5.2. Технология сварки и свойства сварных соединений

Высокое качество сварных соединений определяется термическим циклом сварки, температурой сопутствующего подогрева, содержанием диффузионного водорода в металле шва и термической обработкой. Повышение Т_ппприводит к переходу металла шва и ЗТВ из хрупкого состояния в вязкое (табл. 5).

Для большинства перлитных жаропрочных сталей Т_хр (50) составля­ет 100...120 °С, что определяет минимальную Т_пп. Но излишне высокая Т_пп может привести к распаду аустенита в высокотемпературной области с образованием грубой ферритно-перлитной структуры, термическому старению и синеломкости.

Таблица 5

Критическая температура хрупкости Т_кр (50) металла шва и ЗТВ

Марка стали	Зона сварного соединения	Условия сварки	Ткр (50), С
12Х1МФ	Участок перегрева Участок оплавления Металл шва типа 08ХМФ	– – С подогревом 150 С	100...130 120 80...100
10Х2М1ФБ	Участок перегрева Участок оплавления	– –	130 150
10Х2М	Участок перегрева Участок оплавления Металл шва типа 07Х2М То же	– – Без подогрева С подогревом 200 С	100 90 60...70 120
15Х2МФ	Участок перегрева Участок оплавления	– –	130 120

Снижение пластичности и вязкости при одновременном повышении прочностных свойств при деформировании металла в температурном ин­тервале синего цвета побежалости (200...250°С) называется синеломкостью.

Это явление обусловлено тем, что при определенных условиях атомы внедрения – углерод и азот, находящиеся в твердом растворе, – начинают взаимодействовать с дислокациями и как бы блокируют их.

Изменение свойств сварного соединения после длительной выдержки при Т = 300...350 °С (повышение _в и снижение пластичности) называют термическим старением. При этом выделяются карбиды и нитриды, блокирующие плоскости скольжения дислокаций.

Таким образом, для предупреждения образования XT оптимальные Т_пп ограничены естествен­ными границами снизу – хладноломкостью, а сверху – синеломкостью, или термическим старением.

Т_{пп мин} = Т_хр (50) + (20...40) °С.

Т_{пп макс} < Т_син; Т_{пп макс} < Т_тер.ст (Из 2-х выбирают меньшее).

Рекомендуемая Т_пп представлена в табл. 6.

Основное требование к сварочным материалам – обеспечить свойства и химический состав наплавленного металла, близкие к основному металлу. Это связано с опасностью развития диффузионных процессов в условиях длительной эксплуатации соединений при высоких температурах.

Таблица 6

Температура подогрева и режим отпуска

некоторых жаропрочных перлитных сталей

Марка стали	Толщина свариваемых элементов, мм	Температура подогрева, С	Режим отпуска
			Температура, С	Продолжительность выдержки, ч
12Х2М	 10 10 – 30	– 150...200	– 715 + 15	– 1
10Х2М	 4 5 – 50	– 100...150	– 715 + 10	– 2
12Х2М1Л	–	130...200	715 + 20	2 – 3
12Х1МФ	 6 7 – 40	– 130...180	– 740 + 20	– 1
15Х1МФДС 10Х2М1Ф5	 30  30	130...200 130...200	750 + 10 750 + 10	2 – 3 2 – 3

В отдельных случаях, когда невозможно обеспечить требуемый тепловой режим сварки, допускается использование электродов на никелевой основе (ЦТ-36) или АрДС проволокой Св-08Н60Г8М7Т.

Для уменьшения содержания в сварном соединении диффузионного водорода сварочные материалы подвергают прокалке и очистке. Так, электроды прокаливают при температуре Т = 450...480°С в течение 3 часов, флюсы – при Т = 600...700 °С в течение 5 часов. При этом удается удалить даже кристаллизационную влагу.

Для предотвращения увлажнения флюса и электродов после прокалки их необходимо хранить в герметичной таре, в сушильных шкафах или помещениях с относительной влажностью воздуха до 50 % (не более 10–15 дней). Необходимо также очистить поверхность свариваемых кромок от ржавчины, масел и других загрязнений.

Вторым путем уменьшения Н₂ в сварном соединении является применение кислых флюсов и связывание атомарного водорода в стойкое химическое соединение HF.

Третьим путем уменьшения H₂ является уменьшение поглощения ионизированного водорода (Н⁺) металлом шва. Это обеспечивается применением постоянного тока обратной полярности. При сварке неплавящимся электродом также снижается содержание Н₂, так как присадочный металл имеет более низкую температуру.

Допустимое содержание Н₂ составляет 1,5 см³/100г. При этом не наблюдается XT в сварном соединении.

Режим сварки должен обеспечивать оптимальную скорость охлаждения соединения, исключающую образование неблагоприятных структур. Эта скорость охлаждения V_ox лежит в пределах от 1,5 до 20 °С/с. Оптимальную V_ox удобно задавать путем регламентирования погонной энергии сварки q/v.

Режим сварки определяется по формуле

,

где q/v – рекомендуемая погонная энергия, кДж/см;

к– коэффициент полезного действия (для АДСк= 0,9...0,95; для РДС –к= 0,7...0,8);

U_д – напряжение на дуге, В;

I_св – сила сварочного тока, А;

V_св – скорость сварки, см/с.

Для РДС применяют электроды с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, обеспечивающие высокие свойства сварного соединения и низкое содержание Н.

Сварку осуществляют предельно короткой дугой на постоянном токе обратной полярности узкими валиками без поперечных колебаний с тщательной заваркой кратера.

Для сварки Сг-Мо сталей 12ХМ, 15ХМ и 20ХМЛ используют электроды типа Э-09Х1М марок ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более и электроды ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм.

Для сварки Сг-Мо-V сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ – электроды типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более, электроды ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм.

АДС под слоем флюса применяют для сварки изделий толщиной более 20 мм. Для уменьшения разупрочнения в околошовной зоне рекомендуют использовать режимы с малой погонной энергией, указанные в табл. 7.

Таблица 7

Режимы АДС жаропрочных перлитных сталей

Диаметр проволоки, мм	Сила сварочного тока, А	Напряжение на дуге, В	Скорость сварки, м/ч
3,0	350...400	30...32	40...50
4,0	520...600	30...32	50...60
5,0	620...650	32...34	60...70

Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности.

Для сварки применяют малоактивные низкокремнистые низкомарганцовистые солеоксидные флюсы ФЦ-11, ФЦ-16, ФЦ-22, обеспечивающие малое содержание дисперсных оксидных включений.

Содержание кислорода в металле швов составляет не более 0,04...0,05 %, серы и фосфора – не более 0,025 % каждого. Проволоки Св-08МХ и Св-08ХМ используют для сварки Сг-Мо сталей, а Св-08ХМФА – для сварки Сг-Мо-V сталей.

Сварку в CО₂ применяют для выполнения однопроходных швов (есть опасность шлаковых включений между слоями) и заварки дефектов литья. При сварке Сг–Мо сталей применяется проволока Св-08ХГСМА, при сварке Сг–Мо–V проволока Св-08ХГСМФА.

Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности проволоками диаметром 1,6 мм (I_св = 140...200 А, U_д = 20...22 В) и диаметром 2,0 мм (I_св = 280...340 А, U_д = 26...28 В).

Аргонодуговую сварку применяют для выполнения корневого шва при многопроходной сварке труб, поверхностей котлов нагрева и паропроводов. При этом используются проволоки Св-08ХМ, Св-08ХМФА и Св-08ХГСМФА.

При нормальной температуре свойства сварных соединений находятся на уровне соответствующих свойств свариваемых сталей.

При температуре 450...570 °С свойства сварных соединений несколько уступают свариваемым сталям (табл. 8).

Таблица 8

Длительная прочность сварных соединений за 10⁶ ч

Марка стали	Способ сварки	Температура испытания, С	в, МПа
			Сталь	Сварное соединение
15ХМ	РДС электродами ЦУ-2ХМ	450 550	265 63	264 59
20ХМЛ	Полуавтом. сварка в СО2 проволокой Св-08ХГСМА	475 500	274 59	226 58
12Х1МФ 15Х1М1Ф	РДС электродами ЦЛ-20	565 565	83 88	64 74
15Х1М1Ф	Автом. сварка под флюсом проволокой Св-08ХМФА	565	88	78

Это обусловлено разупрочнением сталей в околошовной зоне под действием термического цикла сварки в результате дополнительного отпуска и неполной перекристаллизации.