При сварке разнородных сталей одного структурного класса, но различного легирования, как правило, дополнительных требований к выбору способа сварки и режимов не вводят. Это обусловлено тем, что стали имеют близкие теплофизические свойства, а переходные слои в области границ сплавления мало отличаются от металла шва.
При сварке сталей различных структурных классов, особенно перлитной стали с аустенитной, выбирают способ сварки и режимы, обеспечивающие минимальное проплавление соединяемых металлов. Это позволяет получить высоколегированный шов, приближающийся по составу к присадочному металлу.
Во всех случаях сварочные материалы выбирают из условий предотвращения формирования хрупкого металла шва, а также предотвращения возможности образования в зоне сплавления хрупких прослоек: кристаллизационных и диффузионных.
При сварке сталей одного структурного класса в большинстве случаев используют сварочные материалы, близкие по составу к менее легированной стали. В случае выполнения соединений сталей разного структурного класса (например, перлитного с аустенитной) в большинстве случаев используют высоколегированные сварочные материалы, а в некоторых случаях сплавы на никелевой основе, которые позволяют значительно снизить ширину диффузионных прослоек.
Поскольку при сварке легированных сталей в зоне термического влияния возможно формирование структур закалки, то для предотвращения их образования используют подогрев. Температуру подогрева назначают исходя из свойств стали, наиболее склонной к формированию структур закалки. При этом с целью снижения вероятности формирования диффузионных прослоек назначают минимально допустимую температуру подогрева. При выборе температуры подогрева необходимо учитывать не только свойства свариваемых сталей, но и свойства металла шва. В тех случаях, когда в металле шва возможно образование структур закалки, температуру подогрева назначают исходя из свойств металла шва. Структуру металла шва обычно оценивают по структурной диаграмме.
Когда применение подогрева встречает трудности, используют сварочные материалы, обеспечивающие получение аустенитных швов. Пластичный аустенитный шов позволяет снизить внутренние напряжения в зоне сварки и тем самым предотвратить образование холодных трещин. Следует отметить, что аустенитный шов сдвигает температуру мартенситного превращения перлитной (мартенситной) стали в область более высоких температур. Этому способствуют внутренние напряжения, образующиеся из-за различия коэффициентов линейного расширения.
Развитие мартенситного превращения в области высоких температур позволяет получить более пластичный мартенсит, так как проявляется эффект самоотпуска. Иногда для исключения подогрева при выполнении соединения используют предварительную наплавку на сталь, склонную к закалке, слоя незакаливающейся стали. Наплавку слоя ведут с подогревом или используют отпуск наплавленной детали. Толщину наплавленного слоя назначают из условий, чтобы в процессе сварки закаливающаяся сталь в зоне термического влияния не нагревалась выше температуры А1 (обычно толщина слоя до 9 мм).
В некоторых случаях для придания определенных свойств металлу в зоне соединения разнородных сталей или снятия внутренних напряжений назначают термообработку. Однако необходимо иметь в виду, что снятие внутренних напряжений возможно только в соединении разнородных сталей одного структурного класса. В сварных соединениях разнородных сталей различного структурного класса из-за различия в коэффициентах линейного расширения в результате термообработки величина внутренних напряжений может возрасти. При назначении термообработки соединений из разнородных сталей необходимо провести оценку возможности формирования диффузионных прослоек.
Таким образом, при назначении термообработки необходима всесторонняя оценка возможных изменений свойств металла в зоне 140 сварного соединения, а также величины внутренних напряжений. В большинстве сложных случаев термообработку (обычно отпуск) назначают, если это приводит к получению в зоне сварного соединения более пластичного металла. Благодаря повышению пластических свойств снижается вероятность хрупкого разрушения сварного соединения.
Очень часто вместо высокотемпературного отпуска, который приводит к развитию диффузионных прослоек, используют нормализацию, которая позволяет снизить интенсивность развития диффузионных прослоек. Последнее обусловлено, во-первых, снижением скорости диффузии углерода в аустените при нагреве выше точки А3, во-вторых, снижением стойкости карбидов.
Сварка разнородных сталей одного структурного класса
Для сталей перлитного класса используют сварочные материалы, рекомендуемые для менее легированной стали. Например, при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали с теплоустойчивой хромомолибденовой используют электроды типа Э42А или Э50А с покрытием основного вида. При большом различии в легировании рекомендуется использовать сварочные материалы, обеспечивающие наплавку металла промежуточного легирования. Например, при сварке ВСт3 с хромомолибденовой 15Х1М1Ф рекомендуются электроды типа 3-09Х1М.
Режим сварки и температуру подогрева назначают исходя из свойств более легированной стали.
При выполнении соединений между высокохромистыми фер-ритными, ферритно-аустенитными и мартенситными сталями с целью предотвращения образования хрупких кристаллизационных прослоек, а также хрупкого металла шва сварочный материал выбирают ферритно-аустенитного класса. В этом случае обеспечивается формирование металла шва с более мелкой структурой, чем при использовании ферритного сварочного материала. Сварка ведется с подогревом; после сварки высокий отпуск (700—750 °С).
Для сварки аустенитных и аустенитно-ферритных сталей разного легирования сварочные материалы выбирают исходя из соотношения Cr/Ni. Если в свариваемых сталях соотношение больше единицы, то выбирают аустенитно-ферритные сварочные материалы. Это позволяет избежать образования горячих трещин в металле шва. Если соотношение в свариваемых сталях Cr/Ni<1 (стали обладают большим запасом аустенитности), то выбирают сварочные материалы, обеспечивающие аустенитную или аустенитно-карбидную структуру. Подобные сварочные материалы используют и при соединении аустенитных сталей с различным соотношением Cr/Ni.
Термообработку разнородных сварных соединений аустенитных и аустенитно-ферритных сталей назначают исходя из их свойств. Если они не упрочняются термообработкой, то после сварки ее обычно не назначают. В отдельных случаях ее назначают для снятия внутренних напряжений. Если свариваемые стали подвергаются термическому упрочнению, то в зависимости от требований используют термообработку.
Сварка разнородных сталей разного структурного класса
Можно выделить две подгруппы разнородных сварных соединений сталей разного структурного класса:
- сварные соединения перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными;
- сварные соединения перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными.
Соединения из перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными, ферритными и аустенитно-ферритными характеризуются тем, что в сварном соединении возможно появление холодных трещин, а также развитие кристаллизационных и диффузионных прослоек в зоне сплавления. Соединения перлитной стали с 12 %-ной хромистой обычно выполняют, используя перлитные электроды типа Э-09Х1М для ручной сварки или проволоку Св-08ХМ для сварки под флюсом. Подобные сварочные материалы позволяют получить металл шва с содержанием хрома до 5 %, что обеспечивает достаточную прочность и пластичность металла шва и переходных слоев. Температурный режим сварки назначают применительно к свойствам высоколегированной стали.
Очень часто, особенно при соединении элементов большой толщины, выполняют облицовку кромок 12 %-ной хромистой стали (например, электродами типа Э-09Х1М), а дальнейшую сварку ведут электродами типа Э42 или Э50А, состав которых обеспечивает наплавку металла, близкого к составу менее легированной стали. В тех случаях, когда металл шва работает при температурах, близких к предельной для 12 %-ной хромистой стали, для снижения вероятности образования диффузионных прослоек наплавку на высокохромистую сталь вначале осуществляют электродами типа Э-09Х1МФ или Э-10ХЗМФ6, а затем электродами типа Э-09Х1М.
Для сварки перлитных сталей с высокохромистыми ферритными, аустенитно-ферритными и мартенситными перлитные сварочные материалы нежелательны из-за неблагоприятного легирования металла шва. В этом случае наблюдается формирование хрупких кристаллизационных прослоек. Для указанных сочетаний обычно используют сварочные материалы аустенитно-ферритного класса, например, электроды типа Э-08Х24Н6ТАМФ. Эти электроды позволяют получить более стабильную и пластичную структуру металла шва в переходных участках со стороны перлитной стали. Применяют также аустенитные электроды. Однако в этом случае химическая неоднородность будет повышенной, и в случае эксплуатации в области высоких температур возможно образование хрупких диффузионных прослоек, что может привести к преждевременному разрушению сварного соединения.
Соединения перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными характеризуются наибольшей химической, структурной и механической неоднородностью. Поскольку применение 142 перлитных сварочных материалов неизбежно приводит к формированию хрупких кристаллизационных слоев, то для выполнения соединений используют аустенитные сварочные материалы, которые выбирают в зависимости от соотношения Cr/Ni в аустенитной стали. При соотношении Cr/Ni > 1 применяют аустенитно-ферритные сварочные материалы, например, электроды типа Э-10Х25Н13Г2, которые при разбавлении металла шва перлитным основным металлом до 30 % обеспечивают получение аустенитно-ферритного шва. Если в свариваемой аустенитной стали отношение Cr/Ni < 1, то в этом случае используют сварочные материалы, например, электроды типа Э-11Х15Н25М6АГ2, обеспечивающие при возможном проплавлении перлитной стали до 20—30 % однофазную аустенитную структуру металла шва.
Как правило, соединения перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными термообработке не подвергают, так как это не приводит к снижению внутренних напряжений из-за различия в коэффициентах линейного расширения. Отпуск применяют в тех случаях, если свариваемая сталь склонна к образованию структур закалки в зоне термического влияния. Однако температуру отпуска необходимо назначать минимальную с целью предотвращения образования диффузионных прослоек. Если по условиям для всего изделия отпуск применить нельзя, то выполняют облицовку кромок закаливающейся стали аустенитными электродами. Затем проводят отпуск облицованной стали; после этого выполняют разнородное соединение.
