Выбор сварочных материалов

Выбор сварочных материалов должен исключить образование тре­щин различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность свар­ных соеди-нений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспе­чивающие полу-чение композиций наплавленного металла с таким запа­сом аустенитности, что-бы компенсировать участие в шве перлитной ста­ли и гарантированно получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру (табл. 10.4). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлера (см. рис. 10.2). На этой диаграмме точки П и Б означают структуру свариваемых сталей. При соотношении их долей участия 0,4/0,6 расплав после охлаждения на диа­грамме будет находиться в т. Г, т.е. будет иметь мартенсит-ную или аустенитно-мартенситную структуру, что недопустимо. Применив электрод типа Х15Н25 с высоким запасом аустенитности (т. В на диаграмме) в со­отношении 50/50 к указанному выше расплаву, получим требуемый ме­талл шва со структурой аустенита - отрезок а - б.

Таблица 10.4. Выбор композиции наплавленного металла и

термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

При формировании следующего слоя 2со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д а также входящий в нее электрод (т. В\ что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрез­ком е-д.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить об-разование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неиз-бежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникно­вению горячих трещин в од-нофазном аустенитном металле шва, обра­зующихся по границам зерен, сфор-мированных в результате миграции (см. рис. 10.6, б). Для их предотвращения в швах со стабильно аустенит­ной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающи­ми диффузионные процессы при высоких температу-рах, применяют элек­троды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2... 0,3 % N. Они пре­пятствуют развитию высокотемпературной ползучести и меж-зеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пла­стичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предот­вра-щают образование горячих трещин. Более сложный вариант техноло­гии необ-ходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увели­чения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование го­рячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "от­кол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащи­ми до 60 % Ni и 15 % Мо.

Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структу-рой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жа-ропрочными аустенитными сталями и никелевыми спла­вами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неуп-рочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10... 12 % феррит-ной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4... б % дельта-феррита, что исключает обра-зование горячих трещин, но не­сколько увеличивает толщину кристаллизаци-онной прослойки.

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразова-тели для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма ма­лое количество углерода путем его частичной замены азотом.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, не-обходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с пер­литной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.

При недостаточности или неприемлемости указанных технологиче­ских вариантов прибегают к сварке через проставки или к предваритель­ной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки пер­литной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заго­товок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламенти­рованным количеством -Fe (2... 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых феррит-ных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI... XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых

электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с элект-родным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного ука­занными электродами. При этом с повы-шением температуры эксплуата­ции выше 500 °С предпочтительны высокохро-мистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необхо-димо сваривать ука­занные сочетания сталей аустенитными электродами на ни-келевой осно­ве, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высоко­хромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25... 27 %) и никеля (12... 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.

При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, под-вергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа

Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на ни-келевой основе.

Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой произво-дится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необ-ходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения за-калки. После этого детали из перлитной стали с наплав­ленными кромками сва-ривают с аустенитной сталью на режимах, оптималь­ных для последней соглас-но рекомендациям, изложенным в гл. 7 - 9.

Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процес-са является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает порис­тость швов и спо-собствует развитию зародышей всех указанных выше ти­пов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые элект-роды с основным покрытием и флюсы на фтори­сто-кальциевой основе.

Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в свар­ных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке пер-литных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также раз­вития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной экс­плуатации. При выборе сва-рочных материалов следует исключить обра­зование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей плас-тичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 10.5). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а так-же длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффу-зионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться оп-реде­ленным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих эле-ментов.

Таблица 10.5. Выбор композиции наплавленного металла и

термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными,

ферритными и аустенитно-ферритными

При сварке деталей больших толщин целесообразно электро­дами типа

Э-ХМ делать наплавку на кромки высоколегированной стали, а заполнение разделки осуществлять без подогрева электродами типа Э42 или Э50 в зависи-мости от требований прочности перлитного шва. Темпе­ратуру предварительно-го подогрева и отпуска определяют по характери­стикам более легированной, т.е. 12 %-хромистой стали, но для уменьше­ния размеров диффузионных прос-лоек применяют отпуск при минималь­но допустимой температуре.

При сварке перлитных сталей с более высоколегированными хроми­стыми сталями группы VII, содержащими 17... 28 % Сг, применяют электроды аусте-нитно-ферритного, а также аустенитного классов. Одна­ко при этом следует учитывать вышеописанную структурную неодно­родность в зоне сплавления аустенитного шва и перлитной стали. Термо­обработка в этом случае не требу-ется.