Исходя из свойств легированных сталей, наиболее рационально использовать нейтральную защитную среду или защитнолегирующие флюсы в сочетании с легированной проволокой. Однако в этом случае повышается вероятность образования дефектов из-за водорода.
Для предотвращения образования указанных дефектов при сварке низколегированных и среднелегированных сталей, а также некоторых высоколегированных (чистоаустенитных сталей, высокохромистых мартенситных) целесообразно применение окислительной защитной среды в сочетании с легированной проволокой. При сварке чистоаустенитных сталей создание окислительных условий в зоне сварки позволяет снизить содержание не только водорода, но и кремния и тем самым повысить стойкость к образованию горячих трещин.
При наличии в шве значительных количеств марганца создание окислительных условий в зоне сварки нерационально, поскольку в этом случае наблюдается загрязнение металла шва оксидными включениями и интенсивное окисление марганца.
Для сварки низколегированных и среднелегированных сталей состав металла шва выбирают близким к составу основного металла. Однако, учитывая, что углерод повышает вероятность образования и холодных, и горячих трещин, обычно при сварке низколегированных сталей содержание углерода в шве устанавливают не более 0,15 %, а при сварке среднелегированных сталей 0,23 %. При этом необходимые свойства металла шва получают за счет дополнительного легирования. В случае сварки теплоустойчивых сталей необходимо учитывать, что, как правило, сварные соединения подвергаются длительной эксплуатации при повышенных температурах.
При подобных условиях получают значительное развитие диффузионные процессы. При различии в составе металла шва и основного, особенно по карбидообразующим элементам, возможно перераспределение углерода, обладающего повышенной диффузионной подвижностью по сравнению с другими компонентами стали. Это может привести к формированию в области границы сплавления диффузионных прослоек обезуглероженной со стороны металла, имеющего пониженное содержание карбидообразующих элементов, и с повышенным содержанием углерода со стороны металла, имеющего большое содержание карбидообразующих элементов. Для предотвращения развития указанных процессов состав металла шва должен быть близким к основному. В первую очередь это относится к содержанию карбидообразующих элементов.
С целью предотвращения образования кристаллизационных трещин при сварке теплоустойчивых сталей содержание углерода в металле шва ограничивают в пределах 0,07—0,12 %, а необходимые свойства металла шва обеспечивают путем дополнительного введения легирующих элементов, не вызывающих усиления развития диффузионного перераспределения углерода между основным металлом и металлом шва с образованием прослоек. С этой целью рационально использовать комплексное легирование металла шва хромом, молибденом, ванадием, вольфрамом, чтобы градиент концентраций по каждому элементу в зоне сплавления был небольшим.
Применительно к высоколегированным сталям выбор присадочного металла ведут дифференцированно. Для сварных соединений, работающих при высокой температуре, наиболее оптимальный состав металла шва - состав, соответствующий составу основного металла.
Для улучшениясвойств металла шва, особенно при сварке однофазных сталей - высокохромистых, хромоникелевых аустенитных и др., рационально вводить в металл сварочной ванны небольшие добавки элементов, обеспечивающих измельчение структуры, например титана.
При выборе состава металла шва необходимо учитывать склонность высоколегированных сталей к образованию горячих трещин и предусматривать меры их предупреждения. В зависимости от стабильности аустенита применяют различные способы борьбы с горячими трещинами. При сварке сталей с метастабильным аустенитом (типа 18-9) образование горячих трещин предотвращают путем формирования металла шва с двухфазной аустенитно-ферритной структурой. С увеличением количества ферритной фазы стойкость металла шва к образованию горячих трещин возрастает (рис. 7.9). Наибольшую стойкость к образованию горячих трещин аустенитно-ферритные швы приобретают при содержании ферритной фазы в пределах 20—60 %.
 |
Рис. 7.9. Влияние количества ферритной фазы на критическую скорость деформации и образование горячих трещин в ферритно-аустенитных хромоникелевых швах с содержанием 20—22 % Сr. |
Наличие феррита в аустенитной стали повышает вероятность образования хрупкой σ-фазы при длительной работе в области высоких температур, поэтому в большинстве случаев количество феррита в металле шва ограничивают 2—7 %.
Если сварные соединения работают при температуре ниже 300 °С, увеличение количества ферритной фазы рационально, поскольку при наличии ферритной фазы повышается коррозионная стойкость металла шва.
Химический анализ металла шва, обеспечивающий заданную структуру, определяют с помощью структурной диаграммы (рис. 7.10) по эквивалентным концентрациям хрома и никеля. Эквивалентное содержание хрома и никеля в металле шва определяют по формулам
Niэкв = % Ni + 30·% С + 30·% N + 0,5·%
Мn;
Сrэкв = % Сr + 2·% Мо + 1,5·% Si + 5·% Ti + 2·% Nb + + 2·% Al
+ 1,5·% W + % V.
|
|
Рис. 7.10. Структурная диаграмма сварных швов (по Шеффлеру) |
Содержание элементов в металле шва подсчитывают по формуле (2.3) с учетом коэффициентов перехода. Поскольку формирование структуры в значительной мере зависит от условий кристаллизации, а структурная диаграмма разработана применительно к ручной дуговой сварке, то в большинстве случаев оценка по структурной диаграмме только качественная.
При сварке высокохромистых сталей мартенситного класса формирование ферритной составляющей в структуре металла шва с целью понижения вероятности образования горячих трещин не используют, поскольку в этом случае в металле шва появляется структурно-свободный низкоуглеродистый δ-феррит, не испытывающий превращений. В результате формирования гетерогенной структуры снижается ударная вязкость металла шва и повышается предрасположенность его к образованию холодных трещин.
При сварке высокохромистых ферритных сталей формирование швов с двухфазной аустенитно-ферритной структурой рационально, поскольку позволяет повысить их стойкость к образованию горячих трещин.
При сварке глубокоаустенитных сталей двухфазную структуру металла шва с целью
предупреждения образования горячих трещин не используют, поскольку это может
резко изменить эксплуатационные свойства металла шва по сравнению с основным.
При сварке глубокоаустенитных сталей образование горячих трещин в металле шва
предотвращают, используя присадочные материалы с малым содержанием вредных
примесей (серы и фосфора), а также других элементов, повышающих вероятность
образования горячих трещин.
Вероятность образования горячих трещин в
аустенитных швах возрастает при наличии кремния. Вредное влияние кремния
связывают с тем, что кремний способствует развитию химической неоднородности.
Углерод нейтрализует вредное действие кремния и снижает вероятность образования
горячих трещин в аустенитных швах.
Как правило, в чистоаустенитных (не содержащих феррита)швах трещины не образуются, если/ Si/C≤5. Природа подобного совместного действия кремния и углерода еще недостаточно изучена.
Стойкость к образованию горячих трещин аустенитных швов возрастает при легировании их молибденом, марганцем (до 5—7 %). Помимо изменения состава металла шва при сварке чистоаустенитных сталей, для предотвращения образования горячих трещин используют режимы с малой погонной энергией (рис. 7.11), а также режимы, обеспечивающие формирование швов с большим коэффициентом формы.
Образование пор при сварке легированных сталей в основном связано с водородом и азотом. Вероятность образования пор из-за выделения оксида углерода небольшая, так как в сварочной ванне, как правило, обеспечивается достаточная концентрация сильных раскислителей (например, кремния). Для предупреждения образования пор из-за водорода применяют различные приемы, предотвращающие попадание водорода в сварочную ванну. Пористость, связанную с азотом, предотвращают путем создания хорошей защиты металла сварочной ванны от атмосферы воздуха.
 |
Рис. 7.11. Влияние погонной энергии сварки и содержания кремния в металле шва типа 0Х23Н28МЗДЗТ на образование горячих трещин при автоматической сварке под флюсом АН-18 (высокоокислительным низкокремнистым), толщина свариваемого металла ≤16 мм: О — трещины отсутствуют; X — трещины в кратере; ● — трещины по всей длине шва |
