1.2 Эксплуатационные свойства

Для жаропрочных гомогенных сталей в условиях, исключающих ползучесть (до 500°С),длительная прочность швов ниже основного металла лишь при циклическом нагружении.

Для гетерогенных, термически упрочняемых сталей при сварке имеет место большая степень повреждаемости ЗТВ. Длительная прочность снижается по отношению к основному металлу на 10…15% ; более значительно падает пластичность, что увеличивает вероятность локальных разрушений в условиях продолжительной эксплуатации при высоких температурах. Эффективной мерой их предупреждения служит периодически проводимая аустенитизация сварных стыков (например паропроводов), а также применение сталей повышенной чистоты в результате вакуумно-дугового переплава. Повышению жаропрочности ЗТВ также способствуют аргонодуговая сварка неплавящимся электродом с присадкой и лучевые способы сварки, обеспечивающие минимум теплового воздействия и предотвращение роста зерна. Для коррозионно-стойких сталей главным фактором эксплуатационных свойств сварных соединений является скорость ножевой коррозии, сопротивление коррозионному растрескиванию и ЛРОЗ.

4.Способ сварки.

При выборе способа сварки плавлением аустенитных сталей необходимо обеспечить их свариваемость, т.е. предотвратить трещины различных типов в металле шва и ЗТВ как при сварке, так и при эксплуатации сварных соединений. При этом главное внимание обращают на технологическую прочность при сварке, так как ее уровень по закону технологического наследования определяет в существенной мере все другие структурочувствительные свойства соединений (жаропрочность, коррозионную стойкость и др.).

При выборе способа сварки следует стремится к минимизации погонной энергии погонной энергии, чтобы уменьшить температуру перегрева и особенно – время нагрева. Этого достигают путем применения лазерной, электронно-лучевой сварки, дуговой ниточными валиками при многопроходной сварке, а также принудительным охлаждением различными способами. Наибольшие возможности в этом плане имеет контактная сварка. Однако при сварке толстолистовых конструкций типа сосудов ее применение ограничено.

Рассмотрим наиболее распространенные виды сварки.

Классификация электрической дуговой сварки.

Все существующие способы сварки, можно разделить на две основные группы:

1. Сварку давлением – контактная, газопрессовая – трением, холодная – ультразвуком,

2. Сварку плавлением – газовая, термитная, электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная.

Самое широкое распространение получили различные способы электрической сварки плавлением, а ведущее место занимает дуговая сварка, при которой источником теплоты служит электрическая дуга.

Наиболее распространенные виды сварки:

Сварка плавящимся электродом

Разделяют сварку в атмосфере инертного газа и в атмосфере активного газа .

В качестве электрода используется металлическая проволока, к которой через специальное приспособление (токопроводящий наконечник) подводится ток. Электрическая дуга расплавляет проволоку, и для обеспечения постоянной длины дуги проволока подаётся автоматически механизмом подачи проволоки. Для защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки вместе с электродной проволокой. Следует заметить, что углекислый газ является активным газом — при высоких температурах происходит его диссоциация с выделением кислорода. Выделившийся кислород окисляет металл. В связи с этим приходится в сварочную проволоку вводить раскислители (такие, как марганец и кремний). Другим следствием влияния кислорода, также связанным с окислением, является резкое снижение поверхностного натяжения, что приводит, среди прочего, к более интенсивному разбрызгиванию металла, чем при сварке в аргоне или гелии.

Ручная дуговая сварка

Для сварки используют электрод с нанесённым на его поверхность покрытием (обмазкой).

При плавлении обмазки образуется защитный слой, отделяющий зону сварки от атмосферных газов (азота, кислорода), и способствующий легированию шва, повышению стабильности горения дуги, удалению неметаллических включений из металла шва, формированию шва и т. д. В зависимости от типа электрода и свариваемых материалов электросварка производится постоянным током обеих полярностей или переменным током.

Ручная и полуавтоматическая импульсная сварка алюминия является более сложным процессом, чем электродуговая сварка чёрных металлов. Причиной тому — уникальные свойства алюминиевых сплавов, за которые они и ценятся.

Сварка под флюсом

В англоязычной иностранной литературе именуется как. В этом виде сварки конец электрода (в виде металлической проволоки или стержня) подаётся под слой флюса. Горение дуги происходит в газовом пузыре, находящемся между металлом и слоем флюса, благодаря чему улучшается защита металла от вредного воздействия атмосферы и увеличивается глубина проплавления металла.

Газопламенная сварка

Источником теплоты является газовый факел, образующийся при сгорании смеси кислорода и горючего газа. В качестве горючего газа могут быть использованы ацетилен, водород, пропан, бутан, блаугаз, МАФ, бензин, бензол, керосин и их смеси. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, расплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны. Пламя может быть окислительным, «нейтральным» или восстановительным, это регулируется количеством кислорода.

В последние годы в качестве заменителя ацетилена применяется новый вид топлива — сжиженный газ МАФ (метилацетилен-алленовая фракция). МАФ обеспечивает высокую скорость сварки и высокое качество сварочного шва, но требует применения присадочной проволоки с повышенным содержанием марганца и кремния (СВ08ГС, СВ08Г2С). МАФ гораздо безопаснее ацетилена, в 2-3 раза дешевле и удобнее при транспортировке. Благодаря высокой температуре сгорания газа в кислороде (2927 °C) и высокому тепловыделению (20 800 ккал/м³), газовая резка с использованием МАФ гораздо эффективнее резки с использованием других газов, в том числе и ацетилена.

Огромный интерес представляет использование для газовой сварки дициана, ввиду его весьма высокой температуры сгорания (4500 °C). Препятствием к расширенному применению дициана для сварки и резки является его повышенная токсичность. С другой стороны, эффективность дициана весьма высока и сравнима с электрической дугой, и потому дициан представляет значительную перспективу для дальнейшего прогресса в развитии газопламенной обработки. Пламя дициана с кислородом, истекающее из сварочной горелки, имеет резкие очертания, очень инертно к обрабатываемому металлу, короткое и имеющее пурпурно-фиолетовый оттенок. Обрабатываемый металл (сталь) буквально «течёт», и при использовании дициана допустимы очень большие скорости сварки и резки металла.

Значительным прогрессом в развитии газопламенной обработки с использованием жидких горючих может дать применение ацетилендинитрила и его смесей с углеводородами ввиду самой высокой температуры сгорания (5000 °C). Ацетилендинитрил склонен при сильном нагреве к взрывному разложению, но в составе смесей с углеводородами гораздо более стабилен. В настоящее время производство ацетилендинитрила очень ограничено и стоимость его высока, но при развитии производства ацетилендинитрил может весьма ощутимо развить области применения газопламенной обработки во всех её областях применения.

Электрошлаковая сварка

Источником теплоты служит флюс, находящийся между свариваемыми изделиями, разогревающийся проходящим через него электрическим током. При этом теплота, выделяемая флюсом, расплавляет кромки свариваемых деталей и присадочную проволоку. Способ находит своё применение при сварке вертикальных швов толстостенных изделий.

Плазменная сварка

Источником теплоты является плазменная струя, получаемая при ионизации рабочего газа в промежутке между электродами. Одним из электродов может быть само свариваемое изделие, либо оба электрода могут находиться в плазменной горелке — плазмотроне. Струя плазмы сжимается и ускоряется под действием электромагнитных сил, оказывая на свариваемое изделие как тепловое, так и газодинамическое воздействие. Помимо собственно сварки, этот способ часто используется для технологических операций наплавки, напыления и резки. Процесс плазменной резки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод-катод, разрезаемый металл-анод). Сущность процесса заключается в местном плавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении резака относительно разрезаемого металла.

Электронно-лучевая сварка

Источником теплоты является электронный луч, получаемый за счёт термоэлектронной эмиссии с катода электронной пушки. Сварка ведётся в высоком вакууме (10−3 — 10−4 Па) в вакуумных камерах. Известна также технология сварки электронным лучом в атмосфере нормального давления, когда электронный луч покидает область вакуума непосредственно перед свариваемыми деталями.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества: Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 … 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 … 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах. Недостатки электронно-лучевой сварки: Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине; Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Лазерная сварка

Источником теплоты служит лазерный луч. Применяют лазерные установки всех видов.

Контактная стыковая сварка оплавлением

Источником теплоты служит плоский нагревательный элемент, покрытый PTFE. Сварка делится на 5 этапов: нагрев под давлением, прогрев массы, вывод нагревательного элемента, сварка, затвердевание.

Для выполнения сварки выбираем автоматическую сварку под флюсом так как это наиболее рациональный и экономически целесообразный способ для заданной марки стали и ее толщины.

Достоинства способа:

-Повышенная производительность;

-Минимальные потери электродного металла (не более 2%);

-Отсутствие брызг;

-Максимально надёжная защита зоны сварки;

-Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

-Мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;

-Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

-Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

-Малые затраты на подготовку кадров;

-Отсутствует влияния субъективного фактора.

Недостатки способа:

-Трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

-Трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;

-Неблагоприятное воздействие на оператора;

-Нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования.

Области применения:

-Сварка в цеховых и монтажных условиях

-Сварка металлов от 1,5 до 150 мм и более;

-Сварка всех металлов и сплавов, разнородных металлов.

Особенности автоматической сварки под флюсом аустенитных жаропрочных сталей.

Сварка под флюсом является одним из основных процессов сварки высоколегированных сталей толщиной 3-50 мм при производстве химической и нефтехимической аппаратуры. Основным преимуществом перед ручной дуговой сваркой покрытыми электродами является стабильность состава и свойств металла по всей длине шва при сварке как с разделкой так и без разделки кромок. Это обеспечивается возможностью получения шва любой длинны без кратеров образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродной проволоки и основного металла по длине шва и более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих элементов кислородом воздуха. Хорошее формирование поверхности швов с мелкой чешуйчатостью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверхности изделия существенно повышают коррозионную стойкость сварных соединений . Уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок производят на металле толщиной свыше 12 мм (при ручной сварке – на металле толщиной 3-5 мм). Возможна сварка с повышенным зазором и без разделки кромок стали толщиной 30 – 40 мм. Уменьшение потерь на угар, разбрызгивание и огарки электродов на 10 – 20 % снижает расход дорогостоящей сварочной проволоки.

Техника и режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов имеют ряд особенностей по сравнению со сваркой обычных низколегированных сталей. Для предотвращения перегрева металла и связанного с этим укрупнения структуры, возможности появления трещин и снижение эксплуатационных свойств сварного соединения рекомендуется выполнять сварку швами небольшого сечения. Это обуславливает применение проволок диаметром 2 – 3 мм, а с условием высокого электросопротивления аустенитных сталей – необходимость уменьшения вылета электрода в 1,5 – 2 раза. Аустенитные сварочные проволоки в процессе изготовления сильно наклепываются и имеют высокую жесткость, что затрудняет работу правильных, подающих и токоподводящих узлов сварочных установок, снижая срок их службы. Шов легируют через флюс и проволоку. Последний способ является более предпочтительным, так как обеспечивает повышенную стабильность состава металла шва. Для сварки под флюсом аустенитных сплавов и сталей используют сварочные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246 – 70 и по ведомственным техническим условиям, и низкокремнистые фторидные и высокоосновные бесфторидные флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. У флюсов, применяемых для коррозионно-стойких сталей необходимо контролировать углерод, содержание которого не должно превышать 0,1 – 0,2 %. Наибольшее применение для сварки коррозионных сталей получили низкокремнистые флюсы АН-26, 48-ОФ-10 и АНф-14.

Сварку жаропрочных сталей аустенитно-ферритными проволоками типа 08Х25Н13БТЮ выполняют под низкокремнистыми флюсами АН-26, АНФ-14 и 48-ОФ-10. Пи сварке стабильноаусиенитными проволоками и проволоками, содержащими легкоокисляющиеся элементы (алюминий, бор, титан, и др.) применяют нейтральные фторидные флюсы АНФ-5, 48-ОФ-10. Для обеспечения стойкости против горячих трещин аустенитных швов рекомендуют применять фторидные бористые флюсы АНФ-22.

Жаропрочные аустенитные стали весьма склонны к локальным разрушениям в околошовной зоне при изготовлении и эксплуатации конструкций. В связи с этим сварку рекомендуется проводить на минимальной погонной энергии с последующей термической обработкой – высоким отпуском (при 750-840°С) либо аустенизацией (при 1100°С). Вряде случаев совмещают аустенизацию и стабилизирующий отпуск. С точки зрения уменьшения склонности к горячим трещинам целесообразна сварка предварительно подогреваемым электродом с управляемым переносом металла, что позволяет значительно снизить погонную энергию.

С целью повышения сопротивления трещинам в околошовой зоне в сварных конструкциях рекомендуется использовать металл прошедший специальную металлургическую обработку (электрошлаковый, плазменно-дуговой переплав). Сопротивление трещинам увеличивается также с уменьшением размеров зерен свариваемого металла, что достигается понижением температуры аустенизации на 100°С по сравнению с рекомендуемой для стали. Все большее применение находит технология сварки высоконикелевых сталей с использованием проволок, обеспечивающих комплексное легирование шва молибденом (до 10%), вольфрамом (до 3%), титаном и алюминием (до 2,2%) в сочетании с термической ступенчатой обработкой, предусматривающей перестаривание металла. При этом достигается не только высокая длительная прочность, но и хорошая пластичность шва.

Техника и режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов имеют ряд особенностей по сравнению со сваркой обычных низколегированных сталей. Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим укрупнения структуры, возможности появления трещин и снижения эксплуатационных свойств сварного соединения рекомендуется выполнять сварку швами небольшого сечения. Это обусловливает применение сварочных проволок диаметром 2—3 мм, а с учетом высокого электросопротивления аустенитных сталей — необходимость уменьшения вылета электрода в 1,5—2 раза. Аустенитные сварочные проволоки в процессе изготовления сильно наклёпываются и имеют высокую жесткость, что затрудняет работу правильных, подающих и токоподводящих узлов сварочных установок, снижая срок их службы.

Шов легируют через флюс или проволоку. Последний способ более предпочтителен, так как обеспечивает повышенную стабильность состава металла шва. Для сварки под флюсом аустенитных сталей и сплавов используют сварочные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246—70 и по ведомственным техническим условиям, и низкокремнистые фторидные и высокоосновные бесфтористые флюсы, создающие в зоне сварки безокислительные или малоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов. У флюсов, применяемых для коррозионно-стойких сталей, необходимо контролировать углерод, содержание которого не должно быть выше 0,1—0,2%. Наибольшее применение для сварки коррозионных сталей получили низкокремнистые флюсы АН-26, 48-ОФ-Ю и АНФ-14.

Сварку жаростойких сталей аустенитно-ферритными проволоками типа 08Х25Н13БТЮ выполняют под низкокремнистыми флюсами АН-26, АНФ-14 и 48-ОФ-10. При сварке стабильноаустенитными проволоками и проволоками, содержащими легкоокисляющиеся элементы (алюминий, титан, бор и др.), применяют нейтральные фторидные флюсы АНФ-5, 48-ОФ-Ю. Для обеспечения стойкости против горячих трещин аустенитных швов рекомендуют применять фторидный бористый флюс АНФ-22.

Сварку под фторидными флюсами производят на постоянном токе обратной полярности, а под высокоосновными бесфтористымн флюсами — на постоянном токе прямой полярности. При этом для получения той же глубины проплавления, что и на углеродистых сталях, сварочный ток следует снизить на 10—30%. Для снижения вероятности образования пор в швах флюсы для высоколегированных сталей необходимо прокаливать непосредственно перед сваркой при 500—900 0С в течение 1—2 ч. Остатки шлака и флюса на поверхности швов необходимо тщательно удалять.

Сварка под флюсом в сочетании с высоколегированными проволоками обеспечивает получение требуемых свойств сварных соединений.