Глава 6. Технология сварки разнородных сталей

 

6.1 Особенности образования сварного соединения

 

В современных сварных конструкциях широко применяются конструкционные, жаропрочные и коррозионно-стойкие стали разных структурных классов. В ряде случаев отдельные части сварных конструкций целесообразно изготавливать из разнородных сталей с использованием легированной стали лишь в наиболее напряженных участках или участках, подверженных действию высоких температур, коррозионных или других сред. В таких конструкциях используют сварные соединения сталей одного структурного класса разного легирования или разных структурных классов (табл. 19).

 

Таблица 19

Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Структурный класс	Группа	Характеристика сталей	Марки
	I	Низкоуглеродистые	Ст3сп, 20 и др.
Перлитные	II	Конструкционные низкоуглеродистые и низколегированные	10ХСНД, 12ХН2, 20ХГСА
	III	Среднеуглеродистые низколегированные повышенной прочности	40Х, 30ХГСА, 40ХН2МА
	IV	Теплоустойчивые хромомолибденовые	15ХМ, 20ХМЛ, 30ХМА
	V	Теплоустойчивые хромомолибденванадиевые	12Х1МФ, 15Х1М1Ф
Мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные	VI	12% - хромистые коррозионно-стойкие	08Х13, 12Х13
	VII	Высокохромистые кислотостойкие и жаростойкие	12Х17, 15Х25Т, 14Х17Н2, Х25Н5ГМФ
	VIII	12% - хромистые жаростойкие	15Х11МФ, 15Х12ВНМФ
Аустенитно-ферритные и аустенитные стали и сплавы на железоникелеевой основе	IX	Аустенитные и аустенитно-ферритные кислотостойкие и жаропрочные	12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т, 12Х16Н9М2
	X	Жаропрочные аустенитные	ХН35ВТ, 08Х15Н24В4ТР
	XI	Жаропрочные на никелевой основе	ХН65ВМТЮ
	XI	Жаростойкие аустенитные	20Х23Н18, 20Х25Н20С2, ХН78Т

 

Наибольшее распространение получили соединения перлитных сталей с аустенитными хромоникелевыми и высокохромистыми мартенситно-ферритными сталями.

На выбор сварочных материалов, технологию сварки и эксплуатационную надежность сварных конструкций влияют условия их работы. С этой точки зрения можно выделить три типа сварных соединений (табл. 20).

Таблица 20

Условия работы и области применения сварных соединений из разнородных сталей

Условия работы	Область применения	Типы сварных узлов	Группы свариваемых сталей
При нормальных условиях (сварные конструкции общего назначения)	Строительные конструкции. Трубопроводы     Сосуды под давлением	Балки, фермы.   Присоединение вспомогательных элементов к трубам, стыки труб. Присоединение вспомогательных элементов и трубопроводов к оболочке сосуда	I и II
	Узлы машин и механизмов	Зубчатые колеса, валы, рычаги	I и II, I и III, II и III
	Узлы гидротурбин	Рабочие колеса, статоры, лопатки	II и VI, II и IX
Коррозия и повышенные температуры	Агрегаты химической и нефтехимической промышленности	Присоединение трубопроводов и узлов крепления к оболочкам сосудов; теплообменные аппараты	I и VI, II и VI, I и VII, II и VII, I иVIII, II и VIII
При высоких температурах	Узлы энергетических установок	Диафрагмы паровых турбин, стыки трубопроводов, роторы. Стыки труб поверхностей нагрева и паропроводов. Камеры сгорания и горелки. Стыки трубопроводов с корпусом реактора	I (IV) и VI (VIII), V и X.   I (IV) и IX   I и XII IV и IX

 

При сварке разнородных сталей кроме общих положений свариваемости необходимо учитывать следующие дополнительные факторы, определяющие выбор сварочных материалов, способы, режимы сварки и работоспособность сварных конструкций:

1. неоднородность состава металла шва за счет проплавления при сварке основного металла другого легирования, чем наплавленный металл;

2. развитие в зоне сплавления малопрочных и хрупких кристаллизационных и диффузионных прослоек переменного состава;

3. наличие остаточных сварочных напряжений в сталях разного структурного класса, которые не могут быть сняты термической обработкой.

Таким образом, сварные соединения разнородных сталей имеют значительную химическую, структурную и механическую неоднородность. При многослойной сварке разнородных сталей может наблюдаться химическая неоднородность металла шва, т. е. неодинаковый химический состав металла различных слоев шва. Химический состав каждого слоя шва определяется долями участия наплавленного g _н и проплавленного основного металла g ₀₁ и g ₀₂ со стороны каждой из свариваемых сталей.

При сварке второго и последующего слоев в состав металла данного слоя определенной долей будет входить металл предыдущего слоя g _{n -1} в связи, с чем содержание элемента, переходящего в шов из одной или другой свариваемой стали, будет несколько уменьшаться, а содержание элементов, переходящих в шов из наплавленного металла, немного увеличится (табл. 21).

 

Таблица 21

Доля участия основного металла при сварке перлитной и аустенитной сталей

Тип соединения	Структурный класс стали	Доля участия gо при сварке
		ручной дуговой	под флюсом	Электрошлаковой
Однослойное стыковое	Перлитная Аустенитная	0.20 - 0,40 0,30 - 0,50	0,25 - 0,50 0,40 - 0,60	0.20 - 0,4 0,30 - 0,5
Многослойное стыковое и угловое, корневые швы	Перлитная Аустенитная	0,25 - 0,50 0,35 - 0,60	0,35 - 0,60 0,40 - 0,70	- -

 

В результате несовершенства перемешивания наплавляемого металла с основным у границы сплавления со стороны шва возникают прослойки металла переменного состава. Протяженность этих прослоек обычно составляет 0,2 - 0,6 мм. При соединении сталей одного структурного класса и перлитных сталей с хромистыми (12% Сг) свойства этих прослоек в большинстве случаев имеют промежуточные значения между свойствами основного металла и металла шва (если шов выполнен электродами, обеспечивающими получение наплавленного металла того же структурного класса, что и основной металл). Наличие подобных прослоек обычно не оказывает заметного влияния на работоспособность соединения.

Если же сварку выполняют сварочными материалами, обеспечивающими получение металла шва аустенитного класса, то в рассматриваемой зоне у границы сплавления со стороны стали другого структурного класса образуются прослойки переменного состава, содержащие 3 - 12% Сг и 2 - 8% Ni, имеющие мартенситную структуру и обладающие высокой твердостью. Протяженность таких прослоек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла шва. Поэтому при выборе сварочных материалов для выполнения подобных соединений целесообразно использовать такие электроды, которые обеспечивают получение наплавленного металла с большим запасом аустенитности.

Существенное влияние на строение зоны сплавления и свойства сварного соединения оказывает развитие в ней переходных прослоек, обусловленных диффузией углерода из нелегированного металла в металл, содержащий в большом количестве энергичные карбидообразующие элементы. Такие диффузионные прослойки возникают при сварке разнородных перлитных сталей, и особенно в соединениях перлитных с высоколегированными мартенситными, ферритными и аустенитными сталями. В зоне сплавления со стороны менее легированной стали или шва образуется обезуглероженная зона, со стороны легированной составляющей - прослойка науглероженного металла высокой твердости, содержащего большое количество карбидов.

Протяженность таких прослоек зависит от разницы в легировании контактируемых материалов и достигает наибольшей величины в зоне сплавления углеродистой стали с аустенитной. В исходном состоянии (после сварки) размеры этих прослоек невелики. Наибольшего развития они достигают при нагреве до температуры 800 ⁰С и выдержке при этой температуре. Диффузия углерода в зоне сплавления вызывается разной термодинамической стойкостью карбидов в контактируемых материалах и связана с реакцией образования на границе раздела стойких карбидов за счет углерода, поступающего из нелегированной стали.

Интенсивность развития диффузионных прослоек зависит от прочности связи углерода в карбид в контактируемых материалах. При контакте высоколегированного шва с углеродистой сталью диффузионные прослойки образуются при наличии в шве таких карбидообразующих элементов, как хром, молибден, вольфрам, ванадий, марганец, ниобий, титан.

Количество углерода в менее легированном металле определяет ширину науглероженной и обезуглероженной прослоек. При меньшем содержании углерод диффундирует из более отдаленных объемов металла, и ширина обезуглероженной прослойки увеличивается. Повышение содержания углерода увеличивает и протяженность науглероженной прослойки. Интенсивность этого процесса зависит также от температуры и времени.

Интенсивность процесса диффузии углерода, а следовательно и степень химической неоднородности у границы сплавления можно снизить за счет замены углеродистой стали низколегированной с малым содержанием углерода и наличием элементов-карбидообразователей в количестве, достаточном для полного связывания углерода.

В соединениях метастабильных перлитных сталей с высоколегированной сталью уменьшить химическую неоднородность вблизи границы сплавления можно предварительной облицовкой кромок перлитной стали более стабильным перлитным наплавленным металлом; включением промежуточных конструкционных элементов из более стабильной перлитной стали; ограничением температуры эксплуатации в месте соединения перлитной стали с аустенитной путем рационального проектирования конструкции; отказом от термообработки сваренного изделия или снижением температуры отпуска до значений, при которых ширина обезуглероженной прослойки будет иметь минимальные размеры; промежуточной наплавкой на кромки перлитной стали высоконикелевого слоя. Наличие диффузионных прослоек влияет на работоспособность сварных соединений. Вероятность разрушений по зоне сплавления связана с появлением в этой зоне объемного напряженного состояния и увеличением хрупкости пограничных участков шва. Кроме этого, может произойти разрушение по металлу обезуглероженной прослойки со стороны менее легированной стали ввиду его меньшей прочности при воздействии коррозионной среды и напряжений, а также коррозионное растрескивание по обезуглероженной прослойке.