Сварка высоколегированных сталей.

Сварочная проволока из сплава ЭП668 обеспечивает получение двухфазных (аустенит и хромоникелевая эвтектика) швов, стойких против образования кристаллизационных трещин. Высокохромистые сплавы и сварные швы коррозионностойки при высоких температурах вплоть до 1000—1200° С в серосодержащих (H2S, SO2 и др.) средах, в топочных газах, имеющих в своем составе V205 (вызывает так называемую ванадиевую коррозию), и в некоторых средах, содержащих активные азот или хлор, например, в хлористом нитрозиле NOC1. Применение фтористо-кальциевых электродных покрытий и фторидных сварочных флюсов способствует измельчению структуры металла шва и повышению в результате этого его стойкости против образования кристаллизационных трещин. Электроды с основным покрытием и фторидные флюсы по этой причине нашли преимущественное применение при сварке высоколегированных сталей и сплавов. Помимо перечисленных чисто металлургических средств находят применение некоторые технологические приемы повышения стойкости высоколегированных швов против образования кристаллизационных трещин. Эти приемы в основном рассчитаны на изменение формы шва и характера кристаллизации металла. Особенность дуговой сварки высоколегированных сталей заключается в том, что в ряде случаев стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин падает с увеличением коэффициента формы шва (рис. 9). При электрошлаковой сварке пластинчатым электродом некоторых высоконикелевых сплавов (ЭИ435 и др.).

рис. 9.

Влияние коэффициента формы провара на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин:

а — коэффициент провара 2, трещины есть;

б — коэффициент провара 1,3, трещин нет

Наоборот, уменьшение коэффициента формы шва приводит к образованию кристаллизационных трещин, аналогично тому, что наблюдается при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Металл шва в этом случае кристаллизуется в виде елочки и кристаллиты в осевой его части соприкасаются торцами. В этом месте чаще всего образуются кристаллизационные трещины. При большом коэффициенте формы шва (порядка 2,5—3,5) кристаллиты растут в перпендикулярно осевом направлении и трещины в таком шве не образуются. При дуговой сварке тавровых соединений из высоколегированных сталей и сплавов увеличение зазора при сборке до 1,5—2 мм благоприятно влияет на характер кристаллизации металла в корне шва. В результате образования кристаллизационных трещин в корне шва не происходит (рис. 10). Аналогичное явление наблюдается при сварке соединений типа клавишной пробы. Например, увеличение зазора между лопатками газотурбинного ротора позволяет повысить стойкость шва против образования поперечных трещин, идущих от зазора. Узкий зазор в этих случаях играет роль острого надреза, инициирующего трещину. Опыт показывает, что влияние предварительного и сопутствующего подогревов сварного соединения высоколегированных сталей и сплавов может быть различным и зависит от их состава и свойств. В общем можно признать, что подогрев не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на стойкость высоколегированных швов против образования кристаллизационных трещин.

рис. 10.

Влияние зазора в корне шва на стойкость аустенитного углового шва против образования кристаллизационных трещин:

а, в — сварка без зазора, трещины есть;

б, г — сварка с зазором, трещин нет.

Более того, в ряде случаев он вреден вследствие увеличения провара основного металла и повышения в шве (в результате разбавления его основным металлом) концентрации кремния, серы, фосфора, ниобия и других элементов, вызывающих образование кристаллизационных трещин. Подогрев полезен при сварке низкопластичных и литых высоколегированных сталей для предотвращения образования в сварных соединениях холодных трещин. Большое влияние на образование кристаллизационных трещин в высоколегированных швах оказывает режим сварки. Швы, выполненные тонкой проволокой диаметром 1,2—2 мм на умеренных режимах при минимально возможных значениях погонной энергии сварки, обладают повышенной стойкостью против образования кристаллизационных трещин.

Во всех случаях сварки, независимо от структурного класса высоколегированных сталей и сплавов, предпочтение следует отдать сварочным материалам (проволокам, электродным стержням и покрытиям, флюсам) повышенной чистоты. При сварке трудносвариваемых аустенитных сталей и сплавов обязательным является минимальное проплавление основного металла с целью недопущения повышения в шве концентрации кремния, меди, серы, фосфора, бора (речь идет о концентрациях до 0,1%), могущих вызвать в нем кристаллизационные трещины. Большую опасность для эксплуатационной надежности конструкций представляют околошовные трещины, образующиеся при сварке плавлением высоколегированных сталей и сплавов. Сварщики научились получать качественные швы без трещин при сварке материалов этой группы. Однако значительно труднее предупредить образование околошовных трещин; как будет показано ниже, основная роль в решении этой задачи принадлежит металлургам, а не сварщикам. При сварке плавлением высоколегированных сталей и сплавов в околошовной зоне возможны горячие строчечные, холодные и локальные трещины. Горячие трещины появляются в результате частичного расплавления в околошовной зоне по границам зерен или кристаллитов легкоплавких прослоек эвтектического происхождения и воздействия на околошовную зону напряжений, возникающих в результате сварочного нагрева. Таким трещинам особенно подвержены стали и сплавы с повышенным содержанием серы, фосфора, кремния, марганца в сочетании с медью, ниобия, легкоплавких примесей олова, сурьмы, свинца, до 0,1% бора (концентрация, при которой в стали еще не образуется сетка боридной фазы) и других элементов, способствующих образованию на границах зерен легкоплавких прослоек.

Мелкозернистые стали и сплавы менее подвержены околошовным горячим трещинам, чем крупнозернистые Особенно большие трудности в этом отношении встречает сварка крупнозернистых литых аустенитных сталей, например запорной энергетической арматуры из жаропрочных сталей типа 15-15, печных муфелей и катков из высококремнистых жаростойких сталей и сплавов 15Х25Н19С2Л, 20Х21Н46В8Л, ЗХ18Н35СЗ и др.

К мерам борьбы с околошовными горячими трещинами относятся:

а) создание в околошовной зоне двухфазной структуры — аустенит и первичный феррит, аустенит и боридная фаза, аустенит и хромоникелевая эвтектика; применение этого способа связано с изменением композиции свариваемой стали и далеко не всегда возможно;

б) повышение чистоты сталей и сплавов от вредных примесей (серы, фосфора) и ограничение или исключение в них элементов, инициирующих образование околошовных горячих трещин;

в) применение чистых сварочных материалов с ограниченным содержанием элементов, вызывающих горячие трещины;

г) применение мелкозернистых (с баллом 7—8 и мельче) сталей и сплавов.

Для создания в околошовной зоне мелкозернистой структуры рекомендуется проковка кромок. Эта операция трудноконтролируема и недостаточно эффективна, однако в ряде случаев все-таки может быть использована.

Строчечные околошовные трещины обусловлены повышенной загрязненностью сталей и сплавов неметаллическими включениями и, преимущественно, строчечным их залеганием. Трещины этого типа, по-видимому, могут быть как горячими, так и холодными; носят они в основном межкристаллический характер.

Радикальным средством предотвращения образования околошовных строчечных трещин является повышение чистоты сталей и сплавов в отношении неметаллических включений. Эффективным средством борьбы с околошовными строчечными, а также и горячими трещинами в основном металле является электрошлаковый переплав. В этом отношении электрошлаковый переплав превосходит вакуумно-дуговой переплав, который не позволяет полностью избавиться от строчечного скопления неметаллических включений.

Образование холодных трещин в шве и околошовной зоне возможно при сварке мартенситных и мартенситно-ферритных сталей, а также малопластичных сложнолегированных сталей и сплавов. Предварительный и сопутствующий подогревы до температур свыше 250—300°С предотвращают образование холодных трещин.

Ряд чистоаустенитных сталей (особенно легированных ниобием, титаном или с повышенным содержанием углерода) подвержены так называемым локальным разрушениям. Локальные разрушения — это трещины в околошовной зоне, возникающие в процессе длительной эксплуатации изделий при температурах старения сталей (550—700°С). Одной из причин их возникновения является снижение межзеренной пластичности аустенитной стали в результате воздействия сварочного нагрева.

Предложен ряд способов повышения стойкости аустенитных сталей против локальных разрушений: снижение содержания углерода в стали вплоть до предела его растворимости (0,02— 0,03%); исключение из состава стали ниобия; повышение запаса пластичности стали, например, с помощью электрошлакового переплава; применение присадочных материалов, обеспечивающих получение высокопластичных и менее прочных, чем основной металл, швов.

Сварка металлов.

Сварка чугуна.