения перлитных сталей. В ре­зультате этого в зоне сплавления практически исключаются тер­мические напряжения при нагреве [25], что также способствует ослаблению диффузии углерода [21].

Применение сварочных материалов, позволяющих получить в шве высоконикелевый аустенитный металл или сплав на никеле­вой основе, в настоящее время является общепризнанным способом предотвращения перемещения углерода в зоне сплавления разно­родных сталей при последующем нагреве ее до высоких темпера­тур. Для его осуществления рекомендован ряд электродов [105, 117]. В основном это электроды, изготовляемые из известных жаро­прочных сплавов типа нимоник, инконель или хастеллой. Получае­мый при сварке ими наплавленный металл содержит 60—80% ни­келя, 13—17% хрома и различное количество таких металлов, как ниобий, титан, вольфрам, ванадий, тантал и кобальт. Такие элект­роды в ряде случаев обеспечивают удовлетворительные свойства металла зоны сплавления с неаустенитной сталью. Их недостатком является образование горячих трещин в металле шва. Очевидно, по этой причине рекомендуется электродами из сплава инкон ль сва­ривать не весь шов, а выполнять только наплавку (облицовку) кромки неаустенитной стали [117].

Для предупреждения перемещения углерода в зоне сплавления разнородных сталей предлагались и другие способы. Лефбланд и Ленд рекомендовали, например, сварку таких сталей произво­дить через промежуточную вставку из никелевого сплава. Хандок и Хеат сварку аустенитных сталей с неаустенитными предлагали выполнять с предварительной облицовкой свариваемых кромок неаустенитной стали слоем никеля. Мапнеф рекомендовал сваривае­мые кромки неаустенитной стали покрывать никелем электролити­ческим способом до толщины слоя 10 мкм. Перечисленные реко­мендации не представляют практического интереса, так как они либо трудновыполнимы, либо связаны с использованием дорогостоя­щего дефицитного материала.