Сварка теплоустойчивых сталей
Теплоустойчивыми называют стали, длительно работающие при температуре до 600 °С. К ним относятся перлитные низколегированные хромомолибденовые стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ, работающие при температуре 450...550 °С и хромомолибденованадиевые стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20МФЛ, работающие при температуре 550...600 °С в течение 100 000 ч (10 лет). Они дешевы и технологичны, из них делают отливки, прокат, поковки для изготовления сварных конструкций: турбин, паропроводов, котлов и т.п. Теплоустойчивость сварных соединений оценивают отношением длительной прочности металла соединения и основного металла - коэффициентом теплоустойчивости. Чтобы работать при высоких температурах, стали должны обладать жаростойкостью, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и сопротивлением ползучести: их пластическая деформация при постоянной нагрузке с течением времени должна возрастать незначительно. Все это достигается введением в состав сталей 0,5...2,0% хрома, 0,2...1,0 % молибдена, 0,1 ...0,3 % ванадия и — иногда — небольших добавок редкоземельных элементов. Хорошее сочетание механических свойств изделий из теплоустойчивых сталей достигается термообработкой: нормализацией или закалкой с последующим высокотемпературным отпуском. Это обеспечивает мелкозернистую структуру, состоящую из дисперсной ферритокарбидной смеси. После 100000 ч работы обработанная таким образом сталь 15ХМ имеет прочность 260 МПа (26,5 кгс/мм2) при температуре 450 °С и 62 МПа (6,3 кгс/мм2) при температуре 550 °С, а сталь 12X1МФ - 154 МПа (15,7 кгс/мм2) при температуре 500 °С и 58 МПа (5,9 кгс/мм2) при температуре 580 °С.
Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и к последующей кристаллизации шва не вызывает затруднений. Современные сварочные материалы и технология сварки обеспечивают требуемые свойства и стойкость металла шва против горячих трещин. Однако сварные соединения склонны к холодным трещинам и к разупрочнению металла в ЗТВ - зоне термического влияния. Поэтому нужно применять сопутствующий сварке местный или предварительный общий подогрев изделия. Это уменьшает разницу температур в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения в металле. Уменьшается скорость охлаждения металла после сварки больше аустенита превращается в мартенсит при высокой температуре, когда металл пластичен. Напряжения, возникающие из-за разницы объемов этих фаз, будут меньше, вероятность образования холодных трещин снизится. Применяя подогрев, нужно учитывать, что излишне высокая температура приводит к образованию грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений. Уменьшить опасность возникновения холодных трещин можно, производя отпуск деталей, выдерживая их при температуре 150...200 °С сразу после сварки в течение нескольких часов. За это время завершится превращение остаточного аустенита в мартенсит и удалится из металла большая часть растворенного в нем водорода.
Разупрочнение теплоустойчивых сталей в ЗТВ зависит также от параметров режима сварки. Повышение погонной энергии сварки увеличивает мягкую разупрочняющую прослойку в ЗТВ, которая может быть причиной разрушения жестких сварных соединений при эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках. Основные способы сварки конструкций из теплоустойчивых сталей - это дуговая и контактная стыковая. Последнюю используют для сварки стыковых соединений труб нагревательных котлов в условиях завода.
Дуговую сварку производят электродами с покрытием, в защитных газах и под флюсом. Подготовку кромок деталей при всех способах дуговой сварки производят механической обработкой. Допускается применение кислородной или плазменной резки с последующим удалением слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм. Сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим сварке местным или общим подогревом. Температура подогрева зависит от марки стали и толщины свариваемых кромок. Хромомолибденовые стали при толщине кромок до 10 мм, а хромомолибденованадиевые - до 6 мм можно сваривать без подогрева. Сталь 15ХМ, например, толщиной 10...30 мм надо подогревать до температуры 150...200 °С, а больше 30 мм - до температуры 200...250 °С. До 250...300 °С подогревают сталь 12Х1МФ толщиной 6...30 мм, а свыше 30 мм требуется ее подогрев до температуры 300...350 °С. При многопроходной автоматической сварке под флюсом минимальную температуру подогрева можно снижать на 50 °С. Аргонодуговую сварку корневого шва стыков труб выполняют без подогрева.
После сварки производят местный отпуск сварных соединений или общий отпуск всей сварной конструкции. Хромомолибденовые стали нагревают при отпуске до температуры 670...700 °С с выдержкой при этой температуре 1 ...3 ч в зависимости от толщины сваренных кромок, хромомолибденованадиевые - до температуры 740...760 °С с выдержкой 2... 10 ч. Чем больше в стали хрома, молибдена, ванадия, тем больше должны быть температура и время отпуска. Отпуск стабилизирует структуру и механические свойства соединений, снижает остаточные напряжения, однако он не позволяет полностью выровнять структуру и устранить разупрочненную прослойку в ЗТВ.
Ручную дуговую сварку теплоустойчивых сталей ведут электродами из малоуглеродистой сварочной проволоки с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, через которое вводят в шов легирующие элементы. Этот тип покрытия хорошо раскисляет металл шва, обеспечивает малое содержание в нем водорода и неметаллических включений, надежно защищает от азота воздуха. Это позволяет получать высокую прочность и пластичность шва. Однако для электродов с таким покрытием характерна повышенная склонность к образованию пор при удлинении дуги, наличии ржавчины на поверхности свариваемых кромок и при небольшом увлажнении покрытия. Поэтому нужно сваривать предельно короткой дугой, тщательно очищать кромки и сушить электроды перед их применением при температуре 80... 100 °С. Хромомолибденовые стали сваривают электродами типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467-75) марки ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более, а также ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм, хромомолибденованадиевые - электродами типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм, ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности узкими валиками без поперечных колебаний электрода с тщательной заваркой кратера перед обрывом дуги. Когда подогрев свариваемых изделий и их термообработка после сварки невозможны или если необходимо сваривать перлитные теплоустойчивые стали с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой основе марки ЦТ 36 или проволоки Св 08Н60Г8М7Т при аргонодуговой сварке.
Теплоустойчивые стали сваривают дуговой сваркой плавящимся электродом в углекислом газе и вольфрамовым электродом в аргоне. Сварку в С02 из-за опасности шлаковых включений между слоями используют обычно для однопроходных швов и для заварки дефектов литья. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности с присадочной проволокой (ГОСТ 2246-70) Св-08ХГСМА для хромомолибденовых сталей или Св-08ХГСМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Для проволоки диаметром 1,6 мм сила сварочного тока 140...200 А при напряжении дуги 20...22 В, а диаметром 2 мм 280... 340 А при 26...28 В.
Ручная аргонодуговая сварка используется для выполнения корневого шва при многопроходной сварке стыков труб. Автоматической сваркой в аргоне сваривают неповоротные стыки паропроводов в условиях монтажа. При аргонодуговой сварке хромомолибденовых сталей.
Автоматическую дуговую сварку под флюсом используют на поворотных стыках трубопроводов, коллекторов котлов, корпусов аппаратов химической промышленности и других изделиях с толщиной стенки 20 мм и более. Применяют низкоактивные по кремнию и марганцу флюсы ФУ-11, ФУ-16, ФУ-22. Этим достигается стабильность содержания Si и Мn в многослойных швах и низкое содержание в них оксидных включений - продуктов процесса восстановления марганца. Сварку под флюсом ведут со скоростью 40...50 м/ч на постоянном токе обратной полярности силой 350...400 А при напряжении дуги 30...32 В. Высокая скорость сварки уменьшает погонную энергию, что снижает разупрочнение хромомолибденованадиевых сталей в околошовной зоне. Применяют проволоку диаметром 3 мм Св-08МХ и Св-08ХМ для хромомолибденовых сталей и Св-08ХМФА для хромомолибденованадиевых сталей. Можно применять проволоку диаметром 4 и 5 мм, увеличив соответственно силу тока до 520...600 А и 620...650 А при напряжении дуги 30...34 В [9].