Выбор оптимальных режимов сварки

При выборе оптимальных режимов сварки теплоустойчивых сталей необходимо учитывать следующие:

- данные стали имеют низкую теплопроводность,

- им свойственна высокая чувствительность к скоростям охлаждения с температур аустенизации,

- необходимость сохранять (по возможности) стабильность структуры и механических свойств, уровень которых достигается путем термической обработки до сварки.

Теплоустойчивые стали обладают большой склонностью к образованию хрупких закалочных структур в околошовной зоне. Образование закалочных структур в зоне термического влияния при неблагоприятных термических циклах повышает склонность металла к образованию холодных трещин и хрупкому разрушению.

Характер и скорость структурных превращений в околошовной зоне значительно зависят:

- от физико-химических свойств легирующих элементов,

- от погонной энергии при сварке,

- скорости охлаждения металла в процессе сварки (которая может быть тем выше, чем ниже начальная температура нагрева стали и меньше погонная энергия).

Можно выделить две основные причины образования холодных трещин в теплоустойчивых сталях перлитного класса:

1. Низкая теплопроводность стали и крупнозернистый аустенит в условиях быстрого охлаждения способствуют появлению трещин в зоне термического влияния вследствие мартенситного превращения при температурах 150 - 200 ^оС, когда металл обладает меньшей пластичностью и высокой прочностью.

2. Напряжения, возникающие в результате выделения молекулярного водорода локализующегося в малых объемах.

Холодные трещины могут образовываться как в процессе сварки при охлаждении, так и после сварки в процессе дальнейшей обработки или эксплуатации.

Большое практическое значение для выбора оптимального термического цикла сварки имеет характер распада аустенита при непрерывном охлаждении. Он значительно отличается от распада аустенита в изотермических условиях. Надежным способом оценки структурных превращений в зоне термического влияния является применение специальных диаграмм анизотермического распада аустенита, построенных по критическим точкам с помощью дилатометрических кривых непосредственно при сварке.

Рис. 2 Термокинетическая диаграмма распада астенита

стали 12Х1МФ со скоростями охлаждения:

1 – 1 ^оС/мин, 2 – 3 ^оС/мин, 3 – 7 ^оС/мин, 4 – 10 ^оС/мин,

5 – 55 ^оС/мин, 6 – 70 ^оС/мин, 7 – 185 ^оС/мин, 8 – 230 ^оС/мин,

9 – 800 ^оС/мин, 10 – 1660 ^оС/мин,

11, 12 - охлаждение в масле и в воде

Основной борьбой с образованием трещин является регулирование структурных изменений путем выбора рациональных термических режимов сварки, снижающих скорость охлаждения в зоне термического влияния. Структурные превращения можно регулировать с помощью предварительного и сопутствующего подогрева и термической обработкой конструкции после сварки, а так же путем применения присадочного материала и правильно выбранной системы легирования.

Однако, кроме охрупчивания околошовной зоны следует учесть и наличие разупрочнения в зоне термического влияния. Наличие зоны разупрочнения связано с исходным состоянием стали (после полной термической обработки - закалка (нормализация) и высокий отпуск).

Разупрочнение наблюдается на участке, где металл нагревается в интервале температур от Ас₃ до температуры отпуска (рис. 3). При этом кратковременные прочностные свойства сварного соединения ухудшаются по сравнению с основным металлом на 5 - 10 %, а длительная прочность на 20 %. Мягкая прослойка в зоне термического влияния может являться причиной локальных разрушений жестких сварных соединений в процессе эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках.

Рис. 3. Строение зоны термического влияния

Повышение погонной энергии при сварке вызывает большое разупрочнение свариваемой стали. Зону разупрочнения можно разделить на два участка:

1 - от температуры Ас₃ до температуры Ас₁ (4 – зона неполной перекристаллизации),

2 - от температуры Ас₁ до температуры отпуска (5 – зона отпуска).

В зависимости от легированости стали в условиях сварки в этой зоне могут обнаруживаться самые разнообразные продукты распада аустенита, начиная от мартенсита и кончая зернистым перлитом. Также может наблюдаться коагуляция карбидной фазы, увеличение количества феррита, что приводит к разупрочнению этой зоны (рис. 4). Для устранения провала твердости в этой зоне необходима последующая термическая обработка.

Рис. 4. Макроструктура сварного соединения из теплоустойчивой стали и диаграмма распределения твердости по зонам сварного соединения (зона охрупчивания и зона разупрочнения – участок белой полосы на макрошлифе):

I – недопустимая область HB > 250, II – допустимая область HB 220 – 250,

II – оптимальная область HB 180 – 220, IV – допустимая область HB 180 – 160,

V – недопустимая область HB < 160.

Так же следует учитывать изменения свойств в зоне сплавления с основным металлом. При температурах эксплуатации 450 - 600 ^оС возникают диффузионные процессы между основным металлом и металлом шва. В первую очередь это относиться к углероду, как наиболее диффузионно подвижному элементу. Миграция углерода из основного металла в шов и наоборот может наблюдаться даже при небольших различиях в легировании их карбидообразующими элементами. Образование в процессе эксплуатации обезуглероженной ферритной прослойки по одну сторону линии сплавления и карбидной гряды по другую приводят к снижению длительной прочности и пластичности сварного соединения и локальному разрушению. Поэтому сварочные материалы должны обеспечить химический состав металла шва близкий к составу основного металла. В отдельных случаях при необходимости отказа подогрева и термической обработки можно использовать сварочные материалы на никелевой основе, т.к. диффузионная подвижность элементов в сплавах на никелевой основе при температурах 450 - 500 ^оС значительно меньше, чем в низколегированных сталях перлитного класса.