Сварка и резка нержавеющих сталей

Петров В.Н. Сварка и резка нержавеющих сталей

Петров В.Н.

Судостроение, 1969 г.

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Необходимость сварки разнородных сталей диктуется экономическими соображениями: нерационально использовать дорогостоящие, никелесодержащие стали для изготовления всех узлов аппарата или агрегата. Отдельные узлы, устройства работают в различных условиях нагружения, при различных температурах, в неодинаковых средах и в зависимости от условий работы конструкторы выбирают наиболее соответствующие металлы. В результате выбора выявляется потребность сваривать различные по типу, структуре и свойствам стали.

Качество сварного соединения разнородных сталей зависит от их свариваемости (способности образовать неразъемное соединение в результате сплавления), которая определяется в первую очередь строением их атомов, типами и параметрами кристаллических решеток. Если природа металлургической связи у свариваемых разнородных сталей близка, то пара свариваемых металлов образует соединение при совместной кристаллизации металла шва с обоими металлами. Строение металла шва и свойства в таком соединении будут неоднородными, так как образуются новые сплавы с различной концентрацией компонентов.

При выборе сочетания сталей учитывают также особенности изготовления и эксплуатации сварного узла. Разнородные материалы имеют различные коэффициенты линейного расширения и при высоких температурах (сварки и эксплуатации) в сварном соединении возникают дополнительные термические напряжения. Если они совпадут по направлению с напряжениями от рабочей нагрузки, а также с остаточными сварочными напряжениями, суммарные величины могут превысить предел текучести и при наличии в шве хрупкой прослойки сварное соединение разнородных сталей может разрушиться. Поэтому место расположения соединений разнородных металлов, вид обработки, подготовка и сварка стыков обычно тщательно изучаются. Недопустимо такие стыки располагать в зоне жестких узлов или заделок (на корпусе, переборках и т. п.).

 

Чаще всего встречаются соединения хромоникелевой аустенитной нержавеющей стали с малоуглеродистыми (экраны и компенсаторы; монтажные стыки трубопроводов, связывающих агрегаты различного назначения; трубы с переходниками; узлы корпусов и различные крепления агрегатов).

Применяемые в судостроении нержавеющие стали марок 0X13, 1X13, 0X17, 0Х17Т, 1Х17Н2 и др., из которых изготавливают технологическое оборудование рыбообрабатывающих судов, соединяются с обычными корпусными сталями марок Ст.4с, 091 2 и др.

В последнее время в сочетании с аустенитными сталями начали применять хромомолибденовые типа 15ХМ и хромомолибденованадиевые марок 12Х1МФ и  15Х1МФ.

Соединяя однородные стали, всегда стремятся выбрать такие сварочные материалы (электроды, проволоку, флюс), которые обеспечили бы получение металла шва, близкого по химическому составу к основному металлу. У разнородных сталей так называемых комбинированных соединений это требование выполнить невозможно, так как в любом случае металл шва по составу будет значительно отличаться от состава свариваемых сталей в связи с перемешиванием жидкого, расплавленного металла.

При сварке разнородных и однородных сталей в зоне сплавления на переходных участках изменяются свойства металла. Вблизи зоны сплавления у некоторых комбинированных соединений образуются хрупкие прослойки, которые могут явиться очагами разрушения.

Хрупкие прослойки образуются вследствие разбавления перлитного наплавленного металла аустенитным, что приводит к образованию закалочных структур, ухудшающих пластичность металла шва. Чем больше степень проплавления и меньше запас аустенитности (% содержания никеля) в нержавеющей стали, тем ниже пластические свойства металла шва. Неодинаковые свойства может иметь шов и в поперечном направлении (по сечению). Проникновение углерода из основного металла в шов приводит к обеднению металла углеродом (обезуглероживанию), появляется мягкая зона в углеродистой стали и «карбидная гряда» с повышенной твердостью — в наплавленном металле.

Поэтому при выборе сварочных материалов для комбинированных соединений всегда стремятся получить металл шва с удовлетворительными свойствами в переходных участках.

Соединения малоуглеродистой стали с нержавеющей типа 1X13 можно сваривать электродами, предназначенными для малоуглеродистой стали. Наплавленный металл в зоне сплавления в этом случае содержит до 5—6% хрома и обладает после термической обработки достаточно высокими механическими свойствами. Если для сварки такого же соединения применять электроды, предназначенные для хромистой стали, переходные участки шва могут содержать до 6—11% хрома, но уровень пластичности и ударной вязкости несколько снизится. Металл шва, примыкающий к малоуглеродистой стали, более склонен к образованию трещин, чем металл шва, содержащий 5   6% хрома.

Соединения малоуглеродистой стали с нержавеющей типа 18-8 нельзя сваривать перлитными электродами. В слоях шва, примыкающих к стали типа 18-8, образуются хрупкие прослойки и возможно возникновение трещин. Применяя аустенитные электроды типа ЭА-1 (18-8) для сварки этого соединения, можно несколько повысить пластические свойства металла переходной зоны. Однако не удается добиться повышения сопротивляемости образованию трещин, если использовать электроды типа ЭА-1. Поэтому для сварки комбинированных соединений такие электроды не применяют.

Для   сохранения высоких свойств металла шва при сварке соединений малоуглеродистой стали с нержавеющей типа 18-8 необходимо применять электроды с повышенным запасом аустенитности, т. е. повышенным содержанием никеля, [электроды со стержнем из стали типа 25-12 или ЭИ395 (15-25)].

Автоматическую сварку соединений малоуглеродистых сталей с нержавеющей типа 18-8 также выполняют проволокой с большим содержанием никеля, чем у свариваемой нержавеющей стали.

 

При ручной и автоматической сварке в результате перемешивания расплавленного присадочного и основного металлов разбавляется легированная сталь и легируется малоуглеродистая. Несмотря на запас аустенитности в зоне сплавления вследствие разбавления могут оказаться участки пониженной вязкости металла. Степень разбавления зависит от проплавления металла. При автоматической сварке глубина проплавления больше, чем при ручной, поэтому разбавление также будет больше. На величину проплавления влияют тип сварного соединения и режим сварки.

Лучшие результаты по свойствам металла сварного комбинированного соединения достигаются, если кромки имеют U-образную или V-образнуго разделку. Сварку комбинированных соединений всегда предпочтительнее выполнять на минимально возможной силе тока и максимальной скорости независимо от типа соединения.

Толстостенные комбинированные соединения рекомендуется сваривать по предварительной наплавке кромки малоуглеродистой стали. Наплавку выполняют электродами с повышенным содержанием легирующих элементов, а сварку соединения — обычными электродами, предназначенными для сварки данной нержавеющей стали. В этом случае исключается опасность появления трещин в сварных швах.

 

Часто встречаются комбинированные соединения, у которых одна деталь изготавливается из нержавеющей стали, другая — из подкаливающихся сталей перлитного класса марок 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1МФ и др. Такие соединения сваривают по предварительной двухслойной наплавке (рис. 107, б). Наплавку первого слоя А выполняют электродами со стержнем из проволоки с повышенным содержанием никеля, например, Св-07Х25Н13 или ЭИ395. Наплавку второго слоя Б производят аустенитными электродами, которые предназначены для сварки этого соединения.

После контроля внешним осмотром, последующей обработки и повторного контроля качества наплавленной поверхности сварку комбинированного соединения выполняют аналогично обычному соединению из нержавеющих сталей.

Сварные конструкции из разнородных сталей при правильно выбранном типе сварочных материалов и тщательном соблюдении технологии сварки обладают высокими механическими свойствами. При испытании образцов на растяжение разрушение происходит, как правило, по основному металлу.