Сварка разнородных сталей имеет свои специфические особенности, обусловленные необходимостью получения сварных соединений, способных работать в особых условиях.

При сварке разнородных сталей в сварном соединении могут образовываться околошовные трещины — отколы, располагающие­ся обычно вдоль границы сплавления на некотором расстоянии от нее. Возникают эти трещины, как правило, в том случае, если в ком­бинированной конструкции используются стали, склонные к закал­ке: высоколегированные мартенситные или низко - и среднелегиро­ванные перлитные.

Трудность сварки разнородных сталей в металле шва состоит и в том, что могут появиться горячие трещины, под которыми принято понимать трещины, образующиеся при температурах, на­ходящихся в области солидуса металла шва. В конструкциях, ком­бинируемых из разнородных сталей, свариваются высоколеги­рованные стали с низко - или среднелегированными и углеродисты­ми. В большинстве случаев, особенно когда в качестве специальной стали используется аустенитная, сварка производится с примене­нием материалов, обеспечивающих высоколегированный металл шва, который весьма склонен к образованию горячих трещин.

Отмеченные трудности встречаются не только при изготовлении конструкций, комбинируемых из разнородных сталей. Способы их предотвращения уже достаточно известны и определяются теми причинами, которые вызывают образование трещин в сварном со­единении.

Околошовные трещины-отколы неоднократно рассматривались в литературе. Однако механизм образования этих трещин и при­чины их возникновения еще не достаточно ясны и для их объясне­ния выдвинуты две гипотезы.

Согласно первой гипотезе, названной закалочной, отколы возни­кают в результате закалочных явлений, происходящих в околошов­ной зоне легированных сталей. При сварке сталей, склонных к за­калке, в околошовной зоне вследствие образования мартенсита, обладающего из всех структурных составляющих наибольшим удельным объемом, возникают структурные напряжения, которые вызывают микротрещины. Под действием сварочных напряжений микротрещины развиваются и переходят в макротрещины, наблю­даемые при изготовлении сварного соединения или в процессе его эксплуатации.

Вторая, так называемая водородная, гипотеза основана на том, что главной причиной образования трещин в околошовной зоне закаливающихся сталей является насыщение этой зоны водородом путем диффузии его из металла шва. Для доказательства исполь­зуется тот общеизвестный факт, что замена феррито-перлитных электродов аустенитными исключает появление отколов. Согласно

водородной гипотезе, отсутствие отколов при сварке аустенитными электродами обусловлено тем, что в аустенитном металле раство­римость водорода значительно больше, чем в феррито-перлитном. Резкое падение растворимости водорода в феррито-перлитном ме­талле шва при фазовом превращении последнего приводит к диффу­зии этого элемента в околошовную зону, где в это время, вследствие большей легированное™ свариваемого металла по сравнению с металлом шва, сохраняется еще аустенитная структура. В резуль­тате при одинаковом количестве усвоенного сварочной ванной во­дорода в случае сварки феррито-перлитными электродами около - шовная зона насыщается им значительно больше. Выделяясь при последующем распаде аустенита околошовной зоны, атомарный водород скапливается в местах физической несплошности этой зоны (пустые места решетки, стыки мозаичных блоков, границы зерен и др.) и переходит в молекулярное состояние. При этом развива­ются большие давления, вызывающие образование надрывов, кото­рые затем развиваются в трещины, обнаруживаемые в околошов­ной зоне.

Появилось и другое представление о механизме влияния водо­рода на образование холодных трещин в околошовной зоне, соглас­но которому насыщение водородом металла шва околошовной зоны снижает его сопротивляемость замедленному (задержанному) раз­рушению, что и увеличивает вероятность образования надрывов.

Однако указанные гипотезы вызывают следующие возражения.

Водородной гипотезе противоречит ряд факторов, наблюдаемых в практике сварки закаливающихся сталей. С ее помощью нельзя удовлетворительно объяснить, например, тот общеизвестный факт, что с увеличением содержания углерода склонность стали к обра­зованию трещин резко увеличивается. Эта гипотеза не объясняет также, почему при прочих равных условиях трещины часто возни­кают в случае сварки стыковых швов и отсутствуют при выполне­нии наплавочных слоев (наплавка отдельных валиков или широко применяемая в практике сварки закаливаемых сталей предвари­тельная облицовка свариваемых кромок). Противоречит водородной гипотезе и тот общеизвестный факт, что склонность стали к обра­зованию трещин в околошовной зоне повышается с увеличением ее толщины.

Вместе с тем некоторые эксперименты показывают, что можно вызвать трещины в околошовной зоне, насыщая шов водородом 139]. Однако считать эти эксперименты подтверждением опасного насыщения околошовной зоны водородом нет оснований. Выделен­ный из металла шва водород прежде всего будет скапливаться в несплошностях самого металла шва, возникновению которых спо­собствует ускоренная его кристаллизация в условиях сложно на­пряженного состояния. При этом атомарный водород переходит в молекулярный, который не способен к диффузии.

Сказанное не означает, что водород не влияет на образование трещин в околошовной зоне закаливающихся сталей. По мнению

«штора, он является не основной причиной появления трещин, а лишь усугубляющим фактором. Возникшие в указанных экспериментах при насыщении шва водородом трещины в околошовной зоне сле­дует связывать не со скоплением водорода в этой зоне, а с пониже­нием пластичности самого металла шва, насыщенного водородом. Снижение пластичности металла шва создает неблагоприятное на­пряженное состояние околошовной зоны, что, как будет показано пиже, и увеличивает вероятность образования в ней трещин.

Закалочной гипотезе в том виде, как она была сформулирована первоначально, также противоречит ряд факторов, наблюдаемых в практике сварки закаливающихся сталей. Известно, например, что сталь ЗОХГСА малых и средних толщин успешно сваривается, хотя в околошовной зоне образуется мартенсит. Без трещин в около­шовной зоне при наличии в ней мартенсита свариваются закали­вающиеся стали в случае приме­нения предварительного или со­путствующего подогрева. Нако­нец, общеизвестно, что при на­плавке отдельных валиков тре­щины-отколы отсутствуют даже в том случае, если она произво­дится на сталь, при сварке ко­торой стыковым швом отколы неизбежно образуются. Однако если в закалочной гипотезе

с выделением углерода [76]. По своему строению мартенсит является кристаллическим веществом с тетрагональной решеткой [44], сте­пень тетрагональности которой — величина переменная и опреде­ляется содержанием углерода в твердом растворе. С выделением углерода из твердого раствора тетрагональная решетка постепенно изменяет свои параметры в сторону приближения их к параметру а-железа.

Различная тетрагональность решетки и придает различные свой­ства мартенситу. Мартенсит с решеткой, обладающей низкой сте­пенью тетрагональности, менее хрупок, имеет меньший удельный объем [52] и, следовательно, вызывает меньшие структурные на­пряжения. Кроме того, уменьшение степени тетрагональности решетки мартенсита способствует повышению подвижности дис­локаций и тем самым облегчает релаксацию напряжений в местах их концентрации. Следовательно, с уменьшением тетрагональ­ности решетки образующегося в зоне термического влияния мар­тенсита должна уменьшаться вероятность образования околошов - ных трещин.

При данном содержании углерода в стали тетрагональность решетки мартенсита определяется температурой мартенситного пре­вращения. Чем ниже температура, при которой совершается мар­тенситное превращение, тем выше степень тетрагональности решет­ки и, следовательно, тем больше вероятность образования трещин. Известно, что опасность возникновения закалочных трещин при мартенситном превращении уменьшается с повышением темпера­туры, при которой совершается такое превращение [27, 76]. Это объясняется тем, что при более высоких температурах (выше 150° С и особенно выше 200° С) мартенситное превращение проис­ходит с самоотпуском, т. е. образующийся мартенсит быстро от­пускается, теряет свою твердость и приобретает способность к не­которой пластической деформации, достаточной для уменьшения пиковых значений структурных напряжений [76]. К этому следует добавить еще и тот общеизвестный факт, что с повышением темпе­ратуры мартенситного превращения количество остаточного аус­тенита увеличивается, что также способствует релаксации напря­жений.

Основным фактором, определяющим температуру мартенсит­ного превращения, является, как известно, температура его нача­ла, т. е. мартенситная точка (Мн) стали. Чем выше мартенситная точка, тем меньшая доля превращения останется на область более низких температур [271. Из всех факторов, определяющих мартен­ситную точку, решающим является химический состав стали: мар­тенситная точка тем выше, чем меньше содержится в стали угле­рода, марганца, хрома, никеля и молибдена, причем основное влияние оказывает содержание углерода. Следовательно, с пони­жением содержания углерода склонность стали к образованию трещин должна уменьшаться, что и соответствует действитель­ности.

I la температуру мартенситного превращения существенное вли­яние оказывает также напряженное состояние металла и его плас­тическая деформация. Давление по трем осям повышает устойчи­вости аустенита и снижает температуру его распада [68]. Давление но одной или двум осям, вызывающее пластическую деформацию, смещает мартенситное превращение в область более высоких тем­не ратур [58].

Таким образом, воколошовной зоне сварного соединения зака­ливающихся сталей температура мартенситного превращения и, следовательно, образование трещин должны в значительной сте­пени определяться собственными напряжениями первого рода, вы­зываемыми сваркой.

Сварка, как правило, вызывает объемные (трехосные) напряже­ния. Однако в зависимости от величины отдельных составляющих лих напряжений различают линейное, плоскостное и объемное па пряженные состояния. При сварке стыковых швов с увеличе­нием толщины свариваемого металла создаются условия для появ­ления объемных напряжений, что у закаливающихся сталей спо­собствует сдвигу мартенситного превращения в область более низ­ких температур. Склонность закаливающихся сталей к образованию трещин в околошовной зоне с увеличением толщины возрастает. 15 случае наплавки отдельного валика или облицовки кромок зака­ливающихся сталей возникают двухосные напряжения, которые способствуют протеканию мартенситного превращения в области более высоких температур. В этом случае отколы в закаливающихся сталях не наблюдаются.

С позиции отмеченного эффекта превращения мартенсита в об­ласти более высоких температур (верхняя область мартенситного превращения) получает более строгое толкование физическая сущ­ность и принцип выбора оптимальной температуры предваритель­ного или сопутствующего подогрева. При сварке с подогревом ме­талл околошовной зоны охлаждается медленно, особенно в области мартенситного превращения. В результате основной объем этого превращения происходит в области температур, при которых оно сопровождается самоотпуском. Отсюда следует, что целесообраз­нее подогрев до температур, близких к мартенситной точке свари­ваемой стали.

Положительное действие смещения мартенситного превращения в область более высоких температур позволило более строго,'"чем при водородной гипотезе, объяснить установленную практикой и ставшую широко известной возможность сварки закаливающихся сталей без подогрева путем применения сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва аустенитного класса. При аустенитном шве в сварном соединении создается иное, чем в со­единении с феррито-перлитным швом, распределение сварочных на­пряжений. При аустенитном шве в околошовной зоне возникает напряженное состояние, которое протекающее здесь мартенситное превращение смещает в область более высоких температур, в силу

чего происходит оно с самоотпуском. При этом из твердого раствора выделяется углерод, вследствие чего уменьшаются тетрагональ - ность решетки мартенсита и, следовательно, ее искажение, вызван­ное превращением аустенита в мартенсит. В результате мартенсит, образующийся в околошовной зоне, при аустенитном шве имеет меньшую твердость и вызывает меньшие напряжения второго рода, чем при феррито-перлитном, что и увеличивает стойкость околошовной зоны против образования трещин.

Таким образом, для предотвращения отколов при сварке зака­ливающихся сталей необходимы следующие условия: применение технологии, способствующей развитию происходящего в околошов­ной зоне мартенситного превращения в области температур, близ­ких к мартенситной точке свариваемой стали, и исключение усло­вий, способствующих насыщению сварочной ванны и, следовательно, металла шва водородом. Мартенситному превращению в области температур, близких к мартенситной точке, содействуют медленное охлаждение сварного соединения ниже мартенситной точки (за­медлить охлаждение здесь можно с помощью предварительного или сопутствующего подогрева), а также устранение или снижение объемных напряжений, вызываемых сваркой (существенным здесь является повышение пластичности металла шва — сварка аусте­нитными электродами — или применение предварительной обли­цовки свариваемых кромок).

Все эти требования удовлетворяются используемыми в настоя­щее время способами сварки закаливающихся сталей — сваркой перлитными электродами с подогревом и сваркой аустенитными электродами без подогрева. Следует отметить, однако, что оба спо­соба не обеспечивают’ полного решения проблемы сварки закалива­ющихся сталей, особенно в современном сварочном производстве: в перлитном шве часто образуются трещины, в аустенитном— нель­зя получить высокий предел текучести.

Изложенное современное представление о причинах образова­ния околошовных трещин позволяет наметить новый способ сварки закаливающихся сталей. Поскольку аустенитный металл шва ока­зывает положительное влияние на предотвращение околошовных трещин, сварку закаливающихся сталей можно производить с ис­пользованием сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва с задержанным распадом аустенита в нем до темпера­тур 200° С и ниже. В этом случае околошовная зона свариваемой закаливающейся стали по условиям происходящего в ней мартен­ситного превращения будет близка к околошовной зоне сварного соединения, выполненного аустенитными сварочными материа­лами. А это значит, что сварку закаливающихся сталей мате­риалами, обеспечивающими получение металла шва с указан­ным распадом аустенита, можно производить без подогрева.

Если при этом применить сварочные материалы, обеспечиваю­щие получение металла шва, аустенитная структура которого рас­падается с образованием структуры, придающей металлу высокую

прочность, то новый способ сварки позволит получить металл шва с высокими прочностными характеристиками.

Практическим осуществлением нового способа сварки закали­вающихся сталей может быть использование сварочных материа­лов, обеспечивающих в металле шва химический состав и структуру низкоуглеродистых мартенситных сплавов (мартенситные стали) или сплавов переходного класса (аустенито-мартенситные стали). Как известно, аустенито-мартенситные и малоуглеродистые мартен­ситные стали получают свою структуру только при температурах 100—160° С (мартенсито-стареющие стали) и даже при 20—60° С (аустенито-мартенситные стали). До этих температур в них сохра­няется структура аустенита. Следовательно, металл шва аустенито­мартенситного или мартенситного класса в период происходящего в околошовной зоне мартенситного превращения сохраняет физико­механические свойства, присущие аустенитному металлу. В резуль­тате основной объем этого превращения должен происходить в верхней его области и поэтому оно будет протекать с образованием благоприятных продуктов, что и исключает надобность подогрева при сварке.

В металле шва мартенситного или аустенито-мартенситного клас­са распад аустенитной структуры происходит с образованием мар­тенситной или аустенито-мартенситной структуры, которые при­дают металлу высокую прочность при достаточных в большинстве случаев пластических и вязких характеристиках. При традицион­ных способах сварки закаливающихся сталей такую прочность металла шва можно получить только при сварке с подогревом, кото­рый, как отмечалось, существенно усложняет условия работы свар­щика и не всегда может быть осуществлен.

В современном сварочном производстве применение материалов, обеспечивающих металл шва из сталей аустенито-мартенситного или мартенситного класса, следует считать основным способом свар­ки закаливающихся сталей. Обусловлено это тем, что в настоящее время для изготовления сварных конструкций все чаще приме­няются закаливающиеся высокопрочные стали. При сварке таких сталей необходимо не только исключить образование околошовных трещин, но и обеспечить довольно высокие механические свойства металла шва. Использование здесь традиционного способа сварки закаливающихся сталей, заключающегося в применении материа­лов, обеспечивающих получение металла шва аустенитного класса, не позволяет получить требуемое сварное соединение из-за не­достаточных прочностных свойств этого металла. Не всегда пред­ставляется возможным получить требуемое соединение таких сталей и вторым традиционным способом сварки закаливающихся сталей, который состоит в применении предварительного или сопутствую­щего подогрева и сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва из низко - или среднелегированной стали. В ряде слу­чаев для сварки этих сталей требуется такое легирование металла, при котором в нем возникают либо холодные, либо кристаллиза-

ционные (горячие) трещины. Как показали исследования автора, выполненные совместно с В. В. Снисарем, А. Л. Купоревым и

Э. Л. Демченко, применение материалов, обеспечивающих металл шва с аустенито-мартенситной структурой или со структурой высо­колегированного безуглеродистого мартенсита, позволяет со­временные закаливающиеся высокопрочные стали успешно сва­ривать без подогрева, получая при этом требуемые сварные со­единения.

Горячие трещины в металле шва являются весьма распростра­ненным дефектом высоколегированного металла шва, особенно аустенитного. Образование их в настоящее время связывают с на­личием в нем прослоек незакристаллизовавшейся жидкости. Ве­роятность образования этих трещин определяется соотношением величины растягивающих напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева свариваемого металла, а также кристал­лизации сварочной ванны и охлаждения сварного соединения, и пластическими свойствами металла шва в так называемом эффек­тивном интервале кристаллизации. Под этим интервалом понимают часть интервала кристаллизации, в котором металл шва находится в двухфазном твердо-жидком состоянии. Началом" его (верхней границей) является срастание дендритов в общий каркас, концом (нижней границей) — полное затвердевание металла шва, т. е. температура реального солидуса. Полагают, что металлу в твердо­жидком состоянии присуща высокая хрупкость, поэтому эффектив­ный интервал кристаллизации называют также температурным интервалом хрупкости (ТИХ). По мнению автора, этот термин более приемлем, но, как будет показано далее, нижнюю границу температурного интервала хрупкости следует ограничивать не ли­нией солидуса, как это принято сейчас, а несколько (порядка 50— 100° С) ниже.

Как видно из изложенного, образование горячих трещин в ме­талле шва связывается с его первичной кристаллизацией, в резуль­тате чего эти трещины часто называют кристаллизационными.

Согласно существующему представлению, горячие трещины в металле шва образуются в том случае, если в температурном ин­тервале хрупкости величина деформации превысит пластичность, которую приобретает к этому времени затвердевший металл. Если же деформация затвердевшего металла в этом интервале не достиг­нет его пластичности, трещины не образуются.

Предполагается, что наличие жидких прослоек ослабляет сече­ние затвердевшего металла и тем самым способствует его разруше­нию. В связи с этим принято считать, что если к моменту возник­новения ощутимых растягивающих напряжений металл шва успел полностью затвердеть, образование горячих трещин в нем исклю­чено.

Образование горячих трещин в металле шва, по мнению автора, не следует связывать только с наличием в нем жидких прослоек. Трещины могут возникать и после полного его затвердевания.

Основанием для такого утверждения является тот факт, что во всех материалах при температурах, близких к солидусу, существует так называемый интервал хрупкого разрушения, в котором мате­риал находится в твердом состоянии, но пластичность его прибли­жается к нулю [38]. Эго обстоятельство, а также то, что к моменту полного затвердевания металла шва возникают ощутимые растяги­вающие напряжения, позволяет считать, что именно в этот момент наиболее вероятно образование трещин. Кроме того, появились жспериментальные данные [95], которые показывают, что горячие трещины в металле шва возникают именно после полного его за­твердевания. Сказанное и явилось основанием считать температур­ный интервал хрупкости, с которым принято связывать образование юрячих трещин, более широким, чем эффективный интервал крис­таллизации.

Из изложенного следует, что стойкость металла шва против образования горячих трещин, или, как ее еще называют, технологи­ческая прочность металла шва, зависит от его хрупкости и пластич­ности в этом интервале, а также интенсивности нарастания растя­гивающих напряжений (темпа деформации). Чем шире указанный интервал и ниже пластичность, тем ниже стойкость металла шва против образования трещин.

Ширина температурного интервала хрупкости металла шва определяется его химическим составом. Весьма важное значение имеет содержание элементов, образующих легкоплавкие соединения и эвтектики, которые, затвердевая последними, располагаются по границам столбчатых кристаллитов, в силу чего вероятность по­явления трещин увеличивается.

Легкоплавкую эвтектику, особенно в высоколегированных ста­лях, которые в большинстве случаев содержат никель, образует прежде всего сера. Сернистоникелевая эвтектика (Ni—NiS) обла­дает весьма низкой температурой плавления (645° С) и поэтому располагается по границам зерен (столбчатых кристаллов) металла шва. Следовательно, для предотвращения горячих трещин в ме­талле шва необходимо прежде всего уменьшить содержание серы. Кроме серы, ликвирующими элементами, образующими относитель­но легкоплавкие интерметаллидные соединения или эвтектики и тем самым способствующими образованию горячих трещин в аустенит­ном металле шва, являются углерод, фосфор, кремний, ниобий. Поэтому содержание их также следует снижать.

Другим способом предотвращения появления горячих трещин в металле шва путем выбора соответствующего его состава является легирование элементами, улучшающими механические свойства, и прежде всего пластичность межкристаллических прослоек. В аус­тенитном металле шва с двухфазной структурой это достигает­ся легированием элементами, образующими неаустенитную фазу (б-феррит, карбиды, нитриды и др.), располагающуюся по границам кристаллов [45, 51]. Получение металла шва с двухфазной, особен­но аустенито-ферритной (у + б-феррит) структурой в настоящее

время ипщі ііи основным способом предотвращения появления горячих tiMiii. ilи при сварке аустенитных сталей.

И ііі ічіщлегированных однофазных сплавах (чистоаустенитный м< | і і і ими) горячие трещины образуются по полигонизационным і р. шипам, появляющимся в закристаллизовавшемся металле при и'мпграгуре несколько нижелинии солидуса в результате движения п і руниировки дислокаций и вакансий [55]. Установлено, что пред - отратить в таком металле появление трещины можно, легировав его элементами, которые уменьшают подвижность дислокаций и тем самым смещают температурный интервал полигонизации в область более низких температур, что частично или полностью тормозит выделение полигонизационных границ. Для сплавов аустенит­ного класса на никелевой и железной основе такими элементами являются молибден, вольфрам, тантал, рений и др. [55].

Сварке разнородных сталей присущи также специфические труд­ности. Одна из них вызвана возможностью образования в металле шва так называемых холодных трещин, которые возникают в остывшем уже сварном соединении даже спустя 10—20 ч после сварки.

Основная специфическая трудность сварки разнородных ста­лей, как свидетельствуют многочисленные исследования [15, 82], обусловлена тем, что в зоне их сплавления[1] может происходить значительное изменение структуры сплавляемых металлов[2]. В ре­зультате здесь образуются прослойки разупрочненного или охруп - ченного металла. Разупрочнение или охрупчивание в зоне сплав­ления разнородных сталей может быть настолько сильным, что происходит преждевременное (аварийное) разрушение сварного соединения. В практике эксплуатации сварных соединений разно­родных сталей известно немало случаев хрупких разрушений по зоне сплавления, хотя каждый из свариваемых металлов в отдель­ности имеет высокую вязкость. Такое изменение структуры металла в зоне сплавления разнородных сталей условно названо образова­нием структурной неоднородности.

Специфической трудностью сварки разнородных сталей, осо­бенно аустенитных с неаустенитными, с точки зрения получения надежно работающего соединения, является неизбежное наличие в нем остаточных напряжений, которые во многих случаях дости­гают значительных величин и имеют неблагоприятное распреде­ление. Последующая термическая обработка, с помощью которой

обычно устраняются сварочные напряжения в так называемых од­нородных соединениях, в соединениях разнородных сталей только ухудшает их распределение и поэтому не может быть признана це­лесообразной.

Таким образом, для получения качественных и надежно рабо­тающих сварных соединений необходимо применить технологию сварки, которая исключает образование околошовных трещин при использовании в свариваемой конструкции закаливающихся ста­лей; обеспечивает получение металла шва без горячих трещин; не вывывает чрезмерного разбавления высоколегированного металла менее легированным; исключает образование структурной неодно­родности в зоне сплавления как в процессе получения сварного соединения, так и при последующем его нагреве (термообработка, эксплуатация в условиях высоких температур); обеспечивает полу­чение сварного соединения, в котором сплавляемые металлы имеют близкие коэффициенты линейного расширения.

Сварные соединения разнородных сталей, полученные с приме­нением технологии, разработанной с учетом указанных требова­ний, являются вполне приемлемыми как по результатам различ­ного рода испытаний в лабораторных условиях, так и по данным их работы в реальных конструкциях.