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.

6.5 Сварные соединения сталей одного структурного класса

В соответствии с рассмотренными выше требованиями при сварке разнородных перлитных сталей целесообразно использовать сварочные материалы, близкие по составу к менее легированной стали. Так как технологическая прочность перлитных швов снижается с повышением их легирования, то удовлетворение этого требования позволяет успешнее обеспечивать отсутствие в сварных швах трещин и других дефектов. В данном случае не приходится опасаться появления нежелательных структур в слоях шва, примыкающих к более легированной стали, в связи с отсутствием резкого изменения свойств в пределах возможного изменения легирования.

При большой разнице в содержании легирующих элементов в свариваемых сталях могут применяться присадочные материалы промежуточного легирования (табл. 22).

При ручной дуговой сварке следует использовать электроды с основным покрытием, обеспечивающие высокую стойкость металла сварного шва против кристаллизационных трещин и его повышенную пластичность. Применение электродов с рутиловым и целлюлозным покрытиями не рекомендуется в связи с опасностью образования трещин в слоях шва, примыкающих к более легированной стали.

Таблица 22

Рекомендации по выбору сварочных материалов для соединений из разнородных перлитных сталей

Технологические режимы сварки и температуру предварительного подогрева желательно выбирать близкими к требуемым к более легированной стали. При сварке массивных изделий в отдельных случаях целесообразно снижать температуру предварительного подогрева или совсем его исключить путем предварительной облицовки кромок со стороны более легированной стали. После облицовки должен производиться отпуск при температуре 720 ⁰С, а после выполнения основного шва лишь при 620-650 ⁰С. По условию восстановления пластических свойств металла закаленных при сварке отдельных зон сварного соединения, температуру отпуска желательно выбирать для более легированной стали. Однако в связи с разным содержанием в свариваемых сталях энергичных карбидообразователей, по условию снижения до минимума диффузионных прослоек температура отпуска должна быть снижена. Точно также и достаточно эффективное снятие остаточных сварочных напряжений достигается уже при отпуске по режиму для менее легированной стали.

Исходя из необходимости учета одновременного всех этих факторов, температура отпуска обычно выбирается средней между требуемой для однородных сварных соединений обеих марок сталей.

Для сварных узлов, предназначенных к эксплуатации при высоких температурах, необходимо особо остановиться на возможной предельной рабочей температуре Т_пред комбинированного стыка. При относительно небольшой разнице в легировании она может выбираться близкой к предельной для менее легированной стали. Поэтому в сварных соединениях углеродистой стали с хромомолибденовой, содержащей до 1% Cr и 0,5% Mo, максимальная рабочая температура определяется углеродистой сталью и составляет 450 ⁰С. При этих температурах можно не опасаться развития диффузионных прослоек в зоне сплавления хромомолибденовой стали со швом. Точно также сварные соединения хромомолибденовой стали с хромомолибденованадиевой сталью или 5%-ной хромистой сталью могут эксплуатироваться при температурах до 500 ⁰С в соответствии с условиями работы изделий из менее легированной стали. Механические свойства и длительная прочность таких соединений находятся на уровне свойств однородных соединений менее прочной стали.

При большой разнице в составе свариваемых сталей и, прежде всего в содержании карбидообразователей, за счет подбора металла шва не удается полностью подавить диффузию углерода в зоне сплавления, приводящую к появлению в ней нежелательных прослоек. Поэтому для таких сварных соединений необходимо ограничивать рабочую температуру изделия. Так для сварных соединений углеродистых сталей с хромомолибденованадиевой сталью и 5% хромистой предельная рабочая температура должна быть снижена до 350 ⁰С. В подобных соединениях следует уменьшать и температуру отпуска. При необходимости работы этих соединений при более высоких температурах можно рекомендовать облицовку кромок со стороны легированной стали или введение переходников.

В сварных соединениях трубопроводов в этих случаях наиболее рациональным следует считать введение переходника из стали 15ХМ (20ХМ). В начале следует приварить патрубок электродами типа Э-ХМ к трубе из хромомолибденованадиевой стали и произвести отпуск стыка при 680-700 ⁰С. Затем сваривается замыкающий стык патрубка с трубой из углеродистой стали. При толщине стенк...