Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



УЧЕБНИКИ И УЧЕБНЫЕ ПОСОБИЯ ПО КУРСУ




Читайте также:
  1. БАКАЛАВРСЬКИХ) РОБІТ З КУРСУ
  2. Более подробно технология создания результато-ориентированных формулировок задач приведена на стр.96-100 учебного пособия по тайм-менеджменту.
  3. В – Індивідуальні розділи курсу
  4. Введение к курсу
  5. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ДЕТСКИМ КНИГАМ, УЧЕБНИКАМ И УЧЕБНЫМ ПОСОБИЯМ, ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМ
  6. Гипотеза меняет учебники и обучение
  7. Глосарий по курсу Правоохранительные органы
  8. Го курсу денного відділення 1 страница
  9. Го курсу денного відділення 2 страница
  10. Го курсу денного відділення 3 страница

 

 

Рекомендовано Науково-методичною Радою

Української інженерно -

педагогічної академії

Протокол № _____

від___________ 20__р.

 

 

Харків 2012 р.

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Глава 1. Сварка теплоустойчивых сталей 6

1.1. Общие сведения о свариваемости 6

1.2. Дуговая сварка 7

1.2.1. Выбор технологии 7

1.2.2. Сварочные материалы 8

1.2.3. Термическая обработка сварных соединений 10

1.2.4. Свойства сварных соединений 11

Глава 2. Сварка аустенитных сталей 12

2.1. Свариваемость аустенитных сталей 12

2.2. Особенности сварки 12

2.3. Материалы для сварки 13

2.4. Сварка жаропрочных аустенитных сталей 14

2.4.1. Основные свойства и особенности сварки 14

2.4.2. Термическая обработка конструкций и локальные 14 разрушения

2.5. Сварка коррозионностойких сталей 16

2.5.1. Основные свойства 16

2.5.2. Основные виды коррозии сварных соединений 16

2.5.3. Технологические особенности сварки 17

2.5.4. Металлургические особенности сварки 18

2.5.5. Технология сварки 19 2.6. Сварка жаростойких сталей 21

2.6.1. Основные свойства и особенности сварки 21

2.6.2. Технология сварки 23

Глава 3. Сварка разнородных металлов и сплавов 25

3.1. Сварка разнородных сталей 25

3.1.1. Особенности сварки 25

3.1.2. Неоднородность металла сварного шва 26

3.1.3. Зона сплавления сварных соединений 27

3.1.4. Свойства сварных соединений 28

3.1.5. Остаточные сварочные напряжения 29

3.2. Сварка разнородных сталей одного структурного класса 30

3.2.1. Сварка перлитных сталей 30

3.2.2. Сварка аустенитных и аустенитно-ферритных сталей 31

3.3. Сварка сталей разного структурного класса 34

3.3.1. Сварка перлитных сталей с нержавеющими 34 аустенитными сталями

Глава 4. Сварка алюминия и его сплавов 36

4.1. Основные свойства и особенности сварки 36

Глава 5. Сварка меди и ее сплавов 44

5.1. Основные свойства и особенности сварки 44

Глава 6. Сварка никеля и его сплавов 53

6.1. Основные свойства и особенности сварки 53

Глава 7. Сварка титана и его сплавов 57

Глава 8. Сварка разнородных сплавов 60

8.1. Особенности сварки 60

8.2. Сварка алюминия и его сплавов со сталью 62



8.3. Сварка меди и ее сплавов со сталью 63

8.4. Сварка алюминия и его сплавов с медью 65

Список литературы 67

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по специ­альности «Оборудование и технология сварочного производства».

При подготовке курса лекций автор исходил из учебного плана по данной специальности, согласно которому студенты уже изучили час­тично или полностью дисциплины: технологию конструкционных мате­риалов, сопротивление материалов, теорию сварочных процессов, ис­точники питания для сварки, расчет и проектирование сварных конст­рукций и др. Поэтому в данном курсе лекций основное внимание уделе­но основам технологии сварки. Преподавая основы технологии автор не стремился привести все данные о сварочных материалах, режимах свар­ки и т.п., учитывая, что эти данные имеются в справочной литературе и в литературе, список которой приведен в конце учебного пособия.

 

Глава 1. Сварка теплоустойчивых сталей

1.1. Общие сведения о свариваемости

Теплоустойчивыми называются стали, предназначенные для дли­тельной работы при температурах от 450 °С до 600 °С. Эти стали ис­пользуются преимущественно в энергетическом машиностроении при изготовлении деталей паровых котлов, турбин, атомных реакторов и те­плообменников. В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали долж­ны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, ста­бильностью свойств во времени и жаростойкостью.



Сварка плавлением сопровождается изменением свойств свари­ваемого металла, связанным с его расплавлением и кристаллизацией при образовании шва, а также структурными изменениями и упруго­пластическими деформациями в околошовной зоне. Это обуславливает физико-химическую неоднородность сварных соединений и образова­ние местного сложнонапряженного состояния, что в ряде случаев ухуд­шает работоспособность и уменьшает эксплуатационную надежность конструкций.

Степень неоднородности сварных соединений определяется свой­ствами основных и присадочных металлов, технологией сварки и раз­мерами свариваемых изделий.

Таким образом, свариваемость материала является сложной ком­плексной характеристикой, зависящей, кроме перечисленных факторов, также и от современного уровня технологии сварки и требований, предъявляемых к сварным соединениям. Чем неоднороднее структура и механические свойства, выше уровень и градиент напряжений в свар­ном соединении, тем сложнее технология сварки и меньше диапазон ее режимов, чем выше требования, предъявляемые к сварным соединени­ям, тем ниже степень свариваемости материала в данных условиях.

Сварные соединения из теплоустойчивых сталей подвергают в большинстве случаев термической обработке для снятия остаточных напряжений, стабилизации структуры и свойств. Что касается требова­ний, предъявляемых к сварным соединениям, то они находятся обычно на уровне свойств свариваемых сталей. Поэтому свариваемость тепло­устойчивых сталей должна оцениваться сложностью применяемой тех­нологии сварки и последующей термической обработки, которые обес­печивают минимальную физико-химическую неоднородность сварных соединений, а также возможной при этом степенью приближения крат­ковременных и длительных свойств сварных соединений к соответст­вующим свойствам основного металла.



1.2. Дуговая сварка

1.2.1. Выбор технологии

Тепловые условия сварки или температурные режимы нагрева свариваемых сталей, а иногда и поддержание определенной температу­ры сварных соединений перед их термической обработкой направлены на то, чтобы предотвратить образование холодных трещин.

При сварке теплоустойчивых сталей, в той или иной степени вос­приимчивых к закалке, образование холодных трещин в сварных соеди­нениях связано в основном с превращением аустенита в мартенсит и происходит в период, предшествующий термической обработке свари­ваемого изделия.

Сопутствующий сварке местный или общий подогрев является надежным средством предотвращения холодных трещин, так как уменьшает разницу температуры металла в зоне сварки и периферий­ных участках, что снижает уровень напряжений 1-го рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовной зоне сглаживаются.

Подогрев уменьшает скорость охлаждения металла в процессе термического цикла сварки, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением объема ме­талла, вызывающим появление напряжений 2-го и 3-го рода.

Наконец, повышение температуры металла при любом структур­ном состоянии увеличивает его пластичность, а, следовательно, и де­формационную способность. Повышение пластичности сварного соеди­нения имеет такое же важное значение для предотвращения образова­ния холодных трещин, как и снижение уровня напряжений, поскольку образование трещин происходит в результате исчерпания деформаци­онной способности металла под действием напряжений.

Рекомендуемые температуры предварительного и сопутствующе­го подогрева различных сталей в зависимости от толщины свариваемых изделий приведены в таблице 1.1

 

 

Таблица 1.1 - Рекомендуемые температуры предварительного и сопутствующего подогрева различных сталей

 

Марки сталей Толщина свариваемых изделий, мм
7-10 > 30
12МХ, 15ХМ 20ХМ-Л 150°-250° 200°-300°
12Х1МФ 15Х1М1Ф 250°-300° 300°-350°
15Х1МФ-Л 20ХМФ-Л 350°-400° 350°-400°
15Х11МФ 15Х12ВМФ 15Х11В2МФ 300°-350° 350°-400°

 

Поскольку перераспределение напряжений и структурные пре­вращения могут иметь место и после окончания сварки, в ряде случаев необходимы дополнительные меры, предотвращающие образование хо­лодных трещин в нетермообработанных сварных соединениях. К ним можно отнести выдержку сварных соединений при температуре подог­рева еще в течение нескольких часов для завершения превращения ос­таточного аустенита и эвакуации водорода, а также поддержание свар­ных соединений при повышенных температурах (150-200 °С) вплоть до их термической обработки. Эти меры используются иногда при свар­ке толстостенных изделий из мартенситных 12 %-ных хромистых ста­лей или перлитных Сг-Мо-У-вых сталей толщиной более 70 мм.

1.2.2. Сварочные материалы

При разработке покрытых электродов, сварочных проволок и флюсов для сварки теплоустойчивых сталей стремятся, как правило, приблизить химический состав металла шва к основному металлу, так как в условиях длительной работы сварного соединения при высоких температурах существует опасность развития диффузионных процессов. Диффузионные процессы, особенно миграция углерода в зоне сплавле­ния, влекут за собой понижение длительной прочности и пластичности сварных соединений. Это явление наблюдается уже при небольшом от­личии в легировании металла шва карбидообразующими элементами (например, сталь 12Х1МФ - шов 08Х2МФБ).

Содержание углерода в металле шва при сварке перлитных тепло­устойчивых сталей обеспечивается сварочными материалами в пределах 0,06-0,12 %, при сварке мартенситных и мартенситно-ферритных 10­12 %-ных хромистых сталей содержание углерода в швах обычно со­ставляет 0,12-0,17 %. Такое содержание углерода гарантирует необхо­димый уровень длительной прочности швов при достаточной стойкости сварных соединений против образования трещин.

Для ручной дуговой сварки теплоустойчивых сталей применяют чаще всего электроды с фтористо-кальциевым покрытием, основой ко­торого является карбонат кальция (мрамор) и флюорит (плавиковый шпат). Эти электроды обеспечивают повышенную раскисленность ме­талла шва при малом содержании неметаллических включений и водо­рода, вследствие чего достигаются высокая пластичность и ударная вяз­кость швов. Перед сваркой электроды надо прокаливать при температу­ре 80-100 °С, сварку вести на возможно короткой дуге. Необходимо тщательно зачищать свариваемые кромки от ржавчины и окалины, что­бы избежать появление пор в швах.

Для автоматической сварки в сочетании с легирующими проволо­ками применяют обычно низкоактивные флюсы АН-22, ФЦ-11 с пони­женным содержанием окислов кремния и марганца. Это обеспечивает высокие пластические свойства швов и стабильность состава много­слойных швов по содержанию в них кремния и марганца. Для полуав­томатической сварки в С02 используют проволоки, содержащие наряду с основными легирующими элементами повышенное содержание крем­ния и марганца. При аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом в качестве присадочного материала применяют обычно проволоку тех же марок, что и при сварке под флюсом (табл. 1.2).

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами широко использу­ется при монтаже котлов и паропроводов, а в заводских условиях - при изготовлении тройников, сварке блоков трубопроводов и приварке труб поверхностей нагрева к коллекторам, а также при сварке литых деталей турбин и заварке дефектов литья. Автоматическую сварку под флюсом применяют при сварке трубопроводов и приварке донышек в заводских условиях. Полуавтоматическая сварка в С02 используется при монтаже паропроводов. Аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом при­меняется как в заводских, так и в монтажных условиях при сварке кор­невых слоев кольцевых швов труб поверхностей нагрева котлов и паро­проводов, когда сварка идет без подкладных колец.

 

Марка стали Марка электрода Флюс и проволока для автоматической сварки Проволока для полу­автоматической свар­ки в СО2 Присадочная проволока для аргонодуговой сварки вольф­рамовым элек­тродом
12МХ ЦЛ-14 ЦУ-2МХ АН-22 Св-10МХ - СВ-10МХ
15ХМ 20ХМ-Л ЦУ-2МХ ЦЛ-38 УОНИ-13ХМ АН-22 ФЦ-11 Св-10ХМ Св-08ХГ2СМ Св-10ХМ Св-08ХГ2СМ
12Х1МФ 20ХМФ-Л 15Х1М1Ф ЦЛ-20А ЦЛ-20Б ЦЛ-39 Ан-22 ФЦ-11 Св-08ХМФ Св-08ХГСМФ Св-08ХМФ Св-08ХГСМФ
12Х2МФСР 15Х2МФБ ЦЛ-40 - - Св-08ХМФ Св-08ХГСМФ
15Х11МФ КТИ-9 - - Св-10Х11МФН
15Х12ВМФ 15Х11В2МФ КТИ-10 ЦЛ-32   - Св-10Х11ВМФН

Таблица 1.2 - Сварочные материалы, применяемые при сварке теплоустойчивых сталей

 

1.2.3. Термическая обработка сварных соединений

Сварные конструкции из теплоустойчивых сталей в основном не могут эксплуатироваться сразу после сварки и требуют термической об­работки для снятия внутренних напряжений и выравнивания свойств металла в различных участках соединений. Исключение составляют сварные соединения из хромо-молибденовых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМ-Л) при толщине менее 10мм и хромо-молибден-ванадиевых ста­лей (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) при толщине менее 6 мм.

Общая термическая обработка сварных конструкций может быть осуществлена лишь в заводских условиях для таких изделий (сварные роторы, диафрагмы турбин, коллекторы котлов, отливки с заваренными дефектами), которые могут быть целиком помещены в термические пе­чи. Поэтому иногда сварные соединения подвергают местной термиче­ской обработке.

Наиболее распространенным видом термической обработки свар­ных конструкций является общий и местный отпуск при температурах, близких к температуре отпуска свариваемых сталей.

Рекомендуемые температуры и продолжительность отпуска свар­ных соединений приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Рекомендуемые режимы отпуска сварных соединений из теплоустойчивых сталей

Марка стали Т, °С Время в час. для толщины, мм
до 20 20-45 более 45
12МХ 600-700
15ХМ 20ХМ-Л 700-730
12Х1МФ 20ХММФ-Л 720-750
15Х1М1Ф 730-760
15Х1М1Ф-Л
15Х11МФ 720-730
15Х12ВМФ 15Х11В2МФ 740-760

 

1.2.4. Свойства сварных соединений

Дуговая сварка теплоустойчивых сталей в соответствии с изло­женными выше рекомендациями обеспечивает кратковременные свой­ства сварных соединений на уровне соответствующих свойств основно­го металла. Однако длительная прочность соединений обычно ниже, чем у свариваемой стали. Это объясняется разупрочнением металла в околошовной зоне вследствие дополнительного высокотемпературного отпуска и неполной перекристаллизации: отпуск стали - точка АС3. Ко­эффициент теплоустойчивости сварных соединений (отношение дли­тельной прочности сварного соединения к длительной прочности сва­риваемой стали) для сталей 20ХМФ и 15Х1М1Ф равен 0,7-0,9, а для структурно-стабильных сталей - мартенситной 15Х11В2МФ и мартен- ситно-ферритной 15Х11В2МФ - 0,85-0,95. Кроме того, последние ха­рактеризуются высокой пластичностью в процессе длительных испыта­ний на растяжение.

Широкое применение при сварке этих сталей получила контакт­ная стыковая сварка, в основном труб.

 

 

Глава 2. Сварка аустенитных сталей

2.1. Свариваемость аустенитных сталей

Эти стали подразделяются на три группы: коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие (окалиностойкие).

Иногда хромоникелевые аустенитные стали применяют в качестве хладостойких, так как они способны сохранять пластичность и высокую ударную вязкость при низких температурах.

Аустенитные стали построены, главным образом, либо на основе сплавов тройных систем Fe-Cr-Ni, либо Fe-Cr-Mn с добавками никеля или без них. В хромоникелевых сталях хром и никель служат основны­ми легирующими элементами, обеспечивающими аустенитную струк­туру. Наиболее широко распространенны стали этого класса, содержа­щие 18-20 % Сг и 9-10 % М с присадками различных элементов для придания этим сталям тех или иных свойств.

Углерод упрочняет сталь за счет образования карбидов хрома и карбидов других элементов, обладающих высоким сродством к углероду.

Титан повышает длительную прочность стали, никель - тоже.

2.2. Особенности сварки

Применяют: ручную дуговую сварку, сварку под флюсом, газо­электрическую сварку, электрошлаковую сварку, плазменную сварку, электронно-лучевую сварку. Ручная дуговая сварка наиболее маневрен- на, в т. ч. и по влиянию на химический состав (в сторону его улучше­ния). Аустенитные стали имеют теплопроводность больше, чем малоуг­леродистые стали. Поэтому ручную дуговую сварку ведут на понижен­ных значениях тока. Из тех же соображений длина электрода из аусте- нитной стали меньше, чем из малоуглеродистой. Аустенитные стали имеют более высокий уровень остаточных напряжений и деформаций. В этих сталях возможно при сварке образование и развитие горячих трещин, которые в большинстве случаев носят межкристаллитный ха­рактер.

Для предотвращения горячих трещин используют следующие пути:

- ограничение вредных и ликвирующих примесей, образующих жидкие прослойки (пленки) на завершающей стадии кристаллизации металла шва; для проволоки - электрошлаковый переплав (ЭШП);

- повышение содержания некоторых ликвирующих элементов до концентраций, обеспечивающих на завершающей стадии неравновесной кристаллизации шва в его структуре сплошную объемную сетку эвтектики;

- блокирование или торможение полигонизационных процессов закристаллизовавшегося металла шва при температурах, близких к со- лидусу.

Предварительный и сопутствующий подогрев не дает при сварке аустенитных сталей заметного эффекта на снижение образования горя­чих трещин.

При ручной дуговой сварке очень важно поддержание короткой дуги и небольшого вылета электрода. Короткая дуга уменьшает воз­можность окисления хрома и азотизацию сварочной ванны, что благо­приятно влияет на трещиноустойчивость шва. Необходимо следить за качественной прокалкой электродов и флюсов, так как водород влаги способствует образованию горячих трещин.

2.3. Материалы для сварки

При подборе присадочных материалов для сварки аустенитных сталей часто ориентируются на получение металла шва по химическому составу несколько отличающегося от основного металла. При сварке аустенитных сталей следует преимущественно пользоваться легирова­нием через присадочную проволоку, а не через покрытие или флюс, так как при этом легче получить микрохимическую однородность шва.

Аустенитные стали содержат ряд элементов (Al, Ti, Nb, Cr и др.), обла­дающих значительно большим химическим сродством к кислороду, чем Fe, поэтому в процессе сварки возможно их выгорание, если в зоне плавления имеется окислительная среда. Для сварки аустенитных ста­лей применяют низкокремнистые, фторидные, высокоосновные флюсы (АН-26, 48-ОФ-10, АНФ-14, АНФ-15, АНФ-1, -5, -6, -7 и др.). При элек- тродуговой сварке в защитных газах используют аргон и гелий, а также смесь Ar + CO2, Ar + O2. При сварке аустениных сталей в чистом СО2 на шве образуется трудноудалимая с его поверхности плотная окисная пленка (черного цвета).

 

2.4. Сварка жаропрочных аустенитных сталей

2.4.1. Основные свойства и особенности сварки

Промышленные жаропрочные стали выпускаются как в горячеде- формированном состоянии (прокат, поковки), так и в литом состоянии (1Х18Н12Т, 1Х16Н13М2Б, 1Х20Н12Т-Л, 1Х14Н18В2БР, Х15Н35ВТ). Они классифицируются по запасу аустенитности: стали с малым запа­сом аустенитности (% N1 / % Сг<1), стали с большим запасом аустенит­ности (% N1 / % Сг>1).

Флюсы и газы выбирают как сказано ранее, а проволоки и элек­троды по таблице 2.1

 

Таблица 2.1 - Рекомендуемые проволоки и электроды для сварки жаропрочных сталей

Сталь Проволока Электроды, тип (марка)
Типа X18Н9 X17Н9 ЭA-1, ЭA-1а (03Л-8)
X18Н9Б X18Н9Б X18Н9Б ЭA-1Б (ЦТ-15) ЭA-1Ба (ЦТ-16)
X16Н9M2 X16Н8M2 (ЦТ-26)
X18Н11M2 Св-04X19Н11M3 ЭA-1M2Ф (ЦТ-7)
X15Н35B4Т 6X15Н35Г7B7M3Т (ЦТ-22)

 

При сварке и при работе этих сталей рекомендуется быстро про­ходить температурный интервал 350-500 °С, так как в этом интервале происходит существенное изменение механических свойств металла - повышение прочности и уменьшение пластичности и, особенно, удар­ной вязкости (475-градусная хрупкость).

2.4.2. Термическая обработка конструкций и локальные разрушения

Большинство сварных конструкций из аустенитных сталей под­вергаются последующей термической обработке - аустенизации при температуре 1050-1100 °С или несколько более низкой (зависит от мар­ки стали и типа конструкции), либо аустенизации с последующим ста­билизирующим отжигом при температуре 750-800 °С. Аустенизация необходима для снятия остаточных сварочных напряжений и придания

сварному соединению более однородных свойств. Термическая обра­ботка может быть общей и местной. Термообработка позволяет снизить вероятность развития локальных околошовных разрушений совместно­го действия остаточных и рабочих напряжений, вызванных теми или иными условиями эксплуатации конструкции. Для снижения вероятно­сти локальных разрушений за последнее время сталь стали легировать молибденом.

Зависимость между временем до разрушения сварных соедине­ний, находящихся под воздействием остаточных напряжений, и измене­нием температуры показана на графике (рис. 2.1). Возможные режимы

^ 1 Л ^ Л ^

аустенизации сварных соединений: 1 - быстрый нагрев; 2 - медленный нагрев, при котором возможно саморазрушение сварного соединения в интервале температур ^—2.

Логарифм времени Рис. 2.1. Зависимость разрушения сварных соединений от времени и температуры  

 

2.5. Сварка коррозионностойких сталей

2.5.1. Основные свойства

В качестве коррозионностойких материалов широко применяются хромоникелевые аустенитные стали. Находят также применение хромо­марганцевые аустенитные стали, хромоникелевые аустенитно- ферритные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-боридные стали (0Х18Н10, Х17Н13М2Т, 0Х23Н28М3Д3Т, Х14Г14Н3Т, 0Х21Н6М2Т, Х17Н7Ю, Х18Н12БР1). Оценку коррозионной стойкости металлов (ста­лей, сплавов, сварных швов) по потере массы (в г/м ч) производят по пятибалльной шкале, по глубинному показателю (скорость коррозии в мм/год) - по 10-бальной шкале по ГОСТ 13819-68.

При производстве изделий, конструкций и оборудования из кор­розионностойких аустенитных сталей применяют ручную и механизи­рованную (под флюсом, в среде защитных газов) электродуговую свар­ку, для особо ответственных изделий наряду с дуговой используют электроннолучевую, диффузионную, плазменную и другие виды сварки. Аустенитные стали большой толщины сваривают электрошлаковой сваркой. Газовая сварка и сварка угольным электродом не рекомендует­ся из-за ряда существенных недостатков и, прежде всего, опасности на­углероживания металла шва и околошовной зоны.

Коррозионная стойкость мелкозернистых сталей и сварных швов выше, чем крупнозернистых. По этой причине деформированные стали превосходят литые, швы с мелкой структурой, например дуговые, пре­восходят крупнокристаллитные, электрошлаковые.

2.5.2. Основные виды коррозии сварных соединений

Аустенитные стали и сварные швы подвержены нескольким ви­дам коррозионного разрушения, главными из которых являются: меж- кристаллитная коррозия (МКК), общая жидкостная коррозия и коррози­онное растрескивание. МКК наблюдается при выдержке сталей или сварных швов при 1 = 500-800 °С или при медленном охлаждении их с 1 = 900-1000 °С.

В процессе сварки участки металла шва в околошовной зоне под­вергаются тепловому воздействию в области указанных температур, и там может развиваться МКК. Применяют следующие методы преду­преждения развития МКК:

1) снижают содержание углерода в стали и швах до пределов рас­творимости 0,02-0,03 % (сталь 000Х18Н10, 00Х25Н20);

2) легируют сталь (швы) элементами (титан, ниобий, тантал, цир­коний, ванадий), обладающими большим сродством к углероду, чем хром; например, используют проволоки Св-06Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б, электроды 03Л-17 (0Х23Н21М3Д3Б);

3) подвергают сварные соединения закалке с 1 = 1050-1100 °С с быстрым обязательно охлаждением или стабилизирующему отжигу в течение 2-4 часов при 1 = 850-900 °С;

4) повышают в швах содержание феррита до 20-25 % путем дополни­тельного легирования их хромом и такими элементами, как кремний, алюми­ний, ванадий, молибден, вольфрам (проволока Св-05Х19Н9Ф3С2).

С точки зрения сварщиков основным методом борьбы с МКК яв­ляется сварка изделия швами идентичного с основным металлом соста­ва и правильный выбор режима термической обработки.

2.5.3. Технологические особенности сварки

При сварке нельзя допускать перегрев и многократный нагрев сварного соединения. В тех случаях, когда сварное изделие нельзя под­вергнуть закалке или стабилизации (с обязательным последующим бы­стрым охлаждением, например, на воздухе), сварку необходимо выпол­нять при наименьшей погонной энергии и на максимально возможной скорости. Последовательность наложения швов должна, по возможно­сти, назначаться так, чтобы шов, обращенный к агрессивной среде, вы­полнялся в последнюю очередь. Однопроходные односторонние швы по этой причине предпочтительнее двусторонних. Поскольку коррозион­ная стойкость металла шва находится в прямой зависимости от химиче­ского состава и содержания в нем ферритной фазы, поддержание посто­янного фазового и химического состава шва - главное условие получе­ния доброкачественного сварного соединения коррозионностойкой ау- стенитной стали.

Следует принимать меры против попадания брызг присадочного металла или металлической ванны на основной металл. Брызги - потен­циальные очаги МКК или появления межкристаллитных трещин на ос­новном металле в месте приварки брызг.

Коррозионная стойкость сталей и сварных швов во многом опре­деляется состоянием их поверхности. Полированные стали обладают более высокой стойкостью против жидкостной коррозии. Шов с гладкой мелкочешуйчатой поверхностью превосходит по общей коррозионной стойкости шов, имеющий грубую неровную поверхность. В этом еще одно преимущество механизированной сварки, особенно под флюсом.

При сварке многопроходных швов нет необходимости заполнять все сечение разделки металлом, обладающим требуемой стойкостью против МКК. Достаточно, если только поверхностные швы (валики), соприкасающиеся с агрессивной средой, будут стойкими против МКК и общей коррозии.

Не допускается повреждение поверхности стали и швов. Поэтому категорически запрещается возбуждать дугу не на шве.

Аустенитные стали обладают большим омическим сопротивлени­ем и низкой теплопроводностью. Поэтому необходимо выполнять их сварку при уменьшенном по сравнению с обычными сталями вылете электрода (при ручной дуговой сварке - укороченные электроды). Низ­кая теплопроводность обуславливает большое коробление сварной кон­струкции, поэтому необходимо стремиться, по возможности, к односто­ронней сварке швами симметричного сечения при сквозном проплавле­нии кромок. Остатки шлаковой корки на поверхности швов и в около- шовной зоне после сварки необходимо тщательно удалить. Очистка пневмозубилом и другими способами, при которых образуются вмяти­ны и забоины на металле шва, нежелательны.

2.5.4. Металлургические особенности сварки

Коррозионная стойкость аустенитного шва определяется его ком­позицией, достаточным содержанием в нем легирующих элементов (хром), стабилизаторов (титан, ниобий), ферритизаторов (алюминий, ванадий, кремний). Поэтому главной особенностью металлургии сварки коррозионностойких сталей является создание надежных условий для усвоения указанных элементов сварочной ванной.

Коррозионностойкие стали надлежит сваривать с использованием неокислительных флюсов и покрытий электродов. В случае газовой за­щиты (аргоном, гелием, СО2 или его смесями) необходимо обеспечи­вать надежную изоляцию сварочной ванны от атмосферного воздуха. Заслуживает внимания сварка в вакууме (электроннолучевая).

Коррозионная стойкость сварного шва, при прочих равных усло­виях, определяется содержанием в нем углерода. Каждая сотая доля процента углерода имеет определяющее значение. В случае шлаковой защиты недопустимо наличие углерода во флюсе или в покрытии элек­тродов. Желательно сведение к минимуму содержания в них карбонатов кальция, магния. Запрещается использование сварочной проволоки со следами графитовой или углеродосодержащей смазки. Свариваемые кромки должны быть тщательно очищены от следов масла, краски.

2.5.5. Технология сварки

Сварка под флюсом является ведущим технологическим процес­сом в производстве химической и нефтезаводской аппаратуры из корро­зионностойких аустенитных сталей толщиной от 3 до 50 мм. Замена ручной сварки этих сталей сваркой под флюсом дает возможность уп­ростить и удешевить подготовку кромок под сварку (аустенитные стали дороги и труднообрабатываемы), сократить расход дорогостоящей ау- стенитной проволоки. Сварка под флюсом обеспечивает хорошее фор­мирование сварных швов с гладкой мелкочешуйчатой поверхностью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверх­ности стали. Это очень важно, так как углубления между чешуйками, подрезы и места приваривания брызг часто являются очагами коррозии. Легирование шва при сварке коррозионностойких аустенитных сталей может производится через проволоку или флюс. Предпочтительнее - через проволоку. Bœ флюсы подлежат обязательному контролю на углерод, содержание которого не должно во флюсе превышать 0,04 %. Bо избежание образования пор в швах флюсы надо прокаливать при температуре 500­900 ОС в течение 1-2 часов. Техника и режимы сварки под флюсом корро­зионностойких аустенитных сталей и аустенитно-ферритных сталей практически такие же, как и при сварке обычных сталей.

Ручная дуговая сварка. Главными особенностями ручной дуговой сварки коррозионностойких аустенитных сталей являются: преимуще­ственное применение электродов с фтористокальциевым или так назы­ваемым основным покрытием; преимущественное использование по­стоянного тока обратной полярности (плюс на электроде); сварка ко­роткой дугой без поперечных колебаний конца электрода; сварка срав­нительно короткими электродами на небольших токах. B соответствии с ГОСТ 10052-62 типы электродов для сварки коррозионностойких ау­стенитных сталей обозначаются индексом ЭA-1, а аустенитно- ферритных - ЭAФ-1. Режимы сварки аустенитных сталей характерны тем, что отношение величины тока к диаметру электрода не превышает 25-30 а/мм. При сварке аустенитными электродами в вертикальном или потолочном положениях ток уменьшают на 10-30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении.

Сварка в аргоне и гелии. При сварке в инертных газах происходит наиболее высокое усвоение легирующих элементов металла шва, чем достигается повышенная стабильность его коррозионных свойств. На­ходит применение сварка в инертных газах (аргоне, гелии, их смесях) неплавящимся вольфрамовым электродом с присадочным материалом и без него, плавящимся электродом, ручная и механизированная. Aргоно- дуговая сварка вольфрамовым электродом производится постоянным током прямой полярности (минус на электроде). Сварку плавящимся электродом коррозионностойких аустенитных сталей и сплавов следует выполнять на токе выше критического, обеспечивающего струйный пе­ренос электродного металла. При этом исключается разбрызгивание расплавленного металла и образование очагов коррозии в местах прива­рившихся брызг.

Сварка в углекислом газе. При сварке в СО2 происходит наугле­роживание металла шва на 0,02-0,04 %. Этого достаточно для резкого снижения коррозионной стойкости шва, если не принять специальных мер для нейтрализации углерода. Стандартные электродные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246-60, не обеспечивают требуемой коррозион­ной стойкости шва. Для сварки в СО2 сталей типа 18-10 и 18-12 разра­ботаны специальные проволоки 08X20Н9С2БТЮ (ЭП156) и 08X25Н13БТЮ (ЭП389), успешно применяемые в промышленности.

Недостатком сварки в СО2 применительно к коррозионностойким аустенитным сталям является довольно интенсивное разбрызгивание (10-12 %) и образование очагов коррозии в месте приваривания брызг к металлу. Использование тонкой проволоки и сварка на малых вылетах электродах уменьшают разбрызгивание. Чтобы брызги не приварива­лись к металлу, рекомендуется околошовную зону перед сваркой по­крывать меловым раствором, замешанным на воде, или концентратом барды жидким (например, по а.с. №239013).

Электроннолучевая сварка. Bажной технологической особенно­стью этого способа является возможность получения швов с очень ма­лым коэффициентом формы и минимальным термическим воздействи­ем сварочного нагрева на основной металл в околошовной зоне. Свар­ные соединения отличаются повышенной стойкостью против коррозии. Электроннолучевую сварку следует применять там, где получить на­дежно работающую конструкцию с помощью обычных способов сварки нельзя.

Сварка двухслойных сталей. Двухслойные стали Ст3 + Х18Н10Т широко применяются в качестве коррозионностойких в химическом и нефтехимическом производстве.

Сварка основного слоя двухслойной стали производится по обыч­ной для данной конструкционной стали технологии (под флюсом, по­крытыми электродами, электрошлаковой и др.), а коррозионностойкого слоя - в один или несколько проходов (в зависимости от его толщины). Выбор сварочной проволоки, электродов и флюсов производится в за­висимости от химического состава коррозионного слоя. Например, про­волока Св-07Х25Н13 с флюсами АН-26, АНФ-14, 48-ОФ-10, если тре­бования к металлу шва по стойкости к межкристаллитной коррозии не предъявляются, проволока 08Х25Н13БТЮ (ЭП389) с флюсами АН-26, 48-ОФ-10, АНФ-14, если требования к металлу шва по стойкости про­тив МКК предъявляются жесткие.

Чтобы обеспечить минимальное разбавление аустенитного и не- аустенитного металла при переходе от основного слоя к облицовочному и наоборот, сварку производят с применением мер, обеспечивающих наименьшее проплавление нижележащего слоя, например, сварку сдво­енным или ленточным электродом, сварку на спуск и т. д.

Термообработку конструкций и изделий из биметалла обычно не производят. Но, если термообработка необходима, она должна выпол­няться с учетом обеспечения требуемой коррозионной стойкости обли­цовочного слоя.

2.6. Сварка жаростойких сталей

2.6.1. Основные свойства и особенности сварки

Скорость окисления металла зависит в основном от трех факто­ров: состава среды, рабочей температуры изделия и защитных свойств окисной пленки, образующейся на металле (сплаве, сварном шве), кото­рые, в свою очередь, определяются его химическим составом.

Пористая или рыхлая окисная пленка защитными свойствами не обладает. Жаростойкость сплава и сварных соединений зависит также от их качества, состояния поверхности, структуры металла и т. д.

При контакте с кислородсодержащей средой происходит, в основ­ном, общая коррозия металла с образованием на поверхности слоя сложных окислов. При наличии в газовой атмосфере сернистых соеди­нений (БО2, Н2Б и др.), помимо общей газовой коррозии, возможно поражение аустенитных сталей, сплавов и сварных швов межкристаллит- ной газовой коррозией. Причиной этого рода коррозии является про­никновение в глубь металла по границам зерен легкоплавкой сульфид­ной эвтектики М-М3Б2.

Марганец (до 6-8 %) повышает стойкость швов против межкри- сталлитной газовой коррозии, вызванной наличием сернистых соедине­ний в рабочей атмосфере.

Жаростойкие аустенитные стали и сварные швы подвержены га­зовой коррозии в средах, соединениях У205 и других, и науглерожива­нию в цементационных средах. Легирование сплава хромом в количест­ве 35-60 % предупреждает ванадиевую коррозию. Для предупреждения науглероживания сплавы легируют кремнием в пределах 2-3 %.

Во всех случаях независимо от агрессивной среды требуемая жа­ростойкость сварного соединения достигается максимальным прибли­жением композиции шва к композиции основного металла.

Высокая жаростойкость аустенитных сталей, сплавов и сварных швов определяется их композицией и, прежде всего, положительным действием хрома, кремния, алюминия. Важную роль играет никель. Увеличение количества этих элементов в металле шва улучшает защит­ные свойства окисной пленки, благодаря повышению в ней содержания шпинелей N10 (Сг, Fe)2 О3, FeO А12О3 и плотного окисла БЮ2.

Из элементов, применяемых для легирования шва при сварке ау- стенитных сталей, ванадий и бор вызывают падение жаростойкости. Другие элементы - вольфрам, марганец, а также молибден при относи­тельно небольших его количествах (2-3 %) мало влияют на жаростой­кость аустенитных швов. Большинство жаростойких сталей и сплавов имеют стабильноаустенитную структуру и в процессе нагрева (охлаж­дения), а также при сварке фазовых превращений не претерпевают, кроме дисперсионного твердения, связанного с образованием карбидов Сг, Fe, Т1, N и интерметаллидов типа М3 (А1, Т1).

Наибольшую пластичность жаростойкие аустенитные стали, сплавы и сварные швы приобретают после аустенизации при высоких температурах (1100-1200 °С). При длительной эксплуатации в интерва­ле температур 600-800 °С пластичность их заметно снижается вследст­вие старения.

Жаростойкие аустенитные стали и сплавы относятся к трудносва- риваемым вследствие повышенной склонности швов и околошовной зо­ны к горячим трещинам. Исключение составляют двухфазные аусте- нитно-ферритные стали типа Х25Н13.

При сварке изделий повышенной жесткости, особенно из литых сталей и сплавов, например 4Х18Н25С2, легированных большими ко­личествами кремния, углерода, алюминия, хрома, возможно образова­ние холодных трещин. Предупреждение образования холодных трещин в шве и околошовной зоне достигается путем подогрева свариваемых кромок до 200-250 °С. Чем больше жесткость изделия и ниже пластич­ность свариваемого сплава и металла шва, тем выше должен быть по­догрев.

Значительно сложнее задача предотвращения образования горя­чих трещин в шве и околошовной зоне. Высокая прочность и жаростой­кость большинства жаростойких аустенитных сталей и сплавов достига­ется легированием их кремнием, алюминием, углеродом, ниобием, ти­таном, которые в определенных концентрациях являются возбудителя­ми горячих трещин в аустенитных швах. Поэтому для предупреждения образования горячих трещин в швах сварщики вынуждены прибегать к изменению композиции металла шва часто даже в ущерб его жаростой­кости и другим характеристикам.

Сварные соединения из жаростойких аустенитных сталей и спла­вов желательно подвергать аустенизации при температуре 1100-1200 °С или высокотемпературному отжигу при температуре 900-950 °С для снятия сварочных напряжений.

Дуговая сварка жаростойких аустенитных сталей и сплавов про­изводится на постоянном токе обратной полярности, сварка неплавя- щимся вольфрамовым электродом в аргоне, гелии - на токе прямой по­лярности, электрошлаковая сварка - на переменном токе. Остальные требования в части оборудования, источников питания, режимов и тех­ники сварки при сварке жаростойких аустенитных сталей и сплавов та­кие же, как и при сварке жаропрочных аустенитных сталей.

2.6.2. Технология сварки

Наибольшее применение получила ручная дуговая сварка покры­тыми электродами и в нейтральных защитных газах (аргоне, гелии). Применяется также механизированная сварка под флюсом, контактная точечная, шовная, электрошлаковая.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Сварку реко­мендуется выполнять ниточными швами (без колебаний электрода) ко­роткой дугой на постоянном токе обратной полярности. Электрод диа­метром 3 мм с точки зрения трещин следует считать оптимальным. Обя­зательной является заплавка кратеров частыми короткими замыкания­ми. Bо всех случаях сварка покрытыми электродами производится с минимальным проплавлением основного металла. B остальном техника подготовки кромок и сварки такая же, как и при сварке аустенитных сталей и сплавов.

Сварка под флюсом. Сварку жаростойких аустенитных сталей ре­комендуется выполнять двухфазными аустенитно-ферритными прово­локами типа X25Н13 (Св-07X25Н13, Св-08X2Н12БТЮ) под низкокрем­нистыми флюсами A^26, AНФ-14, AНФ-16, 48-ОФ-10. Флюсы перед упот­реблением прокалить при температуре 500-900 ОС в течение 1-2 часов.

Сварка в среде защитных газов. B качестве газов для этой сварки применяют аргон, гелий, углекислый газ, азот и смеси, например, Ar + 3,5 % О2, Ar + СО2 и т. д. Сварку швов, содержащих легкоокисляющие- ся элементы, такие, как алюминий, титан, следует выполнять в атмо­сфере нейтральных газов (аргон, гелий).

Сварочные проволоки, используемые для сварки под флюсом, мо­гут быть использованы и для сварки в СО2, и как присадка (например, Св-07X25Н13, Св-13X25Н18, Св-08X25Н12БТЮ). Mожно применять и лапшу, нарезанную из свариваемого металла.

 

Глава 3. Сварка разнородных металлов и сплавов

3.1. Сварка разнородных сталей

3.1.1. Особенности сварки

B сварных конструкциях могут использоваться соединения сталей одного структурного класса разного легирования или разного структур­ного класса (перлитные стали с аустенитными хромоникелевыми или мартенситно-ферритными хромистыми).

При изготовлении конструкций из разнородных сталей может ис­пользоваться большинство существующих методов сварки. Наибольшее распространение получила ручная дуговая сварка. Перспективно вне­дрение автоматической сварки под флюсом. Иногда может быть ис­пользована ЭШС. Применительно к выполнению сварных соединений разнородных перлитных сталей и перлитных сталей с высокохромисты­ми широкие возможности имеет сварка в СО2, а для сварных соедине­ний разнородных аустенитных сталей - сварка в среде аргона.

Bœ большее распространение при изготовлении конструкций из разнородных сталей находит сварка трением, электроннолучевая сварка, диффузионная сварка, сварка давлением в вакууме.

Режимы сварки плавлением разнородных сталей обычно прини­маются близкими к режимам для сварки сталей одного легирования при использовании тех же сварочных материалов.

При сварке разнородных сталей, кроме общих положений свари­ваемости, должны учитываться следующие дополнительные факторы, определяющие выбор основного и присадочного материалов и работо­способность изделия:

- изменение состава шва в участках, примыкающих к основному металлу другого легирования, чем наплавленный металл;

- развитие в зоне сплавления разнородных материалов малопроч­ных и хрупких кристаллизационных и диффузионных прослоек;

- наличие остаточных сварочных напряжений в соединениях раз­ного структурного класса, которые не могут быть сняты термической обработкой.

Указанные факторы обуславливают развитую химическую, струк­турную и механическую неоднородность сварных соединений.

 

3.1.2. Неоднородность металла сварного шва

Химический состав различных слоев металла шва можно подсчи­тать, зная для каждого слоя доли участия наплавленного и проплавлен­ного металлов. При наплавке (рис. 3.1, а) содержание элемента в первом и п-ном слоях соответственно определяется по формулам:

Сш = (1 - ®)СНМ + 0Спр;

Спш = СсН - (СНм - Спр )0п,

где СНм - содержание элемента в наплавленном металле с учетом его перехода из электродного стержня, покрытия или флюса, а также угара элемента при сварке;

Спр - содержание элемента в проплавленном основном металле;

 


0 =
1 1 1 НМ ^ 1 пр
- доля основного металла в шве.
^~нм
Рис. 3.1. Схемы определения состава шва: а - наплавка валика; б - однослойный стыковой шов; в - корневой слой стыкового соединения
а
F1 F 2 пр пр

 

 


 

 


 

Содержание элемента в однослойном стыковом шве (рис. 3.1, б) или корневом слое многопроходного шва (рис. 3.1, в)

~і2 пр
сш = (1 -0)Снм+;0с1р + (1 - і)0С,

где Спр - содержание элемента в стали 1; С]р - содержание элемента в стали 2;

пр пр

1 НМ + Кр + 1пр

г = ~Пт - степень проплавления одной из кромок относительно

^пр

другой в однослойном шве. Например, при сварке перлитной стали с аустенитной значение г для последней может быть равным 0,6.

В таблице 3.1 приведены обобщенные данные о доле участия пер­литной и аустенитной сталей в шве для основных методов сварки плав­лением и типов соединений.

 

 

Таблица 3.1 - Степени проплавленим свариваемых кромок сталей в зависимости от типа соединения и метода свари

 

Тип соеди­нения Структурный класс стали Доля участия 0 для сварки, %
ручная дуговая под флю­сом неплавящимся ленточным электродом электрошлаковая
Наплавка валика перлитная 15-40 25-50 8-20 -
аустенитная 25-50 35-60 15-25 -
Однослойные стыковые соединения перлитная 20-40 25-50 - 20-40
аустенитная 30-50 40-60 - 30-50
Корневые швы стыко­вых и угловых швов перлитная 25-50 35-60 - -
аустенитная 35-60 40-70 - -

При использовании методов сварки давлением с нагревом и оп­лавлением (например, точечной или шовной) состав литого ядра опре­деляется соотношением проплавленных участков свариваемых деталей. Аустенитные стали с перлитными в этих случаях целесообразно свари­вать на жестких режимах, обеспечивающих минимальное проплавление перлитной составляющей.

3.1.3. Зона сплавления сварных соединений

При выборе сварочных материалов и оценке работоспособности комбинированных сварных конструкций из разнородных сталей особое внимание должно уделяться зоне сплавления основного металла и шва разного легирования. Зона сплавления может быть вероятным участком развития хрупких разрушений во время изготовления и эксплуатации конструкций. Среди процессов, определяющих строение и свойства этой зоны, наибольшее значение имеют условия кристаллизации разно­родных материалов и развитие в ней диффузионных прослоек перемен­ного состава.

В результате незавершенности процессов смешивания наплавлен­ного металла с основным при сварке вблизи границы сплавления со стороны шва возникают прослойки переменного состава между основ­ным металлом и швом, условно называемые кристаллизационными. Протяженность этих прослоек обычно колеблется для разных условий сварки в пределах 0,2-0,6 мм.

Значительное влияние на строение зоны сплавления и свойства сварного соединения оказывает развитие в ней переходных прослоек, обусловленных миграцией углерода из нелегированной составляющей в составляющую, обогащенную энергичными карбидообразующими элементами. Эти прослойки возникают в сварных соединениях разно­родных перлитных сталей и в соединениях перлитных сталей с мартен- ситными, ферритными и аустенитными сталями или швами. В зоне сплавления со стороны менее легированной стали или шва образуется обезуглероженная полоса, а со стороны легированной составляющей - науглероженная прослойка высокой твердости. Их протяженность рас­тет с повышением разницы в легировании контактируемых материалов и достигает наибольшей величины в зоне сплавления углеродистой ста­ли с аустенитной сталью или швом.

Интенсивность миграции углерода в зоне сплавления можно сни­зить, в первую очередь, за счет перехода от углеродистых сталей к низ­колегированным сталям с достаточным содержанием в них карбидооб­разующих элементов, необходимых для полного связывания углерода.

3.1.4. Свойства сварных соединений

При оценке свойств сварных соединений разнородных сталей наибольшего внимания заслуживает напряженное состояние в участках, примыкающих к зоне сплавления материалов с разными свойствами. Появление диффузионных прослоек в зоне сплавления приводит к по­вышению в последней объемного напряжения и увеличению хрупкости пограничных участков шва, что способствует развитию в условиях ис­пытания при комнатной температуре малопластичных изломов.

Наличие диффузионных прослоек в зоне сплавления разнородных сталей может оказывать отрицательное влияние и на поведение сварных соединений при воздействии коррозии под напряжением в растворах щелочей и нитратов. Чем более развиты диффузионные прослойки, тем меньше время до разрушения образцов, работающих в коррозионных средах. Разрушение при этом обычно происходит по обезуглероженной прослойке со стороны менее легированной стали. Длительная прочность сварных соединений разнородных сталей при отсутствии диффузион­ных прослоек в зоне сплавления определяется соответствующими зна­чениями ее для однородных соединений менее прочной стали. При на­личии диффузионных прослоек длительная прочность рассматриваемых соединений может снижаться с развитием хрупких разрушений.

3.1.5. Остаточные сварочные напряжения

Распределение остаточных напряжений в сварных соединениях разнородных сталей непосредственно после сварки не отличается от обычно наблюдаемого в однородных сварных соединениях (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Эпюры остаточных напряжений в сварных дисках (исходное со­стояние после сварки): а - однородный аустенитный диск; б - разнородный диск с аустенитным ободом; в - разнородный диск с перлитным ободом

 

Основным источником возникновения сварочных напряжений яв­ляется в обоих случаях неравномерность разогрева изделия и жесткость соединяемых изделий.

Отпуск сварных конструкций из разнородных сталей одного структурного класса, также как и из сталей одного легирования, приво­дит к снятию остаточных сварочных напряжений, и влияние последних в отпущенных изделиях может не учитываться. Если свариваются стали разного структурного класса, то после отпуска в изделии неизбежно по­явление нового поля остаточных напряжений, обусловленных разно­стью термического расширения свариваемых элементов.

Анализ имеющихся расчетных и экспериментальных данных по­казывает, что уровень остаточных напряжений «отпуска» в первую оче­редь зависит от разности коэффициентов линейного расширения и свойств материалов, жесткости конструкции и температуры ее работы.

Для конструкций из разнородных сталей, работающих при более высоких температурах, в дополнение к основному расчету прочности от действия внешних нагрузок должен производиться также расчет от суммарного воздействия рабочих, остаточных и температурных напря­жений. Основное внимание при этом должно уделяться возможности развития в изделии знакопеременных пластических деформаций во вре­мя циклических изменений температуры.

3.2. Сварка разнородных сталей одного структурного класса

3.2.1. Сварка перлитных сталей

При сварке перлитных сталей разного легирования между собой целесообразно использовать сварочные материалы, применяемые обыч­но для менее легированной стали. Рекомендации по выбору электрод­ных материалов приведены в таблице 3.2.

При ручной дуговой сварке следует использовать электроды с фтористо-кальциевым покрытием, обеспечивающие высокую стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и достаточную проч­ность сварного соединения.

Технологические режимы сварки и прежде всего температуру по­догрева желательно выбирать близкими к требуемым для более легиро­ванной стали.

При относительно небольшой разнице в легировании сваривае­мых перлитных сталей предельная рабочая температура сварного стыка может быть допущена близкой к предельной для менее легированной стали. Механические свойства и длительная прочность таких соединений находятся на уровне свойств сварных соединений однородных сталей.

Таблица 3.1 - Выбор сварочных материалов для сварки разнородных перлитных сталей

Предельная температура работы Марки свариваемых сталей Метод сварки Сварочные материалы Режим тер­мической обработки
400-450 °С 20, 30 и другие малоу­глеродис­тые 15ХМ, 12МХ, 20ХМА, 30ХМА ручная дуговая электроды Э42А без отпуска или отпуск при темпера­туре 630-650 °С
под флю­сом проволока Св-08А
Среднеуглеродистые и низколегированные конструкционные в С02 проволока Св-08Г2С
350-400 °С 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 25Х3ВМФ, Х5М, Х5МФ ручная дуговая электроды Э-ХМ отпуск при температуре 670-700 °С
под флю­сом проволока Св-10ХМ
500 °С 15ХМ, 20ХМЛ 12МХ в С02 проволока Св-08ХГСМА

 

3.2.1. Сварка аустенитных и аустенитно-ферритных сталей

При выборе сварочных материалов для сварки разнородных ау- стенитных сталей необходимо прежде всего учитывать склонность ау- стенитных швов наиболее распространенных составов к образованию горячих трещин при сравнительно небольшом отклонении легирования от оптимального. Рекомендации по выбору сварочных материалов при­ведены в таблице 3.3. Для предварительной оценки пригодности тех или иных сварочных материалов целесообразно использовать деление ау- стенитных сталей по свариваемости на две группы. К первой группе от­носятся наиболее распространенные аустенитные стали, у которых со­держание основного легирующего элемента - Сг превышает или близко к содержанию N1. Эти стали могут свариваться аустенитно-ферритными сварочными материалами. Вторая группа охватывает стали с повышенным запасом аустенитности, у которых содержание N1 превосходит со­держание Сг.

Если свариваются между собой разнородные стали первой груп­пы, то могут использоваться аустенитно-ферритные электродные мате­риалы как для той, так и для другой стали. В этом случае металл шва по содержанию основных легирующих элементов будет сравнительно мало отличаться от наплавленного и поэтому при обычных долях участия ос­новного металла в шве при сварке можно обеспечить в последнем ау- стенитно-ферритную структуру. Выбор легирования аустенитно- ферритного наплавленного металла определяется условиями работы конструкции и требованиями к ее термической обработке. Если отно­шение Сг / N1 в стали близко к 1, то во избежание появления горячих трещин сварку корневых слоев желательно производить электродами с повышенным содержанием ферритной фазы.

Таблица 3.3 - Способы сварки и применяемые сварочные материалы для аустенитных и аустенитно-ферритных сталей

 

Группа стали (по легированию) Условия работы Марки свариваемых сталей Метод сварки Структурное состояние шва Сварочные мате­риалы
1-І неагрес­ сивные среды 1Х18Т10Т Х18Н12Т Х17Н13М2Т 0Х17Н16М3Т ручная дуговая сварка аустенитно- ферритное ЭА1, ЭА1а
под флюсом проволока Св-04Х19Н9
в С02 проволока Св-04Х19Н9С2
коррози­ онные среды ручная дуговая сварка ЭА-1Б, ЭА-1Ба
под флюсом проволока Св-05Х19Н9
при 1 > 300 °С Х18Н12Т 1Х16Н14В2БР ручная дуговая сварка ЭА-1Ба, ЭА-1Б
1Х16Н13М2Б Х25Н13 ЭА-1М2Фа, ЭА-1М2Ф

 

Окончание таблицы 3.3
п-п при 1 до 700°С 1Х14М18М2БР Х15Н35В3Т Х15Н35В5ТР ручная дуговая сварка аустенитно- карбидное ЭА-4В3Б2, 2Х14Н8Б
под флюсом аустенитное проволока 06Х25Н35Г7В7М3Т
І-ІІ коррози­ онные среды 1Х18Н10Т Х17Н13М2Т 1Х18Н9Т Х25Н5Т Х25Н5ТНФ ручная дуговая сварка ферритно- аустениное ЭАФ-1МФ
при вы­соких темпера­турах Х14Н18В2БР аустенитно- карбидное ЭА-4В3Б2 2Х14Н18Б
Х25Н35В3Т Х20Н80Т2Ю аустенитно- карбидное, аустенитное ЭА-4В3Б2 ЭА-3М6

 

При сварке между собой сталей второй группы разного легирова­ния аустенитно-ферритные электродные материалы применяться не мо­гут, так как при повышении в шве содержания N1 за счет проплавления основного металла шов будет иметь однофазную аустенитную структу­ру и обладать склонностью к трещинообразованию. Надо использовать сварочные материалы, обеспечивающие однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную структуру наплавленного металла при дополни­тельном легировании элементами, способствующими повышению его стойкости против горячих трещин.

Выбор термической обработки сварных конструкций из разнород­ных аустенитных сталей определяется маркой стали, типом конструк­ции, условиями ее работы. При сварке термически неупрочняемых ста­лей, отсутствии требований к снятию остаточных напряжений и работе изделия в интервале умеренных температур термическая обработка мо­жет не производиться. Если по условиям изготовления или эксплуата­ции остаточные сварочные напряжения должны быть сняты, то доста­точна стабилизация при 1=800-850 °С. Для конструкций, работающих при высоких температурах необходимая термическая обработка - аустенизация при температуре 1100-1150 °С.

 

3.3. Сварка сталей разного структурного класса

3.3.1. Сварка перлитных сталей с нержавеющими аустенитными сталями

При сварке перлитных сталей с аустенитными необходимо ис­пользовать электродные материалы аустенитного класса с достаточным запасом аустенитности наплавленного металла для предотвращения об­разования малопластичных участков с мартенситной структурой в кор­невых слоях и участках, примыкающих к перлитной стали. Рекоменда­ции по выбору сварочных материалов в зависимости от сочетания ста­лей и условий работы конструкции приведены в таблице 3.4.

Выбирая сварочный материал, необходимо учитывать также про­плавление основного металла и со стороны аустенитной стали. По это­му условию электродные материалы аустенитно-ферритного класса мо­гут применяться лишь в сварных соединениях перлитных сталей с ау­стенитными I группы, у которых содержание Cr превышает содержание Ni или близко к нему. При сварке аустенитных сталей II группы с пер­литными должны использоваться лишь сварочные материалы, обеспе­чивающие однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную струк­туру металла шва, стойкого против трещин в условиях возможного пе­ремешивания с аустенитной и перлитной сталями.


Дата добавления: 2014-12-30; просмотров: 54; Нарушение авторских прав







lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2021 год. (0.112 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты