1. Сварка высокохромистых разнородных сталей

В современных металлоконструкциях в ряде случаев возникает необходимость высоколегированные стали сваривать не только со средне - и низколегированными или обычными углеродистыми, но и между собою. При этом необходимо соединять стали разных клас­сов, например высокохромистые мартенситные с ферритными или аустенитными или перечисленные стали со сталями переходного класса (аустенито-ферритными, аустенито-мартенситными и мар­тенсито-ферритными). Сварка таких разнородных сталей имеет свои особенности.

Высоколегированные хромистые стали объединяют стали мар­тенситного, ферритного и мартенсито-ферритного классов. Наиболее распространенными в сварочном производстве являются мартенсит­ные стали 15Х11МФ, 18Х1ШНФБ, 11Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ, 16X11Н2В2МФ, 20X13, 25Х13Н2, 13Х14НЗВ2ФР; ферритные — 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х18СЮ и мартенсито-ферритные стали 15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР, 12X13, 14Х17Н2. Пере­численные стали мало отличаются по содержанию основных леги­рующих элементов. Поэтому для их сварки нет надобности приме­нять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва химического состава, промежуточного между составом свари­ваемых сталей. Они во всех сочетаниях могут свариваться с приме­нением материалов, предназначенных для сварки любой из исполь­зуемых в данном соединении стали. В этом состоит первая особен­ность сварки высокохромистых разнородных сталей.

Основная же особенность сварки рассматриваемых сталей обус­ловлена тем, что в зоне термического влияния их либо образуется малопластичная структура (мартенситные стали), либо происходит
чрезмерный рост зерна, приводящий к значительному снижению ударной вязкости (ферритные стали). Поэтому необходимо при­нимать меры, исключающие образование околошовных трещин или уменьшающие снижение вязких свойств в зоне термического влия­ния свариваемой стали, которое здесь не может быть восстановлено даже последующей термической обработкой.

Вероятность образования околошовных трещин, как это сле­дует из гл. I, в значительной мере зависит от степени снижения в зоне термического влияния пластических свойств свариваемой стали. Это снижение зависит от химического состава свариваемой стали, и прежде всего от содержания углерода и легирующих эле­ментов, снижающих температуру у —>- М превращения и упрочняю­щих твердый раствор. При определенном химическом составе стали вероятность образования околошовных трещин зависит от погонной энергии сварки, т. е. от ее режима. С понижением погонной энергии (снижение тока или повышение скорости сварки) металл околошов - ной зоны охлаждается быстрее, вследствие чего повышается степень его закалки и поэтому увеличивается вероятность образования околошовных трещин.

Следует отметить, однако, что возможность предотвращения околошовных трещин при сварке сталей мартенситного класса изменением режима сварки ограничена. Поэтому сварка их про­изводится, как правило, с высоким (250—300° С) подогревом, а сварное соединение непосредственно после сварки подвергается отпуску при температуре 700—750° С. Лишь при небольших толщи­нах (до 10 мм) и при отсутствии жестких закреплений соединяемых элементов сварку мартенситных сталей можно производить без подогрева. Если эти стали используются в конструкциях, предназ­наченных для эксплуатации без динамических (ударных) нагрузок, сварку их без подогрева можно производить и при больших толщи­нах. Но в этом случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитного класса. Од­нако сварные соединения высокохромистых мартенситных сталей с аустенитным швом имеют существенный недостаток. Прочность металла их шва значительно ниже прочности свариваемой стали. Кроме того, в зоне сплавления таких соединений в процессе терми­ческой обработки возможно такое изменение структуры сплавляе­мых металлов, которое приводит к снижению работоспособности конструкции. Поэтому сварку сталей мартенситного класса с при­менением материалов, обеспечивающих получение аустенитного металла шва, рекомендуется производить лишь в конструкциях, которые не подвергаются термической обработке, а в случае необ­ходимости — лишь в конструкциях, эксплуатируемых при стати­ческих нагрузках без значительных давлений.

Рост зерна в зоне термического влияния высокохромистых ста­лей ферритного класса зависит от времени пребывания металла этой зоны при температурах выше 1100° С, т. е. прежде всего от по­гонной энергии сварки. Чем больше погонная энергия сварки (выше мощность дуги, меньше скорость сварки), тем больше время пребывания металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, тем крупнее образуются зерна. Поэтому конструкции, в которых используются высокохромистые стали фер­ритного класса, следует сваривать на режимах, обеспечивающих минимально возможную погонную энергию, т. е. максимально сни­жать ток и максимально повышать скорость сварки.

Время выдержки металла зоны термического влияния при тем­пературах, вызывающих рост зерна, зависит также от степени ра­зогрева выполняемого соединения. Чем выше его разогрев, тем медленнее охлаждается металл зоны термического влияния и тем больше времени пребывает он при температурах, вызывающих рост зерна. По этой причине конструкции, в которых используются вы­сокохромистые ферритные стали, не следует сваривать с подогре­вом. Более того, многослойную сварку таких конструкций необ­ходимо производить с охлаждением после наложения каждого слоя до минимально возможной температуры, вплоть до комнатной. В случае изготовления конструкции, в которой высокохромистая ферритная сталь должна свариваться со сталью мартенситного класса, сварку которой, как показано выше, следует производить с подогревом, чтобы избежать вредного влияния его на околошов - ную зону ферритной стали, свариваемые кромки последней облицо­вываются слоем металла, менее склонного к росту зерна. Толщина этого слоя должна быть не меньше ширины участка перегрева, при­сущей используемому режиму сварки, т. е. 5—6 мм.

Зачастую конструкции из высокохромистых разнородных сталей должны обладать необходимой коррозионной стойкостью в жид­ких агрессивных средах. Воздействие же на эти стали термического цикла сварки, для которого характерны высокотемпературный на­грев и быстрое охлаждение, приводит к потере общей коррозион­ной стойкости в зоне термического влияния и появлению склон­ности к межкристаллитной коррозии. Поэтому для того, чтобы полу­чить сварное соединение, стойкое против коррозии, его следует под­вергать отпуску по режиму, применяемому для обработки стали соединения, требующей более низкой температуры отпуска.

Как уже указывалось, для сварки высокохромистых сталей, особенно мартенситного класса, нередко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитной структуры. При изготовлении конструкций, предназначенных для работы в агрессивных средах, следует учитывать, что наплавленный металл аустенитного класса, если он является хромоникелевым спла­вом, из-за большого содержания никеля в серосодержащих средах склонен к сульфидной коррозии. Такой наплавленный металл взаи­модействует с сернистыми соединениями, образуя сульфиды ни­келя и эвтектику Ni— Ni3S2. Поэтому для упомянутых конструк­ций аустенитные материалы, если их использование неизбеж­но, следует применять другого типа, например, хромомарган­цевые.

При соблюдении указанных рекомендаций для сварки высоко­хромистых разнородных сталей как мартенситных с ферритными или мартенсито-ферритными, так и ферритных с мартенсито-фер­ритными наиболее целесообразно применять сварочные материа­лы, обеспечивающие металл шва мартенсито-ферритного] или фер­рито-аустенитного класса. В таком металле значительно мельче зерно по сравнению с ферритным и поэтому пластические и вязкие свойства его выше. В состоянии после сварки он более пластичен чем сталь мартенситного класса.

Ниже приведен один из вариантов сварочных материалов, ре­комендуемых для различных видов сварки высокохромистых разно­родных сталей (мартенситных с ферритными, мартенситных с мар­тенсито-ферритными; ферритных с мартенсито-ферритными):