Сварка разнородных сталей

Одним из путей экономии является изготовление установок, машин и механизмов комбинированными. Такое изготовление вполне возможно, так, как во многих случаях работает не вся конструкция, а лишь отдельные ее узлы или детали. Остальная часть конструкции может быть изготовлена из среднелегированной, низколегированной или даже обычной углеродистой стали.

В комбинированной конструкции необходимо соединять между собой отдельные ее части. При этом необходимо сваривать между собой стали, существенно отличающиеся друг от друга своими физико-химическими свойствами, в связи с чем трудно получить качественное соединение.

Сварка высоколегированных сталей со средне- или низколегированными углеродистыми явилась трудной задачей.

Первая трудность заключается в том, что в процессе изготовления или при его эксплуатации в шве часто образуются трещины, которые проходят по его середине или у границы сплавления.

Вторая трудность обусловлена тем, что в зоне их сплавления может происходить изменение структуры с образованием прослоек, существенно отличающихся от структуры сплавляемых металлов. В результате возможно преждевременное (аварийное) разрушение ответственной конструкции.

Сварные соединения разнородных сталей, в которых структура не изменяется до границы сплавления, являются вполне технологичными и могут надежно работать во всех тех условиях, для которых они предназначены.

Сварка разнородных сталей затруднена еще и тем, что они в подавляющем большинстве случаев отличаются друг от друга величиной коэффициентов линейного расширения. В силу этого сварные соединения таких сталей остаются напряженными даже после их термообработки. В сварных соединениях разнородных сталей, подвергнутых термообработке в зоне сплавления создается резкое изменение (скачок) напряжений. Поэтому сварные соединения разнородных сталей нецелесообразно подвергать термообработке даже в случаях, когда она желательна по другим соображениям. Отмеченные трудности обусловили особенности сварки разнородных сталей. Возникновение трещин в швах сварных соединений разнородных сталей обусловлено появлением в них мартенситной структуры, снижающей пластичность металла. Швы с мартенситной структурой образуются, прежде всего, при чрезмерном разбавлении высоколегированного металла менее легированным, что имеет место в случае большого проплавления свариваемого металла. Непластичные структуры могут образовываться также вследствие того, что в зоне сплавления металлов, сильно отличающихся друг от друга по химическому составу, неизбежно возникновение переходного слоя. В последнем концентрация элементов постепенно изменяется от содержания их в одном из сплавляемых металлов до их содержания в другом. Увеличение этого слоя до определенной ширины и приводит к появлению трещин, наблюдаемых у границы сплавления.

Накоплено не мало сведений о природе и механизме образования в металле шва трещин. Поэтому предотвращение их возникновения не вызывает особых затруднений. Значительно труднее получить сварные соединения разнородных сталей, стойкие против образований в зоне сплавления структурной неоднородности.

Появление структурной неоднородности и степень ее развития определяются всеми факторами, способствующими перемещению углерода из менее легированного металла в более лигированный. Решающие из них: последующий нагрев сварного соединения до температур, вызывающих заметную миграцию углерода; время выдержки сварного соединения при этих температурах и химический состав сплавляемых металлов, в особенности содержание в них углерода и карбидообразующих элементов.

В состоянии после сварки, особенно в соединении с однослойным швом, если даже он выполнен на довольно мощном режиме, в зоне сплавления не обнаруживается перераспределения углерода, характерного для структурной неоднородности. В таких соединениях структурная неоднородность не обнаруживается и тогда, когда менее лигированной сталью в них является обычная углеродистая сталь Ст3, которая совершенно не содержит элементов, связывающих углерод в прочные карбиды.

Структурная неоднородность в зоне сплавления разнородных сталей возникает лишь при нагреве сварного соединения до температуры 350⁰ С. Однако существенное развитие она получает при более высоких температурах (около 500⁰С). Наиболее интенсивно развивается эта неоднородность при температуре 600-800⁰С. До температуры 350⁰С характерной структурной неоднородности не наблюдается даже в случае применения в качестве менее легированного металла обычной низкоуглеродистой стали ВСт3.

Увеличение продолжительности выдержки также усиливает степень структурной неоднородности, однако не столь интенсивно, как повышение температуры. После длительной выдержки с дальнейшим увеличением ее длительности интенсивность развития структурной неоднородности снижается. Особенно сильно она снижается при температурах ниже 600⁰С. Вместе с тем при нагреве до температур выше 600⁰С структурная неоднородность получает заметное развитие даже при выдержках, исчисляемых минутами. Термообработка сварных соединений разнородных сталей нежелательна также из-за возможного при этом образования в зоне сплавления характерной структурной неоднородности.

Если в высоколегированном металле отсутствуют сильные карбидообразующие элементы, структурная неоднородность не образуется даже в зоне сплавления его обычной углеродистой сталью. Наличие же карбидообразующих элементов вызывает появление этой неоднородности и в том случае, если менее легированный металл является технически чистым железом. Образуется она также тогда, когда высоколегированный металл содержит значительно больше углерода, чем менее легированный. Последнее объясняется тем, что перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей вызывается различием не общего содержания углерода в наплавленном металле, а различием его термодинамических активностей.

Влияние карбидообразующих элементов на образование структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей зависит от типа элемента и его содержания, причем влияние типа элемента сказывается сильнее, чем его количества. Интенсивность влияния карбидообразующего элемента усиливается с возрастанием его сродства к углероду и располагается в следующей последовательности: Fe, Mn, Cr, W, V, Nb, Ti. Такая последовательность имеет место лишь при выражении концентрации карбидообразующего элемента в атомах процентах, а не процентах по массе. Поэтому принято считать, что перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей определяется не общим содержанием карбидообразующих элементов, а свободным их количеством.

Развитию структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей способствуют также напряжения, вызываемые различием коэффициентов линейного расширения сплавляемых металлов.

Разнородные стали необходимо сваривать с минимальным их проваром. Во многих случаях даже при минимальном проваре для обеспечения допустимого разбавления наплавленного металла необходимо применять соответствующие сварочные материалы. Например, неаустенитные стали с аустенитными не следует сваривать электродами типа ЭА-1, так как они обеспечивают получение наплавленного металла, содержащего 18% Cr и лишь 8% Ni, в связи с чем он обладает весьма малым запасом аустенитности. В данном случае целесообразно применять электроды, обеспечивающие металл шва с более высоким запасом аустенитности.

Для предотвращения трещин, разнородные стали необходимо сваривать так, чтобы ширина переходного слоя была минимальной. Это достигается снижением силы сварочного тока и напряжения дуги, а также увеличением скорости сварки. Что касается предупреждения образования структурной неоднородности в зоне сплавления разнородных сталей, то общим в решении этой задачи является выполнение сварки с применением мер, снижающих разницу темодинамической активности углерода в сплавляемых металлах. Одним из вариантов практического решения указанной задачи может быть применение в качестве менее легированного металла такой низко- или среднелегированной стали, которая содержит достаточное количество энергичных карбидообразующих элементов. В такой стали углерод будет связан в стойкие карбиды, и, следовательно, существенно уменьшится вероятность перемещения его в более легированную сталь.

Применение сварочных материалов, способствующих получению аустенитного металла шва с высоким содержание никеля, который, как показала практика, обеспечивает вполне стабильную зону сплавления. Преимущество высоколегированного металла состоит также в близости низко- и среднелегированных сталей. В связи с тем, что никель является дефицитным и довольно дорогим элементом, а также элементом, способствующим образованию горячих трещин в сварных швах, в металле последних целесообразно иметь лишь то количество никеля, которое необходимо для предупреждения образования структурной неоднородности в зоне сплавления с менее легированной сталью.

Необходимая концентрация никеля в металле шва существенно зависит от температуры нагрева сварного соединения. Следовательно, эта концентрация зависит от класса используемой в данном сварном соединении менее легированной стали, который и определяет допустимую температуру его эксплуатации. Это обстоятельство позволяет дифференцировать содержание никеля в металле шва и тем самым более экономно его расходовать.

Сварные соединения разнородных сталей делятся на четыре группы: 1) соединения, работающие при температурах до 350⁰С (содержат в качестве менее легированной стали обыкновенную низкоуглеродистую сталь, допустимая температура эксплуатации которой не превышает 350⁰С); 2) соединения, работающие при температурах 350-450⁰С (с качественными углеродистыми и обычными низколегированными сталями); 3) соединения, работающие при температурах 450-550⁰С (с низко- или среднелегированными хромомолибденовыми сталями); 4) соединения, работающие при температурах выше550⁰С (с низко- или среднелегированными хромомолибденованадиевыми сталями).

Содержание никеля в металле шва, необходимое для предотвращения структурной неоднородности в зоне сплавления его с менее легированной сталью, в каждой из указанных групп существенно отличается. Для сварных соединений первой группы оно не превышает 10%. В соединениях второй группы никеля в металле шва должно быть около 19%, третьей – 31% и четвертой – 47%. Сильное изменение требуемого содержания никеля в металле шва обусловливает целесообразность применения для каждой из указанных групп сварных соединений своих сварочных материалов. Эти материалы должны отличаться прежде всего содержанием никеля.

Стандартные сварочные проволоки могут быть применены для сварных соединений первой группы. Для соединений второй, третьей и четвертой групп необходимы новые сварочные материалы. В качестве одного из вариантов их могу быть использованы проволоки ЭП622, ЭП673 и ЭП606. Первая из этих проволок предназначена для сварки конструкций, эксплуатируемых при температурах 350-450⁰С, вторая – 450-550⁰С и третья – выше 550⁰С. Каждая из этих проволок может быть использована при изготовлении конструкций, работающих при более низких температурах.

При сварке разнородных сталей указанными проволоками под флюсами АН-26 или АН-15 получается металл шва, стойкий против образования кристаллизационных трещин. Он также не склонен к сигматизации, сравнительно мало охрупчивается при старении и обладает требуемыми механическими свойствами как в обычных условиях, так и в условиях длительного воздействия высоких температур. Металл зоны сплавления в соединениях, выполненных этими проволоками, обладает вполне стабильной структурой и свойствами, если они содержат менее легированную сталь и эксплуатируются при температуре, соответствующей той группе, для которой предназначена используемая проволока.

Ручную сварку разнородных сталей в соединениях первой группы можно производить существующими электродами. Не следует применять электроды типа Эа-1. Для соединений второй, третьей и четвертой группы рекомендуются электроды АНЖР-1, АНЖР-2 и АНЖР-3.

Для заварки дефектов в деталях энергетического оборудования, которое можно отнести к сварным соединениям четвертой группы, ЦНИИТМАШ предлагает применять электроды ЦТ-36, а ЦКТИ им. И.И. Ползунова и Ленинградский металлический завод – электроды ЦТ-28.

Лекция 11