Глава 15 РАЗНОРОДНЫЕ СТАЛИ И ОСОБЕННОСТИ ИХ СВАРКИ

 

Назад: 14.3 Технологические рекомендации по сварке.

 

15.1 Основные проблемы свариваемости разнородных сталей

 

Использование сварных соединений из разнородных сталей рационально в случаях, когда работоспособность конструкции определяется комплексом свойств, получение которых трудно достижимо или экономически не выгодно при использовании однородных материалов. Применение разнородных сталей в сварных соединениях, как правило, связано со скачкообразным изменением условий эксплуатации отдельных участков конструкции (температуры, среды, нагрузки).

Проблемы свариваемости таких сталей связаны с особенностями формирования состава и структуры шва и зоны сплавления, а также прилегающих к ним участков основного металла, как в процессе сварки, так и при термообработке сварного соединения или его эксплуатации.

Металл шва, выполненный из сталей разного легирования или разных структурных классов, вследствие перемешивания электродного и основного металлов всегда будет обладать химической и структурной неоднородностями, которые особенно четко выражены на линии сплавления. Эти неоднородности приводят к появлению низкопрочных и непластичных кристаллизационных и дефор­мационных прослоек переменного состава и к различному уровню остаточных напряжений у сваренных кромок, что вызывает ме­ханическую неоднородность всего сварного соединения. Указанные осо­бенности существенно усложняют технологию сварки разнородных сталей.

Рассмотрим основные причины появления неоднородностей сварных соединений.

1. При сварке сталей одного структурного класса в резуль­тате неодинакового перемешивания наплавленного металла с основным (в центре шва и у границы сплавления) со стороны шва возникают прослойки переменного состава шириной 0,2...0,6 мм. Их свойства при разном уровне легирования в большинстве случаев имеют промежуточные значения между свойствами основного металла и металла шва. Влияние этих прослоек на снижение работоспособности сварного соединения незначительно (при условии, что электродный (наплавляемый) металл того же структурного класса, что и свариваемые, например, ВСтЗ+09Г2+Э46).

Если же стали одного структурного класса (например, пер­литные) свариваются электродными материалами, обеспечивающими получение шва другого структурного (например, аустенитного) класса, то в результате перемешивания у границы сплавления об­разуются кристаллизационные прослойки переменного состава, содержащие, как правило, 3...12 % Сг и 2...8 % Ni, и имеющие чаще всего, мартенситную структуру (см диаграмму Шеффлера), обладающую высокой твердостью и склон­ностью к образованию холодных трещин. Ширина таких прослоек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла шва. Например, при сварке стали 3ОХГСА электродом типа Э-12Х18Н9 ширина мартенситной прослойки будет больше, чем при сварке электродом типа Э-20Х25Н13 (рис. 15.1).

 

Рис. 15.1 – Схема влияния степени легирования шва на ширину кристаллизационных прослоек:

Хi – расстояние от границы сплавления

 

2. При сварке разнолегированных сталей (низколеги­рованной с высоколегиро­ванной) сварочными материалами, содержащими большое количество энергичных карбидообразователей (Cr, C, Mn, Ti, V), в близлежащих ко шву зонах с обеих сторон возможно образование диффузионных переходных прослоек (особенно при длительной эксплуатации). Такой процесс характерен при сварке перлитных сталей (09Г2, 12ХМ) с перлитными сталями более высокого легирования (12Х1МФ) или перлитных сталей с высоколегироваиными мартенситными, ферритными или аустенитными ста­лями, т.е. сталями другого структурного класса. В этом случае в зоне сплавления со стороны менее легированной стали или шва образуется обезуглероженная зона, а со стороны более легирован­ного шва или более легированной стали – прослойка науглероженного металла высокой твердости, содержащего большое коли­чество карбидов. Наибольшей ширины диффузионные прослойки достигают в зоне сплавления углеродистой стали с аустенитной. Объясняется это явление интенсивной диффузией углерода из шва к элементам-карбидообразователям при длительном воздействии температур нагрева Т > 800 0С и образованием в результате диффузии термически стой­ких карбидов типа Cr23C6, MoC, VC, TiC и др. Большое влияние на ширину этих прослоек оказывает количество углерода в менее легированной стали (или шве): чем оно ниже, тем шире зона обезуг­лероживания, так как углерод диффундирует из более отдаленных от линии сплавления объемов металла. В то же время повышение содержания углерода в шве (наплавке) увеличивает протяженность науглероженной прослойки (больше карбидов). Указанные процессы часто вызывают в нем хрупкие разрушения в процессе дли­тельной эксплуатации при высоких температурах из-за изменения во времени структурного состояния шва или уча­стков околошовной зоны (по существу протекает процесс старе­ния).

3. При сварке толстостенных соединений из сталей разного легирования в около­шовных переходных прослойках возникает объемное напряженное состояние, вызывающее хрупкие локальные разрушения соединения. Например, пониженная прочность обезуглероженной зоны часто становится причиной разрушения соединения под действием коррозионной среды (коррозионное растрескивание).

Говоря о химической и структурной неоднородности соединений в участках сплавления, необходимо иметь в виду, что степень их отрицательного проявления зависит не только от химических составов основных и электродных материалов, но и от долей участия сталей в шве и степени проплавления стыкуемых кромок, т.е. по существу от режимов сварки и типов соединений, техники вы­полнения швов и т.п.

Прогнозировать и оценивать состав и структурное состоя­ние металла шва и зоны смешивания (сплавления) можно по диаграмме Шеффлера (см. ч.1, гл.13.5, рис. 13.3). Используя ее, можно рационально выбирать сварочные материалы, определять влияние режимов (доли участия) сварки на структуру шва, принимать решение о необходимости термической обработки сварных соединений и допустимых условий эксплуатации сварного соединения. Сле­дует, однако, подчеркнуть, что структурное состояние швов низко­легированных сталей по диаграмме Шеффлера опре­деляется весьма приблизительно так как диаграмма не отражает фазовых превращений при нагреве и остывании сварного соединения.

В практике сварочного производства встречаются в основы ном два варианта технологии сварки разнородных сталей:

1) сварка сталей одного структурного класса, но разного легирования;

2) сварка сталей разного структурного класса и разного легирования.

Рассмотрим основные особенности свариваемости, техники и технологии сварки по обоим вариантам.

Далее: 15.2 Сварка сталей одного структурного класса, но разного легирования.