10 Сварка жаропрочных перлитных сталей

Основными способами сварки жаропрочных перлитных сталей являются дуговая покрытыми электродами, в защитных газах и под флюсом. Подготовку кромок деталей под сварку производят механической обработкой. Допускается применение кислородной или плазменно-дуговой резки с последующим удалением слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм. Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим местным или общим подогревом. Большинство сварных конструкций из жаропрочных перлитных сталей подвергают термической обработке для устранения структурной неоднородности, остаточных сварочных напряжений и обеспечения эксплуатационной надежности. Исключение составляют сварные соединения из хромомолибденовых и хромрмолибденованадиевых сталей толщиной менее 6 мм. При термообработке конструкций из жаропрочных перлитных сталей используют обычно отпуск, он может применяться также как местная термическая обработка. Отпуск стабилизирует структуру (твердость) сварного соединения и снижает остаточные напряжения. С увеличением содержания хрома, молибдена, ванадия и других элементов, повышающих релаксационную стойкость сталей, температура отпуска и время выдержки должны увеличиваться. Недостатком отпуска является невозможность полного выравнивания структуры, в частности устранения разупрочненной прослойки в зоне термического влияния сварки, что может быть достигнуто только при печной термической обработке всей конструкции. Ручную дуговую сварку жаропрочных перлитных сталей выполняют электродами с основным (фтористо-кальциевым) покрытием и стержнем из малоуглеродистой сварочной проволоки с введением легирующих элементов через покрытие. Для сварки хромомолибденовых сталей 12МХ, 15ХМ и 20ХМЛ используются электроды типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467-75), а для сварки хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ - электроды типа Э-09Х1МФ. Когда применение подогрева свариваемых изделий и последующей термической обработки сварных соединений невозможно или необходима сварка перлитных жаропрочных сталей с аустенитными, допускается использование электродов на никелевой основе. Сварка в защитных газах при изготовлении сварных конструкций из жаропрочных перлитных сталей может быть двух видов: дуговая сварка плавящимся электродом в углекислом газе и аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом. При сварке молибденовых, хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей следует использовать одну из марок проволок, содержащих молибден, хром и молибден или хром, молибден и ванадий (Св-08МХ, Св-08ХМ, Св-08ХМФА и др.), в зависимости от состава свариваемой стали. При сварке в углекислом газе - активном окислителе ванны - в составе проволоки обязательно кроме других легирующих элементов должны присутствовать раскислители - кремний и марганец (иногда титан). Поэтому для сварки в углекислом газе можно использовать только те проволоки, в составе которых содержатся эти элементы, в маркировке обозначенные "Г" и "С", например, Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА и др. в зависимости от состава свариваемой стали и требований к механическим свойствам металла шва. Так, при сварке хромомолибденовых сталей применяется сварочная проволока Св-08ХГСМА, а при сварке хромомоли-бденованадиевых сталей - проволока Св-08ХГСМФА. Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для проволоки диаметром 1,6 мм сварочный ток составляет 140 ... 200 А при напряжении на дуге 20 ... 22 В, а для проволоки диаметром 2 мм ток сварки 280 ... 340 А и напряжение 26 ... 28 В. Аргонодуговую сварку применяют для выполнения корневого слоя при многопроходной сварке стыков труб паропроводов, поверхностей нагрева котлов и других изделий. При сварке в среде аргона хромомолибденовых сталей используют сварочные проволоки Св-08ХМ, Св-08ХГСМА, а при сварке хромомолибденованадиевых сталей - проволоки Св-08ХМФА и СВ-08ХГСМФА. Проволоки Св-08ХМ и Св-08ХМФА допускается применять только при содержании кремния в металле проволоки не менее 0,22 %. Сварку под слоем флюса используют для изготовления корпусов аппаратов нефтехимической промышленности и других изделий с толщиной стенки 20 мм и более. Применяют низко активные по кремнию и марганцу флюсы для достижения в металле шва низкого содержания дисперсных оксидных включений (продуктов кремнемарганцевосстановитель-ного процесса), а также стабильности содержания Si и Мn в многослойных швах. Сварку осуществляют на постоянном токе обратной полярности. Для уменьшения разупрочнения хромомоли-бденованадиевых сталей в околошовной зоне рекомендуют режи-мы с малой погонной энергией, поэтому используют приволоки диаметром 3 мм при токе 350 ... 400 А и напряжении дуги 30 ... 32 В и повышенные скорости сварки (40 ... 50 м/ч). Хромомоли-бденовые стали можно сваривать проволоками диаметром 4 и 5 мм при силе тока 520 ... 650 А и напряжении 30 ... 34 В. Для сварки хромомолибденовых сталей используют проволоку марок Св-08МХ и Св-08ХМ, а для сварки хромомолибденованадиевых сталей -Св-08ХМФА. 

Сварка низколегированных закаливающихся сталей

Процесс сварки рассматриваемых сталей должен обеспечить компенсацию угара легирующих элементов и получение металла шва, не склонного к образованию трещин и обладающего механическими характеристиками, соответству-ющими основному металлу. Это может быть достигнуто применением легированной электродной проволоки при защитном покрытии или флюсе, либо малоуглеродистой электродной проволоки при защитно-легирующем покрытии или флюсе.

При ручной сварке преимущественно применяют электроды из малоуглеродистой сварочной проволоки Св08 и Св08А с защитно-легирующим покрытием типа УОНИ-13 или ЦЛ.

В случаях, когда требуются последующая термообработка сварных швов и металл с повышенными прочностными показателями, применяют электроды УОНИ-13/85, ЦЛ-6, ЦУ-2М, ЦУ-2ХМ, изготовленные из малоуглеродистой проволоки Св08 и Св015 с легирующим покрытием (до 30% легирующих элементов в покрытии). Автоматическая сварка под флюсом пригодна только для некоторых марок закаливающихся сталей, применяемых в судовом машиностроении (например, 15М, 15ХМ, 25Н, 30ХМА). В этих случаях выбор марки проволоки и флюса должен соответствовать рекомендациям, сделанным отдельно для каждой марки стали. Режим сварки должен обеспечить определенные свойства стали в зоне сварки и предотвратить образование трещин.

Н Н. Рыкалин разработал расчетный метод, позволяющий заранее выбрать и назначить такой режим сварки закаливающейся стали, который обеспечит получение требуемой структуры и механических свойств металла в околошовной зоне. В основу этого метода положены две зависимости:

1) зависимость типа структуры околошовной зоны рассматриваемой марки стали от скорости охлаждения (устанавливается по специальным пробам); 2) зависимость скорости охлаждения от условий сварки и конструкции соединения (рассчитывается по теории Н. Н. Рыкалина).

Сравнивая величину получаемой скорости охлаждения с той, которая требуется для обеспечения заданной структуры, при необходимости изменяют термический режим сварки: 1) изменением погонной энергии; 2) подогревом изделия; 3) применением многослойной сварки.

Указанные способы регулирования термического режима сварки вытекают из формул для расчета мгновенных скоростей охлаждения при сварке и имеют целью снизить скорость охлаждения.

Мгновенные скорости охлаждения снижаются при увеличении погонной энергии или начальной температуры изделия (подогрева изделия). Погонную энергию можно изменять, меняя силу сварочного тока или скорость сварки (величина напряжения изменяется в сравнительно небольших пределах). Однако возможности изменения погонной энергии при ручной сварке ограничены. Сила тока может быть изменена в небольших пределах.

При автоматической сварке возможно более резкое изменение погонной энергии, так как и сила тока и скорость сварки изменяются в широких пределах; однако и в этом случае возможности ограничены, так как для уменьшения доли участия основного металла в формировании шва (что уменьшает переход углерода и других легирующих элементов из основного металла в шов) сварку ведут при малых силе тока и скорости. Значительно более эффективным способом уменьшения скорости охлаждения зоны сварки является применение подогрева изделия. Подогрев в зависимости от его назначения бывает следующих видов:

1) предварительный (режим А), осуществляемый до начала сварки; применяется для массивных изделий при небольшом объеме сварки;

2) сопутствующий (режим Б), осуществляемый до начала сварки, но продолжающийся и в процессе сварки; применяется для изделий сложной формы и тонкостенных с большим объемом сварки;

3) выравнивающий (режим В), осуществляемый по окончании сварки для замедления охлаждения изделия; применяется для изделий, не очень склонных к быстрому образованию трещин, с небольшим объемом сварки;

4) предварительный и выравнивающий (режим Г); применяется для изделий сложной формы с большим объемом сварки, к которым нельзя применить сопутствующий подогрев. Необходимая температура подогрева рассчитывается по формулам; она колеблется обычно в пределах 100-200° С, а при сварке особо сложных узлов увеличивается до 300-500° С. Более высокая температура подогрева необходима для массивных изделий, при сварке которых околошовная зона охлаждается быстрее за счет теплоотвода в основной металл. Подогрев обычно осуществляется пламенем газовой горелки, в печах, а также токами высокой или промышленной частоты (при сварке валов и других изделий с компактным поперечным сечением).

При сварке стали большой толщины (если шов заданного сечения выполняется многослойным) следует учитывать два обстоятельства: 1) в слоях шва, удаленных от основного металла, легирование за счет основного металла не имеет места; поэтому для сохранения высоких механических свойств металла шва эти слои необходимо сваривать электродами, дающими наплавленный металл, равнопрочный основному, без дополнительного его легирования за счет основного металла (например, начиная сварку электродами УОНИ-13/45, верхние слои варить электродами УОНИ-13/65 и т. п.);

2) условия нагрева и охлаждения как металла шва, так и ЗТВ меняются.

С точки зрения теплового воздействия можно выделить два основных случая:

1) каждый слой имеет значительную длину (до 1-1,5 м). Ко времени наложения каждого следующего слоя предыдущий успеет полностью остыть и последующий валик окажет только «отжигающее» действие на предыдущий слой. Зона подкалки, образующаяся при наложении каждого слоя , благодаря нагреву при укладке последующего слоя нагревается вплоть до температуры высокого отпуска. Происходит отпуск этой зоны. При таком тепловом воздействии структура мартенсита переходит в структуру тростита и сорбита, что обеспечивает достаточно хорошую обрабатываемость, прочность и пластичность стали в этом слое.

Для отпуска зоны закалки последних слоев (в случае, если металл шва сам не закаливается) поверх шва накладывается отжигающий валик, который после полного охлаждения шва можно при необходимости удалить механическим способом 1-й слой. Многослойная сварка длинными слоями применима только к стали, не склонной к сильной подкалке;

2) каждый слой имеет малую протяженность (40-80 мм). В этом случае каждый последующий слой накладывается на еще неостывший металл (т. е. сварка идет как бы с предварительным подогревом), повышая его температуру и замедляя охлаждение металла шва и околошовной зоны. С увеличением количества слоев процесс нагрева и охлаждения стремится к установившемуся состоянию, т. е. к состоянию, при котором температура околошовной зоны меняется мало. По окончании сварки шов и ЗТВ охлаждаются медленно (благодаря большому количеству введенного тепла).