Технология сварки разнородных сталей

Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.

В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей - образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:

- Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);

Рис. 1 Схема комбинированной наплавки свариваемой кромки: 1 - углеродистая сталь; 2 - перлитныйстабилизированный слой; 3 - аустенитныйслой; 4 - аустенитная сталь

- Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;

- Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;

- Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.

Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.

Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.

При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).

При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.

Рис. 2 Снижение толщины кристаллизационных (а) идиффузионных (б) прослоек в зоне сплавления стали 20 и12Х18Н10Т при увеличении содержания никеля в металле шва:1 - без подогрева; 2 - подогрев до 500 °С; 3 - обезуглероженнаяпрослойка в углеродистой стали, подогрев до 550 °С, выдержка 1000 ч.;4 - то же, подогрев до 650 с; 5 - науглероженная прослойка в аустенитном шве, подогрев до 650 °С, выдержка 1000 ч

Рис. 3 Сокращение толщины слоя переменного состава при вводе в ванну внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки при сварке под флюсом стали марки 30Н4МФДА при равном расходе электрода и присадки типа Св-08Х20Н9Г7Т: 1 - сварка без присадки; 2 - сварка с присадкой по схеме 3

Выбор сварочных материалов должен исключить образование трещин различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие получение композиций наплавленного металла с таким запасом аустенитности, чтобы компенсировать участие в шве перлитной стали и гарантированно получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру (табл. 2). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлера (см. рис. 4). На этой диаграмме точки П и Б означают структуру свариваемых сталей. При соотношении их долей участия 0,4/0,6 расплав после охлаждения на диаграмме будет находиться в т. Г, т.е. будет иметь мартенситную или аустенитно-мартенситную структуру, что недопустимо.

Рис. 4. Схема определения структуры в корневом шве и в отдельных слоях многопроходного шва с помощью диаграммы Шеффлера

Применив электрод типа Х15Н25 с высоким запасом аустенитности (т. В на диаграмме) в соотношении 50/50 к указанному выше расплаву, получим требуемый металл шва со структурой аустенита - отрезок а - б.

Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

При формировании следующего слоя 2 со стороны перлитной стали в нем участвует основной металл (т. П), и корневой шов (отрезок а - в), образуя ванну состава т. Д, а также входящий в нее электрод (т. В), что в сумме создает металл слоя со структурой в - г, соответственно долей их участия. Аналогично слой 3 со стороны аустенита характеризуется отрезком е - д.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неизбежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в однофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сформированных в результате миграции. Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температурах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 ... 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и межзеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвращают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необходим при сварке жестких узлов из аустенитной и среднеуглеродистой стали мартенситного класса, когда в корневых слоях из-за увеличения до 0,5 доли участия основного металла возможно образование горячих трещин, а в верхних слоях - холодных трещин типа "отрыв" и "откол". В этом случае корневые слои выполняют электродами, содержащими до 60 % Ni и 15 % Мо.

Указанные электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жаропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.

В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 ... 12 % ферритной фазы и допускающий долю участия перлитной стали в металле шва до 30 %. При смешивании материала электрода и расплава в том же соотношении будет получен шов, содержащий 4 ... 6 % дельта-феррита, что исключает образование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизационной прослойки.

Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразователи для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, необходимо применение высоконикелевых электродов типа ХН60М15. Швы, выполненные такими электродами хорошо работают в условиях теплосмен из-за равенства коэффициента линейного расширения с перлитной сталью (см. табл. 10.2). Этими электродами заваривают дефекты литья сталей групп IV и V без последующей термообработки.

При недостаточности или неприемлемости указанных технологических вариантов прибегают к сварке через проставки или к предварительной, в том числе комбинированной (см. рис. 10.9) наплавке кромки перлитной стали аустенитным металлом, с последующей сваркой таких заготовок аустенитно-ферритными сварочными материалами с регламентированным количеством ?-Fe (2 ... 6 %).

При сварке кислотостойких и жаропрочных высокохромистых ферритных сталей (гр. VIII) с аустенитными (гр. XI ... XIII) принципиально возможно применение как аустенитных, аустенитно-ферритных, так и высокохромистых электродов, поскольку при перемешивании в ванне указанных сталей с электродным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повышением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохромистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необходимо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на никелевой основе, поскольку их коэффициент линейного расширения близок с высокохромистой сталью. Для удовлетворения требований жаростойкости шва следует применять электроды с высоким содержанием хрома (25 ... 27 %) и никеля (12 ... 14 %), что позволяет их эксплуатировать при 1000 °С.

При неагрессивных рабочих средах соединения указанных сталей, подвергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание с основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на никелевой основе.

Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой производится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения закалки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней.

Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процесса является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и способствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые электроды с основным покрытием и флюсы на фтористо-кальциевой основе.

Другое сочетание сталей разнородных структурных классов в сварных конструкциях - сварка перлитных и высокохромистых сталей. При сварке перлитных сталей с 12 %-ными хромистыми сталями необходимо предотвратить образование мартенсита и холодных трещин, а также развития диффузионных прослоек при отпуске и высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 3). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а также длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих элементов.

Табл. 3 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными

При сварке деталей больших толщин целесообразно электродами типа Э-ХМ делать наплавку на кромки высоколегированной стали, а заполнение разделки осуществлять без подогрева электродами типа Э42 или Э50 в зависимости от требований прочности перлитного шва. Температуру предварительного подогрева и отпуска определяют по характеристикам более легированной, т.е. 12 %-хромистой стали, но для уменьшения размеров диффузионных прослоек применяют отпуск при минимально допустимой температуре.

При сварке перлитных сталей с более высоколегированными хромистыми сталями группы VII, содержащими 17 ... 28 % Сг, применяют электроды аустенитно-ферритного, а также аустенитного классов. Однако при этом следует учитывать вышеописанную структурную неоднородность в зоне сплавления аустенитного шва и перлитной стали. Термообработка в этом случае не требуется.

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей разнородных сталей одного структурного класса

Сварку перлитных сталей, отличающихся лишь степенью легирования, производят электродами, применяемыми для менее легированной стали, если к швам не предъявляется требований повышенной прочности или особых свойств жаропрочности, коррозионной стойкости, характерных для более легированной. Однако технологические режимы сварки и температуру подогрева следует выбирать (рассчитывать) применительно к более легированной стали. Рекомендации по сварке различных групп перлитных сталей в пределах одного класса приведены в табл. 4

При невозможности подогрева при сварке производят наплавку кромок более легированной стали с подогревом электродами типа Э42А. Толщина наплавленного слоя должна быть достаточной, чтобы более легированная сталь не нагревалась до температур Ac1, т.е. чтобы не создавались условия для закалки.

При сварке различных сочетаний высокохромистых мартенситных (с 12 % Cr), ферритных (с 28 % Cr) и ферритно-аустенитных сталей типа Х21Н5 выбор сварочных материалов и технологий должен исключить образование холодных трещин и хрупких участков в швах. Режим подогрева назначают по наиболее закаливающейся стали, с немедленным отпуском, не допуская полного охлаждения. Для этого применяют сварочные материалы ферритно-аустенитного класса, сварку с минимальной погонной энергией, так как высокохромистые стали в 3ТВ весьма склонны к росту зерна, приводящего к охрупчиванию соединения.

Табл. 4 Выбор композиции наплавленного металла и термической обработки для сварки разнородных перлитных сталей

После окончания термообработки необходимо ускоренное охлаждение для предотвращения 475 °С-ной хрупкости. Возможна также сварка аустенитными электродами. Однако при этом термообработка не приводит к полному снятию сварочных напряжений из-за различия в коэффициентах линейного расширения шва и основного металла.

Рекомендации по выбору композиций наплавленного металла и термообработки при сварке высокохромистых сталей приведены в табл. 5

При выборе материалов для сварки аустенитных сталей различного легирования главное требование - исключить образование горячих трещин кристаллизационного и подсолидусного типа, а также локальных разрушений и снижение коррозионной стойкости. Сварку сталей с малым запасом аустенитности производят электродами (табл. 6), обеспечивающими в шве 4 ... 6 % ферритной фазы. Однако при сварке различных стабильно - аустенитных коррозионно-стойких сталей, как правило, не допускается в швах наличия ферритной фазы. 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 электроды, дающие наплавленный металл с аустенитно-боридной или аустенитно-карбидной структурой, образуемой за счет высокого содержания в шве углерода, ниобия и титана или бора.

Табл. 5 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки высокохромистых сталей

Табл. 6 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе

Термообработка сварных соединений указанного типа производится только по необходимости снятия остаточных сварочных напряжений. Этого достигают стабилизацией при 800 ... 850 °С. Если конструкция предназначена для работы при высоких температурах, предпочтительна аустенизация при температуре 1100 ... 1150°С.

Сварка двухслойных (плакированных) сталей

Двухслойные стали позволяют резко уменьшить потребление дефицитных высоколегированных сталей без снижения работоспособности конструкций. Эти стали обычно используют для изготовления аппаратуры, работающей в коррозионной среде. Для облицовочного коррозионно-стойкого слоя, находящегося в контакте с агрессивной средой, толщина которого может достигать 12 мм, применяют высоколегированные хромоникелевые аустенитные (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и др.) и хромистые ферритные и мартенситно-ферритные (08X13, 12X13 и др.) стали. Основной слой толщиной до 150 мм и более воспринимает силовые нагрузки и изготовляется из углеродистых низколегированных сталей (Ст3, 20К, 15ХМ и др.). Сварные соединения из этих сталей должны отвечать следующим требованиям:

- Облицовочный слой должен быть однородным, при этом его коррозионная стойкость в месте сварки не должна быть пониженной;

-В сварном шве между облицовочным и основным слоями не должны образовываться комплексные сплавы с пониженными механическими свойствами. Достигается это выбором способа сварки и его режима, 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. В последнюю очередь обычно сваривают облицовочный слой для предупреждения его повторного нагрева. Сварка основного слоя обычно не представляет трудностей и выполняется в первую очередь с использованием соответствующих сварочных проволок, флюсов, электродов и т.д. (см. гл. 6).

Наибольшую трудность представляет сварка перехода от основного слоя к облицовочному, так как разбавление этого слоя металлом основного (нелегированного) слоя резко снижает его коррозионные свойства. Поэтому при сварке слоя 1 (рис. 5, в) применяют сварочные проволоки и электроды с повышенным содержанием никеля и хрома, компенсирующим разбавление металла шва основным металлом (табл. 7, 8). Следует также применять технологические приемы, обеспечивающие уменьшение проплавления основного металла, такие, как сварка ленточным и сдвоенным электродом (табл. 9), сварка на спуск, углом вперед и др.

Рис. 5 Подготовка кромок (а) и последовательность (б - в) наложения слоев (1 - 3) при сварке двухслойных сталей: I - углеродистая; II - коррозионностойкая

Табл. 7 Материалы для выполнения разделительного 1 и плакирующего 3 слоев шва при сварке под флюсом двухслойных сталей (см. рис. 5, в)

Табл. 8 Марка и тип покрытых электродов для сварки высоколегированного слоя двухслойного металла

Табл. 9 Режим сварки сдвоенной проволокой корозионностойкого слоя (толщиной 3 ... 5 мм) двухслойного металла

При соединении двухслойных сталей толщиной 16 ... 36 мм без подварки переходного слоя для сварки облицовочного слоя из сталей ОХ18Н10Т и 12Х18Н10Т рекомендуется использовать порошковую ленту ПЛ-АНВ-54, а облицовочного слоя из сталей 10Х17Н13М2Т, 07Х17Н13МЗМ и 08Х17Н15МЗТ - порошковую ленту ПЛ-АНВ-69. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности с применением флюса АН-18 или АН-26.
При односторонней ручной сварке с заполнением разделки со сто¬роны основного низкоуглеродистого слоя (слой 1 рис. 6, а) и при сварке с заполнением со стороны облицовочного коррозионно-стойкого слоя (слои 3, 4, рис. 6, б) используют электроды типа Э-ПХ15Н25М6АГ2.

Рис. 6 Последовательность (1 - 4) наложения отдельных слоев
при односторонней сварке двухслойных сталей:
а - начало сварки со стороны углеродистого слоя;
б - то же, со стороны облицовочного коррозионно-стойкого слоя