Автоматическая сварка под флюсом низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Сварочные материалы. Подготовка к сварке. Параметры режимов сварки.

При сварке под флюсом электрическая дуга горит между концом электродной (сва­рочной) проволоки и свариваемым металлом под слоем сва­рочного флюса. Под действием тепла свароч­ной дуги расплавляются основной металл и проволока, а также часть флюса, находящегося в зоне дуги. В области сварки образуется полость, ограниченная в верхней части оболочкой расплавленного флюса и заполненная парами металла, флюса и газами. Расплавленный флюс, окружая газовую полость и жидкий металл, защищает дугу и сва­рочную ванну от вредного воздействия атмосферного возду­ха, осуществляет металлургическую обработку металла и препятствует его разбрызгиванию.

По сравнению с ручной дуговой сваркой автоматиче­ская дуговая сварка под флюсом обеспечивает: повышение производительности в 3—8 раз (при снижении доли элект­родного металла почти в 2 раза), улучшение качества свар­ных соединений, экономичность процесса. Высокая производительность автоматической сварки под флюсом достигается за счет непрерывной подачи электрод­ной проволоки в зону сварки и, главным образом, за счет использования больших абсолютных величин и плотностей сварочного тока. Так, если при ручной сварке покрытыми электродами диаметром 5 мм сила тока не превышает 280—300 А (14—15 А/мм²), то при сварке под флюсом проволокой такого же диаметра сила тока составляет 900—1000 А (45—50 А/мм²). Использование больших сварочных токов не только увеличивает количество рас­плавляемого металла в единицу времени, но и резко повы­шает глубину проплавления основного металла, что позво­ляет уменьшить глубину разделки кромок под сварку и этим сократить количество металла, наплавляемого на единицу длины шва.

Автоматическую сварку под флюсом выполняют пере­менным и постоянным током обратной полярности от ис­точников питания, главным образом, с жесткой или полого-падающей внешней характеристикой (при применении ав­томатов с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи проволоки могут использоваться источники питания с кру­топадающей характеристикой.

Материалы. При сварке применяют два основных сва­рочных материала: флюс и проволоку сплошного сечения. В отечественной практике сварку стальных строительных конструкций чаще всего выполняют с исполь­зованием плавленых флюсов. В последнее время получают распространение керамические флюсы. Для сварки сталь­ных конструкций используют главным образом стандарт­ную проволоку диаметром от 2 до 5 мм.

Химический состав, структура и свойства металла шва соединений, выполненных сваркой под флюсом, в значи­тельной степени определяются составами флюса и проволо­ки, их взаимодействием в расплавленном состоянии друг с другом и с основным металлом. Легирование шва сварочны­ми материалами может происходить или только за счет флюса, или за счет проволоки, или — что бывает чаще — совместно за счет флюса и проволоки. Поэтому флюс и проволоку для сварки различных марок сталей необходимо выбирать одновременно, другими словами, следует выби­рать систему флюс—проволока.

При сварке с дополнительным порошком присадочным металлом (ППМ) марка проволоки, из которой изготавли­вается крупка, может совпадать, а может и отличаться от марки сварочной электродной проволоки. Например, при односторонней сварке ряда низколегированных сталей тол­щиной от 18 до 25 мм рекомендуется применять ППМ из проволоки марки Св-08Г2С, в то время как электродной проволокой в этом случае является проволока марки Св-08ГА.

Подготовку и сборку деталей под сварку производят согласно принятой технологии сварки, марке и толщине свариваемого металла с учетом пространственного положения шва. Конструктивные эле­менты подготовленных кромок свариваемых деталей назна­чают в соответствии с требованиями ГОСТ 8713—79. Этим стандартом предусмотрены стыковые, тавровые, угловые и нахлесточные сварные соединения без скоса кромок, со ско­сом одной или двух кромок. При этом угол скоса кромок в стыковых соединениях составляет 25—30°С для V- и Х-об- разных разделок и 40—45° для К-образных разделок, в тавровых и угловых соединениях угол скоса составляет 45—50°. Притупление кромок в среднем равняется 2—5 мм. В последнее время применяют разделки с меньшими углами скоса кромок, что позволяет заметно сократить мас­су наплавленного металла.

Состав и свойства сталей

Легированные[2] — стали, легированные одним или нескольки­ми элементами при суммарном их содержании 2, 5-10%. В основ­ном это конструкционные стали, главными и общими характери­стиками которых являются механические свойства. Временное сопротивление разрыву сталей составляет 800-2000 МПа, что значительно превосходит временное сопротивление углеродистых и низколегированных сталей. Высокие прочностные и другие служебные характеристики сталей достигают за счет комплексно­го легирования и надлежащей термической обработки, главным образом, закалки с последующим отпуском. Большинство марок сталей относится к перлитному классу. Химический состав и механические свойства некоторых марок сталей этого класса по ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной ста­ли» приведены в табл. 47 и 48.

Легированные стали широко используют в энергетическом машиностроении, самолетостроении, судостроении и других отраслях, требующих изготовления облегченных высокопрочных конструкций.

Особенности сварки сталей

Легированные стали принципиально пригодны для ручной дуговой сварки, однако, требуют применения специальных техно­логических мер, необходимость в которых определяется их хими­ческим составом и структурным состоянием — следствием терми­ческого упрочнения.

Химический состав сталей наглядно свидетельствует о высо­кой их склонности к подкалке и к образованию при сварке в зо­не термического влияния в большом количестве хрупких зака­лочных структур. Значения эквивалентного углерода сталей в среднем составляет 0, 6-0, 7%, что значительно превышает критическую величину — 0, 45%. Образование закалочных участков при наличии сварочных и других растягивающих напряжений приво­дит к возникновению в сварных соединениях холодных трещин. Этому способствует и повышенное содержание диффузионного водорода в металле шва (см. формулу (15)), которое может иметь место при попадании в зону сварки влаги из электродного по­крытия и других источников. Параметр трещинообразования су­щественно превосходит допустимый уровень — 0, 3. Предотвра­тить появление малопластичных закалочных структур, и, как следствие, холодных трещин можно, регулируя термический цикл сварки — получением нисходящей ветви цикла со снижен­ной до требуемого уровня скоростью охлаждения металла. Это может быть достигнуто путем принудительного нагрева стали в месте сварки и/или посредством повышения эффективной погон­ной энергии (см. формулы (2) и (3)), т.е. сварки на форсирован­ных по току режимах с большим разогревом металла.

Однако полученный подобным образом термический цикл, уменьшающий склонность стали к образованию холодных трещин, одновременно создает благоприятные условия как для роста зерна на участке перегрева зоны термического влияния (см. рис. 19), что снижает вязкость металла, так и для разупрочнения закаленной стали на участке, нагреваемом до температуры ее отпуска, где ин­тенсивно проходят процессы коагуляции и растворения упрочня­ющих фаз. Последний фактор при сварке термоупрочненных легированных сталей, отличающихся повышенной чувствитель­ностью к термической обработке, приобретает весьма важное зна­чение. Для восстановления прочностных и других характеристик стали в зоне термического влияния осуществляют полную терми­ческую обработку сварных соединений (закалку с последующим отпуском). Полная термическая обработка позволяет при пра­вильно подобранных электродах получать равноценные но всем показателям основному металлу сварные соединения. Именно такую технологию ручной дуговой сварки легированных сталей с последующей полной термической обработкой сварных соедине­ний применяют при изготовлении ответственных тяжелонагру- женных и других конструкций, работающих в сложных эксплуа­тационных условиях. Только высокий отпуск, который иногда практикуют из-за невозможности проведения полной термичес­кой обработки, позволяет снять сварочные напряжения и смяг­чить возникшие при сварке закалочные структуры, а также удалить из металла шва большую часть диффузионного водорода.

Вместе с тем один отпуск не в состоянии даже при сварке на ща­дящих умеренных режимах устранить последствия явлений, свя­занных с разупрочнением и перегревом стали. Часто отпуск ис­пользуют лишь в качестве промежуточной технологической опе­рации.

Значительное снижение склонности сварных соединений к образованию холодных трещин при сварке легированных сталей наблюдается при получении, за счет применения специальных электродов, металла шва с аустенитной структурой, содержащей существенное количество никеля. Такой шов отличается высоки­ми пластическими характеристиками, снижающими уровень рас­тягивающих сварочных напряжений в зоне термического влия­ния, а также тем, что в нем при температурах образования холод­ных трещин практически отсутствует диффузионная подвиж­ность растворенного водорода, вследствие чего последний не мо­жет перемещаться в основной металл. Более того, аустенитный металл шва, имея более низкую по сравнению с легированной сталью температуру плавления, заполняет образующиеся в зоне сплавления надрывы основного металла, вызванные оплавлением границ зерен. Пластичный аустенит как бы «залечивает» эти над­рывы, которые в последующем могут явиться очагами зарожде­ния холодных трещин.

Применение электродов, обеспечивающих получение аусте- нитного шва с требуемым химическим составом, позволяет во многих случаях получать качественные сварные соединения без подогрева свариваемой стали и без термической обработки свар­ных соединений, даже при появлении в зоне термического влия­ния закалочных структур. Сварку можно вести на общепринятых для высоколегированных сталей аустенитного класса режимах. Однако прочностные характеристики шва с аустенитной структу­рой заметно уступают аналогичным показателям легированной стали.

Рекомендуемая технология сварки сталей

Выбор, хранение и подготовка электродов к сварке. В об­щем случае для сварки конструкций из легированных сталей с последующей термической обработкой следует применять элект­роды типов Э70, Э85, Э100 и др. по ГОСТ 9467-75. Электроды с основным покрытием специально предназначены для ручной ду­говой сварки легированных конструкционных сталей с времен­ным сопротивлением разрыву свыше 590 МПа. Химический со­став наплавленного металла указанным стандартом не регламен­тирован за исключением серы и фосфора, содержание которых не должно превышать соответственно 0, 030 и 0, 035%. Вместе с тем, при выборе конкретной марки электрода для сварки заданной ле­гированной стали химический состав наплавленного металла не­обходимо принимать во внимание, особенно при сварке конст­рукций, работающих в экстремальных условиях. Данные по хи­мическому составу приводят в нормативной документации на электроды и в более общем виде — в условном обозначении. Эле­ктроды должны обеспечивать после термической обработки свар­ных соединений по режимам, установленным для легированных сталей, получение наплавленного металла и металла шва с физи­ческими и механическими, в том числе прочностными, свойства­ми, соответствующими свариваемому металлу.Большое внимание при сварке легированных сталей необхо­димо уделять прокалке электродов перед сваркой и условиям их хранения, исключающим всякую возможность чрезмерного об­ратного насыщения покрытия прокаленных электродов атмо­сферной влагой. Электроды должны быть прокалены при темпе­ратуре 400-420°С в течение 2-2, 5 ч с последующим хранением их в печах, в которых они проходили прокалку или в сушильных шкафах, куда их перекладывают из прокалочных печей. Темпера­тура хранения в печах и шкафах 100-150°С, время не ограниче­но. На рабочем месте электроды хранят в пеналах-термосах не более 2-4 ч в зависимости от влажности и температуры воздуха или в термопеналах при температуре 70-100°С в течение смены. При работах в отапливаемом помещении допускается хранение электродов не более 2 ч в закрытой таре.

При сварке конструкций из легированных сталей без после­дующей термической обработки сварных соединений (и без подо­грева металла) используют электроды, обеспечивающие получе­ние высоколегированного хромоникелевого наплавленного метал­ла и металла шва с высоким содержанием никеля и устойчивой аустенитной структурой, например типа Э-11Х15Н25М6АГ2 по ГОСТ 10052-75. Механические свойства металла шва, выполнен­ного промышленными марками электродов, относящимися к ука­занному типу: временное сопротивление разрыву 640-690 МПа, относительное удлинение 35-39%, ударная вязкость при нор­мальной температуре 150-210 Дж/см². Равнопрочные сварные соединения в этом случае получают, увеличивая катеты или периметры угловых швов, или повышая толщину свариваемых элементов в месте расположения стыковых швов. Прокалку перед сваркой и хранение электродов с аустенитной структурой наплавленного металла производят на общих основаниях. Темпе­ратура прокалки 330-350°С, время 1-1, 5 ч.

Подогрев металла. Необходимость проведения предвари­тельного (и сопутствующего) подогрева элементов конструкций при ручной дуговой сварке, а также его температуру устанавли­вают по проектно-технологической документации в зависимости от принятого технологического процесса (с последующей терми­ческой обработкой сварных соединений или без нее), марки ста­ли, толщины свариваемых элементов, типа сварного соединения, температуры окружающего воздуха. При отсутствии таковых температуру подогрева определяют с помощью специальных ис­пытаний на склонность к образованию холодных трещин.

В более высокой степени склонность к образованию холод­ных трещин, как правило, проявляется у корневых (первых) сло­ев швов вследствие более интенсивного отвода теплоты в основ­ной, еще не разогретый дугой, металл. Во многих случаях сварка именно этих слоев шва вызывает необходимость повышения начальной температуры стали.

При сварке сталей с последующей полной термической обра­боткой сварных соединений получение нужного термического цикла сварки, предупреждающего образование холодных трещин, обеспечивают одновременным повышением погонной энергии сварки (за счет главным образом заметного увеличения силы сва­рочного тока) и начальной температуры металла посредством его предварительного подогрева. В общем случае температура подо­грева стали в зависимости от марки и толщины составляет 150-250°С. Сварку стали толщиной до 2-3 мм выполняют без предварительного подогрева. При необходимости, например при сварке жестких конструкций, температура подогрева стали может быть увеличена до 300~350°С. Главное — не допустить образова­ния трещин. Все негативные явления, связанные в этом случае с разупрочнением и перегревом стали в зоне термического влия­ния, устраняют последующей полной термической обработкой сварного соединения. При температуре окружающего воздуха ниже 0°С температуру подогрева дополнительно повышают на 50°С. Сварка при температуре воздуха ниже минус 15°С без при­менения специальных мероприятий недопустима.Как уже отмечалось ранее, при сварке конструкций из леги­рованных сталей с использованием электродов, обеспечивающих устойчивую аустенитную структуру металла шва, предваритель­ный подогрев металла не требуется.Сварка. Непосредственно перед сваркой необходимо убе­диться в отсутствии на поверхности свариваемых кромок и, глав­ное, в зазоре между ними каких-либо загрязнений и влаги. В противном случае очистку мест наложения швов повторяют, а находящуюся на кромках и в зазоре влагу удаляют с помощью газовых горелок.При производстве работ с полной термической обработкой сварку выполняют на повышенных по току режимах, при этом температура разогретого дугой металла не должна опускаться ниже температуры предварительного подогрева. Такая темпера­тура должна поддерживаться в течение всего процесса сварки. Последнее обеспечивается либо принудительным сопутствую­щим подогревом, либо, что более рационально, выполнением сварки каскадным способом, а при наличии протяженных швов — секциями длиной 500-600 мм. Причем сварку каждой секции следует также вести каскадом без перерывов до ее пол­ного заполнения.

Термическую обработку выполненных сварных соединений проводят непосредственно после окончания сварки. В ряде случа­ев не допускается охлаждение металла до начала проведения тер­мической обработки до температуры ниже 150~250°С. При невоз­можности осуществления немедленной полной термической обра­ботки производят непосредственно после сварки так называемый промежуточный отпуск сварных соединений при температуре на 20~50°С ниже температуры отпуска стали при ее полной термооб­работке. Такой же промежуточный отпуск, снижающий остаточ­ные напряжения, улучшающий структуру стали и уменьшающий содержание водорода в металле шва, проводят специально при сварке узлов с большим количеством швов. Отпуску подвергают по мере выполнения один или группу швов, после чего произво­дят полную термическую обработку всего сваренного узла.Термообработку сварных соединений обычно осуществляют по режимам, установленным для свариваемой легированной ста­ли. Во всех случаях, когда химический состав металла шва отли­чается от основного металла, необходимо проверять соответствие этих режимов конкретным сварным соединениям. Может возник­нуть необходимость в некоторой их корректировке.Сварку конструкций из легированных сталей с использова­нием специальных электродов, обеспечивающих получение тре­буемого металла шва с аустенитной структурой, выполняют без последующей термической обработки. Ее проводят на малых по­гонных энергиях с соблюдением всех положений, установленных для ручной дуговой сварки высоколегированных хромоникеле- вых сталей (см. гл. 17

96 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ

Состав и свойства сталей

Теплоустойчивые стали вследствие специфических свойств выделяют в отдельную группу конструкционных материалов. Они представляют собой низколегированные и легированные стали, способные длительное время работать под напряжением при температурах до 550-600°С.

В соответствии с условиями работы теплоустойчивые стали обладают должным сопротивлением ползучести, длительной прочностью, стойкостью против химического разрушения поверх­ности, стабильностью свойств при повышенных температурах и во времени. Такие характеристики достигаются легированием сталей хромом и молибденом, которые, находясь в большей час­ти в растворенном в феррите состоянии, вызывают его упрочне­ние и затрудняют процессы диффузии и самодиффузии в нагре­том металле. Образующиеся в ходе упрочняющей термической обработки стали, при легировании ее молибденом и особенно до­полнительным легированием ванадием, мелкодисперсные карби­ды этих элементов отличаются повышенной устойчивостью про­тив коагуляции при нагревании. Для большинства применяемых в сварных конструкциях теплоустойчивых сталей термическая обработка состоит из закалки или нормализации с последующим высоким отпуском. В табл. 50 приведены химический состав и механические свойства некоторых марок теплоустойчивых сталей по ГОСТ 20072-74 «Сталь теплоустойчивая. Технические усло­вия». Стали широко применяют при изготовлении энергетичес­кого и нефтехимического оборудования.

Особенности сварки сталей

Теплоустойчивые стали принципиально пригодны для руч­ной дуговой сварки при условии применения специальных тех­нологических мер, связанных со склонностью сталей к образова­нию холодных трещин.

Химический состав и принятый для получения необходимых служебных характеристик принцип упрочнения делают теплоус­тойчивые стали весьма чувствительными к образованию малопластичных закалочных структур при сварке и, как следствие, к образованию холодных трещин. Это косвенно подтверждают вы­сокие значения эквивалентного углерода (0, 5-1, 1%) и параметра трещинообразования (0, 35-0, 45), рассчитанного при условии со­держания диффузионного водорода в металле шва на низком уровне — не более 2 мл/100 г. Как отмечалось в гл. 11, их пре­дельные значения составляют соответственно 0, 45 и 0, 3%. Предот­вратить появление трещин в зоне термического влияния при низ­ком содержании водорода в металле шва и при действии растяги­вающих, в том числе сварочных, напряжений представляется воз­можным только путем регулирования термического цикла сварки и получения цикла со сниженной до необходимого уровня скоро­стью охлаждения металла. Это может быть достигнуто принуди­тельным подогревом стали в месте сварки (предварительным и со­путствующим) и/или за счет повышения эффективной погонной энергии главным образом путем увеличения силы тока.

При сварке теплоустойчивых сталей предпочтение отдают предварительному подогреву металла и ведению процесса сварки на умеренных или малых по сварочному току режимах. Это обус­ловлено тем, что подогрев одновременно позволяет снизить воз­никающие при сварке напряжения вследствие уменьшения разни­цы температур металла в зоне сварки и на периферии. Подогрев в заметно меньшей степени по сравнению со сваркой на форсиро­ванных по току режимах способен вызвать разупрочнение стали в зоне термического влияния на участках неполной перекристалли­зации и отпуска (см. рис. 19) из-за сокращенного времени пребы­вания металла в области опасных температур. Появление такой разупрочненной прослойки с более низкой, чем у основного ме­талла твердостью приводит к снижению длительной прочности сварных соединений. Это явление более характерно для сварки конструкций из хромомолибденованадиевых сталей. Кроме того, сварка с подогревом на умеренных и малых режимах не приводит к потере вязкости стали вследствие роста зерна на участке пере­грева зоны термического влияния.

Следует заметить, что ухудшение механических свойств ста­ли в зоне термического влияния, связанное с разупрочнением и снижением вязкости, может наблюдаться не только при сварке на завышенных погонных энергиях, но также и при сварке с излиш­не высокими температурами подогрева. Поэтому верхние пре­дельные температуры принудительного нагрева сталей ограничи­вают. При положительной температуре воздуха она не должна превышать в зависимости от марки стали перлитного класса и толщины свариваемого элемента 200™350°С (для стали мартен- ситного класса — 350~400°С).

Понятно, что сварку конструкции из теплоустойчивых ста­лей необходимо проводить электродами, гарантирующими после надлежащей термообработки получение металла шва с возможно меньшим содержанием диффузионного водорода — реально не более 5 мл/100 г.

С целью улучшения эксплуатационных характеристик свар­ных соединений непосредственно после сварки следует прово­дить высокий отпуск, который стабилизирует структуру зоны термического влияния основного металла и металла шва, снима­ет остаточные сварочные напряжения и удаляет большую часть растворенного в металле шва водорода. При этом температура от­пуска не должна опускаться ниже определенного заданного зна­чения. Так, температура отпуска сварных соединений из хромо- молибденованадиевых сталей должна быть не ниже 700°С. В про­тивном случае имеет место выделение из твердого раствора мел­кодисперсных карбидов ванадия, приводящее к охрупчиваншо стали в околошовном участке и к возможному локальному разру­шению сварных конструкций при их эксплуатации.

98 Рекомендуемая технология сварки сталей

Технологический процесс ручной дуговой сварки теплоус­тойчивых сталей в основных положениях подобен сварке низко­легированных высокопрочных сталей (см. гл. 14) и должен со­держать комплекс мероприятий, направленных на предупрежде­ние образования холодных трещин в зоне термического влияния сварных соединений и на улучшение их структурного состояния.

Выбор, хранение и подготовка электродов к сварке. Выбран­ные в соответствии с указаниями нормативной или проектно-гех- нологической документации электроды должны не только обладать требуемым уровнем сварочно-технологических свойств в нужных положениях сварки, но и гарантировать получение металла шва с необходимыми характеристиками теплоустойчивости, а также спо­собствовать формированию сварного соединения с высокой стойко­стью против образования холодных трещин. В табл. 51 приведены широко применяемые в промышленности марки специальных элек­тродов с основным покрытием, предназначенных для сварки тепло­устойчивых сталей во всех пространственных положениях шва по­стоянным током обратной полярности (см. также гл. 7).

Повышенное внимание следует уделять прокалке электродов перед сваркой и их правильному последующему содержанию, ис­ключающему возможность обратного насыщения сухого электрод­ного покрытия атмосферной влагой. В общем случае электроды следует прокаливать при температуре 400~420°С в течение 2-2, 5 ч. Прошедшие термообработку электроды перед их поступлением на рабочее место надлежит хранить в печах, где они проходили про­калку, или в сушильных шкафах при температуре 100-150°С. Вре­мя хранения не ограничено. На рабочем месте электроды содержат либо в течение смены в специализированных термопеналах при температуре 70-100°С, либо в пеналах-термосах в течение 2-4 ч, в зависимости от температуры и влажности окружающего воздуха. Допускается хранение электродов в закрытой таре в течение 2 ч при производстве работ в отапливаемом помещении.

Подогрев металла. Необходимость проведения принудитель­ного нагрева элементов конструкций перед сваркой (а возможно и в процессе сварки), а также его температуру указывают в нро- екгно-технологической документации в зависимости от марки стали и толщины свариваемого металла с учетом температуры в помещении или на открытой площадке на месте производства работ. Примерные температуры подогрева металла при сварке некоторых марок теплоустойчивых сталей при положительной температуре окружающего воздуха приведены в табл. 52. При температуре воздуха ниже 0°С температура подогрева соответст­венно повышается на 30~50°С. Сварка конструкций при темпера­туре ниже минус 15°С без применения специальных мер, напри­мер оборудования тепляков, не производится.

Сварка. Теплоустойчивые стали необходимо сваривать элект­родами диаметром 2, 5-4, 0 мм (в зависимости от толщины свари­ваемого элемента и расположения слоя сварного шва) на умерен­ных, лучше малых, значениях погонной энергии, установленных с учетом приоритета предварительного подогрева. При сварке ме­талла большой толщины рекомендуют применять каскадный спо­соб наложения швов, при сварке протяженных швов — способ сварки секциями длиной 500~800 мм, что помогает сохранить ус­тановленную температуру предварительного подогрева. Следует отметить, что во избежание перегрева стали температура металла между отдельными проходами не должна подниматься более чем на 100°С выше максимально допустимой температуры подогрева.Термическая обработка сварных соединений. Необходи­мость, вид и режимы термической обработки сварных соедине­ний устанавливают в соответствии с проектно-технологической документацией. Как правило, сварные соединения, особенно по­лученные на стали толщиной свыше 10 мм, непосредственно по­сле окончания сварки подвергают высокому отпуску при темпе­ратурах от 700 до 760°С. Температура металла перед началом термической обработки должна быть не ниже 50°С. В некоторых случаях, например при сварке стыковых соединений труб из ста­лей марок 12Х1Ф и 15Х1М1Ф с толщиной стенки более 45 мм, послесварочная температура металла в месте стыка перед термо­обработкой не должна опускаться ниже 300°С.

При отсутствии возможности проведения немедленного от­пуска сварные соединения сразу после окончания сварки подвер­гаются термическому отдыху при температуре 150~200°С в тече­ние 10-12 ч, в процессе которого удаляется диффузионный водо­род и происходит некоторое уменьшение остаточных напряже­ний. Это позволяет в значительной степени снизить риск появле­ния холодных трещин и не ограничивать временной промежуток между окончанием сварки и началом термической обработки, в течение которого могут выполняться работы по контролю и ис­правлению дефектов сварных соединений.

При проведении термической обработки сварных соединений необходимо обращать внимание на недопустимость занижения температурных режимов. Недостаточный отпуск сварных соеди­нений из хромомолибденованадиевых сталей способен вызвать охрупчивание металла шва и зоны термического влияния вслед­ствие дисперсионного твердения, обусловленного выпадением карбидов ванадия. Также следует помнить, что отпуск не дает полного выравнивания структуры и не устраняет разупрочнен- ную мягкую прослойку в зоне термического влияния в случае ее появления при сварке на высоких по току режимах. Эта прослой­ка снижает длительную прочность сварных соединений.

99 Рекомендуемая технология сварки сталей

Ручную дуговую сварку конструкций из низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей необходимо производить в полном соответствии с изложенными в гл. 10 основными положениями технологии с учетом рассмотренных выше особенностей поведе­ния сталей при сварке. Несмотря на то, что различные плавки одной и той же марки стали по содержанию углерода могут зна­чительно отличаться (например, для стали марки Ст4пс от 0, 18 до 0, 27%) и различным образом реагировать на термический цикл сварки и другие проходящие при сварке процессы, техноло­гию сварки углеродистых сталей надлежит разрабатывать исходя из наиболее высокого для данной марки стали содержания углерода.

Технология сварки среднеуглеродистых сталей. Технология ручной дуговой сварки конструкции из среднеуглеродистых ста­лей должна включать способы и приемы, направленные, как ми­нимум, на снижение склонности металла шва к образованию го­рячих трещин и склонности металла зоны термического влияния к образованию холодных трещин, вызванных высоким содержа­нием углерода в стали.

С целью предупреждения образования горячих трещин необ­ходимо прежде всего уменьшить содержание углерода в металле шва. Это может быть достигнуто снижением доли основного ме­талла в металле шва, поскольку содержание углерода в самом на­плавленном электродном металле не превышает 0, 10-0, 12%. Для предупреждения появления холодных трещин в первую очередь следует уменьшить склонность стали к образованию малоплас­тичных закалочных структур снижением до требуемого уровня скорости охлаждения металла при сварке. Термический цикл сварки с рациональной скоростью охлаждения может быть полу­чен за счет подогрева металла до заданной температуры (сниже­ние скорости охлаждения металла за счет повышения эффектив­ной погонной энергии применительно к сварке среднеуглеродис- тых сталей неприемлемо по причинам, которые изложены ниже). Также для уменьшения склонности стали к образованию холод­ных трещин необходимо обеспечить в металле шва низкое содер­жание водорода. Этому способствует правильный выбор электро­да, его высокотемпературная прокалка перед сваркой и грамотная подготовка стали к сварке.

При выборе электрода необходимо учитывать решение задач: уменьшение концентрации углерода (возможно серы и фосфора) в металле шва, получение металла шва с низким содержанием водорода, обеспечение требуемых механических свойств сварного соединения. Это в известной мере обеспечивают электроды с ос­новным покрытием типа Э42А, Э46А и Э50А, в частности элект­роды соответственно марок УОНИ-13/45, УОНИ-13/55К и УОНИ-13/55. Перед сваркой электроды должны пройти прокал­ку при температуре 400-420°С в течение 2-2, 5 ч. После прокал­ки электроды можно хранить только в прокалочных печах или сушильных шкафах при температуре 100-150°С. Срок хранения не ограничен. На рабочем месте электроды должны храниться или в закрытой таре (не более 2 ч), или в пенале-термосе (не бо­лее 4 ч), или термопенале (в течение смены).

Если невозможно выполнить операции, связанные с подогре­вом металла и термической обработкой сварных соединений, до­пускается в порядке исключения применение электродов, обеспе­чивающих получение металла шва с аустенитной структурой: марок ЭА-395/9, НИАТ-5, ЦТ-10 (см. гл. 7 и 18).

При сварке среднеуглеродистых сталей всех толщин наибо­лее рациональным соединением является стыковое с V- и Х-об- разными разделками, имеющими большие углы скоса кромок (30-35°) и зазор между кромками не менее 1-3 мм в зависимос­ти от толщины металла. Широкая разделка кромок позволяет уменьшить долю основного металла в металле шва (рис. 83, а) и тем самым самым снизить количество находящегося в нем углерода, а в ряде случаев — серы и фосфора.

Разделку кромок под сварку следует производить механичес­кой обработкой. Кислородную, плазменную и дуговую резку можно применять только в качестве предварительной операции с последующим удалением слоя металла толщиной не менее 1-2 мм механическим способом. В необходимых случаях, напри­мер при резке Металла большого сечения, для предотвращения возможности образования трещин операцию следует проводить с предварительным и сопутствующим подогревами до температуры 120—150°С.

Приварку временных приспособлений, если проведение та­кой операции предусмотрено и разрешено проектно-технологиче- ской докуменгаций, выполняют по технологии, разработанной для сварки штатных соединений (с учетом материала приспособ­ления), с последующим обязательным контролем качества свар­ных соединений. Удалять приспособления необходимо только механическим способом.

Конструкции под сварку собирают с помощью сборочных ус­тройств и приспособлений. Фиксировать подогнанные кромки свариваемых элементов постановкой прихваток не рекомендуют (допускается только в случае необходимости). Прихваточные швы длиной не менее 100 мм и толщиной 5-8 мм с расстоянием между ними не более 400 мм должны выполняться с подогревом по технологии, принятой для сварки штатных швов, с обязатель­ной заваркой кратеров и последующим тщательным внешним осмотром. Прихватки и прилегающие к ним участки основного металла не должны иметь трещин, а сами прихваточные швы — еще и пор.

Прихватки рекомендуют выполнять электродами марки УОНИ-13/45, так как получаемый с их участием наплавленный металл при приемлемой прочности обладает наиболее высокими пластическими свойствами и вязкостью. Перед наложением ос­новного шва поверхность прихваточных швов следует хорошо очистить. Собранные под сварку конструкции в местах сварки должны быть чистыми и не содержать масла, влаги, ржавчины и других загрязнений.

При сварке среднеуглеродистых сталей режимы и техника сварки, а также выполнение сварных швов имеют исключитель­но важное значение. Лишь при правильно выбранных парамет­рах режимов сварки, связанных, главным образом, с эффектив­ной погонной энергией и температурой свариваемой стали, а также при соответствующей технике ведения процесса, при ко­торой обеспечивается незначительное расплавление основного металла и выполнение всех основных положений технологии ручной дуговой сварки, представляется возможным получение качественных сварных соединений, лишенных горячих и холод­ных трещин.

Сварку всех типов соединений следует выполнять электро­дами диаметром не более 4, 0 мм в зависимости от толщины ос­новного металла, при этом сила сварочного тока для уменьше­ния глубины проплавления должна быть на 15-20% меньше си­лы тока, применяемой обычно для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Сваривать необходимо таким обра­зом, чтобы расплавление стали проходило в минимально воз-

Высоколегированные хромоникелевые стали представляют со­бой железоуглеродистые сплавы, содержащие в качестве главных легирующих элементов хром 10-27% и никель 4-26%. В сталях присутствуют также молибден, титан, ванадий, ниобий, кремний и другие присадки. Соответствующее сочетание легирующих элемен­тов придает хромоникелевым сталям специальные, часто присущие только им, служебные свойства. Оборудование, изготовленное из коррозионностойкой, жаростойкой и жаропрочной стали марки 12Х18Н9Т способно работать под давлением при температуре от минус 196 до плюс 600°С, а при наличии агрессивных сред — до температуры 350°С; жаростойкую и жаропрочную сталь марки 20Х23Н18 применяют в установках, работающих в окислительных газовых средах при температуре до 1000°С; из жаропрочной стали марки 37Х12Н8Г8МФБ изготавливают силовые детали, длительно работающие при температуре до 650°С; сварные конструкции и де­тали, изготовленные из коррозионностойкой стали марки 10Х17Н13М2Т, могут длительно работать в средах повышенной агрессивности при температуре до 600°С, а также в условиях дей­ствия кипящей фосфорной, серной и 10%-й уксусной кислот.

Абсолютное большинство хромоникелевых сталей можно от­нести к аустенитному классу (марки 12Х18Н9Т, 20Х23Н18, 37Х12Н8Г8МФБ и др.), аустенитно-ферритному (марки 15Х18Н12С4ТЮ, 20Х23Н13 и др.) и аустенитно-мартенситному (марки 09Х15Н8Ю, 07Х16Н, 09Х17Н7Ю).

Хромоникелевые стали в целом обладают более высокими тех­нологическими характеристиками по сравнению с высокохромисты­ми сталями. Их отличают заметно лучшая свариваемость при сварке плавлением, поэтому многие из них широко применяются в конст­рукциях, изготавливаемых с использованием ручной дуговой сварки.

Особенности сварки хромоникелевых сталей обусловлены их физичеркими свойствами (низкой теплопровод­ностью и высоким коэффициентом линейного расширения), спе­цифическим химическим составом и структурно-фазовым состоя­нием, изменяющимся под воздействием проходящих при сварке термических процессов. Хромоникелевые стали склонны к обра­зованию горячих трещин в сварных соединениях и к ухудшению стойкости против межкристаллитной коррозии и других свойств.

Горячие трещины возникают, в основном, при сварке сталей аустенитного класса. Они могут появляться в металле шва и зо­не термического влияния. Повышенная по сравнению с конст­рукционными низколегированными сталями склонность к обра­зованию горячих трещин в металле шва обязана совместному действию трех факторов: возникновению значительных растяги­вающих напряжений, вызванных низкой теплопроводностью ста­ли и увеличенной литейной усадкой затвердевающего металла; получением в металле шва однофазной крупнокристаллической столбчатой стурктуры с протяженными и непрерывными меж- кристаллитными (межзеренными) границами, обогащенными со­держащимися в сталях примесями; загрязнением межзеренных границ элементами, способными образовывать легкоплавкие эв­тектики. Такими элементами являются фосфор и сера. Послед­няя образует в присутствии никеля эвтектику с температурой плавления всего 644°С (температура плавления стали примерно 1440°С), что резко увеличивает температурный интервал хрупко­сти металла (см. гл. 11). Под влиянием растягивающих напряже­ний в легкоплавких прослойках между зернами возникают над­рывы, переходящие в трещину, способную «расколоть» все сече­ние шва, проходя по непрерывной межзеренной границе.

Появление горячих трещин в зоне термического влияния связано с частичным оплавлением в примыкающих к шву участ­ках основного металла легкоплавких прослоек эвтектического происхождения, расположенных по границам зерен. Таким горя­чим трещинам особенно подвержены стали с повышенным содер­жанием серы и фосфора, а в некоторых случаях также кремния, ниобия и марганца в сочетании с медью.

Основные способы уменьшения склонности сварных соедине­ний, получаемых при ручной дуговой сварке аустенитных сталей, к горячим трещинам связаны с максимально возможным сниже­нием в стали и в металле шва концентраций серы и фосфора и с устранением в шве крупнозернистой столбчатой структуры.

Обладая высокой коррозионной стойкостью, хромоникелевые аустенитные стали могут быть подвергнуты при нахождении в кор­розионной среде опасному виду разрушения — межкристаллитпой коррозии (МКК), связанной со структурными изменениями, прохо­дящими в сталях при нагреве до некоторых критических темпера­тур. МКК может развиваться на трех участках соединения: на уча­стке зоны термического влияния, нагреваемом при сварке до темпе­ратур 500-900°С, в сварном шве, на узком участке околошовной области, нагреваемом до температур свыше 1200-1300°С (ножевая коррозия). Коррозионное разрушение границ зерен (кристаллов) обусловлено их электрохимической неоднородностью, возникаю­щей вследствие выделения из пересыщенного раствора аустенита при нагреве до критических температур избыточных фаз. Такими фазами при содержании в аустените более 0, 02-0, 03% углерода яв­ляются карбиды находящихся в стали элементов — хрома, ниобия, титана и др. Наиболее опасным представляется выделение карби­дов (с возможным выделением и других фаз) по границам зерен в виде протяженных цепочек. В этом случае разрушение металла фактически проходит по всему периметру зерна.

Нагрев стали при сварке до температуры 500~900°С приво­дит к преимущественному выделению по границам зерен карби­дов на базе хрома. Это, а также обеднение в этом случае хромом приграничных областей зерна резко повышает при последующей работе сварного соединения в агрессивной среде скорость МКК. Для борьбы с этим явлением в аустенитные стали вводят элемен- ты-стабилизаторы, которые предотвращают выделение карбидов хрома при нахождении стали в области критических температур. Такими элементами являются титан или ниобий. Поскольку по­добное выделение карбидов хрома может иметь место и в металле шва, например, в случае его повторного нагрева при двусторонней сварке, при возобновлении сварки после смены электрода и т.п., сварочную ванну тоже дополнительно легируют титаном или нио­бием. Из других металлургических мер, направленных на сниже­ние МКК, связанных с выделением карбидов хрома, можно отме­тить снижение концентрации содержащегося в стали углерода до пределов его растворимости в аустените (до 0, 02-0, 03%), что, од­нако, представляет большие технологические трудности, а также получение металла шва сварного соединения с двухфазной мелко­зернистой структурой. Увеличение в последнем случае удельной поверхности зерен изменяет характер расположения карбидных выделений, делая их более дисперсными и, как следствие, менее вредными.

Необходимо отметить» что развитие МКК на другом участке сварного соединения — околошовной зоне, нагреваемой при свар­ке до температур свыше 1200-1300°С, в основном наблюдается при сварке аустенитных сталей, содержащих элементы-стабили­заторы — титан или ниобий. При длительном нагреве сталей в области указанных температур происходит выделение карбидов этих элементов, при этом выпавшие карбиды формируются в ви­де цепочек, располагающихся по границам зерен. Во многих слу­чаях, например, в окислительных средах, сварные соединения, выполненные при сварке аустенитных сталей, стабилизирован­ных титаном и ниобием, оказываются менее стойкими к ножевой коррозии, чем стали с низким содержанием углерода. Кстати, при длительном нагреве хромоникелевых сталей в процессе сварки может развиваться 475-градусная хрупкость и также возможно выделение при температурах 650~850°С хрупкой интерметалли­ческой ст-фазы.

101 рекомендуемая технология сварки хромоникелевых сталей

Выбор, хранение и подготовка электродов к сварке. При сварке высоколегированных хромоникелевых ста­лей операция выбора электрода приобретает особенно актуальное значение. Главными критериями при выборе рациональных элек­тродов являются обеспечение требуемого комплекса сварочно- технологических свойств, в том числе стойкости шва против об­разования горячих трещин, а также получение сварных соедине­ний со служебными характеристиками (механическими свойствами, коррозионном стойкостью, жаростойкостью или жаропрочнос­тью) на уровне характеристик свариваемого металла.Электроды, предназначенные для сварки сталей аустенитного класса, должны обеспечивать получение металла шва со структу­рой, лишенной крупнозернистых столбчатых образований. К то­му же содержание серы и фосфора в наплавленном металле должно быть резко ограничено. Формирование благоприятной структуры металла шва, снижающей склонность к образованию горячих трещин, достигается подбором такого химического соста­ва наплавленного металла, при котором в процессе кристаллиза­ции сварочной ванны образуется вторая (кроме чистого аустеии- та) фаза, препятствующая росту крупных столбчатых кристаллов. Такими фазами могут быть феррит в количестве 2-10% (в зави­симости от марки электрода) и, при наличии в расплаве молиб­дена — железо-молибденовые эвтектические включения. Кстати, уменьшение размеров зерен в металле шва способствует повыше­нию его стойкости против МКК. В целом же вопрос, касающий­ся МКК шва, решается за счет максимально возможного сниже­ния в наплавленном металле содержания углерода и введения в него элементов-стабилизаторов, препятствующих выделению кар­бидов хрома — титана или ниобия.В табл. 55 приведены некоторые марки электродов, рекоменду­емых для сварки хромоникелевых сталей различного назначения.С целью удаления влаги и придания требуемых сварочно- технологических свойств электроды перед сваркой необходимо прокаливать при температуре 200~250°С в течение 1-1, 5 чОсновным возбудителем пор при сварке сталей этой группы является азот, который вно­сится в расплавленный металл из окружающего воздуха.Обязательная к использованию марка электрода и условия его хранения и подготовки применительно к заданной конструк­ции из конкретной марки стали должны указываться в соответст­вующей технологической документации.Подготовка металла и конструкций к сборке и сварке. Сборка конструкций для сварки. Формаи конструктивные элементы кромок свариваемых конструкций устанавливают в соответствии с положениями ГОСТ 5264-80 и ГОСТ 16037-80. В сварных конструкциях из коррозионностой- ких сталей из-за появления очагов щелевой коррозии не допуска­ются стыковые односторонние замковые соединения и соедине­ния на остающейся подкладке в случае контакта обратной сторо­ны шва с агрессивной средой.Разделку кромок под сварку можно производить плазменной резкой, но лучше механической обработкой. После плазменной резки необходимо последующее удаление слоя металла толщиной не менее 1 мм режущим инструментом.Подготовленные к сварке кромки и прилегающие к ним уча­стки металла шириной не менее 20 мм должны быть очищены, например с помощью металлической проволочной щетки из не­ржавеющей стали, от разных загрязнений. Также должны быть очищены места приварки временных технологических приспособ­лений и их сопрягаемые поверхности. Возможность и технология приварки приспособлении, изготавливаемых из той же марки ста­ли, что и свариваемые изделия, или из стали типа 08Х18Н10Т, должны быть оговорены в проектно-технологической документа­ции. (После завершения сварочных работ временные приспособ­ления удаляют механическим способом. Допускается удаление плазменной резкой с последующей механической зачисткой ос­тавшихся частей приспособлений и мест их приварки).Очищенные под сварку кромки элементов ответственных из­делий необходимо проконтролировать внешним осмотром и цвет­ной дефектоскопией или травлением.Сборку конструкций под сварку производят на общих осно­ваниях. Конкретный способ и порядок сборки должны быть ука­заны в соответствующих технологических проектах. При сборке и последующей сварке корозионностойких сталей надлежит при­нимать меры, направленные на защиту поверхности свариваемой стали от брызг расплавленного металла. Ширина защищаемой зо­ны должна быть не менее 100 мм в каждую сторону от границы подготовленных под сварку кромок. В местах приварки брызг возможно образование очагов коррозии. По этой же причине до­полнительно обращается внимание на запрет возбуждения дуги на основном металле.Подогрев металла. Необходимость и температуру пред­варительного подогрева элементов свариваемой конструкцииустанавливает нормативная документация. В общем случае свар­ку конструкций из хромоникелевых сталей выполняют без подо­грева при температуре окружающего воздуха в рабочей зоне не ни­же минус 5-10°С. При более низкой температуре воздуха следует осуществлять подогрев металла так, чтобы его минимальная тем­пература не опускалась ниже 0°С.Сварка. Сварку конструкций из высоколегированных хро­моникелевых сталей необходимо выполнять электродами диамет­ром не более 4, 0 мм на малой эффективной погонной энергии ни­точными валиками. При этом каждый следующий проход следует осуществлять после охлаждения металла ранее выполненной части шва до температуры ниже 150~200°С (если нормативной докумен­тацией на сварку конкретной марки стали не установлены другие требования). Отмеченные особенности сварки призваны снизить сварочные напряжения и деформации, а также не допустить пере­грева металла шва и особенно зоны термического влияния. Пере­грев стали способствует выделению карбидов, в том числе карби­дов титана и ниобия в околошовном участке, выпадению ст-фазы и склонности к образованию 475-градусной хрупкости. Кроме то­го, перегрев металла благоприятствует оплавлению границ зерен в примыкающих ко шву участках металла, вызывая образование го­рячих трещин.Сварку выполняют короткой дугой. Это, а также ведение процесса ниточными валиками практически без поперечных ко­лебаний электрода, позволяет улучшить защиту расплавленного металла от азота воздуха и уменьшить выгорание легирующих элементов.После сварки во избежание усиленной коррозии остатки шлаковой корки на поверхности сварных швов должны быть тщательно удалены.Термическая обработка. Необходимость и вид термической обработки сварных соединений указывают в проектно-техноло- гической документации. В большинстве случаев термическую об­работку соединений, получаемых при ручной дуговой сварке вы­соколегированных хромоникелевых сталей, стараются не прово­дить. Это связано с тем, что подвергать высокотемпературному (до 900-1100°С) нагреву всю сварную конструкцию часто бывает сложно или практически невозможно, а проводить местную тер- мическую обработку конструкции нецелесообразно, поскольку это вызывает нагрев прилегающего металла до более низких, по­рой критических температур, при которых интенсивно проходят негативные для свойств процессы, аналогичные проходящим при сварке в зоне термического влияния (выпадение карбидов, появ­ление ст-фазы и пр.). При нагреве толстостенных крупногабарит­ных изделий сложной формы с переменным сечением возникает опасность развития чрезмерных деформаций и возникновения трещин.При крайней необходимости термообработку сварных соеди­нений проводят. Например, термической обработке (аустениза- ции при температуре 970~1020°С) подвергают сварные соедине­ния, полученные при ручной дуговой сварке аустенитиой стали типа 12Х18Н9Т толщиной свыше 10 мм, предназначенные для работы при повышенных температурах (450°С).

102 СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ

Особенности сварки разнородных сталей

Некоторые сварные конструкции с целью экономии дорого­стоящих материалов, а в ряде случаев и йо техническим причи­нам изготавливают из разнородных по легированию и структуре сталей. Так, часть конструкции, работающая в обычной неагрес­сивной среде и при нормальной температуре, может быть изготов­лена из низкоуглеродистой или низколегированной стали, а ос­новная часть, работающая в нагруженном состоянии в условиях интенсивной химической коррозии — из жаропрочной коррозион- ностойкой высоколегированной стали. Качественное соединение с помощью ручной дуговой сварки таких частей конструкции, изго­товленных из сталей с резко отличающимися химическими, физи­ческими и металлургическими свойствами, представляет непро­стую, требующую применения специальных технологических мер задачу.

Главная трудность сварки разнородных сталей связана с об­разованием в сварных соединениях участков, значительно отли­чающихся по химическому и структурному составам и механиче­ским характеристикам, в результате чего возможно возникнове­ние трещин при сварке, ухудшение служебных свойств соедине­ний и преждевременное разрушение сварных конструкций. Акти­визации подобных негативных явлений может способствовать по­явление в сварных соединениях существенных сварочных напря­жений, вызванных разницей в коэффициентах линейного расши­рения свариваемых сталей (см. табл. 1). Напряженное состояние соединений может сохраняться и после их термической обработ­ки. Более того, оно может даже ухудшаться, в связи с чем многие сварные соединения разнородных сталей по этой и некоторым другим причинам термической обработке не подвергают.

На рис. 85 показана схема соединения, полученного при свар­ке хромоникелевой стали с низкоуглеродистой. На схеме показана картина химической неоднородности металла шва по его сечению. Из-за разного участия основного металла в формировании свар­ного шва содержание одного из основных легирующих элемен­тов — никеля по сечению шва неодинаково и по мере заполнения разделки увеличивается. Наименьшее содержание никеля наблю-

дается в корневом слое шва, где доля участия основного металла может достигать 70-75%. Чрезмерно низкое содержание никеля способно провоцировать из-за возможности появления малоплас­тичных мартенситных структур образование трещин в корне шва, что надлежит учитывать при сварке сталей подобного сочетания. Следует отметить, что в пределах одного слоя шва химический состав металла достаточно однороден.

При выборе электродов и установлении режимов сварки осо­бое внимание должно быть уделено зоне сплавления сварного со­единения (при сварке разнородных сталей к зоне сплавления ус­ловно относят также непосредственно примыкающие к ней узкие участки металла шва и зоны термического влияния). Зона сплав­ления может стать наиболее вероятным местом хрупкого разру­шения и коррозионного растрескивания сварных соединений.

При однородности химического состава в пределах одного слоя в зоне сплавления со стороны шва выявляется узкая, шири­ной 0, 25-0, 5 мм (для ручной дуговой сварки) кристаллизацион­ная прослойка, характеризующаяся изменением концентрации вхо­дящих в нее элементов от состава основного металла до состава металла шва. Образование таких прослоек обусловлено специфи­ческими особенностями кристаллизации металла шва, при кото­рой кристаллы начинают расти от поверхности частично оплав­ленных зерен основного металла, химический состав которого может кардинальным образом отличаться от состава сварочной ванны. В общем случае структура и свойства прослоек зависят от сочетания составов основного металла и металла шва. Например, в зоне сплавления сварных соединений из низколегированныхсталей с высоколегированными хромоникелевыми сталями, вы­полненных «аустенитными» электродами, при кристаллизации металла шва со стороны низколегированных сталей могут по­явиться прослойки, содержащие никель и хром в количествах, достаточных для образования хрупкого мартенсита (никель 5-7%, хром 2-10%). Ширина таких мартенситных прослоек зави­сит от так называемого запаса аустенитности, определяемого ко­личеством никеля (см. диаграмму Шеффлера на рис. 84). С по­вышением содержания никеля в шве и, как следствие, увеличе­нием запаса его аустенитности ширина прослоек заметно снижа­ется, а при его количестве свыше 35% прослойки практически исчезают (рис. 86). При сварке подогретого металла протяжен­ность прослоек повышается.

Зоне сплавления разнородных сталей во многих случаях при­суща еще одна неоднородность — химическая, заключающаяся в появлении со стороны менее легированной стали сварного соедине­ниях обезуглероженной прослойки, а со стороны более легирован­ной — науглероженной. Эти прослойки образуются вследствие диффузионной миграции углерода из первой прослойки во вторую. Такое преобразование структурного состояния в зоне сплавления приводит к скачкообразному изменению свойств на участке очень малой протяженности, что ухудшает общие служебные характерис­тики сварного соединения. Наибольшее развитие такие диффузион­ные прослойки получают в сварных соединениях из углеродистых сталей с высоколегированными (содержащими повышенное коли­чество хрома и других энергичных карбидообразователей) при их термической обработке или во время эксплуатации при температу­рах свыше 350°С. В процессе сварки и непосредственно после нее подобные прослойки не об­разуются. Следует отме­тить, что присутствие нике­ля в высоколегированном металле уменьшает ширину диффузионных прослоек, что можно объяснить тем, что никель, являясь графи- тизатором, снижает устой­чивость карбидов и тем са­мым способствует повыше­нию содержания раство­ренного в стали углерода.

В целом изложенный материал позволяет сделать вывод о том, что одним из основных положений технологии ручной ду­говой сварки большинства сложных сочетаний разнородных ста­лей является применение электродов, обеспечивающих получе­ние наплавленного металла аустенитного класса с повышенным и высоким содержанием никеля. Преимущество никелесодержа­щего металла состоит также в близости его коэффициента ли­нейного расширения с коэффициентами углеродистых, низколе­гированных и легированных сталей (см. табл. 1).

103.Сварка разнородных перлитных сталей. К сталям перлитного класса относят конструкционные углеродистые, низколегирован­ные, легированные и теплоустойчивые стали (некоторые марки ле­гированных и теплоустойчивых сталей относят к мартенситному классу). При сварке разнородных сталей перлитного класса разного легирования следует использовать электроды, применяемые для сварки менее легированной стали (табл. 56). Вместе с тем режимы сварки, включая подогрев металла перед сваркой, надлежит назна­чать близкими к требуемым для сварки более легированной стали. При сварке углеродистых и низколегированных сталей с теплоус-тойчивыми сталями сварные соединения надлежит подвергать тер­мической обработке но режимам, установленным для теплоустой­чивой стали.

Таблица 56. Электроды, рекомендуемые для сварки разнородных

сталей перлитного класса разного легирования

104.Сварка перлитных сталей с аустенитными сталями. В соеди­нениях данного сочетания сталей разных структурных классов участвуют, с одной стороны, углеродистые, низколегированные, ле­гированные и теплоустойчивые стали, с другой — высоколегиро­ванные хромоникелевые коррозионностойкие, жаростойкие и жа­ропрочные стали аустенитного класса. При сварке разнородных по структуре металлов с участием аустенитных сталей химическая, структурная и механическая неоднородности сварных соединений проявляются в наибольшей степени. Применение электродов, ис­пользуемых при сварке углеродистых, низколегированных, легиро­ванных и теплоустойчивых сталей и дающих наплавленный ме­талл с перлитной структурой, в данном случае недопустимо из-за неизбежности получения при проплавлении аустенитного основно­го металла хрупких слоев шва с мартенситной структурой. Такая структура обладает высокой склонностью к образованию трещин. Качественная ручная дуговая сварка перлитных сталей с аустенит­ными становится возможной при применении электродов, обеспе-чивающих получение наплавленного мегалла с устойчивой аусте­нитной структурой (табл. 58). Корневые слои швов, в которых до­ля участия перлитного основного металла может достигать 50% и более, следует выполнять электродами с большим запасом аусте- нитносги, что надежно исключает появление в корне шва малопла­стичных мертенситных структур (см. рис. 84 и 85). Такие же элек­троды, дающие наплавленный металл с высоким содержанием ни­келя, применяют при сварке перлитных сталей с аустенитными жаропрочными сталями. Эффект влияния никеля на ширину диф­фузионной прослойки зоны сплавления комбинированного свар­ного соединения используют при подборе электродов для сварки теплоустойчивых сталей с аустенитными жаропрочными сталями. С ростом допустимой температуры эксплуатации сварного соеди­нения содержание никеля в металле шва за счет наплавленного электродного металла увеличивают.

Таблица 58. Электроды, рекомендуемые для сварки разнородных

сталей перлитного и аустенитного классов

Примечания: 1 Допустимая рабочая температура сварного соединения, выполненного электродами марки АНЖР-2 - 450~550^ВС, марки АНЖР-1 - 550-600 “С. 2. П