10. СварКаРазнородных сталей

Одним из путей экономии высоколегированных сталей является изготовление установок, машин и механизмов комбинированными. Такое изготовление вполне возможно, так как во многих случаях, в условиях требующих специальных сталей, работает не вся конструкция, а лишь отдельные ее узлы и детали. Остальная часть конструкции находится в обычных условиях и может быть изготовлена из среднелегированной, низколегированной и даже обычной углеродистой стали. При этом возникает необходимость сваривать между собой стали, существенно отличающиеся друг от друга своими физико-химическими свойствами.

Сварка высоколегированных сталей со средне- и низколегированными и обычными углеродистыми явилась настолько трудной задачей, что составила самостоятельную проблему, известную как проблема сварки разнородных сталей.

Основные трудности, встречающиеся при сварке разнородных сталей:

1. В процессе изготовления сварного соединения из разнородных сталей или при его эксплуатации в шве часто образуются трещины, которые проходят по его середине или у границы сплавления.

2. В зоне сплавления может происходить изменение структуры и образование прослоек, существенно отличающихся от структуры сплавляемых металлов. Изменение структуры сплавляемых металлов может быть настолько сильным, что существенно снизятся их прочностные и пластические характеристики.

10.1 Образование шва и околошовной зоны.

При сварке разнородных сталей в образовании шва, кроме дополнительного (электродного) металла, участвуют еще два других основных металла, зачастую существенно отличающихся по составу и свойствам.

Поэтому при разработке технологии сварки разнородных сталей необходимо учитывать дополнительные факторы, от которых зависит выбор основного и присадочного металлов и работоспособность сварного соединения: 1) изменение состава шва в участках, примыкающих к основному металлу; 2) образование в зоне сплавления разнородных сталей малопрочных и непластичных кристаллизационных и деформационных прослоек переменного состава; 3) наличие остаточных сварочных напряжений в сталях разного структурного класса. Эти напряжения в большинстве случаев не могут быть сняты термообработкой в виду различных оптимальных условий термообработки сталей различного типа и различия величин коэффициентов линейного расширения.

При многослойной сварке разнородных сталей может наблюдаться химическая неоднородность по сечению металла шва.

В результате несовершенства перемешивания наплавляемого металла с основным у границы сплавления со стороны шва возникают прослойки переменного состава. Протяженность этих прослоек составляет 0,2–0,6 мм. При соединении сталей одного структурного класса и перлитных сталей с хромистыми (12% Cr) свойства этих прослоек в большинстве случаев имеют промежуточное значение между свойствами основного металла и металла шва (если шов выполнен электродами, обеспечивающими получение наплавленного металла того же структурного класса, что и основной металл). Наличие подобных прослоек обычно не оказывает заметного влияния на работоспособность соединения.

Если же сварку выполняют сварочными материалами, обеспечивающими получение металла шва аустенитного класса, то у границы сплавления со стороны стали другого структурного класса образуются прослойки переменного состава, содержащие 3–12% Cr и 2–8% Ni, имеющие мартенситную структуру и обладающие высокой твердостью. Протяженность прослоек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла шва. Поэтому необходимо выбирать присадочные материалы с большим запасом аустенитности.

Существенное влияние на строение зоны сплавления и свойства сварного соединения оказывает развитие в ней переходных прослоек, обусловленных диффузией углерода из нелегированного металла в металл, содержащий в большом количестве энергичные карбидообразующие элементы. Такие диффузионные прослойки возникают при сварке разнородных перлитных сталей и особенно в соединениях перлитных с высоколегированными мартенситными, ферритными и аустенитными сталями. В зоне сплавления со стороны менее легированной стали или шва образуется обезуглероженная зона, со стороны легированной составляющей – прослойка науглероженного металла высокой твердости, содержащего большое количество карбидов.

Протяженность таких прослоек зависит от разницы в легировании контактируемых материалов и достигает наибольшей величины в зоне сплавления углеродистой стали с аустенитной. В исходном состоянии (после сварки) размеры этих прослоек невелики. Наибольшего развития они достигают при нагреве до температуры 800ºС и выдержке при этой температуре за счет диффузии углерода. Интенсивность диффузионных процессов зависит от стойкости карбидов.

Количество углерода в менее легированном металле определяет ширину науглероженной и обезуглероженной прослоек. При меньшем содержании углерода он диффундирует из более отдаленных объемов металла и ширина обезуглероженной прослойки увеличивается.

Повышение содержания углерода увеличивает протяженность науглероженной прослойки. Интенсивность процесса зависит также от температуры и времени.

Интенсивность процесса диффузии углерода, а следовательно, и степень химической неоднородности у границы сплавления можно снизить за счет замены углеродистой стали низколегированной с малым содержанием углерода и наличием элементов-карбидообразователей в количестве, достаточном для полного связывания углерода.

В соединениях метастабильных перлитных сталей с высоколегированной сталью уменьшить химическую неоднородность вблизи границ сплавления можно предварительной облицовкой кромок перлитной стали более стабильным перлитным наплавленным металлом; включением промежуточных конструкционных элементов из более стабильной перлитной стали; ограничением температуры эксплуатации в месте соединения перлитной стали с аустенитной; промежуточной наплавкой на кромки из перлитной стали высоконикелевого слоя.

Наличие диффузионных прослоек влияет на работоспособность сварных соединений. Вероятность разрушения по зоне сплавления связана с появлением в этой зоне объемного напряженного состояния и увеличением хрупкости пограничных участков швов. Кроме того, может произойти разрушение по металлу обезуглероженной прослойки со стороны менее легированной стали ввиду его меньшей прочности при воздействии коррозионной среды и напряжений, а также коррозионное растрескивание по обезуглероженной прослойке.