1. Шлаковые включения в многослойном аустенитном шве при сварке в защитных газах и механизм их образования

Значительная часть конструкций, комбинированных из разнород­ных сталей, имеет такие размеры и форму, что для механизации сварочных работ наиболее приемлемой является сварка в среде защитных газов. Этот вид сварки обладает рядом особенностей, в силу которых он в ряде случаев является наиболее приемлемым, а иногда и единственно возможным способом механизированной сварки. Поэтому сварка в защитных газах находит все более широ­кое применение. Следует отметить, однако, что в настоящее время применяется этот способ без особых затруднений лишь при сварке обычных конструкционных сталей. Между тем, появляется все больше конструкций, где указанным способом необходимо свари­вать специальные высоколегированные стали с низко - или вовсе нелегированиыми сталями. При этом, как показано в гл. IV, сле­дует применять аустенитную электродную проволоку, сварка ко­торой в среде защитных газов не имеет еще должного распростра­нения.

Принципиальная возможность сварки в защитных газах аусте­нитной проволокой известна уже сравнительно давно. Однако до сих пор применяется она при изготовлении изделий из сравнитель­но тонкого металла. Почти все имеющиеся в настоящее время со­общения об успешном применении такой сварки для соединения аустенитным швом относятся к однослойной сварке или к двух­слойной, выполняемой с двух сторон.

і. Уже в первых работах было замечено, что сварка в защитной с$еде из углекислого газа аустенитной проволокой имеет особен­ность, которая может отрицательно сказаться на качестве сварного соединения: при сварке в углекислом газе аустенитной стали

на поверхности шва образуется трудноудаляемый слой окис­лов [681.

Образование окислов (шлаков) на поверхности шва является серьезным недостатком сварки в защитных газах аустенитной про­волокой. Из-за образования на поверхности наплавляемого ме­талла трудноудаляемого слоя окислов возможно чрезмерное загряз­нение металла шва шлаковыми включениями [75]. Это подтверж­дено экспериментально [67]. Было показано, что многослойный шов, выполненный аустенитной проволокой в углекислом газе, сильно загрязнен шлаковыми включениями. Чтобы этого избежать, автором с сотрудниками был предпринят ряд мер, однако получить положи­тельные результаты, не удалось. При этом было лишь установлено, что количество шлаковых включений можно несколько уменьшить, если сварку производить проволокой, не содержащей молибдена.

Значительно чаще при сварке аустенитной проволокой в ка­честве защитного газа используется аргон. В настоящее время сварка в аргоне является основным способом сварки в защитных газах конструкций из тонколистовых нержавеющих и других вы­соколегированных сталей и сплавов. Сварка производится непла - вящимся вольфрамовым электродом. При использовании плавя­щихся электродов трудно получить шов с хорошей формой провара и усиления, что в случае многослойной сварки приводит к непровару между слоями и образованию шлаковых включений в металле шва. Предотвратить непровар можно только путем тщательного выбора для каждого конкретного случая соответствующего режима свар­ки. Однако при этом не всегда удается получить многослойные швы без шлаковых включений.

Иногда в качестве защитного газа для сварки аустенитных сталей применяется гелий. И в этом случае при сварке многослой­ных швов количество шлаковых включений во много раз превы­шает допустимое [112].

Из изложенного следует, что до сих пор для многослойных аустенитных швов еще нет надежного способа сварки в защитных газах. С целью изыскания способа сварки в защитных газах, исклю­чающего образование шлаков в многослойном аустенитном шве, использовались смеси инертных газов (аргон, гелий) с активными (кислород, углекислый газ, водород, азот). Полученные результаты показали, что добавка к аргону активных газов, и прежде всего кислорода или С02, при сварке сталей и сплавов, содержащих легкоокисляемые элементы, особенно такие, как титан и алюминий, приводит к образованию шлаковых включений между слоями мно­гопроходного шва [1131. По этой причине предложение применять для повышения стойкости стабильноаустенитных хромоникелевых швов против образования трещин смесь аргона с кислородом [51] может оказаться приемлемым только для однослойных швов и то лишь в том случае, если образующиеся при этом и прочно удержи­вающиеся на поверхности шва шлаки не снижают коррозионную стойкость сварного соединения.

С целью выяснения причин и механизма образования рассматри­ваемых включений, а также изыскания способа получения много­слойных швов без них при сварке аустенитной проволокой в защит­ных газах автором с А. Д. Стретовичем были выполнены специаль­ные исследования [32—34]. При наплавке на углеродистую сталь марки СтЗ отдельных валиков и заварке канавок несколькими слоями, установлено, что сварка аустенитной проволокой даже в одном аргоне, т. е. без добавок активных газов сопровождается образованием на поверхности шва слоя окислов (шлаков). Этот слой на первых валиках значительно тоньше, чем при сварке в С02

(рис. 80). Количество шлаковых включений в многослойном шве, выполненном сваркой в аргоне также меньше, чем в шве, получае­мом при сварке в углекислом газе. При сварке в аргоне они на­блюдаются лишь в верхней части шва. Если учесть, что сварка верхней части шва производится по уже разогретому металлу, то должна заметно увеличиваться толщина окисного слоя, образуе­мого на поверхности наплавленного металла [33, 81].

Отмеченное позволяет считать, что образование при многослой­ной сварке аустенитной проволокой в защитных газах шлаковых включений в металле шва обусловлено не только, как это принято считать, присущей этому способу сварки неблагоприятной формой усиления и провара, но и образованием на поверхности наплавлен­ного металла слоя окислов определенной толщины Отсюда сле­дует, что для предотвращения появления шлаковых включений в многослойном шве при сварке аустенитной проволокой в защит­ных газах необходимо исключить образование на поверхности на­плавляемого металла слоя окислов или существенно уменьшить его толщину.

Опыт сварки в углекислом газе показывает, что в случае ис­пользования обычной кремнемарганцевой проволоки качествен­ными получаются как однослойные, так и многослойные швы. По­этому естественно предположить, что образование шлаков, наблю­даемых в многослойных швах при сварке в защитных газах аусте­нитной проволокой, связано с химическим составом получаемого при этом металла шва.

Химический состав аустенитного металла отличается высоким содержанием хрома и никеля. Очевидно, прежде всего вследствие этого в металле шва образуются шлаковые включения. Содержа­ние других элементов в современных аустенитных сталях и в пред­назначенных для их сварки проволоках определяется условиями, в которых эти стали и их сварные соединения должны работать. Аустенитный нержавеющий металл, кроме хрома и никеля, содер­жит титан, ниобий и алюминий. В жаропрочные аустенитные стали вводят молибден, ванадий или вольфрам. Иногда аустенитный ме­талл дополнительно легируется марганцем. Это позволяет эконо­мить дефицитный никель. В сварных швах наличие марганца же­лательно еще и потому, что он уменьшает вероятность образования горячих трещин, которые являются довольно распространенным дефектом металла, наплавляемого хромоникелевой аустенитной проволокой. Поэтому можно ожидать, что упомянутые элементы также имеют какое-то отношение к образованию шлаковых вклю­чений в многослойном аустенитном шве при сварке в защитных газах.

Чтобы выяснить влияние указанных элементов, были проведены специальные исследования [32]. Предварительно сведения о их влиянии были получены при исследовании отдельных валиков, наплавляемых в углекислом газе на углеродистую сталь марки СтЗ проволоками, содержащими эти элементы. Для более полного исследования сваривались образцы многослойным швом, из кото­рых затем изготовлялись макрошлифы. Как наплавка, так и свар­ка во всех случаях производилась проволокой диаметром 2,0 мм на одном и том же режиме сварки, который, как показали опыты, позволяет получить провар и усиление оптимальных форм: /д=200... ...210 А, Д'д = 26....28 В, цсв = 2', Ом/ч, вылет электрода 15 мм, расход углекислого газа 10—12 л/мин.

В случае наплавок отдельных валиков о вероятности образова­ния шлаковых включений в многослойном шве судили по наличию, виду и прочности удержания шлаковой корки на поверхности на­плавленного металла.

Были опробованы проволоки Св-02Х19Н9, Св-06Х19Н9Т,

Св-08Х19Н10Б, СВ-04Х19Ш1МЗ, Св-10Х16Н25М6, Св-08Х20Н10Г6, Св-Х20Н9Г7Т, ЭП497 (Х15Н23М7Г7) и Св-ЗОХ15Н35ВЗБЗТ, ко­торые охватывают почти все основные типы существующих в на­стоящее время сварочных проволок аустенитного класса. Чтобы проследить влияние основных составляющих аустенитного метал­ла — хрома и никеля — отдельно исследовались также наплавки и
многослойный шов, выполненные высокохромистой проволокой Св-06Х14 и железоникелевой Св-08Н50.

Анализ полученных результатов показал, что отмеченные выше трудности при сварке в защитных газах аустенитной проволокой действительно обусловлены спецификой ее состава. При высоком содержании никеля (проволока Св-08Н50) снижается устойчивость процесса сварки и увеличивается разбрызгивание. Что касается шлаковой корки, то она на поверхности наплавленного металла

Рис. 81. Вид поверхности наплавок, выполненных в углекислом газе про­волоками Св-08Н50 (а), Св-06Х14 (б) и Св-02Х19Н9 (е).

в этом случае образуется лишь в некоторых местах (рис. 81, а). При высоком содержании хрома (проволока Св-06Х014) на всей поверхности наплавленного металла образуется толстая прочно удерживающаяся шлаковая корка (рис. 81,6), а устойчивость про­цесса сварки практически не изменяется. При наличии в прово­локе большого содержания хрома и никеля (проволока Св-02Х 19Н9) процесс сварки заметно стабилизируется по сравнению со сваркой проволокой Св-08Н50 и несколько изменяется шлаковая корка (рис. 81, в) по сравнению со сваркой проволокой Св-06Х14. Если аустенитная проволока легирована молибденом и вольфрамом, то устойчивость процесса сварки несколько снижается. Изменяется при этом и внешний вид шлаковой корки, образующейся на поверх­ности наплавленного металла (рис. 82, а, б). В многослойных швах при этом увеличивается количество шлаковых включений (рис. 83, б, в).

Весьма полезным является высокое содержание марганца (5— 7%). Металл, наплавленный проволокой Св-08Х20Н10Г6, на всей поверхности покрывается довольно толстым слоем шлака. Однако шлак здесь после остывания легко отделяется и может быть пол­ностью удален. Поверхность наплавленного металла становится чистой и блестящей (рис. 82, е). При использовании проволоки Св-08Х20НЮГ6 процесс сварки протекает вполне устойчиво с из­редка появляющимся слабым разбрызгиванием. В многослойном шве полностью отсутствуют шлаковые включения (рис. 83, г).

Аналогичные результаты получены при сварке проволокой Св - 08Х20Н9Г7Т.

Следует отметить, что указанное влияние марганца наблюдается только в хромоникелевом аустените. В аустените, содержащем мо­либден, марганец такого влияния не оказывает. На рис. 82, г по­казана наплавка, выполненная проволокой Х15Н23М7Г7. Несмотря на высокое содержание марганца в проволоке, поверхность наплав­ленного металла покрыта слоем шлака. Правда, слой здесь нерав­номерный и по краям наплавки небольшие участки свободны от шла­ка. В многослойном шве, выполненном проволокой Х25Н23М7Г7, обнаруживается значительное количество шлаковых включений (рис. 83, 5).

Как уже указывалось, в проведенных исследованиях опробо­ваны почти все основные типы имеющихся сейчас сварочных про­волок аустенитного класса. Поэтому полученные результаты
свидетельствуют о том, что среди существующих аустенитных прово­лок лишь проволоки Св-08Х20Н10Г6 и Св-08Х20Н9Г7Т при свар­ке в защитных газах позволяют получить многослойный шов без шлаковых включений.

Химический состав этих проволок во многих случаях не может удовлетворить требованиям, предъявляемым к металлу шва. Не­ржавеющие стали имеют более сложный состав и обязательно

д

содержат такие элементы, как титан, ниобий, алюминий. Еще слож­нее состав жаропрочных сталей. Здесь необходимо наличие молиб­дена, вольфрама и ванадия (отдельно или вместе). Соответственно должна быть легирована и сварочная проволока. Отсюда следует, что для сварки в защитных газах сталей, требующих аустенитных швов, так же, как и при сварке неаустенитных сталей в углекислом газе, необходимо применять специальную проволоку, особенно для выполнения многослойных швов.

Тот факт, что при сварке проволоками Св-08Х20Н10Г6 и Св- 08Х20Н9Г7Т получается блестящая поверхность наплавленного

металла, позволяет следующим образом объяснить полезное дей­ствие марганца. Как показано выше, при всех используемых в на­стоящее время для сварки газах, несмотря на то, что выполняется она в защитной среде, происходит некоторое, а иногда и довольно интенсивное окисление наплавленного металла кислородом, кото­рый всегда в том или ином количестве присутствует в используемом газе. Окисляется наплавленный металл как в жидком, так и в за­кристаллизовавшемся состоянии. Окислы, образующиеся при окис­лении жидкого металла, скапливаются в виде шлака на зеркале сварочной ванны и затем кристаллизуются на поверхности метал­ла шва, образуя шлаковую корку. Окисление закристаллизовавше­гося металла приводит к образованию на его поверхности той или иной окисной пленки. Наличие этой пленки и ее толщина явля­ются первым условием, определяющим химическое сцепление шла­ковой корки с металлом шва и, следовательно, ее отделимость. Вторым условием появления химического сцепления шлаковой корки с металлом шва является наличие в шлаке окислов, кристал­лизующихся с образованием решетки, подобной решетке соедине­ний, которые составляют окисную пленку на повсрхости наплав­ленного металла.

Блестящий шов при сварке проволоками Св-08Х20Н10Г6 и Св-08Х20Н9Г7Т свидетельствует о том, что при высоком содержа­нии марганца в хромоникелевом аустените создаются условия, при которых на поверхности наплавленного металла не образуется окис­ной пленки. В связи с этим здесь исключается химическое сцепле­ние шлаковой корки с металлом шва, что позволяет полностью ее удалить и тем самым предупредить образование шлаковых вклю­чений в многослойном шве. При невысоком содержании марганца, а также при высоком содержании этого элемента, но в присутствии молибдена (проволока Х15Н23М7Г7) на поверхности наплавлен­ного металла образуется слой окислов, кристаллизующийся, по - видимому, с такой же решеткой', как и соединения образующегося при этом шлака. В этом случае имеет место сильное сцепление шла­ковой корки с металлом шва, которое затрудняет ее отделимость, и, следовательно, удаление, что и приводит к образованию шлако­вых включений в многослойном шве (рис. 83, 5).

Следовательно, можно предположить существование такого ме­ханизма образования шлаковых включений при сварке в защитных газах многослойных швов аустенитной проволокой. При химиче­ском составе подавляющего большинства имеющихся в настоящее время сварочных проволок аустенитного класса на поверхности металла, наплавляемого в среде любого используемого защитного газа, образуется окисная пленка той или иной толщины. Состоит она из окислов, имеющих кристаллическую решетку, подобную решетке, с которой кристаллизуются соединения образующегося в процессе сварки шлака. Наличие этой пленки приводит к хими­ческому сцеплению шлаковой корки с поверхностью наплавлен­ного металла, которое затрудняет ее отделимость. Затрудняется и расплавление этой корки при наложении последующего слоя, так как она состоит из тугоплавких соединений. В результате этого при наложении последующего слоя отдельные участки образовав­шейся на предыдущем слое шлаковой корки могут оставаться не­расплавленными, что и приводит к образованию шлаковых вклю­чений в многослойном шве. Даже в случае, когда при наложении последующего слоя шлаковая корка на предыдущем слое переплав­ляется полностью, не исключено, что в отдельных (удаленных) участках ее расплав будет перегрет недостаточно, и, следовательно, будет обладать высокой вязкостью, в силу чего он не сможет всплыть на поверхность сварочной ванны и останется в закристаллизовав­шемся металле в виде шлакового включения.

Установлено, что сцепление шлаковой корки усиливается с рос­том толщины образуемого на поверхности наплавляемого металла окисного слоя [81]. Толщина этого слоя возрастает с увеличением времени взаимодействия жидкого шлака с закристаллизовавшимся металлом шва. Время это увеличивается при разогреве соединения, т. е. при сварке с предварительным и сопутствующим подогревом, а также при непрерывной многослойной сварке. Поэтому в случае многослойной сварки толщина образуемой на поверхности наплав­ляемого металла окисной пленки должна возрастать от слоя к слою. Следовательно, от слоя к слою при многослойной сварке в защитных газах аустенитной проволокой должна повышаться вероятность образования в металле шва шлаковых включений. Сказанное подтверждается тем, что в верхней части многослойного аустенитного шва, выполняемого сваркой в защитных газах, шлако­вые включения обнаруживаются даже тогда, когда их нет в нижней его части [35]. Отмеченное в некоторой степени свидетельствует о состоятельности изложенного механизма образования шлаковых включений в металле шва при многослойной сварке в защитных газах аустенитной проволокой. Это объяснение можно принять как научную основу для разработки способов предотвращения обра­зования рассматриваемого дефекта.