Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
Рис. 11. Твердость в зоне сплавления сварного соединения
разнородных сталей
Одним из эффективных средств подавления диффузионных процессов в зоне сплавления разнородных сталей является введение в малолегированную сталь карбидообразующих элементов в количествах,
необходимых для достаточно полного связывания углерода в стойкие
карбиды. Так, достаточно ввести в низколегированную сталь 5 % Cr,
чтобы подавить диффузию углерода в аустенитный шов при температурах эксплуатации до 500…520 °С
.
Другим эффективным средством подавления диффузионных процессов в зоне сплавления соединений перлитной стали с аустенитной
или при сварке закаливающихся сталей аустенитными электродами является использование сварочных материалов с повышенным содержанием никеля. В этом случае никель, повышающий термодинамическую
активность углерода в растворе, компенсирует противоположное действие хрома. Повышенное содержание никеля
приводит к «отталкиванию» углерода, предотвращая образование науглероженной прослойки
в аустенитном шве.
Остаточные напряжения. Помимо возникающих прослоек различного характера, снижающих работоспособность сварного соединения, при сварке разнородных сталей необходимо учитывать разность
температурных коэффициентов линейного расширения свариваемых
материалов. Так, у аустенитной стали типа 18-8 коэффициент теплового
расширения отличается от этой же
характеристики перлитной низкоуглеродистой стали примерно на 38…44 %. Такое различие в коэффициенте теплового расширения нередко приводит к аномальному возникновению значительных остаточных напряжений.
Непосредственно после сварки различие характеристик температурного расширения свариваемых сталей незначительно влияет на распределение поля остаточных напряжений. Это различие сказывается,
прежде всего, при повторных нагревах с последующим
охлаждением
(например, при термообработке или эксплуатации). В этом случае в
сварных соединениях сталей разного структурного класса на стадии
81
нагрева и высокотемпературной выдержки, так же как и в однородных
сварных соединениях, произойдет снятие сварочных остаточных
напряжений за счет прохождения процесса релаксации. Однако при последующем охлаждении по мере восстановления упругих свойств металла соединений в них неизбежно возникнут новые внутренние напряжения, обусловленные различным тепловым расширением разнородных
металлов и отсутствием
свободной деформации. Эти напряжения в
большинстве случаев не могут быть сняты термообработкой и создают
опасность как разрушения, так и изменения размеров конструкции во
времени. Особенно опасно различие характеристик температурного
расширения свариваемых сталей для изделий, работающих при высоких
температурах и подверженных действию теплосмен. Наличие переходных прослоек различного характера еще более
усиливает вредное дей-
ствие остаточных напряжений.
Для уменьшения влияния остаточных напряжений в сварных конструкциях из разнородных сталей (перлитных, мартенситных с аустенитными сталями), работающих в условиях высоких температур
(500…580 °С), целесообразно использовать аустенитные стали высокой
прочности, отличающиеся умеренной величиной коэффициентов линейного расширения. В этом отношении для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, перспективно также применение
высоконикелевых сварочных материалов, швы которых хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициентов линейного
расширения с перлитной сталью.
Термическую обработку в сварных соединениях разнородных сталей из-за отсутствия эффекта снятия остаточных напряжений и развития
диффузионных процессов обезуглероживания и охрупчивания отдель-
зон соединения проводить нецелесообразно. Поэтому в соединени-
ных
ях из незакаливающейся при сварке перлитной стали, например низкоуглеродистой с аустенитной, ее не проводят. Если используют закаливающуюся при сварке перлитную или мартенситную сталь, то в жестких
соединениях из разнородных сталей ее можно вводить по условию снятия закалки в околошовной зоне
этих сталей.
5.2. Технологические особенности сварки разнородных сталей
разного структурного класса
Сварные соединения перлитных, мартенситных или феррит-
ных сталей с аустенитными. В данных соединениях в наибольшей
степени выражена химическая, структурная и механическая неоднородность. Поскольку применение перлитных сварочных материалов неиз-
82
бежно приводит к формированию хрупких кристаллизационных прослоек, то для выполнения соединений используют аустенитные сварочные материалы с повышенным содержанием никеля. При этом выбирают способ и режимы сварки, обеспечивающие минимальное проплавление соединяемых металлов, что позволяет получить высоколегированный шов, приближающийся по составу к присадочному металлу.
Необходимая концентрация никеля в
металле шва существенно зависит от температуры эксплуатации сварного соединения, то есть от
класса используемой в данном сварном соединении менее легированной
стали, который и определяет допустимую температуру его эксплуатации. Это обстоятельство позволяет дифференцировать содержание никеля в металле шва и тем самым более экономно его расходовать.
В связи с
этим сварные соединения данных разнородных сталей
разделяют на четыре группы: 1) соединения, работающие при температурах до 350 °С (содержат в качестве менее легированной стали обыкновенную низкоуглеродистую сталь, допустимая температура эксплуатации которой не превышает 350 °С); 2) соединения, работающие при
температурах 350…450 °С (с качественными углеродистыми и обычными низколегированными сталями); 3) соединения, работающие при
температурах 450…550 °С (с низко- или среднелегированными хромомолибденовыми сталями); 4) соединения, работающие при температурах
выше 550 °С (с низко- или среднелегированными хромомолибденованадиевыми сталями).
При изготовлении комбинированных конструкций из рассматриваемых разнородных сталей могут быть использованы различные способы
электрической сварки плавлением и те же разделки кромок, что и для
конструкций из
стали одной марки. Но наибольшее распространение
получила ручная дуговая сварка покрытыми электродами, как более маневренная и при которой можно получить меньшую долю участия основного металла в металле шва, что уменьшает вероятность образования в зоне сплавления кристаллизационных прослоек с мартенситной
структурой.
Ручную сварку разнородных сталей первой группы можно произ
-
водить существующими электродами, например ОЗЛ-6 (табл. 12). Для
соединений второй, третьей и четвертой групп рекомендуются электроды АНЖР-3, АНЖР-2 и АНЖР-1 (см. табл. 12). Применение данных
электродов на никелевой основе способствует уменьшению развития
диффузионных прослоек в зоне сплавления и благодаря почти одинаковым коэффициентам линейного расширения перлитной стали и высоконикелевого шва
повышенной прочности повышает эксплуатационную
надежность изделия в условиях теплосмен.
83
Таблица 12
Рекомендуемые марки покрытых электродов для сварки
перлитных и мартенситных сталей с аустенитными
Группа сваривае-
мых сталей
1 Э-10Х25Н13Г2
2 08Х25Н25М3Г2
3 Э-06Х25Н40М7Г2
4 Э-08Х25Н60М10Г2
Тип электрода по
ГОСТ 10052
Марка электрода.
Марка проволоки
ОЗЛ-6
07Х25Н13
АНЖР-3У
08Х25Н25М3
АНЖР-2
08Х25Н40М7
АНЖР-1
08Х25 Н60М10
Проволока для
сварки под флюсом
Св-07Х25Н13
Св-08Х25Н25М3
Св-08Х25Н25М7
Св-08Х25Н60М10
Если используют закаливающуюся при сварке перлитную или мартенситную сталь, то в жестких соединениях из разнородных сталей
можно вводить термическую обработку (отпуск) по условию снятия закалки в околошовной зоне этих сталей. Вместо отпуска всего соединения узла можно проводить первоначально облицовку кромок разделки
со стороны закаливающейся стали аустенитными электродами и
отпуск
лишь облицованной детали, а затем провести заполнение основной разделки шва металлом с меньшим содержанием никеля. В этом случае
термическая обработка всего изделия не требуется.
Для заварки дефектов в деталях энергетического оборудования, которое можно отнести к сварным соединениям четвертой группы, применяют электроды типа Э-08Н60Г7М7
Т марки ЦТ-36 или электроды
типа Э-08Х14Н65М15В4Г2.
При сварке разнородных сталей проволоками, указанными в
табл. 12, используют флюсы АН-26 или АН-15. Металл шва в соединениях, выполненных этими проволоками, стойкий против образования
горячих трещин. Металл зоны сплавления обладает вполне стабильной
структурой и свойствами, если они содержат менее
легированную сталь
и эксплуатируются при температуре, соответствующей той группе, для
которой предназначена используемая проволока.
Сварные соединения перлитных сталей с высокохромистыми
мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными сталями.
При сварке перлитных сталей с высокохромистыми сталями необходимо
учитывать возможность появления в сварных соединениях холодных
трещин, а также развитие в зоне сплавления кристаллизационных и
диффузионных прослоек. Соединения перлитной стали с 12 % хромистой
сталью обычно выполняют, используя перлитные покрытые электроды
типа Э-09Х1М для ручной сварки или проволоку Св-08ХМ для сварки
84
под флюсом. Подобные сварочные материалы позволяют получить удовлетворительные прочность и пластичность переходных слоев шва с содержанием в них до 5 % хрома и высокую длительную прочность соединения в целом. Температурный режим сварки (подогрев) назначают применительно к свойствам высоколегированной составляющей.
При соединении элементов большой толщины зачастую выполня-
ют облицовку кромок
со стороны 12%-й хромистой стали (например,
электродами типа Э-09Х1М), а дальнейшую сварку ведут электродами
типа Э42 или Э50А, состав которых обеспечивает наплавку металла,
близкого к составу менее легированной стали.
В случаях, когда соединение работает при температурах, близких к
предельной для 12%-й хромистой стали, для снижения вероятности образования диффузионных прослоек наплавку на кромки высокохромистой стали вначале осуществляют электродами типа Э-09Х1МФ или
Э-10Х3М1БФ, а затем электродами типа Э-09Х1М. Отпуск проводят по
режимам для 12%-й хромистой стали.
При сварке перлитных сталей с высокохромистыми ферритными и
аустенитно-ферритными сталями применять электроды перлитного
класса
нежелательно из-за неизбежного чрезмерного легирования переходных участков соединения и опасности образования в них трещин.
Для данных сочетаний обычно используют сварочные материалы аустенитно-ферритного класса, например, электроды типа Э-08Х24Н6ТАМФ,
позволяющие получить более стабильную и пластичную структуру металла соединения в переходных участках со стороны перлитной
стали.
Иногда применяют и аустенитные электроды, однако это неизбежно вызывает повышенную химическую неоднородность соединения, что при
эксплуатации в области высоких температур может привести к преждевременному разрушению изделия.
5.3. Технологические особенности сварки разнородных сталей
одного структурного класса
К выбору способа и режимов сварки сталей одного структурного
класса, но разных степеней
легирования, как правило, не вводят дополнительных требований. Это обусловлено тем, что данные стали имеют
близкие теплофизические свойства, а переходные прослойки в зоне
сплавления мало отличаются от металла шва.
Для сварки сталей перлитного класса применяют сварочные материалы, рекомендуемые для менее легированной стали. Например, при ручной
дуговой сварке низкоуглеродистой стали
с теплоустойчивой хромомолиб-
деновой сталью используют электроды типа Э42А, Э46А или Э50А с ос-
85
новным видом покрытия. При большом различии в легировании рекомендуются сварочные материалы, обеспечивающие наплавку металла промежуточного легирования. Например, при сварке стали ВСт3 с хромомолибденовой сталью 15Х1М1Ф рекомендуются покрытые электроды типа
Э-09Х1М. Технологические режимы сварки, и прежде всего температуру
подогрева, назначают исходя из свойств более легированной
стали.
При сварке различных сочетаний высокохромистых мартенситных
(с 12 % Cr), ферритных (с 17…28 % Cr) и ферритно-аустенитных сталей
типа Х21Н5 с целью исключения образования холодных трещин и
хрупких участков в металле шва применяют сварочные материалы ферритно-аустенитного класса. В этом случае обеспечивается формирование металла шва с более мелкозернистой структурой, чем при
использовании ферритных сварочных материалов, склонных к росту зерна.
Сварку указанных сочетаний сталей ведут при минимальной погонной
энергии с подогревом. Температуру подогрева назначают исходя из
свойств наиболее закаливающейся стали. После сварки, не допуская
полного охлаждения, проводят отпуск в интервале температур
700…750 °С с ускоренным охлаждением для устранения опасности проявления 475-градусной
хрупкости.
Для сварки аустенитных и аустенитно-ферритных сталей разных
степеней легирования сварочные материалы выбирают исходя из соотношения Cr/Ni. При этом главным требованием является исключение
образования горячих трещин и снижение коррозионной стойкости.
Сварку сталей с малым запасом аустенитности (Cr/Ni > 1) производят
аустенитно-ферритными сварочными материалами, обеспечивающими в
шве 4…6 % ферритной фазы, что позволяет избежать
образования в металле шва горячих трещин. При сварке различных стабильно аустенитных коррозионно-стойких сталей (Cr/Ni < 1), как правило, не допускается в швах наличие ферритной фазы. В этом случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие швы с однородной аустенитной структурой без горячих трещин, что достигается легированием
их молибденом, марганцем и
азотом, например Св-04Х15Н25М6Г2АФ.
Для сварки аустенитных сталей, обладающих особо высокой жаропрочностью (до 1000
°С), применяют сварочные материалы, дающие наплавленный металл с аустенитно-карбидной или аустенитно-боридной
структурой, образуемой за счет высокого содержания в шве углерода,
ниобия и титана или бора. Термообработку сварных соединений указанного типа производят только по необходимости снятия остаточных
напряжений. Этого достигают стабилизацией при 800…850 °С. Если изделие предназначено
для работы при высоких температурах, предпо-
чтительна аустенизация при температуре 1100…1150 °С.
86
5.4. Технология сварки двухслойных (плакированных) сталей
Двухслойные (плакированные) стали представляют собой прокатанные в горячую два листа разнородной стали различной толщины:
один – основной конструкционный слой из углеродистых или низколегированных сталей толщиной до 150 мм и более, а второй – плакирующий слой (до 10…12 мм) из высоколегированных коррозионно-стойких
сталей. Обычно двухслойные стали
используют для изготовления аппаратуры, работающей в коррозионной среде. Их применение позволяет
без снижения работоспособности конструкций резко уменьшить потребление дефицитных высоколегированных сталей. С целью экономии
никеля и хрома двухслойные стали широко применяют в химическом,
нефтехимическом и энергетическом производстве (нефтеперегонные
ректификационные колонны, трубопроводы, корпуса и днища сосудов).
Для плакирующего слоя,
находящегося в контакте с агрессивной
средой, применяют хромоникелевые аустенитные, аустенитноферритные стали марок 08Х18Н10Т, 10Х18Н10Т, 08Х18Н12Б,
10Х17Н13М2Т и др. или высокохромистые ферритные и мартенситноферритные стали (08Х13, 12Х13 и др.). Основной конструкционный
слой, воспринимающий силовые нагрузки, изготавливают из сталей ма-
ВСт.3, 20К, 15ХМ и др. Сварные соединения из этих сталей должны
рок
отвечать следующим требованиям:
1) плакированный слой должен быть однородным, при этом его
коррозионная стойкость не должна быть пониженной;
2) в сварном шве между плакирующим и основным слоями не
должны образовываться комплексные сплавы с пониженными механическими свойствами.
Обеспечение указанных требований достигается
выбором способа
сварки и его режимов, соответствующих сварочных материалов, разделки кромок и последовательности выполнения сварки.
Основные типы и конструктивные элементы формы подготовки
кромок в зависимости от способа сварки регламентированы
ГОСТ 16098–80. Слои сваривают раздельно, используя различные сварочные материалы.
Наибольшую трудность при сварке представляет обеспечение требуемого перехода от основного
конструкционного слоя к плакирующему слою, так как разбавление последнего металлом основного конструкционного слоя резко снижает его коррозионные свойства. Поэтому
при сварке по обычной схеме в первую очередь выполняют разделительный слой, обеспечивающий аустенитную или аустенитноферритную структуру, а также отсутствие закалочных структур в зоне
87
сплавления с конструкционными сталями. Для его выполнения ручной
дуговой сваркой при плакирующем слое из сталей типа 18-10 применяют покрытые электроды типа Э-10Х25Н13Г2. Для сварки под флюсом
используют проволоку Св-07Х25Н12Г2Т, флюс АН-26 или АН-45.
Вторым выполняют основной конструкционный слой до полного
заполнения разделки по обычной
технологии, принятой для данной конструкционной марки стали. Последним выполняют плакирующий слой,
что обусловлено требованиями не подвергать повторному нагреву высоколегированный металл и обеспечить его коррозионную стойкость.
При выполнении плакирующего слоя используют сварочные материалы, обеспечивающие его работоспособность, равную работоспособности плакирующего слоя. Так, например, если в качестве плакирующе-
слоя используются стали 08Х13, 12Х13, то для его сварки применяют
го
покрытые электроды типа Э-10Х25Н13Г2Б или проволоку для сварки
под флюсом марки Св-10Х16Н25АМ6, плакирующий слой из сталей
10Х17Н13М3Т и им подобных сваривают электродами типа
Э-09Х19Н10Г2М2Б или
проволокой Св-06Х20Н11М3ТЮ.
Если к сварному соединению из двухслойного металла, плакированного сталью 18-8, не предъявляются требования стойкости против
межкристаллитной коррозии, сварку плакированного слоя целесообразно выполнять электродами типа Э-10Х25Н13Г2 (марок ЦЛ-25,ЗИО-8), а
при наличии таких требований – электродами типа Э-10Х25Н13Г2Б
марок ЗИО-7, ЦЛ-9).
(
Конструкции и изделия из двухслойной стали, как правило, не подвергаются термической обработке. При необходимости термическая обработка должна выполняться с учетом обеспечения требуемой коррозионной стойкости сварного соединения.
Вопросы для самопроверки
1. Какие виды переходных прослоек могут образовываться в зоне сплав-
ления сварных соединений разнородных сталей? Как они влияют на работоспособность сварных соединений?
2. От чего зависит толщина прослоек в сварных соединениях разнород-
ных сталей?
3. Как располагаются кристаллизационная и диффузионная прослойки
по отношению к геометрической линии сплавления?
4. Из каких зон состоит
5. Как влияют легирующие элементы перлитной и аустенитной сталей
на толщину диффузионной прослойки?
6. Какими эффективными средствами можно подавить развитие различ-
ных прослоек в зоне сплавления сварных соединений разнородных сталей?
диффузионная прослойка?
88
7. В каких случаях в сварных соединениях разнородных сталей различие
в коэффициенте теплового расширения способно привести к повышению
уровня сварочных остаточных напряжений? Как решается эта проблема для
этих случаев?
8. Какие стали называют плакированными?
9. Перечислите возможные проблемы при сварке двухслойных сталей.
10. Укажите оптимальную последовательность наложения слоев при
сварке двухслойных сталей.
11.
Какие покрытые электроды и сварочные проволоки применяют при
сварке разделительного слоя?
89
6. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА
6.1. Состав и свойства
В машиностроительной, станкостроительной, металлургической и
других отраслях промышленности чугун является широко распространенным конструкционным материалом. Широкое его применение в
промышленности обусловлено простотой и невысокой стоимостью изготовления изделий из него, хорошими литейными свойствами, высокой
износостойкостью и стойкостью к общей коррозии, малой чувствительностью к концентраторам напряжений, способностью
хорошей обрабатываемостью и т. д.
Чугун является многокомпонентным железоуглеродистым сплавом, содержащим свыше 2,14 % углерода. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторое количество марганца, серы и
фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну особых свойств. К числу таких легирующих
элементов можно отнести хром, никель, молибден, магний и др.
Чугуны делятся на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. При затвердевании доэвтектических чугунов из расплава кристаллизуется структурно свободный аустенит в виде дендритов. Затвердевание заэвтектических чугунов характеризуется выделением в первую
очередь высокоуглеродистой фазы – первичного графита или цементита, а затем при более
низкой температуре – кристаллизацией эвтектики,
состоящей из аустенита и цементита. Такая эвтектика называется ледебуритом.
В зависимости от состава, условий кристаллизации и скорости
охлаждения углерод в чугуне может находиться в химически связанном
состоянии в виде цементита Fe
C – карбида железа или в структурно-
3
свободном состоянии в виде графита. Замедленное охлаждение способствует образованию графита, ускоренное охлаждение частично или
полностью подавляет выделение графита и способствует образованию
цементита.
Главный процесс, формирующий структуру чугуна, – процесс графитизации, так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в
структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может
быть перлитно-цементитной, перлитной, перлитно-ферритной и ферритной. Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит – структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун,
способствуют графитизации, другие – препятствуют. Наибольшее гра-
гасить вибрацию,
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]