Рис. 278. Зварнокований ротор потужної парової турбіни (лабораторія зварювання

"Турбоатома").

3. Особливості структуроутворення в зварних з'єднаннях теплостійких сталей

Робота конструкції при високих температурах вимагає, щоб метал зварних швів мав такі саме жароміцні властивості, як і основний метал. Тому прагнуть до того, щоб максимально наблизити склад металу шва до основного металу. В зв'язку з цим може виникнути схильність до утворення гарячих (кристалізаційних) тріщин в металі шва, а в деяких'випадках - схильність до утворення таких тріщин в зоні термічного впливу. Підвищення стійкості швів проти гарячих тріщин стає можливим, якщо йти шляхом зниження вмісту вуглецю і шкідливих домішок в наплавленому металі і забезпечення благоприємної форми провару в поєднанні з проведенням багатопрохідного зварювання.

Друга трудність - це схильність до утворення холодних тріщин в ЗТВ, обумовлена зміненням структури під впливом термічного циклу зварювання.

Так, зварювання теплостійких сталей на форсованому режимі, тобто при високій погонній енергії, сприяє: значному росту зерна, виділенню і коагуляції карбідних фаз в ЗТВ і збільшенню кількості феритної фази в шві. Це знижує жароміцність і спричиняє виникнення крихких та м'яких прошарків металу. Розміцненою ділянкою в зварному з'єднанні Сг-Мо-У сталей, наприклад, являється "біла смуга" - прошарок пришовної зони основного металу, який під час заварювання нагрівається до міжкритичного інтервалу температур Ас_гАс₃. Руйнування зварних з'єднань по м'якому прошарку під впливом тривалого навантаження обумовлене не стільки низькою міцністю і твердістю, скільки пониженою пластичністю металу цієї ділянки зварного з’єднання, яка виникає при всіх швидкостях охолодження зварювального процесу. Усунути "білу смугу" не завжди вдається навіть при термічній обробці (нормалізації і високому відпусканні), що пов'язано з дифузійним перерозподілом елементів. Неоднорідність структури цієї ділянки ЗТВ призводить до зменшення тривалої міцності і руйнування зварного з’єднання саме в районі "білої смуги".

При зварюванні з мінімальним тепловкладенням (наприклад, без підігріву і на малих токах) виникає небезпека появи холодних тріщин в зв'язку з утворенням нерівноважних структур загартування і насиченням металу шва воднем.

Специфічним недоліком теплостійких сталей є схильність їх зварних з'єднань до розтріскування під час повторного нагрівання, що може трапитись в процесі термічної обробки або при експлуатації.

На рис. 279 зображено діаграму неізотермічного розпаду аустеніту для хромомолібденової сталі типу 12ХМ. Хром і молібден, як феритоутвірні елементи, стабілізують а-фазу і звужують область

Рис. 279. Діаграма неізотермічного перетворення аустеніту сталі типу 12МХ.

у-фази - аустеніту. Тому на діаграмі область феритного перетворення зміщена вліво і вниз аж до області мартенситного перетворення. Розглянемо утворення структур при різних швидкостях охолодження. При дуже швидкому охолодженні \У_ох>200°С/с (загартування у воді) в сталі виникає мартенситна структура; при швидкості охолодження 20-30°С/с, утворюється змішана структура (ферит+бейніт+мартенсит). При більш повільному охолодженні утворюється структура ферит+бейніт. Структури перлітного типу можуть утворюватись тільки у вельми вузькій області, розташованій при високих температурах. В розглянутому прикладі перлітне перетворення відбувається в районі температур 700°С і вище після витримки біля 3-х годин.

Структура сталей типу 12ХМ дуже залежить від способу зварювання. Так, при ацетилено-кисневому зварюванні, коли

охолодження наплавленого металу здійснюється зі швидкістю (5 — 6)°С/с, утворюється, головним чином, бейнітна структура і ферит; такі ж структури з'являються і в пришовній зоні. При дуговому зварюванні без підігрівання охолодження металу проходить зі швидкістю 80-150°С/с; отже, в цьому випадку будуть утворюватись структури, які складаються із мартенситу, бейніту і слідів фериту. З урахуванням цього можна зробити висновок про високий ступінь загартування хромомолібденових сталей, а також про їх схильність до утворення холодних .тріщин. Під час зварювання цих сталей необхідними є попередній і супутній підігріви з метою недопущення утворення мартенситної структури.

Щ е більш складні процеси структуроутворення при зварюванні мають місце в сталях хромомолібденованадієвих типу 12Х1МФ. Як видно з діаграми неізотермічного розпаду аустеніту цієї сталі (рис. 280), в залежності від швидкості охолодження при

зварюванні може бути одержана дуже різна структура: мартенсит- на, бейнітна або змішана (ферито- бейнітна, ферито-бейнітно-мар- тенситна, бейнітно-мартенситна). При невеликих швидкостях охолодження можна одержати рівноважну структуру фериту і перліту. Незважаючи на утворення після зварювання нерівноважних структур, в шві неминуче буває присутнім надлишковий ферит (рис. 281). Для одержання рівноважної стабільної структури і зварювання проводять високе відпускання при 710-740°С. Остаточна структура по всьому об'єму зварного з’єднання повинна складатись із сорбітоподібного перліту і невеликої кількості фериту.

П

Рис. 281. Мікроструктура зварного з'єднання сталі 15X1 МІФ, х 100. Автоматичне зварювання в С0₂ дротом 10ХГ2СМА (В. В. Дмитрик).

усунення напружень після

а рис. 282 представлено неізотермічні діаграми сталей 15X1 МІЛ (а) і 25Х2НМФЛ (б), із яких можна зробити висновок, що в цих сталях після зварювання утворюються структури бей- ніт+мартенсит або просто мартенсит із залишковим аустенітом. На рис. 283 показана мікроструктура цих сталей після швидкостей охолодження 80 і 0,3°С/с. Якщо вести зварювання з підігрівом, то структура металу ЗТВ може суттєво відрізнятись від структур, виз- начаємих при аналізі діаграм неізотермічного розпаду аустеніту. Це пояснюється тим, що розпад аустеніту відбувається в ізотермічних умовах при температурах, близьких до температури підігріву. Найбільш помітно така різниця в структурах проявляється для Сг- №-Мо-У сталей, інтервал бейнітного перетворення яких співпадає з температурами підігріву. Для ЗТВ цих сталей характерною структурою буде верхній бейніт. Висока твердість і нерівномірність структур, що утворюються в зоні термічного впливу, може бути усунена негайним проведенням термічної обробки після зварювання.

При виборі способу зварювання теплостійких сталей і розробці техології його виконання необхідно чітко уявляти негативні структурні зміни в металі шва і зоні термічного впливу основного металу, які можуть знижувати надійність роботи зварних конструкцій в умовах експлуатації.

Рис. 282. Діаграма неізотермічного розпаду аустеніту сталей: а) 15Х1М1Л; б) 25Х2НМФЛ.

О

В) Г)

Рис. 283. Мікроструктури ділатометричних зразків сталей 15X1 МІФЛ (1) і 25Х2НМФЛ (2). \У_о,~80°С/с (а,б) і 0,3°С/с (в,г), х 340 (Н. Є. Левенберг).

дним з технологічних прийомів, наділених на забезпечення якісного проведення зварювальних робіт теплостійких сталей є ба- гатопрохідне зварювання. Переваги такого прийому зварювання проявляються в слідуючому:

• малі об'єми зварювальної ванни;

• короткочасне перебування металу зони термічного впливу при високих температурах;

• благоприємний вплив нагріву від наплавки кожного наступного шару на структуру металу шва і ЗТВ, що забезпечує подрібнення зерна наплавленого металу і пришовної зони основного металу в результаті вторинних процесів перекристалізації;

• поступово знижуються залишкові напруження і підвищується деформаційна здатність зварного з’єднання.

Заходи, направлені на одержання високої якості зварних з'єднань теплостійких сталей, полягають в наступному:

1. Зварювальний матеріал повинен забезпечувати необхідну жароміцність металу шва, при цьому треба знижувати в шві вміст вуглецю і шкідливих домішок.

2. Необхідно впроваджувати технології, що зменшують вміст водню в шві.

3. Застосовувати підігрів виробів під час зварювання.

4. Запроваджувати ефективні способи зварювання.

5. Ретельно дотримуватись технології оптимального режиму зварювання.

6. В конструкціях зварних з' єднань, не повинні виникати додаткові розтягуючі напруження. Для цього слід зменшувати об'єм наплавленого металу в шві; виключати (якщо є можливість) встановлення підкладних кілець в стиках труб; забезпечувати плавний перехід від посилення шва до поверхні деталі; застосовувати багатопрохідне виконання зварних швів.

7. Своєчасно проводити термічну обробку після закінчення зварювання (одразу або не пізніше встановлених термінів).