Технологии автоматической сварки под флюсом

Автоматическая сварка под флюсом по сравнению с ручной дуговой сваркой покрытыми электродами обладает рядом таких преимуществ, как:

— большая производительность;

— меньшая потеря электродного металла;

— отсутствие брызг;

— более высокое качество сварного соединения за счет надежной защиты сварочной ванны от воздуха;

— однородность металла шва по химическому составу;

— улучшение формы шва и сохранение постоянства его размеров, а следовательно, меньшая вероятность образования дефектов формирования;

— улучшенные условия работы;

— отсутствие перерывов в процессе сварки, вызванных необходимостью смены электродов и др. [14].

Несмотря на безусловные преимущества, автоматическая сварка под флюсом хромистых жаропрочных сталей типа 15Х5М не получила еще необходимого распространения при изготовлении нефтегазохимического оборудования.

Это объясняется необходимостью применения более высоких значений сварочного тока, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, и отсутствием достаточно надежной технологии, обеспечивающей высокую технологическую и эксплуатационную прочность.

Склонность к воздушной закалке и образованию холодных трещин при сварке существенно осложняет технологический процесс изготовления сварных конструкций из сталей типа 15Х5М.

В настоящее время для сварки ответственных конструкций рекомендуется использовать однородные перлитные электроды. Такой способ сварки позволяет получить соединение с идентичными основному металлу механическими и физико-химическими свойствами и химическим составом.

Однако практическое изготовление таких однородных соединений сопряжено с рядом дополнительных ограничений, приводящих к трудоемкости и продолжительности технологического процесса:

— для исключения холодных трещин сварка должна осуществляться с предварительным и сопутствующим подогревом до 350-400 °С;

— не позднее чем через 4 (в полевых условиях) или 8 ч (в заводских условиях) после сварки должна быть проведена термическая обработка сварного соединения — отпуск при 710— 760 °С с выдержкой в течение 2,5-4 ч и последующим медленным (1-2 ч) охлаждением до 400-500 °С.

При сварке толстостенных трубопроводов термообработку необходимо проводить сразу после окончания сварки. Кроме того, рост тепловложения при сварке с подогревом способствует перенагреву металла в околошовных зонах, огрублению структуры и расширению области закалочных температур. Последнее обстоятельство приводит к увеличению относительной ширины твердой прослойки (участок околошовной зоны с высокой твердостью и пониженной пластичностью). А это, в свою очередь, обусловливает снижение трещиностойкости сварного соединения и необходимость незамедлительной термообработки.

Не исключена возможность уменьшения ширины участков подкалки сварных соединений за счет ограничения погонной энергии при сварке (при многослойной сварке). Однако этот способ, естественно, связан с уменьшением производительности сварки.

Ограничение длительности вылеживания изделия обусловливает необходимость проведения термической обработки каждого отдельного стыка (возможна местная или полная объемная термообработка). Однако в ряде случаев термообработка затруднительна, а для крупногабаритных аппаратов вообще невозможна. К тому же для мартенситных хромомолибденовых сталей термообработку нельзя начинать непосредственно с температуры сопутствующего подогрева, так как структура в этом случае будет грубозернистой. Для получения мелкозернистой структуры, обеспечивающей достаточно высокую вязкость металла, необходимо, чтобы перед отпуском предварительно прошло мартенситное превращение, т. е. охлаждение до температуры, при которой произойдет распад основой части высокотемпературного аустенита металла шва и околошовной зоны [183].

Усугубляет снижение надежности конструктивных элементов оборудования при сварке однородными электродами то, что возникшие холодные трещины имеют микроскопическое раскрытие (слипшиеся трещины), поэтому их не всегда можно обнаружить методами неразрушающего контроля. Они могут явиться следствием развития трещин при термической обработки изделия. Процесс длительной эксплуатации таких сварных соединений опасен. В особенности в этом плане опасны околошовные зоны перегрева по линиям сплавления, имеющие наиболее крупнозернистое строение при мартенситной структуре и обладающие наименьшей стойкостью против образования трещин по сравнению с другими участками сварного соединения.

Низкая стойкость к холодным трещинам при сварке стали 15Х5М, выполненной однородными электродами, вызывает необходимость незамедлительного проведения последующей термической обработки соединения, особенно жестких стыков изделий. В некоторых случаях, вследствие склонности к трещинообразованию, возможность выполнения сварочных работ без промежуточной термической обработки каждого стыка может быть исключена.

Стремление к ведению процесса сварки на наиболее производительных режимах накладывает условия:

— неизбежности появления в участках до отпуска и межкритического нагрева ЗТВ развитых прослоек разупрочнения;

— необходимости повышения стойкости против образования трещин при термической обработке;

— повышения стойкости против локальных разрушений в околошовных зонах при длительной эксплуатации изделий в условиях высоких температур.

При этом для ответственных изделий из хромистых закаливающихся жаропрочных сталей с целью исправления крупно-зернистости после горячей деформации и сварки приходится усложнять технологию их последующей термической обработки. В частности, для толстостенных ответственных сварных конструкций их хромомолибденовых сталей рекомендуется [184] двойная термическая обработка. После окончания сварки производится незамедлительный промежуточный высокий отпуск и последующая термическая обработка в виде нормализации или закалки сварных узлов с последующим высоким отпуском.

Необходимость усложнения технологии вызывается тем, что термообработка с нагревом выше критической точки А_сз непосредственно после сварки не приводит к ожидаемому положительному результату. Трудность измельчения крупнозернистой структуры в околошовной зоне среднелегированных закаливающихся хромистых сталей при полной термической обработке объясняется проявлением эффекта структурной наследственности. Существует определенная зависимость величины зерна аустенита, получающегося при нагреве выше критических точек, от исходной структуры. Рекомендации, основанные на работах В. Д. Садовского с сотр., показали [185], что исправление крупно­зернистой структуры возможно только в случае исходной ферритно-перлитной структуры и оказывается безрезультатным в случае нагрева предварительно закаленной стали. С другой стороны, введением предварительного отпуска достигается также возможность вылеживания изделий после сварки без опасности образования в нем трещин перед нагревом под нормализацию.

Видимо, для оптимизации технологического процесса изготовления толстостенных изделий из рассматриваемой стали 15Х5М, при условии обеспечения после сварки мелкозернистой и кристаллографически упорядоченной структуры в околошовных зонах термического влияния, можно было бы исключить как стадию промежуточного высокого отпуска, так и необходимость полной термической обработки. Назначение термообработки изделий тогда сводилось бы к:

— улучшению структуры и свойств металла шва и околошовной зоны путем перевода их неравновесных закалочных структур в более равновесные;

— снятию остаточных сварочных напряжений.

Указанные процессы вполне реализуемы за счет проведения высокого отпуска соединения.

Одним из наиболее экономичных путей обеспечения работоспособности сварных соединений из жаропрочных сталей типа 15Х5М является технология сварки аустенитными электродами.

Трудоемкость операции термообработки снижается в случае получения аустенитной структуры в металле шва. Уменьшается также и опасность хрупких разрушений конструкции в закаленной околошовной зоне основного металла, так как в этом случае ширина участков подкалки значительно меньше, чем при сварке однородными электродами.

С целью достижения надежности и работоспособности рассматриваемых разнородных сварных соединений хромистых сталей мартенситного класса необходимо уменьшить перемешивание электродного металла с основным металлом, что способствует достижению аустенитной структуры шва и уменьше­нию размеров околошовных участков подкалки в ЗТВ до критических толщин твердых прослоек, когда их наличие не сказывается отрицательно.

Можно отметить несколько известных способов достижения этих предпосылок, в частности это:

— предварительная облицовка кромок основного металла аустенитной хромоникелевой проволокой;

— сварка на постоянном токе прямой полярности;

— применение глубоко аустенитной сварочной проволоки;

— варьирование разделки кромок свариваемых элементов.

Облицовка кромок детали из хромомолибденовой стали аустенитным сварочным электродом [80, 81] практически не приводит к уменьшению ширины твердых прослоек в ЗТВ и трудоемкости получения сварного соединения, так как не исключает операции подогрева. Кроме того, добавляется обработка реза­нием наплавленной кромки.

Известно, что при автоматической сварке на постоянном токе прямой полярности глубина проплавления на 40-50 % меньше, чем при сварке на обратной полярности [187]. Следовательно, больше доля (количество) присадочного металла в шве, меньше степень перегрева ЗТВ и меньше размер зерна и ширина околошовной зоны подкалки соответственно.

Ввиду опасности и нежелательности перегрева основного металла и металла аустенитного шва необходимо стремиться производить автоматическую сварку под флюсом швами малого сечения. Это предопределяет использование при сварке жаро­прочных хромомолибденовых сталей аустенитных проволок небольшого диаметра — 3 (2) мм. В связи с повышенным коэффициентом плавления аустенитной проволоки обязательным условием для сварки под флюсом является уменьшение вылета электрода в 1,5-2 раза. Чем тоньше проволока, тем меньше должен быть вылет электрода.

Выполнение сварки стали 15Х5М с РТЦ за счет сопутствующего охлаждения на всех способах и режимах улучшает структуру характерных зон сварного соединения и способствует снижению их структурно-механической нео­днородности, как при сварке неоднородными и, особенно, при сварке аустенитными сварочными проволоками. За счет ускоренного охлаждения в области надкритических температур происходит практическая реализация критической толщины твердой прослойки в ЗТВ, а структура околошовных участков перегрева имеет равновесное мелкозернистое строение. Устраняется также перегрев аустенитного металла шва, становится возможным ведение сварки более крупными размерами слоев на повышенных режимах. При этом осуществляется закалка на аустенит наплавленного шва, способствующая уменьшению склонности к образованию горячих трещин при сварке, повышению его механических свойств и коррозионной стойкости. Так, предел текучести металла шва сварных соединений, выполненных принудительным сопутствующим охлаждением, повысился на 15­15,6 %, относительное удлинение увеличилось на 30-60 % по сравнению с металлом шва, выполненного с подогревом. Однородная более дисперсная структура аустенитного металла обусловливает более высокую стойкость к тепловому охрупчиванию в результате старения.

Выполненными комплексными исследованиями вопросов свариваемости стали 15Х5М установлена взаимосвязь термического цикла сварки с геометрическими размерами и структурным состоянием характерных зон сварного соединения при различных технологических способах сварки однородными пер­литными и аустенитными электродами.

При сварке с подогревом не достигается достаточно высокая технологическая и эксплуатационная прочность сварных соединений из стали 15Х5М. Снижение скорости нагрева при сварке с подогревом способствует увеличению степени закаливаемости металла, склонности к росту зерна мартенситной и размеров твердых участков (прослоек) ЗТВ.

Эффективное ограничение размеров твердых прослоек в хромистых жаропрочных сталях обеспечивается при воздействии на металл “сжатого” термического цикла (с малой протяженностью области распространения закалочных температур), что достигается применением механизированных способов сварки и принудительного сопутствующего охлаждения взамен предварительного и сопутствующего подогрева при сварке.

Применение принудительного сопутствующего охлаждения приводит к существенному снижению области распространения максимальных температур, способствует увеличению скорости нагрева и скорости охлаждения в верхнем интервале температур, что позволяет сократить длительность пребывания выше температуры A_cq металла околошовных зон и обеспечивает замедленное охлаждение в области температур мартенситных превращений свариваемой стали.

Выполнено исследование особенностей кинетики фазовых и структурных превращений металла околошовной зоны сварных соединений стали 15Х5М в зависимости от параметров термических циклов сварки. Установлено, что воздействие на термические циклы сварки малоуглеродистых хромистых сталей мартенситного класса позволяет регулировать перераспределение углерода и основных легирующих карбидообразующих компонентов хрома и молибдена между твердым раствором и фазами выделения, чем достигается формирование мелкозер­нистой равновесной структуры бейнитного характера. При скорости охлаждения 15-25 °С/с и сжатых термических циклах, воспроизводящих условия сварки с сопутствующим охлаждением, происходит сдвиг температуры начала бейнитного превращения в область более высоких температур на 45-100 °С, начала мартенситного превращения на 30-80 °С.

Принудительное сопутствующее охлаждение позволяет в широких пределах благоприятно регулировать структурномеханическую неоднородность сварных соединений. При определенных режимах сварки получаются твердые прослойки, размеры которых меньше критических. Одновременно с уменьше­нием объемов металла, претерпевающих сдвиговые закалочные превращения, происходит значительное измельчение структурного состояния различных зон сварного соединения. В околошовных участках образуются промежуточные структуры закалки более равновесного бейнитного характера при уменьшении их закаливаемости. При сварке аустенитными электродами происходит естественная закалка на аустенит металла шва с повышенными механическими свойствами.

Выполнен выбор регулируемых параметров термических циклов и отработаны новые технологические процессы электродуговой сварки с регулированием термического цикла (РТЦ) за счет сопутствующего принудительного охлаждения малоуглеродистых хромистых сталей, легированных стойкими карбидообразующими элементами мартенситного класса, перлитными и аустенитными электродами, основанных на ограничении размеров твердых прослоек и рационального выбора сварочных материалов.

Установленная взаимосвязь термического цикла сварки с геометрическими размерами и структурным состоянием характерных зон сварного соединения при различных технологических способах сварки однородными перлитными и аустенитными электродами позволила разработать новую технологию сварки хромистых сталей мартенситного класса, позволяющую обеспечивать технологическую прочность и работоспособность элементов нефтегазохимического оборудования.

В связи с изложенным в работе была поставлена задача изыскания путей отказа от операций промежуточного высокого отпуска и последующей высокотемпературной нормализации сварных узлов и замена их на более простую термическую обработку. При этом преследовалась цель замены ручной электродуговой сварки при изготовлении трубных на полуавтоматическую сварку в среде защитных газов с высокими тепловложениями. Достижение требуемого высокого качества сварных соединений достигалось применением технологии сварки с регулированием термического цикла за счет сопутствующего принудительного охлаждения [176, 186] при автоматической сварке под флюсом сталей типа 15Х5М однородными сварочными материалами.

Определяющими предпосылками использования сопутствующего охлаждения при сварке хромомолибденовых закаливающихся сталей типа 15Х5М явились:

— обеспечение уменьшения объема металла в ЗТВ;

— претерпевающие сдвиговые мартенситные превращения;

— формирование при этом специфической структуры с минимальной чувствительностью к образованию холодных трещин.

Регулирование термического цикла сварки позволяет сократить длительность пребывания металла выше температуры А_сз и этим избежать укрупнения зерна и полноты растворения карбидов в околошовной зоне основного металла.

С другой стороны, возрастание тепловложения при автоматической сварке и своевременное прерывание сопутствующего охлаждения позволит снизить скорость охлаждения сварного стыка в области температур мартенситных превращений.