Книги по строительству и ремонту

Ручная дуговая сварка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

17.4. Технология сварки высоколегированных сталей

Высоколегированные стали и сплавы, как правило, обладают увеличенным до 1,5 раза коэффициентом линейного расширения при нагревании и пониженным в 1,5—2 раза коэффициентом теплопроводности по сравнению с низкоуглеродистыми сталями.

Большинство этих сталей склонно к образованию горячих или холодных трещин при сварке, что усложняет процесс обеспечения качества сварных соединений с требуемыми свойствами. При дуговой сварке высоколегированных сталей следует предохранять поверхности металла от попадания на него брызг металла и шлака, так как они, повреждая поверхность, могут быть причиной коррозии или концентрации напряжений, ослабляющих конструкцию. Для предохранения от приваривания брызг на поверхность металла, прилегающую к шву, наносят защитное покрытие (кремнийорганический лак,   грунт   ВЛ-02,   ВЛ-023 и др.).

Высокохромистые мартенситные стали (20X13, 14Х17Н2 и др.), мартенситно-ферритные (12X13, 14Х12Н2МФ и др.)—это закаливающиеся стали, склонные к образованию холодных трещин. В меньшей степени к ним относятся стали ферритного класса (12X17, 08Х17Т, 08Х18Т1 и др.). Для предотвращения трещинообразования применяют предварительный или сопутствующий подогрев, особенно необходимый с увеличением содержания в стали углерода и ее толщины. После сварки мартенситные, мартенситно-фер-ритные, а иногда и ферритные стали подвергают высокому отпуску при температуре 680—720 °С, а жаропрочные (20X13, 12X13 и др.) — при температуре 730—750 °С. Отпуск улучшает структуру, механические свойства и коррозионную стойкость.

Следует учитывать, что коррозионная стойкость сталей, не содержащих титана или ниобия, при нагревании более 500 °С постепенно падает, поэтому в сталь вводят эти элементы и дополнительно легируют молибденом, ванадием и другими добавками, например мар-тенситная сталь 18X1ШНФБ; мартенситно-ферритная 18Х12ВМБФР; ферритная 15Х25Т и др. Для сварки мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных сталей применяют электроды, стержни и покрытия которых обеспечивают получение наплавленного металла, близкого по химическому составу к основному металлу, например мартенситную сталь марки 15X11 ВМФ сваривают электродами Э12Х11НВМФ марки КТИ-10; мартенситно-ферритную сталь марки 12X13 —электродами Э12Х13 марки УОНИИ-13/ШЗ и т.д. Если конструкции из стали этого класса работают на статическую нагрузку и к швам не предъявляются требования высокой прочности, сварку можно выполнить аустенитными или аустенитно-ферритными электродами, например ферритную сталь 15Х25Т сваривают электродами Э02Х20Н14Г2М2 марки ОЗЛ-20, при этом отпуск после сварки можно не проводить.

Для сварки используют режим с малой погонной энергией для предотвращения роста зерна и охрупчивания зоны термического влияния.

В покрытии электродов, применяемых для сварки высокохромистых сталей, не должно быть газообразующих органических соединений, а газовая защита должна осуществляться за счет диссоциации карбонатов и выделяемой при этом СО (окиси углерода). Как и при сварке среднелегированных сталей, требования к качеству сборки и очистки металла перед сваркой остаются такими же и еще более ужесточаются.

Высокохромистые стали рассмотренных классов свариваются также в среде аргона вольфрамовым электродом. Этим способом рекомендуется соединять детали толщиной до 5—6 мм с подогревом, последующая термообработка не требуется. Целесообразно сваривать вольфрамовым электродом корневые швы более толстой стали, что обеспечивает хорошее формирование обратного валика, остальные слои шва выполняют электродуговой ручной сваркой или другим способом.

К высоколегированным хромоникелевым сталям относятся стали аустенитного, аустенитно-мартенсито-вого и аустенитно-ферритного классов. Высоколегированные аустенитные сплавы на железоникелевой или никелевой основе являются устойчиво аустенитными и не меняют структуры при нагревании и охлаждении на воздухе. Эти стали и сплавы широко применяются в различных конструкциях, работающих в тяжелых условиях высоких и низких температур. Жаропрочные стали, легированные элементами-упрочнителями — вольфрамом и молибденом, способны длительно выдерживать большие нагрузки в условиях высоких температур. Жаростойкие стали устойчивы против химического разрушения поверхности в газовых агрессивных средах при температурах 1100—1150°С. Эти стали и сплавы содержат мало вредных примесей, поэтому основными задачами при сварке являются хорошая защита расплавленного металла от воздуха и применение электродов со стержнем аустенитной структуры и покрытием основного типа.

Аустенитные хромоникелевые стали особенно чувствительны к увеличению углерода и серы, а также других элементов, образующих легкоплавкие эвтектики.

Для борьбы с горячими трещинами стремятся уменьшить содержание в стали и наплавленном металле С, S, Си и других элементов или подавить их другими добавками, связывающими S, как, например, Мп, а также уменьшить влияние термических напряжений путем применения благоприятных режимов сварки и предварительного и сопутствующего подогрева. Хромомарганцевые стали 15Х17АГ14 и хромони-кельмарганцевые стали 12Х17Г2АН4 менее склонны к образованию горячих трещин, чем хромоникелевые.

В хромоникелевых сталях может развиваться межкристаллитная коррозия при замедленном охлаждении в интервале 500—800 °С в связи с тем, что по границам зерен происходит выделение карбидов хрома (Сг4С) за счет обеднения хромом участков, прилегающих к границам зерен. В результате этого содержание Сг в приграничных участках падает ниже 12%, что под действием агрессивных сред приводит к коррозии. Так как аустенит представляет собой твердый раствор Cr, Ni, Мп, С и других элементов в железе, а растворимость С в Fe не превышает 0,02—0,03 %, то в интервале указанных температур лишний углерод выделяется из твердого раствора и образует карбид хрома. Чем больше в стали углерода, тем больше ее склонность к межкристаллитной коррозии; увеличение процента хрома тормозит этот процесс.

Ферритная составляющая в аустенитно-ферритной стали должна быть в пределах 3—5 % феррита, Для предупреждения межкристаллитной коррозии, кроме того, необходимо применять сварку на низких режимах (на уменьшенных токах, малой погонной энергии и электродами диаметром не более 4—5 мм), особенно для многослойных швов.

Одним из дефектов аустенитно-мартенситных и аустенитно-ферритных сталей является склонность их при сварке к перегреву и охрупчиванию зоны влияния. Это вызывается ростом зерна в связи с перегревом ферритной фазы, образующейся вблизи зоны сплавления. Охрупчиванию способствует также превращение обогащенного углеродом аустенита (при высокой температуре аустенит переобогащается углеродом) в мартенсит с охлаждением шва. Снижение аустенитной фазы ниже 20 % повышает склонность их к межкристаллитной коррозии. Для предупреждения этого дефекта стремятся снизить содержание углерода в швах. Иногда назначают полную термообработку для восстановления коррозионных свойств.

Сварка аустенитных сталей не вызывает особых затруднений. Надо иметь в виду, что в сварных соединениях аустенитно-ферритных и аустенитно-мартенситных сталей возможно выделение водорода по границам зерен. Для предупреждения этого сварное соединение подвергают отпуску в течение 1—2 ч при температуре 150 °С.

Высокоуглеродистые аустенитные стали хорошо свариваются в атмосфере аргона с применением присадочной проволоки того же состава, что и основной металл, но с меньшим содержанием углерода; сварка рекомендуется для стали толщиной до 5—7 мм.

В целях экономии высоколегированной стали для изготовления сосудов, аппаратов и трубопроводов, работающих под давлением в агрессивных средах, применяют двухслойную сталь, основной слой которой состоит из низкоуглеродистой или низколегированной стали толщиной 4—60 мм, а плакирующий (облицовочный) — из высоколегированной стали или сплава толщиной 0,7—6 мм. При ручной дуговой сварке такой стали делают двухстороннюю разделку и сперва заваривают основной слой электродами УОНИИ-13/45 или УОНИИ-13/55, при этом стараются не задеть плакирующий слой. После зачистки корня шва со стороны плакирующего слоя заваривают первый слой электродами с повышенным запасом аустенитности, например марки К-ЗМ, а затем заваривают плакирующий слой электродами НЖ-13, СЛ-28 или им аналогичными.