Выбор сварочных материалов
Выбор сварочных материалов должен исключить образование трещин различных видов и обеспечить эксплуатационную надежность сварных соеди-нений. Применяют аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие полу-чение композиций наплавленного металла с таким запасом аустенитности, что-бы компенсировать участие в шве перлитной стали и гарантированно получить в высоколегированном шве или наплавке аустенитную структуру (табл. 10.4). Ориентировочно необходимый состав наплавленного металла для получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлера (см. рис. 10.2). 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 мартенсит-ную или аустенитно-мартенситную структуру, что недопустимо. 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.
Таблица 10.4. Выбор композиции наплавленного металла и
термообработки для сварки перлитныхи бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами
Группа свариваемых сталей (см. табл. 10.1) | Композиция наплавленного металла | Предельная температура эксплуатации, °С | Термическая обработка |
I + X-XII | 11Х15Н25М6АГ2 | Не требуется | |
11+ X-XII | 27Х15Н25ВЗГ2Б2Т | Отпуск | |
111 + X-XII | 08Х15Н60Г7М7Т | Отпуск | |
IV + X- XIII | 08Х14Н65М15В4Г2 | Не требуется | |
V + X-XII | 08Х14Н65М15В4Г2 | <650 | Не требуется |
VI -VIII + XI -XIII | < 1000 | Аустенизация |
При формировании следующего слоя 2со 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 об-разование малопластичных участков с мартенситной или карбидной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали в условиях неиз-бежного колебания долей их участия. Однако для этого варианта технологии будет характерна высокая склонность к возникновению горячих трещин в од-нофазном аустенитном металле шва, образующихся по границам зерен, сфор-мированных в результате миграции (см. рис. 10.6, б). Для их предотвращения в швах со стабильно аустенитной структурой наплавленный металл легируют элементами, снижающими диффузионные процессы при высоких температу-рах, применяют электроды типа Х15Н25АМ6, содержащие 6 % Мо и 0,2 ... 0,3 % N. Они препятствуют развитию высокотемпературной ползучести и меж-зеренного проскальзывания в твердом металле при сварке, повышая при этом пластичность в температурном интервале хрупкости и тем самым предотвра-щают образование горячих трещин. Более сложный вариант технологии необ-ходим 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 структу-рой шва применяют и при сварке перлитных сталей с термоупрочняемыми жа-ропрочными аустенитными сталями и никелевыми сплавами.
В большинстве таких случаев при сварке перлитных и термически неуп-рочняемых аустенитных сталей группы IX применяют другой - аустенитно-ферритный электрод, образующий в наплавленном металле 10 ... 12 % феррит-ной 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 ... б % дельта-феррита, что исключает обра-зование горячих трещин, но несколько увеличивает толщину кристаллизаци-онной прослойки.
Такой вариант технологии допустим при сварке аустенитных сталей с перлитными (группы II - III), содержащими активные карбидообразова-тели для ограничения диффузии углерода, либо содержащих весьма малое количество углерода путем его частичной замены азотом.
Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах, не-обходимо 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 феррит-ных 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 элект-родным металлом при доле его участия до 40 % металл шва сохраняет такую же структуру, как и у наплавленного указанными электродами. При этом с повы-шением температуры эксплуатации выше 500 °С предпочтительны высокохро-мистые электроды. При эксплуатации в условиях термоциклирования необхо-димо сваривать указанные сочетания сталей аустенитными электродами на ни-келевой 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, под-вергаемые термообработке, могут быть выполнены электродами типа
Э-08Х15Н25АМ6, которые допускают значительное перемешивание основным металлом без образования горячих трещин. Если термообработка невозможна, рекомендуется облицовка кромок закаливающихся сталей электродами на ни-келевой основе.
Третий вариант технологии предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя, при которой произво-дится предварительный или сопутствующий подогрев, обеспечивающий необ-ходимую скорость охлаждения, с последующим отпуском для устранения за-калки. После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сва-ривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней соглас-но рекомендациям, изложенным в гл. 7 - 9.
Во всех случаях сварки разнородных сталей важным параметром процес-са является уровень содержания водорода в шве, зависящий от длины дуги и температуры прокалки электродов. Водород вызывает пористость швов и спо-собствует развитию зародышей всех указанных выше типов холодных трещин в закаленных зонах. Поэтому необходимо применять низководородистые элект-роды 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 пер-литных 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 сва-рочных материалов следует исключить образование хрупких переходных участков в зонах перемешивания сталей. Для обеспечения наибольшей плас-тичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса (табл. 10.5). В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали, содержащих до 5 % хрома, сохраняется высокая пластичность, вязкость, а так-же длительная прочность соединения в целом. Для снижения размеров диффу-зионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться оп-ределенным количеством более активных, чем хром, карбидообразующих эле-ментов.
Таблица 10.5. Выбор композиции наплавленного металла и
термообработки для сварки перлитных сталей с мартенситными,
ферритными и аустенитно-ферритными
Группы свариваемых сталей | Композиция наплавленного металла | Предельная температура эксплуатации, °С | Температура отпуска, °С |
1.2+ VI, VIII | 09X1М, 08ХГСМА, 08ХМ | 300 ...350 | Подогрев, отпуск 650... 680 |
1,2 + VII | 08Х24Н6ТАМФ | 700... 740 | |
III, IV + VII | 0Х25Н13Г2 | 700... 740 | |
IV + VI, VIII | 09X1МФ, 08ХМФА | 400... 450 | 650... 700 |
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 зависи-мости от требований прочности перлитного шва. Температуру предварительно-го подогрева и отпуска определяют по характеристикам более легированной, т.е. 12 %-хромистой стали, но для уменьшения размеров диффузионных прос-лоек применяют отпуск при минимально допустимой температуре.
При сварке перлитных сталей с более высоколегированными хромистыми сталями группы VII, содержащими 17 ... 28 % Сг, применяют электроды аусте-нитно-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 требу-ется.