21.Особенности сварки и рекомендуемая технология сварки хромоникелевых сталей

Высоколегированные хромоникелевые стали представляют со­бой железоуглеродистые сплавы, содержащие в качестве главных легирующих элементов хром 10-27% и никель 4-26%. В сталях присутствуют также молибден, титан, ванадий, ниобий, кремний и другие присадки. Соответствующее сочетание легирующих элемен­тов придаст хромопикелевым сталям специальные, часто присущие только им, служебные свойства. Оборудование, изготовленное из коррозионностойкой, жаростойкой и жаропрочной стали марки 12X18Н9Т способно работать под давлением при температуре от минус 196 до плюс 600°С, а при наличии агрессивных сред — до температуры 350°С; жаростойкую и жаропрочную сталь марки 20Х23Н18 применяют в установках, работающих в окислительных газовых средах при температуре до 1000°С; из жаропрочной стали марки 37Х12И8Г8МФБ изготавливают силовые дегали, длительно работающие при температуре до 650°С; сварные конструкции и де­тали, изготовленные из коррозионносгойкой стали марки 10X171113М2Т, могут длительно работать в средах повышенной aгрессивности при температуре до 600°С, а также в условиях дей­ствия кипящей фосфорной, серной и 10%-й уксусной кислот. Абсолютное большинство хромоникелевых сталей можно от­нести к аустенитному классу (марки 12Х18Н9Т, 20Х23Н18, 37Х12Н8Г8МФБ и др.), аустенитно-ферритному (марки 15Х18Н12С4ТЮ, 20Х23Н13 и др.) и аустенитно-мартенситному (марки 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 09Х17Н7Ю).

Хромоникелсвые стали в целом обладают более высокими тех­нологическими характеристиками но сравнению с высокохромисты­ми сталями. Их отличают заметно лучшая свариваемость при сварке плавлением, поэтому многие из них широко применяются в конст­рукциях, изготавливаемых с использованием ручной душной сварки.

Особенности сварки хромоникелевых сталей обусловлены их физическими свойствами (низкой теплопровод­ностью и высоким коэффициентом линейного расширения), спе­цифическим химическим составом и структурно-фазовым состоя­нием, изменяющимся под воздействием проходящих при сварке термических процессов. Хромоникелсвые стали СКЛОННЫ к обра­зованию горячих трещин в сварных соединениях и к ухудшению стойкости против межкристаллитпой коррозии и других свойств.

Горячие трещины возникают, в основном, при сварке сталей аустенитного класса. Они могут появляться в металле шва и зо­не термического влияния. Повышенная по сравнению с конст­рукционными низколегированными сталями склонность к обра­зованию горячих трещин в металле шва обязана совместному действию трех факторов: возникновению значительных растяги­вающих напряжений, вызванных низкой теплопроводностью ста­ли и увеличенной литейной усадкой затвердевающего металла; получением в металле шва однофазной крупнокристаллической столбчатой стурктуры с протяженными и непрерывными меж-кристаллитными (межзеренными) границами, обогащенными со­держащимися в сталях примесями; загрязнением межзеренных границ элементами, способными образовывать легкоплавкие эв­тектики. Такими элементами являются фосфор и сера. Послед­няя образует в присутствии никеля эвтектику с температурой плавления всего 644°С (температура плавления стали примерно 1440"С), что резко увеличивает температурный интервал хрупко­сти металла (см. гл. 11). Под влиянием растягивающих напряже­ний в легкоплавких прослойках между зернами возникают над­рывы, переходящие в трещину, способную «расколоть» все сече­ние шва, проходя по непрерывной межзеренной границе.

Появление горячих трещин в зоне термического влияния связано с частичным оплавлением в примыкающих к шву участ-ках основного металла легкоплавких прослоек эвтектического происхождения, расположенных по границам зерен. Таким горя­чим трещинам особенно подвержены стали с повышенным содер­жанием серы и фосфора, а в некоторых случаях также кремния, ниобия и марганца в сочетании с медью.

Основные способы уменьшения склонности сварных соедине­ний, получаемых при ручной дуговой сварке аустенитнмх сталей, к горячим трещинам связаны с максимально возможным сниже­нием в стали и в металле шва концентраций серы и фосфора и с устранением в шве крупнозернистой столбчатой структуры.

Обладая высокой коррозионной стойкостью, хромоникелевыс аустенитные стали могут быть подвергнуты при нахождении в кор­розионной среде опасному виду разрушения — межкристалитной коррозии (МКК), связанной со структурными изменениями, прохо­дящими в сталях при нагреве до некоторых критических темпера­тур. МКК может развиваться на трех участках соединения: на уча­стке зоны термического влияния. Нагреваемом при сварке до темпе­ратур 500-900°С, в сварном шве, на узком участке околошовной области, нагреваемом до температур свыше 1200-1300Х (ножевая кор(рзия). Коррозионное разрушение границ зерен (кристаллов) обусловлено их электрохимической неоднородностью, возникаю­щей вследствие выделения из пересыщенного раствора аустенита при нагреве до критических температур избыточных фаз. Такими фазами при содержании в аустсните более 0,02-0,03% углерода яв­ляются карбиды находящихся в стали элементов — хрома, ниобия, титана и др. Наиболее опасным представляется выделение карби­дов (с возможным выделением и других фаз) по границам зерен в виде протяженных цепочек. В этом случае разрушение металла фактически происходит по всему периметру зерна.

Нагрев стали при сварке до температуры 500-900°С приво­дит к преимущественному выделению по границам зерен карби­дов на базе хрома. Это, а также обеднение в этом случае хромом приграничных областей зерна резко повышает при последующей работе сварного соединения в агрессивной среде скорость МКК. Для борьбы с этим явлением в аустенитные стали вводят элемен­ты-стабилизаторы, которые предотвращают выделение карбидов хрома при нахождении стали в области критических температур. Такими элементами являются титан или ниобий. Поскольку по­добное выделение карбидов хрома может иметь место и в металле шва, например, в случае его повторного нагрева при двусторонней сварке, при возобновлении сварки после смены электрода и т.п.. сварочную ванну тоже дополнительно легируют титаном или нио­бием. Из Других металлургических мер, направленных на сниже­ние МКК, связанных с выделением карбидов хрома, можно отме­тить снижение концентрации содержащегося в стали углерода до пределов его растворимости в аустените (до 0,02-0,03%), что, од­нако, представляет большие технолошческие трудности, а также получение металла шва сварного соединения с двухфазной мелко­зернистой структурой. Увеличение в последнем случае удельной поверхности зерен изменяет характер расположения карбидных выделений, делая их более дисперсными и, как следствие, менее вредными.

Необходимо отметить, что развитие МКК на другом участке сварного соединения — околошовной зоне, нагреваемой при свар­ке до температур свыше 1200-1300°С, в основном наблюдается при сварке аустеннтных сталей, содержащих элементы-стабили­заторы — титан или ниобий. При длительном нагреве сталей в области указанных температур происходит выделение карбидов этих элементов, при этом выпавшие карбиды формируются в ви­де цепочек, располагающихся по границам зерен. Во многих слу­чаях, например, в окислительных средах, сварные соединения, выполненные при сварке аустенитных сталей, стабилизирован­ных титаном и ниобием, оказываются менее стойкими к ножевой коррозии, чем стали с низким содержанием углерода. Кстати, при длительном нагреве хромоникелевых сталей в процессе сварки может развиваться 475-градусная хрупкость и также возможно выделение при температурах 650-850°С хрупкой интермсталли-ческой сигма-фазы.

Рекомендуемая технология сварки. Основные положения технологии ручной дуговой сварки хромоникелевых сталей долж­ны соответствовать общим требованиям ручного дугового про­цесса (см. гл. 10), а также содержать дополнительные указания, связанные со специфическими свойствами сталей и особенностя­ми их поведения при сварке.

Выбор, хранение и подготовка электродов к сварке. При сварке высоколегированных хромоникелевых ста­лей операция выбора электрода приобретает особенно актуальное значение. Главными критериями при выборе рациональных элек­тродов являются обеспечение требуемого комплекса сварочно-технологических свойств, в том числе стойкости шва против об­разования горячих трещин, а также получение сварных соедине­ний со служебными характеристиками (механическими свойствами, коррозионной стойкостью, жаростойкостью или жаропрочнос­тью) на уровне харакгеристик свариваемого металла.

Электроды, предназначенные для сварки сталей аустенитного класса, должны обеспечивать получение металла шва со структу­рой, лишенной крупнозернистых столбчатых образований- К то­му же содержание серы и фосфора в наплавленном металле должно быть резко ограничено. Формирование благоприятной структуры металла шва, снижающей склонность к образованию горячих трещин, достигается подбором такого химического соста­ва наплавленного металла, при котором в процессе кристаллиза­ции сварочной ванны образуется вторая (кроме чистого аустени-та) фаза, препятствующая росту крупных столбчатых кристаллов. Такими фазами могут быть феррит в количестве 2-10% (в зави­симости от марки электрода) и, при наличии в расплаве молиб­дена — железо-молибденовые эвтектические включения. Кстати, уменьшение размеров зерен в металле шва способствует повыше­нию его стойкости против МКК. 3 целом же вопрос, касающий­ся МКК шва, решается за счет максимально возможного сниже­ния в наплавленном металле содержания углерода и введения в него элементов-стабилизаторов, препятствующих выделению кар­бидов хрома — титана или ниобия.

В табл. 55 приведены некоторые марки электродов, рекоменду­емых для сварки хромоникелевых сталей различного назначения.

С целью удаления влаги и придания требуемых сварочно-технологических свойств электроды перед сваркой необходимо прокаливать при температуре 200-250°С в течение 1-1,5 ч. Неко­торые справочники и каталоги на электродную продукцию пред­лагают проводить термообработку электродов при более высоких температурах, вплоть до 350-380°С. Такое предложение нельзя признать достаточно обоснованным, поскольку при сварке хромо-никелевых сталей попадающий в зону сварки вместе с влагой во­дород не представляет такой же опасности, как при сварке низко­легированных и легированных сталей. Основным возбудителем пор при сварке сталей этой группы является азот, который вно­сится в расплавленный металл из окружающего воздуха.

Обязательная к использованию марка электрода и условия его хранения и подготовки применительно к заданной конструк­ции из конкретной марки стали должны указываться в соответст­вующей технологической документации.

Подготовка металла и конструкций к сборке и сварке. Сборка конструкций для сварки. ФормаИ конструктивные элементы кромок свариваемых конструкции устанавливают в соответствии с положениями ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 16037-80. В сварных конструкциях из коррозионпостой-ких сталей из-за появления очагов щелевой коррозии не допуска­ются стыковые односторонние замковые соединения и соедине­ния на остающейся подкладке в случае контакта обратной сторо­ны шва с агрессивной средой.

Разделку кромок под сварку можно производить плазменной резкой, но лучше механической обработкой. После плазменной резки необходимо последующее удаление слоя металла толщиной не менее 1 мм режущим инструментом.

Подготовленные к сварке кромки и прилегающие к ним уча­стки металла шириной не менее 20 мм должны быть очищены, например с помощью металлической проволочной щетки из не­ржавеющей стали, от разных загрязнений. Также должны быть очищены места приварки временных технологических приспособ­лений и их сопрягаемые поверхности. Возможность и технология

22. Особенности сварки плавлением алюминия и его сплавов. Технологический процесс аргонодуговой сварки вальфрамовым электродом, подготовка к сварке основного и сварочного материалов, параметры режимов сварки.

 Для алюминия и его сплавов используют все виды сварки плавлени­ем. Наибольшее применение нашли автоматическая и полуавтоматиче­ская дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в среде инертных защитных газов, автоматическая дуговая сварка с использова­нием флюса (открытой и закрытой дугой), электрошлаковая сварка, руч­ная дуговая сварка плавящимся электродом, электронно-лучевая сварка.

Дуговую сварку в среде инертных газов осуществляют неплавящимися (вольфрамовыми чистыми, лантанированными и иттрированными) и плавящимися электродами. Используемые инертные газы: аргон выс­шего и первого сорта по ГОСТ 10157-79, гелий повышенной чистоты, смесь аргона с гелием. Выбор конкретного способа сварки определяется конструкцией изделия и условиями производства.

 Сварка неплавящимся электродом диаметром 2 ... 6 мм использует­ся для узлов с толщиной стенки до 12 мм. Толщины 3 мм сваривают за один проход на стальной подкладке, толщины 4 ... 6 мм - за два прохода (по проходу с каждой стороны), более 6 мм - за несколько проходов с предварительной разделкой кромок (V- или Х-образной). Присадочный металл выбирают в зависимости от марки сплава: для технического алю­миния - проволоку марок АО, АД или АК, для сплавов типа АМг - про­волоки той же марки, но с увеличенным (на 1 ... 1,5 %) содержанием магния для компенсации его угара. Диаметр проволок 2 ... 5 мм.

Ручную дуговую сварку вольфрамовым электродом ведут на специ­ально для этого разработанных установках типа УДГ. При других усло­виях питание дуги при сварке неплавящимся электродом может осущест­вляться от других источников переменного тока. Использование источ­ников переменного тока связано с тем, что при сварке постоянным током обратной полярности допустим сварочный ток небольшой величины из-за возможного расплавления электрода, а при сварке постоянным током прямой полярности не происходит удаления окисной пленки с поверхно­сти алюминия. Расход аргона составляет 6 ... 15 л/мин. При переходе на гелий расход газа увеличивается примерно в 2 раза. Напряжение дуги при сварке в аргоне 15 ... 20 В, а в гелии 25 ... 30 В. Рекомендуемые режимы сварки приведены в табл. 1.

  При выполнении швов на алюминии вручную особое внимание уде­ляется технике сварки. Угол между присадочной проволокой и электро­дом должен быть примерно 90°. Присадка подается короткими возврат­но-поступательными движениями. Недопустимы поперечные колебания вольфрамового электрода. Длина дуги 1,5 ... 2,5 мм. Вылет электрода от торца наконечника горелки 1 ... 1,5 мм. Сварку ведут обычно справа на­лево ("левый" способ), чтобы снизить перегрев свариваемого металла. При автоматической сварке вольфрамовым электродом качество и свой­ства шва по его длине более стабильны, чем при ручной сварке.

 Производительность сварки вольфрамовым электродом можно по­высить в 3 ... 5 раз, если использовать трехфазную дугу (рис. 1). Бла­годаря более интенсивному прогреву за один проход на подкладке свари­вают листы толщиной до 30 мм. Сварку осуществляют как ручным, так и механизированным способом (табл. 2).

Сварку плавящимся электродом выполняют полуавтоматом или авто­матом в чистом аргоне либо в смеси из аргона и гелия (до 70 % Не) на посто­янном токе обратной полярности проволокой диаметром 1,5 ... 2,5 мм. Ре­жимы сварки плавящимся электродом сплавов типа АМг приведены в табл. 3.

 При использовании газовой смеси (30 % Аr и 70 % Не) увеличива­ются ширина и глубина провара и улучшается форма шва.

Рис. 1 Схема сварки трехфазной дугой (a) и поперечное сечение сварного шва (б): 1 - сопло; 2,3 - электроды; 4 - изделие

 

 Для обеспечения большей устойчивости процесса переноса капель с плавящегося электрода, особенно при сварке в различных пространст­венных положениях, используют наложение на основной сварочный ток импульсов тока заданных параметров с частотой 50 ... 100 Гц.

 

 При сварке листов малых толщин хорошие результаты по формиро­ванию сварного соединения получают при микроплазменной сварке. При этом аргон является плазмообразующим газом, а гелий - защитным. Ге­лий выполняет две функции: охлаждает периферийные слои плазмы и защищает жидкий металл сварочной ванны от воздействия воздуха.