книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Подкладные кольца и замковые соединения для сталей, на­ пример ЗОХГСНА, не рекомендуются, так как они снижают на­ дежность изделия в эксплуатации. Вместо подкладных колец первые слои целесообразно выполнять аргонодуговой сваркой на весу. Электродную проволоку и флюс для сварки конструк­ ционных сталей выбирают согласно табл. 11.9. Для предотвра­ щения пористости и наводораживания швов флюсы перед сваркой необходимо прокаливать, чтобы их влажность не пре­ вышала 0,1% для стекловидных флюсов и 0,05% для пемзо­ видных. Это достигается нагревом стекловидных флюсов до

Спорость сварки, м/ч

Рис. 11.11. Влияние скорости сварки на ширину зоны закалки (а), долю участия ос­

няемых флюсов (табл. 11.9 )не должна превышать 650—700 °С во избежание окисления компонентов флюса и его спекания.

и др. большой толщины применяют подогрев 150—300 °С. Не­ посредственно после сварки ферритными проволоками во всех

Сварку аустенитными материалами производят без предвари­ тельного подогрева и последующей термообработки соединений.

Узлы в виде толстостенных труб различного диаметра из сталей ЗОХГСНА и 40ХГСНЗМА, предназначенные для ответ­ ственных силовых конструкций, изготавливают многослойной сваркой под флюсом АН-15 и АН-15М проволокой Св-20Х4ГМА диаметром 2,5—3 мм.

Дальнейшее существенное увеличение производительности возможно при сварке с применением двух и более проволок.

12.1.2, Химический состав, термообработка и структура

В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при вы­ соких температурах стали должны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростой­ костью, Перечисленные свойства с учетом необходимости обеспечения тех­ нологичности сталей при выплавке, отливке, ковке, прокатке, термической

бавок редкоземельных элементов и В.

Легирование Сг повышает жаростойкость сталей, т. е. сопротивление их окислению, а также предотвращает графитизацию в процессе эксплуатации при температуре выше 450 °С. Сг в пределах 1,0— 1,5 % при введении его в сталь совместно с Мо повышает, кроме того, ее длительную прочность и

с последующим высокотемпетурным отпуском. При этом обеспечивается струк­ тура, состоящая из дисперсной ферритокарбидиой смеси. У хромомолибдено­ ванадиевых сталей, особенно в случае применения закалки, появляется бейнитная структурная составляющая.

С в о й с т в а с т а л е й Необходимая жаростойкость и достаточная стабильность кратковременных

12.2. Свариваемость сталей

Металлургическая свариваемость жаропрочных перлитных ста­ лей, определяемая отношением металла к плавлению, метал­ лургической обработке и последующей кристаллизации шва. не вызывает существенных осложнений. Технология сварки и сварочные материалы на современном уровне обеспечивают не­ обходимую стойкость металла шва против образования-горячих трещин и высокие характеристики, предъявляемые к основному металлу.

Тепловая же свариваемость осложняется склонностью свар­ ных соединений к образованию холодных трещин и разупрочне­ нием свариваемого металла в зоне термического влияния сварки.

12.2.1. Сопротивляемость XT

Холодные трещины — хрупкие разрушения сварных соединений жаропрочных перлитных сталей, могут возникать в процессе сварки или непосредственно после ее окончания в результате образования метастабильных структур (троостита, мартенсита) в участках околошовной зоны, нагретых вышетемпературы Ас3 вследствие дополнительного охрупчивания сварных соеди­ нений под влиянием водорода и действия «силового» фактора. Последний определяется величиной и характером сварочных напряжений. Суммирование напряжений, вызванных неравно­ мерным нагревом и структурными превращениями, может при­ вести к исчерпанию пластичности охрупченных участков свар­ ного соединения и вызвать его разрушение.

Образование метастабильных закалочных структур в около­ шовной зоне определяется во многом системой легирования ста­ лей. Так, в одних и тех же условиях сварки хромомолибдено­ ванадиевые стали в большей степени склонны к образованию холодных трещин по сравнению с хромомолибденовыми.

В связи с тем, что растворимость диффузионно подвижного водорода при нормальной температуре в низколегированных сталях мала, а между его концентрацией и равновесным парци­ альным давлением в газовой фазе существует квадратичная зависимость, водород способен создавать в несплошностях ме­ талла значительные давления, что может приводить к образо­ ванию микротрещин (флокенов) в охрупченных участках свар­ ного соединения. Так, при температуре 20 °С и концентрации водорода в металле 5 мл/100 г давление его в несплошностях жаропрочной перлитной стали может достигать 0,0981 • 10® МПа (10е ат). При 200 °С давление водорода в несплошностях сни­ жается примерно на три порядка [3]. В связи с этим для сварки рекомендуется использовать низководородные сварочные мате­ риалы (электроды с основным покрытием, осушенные защитные газы, прокаленные флюсы).

Действие «силового» фактора во многом определяется жест­ костью сварной конструкции, которая связана с толщиной сва­ риваемых элементов. Это обстоятельство также необходимо учитывать при выборе методов предотвращения образования холодных трещин.

Одним из наиболее надежных средств предотвращения воз­ никновения холодных трещин является сопутствующий сварке

местный или общий подогрев изделия. Подогрев уменьшает раз­ ницу температур металла в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения первого рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках металла сглаживаются. Подогрев также уменьшает скорость охлажде­ ния металла, что предотвращает превращение аустенита в мар­ тенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающим появление структурных напря­ жений.

Повышение температуры свариваемого металла способст­ вует эвакуации водорода из сварного соединения в связи со значительным увеличением диффузионной подвижности водо­ рода.

Кроме того, повышение температуры металла при любом его структурном состоянии увеличивает его пластичность, а сле­ довательно, и деформационную способность. Повышение пла­ стичности сварного соединения имеет такое же важное значение для предотвращения образования холодных трещин, как и сни­ жение напряжений, поскольку трещины образуются в резуль­ тате исчерпания деформационной способности металла под дей­ ствием напряжений.

При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничи­ вать не только'нижний, но и верхний предел температур подо­ грева. Излишне высокие температуры подогрева приводят к распаду аустенита в высокотемпературной области с образо­ ванием грубой феррито-перлитной структуры, не обеспечиваю­ щей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений.

Поскольку перераспределение напряжений и структурные превращения могут происходить и после окончания сварки, в некоторых случаях необходимы дополнительные меры, пре­ дотвращающие образование холодных трещин в сварных со­ единениях. К ним, например, относится выдержка сварных соединений после окончания сварки при 150—200 °С в течение несколькиих часов для завершения превращения остаточного аустенита и эвакуации водорода.

12.2-2. Разупрочнение в зоне термического влияния

Применение в качестве термической обработки сталей норма­ лизации (или закалки) с последующим отпуском осложняет их свариваемость в связи с возникновением в зонах термического влияния сварки участков разупрочнения, где металл был на­ грет в интервале температур Ас3— температура отпуска стали. Кратковременные прочностные свойства сварных соединений при этом снижаются по сравнению с основным металлом на 5—10 %, а длительная прочность может быть снижена на 20 %,

элементов в сплавах на никелевой основе при 450—600 °С зна­ чительно меньше, чем в низколегированных сталях перлитного класса.

12.3. Технология сварки и свойства сварных соединений

Основными способами сварки, используемыми при изготовлении конструкций из жаропрочных перлитных сталей, являются ду­ говая и электроконтактная. Электроконтактная сварка исполь­ зуется в основном для выполнения стыковых соединений труб поверхностей нагрева котлов в заводских условиях. В подав­ ляющем большинстве других случаев используется дуговая сварка покрытыми электродами, в защитных газах и под флю­ сом.

Общими рекомендациями по всем видам дуговой сварки яв­ ляются: оптимальная подготовка свариваемых кромок, тепло­ вые условия сварки и режимы термической обработки сварных соединений.

Подготовка кромок деталей под сварку производится с по­ мощью механической обработки. Допускается применение кис­ лородной или плазменно-дуговой резки с последующим удале­ нием слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм.

Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим сварке местным или общим подогревом. Пределы изменения температуры подогрева в зависимости от марки стали и тол­ щины свариваемого изделия приведены в табл. 12.2.

ТАБЛИЦА 12.2

ТЕМПЕРАТУРА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО И СОПУТСТВУЮЩЕГО ПОДОГРЕВА

ской обработки всей конструкции, что в большинстве случаев не представляется возможным. Рекомендуемые режимы отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой, приведены в табл. 12.3.

12.3.1. Сварка покрытыми электродами

Для ручной дуговой сварки жаропрочных перлитных сталей используются электроды с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, изготовленные на малоуглеродистой сварочной про­ волоке с введением легирующих элементов через покрытие. Ос­ новной тип покрытия обеспечивает повышенную раскисленность металла шва при малом содержании в нем водорода и неметал­ лических дисперсных включений, а также достаточно надежную газовую защиту плавящегося металла от азота воздуха. Это позволяет получить сочетание высоких прочностных и пласти­ ческих свойств швов. Однако для электродов с покрытием этого типа характерна повышенная склонность к образованию пор в швах при удлинении дуги, наличии ржавчины на поверхности свариваемых кромок и небольшом увлажнении покрытия. В связи с этим рекомендуются сварка предельно короткой ду­ гой, тщательная очистка свариваемых поверхностей и сушка электрода перед их применением. Электроды малого диаметра (ЦЛ-38, ЦЛ-39), используемые в основном для монтажной сварки труб поверхностей нагрева котлов, отличаются повы­ шенной надежностью газовой защиты плавящегося металла, что позволяет обеспечить плотные швы в условиях, когда поддер­ живать короткую дугу достаточно сложно.

Для сварки хромомолибденовых сталей 12МХ, 15ХМ и 20ХМЛ используются электроды типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467—75) марок ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более и электроды ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм.

Для сварки хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ — электроды типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более и электроды ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм.

Сварка осуществляется на постоянном токе обратной поляр­ ности. Сила сварочного тока выбирается в зависимости от диа­ метра электрода и положения шва в пространстве. Сварка осу­ ществляется узкими валиками без поперечных колебаний элек­ трода с тщательной заваркой кратера перед обрывом дуги.

В отдельных' случаях, когда применение подогрева свари­ ваемых изделий и последующей термической обработки свар­ ных соединений невозможно или необходима сварка перлитных жаропрочных сталей с аустенитными, допускается использова­ ние электродов на никелевой основе марки ЦТ-36 или аргонодуговой сварки проволокой Св-08Н60Г8М7Т.