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

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Рис. 57. Схема соединения «Келкаллой» с увеличенной поверхностью сплавления разнородных сталей.

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.

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Рис. 58. Вставка, изготовленная в стационарных условиях.

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

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

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-

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Рис. 59. Схема облицовки свариваемой кромки в «вертикальном положении»:

а — выполнение первого валика; б —второго; в —последо­вательность выполнения последующих.

плавляемого металла здесь может изменяться в широких пределах
за счет обмазки электродов (при ручной сварке) или керамического
флюса (в случае автоматической сварки). Большие возможности
в этом отношении открывает применение порошковой проволоки.

Предварительная облицовка свариваемых кромок давно извест-
на, и ее практическое осуществление не вызывает особых затрудне-
ний. Единственной особенностью облицовки при сварке разнород-
ных сталей является техника ее выполнения. В данном случае
облицовка предназначена для получения требуемого состава метал-
ла, поэтому выполняться она должна так, чтобы разбавление на-
плавляемого металла основным (проплавляемым) было минималь-
ным. Наиболее приемлемой является облицовка при расположении

кромки под углом
примерно 15° по отно-
шению к вертикали
и при таком же угле
наклона электрода,
только в другую сто-
рону (рис. 59).

И все же предва-
рительную облицов-
ку менее легирован-
ной стали металлом,
стабилизированным
карбидообразующими
элементами, нельзя

считать способом, решающим проблему сварки разнородных
сталей. Причиной этого является то обстоятельство, что во многих
случаях для предотвращения перемещения углерода в зоне сплав-
ления разнородных сталей металл облицовки должен быть такого
состава, при котором в нем неизбежно образуются трещины в про-
цессе выполнения облицовки, либо при последующей сварке соб-
ственно шва.

Частое появление в металле облицовки трещин, по-видимому,
и является причиной того, что некоторые исследователи предлагают
облицовку менее легированной стали производить металлом не
с более высоким содержанием карбидообразующих элементов того
же состава, что и свариваемая сталь, но с весьма низким (не более
0,05—0,06%) содержанием углерода или даже обычной малоугле-
родистой сталью. С нашей точки зрения это предложение нельзя
признать приемлемым. Такая облицовка позаимствована из тех-
нологии производства биметалла, где она используется для
предотвращения отрыва (среза) плакирующего слоя в процессе горя-
чей обработки (прокатки) двухслойных заготовок или при после-
дующей обработке готового листа. Отрыв происходит по науглеро-
женной прослойке, образуемой в зоне соединения подобно тому,
как это имеет место в зоне сплавления разнородных сталей. Рабо-
тоспособность же сварного соединения разнородных сталей

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%.

Способы предотвращения образования структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления

Рис. 60. Зависимость коэффициента диф­фузии D углерода в аустените при 1200° С от содержания легирующих элементов.

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.

Сварка разнородных сталей

Возможные варианты технологии сварни

Из предыдущего параграфа следует, что технология сварки’ пер­литных сталей различного легирования должна быть такой, чтобы в сварном соединении исключалось образование околошовных тре­щин и структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления …

Особенности сварки

Основной особенностью сварки разнородных сталей является не­обходимость исключить образование в зоне сплавления особой структурной неоднородности, которая приводит к настолько силь­ному изменению структуры и следовательно, свойств сплавляемых металлов, что в процессе …

Сварка высокохромистых сталей с хромоникелевыми

Высокохромистые ферритные, мартенсито-ферритные и мартенсит­ные стали могут свариваться с хромоникелевыми аустенитными, аустенито-ферритными и аустенито-мартенситными сталями. При сварке высокохромистых сталей с хромоникелевыми прежде всего необходимо предпринимать меры, исключающие образование око­лошовных трещин …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.