Особенности технологии и техники сварки

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают ком­плексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали ино­гда можно ис-пользовать для изготовления изделий различного назначе­ния, например корро-зионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различ-ную технологию сварки (сварочные мате­риалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного со-единения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженный коэффициент теп-лопроводности при равных остальных условиях значи­тельно изменяет распре-деление температур в шве и околошовной зоне (рис. 9.5). В результате одинако-вые изотермы в высоколегированных сталях более развиты, чем в углеродис-тых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом по-вышенного коэффициента теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Рис. 9.5. Температурные поля при одинаковой погонной энергии

и толщине металла при сварке углеродистой (а)

и высоколегированной (б) сталей

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегирован­ных сталей следует применять способы и режимы сварки, характери­зующиеся мак-симальной концентрацией тепловой энергии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопро­тивление обусловливает бо-льший разогрев сварочной проволоки в выле­те электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуав-томатической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи. При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и спла-вов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне го­рячих тре-щин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:-

1) ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ­ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и ликвирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кисло­рода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные мате­риалы с минимальным содержани-ем названных примесей. Техника свар­ки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми элект-родами следует под­держивать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, сле-дует поддер­живать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными ско-рость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необ­ходи-мую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, вызываемых водородом;

2) получением такого химического состава металла шва, который обеспе-чил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаро­стойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до 15 % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3... 5 % феррита. Большее ко-личество феррита может привести к значи­тельному высокотемпературному ох-рупчиванию швов ввиду их сигматизации. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на глубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует по­вышенного их легирования ферритообразующими эле-ментами, что при­ведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду по­явления хрупких эвтектик, а иногда и -фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мел­кодис-персными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легиро­вание швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфра­ма, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество фер­рита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть по­вышено до 15... 25 %. Высоколеги-рованные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, крем-ний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбид-ной фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низко­кремнис-тые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электро­дов (фтористо-кальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждение подсоса воздуха слу-жит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор, способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кри­сталлизации в виде тугоплавких ни-тридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкос-ти против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлаки, рафинируя металл шва и иногда моди-фицируя его структуру, повышают стойкость против горячих тре­щин. Механи-зированные способы сварки, обеспечивая равномерное проплавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3) применением технологических приемов, направленных на изме­нение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустенита. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых крис-таллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 9.6). При механизированных способах сварки тонкими элек­тродными проволоками по-перечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горя­чим трещинам;

4) уменьшением силового фактора, возникающего в результате тер­мичес-кого цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепле­ния сваривае-мых кромок. Снижение его действия достигается ограниче­нием силы свароч-ного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая за-делка кратера при обрыве дуги.

Рис. 9.6. Влияние направления роста кристаллитов на вероятность образования в швах горячих трещин:

а - направление роста кристаллитов и растягивающих напряжений совпадает (трещина возможна по оси встречи кристаллов);

б - направление растягивающих напряжений под углом к направлению роста кристаллов (трещины между осями кристаллов более вероятны, а по оси их встречи менее вероятны);

в и г – наличие зазора в угловом соединении [дезориентируя структуру шва за счет уменьшения интенсивности теплоотвода, уменьшает вероятность образования горячей трещины; этому способствует и отсутствие концентратора напряжений в соединении с зазором (г)]

Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегиро­ванных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяе­мые их служеб-ным назначением. При сварке жаропрочных и жаростой­ких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигает­ся термообработкой (аустени-зацией) при температуре 1050... 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стаби­лизирующим отпуском при температуре 750... 800 °С. При невозможно­сти термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350... 400 °С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреж-дается снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой ока-линостойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для пре-дупреждения МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (гра­фитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребы­вания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей по­гонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечи­вающие неп-рерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возмож-ности следует сваривать в последнюю оче­редь, чтобы предупредить его повтор-ный нагрев, последующие швы в многослойных швах - после полного охлажде-ния предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследс-твии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов ос-татки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.

Для повышения стойкости швов к межкристаллитной коррозии и созда-ния в их металле аустенитно-ферритной структуры при сварке их обычно леги-руют титаном или ниобием. Однако титан обладает высоким сродством к кис-лороду и поэтому при способах сварки, создающих в зоне сварки окислитель-ную атмосферу (ручная дуговая сварка, сварка под окислительными флюсами), выгорает в количестве 70... 90 %. Легирова­ние швов титаном возможно при сварке в инертных защитных газах, при дуговой и электрошлаковой сварке с использованием фторидных флю­сов. В металле швов содержание титана дол-жно соответствовать соотно­шению Ti/C > 5. Ниобий при сварке окисляется значительно меньше и его чаще используют для легирования шва при ручной дуговой сварке. Его содержание в металле шва должно соответствовать Nb/C > 10. Одна­ко он может вызвать появление в швах горячих трещин.