Сварка разнородных сталей

Химический состав металла зоны сплавления в состоянии после сварки

Изменение структуры сплавляемых металлов в зоне сплавления может происходить прежде всего вследствие изменения их хими­ческого состава в этой зоне. Поэтому исследование химического состава металла зоны сплавления разнородных сталей, и в первую очередь в состоянии после сварки, представляет значительный научный и практический интерес, так как дает возможность опре­делить время и причины образования наблюдаемой в зоне сплавле­ния разнородных сталей структурной неоднородности, а также изыскать способы ее предотвращения.

Образующаяся в зоне сплавления разнородных сталей струк­турная неоднородность имеет весьма ограниченные размеры: в боль­шинстве случаев она составляет десятые и даже сотые доли милли­метра. В связи с этим для определения изменения химического со­става в зоне сплавления разнородных сталей необходимо исполь­зовать методы, позволяющие исследовать металл в весьма малых объемах.

Простейшими методами, позволяющими получить сведения о химическом составе металла в весьма малых объемах (о химической макро - и микронеоднородности), являются измерение микротвер­дости, рентгеноструктурный анализ и микрорентгенография.

Измерение микротвердости является самым простым методом определения химического состава металла в малых объемах и ло­кальность его достигает 8—9 мкм [56]. Однако с помощью этого метода нельзя определить состав металла в зоне сплавления разно­родных сталей. Измерение микротвердости дает возможность более или менее надежно определить содержание элемента только в двой­ных сплавах. Количественный, а иногда даже и качественный ана­лиз химического состава многокомпонентных сплавов при исполь­зовании этого метода практически невозможен. Кроме того, микро­твердость металла зависит не только от его химического состава, но и от структуры и даже строения в пределах одного зерна (суб­структуры).

Не может быть использован для исследования состава металла зон сплавления разнородных сталей и рентгеноструктурный ана­лиз. Этот метод также применим только для анализа двойных спла­вов и то лишь в том случае, если параметр кристаллической решет­ки сплава в значительной степени зависит от концентрации твер­дого раствора, а влиянием размера блоков, от которого зависит уширение линий, можно пренебречь.

При микрорентгенографическом исследовании химического со­става металла хорошие результаты как в случае качественного, так и в случае количественного анализа также обеспечиваются лишь тогда, когда исследуются двойные сплавы и особенно те из них, которые образованы компонентами, резко отличающимися друг от друга коэффициентом поглощения рентгеновских лучей. В мно­гокомпонентных сплавах исследование состава с помощью микро­рентгенографии, особенно количественного, весьма затруднено, хотя в принципе и возможно. Поэтому метод микрорентгенографии практически также неприемлем для определения химического со­става металла зоны сплавления разнородных сталей.

Более широкие возможности для исследования химического со­става металла в ограниченных объемах открывает авторадиография. Этот метод основан на применении радиоактивных изотопов в ка­честве индикаторов (меченых атомов) и регистрации распределения их в металле с помощью фотографических эмульсий.

По своим возможностям метод авторадиографии вполне приме­ним для исследования химического состава металла зоны сплавле­ния разнородных сталей, однако ему присущ ряд специфических особенностей, которые затрудняют его применение в этих целях. Одна из этих особенностей состоит в том, что при авторадиографии необходимо обеспечивать хороший контакт фоточувствительного слоя пластинки с поверхностью исследуемого образца, иначе можно получить искаженные результаты. В зоне сплавления разнородных сталей вследствие существенного различия их механических и фи­зико-химических свойств не всегда можно получить полированную как механическим, так и электролитическим путем поверхность, которая обеспечила бы во всех ее точках одинаково хороший кон­такт с фоточувствительным слоем накладываемой на нее пластинки. По этой же причине здесь дополнительно могут появляться фак­торы, сказывающиеся на разрешающей способности авторадио­графии.

Важное значение при использовании метода радиоактивных изо­топов имеет правильный выбор толщины исследуемого образца. Как известно, радиоактивное излучение происходит не только с поверхности металла, но и из нижележащих его слоев. Излучение внутренних слоев, попадая на фоточувствительный слой пластин­ки, будет вуалировать истинную картину содержания исследуемого элемента. Избавиться от этого явления можно лишь при утоне­нии исследуемых образцов до определенной, разной для различных случаев величины.

Для исследования химического состава металла зоны сплавле­ния разнородных сталей более приемлем микрорентгеноспектраль - ный анализ. Этот метод является наиболее эффективным и одним из самых перспективных для исследования состава металла в весьма малых объемах вплоть до отдельных участков зерна.

Метод определения химического состава металла с помощью электронного микроанализатора является наиболее точным из всех

существующих методов анализа ограниченных объемов. Кроме того, он позволяет одновременно определять количество несколь­ких элементов, содержащихся в исследуемом металле, и обладает высокой локальностью. В новейших моделях установок диаметр фокусного пятна, определяющий локальность метода, доведен до 0,5—1,0 мкм.

Особая ценность метода микрорентгеноспектрального анализа состоит в том, что с его помощью можно получить непрерывную картину распределения элемента в исследуемом участке. Для этого исследуемое направление совмещается с направлением перемещения образца под электронным пучком. Перемещая во время работы
микроанализатора образец и сохраняя для данного элемента угол Вульфа-Бреггов, тг е. непрерывно регистрируя линию определяе­мого элемента, можно непрерывно записывать интенсивность линии на диаграмме самопищущего потенциометра.

На рис. 16 приведены записанные таким образом кривые рас­пределения хрома и никеля в зоне сплавления аустенитного ме­талла Х25Н13 с углеродистой сталью СтЗ в состоянии послесварки. Как видно по характеру кривых, уже в состоянии после сварки в зоне сплавления разнородных сталей обнаруживается слой с пе­ременным химическим составом (на рисунке показан штриховкой), в котором содержание элементов изменяется постепенно от содер­жания их в одном из сплавляемых металлов до содержания в дру­гом.

Возможность образования в ме­талле шва непосредственно у ли­нии сплавления слоя промежуточ­ного состава известна из ряда публикаций. Однако еще до недав­него времени она не имела доста­точного экспериментального под­тверждения. В настоящее время получены данные, которые показы­вают, что образование переходного слоя в зоне сплавления является неизбежным для любого сварного соединения, если в нем сплавля­ются металлы, значительно отли­чающиеся друг от друга по химическому составу. На основе математических расчетов перемещения химических элементов в ус­ловиях зоны сплавления предложена схема распределения их в переходном слое [63], приведенная на рис. 17 (кривые 1, 2). Срав­нение этой схемы с результатами экспериментальных исследований (рис. 17, кривая 3) показывает, что она соответствует фактическому распределению элементов в зоне сплавления металлов различного состава. Построенная по экспериментальным данным кривая лишь несколько отличается от схематической более медленным нараста­нием содержания элемента непосредственно у линии сплавления и более быстрым — в средней части переходного слоя.

К сожалению, с помощью имеющейся в настоящее время аппа­ратуры для микрорентгеноспектрального анализа нельзя опре­делить в металле зоны сплавления разнородных сталей содержание углерода, который обладает наибольшей диффузионной способ­ностью. Эта аппаратура позволяет определять в металле содержа­ние лишь тех элементов, которые имеют порядковый номер больше 11 , чем и объясняется тот факт, что до последнего времени опубли­ковано мало экспериментальных данных о распределении углерода В зоне сплавления, который, как будет показано далее, является
наиболее ответственным за образование структурной неоднород­ности, обусловливающей основную трудность сварки разнородных сталей.

("одержание углерода в зоне сплавления разнородных сталей п настоящее время можно определить методом оптического спект­рального анализа. Сущность этого метода состоит в возбуждении локализованным электрическим разрядом на поверхности исследуе­мого образца эмиссионного спектра и его анализе с помощью спе­циального спектрально-аналитического прибора — спектрогра­фа. Присутствие того или иного элемента в составе исследуе­мого металла определяют по наличию в спектре характерной для данного элемента линии, а его количество— по ее интенсив­ности.

Метод спектрального анализа является локальным уже по своей природе. Кроме того, существует ряд специальных разработок, направленных на дальнейшую его локализацию. В настоящее вре­мя, локализуя разряд путем использования специальных источни­ков света и специальных электродов или площадь воздействия раз­ряда на исследуемый металл путем прикрытия последнего различ­ными изолирующими материалами (слюда, кварц и т. п.) с малыми отверстиями в них, с помощью спектрального анализа можно оп­ределять содержание элементов, в том числе и углерода, на участ­ках диаметром 0,08—0,1 мм [43].

Еще большая локализация достигается при так называемом послойном спектральном анализе. Этот метод основан на том, что применение при спектральном анализе в качестве источника света локализованного электрического разряда резко уменьшает тол­щину слоя, прорабатываемого в исследуемом металле. В связи с этим представилось возможным анализировать весьма тонкие слои металла, а при неоднократном анализе выбранного участка с удалением перед каждым последующим анализом слоя металла, проработанного во время предыдущего анализа, получать распре­деление элемента в довольно ограниченном объеме. В случае спек­трального анализа с использованием в качестве источника света высокочастотной искры толщина анализируемых слоев не превы­шает 0,003—0,004 мм [43].

Послойный спектральный анализ зоны сплавления разнород­ных сталей можно производить по известной методике [43], усо­вершенствовав ее для стабилизации толщины и положения сошли - фовываемого слоя, а также для измерения его толщины. При таком анализе зоны сплавления точность результатов зависит также от геометрии границы сплавления в исследуемом образце. В случае сварки плавлением граница сплавления представляет собой кри­вую поверхность, в большинстве случаев существенно отличаю­щуюся от плоскости. Анализируемая поверхность является пло­скостью, поэтому точный анализ может быть получен лишь в том случае, когда кривизна границы сплавления будет выходить за диаметр пятна, получаемого при обыскривании исследуемого
образца, и лишь в том случае, если обыскривание производится на одном и том же участке исследуемой поверхности.

Для соблюдения указанных условий можно применить предло­женную автором специальную технику выполнения сварного со­единения разнородных сталей, которая заключается в наплавке на одну из сталей слоя металла с химическим составом второй стали по трем присадкам из той же проволоки, которой производится на­плавка (рис. 18, а). При этом необходимо применять такой режим сварки, который обеспечивает минимальный провар основного металла. Такая техника при правильно подобранном режиме сварки, позволяет получитьграницу сплавления,

весьма близкую к плоскости (рис. 18, б).

5,0

Указанная методика послойного спектрального анализа исполь­зована автором совместно с Т. М. Струйной [17J для исследования распределения углерода в зоне сплавления аустенитного металла с перлитным. Исследование производили на наплавках, выполнен­ных проволокой Св-04Х19Н11МЗ на углеродистую сталь СтЗ. Такое сочетание сплавляемых металлов выбрано потому, что хро - моникелеЕый аустенитный металл шва при наличии в нем молиб­дена более стоек против образования горячих трещин, особенно при сварке под флюсом, в связи с чем в настоящее время он наи­более широко используется в сварных соединениях, требующих аустенитного шва, а сталь СтЗ имеет химический состав, при кото­ром углерод не может быть связан в стойкие карбиды и потому мо­жет довольно легко мигрировать. Отдельные исследования про­водили на наплавках, выполненных проволокой Св-07Х25Н13, которая в настоящее время широко используется при сварке, особенно ручной, ряда аустенитных сталей. Исследовали также наплавки проволокой Св-08Х20НШГ6, которая из существующих в настоящее время аустенитных проволок является наиболее при­емлемой для механизированной (автоматической под флюсом и газо­
электрической) сварки аустенитных старей с неаустенитными и конструкциях, эксплуатируемых при температурах до 350° С 124 , 65].

Наплавки выполняли при режимах, приведенных в табл. 2. І Іспользованньїе режимы выбраны таким образом, чтобы они по по­гонной энергии охватывали всю область режимов, пригодных для механизированной сварки разнородных сталей.

В комбинированных кон­струкциях, предназначенных для работы при высоких тем­пературах, неаустенитная часть изготовляется из ста­лей, при сварке которых в большинстве случаев требу­ется предварительный или со­путствующий подогрев. По­следний замедляет охлаждение сварочной ванны и тем самым увели­чивает длительность пребывания ее в жидком состоянии. Эго увели­чивает время сосуществования в зоне сплавления жидкого металла с твердым, что, по мнению ряда исследователей, должно способство­вать перераспределению содержания углерода в ней уже в процессе сварки. Предварительный или сопутствующий подогрев замедляет также охлаждение сварного соединения и тем самым увеличивает время пребывания зоны сплавления при высоких температурах,

что должно интенсифицировать диффузионные процессы, а потому способствовать перемещению в зоне сплавления углерода. В связи с этим исследовали наплавку, выполненную с подогревом до ЗОО'С. Выполняли эту наплавку при режиме варианта № 2 (табл. 3), который можно считать оптимальным для сварки разнородных сталей.

Еще большего замедления охлаждения сварочной ванны и зоны сплавления можно ожидать при электрошлаковой сварке, которая в некоторых случаях также может быть применена для соединения разнородных сталей. Поэтому исследовали также зону сплавления в сварном соединении, выполненном электрошлаковым способом.

Во всех указанных наплавках зона сплавления склонна к об­разованию структурной неоднородности, характерной для неста­бильных сварных соединений разнородных сталей (см. гл. III, § 1).

Чтобы исключить влияние изменения химического состава сплав­ляемых металлов на содержание углерода в зоне их сплавления, исследуемые наплавки выполняли по соответствующему количе­ству присадок, в результате чего, несмотря на значительные измене­ния режима и условий сварки, химический состав наплавленного металла практически не изменялся (табл. 3). Поскольку при при-

SHAPE * MERGEFORMAT

1,0

нятой технике выполнения наплавки провар может быть настолько малым, что в зоне сплавления сохранится обезуглероженный слой, появляющийся на поверхности металла в процессе его горячей обрабогки, с используемых в качестве основного металла пластин снимали слой в 2 мм.

В проведенных исследованиях содержание углерода определя­лось на глубине 1,0—1,5 мм в углеродистой стали и 0,8—1,2 мм — в аустенитной. При этом на расстоянии 0,5—0,75 мм от линии сплавления оно определялось примерно через каждые 0,02 мм, а далее через 0,05 мм. Поэтому на одном образце производили 75—■ 100 определений.

Полученные результаты приведены на рис. 19. Как видно из графиков, в зоне сплавления аустенитного металла с неаустенит - ным в состоянии после сварки не обнаруживается изменение кон­центрации углерода ни со стороны неаустенитной стали, ни со сто­роны аустенитной. Изменение концентрации углерода не наблю­дается даже в зоне сплавления стали 1Х19Н11МЗ с углеродистой
сталью СтЗ, несмотря на то что аустенитный металл здесь, кроме хрома, содержит молибден, который является более сильным кар­бидообразующим элементом и потому должен способствовать мигра­ции сюда углерода, а неаустенитный металл имеет химический со­став, при котором углерод не связывается в стойкие карбиды, и поэтому довольно легко может из него мигрировать.

Изменение концентрации углерода как в неаустенитиом метал­ле, так и в аустенитном не наблюдается и при сварке с подогревом,

даже высоким. Только в случае электрошлаковой сварки можно отметить некоторое снижение углерода со стороны неаустенитной стали, причем без соответствующего увеличения содержания этого элемента в аустенитном металле.

Установленный факт подтверждается также металлографиче­ским исследованием зоны сплавления. На рис. 20 показана микро­структура металла этой зоны в тех наплавках, распределение угле­рода в зоне сплавления которых показано на рис. 19. Приведенная микроструктура также свидетельствует о том, что в зоне сплавле­ния разнородных сталей в состоянии после сварки нет того пере­распределения углерода, которое вызывает изменение структуры сплавляемых металлов.

Полученные результаты могут показаться противоречащими положению [55], согласно которому в аустенитном металле иссле­дованных наплавок уже в процессе сварки вследствие сосущество­вания жидкого металла с твердым должно происходить повышение содержания углерода. Это кажущееся противоречие устраняется, если считать, что формирование химического состава металла зоны сплавления разнородных сталей является процессом многостадий­ным [63]. Первая стадия относится к периоду, когда весь металл сварочной ванны находится в жидком состоянии и, следовательно, в зоне сплавления имеет место сосуществование жидкого металла с твердым. В этом случае происходит перемещение углерода из твердого металла в жидкий вследствие заметно большей его раство­римости в последнем. Начавшаяся кристаллизация сварочной ванны фиксирует образовавшуюся в зоне сплавления его концентрацию, в результате чего здесь создается концентрационная неоднородность углерода.

На второй стадии, которая начинается с момента образования закристаллизовавшегося слоя металла сварочной ванны, распола­гаемого непосредственно у линии сплавления, и относится к перио­ду охлаждения сварного соединения до температур, при которых весь углерод находится еще в твердом растворе, образовавшаяся на первой стадии разница его концентрации вызывает обратное перемещение, т. е. из наплавленного металла в основной металл. Благодаря этому образовавшаяся на первой стадии концентрацион­ная неоднородность может быть выравнена.

Третья стадия является специфической для сварных соединений разнородных сталей. Она включает период охлаждения зоны сплав­ления от температуры, при которой углерод из твердого раствора начинает выделяться и связываться в карбиды (температура пре­дельной растворимости углерода в данном сплаве), до температу­ры, при которой еще заметно проявляется диффузия этого элемента (350—-400°С). На этой стадии может происходить перемещение углерода в ту составляющую соединения, которая имеет большее количество карбидообразующих элементов либо содержит такие из них, которые имеют большее сродство с углеродом.

Следовательно, окончательный состав металла зоны сплавле­ния будет зависеть от интенсивности протекания процессов на каж­дой из указанных стадий.

Поскольку в результате проведенных исследований не обнару­жено перемещение углерода из неаустенитного металла в аустенит - иый, можно утверждать, что третья стадия формирования химиче­ского состава металла зоны сплавления не всегда проявляется в сварных соединениях разнородных сталей. Ее можно обнаружить только в соединениях, выполненных с применением способов или режимов сварки, обеспечивающих весьма медленное охлаждение зоны сплавления в области температур, где углерод может еще заметно диффундировать. Даже в таких соединениях третья стадия формирования состава металла зоны сплавления будет проявляться лишь в том случае, когда сплавляемые разнородные металлы будут иметь неблагоприятный химический состав.

В сварных соединениях разнородных сталей, выполняемых мно­гослойной сваркой, и особенно в соединениях, подвергаемых тер­мической обработке или эксплуатируемых при высоких температу­рах, в формировании состава металла зоны сплавления имеется еще одна — четвертая стадия. На этой стадии при неблагоприятном сочетании сплавляемых металлов должно происходить такое же перемещение углерода, как и на третьей.

Из изложенного видно, что в состоянии после сварки металл зоны сплавления разнородных сталей имеет такой химический состав, который вряд ли можно считать причиной образования структурной неоднородности, обусловливающей основную труд­ность изготовления комбинированных конструкций. Следователь­но, можно утверждать, что в состоянии после сварки сварные со­единения разнородных сталей являются вполне работоспособными, если они в процессе эксплуатации не будут подвергаться воздей­ствию условий, изменяющих состав и структуру металла зоны сплавления.