Сварка плавлением и давлением / Трущенко / 12Х18Н10Т стыковое(плав. и неплав. эл. в среде защ. газов) / 358 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

358 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 359

_WMi

^Шл^ШшШ^и

Рис. 9.4. Схемы межкристаллитной коррозии сварных соединений аустенитных сталей:

а - в основном металле; б - в металле шва; в - ножевая коррозия

Межкристаллитная коррозия в металле шва (см. рис. 9.4, б) возника ет в результате выделения под действием термического цикла сварки ич аустенита карбидов хрома, приводящего к местному обеднению границ зерен хромом. Основная причина этого - повышенное содержание в ме­талле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Неблагоприятный термический цикл сварки - длительное пребывание металла шва в интервале критических температур (/ > /_кр, рис. 9.3) приводит к появлению склонности к межкристаллитной корро­зии шва. Шов может потерять стойкость против межкристаллитной кор­розии в результате воздействия критических температур при эксплуата­ции изделия. Аустенитно-ферритные швы с дезориентированной струк­турой имеют и повышенную стойкость против ММК по сравнению с ау-стенитными.

Увеличение протяженности границ зерен за счет их измельчения увеличивает поверхности, на которых выделяются карбиды. Выделяю­щиеся карбиды более дисперсны, и местное обеднение объема зерна хро­мом происходит на меньшую глубину. Кроме того, процессы диффузии в феррите протекают значительно быстрее, и выравнивание концентрации хрома в обедненных участках и центральных участках зерна происходит достаточно быстро.

Межкристаллитная коррозия основного металла на некотором уда­лении от шва (см. рис. 9.4, а) вызывается также действием термического цикла сварки в той части основного металла, где находилась изотерма критических температур.

Предупреждение склонности стали и швов к ММК достигается: снижением содержания углерода до пределов его растворимости в аусте-ните (до 0,02 ... 0,03 %), легированием более энергичными, чем хром, карбидообразующими элементами (стабилизация титаном, ниобием, тан-

талом, ванадием и др.); аустенитизацией (закалкой) с температур 1050 ... 1100 °С, однако при повторном нагреве в интервале критических темпе­ратур (500 ... 800 °С) сталь повторно приобретает склонность к межкри­сталлитной коррозии; стабилизирующим отжигом при температуре 850 ... 900 °С в течение 2 ... 3 ч; созданием аустенитно-ферритной струк­туры с содержанием феррита до 20 ... 25 % путем дополнительного леги­рования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и др. Однако такое высокое содержание в структуре феррита может понизить стойкость ме­талла к общей коррозии. Эти же меры способствуют и предупреждению

ножевой коррозии.

Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер (см. рис. 9.4, в) и поражает основной металл. Этот вид коррозии развивается в сталях, стабилизированных титаном и ниобием, обычно в участках, которые на-февались до температур выше 1250 °С. При этом карбиды титана и нио­бия растворяются в аустените. Повторное тепловое воздействие на этот металл критических температур 500 ... 800 °С (например, при много­слойной сварке) приведет к сохранению титана и ниобия в твердом рас­творе и выделению карбидов хрома.

Общая коррозия представляет собой растворение металла в корро-шонной среде и может развиваться преимущественно в металле шва, различных участках зоны термического влияния или преимущественно в основном металле. В некоторых случаях она может развиться равномер­но в основном металле и сварном соединении.

Наблюдается еще один вид коррозионного разрушения - коррози­онное растрескивание, возникающее под совместным действием растяги­вающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллитное. Снижение уровня оста­точных сварочных напряжений - одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения.

9.3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают ком­плексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали ино­гда можно использовать для изготовления изделий различного назначе­ния, например коррозионно-стойких, хладостойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут раз-

W\

360

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

л ичными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные мате«| риалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и| т.д.), направленную на получение сварного соединения с необходимыми! свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизически| свойства определяют некоторые особенности их сварки. Пониженны й коэффициент теплопроводности при равных остальных условиях значи« тельно изменяет распределение температур в шве и околошовной зон! (рис. 9.5). В результате одинаковые изотермы в высоколегированны)! сталях более развиты, чем в углеродистых. Это увеличивает глубину проплавления основного металла, а с учетом повышенного коэффициент! теплового расширения возрастает и коробление изделий.

Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколегирован­ных сталей следует применять способы и режимы сварки, характери­зующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии. Примерно | 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей, удельное электросопро­тивление обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в выле­те электрода или металлического стержня электрода для ручной дуговой сварки. При автоматической и полуавтоматической дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода и повышать скорость его подачи, При ручной дуговой сварке уменьшают длину электродов и допустимую плотность сварочного тока.

Одна из основных трудностей при сварке рассматриваемых сталей и сплавов - предупреждение образования в швах и околошовной зоне го­рячих трещин. Предупреждение образования этих дефектов достигается:

	— -				\
	400°				V 800°
		200ь-

см О

4 18 16 12 8 4 0 4см 18 16 12 8 4 0 4см

а) б)

Рис. 9.5. Температурные поля при одинаковой погонной энергии

и толщине металла при сварке углеродистой (а)

и высоколегированной (б) сталей

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 361

1 ) ограничением (особенно при сварке аустенитных сталей) в основ­ ном и наплавленном металлах содержания вредных (серы, фосфора) и дикнирующих (свинца, олова, висмута) примесей, а также газов - кисло- |№дн и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные мате- |)Иплы с минимальным содержанием названных примесей. Техника свар­ ки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. 1юму способствует применение для сварки постоянного тока обратной нонярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует под­ держивать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При врярке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддер- шинать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость ввнрки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необ­ ходимую прокалку. Это уменьшит также вероятность образования пор, Иьпываемых водородом;

2) получением такого химического состава металла шва, который обеспечил бы в нем двухфазную структуру. Для жаропрочных и жаро­ стойких сталей с малым запасом аустенитности и содержанием никеля до И % это достигается получением аустенитно-ферритной структуры с 3 ... 5 % феррита. Большее количество феррита может привести к значи­ тельному высокотемпературному охрупчиванию швов ввиду их сигмати- шции. Стремление получить аустенитно-ферритную структуру швов на t иубокоаустенитных сталях, содержащих более 15 % Ni, потребует по­ вышенного их легирования ферритообразующими элементами, что при­ ведет к снижению пластических свойств шва и охрупчиванию ввиду по­ явления хрупких эвтектик, а иногда и а-фазы.

Поэтому в швах стремятся получить аустенитную структуру с мел­кодисперсными карбидами и интерметаллидами. Благоприятно и легиро­вание швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфра­ма, подавляющих процесс образования горячих трещин. Количество фер­рита в структуре швов на коррозионно-стойких сталях может быть по­вышено до 15 ... 25 %. Высоколегированные стали содержат в качестве легирующих присадок алюминий, кремний, титан, ниобий, хром и другие элементы, обладающие большим сродством к кислороду, чем железо. 11оэтому при наличии в зоне сварки окислительной атмосферы возможен их значительный угар, что может привести к уменьшению содержания

362

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ 363

г)

или к полному исчезновению в структуре шва ферритной и карбидноИ фаз, особенно в металле с небольшим избытком ферритизаторов.

Для сварки рекомендуется использовать неокислительные низко кремнистые, высокоосновные флюсы (фторидные) и покрытия электро дов (фтористокальциевые). Сварка короткой дугой и предупреждена подсоса воздуха служит этой же цели. Азот - сильный аустенитизатор. способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кри сталлизации в виде тугоплавких нитридов. Поэтому азотизация металла шва способствует повышению их стойкости против горячих трещин.

Высокоосновные флюсы и шлак^ рафинируя металл шва и иногда модифицируя его структуру, повышают стойкость против горячих тре щин. Механизированные способы сварки, обеспечивая равномерное про-плавление основного металла по длине шва и постоянство термического цикла сварки, позволяют получить и более стабильные структуры на всей длине сварного соединения;

3. применением технологических приемов, направленных на изме­ нение формы сварочной ванны и направления роста кристаллов аустени- та. Действие растягивающих сил, перпендикулярное направлению роста столбчатых кристаллов, увеличивает вероятность образования горячих трещин (рис. 9.6). При механизированных способах сварки тонкими элек­ тродными проволоками поперечные колебания электрода, изменяя схему кристаллизации металла шва, позволяют уменьшить его склонность к горя­ чим трещинам;

4. уменьшением силового фактора, возникающего в результате тер­ мического цикла сварки, усадочных деформаций и жесткости закрепле­ ния свариваемых кромок. Снижение его действия достигается ограниче­ нием силы сварочного тока, заполнением разделки швами небольшого сечения и применением соответствующих конструкций разделок. Этому же способствует хорошая заделка кратера при обрыве дуги.

Кроме перечисленных общих особенностей сварки высоколегиро­ванных сталей и сплавов, есть специфические особенности, определяе­мые их служебным назначением. При сварке жаропрочных и жаростой­ких сталей обеспечение требуемых свойств во многих случаях достигает­ся термообработкой (аустенизацией) при температуре 1050 ... 1110 °С, снимающей остаточные сварочные напряжения, с последующим стаби­лизирующим отпуском при температуре 750 ... 800 °С. При невозможно­сти термообработки сварку иногда выполняют с предварительным или сопутствующим подогревом до температуры 350 ... 400 °С. Чрезмерное охрупчивание швов за счет образования карбидов предупреждается

Рис. 9.6. Влияние направления роста кристаллитов на вероятность образования в швах горячих трещин:

а - направление роста кристаллитов и растягивающих напряжений совпадает

(трещина возможна по оси встречи кристаллов); б ~ направление растягивающих

напряжений под углом к направлению роста кристаллов (трещины между осями

кристаллов более вероятны, а по оси их встречи менее вероятны); в и г — наличие

зазора в угловом соединении [дезориентируя структуру шва за счет уменьшения

интенсивности теплоотвода, уменьшает вероятность образования горячей

трещины; этому способствует и отсутствие концентратора напряжений

в соединении с зазором (г)]

снижением содержания в шве углерода. Обеспечение необходимой окалиностойкости достигается получением металла шва, по составу идентичного основному металлу. Это же требуется и для получения швов стойких к общей жидкостной коррозии.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения МКК не следует допускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (гра­фитовой смазки проволоки и т.д.), длительного и многократного пребы­вания металла сварного соединения в интервале критических температур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наименьшей по­гонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечи­вающие непрерывность получения шва. Повторные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Шов, обращенный к агрессивной среде, по возможности следует сваривать в последнюю оче­редь, чтобы предупредить его повторный нагрев, последующие швы в многослойных швах - после полного охлаждения предыдущих. Следует принимать меры к ускоренному охлаждению швов. Брызги, попадающие на поверхность основного металла, могут быть впоследствии очагами коррозии. Следует тщательно удалять с поверхности швов остатки шлака и флюса, так как взаимодействие их в процессе эксплуатации с металлом может повести к коррозии или снижению местной жаростойкости.