Сварка разнородных сталей
Готальский Ю.Н.
Техника, 1981 г.
СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ
1. Сварка высокохромистых разнородных сталей
В современных металлоконструкциях в ряде случаев возникает необходимость высоколегированные стали сваривать не только со средне- и низколегированными или обычными углеродистыми, но и между собою. При этом необходимо соединять стали разных классов, например высокохромистые мартенситные с ферритными или аустенитными или перечисленные стали со сталями переходного класса (аустенито-ферритными, аустенито-мартенситными и мар-тенсито-ферритными). Сварка таких разнородных сталей имеет свои особенности.
Высоколегированные хромистые стали объединяют стали мар-тенситного, ферритного и мартенсито-ферритного классов. Наиболее распространенными в сварочном производстве являются мартенситные стали 15X11МФ, 18Х11МНФБ, 11Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ, 16Х11Н2В2МФ, 20X13, 25Х13Н2, 13Х14НЗВ2ФР; ферритные — 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х18СЮ и мартенсито-ферритные стали 15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР, 12X13, 14Х17Н2. Перечисленные стали мало отличаются по содержанию основных легирующих элементов. Поэтому для их сварки нет надобности применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва химического состава, промежуточного между составом свариваемых сталей. Они во всех сочетаниях могут свариваться с применением материалов, предназначенных для сварки любой из используемых в данном соединении стали. В этом состоит первая особенность сварки высокохромистых разнородных сталей.
Основная же особенность сварки рассматриваемых сталей обусловлена тем, что в зоне термического влияния их либо образуется малопластичная структура (мартенситные стали), либо происходит чрезмерный рост зерна, приводящий к значительному снижению ударной вязкости (ферритные стали). Поэтому необходимо принимать меры, исключающие образование околошовных трещин или уменьшающие снижение вязких свойств в зоне термического влияния свариваемой стали, которое здесь не может быть восстановлено даже последующей термической обработкой.
Вероятность образования околошовных трещин, как это следует из гл. I, в значительной мере зависит от степени снижения в зоне термического влияния пластических свойств свариваемой стали. Это снижение зависит от химического состава свариваемой стали, и прежде всего от содержания углерода и легирующих элементов, снижающих температуру у - Μ превращения и упрочняющих твердый раствор. При определенном химическом составе стали вероятность образования околошовных трещин зависит от погонной энергии сварки, т. е. от ее режима. С понижением погонной энергии (снижениетока или повышение скорости сварки) металл околошовной зоны охлаждается быстрее, вследствие чего повышается степень его закалки и поэтому увеличивается вероятность образования околошовных трещин.
Следует отметить, однако, что возможность предотвращения околошовных трещин при сварке сталей мартенситного класса изменением режима сварки ограничена. Поэтому сварка их производится, как правило, с высоким (250—300° С) подогревом, а сварное соединение непосредственно после сварки подвергается отпуску при температуре 700—750° С. Лишь при небольших толщи ,нах (до 10 мм) и при отсутствии жестких закреплений соединяемых элементов сварку мартенситиых сталей можно производить без подогрева. Если эти стали используются в конструкциях, предназначенных для эксплуатации без динамических (ударных) нагрузок, сварку их без подогрева можно производить и при больших толщинах. Но в этом случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитного класса. Однако сварные соединения высокохромистых мартенситиых сталей с аустенитным швом имеют существенный недостаток. Прочность металла их шва значительно ниже прочности свариваемой стали. Кроме того, в зоне сплавления таких соединений в процессе термической обработки возможно такое изменение структуры сплавляемых металлов, которое приводит к снижению работоспособности конструкции. Поэтому сварку сталей мартенситного класса с применением материалов, обеспечивающих получение аустенитного металла шва, рекомендуется производить лишь в конструкциях которые не подвергаются термической обработке, а в случае необходимости — лишь в конструкциях, эксплуатируемых при статических нагрузках без значительных давлений.
Рост зерна в зоне термического влияния высокохромистых сталей ферритного класса зависит от времени пребывания металла этой зоны при температурах выше 1100° С, т. е. прежде всего от по тонной энергии сварки. Чем больше погонная энергия сварки
(выше мощность дуги, меньше скорость сварки), тем больше время пребывания металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, тем крупнее образуются зерна. Поэтому конструкции, в которых используются высокохромистые стали ферритного класса, следует сваривать на режимах, обеспечивающих минимально возможную погонную энергию, т. е. максимально снижать ток и максимально повышать скорость сварки.
Время выдержки металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, зависит также от степени разогрева выполняемого соединения. Чем выше его разогрев, тем медленнее охлаждается металл зоны термического влияния и тем больше времени пребывает он при температурах, вызывающих рост зерна. По этой причине конструкции, в которых используются высокохромистые ферритные стали, не следует сваривать с подогревом. Более того, многослойную сварку таких конструкций необходимо производить с охлаждением после наложения каждого слоя до минимально возможной температуры, вплоть до комнатной. В случае изготовления конструкции, в которой высокохромистая ферритная сталь должна свариваться со сталью мартенситного класса, сварку которой, как показано выше, следует производить с подогревом, чтобы избежать вредного влияния его на околошовную зону ферритной стали, свариваемые кромки последней облицовываются слоем металла, менее склонного к росту зерна. Толщина этого слоя должна быть не меньше ширины участка перегрева, присущей используемому режиму сварки, т. е. 5—6 мм.
Зачастую конструкции из высокохромистых разнородных сталей должны обладать необходимой коррозионной стойкостью в жидких агрессивных средах. Воздействие же на эти стали термического цикла сварки, для которого характерны высокотемпературный нагрев и быстрое охлаждение, приводит к потере общей коррозионной стойкости в зоне термического влияния и появлению склонности к межкристаллитной коррозии. Поэтому для того, чтобы получить сварное соединение, стойкое против коррозии, его следует подвергать отпуску по режиму, применяемому для обработки стали соединения, требующей более низкой температуры отпуска.
Как уже указывалось, для сварки высокохромистых сталей, особенно мартенситного класса, нередко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитной структуры. При изготовлении конструкций, предназначенных для работы в агрессивных средах, следует учитывать, что наплавленный металл аустенитного класса, если он является хромоникелевым сплавом, из-за большого содержания никеля в серосодержащих средах склонен к сульфидной коррозии. Такой наплавленный металл взаимодействует с сернистыми соединениями, образуя сульфиды никеля и эвтектику Ni— Νi3S8. Поэтому для упомянутых конструкций аустенитные материалы, если их использование неизбежно, следует применять другого типа, например, хромомарганцевые.