Глава 11 ЛЕГИРОВАННЫЕ ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Назад: 11.1 Общая характеристика сталей.

11.2 Характеристика свариваемости и рекомендации по сварке

Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и последующей кристаллизации, не вызывает существенных осложнений, что при современных сварочных материалах и уровне технологии позволяет обеспечить необходимую стойкость металла швов против образования горячих трещин и высокие характеристики их работоспособности.

Технологическая свариваемость (иногда называемая тепловой) осложняется охрупчиванием металла в результате образования метастабильных (неустойчивых) структур в участках соединения, нагревавшихся выше температуры Aс₃ и разупрочнением в участках, нагревавшихся в интервале температура Ас₃ – температура отпуска стали. Образование хрупких структур (мартенсита) и суммирование сварочных и эксплуатационных напряжений в таких условиях могут исчерпать пластичность металла и вызвать разрушение конструкции из-за образования холодных трещин как сразу после сварки, так и в течение определенного времени после ее окончания.

Образование закалочных структур во многом определяется системой легирования сталей и швов: хромомолибденованадиевые стали более склонны к холодным трещинам по сравнению с хромомолибденовыми. Появлению «замедленных» холодных трещин способствует диффузионно-подвижный водород.

Улучшение свариваемости (предотвращение холодных трещин) достигается местным или общим сопутствующим подогревом изделия. Подогрев снижает напряжения первого рода и уменьшает скорость охлаждения металла, что способствует уменьшению количества образующегося мартенсита. Кроме того, подогрев металла в процессе сварки способствует эвакуации водорода из сварного соединения и тем самым увеличивает его деформационную способность. Однако температура подогрева соединений должна ограничиваться как по нижнему, так и по верхнему пределу. Слишком малый подогрев не устраняет закалочных структур, а большой - способствует образованию грубой ферритно-перлитной структуры, что снижает ударную вязкость и длительную прочность соединений. В некоторых случаях (при больших толщинах) предотвращение образования холодных трещин и хрупких разрушений сварных соединений достигается выдержкой их после сварки при Т = 150...200 ⁰С (отдых) в течение нескольких часов для завершения превращения остаточного аустенита и снижения концентрации водорода в шве и ЗТВ.

Как указывалось, технологическую свариваемость осложняет также разупрочнение зоны термического влияния, возникающее в участке отпуска (интервал ТАс3-Тотп). Это происходит потому, что заготовки из теплоустойчивых сталей поступают на сварку, как правило, в термически упрочненном состоянии (нормализация или закалка с отпуском), а нагрев указанного участка при сварке снимает упрочнение. Степень разупрочнения определяется параметрами процесса сварки (тепловым режимом). Чем больше погонная энергия (большой ток, малая скорость сварки), тем шире зона и степень разупрочнения. Мягкая разупрочненная прослойка в зоне термического влияния может явиться причиной локальных разрушений жестких соединений в процессе эксплуатации особенно при изгибающих нагрузках.

Устранения разупрочнения можно добиться термообработкой (нормализация+отпуск при Т = 700 ⁰С) после сварки.

Появлению локальных хрупких разрушений в процессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 ⁰С способствует изменение свойств металла в зоне сплавления из-за развития диффузионных процессов между основным металлом и металлом шва. Это относится, в первую очередь, к диффузии углерода. Миграция углерода из стали в шов или наоборот наблюдается даже при небольшом различии в легировании их карбидоо6разующими элементами, которые «удерживают» около себя углерод и «вытягивают» его из зон, где концентрация карбидообразующих элементов меньшая или вообще отсутствуют. Это приводит к образованию в процессе эксплуатации о6езуглероженной (ферритной) прослойки с одной стороны линии сплавления и карбидной гряды с другой, что существенно снижает пластичность соединения в целом и ведет к разрушению (пример: сталь 12Х1МФ – шов 10ХЗМ1БФ – со стороны шва по линии сплавления формируются карбиды, а со стороны стали – обезуглероженная зона). Указанные обстоятельства требуют, чтобы сварочные материалы обеспечивали состав шва, близкий к химическому составу основного металла, либо чтобы шов был более аустенитным (пластичным), чем основной металл.

Общими рекомендациями по всем технологиям дуговой сварки являются: обязательная и тщательная подготовка поверхности свариваемых кромок, постоянство тепловых условий и защита зоны сварки и соблюдение режимов подогрева и термообработки сварных соединений.

Разделка кромок осуществляется механически или плазменно-дуговой резкой. Сварку проводят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 ⁰С с предварительным и сопутствующим местным или общим подогревом (табл. 11.1).

Таблица 11.1 – Рекомендуемые температуры подогрева при сварке и термообработке после сварки.

Марка стали	Рекомендуемая температура подогрева		Рекомендуемая температура отпуска после сварки
	Толщина, мм	^0С	Толщина, мм	^0С
12МХ, 15МХ	До 10	Не требуется	До 7	Не требуется
	11…30	150…200	Свыше 7	650…680
	Свыше 30	200…250
12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМЛ, 20ХМФЛ	До 6	Не требуется	До 4	Не требуется
	7…30	200…300	Свыше 4	720…760
	Свыше 30	250…350

Как правило, сварные соединения толщиной менее 10 мм можно не подвергать послесварочной термообработке (отпуску). Во всех других, случаях она необходима, так как из-за структурной неоднородности соединения и высокого уровня сварочных напряжений сварные соединения склонны к трещинообразованию.

Для ручной дуговой сварки используются электроды с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, изготовленные из низкоуглеродистой сварочной проволоки с введением легирующих элементов в шов через покрытие. Покрытие такого типа обеспечивает повышенную раскисленность металла шва и малое содержание водорода. Однако их применение требует тщательной очистки поверхности свариваемых кромок от окалины, ржавчины, масел, прокалки и просушки электродов перед сваркой, ведения процесса на предельно короткой дуге. Основные рекомендации по использованию электродов представлены в табл. 11.2. Сварка осуществляется на постоянном токе обратной полярности, а сила тока выбирается в зависимости от диаметра электрода и положения шва в пространстве.

Таблица 11. 2 – Электроды для сварки теплостойких сталей

Марка стали	Тип электрода по ГОСТ 9467-75	Марка электрода	Марка стали	Тип электрода по ГОСТ 9467-75	Марка электрода
12МХ 15ХМ 20ХМЛ	Э-09Х1М	ЦУ-2ХМ ЦЛ-38 Н-19	12Х1МФ 15Х1М1Ф 20ХМФЛ	Э-09Х1МФ	ЦЛ-20 ЦЛ-45 ЦЛ-39

Сварка ведется узкими валиками без поперечных колебаний электрода с тщательной заваркой кратеров. Если после сварки термообработка невозможна, то для указанных выше сталей используются электрода на никелевой основе (например, ЦТ-36).

При сварке в защитных газах используются неплавящиеся (вольфрамовые) и плавящиеся электроды в среде инертных газов (аргон, гелий). Аргонодуговая сварка, как правило, используется для выполнения корневых швов при многослойной сварке стыков труб. Сварка в углекислом газе из-за опасности образования шлаковых (окисных) включений применяется только для однопроходных швов или заварки дефектов литья с использованием проволок Св-08ХГСМА и Св-08ХГСМФА (ГОСТ 2246-70).

Автоматическую сварку под флюсом используют для кольцевых (поворотных) и продольных стыков трубопроводов, коллекторов, корпусов аппаратов нефтехимической и атомной промышленности и других изделий с толщиной стенок более 12...20 мм. При этом используют проволоки Св-08ХМ, Св-08ХМФА и др. С целью снижения количества оксидов в швах применяют низкоактивные по Si и Мn флюсы типа ФЦ-11, ФЦ-16, ФЦ-22. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности на минимальных погонных энергиях. При этом скорость сварки не должна превышать 40…45 м/ч, чтобы предупредить образование холодных трещин.

При всех способах дуговой сварки необходимо обеспечить максимальное приближение химического состава шва к основному металлу.

Другим «слабым» местом соединения из теплоустойчивых сталей является участок охрупчивания (зона роста зерна и закалки). Такой участок всегда присутствует в сварном соединении, но его ширина и степень охрупчивания (оцениваемая по значению KCU или Т_кр ) в некоторой (малой) степени могут регулироваться за счет выбора способа и режимов сварки. В большей степени охрупчивание зависит от качества исходного метала (чистота по примесям, вид улучшающей термообработки). Кардинальным средством устранения охрупчивания всего сварного соединения является своевременно проведенный высокий отпуск (Т_отп = 670…710 ⁰С).

Далее: Глава 12 КОРРОЗИЯ