книги / Сварка в машиностроении. Т. 2

Температура, при нагреве до которой от начальной температуры Т0, равной 20 °С, в изделии возникнут пластические деформации обратного, чем при охлаждении, знака,

Гр = Г0 + 2я

Е (ai —а 2) ’

гдсстт1— предел текучести менее прочной стали, кгс/мм2; а х и а 2 — коэффициенты

остаточных напряжений можно не рассчитывать. Для исключения влияния поля остаточных напряжений, особенно при усталостном режиме работы изделия, можно применять поверхностный наклеп [14].

При более высоких температурах эксплуатации дополнительно к основному расчету необходимо рассчитывать деформации от суммарного действия рабочих, остаточных и температурных напряжений [10]. Основное внимание нужно уделять е о з м о ж и о с т и развития в изделии знакопеременных пластических деформаций во время циклических изменений температуры и снижения напряжений изгиба, действующих нормально к шву.

При проектировании ответственных трубчатых конструкций из сталей раз­ ного структурного класса рекомендуется: а) располагать комбинированные соеди­ нений’ в зонах пониженных температур, например на необогреваемых участках поверхиопей нагрева котлов; б) применять, как правило, стыковые соединения; в) при стыковке труб с различной толщиной стенки комбинированный стык рас­ полагать на участке большей толщины с введением дополнительного переходного элемента; г) при необходимости размещения комбинированного стыка патрубка вблизи участка повышенной жесткости (например, у обечайки сосуда) размещать

его на расстоянии не менее 1,3 V RH, где R — средний радиус патрубка; h — тол­ щина его стенки.

Сварка разнородных сталей одного структурного класса

Соединения из перлитных сталей. При сварке перлитных сталей разного легирования следует использовать сварочные материалы, применяемые для менее легированной стали (табл. 3). Если разница в легировании велика (1 и V группы), то для уменьшения диффузионных прослоек при отпуске или высоко­ температурной эксплуатации рекомендуются материалы промежуточного леги­ рования.

При ручной дуговой сварке рекомендуется применять электроды с основным покрытием. Электроды с кислым и целлюлозным покрытиями не рекомендуются из-за опасности образования холодных трещин в корневом слое и слоях, примы­ кающих к более легированной стали. Технологические режимы сварки, и прежде всего температуру подогрева, надо выбирать близкими к требуемым для более легированной стали. При сварке массивных изделий в отдельных случаях целе­ сообразно исключить подогрев или снизить его температуру путем введения пред­ варительной облицовки кромки со стороны более легированной стали электродами, приведенными в табл. 3. При относительно небольшой разнице в легировании (1 и IV группы) рабочая температура соединения может быть допущена близкой к предельной для менее легированной стали. При большей разнице в легировании ее желательно снизить на 50—100° С или ввести переходный элемент из стали промежуточного легирования.

Сварные соединения сталей I группы со сталями II, III и IV групп при отсут­ ствии специального требования можно не подвергать термической обработке.

Перлитные стали с 12%-ными хромистыми сталями сваривают перлитными электродами или проволоками (табл. 5). В этом случае обеспечиваются удовлетво­ рительные прочность и пластичность переходных слоев шва с содержанием в них до 5% Сг и высокая длительная прочность соединения в целом. По условию макси­ мального снижения диффузионных прослоек электроды и сварочные проволоки имеют несколько большее легирование, чем менее легированная сталь. При боль­ ших толщинах свариваемых элементов сварочными материалами, рекомендуемыми в табл. 5, можно проводить лишь облицовку кромок со стороны 12% -ной хромистой стали, а заварку основного шва выполнять электродами, состав которых близок к составу менее легированной стали.

5. Сварочные материалы

Термический режим сварки (подогрев) необходимо выбирать по высоколегиро­ ванной составляющей. При работе в высокотемпературных установках сварные стыки нужно располагать вдали от участков повышенной жесткости, на утолщен­ ных участках при отсутствии значительных дополнительных напряжений изгиба. Температуру эксплуатации в районе стыка желательно снизить по сравнению с предельной для 12%-ной хромистой стали. При невозможности такого снижения необходимо вводить переходный элемент из более стабильной перлитной стали либо осуществлять предварительную облицовку кромок со стороны 12%-ной хромистой стали последовательно электродами типов Э-09Х1МФ или Э-10ХЗМ1ФБ, затем Э-09Х1М. Отпуск проводят по режимам, близким к режимам для 12%-ной хромистой стали.

При сварке перлитных сталей с высокохромистыми ферритными и аустенитно­ ферритными (группы VII) применять электроды перлитного класса нежелательно из-за неизбежного чрезмерного легирования переходных участков шва и опасности образования в них трещин. В данном случае целесообразно использовать электро­ ды аустенитно-ферритного класса, обеспечивающие достаточную стабильность свойств металла шва в переходных участках у перлитной стали. Можно также при­ менять и аустенитные электроды, однако при этом неизбежна значительная неодно­ родность соединения, что при работе в области высоких температур может привести К преждевременному разрушению изделия.

Соединения из перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными сталями и сплавами на никелевой основе. В данных соединениях в наибольшей степени выражена химическая, структурная и механическая неоднородность, рыбор сварочных материалов для них и оценка эксплуатационной надежности требуют учета большого числа факторов. При сварке сталей указанного сочетания р основном используют аустенитные сварочные материалы. Перлитные материалы для этой цели не применяют из-за неизбежности получения при проплавлении аустенитного основного металла хрупких слоев шва, имеющих структуру мартен­ сита и обладающих высокой склонностью к образованию трещин.

Номенклатура аустенитных сварочных материалов обширна (табл. 6). Для сварки перлитных сталей с аустенитными термически неупрочняемыми сталями

ких напряжений изгиба или местное утолщение участка стыка для уменьшения этих напряжений.

Термическая обработка не снижает остаточных напряжений, поэтому в сое­ динениях из незакаливающейся при сварке перлитной стали, например низко­ углеродистой с аустенитной, ее можно не проводить. Если используют закаливаю­ щуюся при сварке перлитную или мартенситную сталь, то в жестких соедине­ ниях из разнородных сталей ее можно вводить по условию снятия закалки в околошовной зоне этих сталей. Вместо отпуска всего соединения узла можно проводить облицовку кромок со стороны закаливающейся стали аустенитными электродами и отпуск лишь облицованной детали. В этом случае термическая обработка всего соединения не требуется.

При термической обработке рассматриваемых сварных соединений необходимо учитывать возможность коробления конструкции в результате перераспределения поля остаточных напряжений [10]. Оно выражено в наибольшей степени при не­ симметричном расположении швов в изделии. При симметричном расположении швов коробление мало и его можно не учитывать.

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Особенности сварки

Трудность сварки разнородных металлов и сплавов обусловлена тем, что они различаются физическими, механическими и физико-химическими свойствами (табл. 7), которые определяют как взаимодействие металлов между собой, так и их взаимодействие с вновь образующимися фазами.

Большинство пар свариваемых разнородных металлов или сплавов разли­ чается температурой плавления, плотностью, коэффициентами теплофизических свойств: коэффициентами линейного расширения, кристаллографическими харак­ теристиками — типом решетки и ее параметрами. Тугоплавкие и химически ак­ тивные титан, ниобий, тантал, молибден при нагреве активно взаимодействуют с водородом (при температуре выше 300° С), с азотом и кислородом (при темпера­ туре выше 60(г С), что ухудшает их свойства и усложняет технологию сварки.

При ограниченной взаимной растворимости для основных комбинаций сва­ риваемых металлов трудно избежать образования стойких интерметаллических фаз (табл. 8), обладающих большой твердостью и хрупкостью. В паре Fe—Al образуются соединения с микротвердостью 800—900 кгс/мм2. Наиболее хрупкой фазой является Fe2Al5. В паре (при сварке стали типа 12Х18Н8 и алюминия) также образуются интерметаллиды NiAl и Ni3Al, обладающие большой хрупко­ стью. Например, пластичность фазы Ni3Al равна нулю, однако пластичность фазы NiAl может быть увеличена нагревом и гомогенизацией фазы при 1150° С в тече­ ние 48 ч,,либо при 1315 °С в течение 6 ч, а также измельчением зерен этой фазы при добавке 0,5% Mo. Типовые прослойки интерметаллидов, получающиеся при сварке алюминия со сталью или никелем [1], показаны на рис. И. Почти все пары металлов образуют хрупкие фазы, которые являются химическими соединениями и резко отличаются отсоединяемых металлов по всем характеристикам. Так, фаза FeAl3 обладает ромбической решеткой с параметрами: а = 47,43 À; b = 15,46 À;

Прочные связи в сварном соединении образуются за две стадии [21]: 1) подго­ товительную — сближение соединяемых металлов на расстоянии, при которых может возникнуть межатомное взаимодействие, достигаемое: а) в процессе смачи­ вания твердой поверхности жидкой фазой; б) совместной пластической деформа­ цией двух твердых веществ; в) диффузионными процессами; 2) конечную, когда определяющую роль играют квантовые процессы электронного взаимодействия, приводящие к образованию либо металлической связи (чистые металлы), либо к ковалентной связи (металлы, химические соединения, окислы). Для первой фазы

оплавленного металла, с активацией его поверхности и последующим образова­ нием металлических связей, т. е. за счет тепловой энергии источника нагрева; при сварке давлением — за счет механической энергии давления статического (сварка давлением) либо ударно-импульсного (сварка взрывом).

При соединении разнородных металлов, из-за периода релаксации энергии, процессы диффузии затруднены и химическое взаимодействие происходит с опозда­ нием (замедлением или ретардацией). Это замедление обусловлено тем, что на свободной поверхности твердого или жидкого металла атомы оказываются неурав­ новешенными из-за отсутствия связи (вакуум) или ослабления связи, обусловлен­ ной другими свойствами окружающей среды. Это приводит к повышению энергии Е п поверхностного слоя (рис. 12, б) по сравнению с энергией E0t необходимой ато­ му для перемещения внутри тела. Аналогичное явление возникаёт и при сварке разнородных металлов, когда из-за быстрого образования физического контакта жидкого металла с твердым, более тугоплавким (стадия А), на границе фаз обра­ зуется пик межфазной энергии Е г (рис. 12, в), так как переход атомной системы в новое состояние осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный проме­ жуток времени; указанное явление и определяет период ретардации. Если длитель­ ность контактирования жидкого и твердого металлов в разнородном соединении меньше периода ретардации, то можно получить соединение разнородных металлов с ограниченней растворимостью без промежуточных хрупких прослоек.

Время рё^ардации (т. е. жизни атома перед потенциальным барьером), с [21]

где т0 — время инкубационного периода для неактивируемого процесса (£т + + Еж= 0), с; е — постоянная величина (заряд электрона); £ т энергия активации диффузии в твердой фазе, В; Еж— энергия активации диффузии в жидкой фазе, В; k — постоянная Больцмана, эВ/(ат*К); Т — температура, К.

Если длительность контактирования жидкого и твердого металлов в разно­ родном соединении меньше периода ретардации, то можно получить соединения разнородных металлов с ограниченной растворимостью без промежуточных хрупких прослоек. Расчеты показывают, что при сварке пары Ti и Al при взаимо­ действии жидкого алюминия с твердым нагретым титаном период ретардации (при котором в соединении отсутствуют хрупкие фазы) составит: 170 с при темпе­ ратуре алюминия 700° С; 9 с при 800° С; 1 с при 900° С.

Способы сварки разнородных металлов и сплавов указаны в табл. 8. Сварка без хрупких фаз затруднена тем, что в реальных сварных соединениях площади контакта велики, а контактирование происходит не по всей поверхности одновре­ менно. Если исходить только из периода ретардации и стремления получить соеди­ нение без хрупких фаз, то можно получить соединение с «разрывным» контактом, т. е. такое соединение, когда связь устанавливается только в отдельных местах. Для соединения алюминия со сталью избежать образования хрупкой прослойки интерметаллидов при их непосредственной сварке вообще нельзя. Кроме того, прочность такого соединения может быть неудовлетворительной. Поэтому в неко­ торых случаях, особенно при крупногабаритных деталях, приходится выбирать такое время контактирования, когда заведомо образуется плотный и равномерный слой интерметаллидов, надежно связывающий соединяемые металлы, но с более низкой прочностью [1, 2].

Наиболее успешно удается сваривать отдельные пары металлов способами и приемами, при которых обеспечиваются: 1) минимальное время контактирования соединяемых металлов в жидком состоянии, что уменьшает размеры прослоек хрупких интерметаллидов либо даже предотвращает их возникновение; 2) надеж­

ных однородных или комбинированных из разных металлов вставок, хорошо сваривающихся с любым металлом свариваемой пары; 4) подавление роста интер­