ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

При эксплуатации сварных конструкций зачастую условия работы разных узлов оказываются различными. Отдельные части конструкций, например, работают при высоких температурах и агрессивных средах и поэтому должны быть изготовлены из мате-риалов, обладающих жаропрочностью и коррозионной стойкостью. К другим узлам этой же конструкции таких требований не предъяв­ляется, они должны обладать только определенным уровнем проч­ности при нормальных температурах и в неагрессивных средах.

Естественно, что во всех случаях изготовление всей конст­рукции из дорогостоящих сталей с особыми свойствами нецеле­сообразно Поэтому при проектировании в производстве таких конструкций для их узлов используют различные материалы, В связи с чем возникает необходимость их сварки.

Номенклатура сталей, применяемых для комбинированных конструкций, весьма широка и включает большинство сталей, тех­нология сварки которых рассмотрена в предыдущих лекциях. В ком­бинированных сварных конструкциях рассмотренные стали могут встречаться в самых различных сочетаниях.

ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

При сварке разнородных сталей в образовании шва, кроме дополнительного (электродного) металла, участвуют еще два других основных металла, зачастую существенно отличающихся по со­ставу и свойствам.

Поэтому при сварке разнородных сталей необходимо учиты­вать дополнительные факторы, от которых зависит выбор основ­ного и присадочного металлов и работоспособность сварного соединения: изменение состава шва в участках, примыкающих к основному металлу; образование в зоне сплавления разнородных материалов (линия сплавления и примыкающие к ней участки металла основного и шва) малопрочных и непластичных кристал­лизационных и деформационных прослоек переменного состава; наличие остаточных сварочных напряжении в сталях разного cтруктурного класса; эти напряжения и большинство случаем не могут быть сняты термообработкой ввиду различных оптимальных условий термообработки сталей различною типа в различия ве­личин коэффициентов линейного расширения.

Таким образом, сварные соединения разнородных сталей имеют значительную химическую, структурную и механическую неоднородность. При многослойной сварке разнородных сталей может наблюдаться химическая неоднородность металла шва, Т. е. неодинаковый химический состав металла различных слоев шва. Химический состав каждого слоя шва определяется долями участия наплавленного и проплавленного основного металла со стороны каждой из свариваемых сталей.

При сварке второго и последующего слоев в состав металла данного слоя определенной долей будет входить металл преды­дущего слоя, в связи с чем содержание элемента, переходящего в шов из одной или другой свариваемой стали, будет несколь­ко уменьшаться, а содержание элементов, переходящих в шов из наплавленного металла, немного увеличится .

В результате несовершенства перемешивания наплавляемого металла с основным у границы сплавления со стороны шва воз­никают прослойки металла переменного состава. Протяженность этих прослоек обычно составляет 0,2—0,6 мм. При соединении сталей одного структурного класса а перлитных сталей с хро­мистыми (12% Сг) свойства этих прослоек в большинстве случаев имеют промежуточные значения между свойствами основного металла и металла шва Наличие подобных прослоек обычно не оказывает заметного влиянии на работоспособность соединения.

Существенное влияние на строение зоны сплавления и свой­ства сварного соединения оказывает развитие в ней переходных прослоек, обусловленных диффузией углерода из нелегированного металла в металл, содержащий в большом количестве энергич­ные карбидообразующие элементы. Такие диффузионные прос­лойки возникают при сварке разнородных перлитных сталей, и особенно в соединениях перлитных с высоколегированными мартенситными, ферритными или аустенитными сталями. В зоне сплавления со стороны менее легированной стали или шва обра­зуется обезуглероженная зона, со стороны легированной составля­ющей — прослойка науглероженного металла высокой твердости, содержащего большое количество карбидов.

Интенсивность развития диффузионных прослоек зависит от прочности связи углерода в карбид в контактируемых материалах. При контакте высоколегированного шва с углеродистой сталью диффузионные прослойки образуются при наличии в шве таких карбидообразующих элементов, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, ниобий, титан.

Количество углерода в менее легированном металле опреде­ляет ширину науглероженной и обезуглероженной прослоек. При меньшем содержании углерод диффундирует из более отдаленных объемов металла, и ширина обезуглероженной прослойки увели­чивается. Повышение содержания углерода увеличивает про­тяженность науглероженной прослойки. Интенсивность этого про­цесса зависит также от температуры и времени.

Интенсивность процесса диф­фузии углерода, и следовательно, и степень химической неоднородности у границы сплавления можно снизить за счет замены углеродистой стали низколегиро­ванной с малым содержанием угле­рода и наличием элементов карби-дообразователей в количестве, до­статочном дли полного связывания углерода.

Наличие диффузионных прослоек влияет па работоспособность сварных соединений. Вероятность разрушений по зоне сплавления связана с появлением в этой зоне объемного напря­женного состоянии и увеличением хрупкости пограничных участ­ков шва. Кроме этого, может произойти разрушение по металлу обезуглероженной прослойки со стороны менее легированной стали ввиду его меньшей прочности при воздействии коррозион­ной среды и напряжений, а также коррозионное pacтрескивание по обезуглероженной прослойке.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ СТАЛЕЙ ОДНОГО СТРУКТУРНОГО КЛАССА

В практике производства сварных конструкций встречается необходимость сварки сталей одного структурного класса, но разного легировании. В таких случаях к швам не предъявляется требований повышенной прочности или особых свойств, характер­ных для более легированной стали. Поэтому при выборе сварочных материалов и технологии сварки следует отдать предпочтение материалам и технологии, обычно применяемым для менее легированной стали.

Технологические режимы сварки и температуру подогрева следует выбирать по свойствам более легированной стали.

При сварке между собой высокохромистых мартенситных, ферритных ферритно-аустенитных сталей выбор сварочных ма­териалов должен основываться на необходимости получения швов без трещин и без хрупких участков в них. Так как в этих сталях содержится большое количество энергичного карбидообразователя — хрома, ожидать заметного развития диффузионнных прослоек в зоне линии сплавлении не следует.

Режим подогрева выбирают но характеристикам более закаливавающейся стали из входящих в рассматриваемое сочетание.

При сварке 12% хромистых мартенситных сталей с высо­кохромистыми ферритными и ферритно-аустенитными предпочти­тельнее выбирать сварочные материалы ферритно-аустенитного класса. В ходе термообработки следует принимать меры к ускоренному охлаждению для предупреждения 475⁰ хрупкости.

При сварке разнородных аустенитных сталей следует иметь в виду повышенную склонность аустенитных швов и образованию горячих трещин. Поэтому при выборе сварочных материалов следует прежде всего исходить из необходимости надежного предотвращения возникновения горячих трещин в шве. Технология сварки этих сталей зависит от соотношения содержании в металле хрома и никеля. Если сваривают разнородные стали с малым запасом аустенитности, то можно использовать электроды, рекомендуемые для сварки как одной, так и другой стали.

При сварке между собой сталей с большим запасом аустенитности необходимо использовать сварочные материалы, позволяющие получить в шве однородную аустенитную пли аустенптно-карбидную структуру при обязательном дополнительном легировании элементами, повышающими стойкость против образовании трещин.

Вид термообработки сварных соединений из разнородных аустенитных сталей определяется условиями их работы, типом конструкции и марками свариваемых сталей. При сварке конструкций из термически неупрочняемых сталей, предназначенных для работы в интервале умеренных температур при отсутствии требований к снятию сварочных остаточных напряжений, термообработку можно не проводить. Если же по условиям работы конструкции необходимо снятие остаточных сварочных напряжений, то проводят стабилизацию при температуре 800— 850° С.

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ СВАРКИ СТАЛЕЙ

РАЗНОГО СТРУКТУРНОГО КЛАССА

Возможные сочетании сталей различных структурных классов в сварных соединениях можно подразделить на две группы: I — сварные соединения перлитных сталей с высокохромистыми сталями мартенситного, мартенситно-ферритного и ферритного классов; II — сварные соединения перлитных сталей с аустенитными хромоникелевыми коррозионно-стойкими и жаропрочными сталями.

При сварке перлитных сталей с 12%- хромистыми сталями с целью обеспечения наибольшей пластичности шва применяют сварочные материалы перлитного класса. В этом случае в переходных участках со стороны высоколегированной стали с содержанием до 5% Cr сохраняется высокая пластичность и вязкость. Для снижения размеров диффузионных прослоек перлитный наплавленный металл должен легироваться определенным количеством карбидообразующих элементов.

Температуру предварительного подогрева соединения следует выбирать (рассчитывать) по характеристикам высоколегированной (12%- хромистой) стали так же, как и режим термообработки, но для уменьшения размеров диффузионных прослоек температура отпуска должна быть принята минимально возможной.

При сварке перлитных сталей с 17—28%- хромистыми сталями использование электродов перлитного класса нецелесообразно из-за чрезмерного легирования шва хромом из высокохромистой стали и потери им вследствие этого пластичности. Поэтому наиболее подходящими будут сварочные материалы ферритно-аустенитного класса, обеспечивающие достаточную стабильность металла шва даже при наличии значительного проплавления перлитной стали. При таких сочетаниях сталей могут быть также допущены аустенитные электроды, однако при этом следует учитывать структурную неоднородность соединения. Термообработка после сварки в этом случае не нужна.

При сварке перлитных сталей с аустенитными всегда следует применить аустенитные сварочные материалы, обеспечивающие получение наплавленного металла с таким запасом аустенитности, чтобы с учетом расплавления и участии в формировании шва низколегированной составляющей (перлитной стали) обеспечить в высоколегированном шве аустенитную структуру. Приблизительно необходимый состав наплавленного металла дли получения шва, обладающего такой структурой, может быть определен по диаграмме Шеффлсра с учетом участил в формировании шва долей основного и дополнительного металлов.

Большой запас аустенитности металла шва позволяет предотвратить образование малопластичных участков с мартенситной структурой в корневых швах и слоях, примыкающих к перлитной стали. Разнородные соединения из перлитной и аустенитной сталей термообработке, как правило, не подвергают, так как режимы термообработки, улучшающие свойства зоны термического влияния одной из свариваемых сталей, не оказывают положительного действия на другую сталь или ухудшают те или иные ее свойства.

Кроме того, из-за разности коэффициентов линейного расширения перлитной и аустенитной сталей высокий отпуск приведет лишь к перераспределению остаточных напряжений, а не к их снятию. При изготовлении сварных узлов из металла большой толщины, обладающих высокой жесткостью, могут произойти хрупкие разрушении по зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом. Для предотвращения этих разрушений необходимо применять сварочные материалы с повышенным содержанием никеля.

Если спаривается перлитная закаливающаяся сталь с аустенитной, то на кромки закаливающейся стали проводят наплавку аустенитнымн электродами с предварительным или сопутствующим подогревом, обеспечивающим необходимую скорость охлаждения околошовной зоны. При этом сварочные материалы должны обеспечить получение наплавленного металла с повышенным содержанием никеля. Затем проводит отпуск деталей с наплавленными кромками для устранения закалки в околошовной зоне.

После этого детали из перлитной стали с наплавленными кромками сваривают с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для последней без предварительного подогрева. При такой технологии отпадает необходимость в последующем отпуске.

Тема 2.6. Технология сварки чугуна. Состав и свойства чугунов. Трудности сварки. Основные способы сварки чугуна. Горячая и холодная сварка. Сварочные материалы. Особенности технологии сварки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ЧУГУНА СОСТАВ И СВОЙСТВА

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%. В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки, для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe₃С — цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости от структуры чугуны классифицируются на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5— 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед другими материалами, среди которых в первую очередь надлежит упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, — процесс графитизации. (выделение углерода в структурно-свободном виде). В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно -цементитной (П+Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П + Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации, другие — препятствуют. Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремний.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

Чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, первая из которых характеризует предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая — при изгибе (кг/мм²). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ 12-28; СЧ 15-32; СЧ 18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три — перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм²), вторая — относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами, обозначающими временные сопротивления при растяжении (кгс/мм²) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12; КЧ 30-6 с феррит пой металлической основой и КЧ 45-0; КЧ 50-4 и КЧ 60-3, имеющие ферритно-перлитную основу.

При данном составе структура чугуна в большей степени зависит от скорости охлаждения.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ

РЕКОМЕНДАЦИИ

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, что получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью. Тем не менее сварка чугуна имеет очень большое распространение как средство исправлении брака чугунного литья, ремонта чугунных изделий, а иногда и при изготовлении конструкций. Качественно выполненное сварное соединение должно по меньшей мере обладать необходимым уровнем механических свойств, плотностью и удовлетворительной обрабатываемостью (обрабатываться режущим инструментом). В зависимости от условий работы соединения к нему могут предъявляться и другие требовании (например, одноцветность, жаростойкость и др.).

Причины, обусловливающие затруднения в получении качественных сварных соединений, следующие.

1. Высокие скорости охлаждения металла шва и зоны термического влияния, соответствующие термическому циклу сварки, приводят к отбеливанию чугуна, т. е. появлению участков с выделениями цементита той или иной формы в различном количестве.

2. Вследствие местного неравномерного нагрева металла возникают сварочные напряжения, которые в связи с очень незначительной пластичностью чугуна приводят к образованию трещин в шве и околошовной зоне.

3. Интенсивное газовыделение из сварочной ванны, которое продолжается и на стадии кристаллизации, может приводить к образованию пор в металле шва.

4. Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняет удержание расплавленного металла от вытекания и формирование шва.

5. Наличие кремния, а иногда и других элементов в металле сварочной ванны способствует образованию на ее поверхности тугоплавких окислов, приводящих к образованию непроваров.

Сварку с подогревом до температур 300—400° С называют полугорячей, а без предварительного подогрева — холодной сваркой чугуна. При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлургические и технологические средства воздействия ни металл с целью повышения качества сварных соединений. К их числу относятся:

- легирование наплавленного металла элементами-графитизаторами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве структуру серого чугуна;

- легирование наплавленного металла такими элементами, которые позволяют получить в шве перлитно-ферерритную структуру, характерную для низкоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле;

- введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода (выжигания его) и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;

- применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно- железных, железоникелевых и др., обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.