Низколегированные жаропрочные (теплоустой­чивые) и низколегированные среднеуглеродистые стали находят широкое применение для изготовления сварных конструкций.

Сварка низколегированных теплоустойчивых сталей

Теплоустойчивой называют сталь, обладаю­щую повышенной механической прочностью при высоких температурах и длительных постоянных нагрузках.

Наряду с обычными величинами, определяющими ме­ханические свойства стали, критерием механической проч­ности теплоустойчивой стали в нагретом состоянии служит предел ползучести и длительная прочность.

Ползучестью называется способность нагретого до опре­деленной температуры металла под воздействием длитель­ных постоянных нагрузок постепенно пластически дефор­мироваться. Эти нагрузки значительно меньше нагрузок, вызывающих деформацию металла при кратковременном нагружении. Ползучесть оценивается напряжением, при котором через определенный отрезок времени (обычно десятки, сотни тысяч часов) при заданной температуре деформации ползучести получит заранее заданное зна­чение, например 1—2 %.

Длительная прочность определяется напряжением, вызывающим разрушение металла при заданной темпера­туре за определенный отрезок времени.

Наибольшее применение получили теплоустойчивые стали при изготовлении современных паровых энергети­ческих установок, где наряду со сварными конструкциями нашли применение сложные по форме лито-сварные кон­струкции.

Для повышения теплоустойчивости сталей в их состав вводят легирующие элементы (Mo, W, V), энергично ІЮ -

вышаклцие температуру разупрочнения стали при нагреве. Для обеспечения теплоустойчивости сталей в их состав вводят хром, образующий плотную защитную пленку окислов на поверхности металлов.

Существует большое количество марок сталей с раз­личным уровнем жаропрочности: так, стали марок 15ХЛ1А, 20ХЛ1А применяют для изготовления деталей паровых турбин, работающих при температурах до 520 °С, сталь 12Х1МФ—для изготовления узлов установок, работа­ющих при температурах до 580 °С, а сталь 20ХМФЛ — до температуры 550—580 °С. Теплоустойчивые стали мо­гут быть сварены Есеми способами электрической сварки плавлением. Ручная сварка теплоустойчивых сталей про­изводится электродами с основным фтористо-кальциевым покрытием. Электроды с покрытием этого типа обеспе­чивают повышенную раскисленность металла шва при малом содержании неметаллических включений и водорода, вследствие чего достигается высокая пластичность и ударная вязкость швов. Но перед их использованием во избежание образования пор в металле шва требуется их сушка при 150—200 °С. Ручная сварка должна произво­диться возможно короткой дугой и свариваемые кромки следует тщательно зачистить от ржавчины и окалины. Ее обычно используют при монтаже котлов и паропрово­дов и сварке труб поверхностей нагрева к коллекторам, а также при сварке литых деталей турбин и заварке де­фектов в отливках.

В зависимости от условий работы конструкции под­бирается тот или иной тип, марка электрода и вид термо­обработки после сварки. Так, для ручной сварки стали 12МХ можно рекомендовать электроды типа Э-09МХ, марки ЦУ-2МХ, термообработка после сварки — отпуск; для стали марок 15ХМ, 20ХМЛ — электроды типа Э-09Х1М марок ЦУ-2ХМ, ЦЛ-38, ЗИО-20, УОНИ-13ХМ, термообработка — отпуск; для сталей марок 12Х1МФ, 15Х1М1Ф—электроды типа Э-09Х1МФ, марок ЦЛ-20, ЦЛ-45, ЦЛ-39, термообработка — отпуск; для ста­

лей марок 20ХМФ-Л, 15Х1М1Ф-Л электроды типа Э-10Х1М1НФБ, марки ЦЛ-36, термообработка сталей — нормализация и отпуск.

Для уменьшения вероятности образования кристалли­зационных трещин, а также карбидов, обусловливающего расход легирующих элементов, упрочняющих феррит, содержание углерода в металле, наплавленном ранее

указанными электродами, ие должно превышать 0,13 %. При изготовлении некоторых конструкций из листовой стали малых толщин сварка может производиться без по­догрева, а при толщине более 6 мм — с предварительным и сопутствующим подогревом. Сварку многослойных длин­ных швов следует выполнять каскадным или блочным методом (см. рис. 97).

При сварке трубчатых элементов с толщиной стенок более 6 мм и содержанием углерода более 0,18 % обяза­тельным является предварительный и сопутствующий по­догрев с таким расчетом, чтобы температура металла труб в зоне, прилегающей ко шву, во время сварки была не ниже 200 °С. Заварка стыков, как правило, должна вы­полняться без перерывов. Если имел место вынужденный перерыв, то надо обеспечить равномерное и медленное остывание, а перед возобновлением сварки снова на­греть детали до необходимой температуры.

Ручную сварку покрытыми электродами применяют при монтаже котлов и паропроводов, а в заводских усло­виях при изготовлении тройников, сварке блоков трубо­проводов и приварке труб поверхностей нагрева к коллек­торам, а также при сварке литых деталей турбин и за­варке дефектов отливок.

Сварка в углекислом газе теплоустойчивых сталей поз­воляет значительно расширить объем применения механи­зированных способов сварки в энергомашиностроении. При сварке в углекислом газе сталей марок 15ХМ, 20ХМЛ применяется сварочная проволока Св-10ХГСМА, что обеспечивает равнопрочиость сварного соединения с основным металлом по всем показателям. Для сварки в углекислом газе сталей марок 12Х1МФ, 20ХМФЛ при­меняется сварочная проволока Св-08ХГСМФА. Но в об­щих случаях сварка должна производиться с предвари­тельным и сопутствующим подогревом (см. табл. 40). Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низколегированной стали.

Состав защитного газа существенно влияет на техноло­гические характеристики процесса. Так, в СОа, С02 + 02 (менее 15% 02), Аг + СОа (более 20% С02) и Ar-j-02 + + СОа (более 20% С02) можно выполнять сварку во всех пространственных положениях. Смеси C02-f-02 (более 20% 02), Ar-f-C02 (менее 18% С02) и Ar - j - 02 - J - С02 (ме­нее 18% С02) пригодны для сварки стационарной дугой в нижнем положении. При сварке в С02 + 02 и Ar -f - С02
(более 20% С02) на всех режимах и в смесях Ar-f-O.»-}- - j-C02 (менее 15% СОа) на токах менее критических зна­чений форма провара треугольная.

Автоматическая сварка под флюсом. Эта сварка про­изводится легированными проволоками с применением малоактивных флюсов АН-22, ФЦ-11 с пониженным со­держанием оксидов марганца и кремния. Это обеспечи­вает высокие пластические свойства швов и стабильность состава многослойных швов по содержанию в них мар­ганца и кремния. Так, при сварке сталей 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ под флюсом АН-22, ФЦ-11 рекомендуется при­менять проволоку Св-08МХ, сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф под флюсом АН-22 — проволоку Св-08ХМФА, а сталей 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ под флюсом АН-22 — проволоку Св-14X1 Ml ФА.

сварке паропроводов и приварке донышек к коллекторам в заводских условиях. Аргонодуговая сварка вольфра­мовым электродом в ряде случаев выполняется без при­садочной проволоки, а когда необходима присадочная проволока для некоторых марок сталей рекомендуется

15ХМ; 20ХМЛ 20ХМФЛ Св-ОБХМФА Св-14Х1М1ФЛ

12Х2МФСР І5Х2МФБ

Св-08ХМФА Св-08ХГСМФА

Аргонодуговую сварку вольфрамовым электродом в ар­гоне, а иногда и смеси газов применяют как в заводских, так и в монтажных условиях при сварке корневых слоев кольцевых труб поверхностей нагрева котлов и паропро­водов, когда сварка стыков осуществляется без подклад­ных колец.

После окончания сварки конструкция подвергается отпуску по режиму: посадка в печь при температуре 300 °С, нагрев до 680 °С со скоростью 40—50 °С в час, выдержка при температуре 640—680 °С в продолжении 4 ч. Охлаждение до 200 °С со скоростью 40—50 °С и с по­следующим остыванием на воздухе. Следует отметить, что сварка в среде С02 теплоустойчивых сталей имеет ряд преимуществ перед сваркой под флюсом и ручной. Так, при одинаковом химическом составе, швы, выполненные в среде СОа, имеїрт более высокие показатели длительной прочности. Объясняется это тем, чте' швы, выполненные под флюсом, а также толстопокрытыми электродами, со­

держат значительно большее количество шлаковых вклю­чений, чем швы, выполненные в среде С02, а производи­тельность сварки в среде С02 в 2,5—3,0 раза выше производительности ручной сварки электродами марки ЦЛ-20А.

Сварка легированных сталей

Легированные конструкционные стали с со­держанием углерода до 0,5 % поставляются в основном по ГОСТ 4543—71, где они подразделяются по катего­риям: качественная, высококачественная — А; особовысо­колегированная — Ш.

Легированные термоустойчивые стали обычно содер­жат не более 0,25 % С и до 6 % Сг и могут быть легиро­ваны Mo, V, W и Nb. Легированные стали обладают вы­сокими механическими свойствами, что обеспечивается легированием элементами, упрочняющими феррит и по­вышающими прокаливаемость стали при соответствующей термической обработке. Легированные стали, предназна­ченные для изготовления сварных конструкций, обычно подвергают термической обработке. При высоких прочно­стных свойствах (пв — 0,6-f-2,0 МПа/мм2) легированные стали после соответствующей термической обработки по пластичности и вязкости превосходят низкоуглероди­стую сталь, обладая при этом высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние.

Эти стали используются для создания облегченных высокопрочных конструкций в ряде отраслей народного хозяйства. Данные по некоторым легированным сталям приведены в табл. 38. Повышение содержания углерода в этих сталях и введение легирующих элементов значи­тельно затормаживают распад аустенита при охлаждении; температура его распада заметно снижается, а в ряде слу­чаев в качестве конечных структур появляется мартенсит.

Склонность стали к получению закаленных структур при распаде аустенита может характеризоваться диаграм­мами изотермического распада аустенита, приведенными на рис. 137, в котором по вертикальной оси отложена температура, а по горизонтальной — время выдержки при дайной температуре (логарифмическая шкала). На С-об - разные кривые в том же масштабе наложены кривые раз­личных скоростей охлаждения 1—5.

Температура Ттп называется температурой наимень­шей устойчивости аустенита при распаде в изотермиче-

m

ских условиях. Для различных сталей она лежит в пре­делах 450—650 °С, а для большинства сталей Tmln = = 550 °С. Продолжительность инкубационного периода начала распада аустенита при Тщц, минимальна. Чем больше этот период, тем вероятнее получение мартенсита. Вид кривых изотермического распада аустенита и их расположение на диаграмме зависит от химического со­става стали. Все легирующие элементы сдвигают кривые изотермического распада вправо, т. е. увеличивают период его распада.

Рис. 137. Схема для оценки конечных структур металла по кривым устойчивости аустенита и скорости охлаждения (кри­вые 1—5)

Пользуясь диаграммами изотермического распада аус­тенита, можно установить скорость охлаждения, обеспе­чивающую наличие или отсутствие в металле тех или иных структурных составляющих. При сварке закалива­ющихся легированных сталей обычно стараются обеспе­чить пластичный металл околошовной зоны.

Расчет скорости охлаждения при сварке. Если кри­вой 4 (см. рис. 137) представить ту минимальную скорость охлаждения иохл1, при которой структура будет получа­ться полностью мартенситной, а кривой 5 — минимальную скорость охлаждения похл г, при которой мартенсит будет

полностью исключен, то эти скорости охлаждения при­ближенно могут быть вычислены по формулам:

. Т] — (Tmln — 55) .

охл1 “ 2-l,5/mIn

„ _ Ті-350

0ЇЛ2 “

где vox„ — скорость охлаждения, °С/с; Ту — температура, соответствующая точке Асг, °С; tmia — минимальная про-

і одержание основных элементов, % Si Сг N1 Мо V 0,17—0,37 0,80—1,10 0,15—0,25 — 0,90—1,20 0,80—1,10 0,90—1,20 0,80—1,10 1,40-1,80 — — 0,90—1,20 0,90—1,20 0,17—0,37 0,60—0,90 1,25-1,65 0,20—0,30 0,17—0,37 0,60—0,90 2,00—2,40 0,20—0,30 0,10—0,18 0,17—0,37 0,70—1,10 3,75—4,15 — 0,10—0,18 Механические сеоЛствз «в «т б Ч’ кси, Дж/см2 МПа/мм2 0/ /о не менее 950 850 12 45 80 800 650 12 45 70 1100 850 10 45 50 1650 1400 9 45 60 1000 800 10 45 80 900 800 10 40 90 900 700 12 50 109

должительность полного распада аустенита при непрерыв­ном охлаждении.

Температура 350 °С в формуле принята как наиболее характерная для мартенситной точки большинства кон­струкционных закаливающихся сталей. Поправка к Ттп в 55 °С в формуле (137) является обычной для многих сталей, как характеристика снижения ТШп при непрерыв­ном охлаждении по сравнению с 71mln при изотермическом распаде. Поправочный коэффициент 2 в этой формуле учп-

тывает рост зерна аустенита, соответствующий сварочному нагреву, а 1,5 вводит поправку на непрерывность охла­ждения.

Таким образом, если известна характеристика данной стали, то по формуле (13) можно подсчитать критические спорости охлаждения, обеспечивающие в околошовной зоне отсутствие закаленных структур.

Ранее уже было установлено, что погонная энергия ска­зывает влияние на основной металл (см. рис. 61). Однако скорость охлаждения в условиях сварки является реша­ющим фактором в формировании конечных структур и

свойств околошовной зо­ны, особенно при сварке закаливающихся сталей. Поэтому регулирование скорости охлаждения при сварке имеет большое зна­чение.

Теория распределения теплоты при сварке позво - * 2 3 4 1/6 ляет рассчитать скорость

Рис. 138. График зависимости без - охлаждения металла В

размерных величин со и 1/6 сварном соединении по

уравнениям:

1) при наплавке валика на полубесконечкое тело

™ ■ <Г|да>'''* ; 039>

2) при сварке пластин

= : (но,

наплавке валика на лист

2пАі (Т min — То)2

QoQ/v где Т0 — начальная температура свариваемого изделия, °С; со — безразмерная величина процесса охлаждения, которая также зависит от свойств свариваемого металла и условий сварки и определяется через другую безразмерную вели­чину 1/6 по формулам (142) и (143), а взаимосвязь обеих величин показана на рис. 138:

л______ 2<?эф/ч

О

со =

Формулы (139) и (141) приведены для случая на­плавки валика на поверхность изделия и однопроходной сварки встык, поэтому при сварке многопроходных швов встык, тавровых или нахлесточных швов, чтобы прибли­зить расчетную схему к фактически действующей рекомен­дуется в расчетные формулы вводить поправочные коэффи­циенты (табл. 39).

При сварке легированных сталей, склонных к за­калке, металл околошовной зоны в результате быстрого охлаждения приобретает структуру закалки. При этом конечная структура каждого участка зоны термического влияния будет зависеть от свойств металла, погонной энергии и размеров изделия, влияющих на скорость ох­лаждения при сварке. Струк­тура участков может быть получена либо полностью мартенситной, либо со сме­шанной структурой с тем или иным количеством более ста­бильных продуктов распада аустенита, поэтому в зоне термического влияния свар­ных соединений закаливаю­щихся сталей в процессе ох­лаждения или через некото­рое время после полного остывания образуются холодные трещины.

Для предотвращения образования трещин приходится усложнять технологический процесс. Одним из наиболее действенных приемов является подогрев изделия. Сварка производится предпочтительно с общим предварительным и сопутствующим подогревом или только сопутствующим подогревом.

Эксплуатационная надежность конструкций из ме­талла повышенной толщины может быть обеспечена лишь после стабилизации структуры и снятия напряжений пу­тем отпуска сварных соединений. При этом температура отпуска сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей должна быть не ниже 700 °С, так как выпадение дисперсных карбидов ванадия из твердого "раствора при низких температурах отпуска приводит к охрупчиванию

сварки и на рядом рас­положенных участках, что снижает напряже­ния первого рода.

Подогрев также уменьшает скорость ох­лаждения металла, что предотвращает превра­щение аустенита в мар­тенсит, которое сопро­вождается резким уве­личением удельного объема металла, вызы­вающего появление на­пряжений второго рода. Нагрев уменьшает ве­роятность появления холодных трещин, так как повышает пластич­ность и, следовательно, деформационную спо­собность металла.

При сварке тепло­устойчивых сталей не­обходимо ограничить не только нижний, но и верхний предел температуры подо­грева. Излишне высокие температуры подогрева приводят к распаду аустенита в высокотемпературной области с образованием грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей длительной прочности и необходимой ударной вязкости сварных соединений.

Рекомендуемые пределы изменения температур пред­варительного и сопутствующего подогрева некоторых теп­лоустойчивых сталей в зависимости от толщины сваривае­мых изделий приведены в табл. 40.

Сопутствующий подогрев осуществляется газовым пла­менем небольшой мощности, или индуктором, располага­емым на определенном расстоянии за сварочной дугой и перемещающимся со скоростью сварки, что увеличивает время пребывания каждого элементарного объема ме­талла околошовной зоны в диапазоне температур превра­щения аустенита, что, в свою очередь, приводит к замет­ному повышению структурной однородности сварного соединения и его конструктивной прочности. Сопутствую­щий индуктивный подогрев сварного соединения явля­ется более эффективным, так как позволяет в широких пределах и с большей точностью регулировать пара­метры термического цикла.

Подогрев снижает скорость охлаждения в области температур распада аустенита, что может быть рассчитано по формулам (142)—(143), где Т0 соответствует темпера­туре подогрева.