Выбор метода и способов сварки

При назначении материалов для конструкции из разнородных сталей и технологии ее изготовления необходимо учитывать особенности строения сварного соединения из разнородных сталей, а именно, достаточно выраженную химическую, структурную и механическую неоднородность.

При изготовлении комбинированных сварных конструкций из разнородных сталей, также как и при сварке сталей одного легирования, может использоваться большинство имеющихся методов сварки плавлением. Выбор наиболее рационального из них для заданного изделия определяется прежде всего условиями получения конструкции свободной от дефектов, с минимальными затратами, и зависит от типа соединения, марок свариваемых сталей и серийности их изготовления. Возможно применение разделок кромок, используемых для конструкций из сталей одной марки.

При сварке между собой сталей одного структурного класса каких - либо ограничений к выбору метода сварки и ее режима, учитывающих разнородность соединения, можно обычно не вводить, в связи с тем, что в пределах одного структурного класса теплофизические свойства сталей заметно не отличаются друг от друга. Свойства переходных слоев шва за счет проплавления основного металла в подобных соединениях также не отличаются от свойств наплавленного металла.

В отличии от этого при сочетании в одном узле сталей разных структурных классов и прежде всего перлитной стали с аустенитной, выбор метода и режима сварки должен производиться с учетом дополнительного требования сведения к минимуму проплавления разнородного основного металла. Это требование обусловлено возможностью появления в переходных слоях шва, примыкающих к разнородному по составу основному металлу, хрупких закаленных структур и трещин.

Ручная дуговая сварка до настоящего времени остается основным способом при изготовлении сварных конструкций из разнородных сталей. Основным преимуществом в данном случае является гибкость процесса и возможность обеспечения сравнительно умеренных степеней проплавления. С этой же точки зрения рационально использование методов сварки и наплавки под флюсом, которые обеспечивают минимальное проплавления основного металла - сварка расщепленной дугой, наплавка ленточным электродом и др.

Широкие возможности при выполнении изделий из перлитных сталей

разного легирования и перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными имеет сварка в среде СО₂, а для узлов из высоколегированных сталей - сварка в среде инертных газов.

При различных методах сварки плавлением требования сведения к минимуму доли основного металла в сварном шве достигается обычно ведением процесса на режимах с минимальной силой тока при умеренных скоростях.

Выбор сварочных материалов

Для наиболее распространенных способов сварки плавлением свойства сварных соединений разнородных сталей в большой степени зависят от выбора сварочных материалов. От легирования наплавленного металла существенно зависит возможность образования в переходных слоях шва хрупких структур и трещин, а также интенсивность развития в зоне сплавления кристаллизационных и диффузионных прослоек. В зависимости от сочетания свариваемых сталей, технологии изготовления и режима эксплуатации конструкции, применяемые сварочные материалы по своему составу могут быть близки к менее или более легированной стали, а в ряде случаев и заметно отличаться от них.

В комбинированных сварных конструкциях металл сварного шва по своей прочности может удовлетворять требованиям менее прочной из сталей. Обычно сварные швы по механическим свойствам и жаропрочности близки или даже превосходят основной металл аналогичного состава. Поэтому использование сварочных материалов близкого состава к менее прочной, а обычно и менее легированной стали удовлетворяет требованиям, предъявляемым к прочности рассматриваемых соединений. При этом заметно упрощается технология сварки изделия и повышается их технологическая прочность. Указанный принцип выбора сварочных материалов наиболее рационально использовать в соединениях разнородных перлитных и высокохромистых сталей. Однако при сварке перлитных сталей с аустенитными его не удается выдержать из-за опасности образования закаленных структур и трещин в участках шва, примыкающих к аустенитной стали. Поэтому в данном случае необходимо идти на применение высоколегированных сварочных материалов.

Большое влияние на выбор сварочных материалов и технологии изготовления оказывает требование сведения к минимуму или полное исключение диффузионных прослоек в зоне сплавления. Для обеспечения этого требования необходимы жесткие ограничения при выборе сталей и сварочных материалов в комбинированных соединениях, оценке целесообразности его термообработки и выборе условий его работы.

При выборе сварочных материалов по условию устранению диффузионных прослоек предпочтение следует отдать сварочным материалам, используемым для сварки менее прочной легированной стали. В этом случае интенсивность развития диффузионных прослоек в зоне сплавления будет меньше, чем при применении высоколегированных сварочных материалов. Для соединений из перлитных сталей разного легирования и перлитных с высокохромистыми указанное требование совпадает также с условием рационального выбора сварочных материалов по условию перемешивания. Для сварных соединений перлитной стали с аустенитной более рациональным по условию перемешивания уже является применение высоколегированных аустенитных сварочных материалов. Поэтому для них снижение до минимума диффузионных прослоек достигается другими путями и прежде всего правильным выбором марки перлитной стали.

На выбор сварочных материалов, технологии сварки и работоспособность сварных конструкций из разнородных сталей заметное влияние оказывают условия их работы. Поэтому признаку выделяют 4 группы сварных узлов:

1. Конструкции, работающие при комнатной температуре.

2. Конструкции, работающие при низких температурах.

3. Конструкции, работающие при высоких температурах.

4. Конструкции, работающие в коррозионных средах при сравнительно умеренных температурах.

Исходя из приведенного деления сварных конструкций по предельной температуре эксплуатации, можно считать возможным использование для комбинированных сварных конструкций общего назначения как углеродистой, так и свариваемых перлитных сталей без ограничения их состава. Применяемые в энергоустановках для работы до Т=500-520 ⁰С хромомолибденовые стали марок 15ХМ, 12МХ, 30ХМА, 35ХН3М и др. содержат около 1% Cr, 0,5% Mo. Содержание в них карбидообразующих элементов недостаточно для полного связывания углерода в стойкие карбиды, поэтому в контакте с 12% хромистыми или хромоникелевыми аустенитными сталями (швами) при длительных выдержках выше температуры 450 ⁰С возможно развитие диффузионных прослоек. В этих случаях необходимо ограничивать предельную рабочую температуру использования хромомолибденовых сталей в комбинированных сварных конструкциях до 400-450 ⁰С.

6.4 Целесообразность предварительного подогрева и термической обработки

Особого рассмотрения при сварке разнородных сталей требует вопрос о целесообразности предварительного подогрева. В связи с широким использованием в рассматриваемых соединениях легированных сталей, склонных к подкалке и образованию трещин при сварке, правильный выбор температуры и режима подогрева являются весьма важными.

При сварке сталей одного легирования режим подогрева обычно назначают исходя из склонности к подкалке основного металла. Точно также и для большинства сварных соединений сталей разного легирования, но одного структурного класса выбор температура предварительного подогрева определяется требованиями для стали, подверженной наибольшей подкалке в условиях сварочного нагрева. В отличие от этого при сварке сталей разных структурных классов требования к подогреву в большей степени зависят от легирования сварного шва.

Если в рассматриваемой конструкции требования к режиму подогрева комбинированного узла более жесткие, чем требования к подогреву, входящих в него деталей, то при использовании электродных и присадочных материалов аустенитного класса режим подогрева может быть заметно смягчен в сторону снижения его на 150-200 ⁰С против применяемого при однородном соединении. Это обстоятельство и связанное с ним уменьшение опасности появления трещин является одной из основных причин применения аустенитных сварочных материалов для сварки закаливающихся сталей.

Термообработка сварных соединений из разнородных сталей является одним из наиболее сложных вопросов технологии изготовления комбинированных сварных конструкций. Основными ее задачами вообще являются восстановление свойств различных зон сварного соединения и снятие остаточных сварочных напряжений. Проведение термообработки обеспечивает обычно и уменьшение неоднородности сварных соединений.

Выполнение термообработки комбинированных узлов из разнородных сталей также сопровождается в большинстве случаев восстановлением пластических свойств металла отдельных зон сварного соединения, подверженных закалке при сварке. Однако при использовании в одном узле сталей разных структурных классов она приводит не к снятию поля собственных напряжений, а лишь к их перераспределению. При этом в жестких конструкциях с большой толщиной свариваемых элементов запас потенциальной энергии, накопленный за счет собственных напряжений после отпуска, может быть больше, чем в исходном состоянии. К тому же термообработка комбинированных узлов с несимметричным расположением швов может вызвать коробление изделия. В случае применения нестабилизированных перлитных сталей она будет приводить также к развитию в зоне сплавления диффузионных прослоек, снижающих работоспособность изделия.

Необходимость учета совместного влияния указанных противоположных по своему действию факторов затрудняет решение вопроса о целесообразности термообработки комбинированной сварной конструкции и назначение ее режима. В каждом конкретном случае в зависимости от сочетания свариваемых сталей, легирования сварного шва и типа конструкции необходимо принимать частное решение.