Особенности технологии и техники сварки аустенитных сталей

У разных по составу и назначению хромоникслсвых аустенитных сталей рассмогренные процессы, протекающие в металле шва и зоне термического влияния, могут развиваться по-разному. Их развитие, как правило, оказывает отрицательное влияние на свойства и работоспособность сварных соединений, если эти процессы будут активными. Поэтому, хотя рассматриваемые стали можно сваривать различными методами, предпочтение следует отдать тем, при которых тепловое воздействие на свариваемый металл будет наименьшим. Например, дуговой в защитных газах тонкой проволокой, ручной дуговой электродами пониженных диаметров, элекгронно-лучевой и разным способам сварки давлением.

Характерные для аустенитных сталей тсплофизичсскис свойства определяют некоторые особенности их сварки. Так, теплопроводность этих сталей примерно в 4 раза ниже, а коэффициент линейного расширения в 1,5 раза выше, чем у низкоуглеродистых сталей. При сварке это приводит при равных погонных энергиях к увеличению глубины проплавления основного металла и возрастанию деформаций и напряжений. Поэтому для уменьшения коробления изделий из аустенитных сталей следует применять режимы сварки, характеризующиеся пониженным на 10…30 % значением силы сварочного тока по сравнению с током при сварке углеродистых сталей, а также заполнять разделку слоями небольшого ссчсния и устранять жесткие закрепления свариваемых кромок.

Кроме того, у сталей аустенитного класса удельное электросопротивление в 3…5 раз выше, чем у низкоуглеродистых сталей, что обусловливает больший разогрев сварочной проволоки в вылете электрода или металлического стержня покрытого электрода. В связи с этим при автоматической и механизированной дуговой сварке следует уменьшать вылет электрода, а при ручной дуговой сварке покрытыми электродами — длину электродов и допустимую плотность силы сварочного тока.

Сварные соединения хромоникелевых аустенитных сталей термообработке чаще всего не подвергают, особенно сварные узлы, эксплуатирующиеся без воздействия агрессивных сред до температуры 500 °C. Однако в ряде случаев термообработка может оказать положительное влияние на их свойства, а иногда она просто необходима. Так, сварные соединения стали 08Х18Н10 и даже стали 12Х18Н10Т с титаном на нижнем пределе легирования при работе конструкций при невысоких и повышенных температурах (до 450 °С) в различных кислотах и других агрессивных средах подвергают стабилизирующему отжигу при температуре 850…950 °С.

Для жаропрочных сложнолегированных сталей при работе в условиях ползучести (более 500 °С) стабилизирующий отжиг недостаточен, так как нс устраняет в зоне термического влияния опасность развития локальных разрушений и коррозионного растрескивания в некоторых средах. В этих случаях проводят аустенитизацию (закалку) при температуре 1100… 1150 °C, при которой растворяются все упрочняющие фазы в матрице, а при последующей стабилизации или отпуске выделяются вторичные фазы в виде, требуемом для получения оптимальных свойств сварного соединения.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Этот способ широко используют при монтаже химического и энергетического оборудования. При этом используют элекгроды с основным покрытием. Сварку ведут короткой дугой на постоянном токе обратной полярности ниточными швами (без поперечных колебаний). Для повышения стойкости против образования горячих трещин применяют электроды пониженных диаметров (2…4 мм). Силу тока, как уже отмечалось, устанавливают на 10…30% ниже, чем при сварке углеродистых сталей (табл. 5). Для уменьшения вероятности образования пор, вызываемых водородом, электроды перед сваркой должны быть прокалены при 250…400 °С в течение 1… 1,5 ч. Ту или иную марку электродов следует выбирать в зависимости от химического состава основного металла и конкретных условий эксплуатации сварных соединений.

Примерные режимы ручной дуговой сварки аустенитных сталей

Таблица 5.

В качестве примера можно привести электроды ЦТ-15, предназначенные для сварки коррозионно-стойких аустенитных сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и др., работающих в окислительных средах. При их использовании со стандартным стержнем Св-07Х19Н10Б обеспечивается за счет легирования через покрытие, содержание ферритной фазы в наплавленном металле в пределах 2,5…4,5%, что сохраняет его стойкость против образования горячих трещин, а наличие ниобия — требуемую коррозионную стойкость. Кроме того, обеспечивается жаропрочность до 650 °C. Некоторые данные о выборе электродов приведены в табл. 6.

Некоторые марки электродов для сварки аустенитных сталей

Таблица 6.

Дуговая сварка в защитных (азах занимает прочные позиции в производстве сварных конструкций из аустенитных сталей. Ее можно использовать для соединения металлов различной толщины (от десятых долей до десятков миллиметров). В качестве защитных газов чаще используют инертные газы (аргон, гелий), а также различные смеси инертных газов или инертных с активными газами. Среди инертных газов более надежная защита зоны сварки от окружающей среды обеспечивается при использовании аргона, так как аргон тяжелее воздуха. Активный газ (ССЬ) в «чистом» виде в качестве защитного используют реже. При сварке в С0₂ происходит науглероживание металла шва, что приводит к снижению его стойкости против межкристаллитной коррозии. Кроме того, этот процесс усложняют и повышенное разбрызгивание электродного металла, и окислительная атмосфера, создаваемая в дуге за счет диссоциации С (Х Места падения брызг, а также зоны плотного сцепления оксидных пленок с металлом могут стать очагами коррозии.

Применение инертных газов существенно повышает стабильность дуги и качество сварных швов. При этом наблюдается минимальный угар легирующих элементов, что важно при сварке аустенитных сталей. Сварку выполняют плавящимся или неплавящимся (вольфрамовым) электродом.

Сварку вольфрамовым электродом аустенитных сталей ведут преимущественно в аргоне высшего или первого сортов, поставляемых по ГОСТ 10 157–79. При необходимости повышения проплавляющей способности дуги и повышения скорости сварки используют аргоногслисвую смесь с содержанием гелия 25%. Иногда для этой цели применяют аргоноводородную смесь с содержанием водорода до 5%. В некоторых случаях используют и другие смеси, например смесь аргона с 5… 10% азота. Чистый гелий редко применяется при сварке, за исключением особых случаев.

Обычно сварку вольфрамовым электродом технически и экономически целесообразно использовать при сварке металлов толщиной до.

5…7 мм. Однако хорошее формирование обратного валика позволяет рекомендовать его и для сварки корневых слоев в многослойных швах при изготовлении ответственных толстостенных изделий (остальные слои могут выполняться покрытыми электродами, плавящимся электродом в защитных газах или под флюсом).

В зависимости от толщины металла и конструкции сварного соединения сварку вольфрамовым электродом выполняют с присадочным материалом или без него вручную, механизировано или автоматически. Примерные режимы сварки указаны в табл. 7.

Таблица 7.

Примерные режимы аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом аустенитных сталей

Примечание. Диаметр присадочной проволоки равен 1,6…2 мм.

Сварку вольфрамовым электродом ведут на постоянном токе прямой полярности. Исключение составляют стали и сплавы с повышенным содержанием алюминия, когда для разрушения поверхностной пленки оксидов, насыщенной алюминием, следует применять переменный ток.

Для расширения технологических возможностей процесса сварки вольфрамовым электродом широко используют в качестве источника теплоты импульсную (пульсирующую) дугу. Благодаря особенностям теплового воздействия импульсная дуга позволяет регулировать процесс проплавления основного металла, уменьшить протяженность околошовной зоны и коробление свариваемых кромок, а также сваривать металл малой толщины при хорошем формировании шва. Особенности кристаллизации металла сварочной ванны при этом способе способствуют дезориентации структуры, уменьшая вероятность образования горячих трещин.

Развитием процесса сварки вольфрамовым электродом является сварка плазменной дугой. Преимуществами этого способа являются высокая производительность, стабильное горение дуги, равномерное проплавление свариваемых кромок. Благодаря цилиндрической форме столба дуги процесс плазменной сварки менее чувствителен к изменению длины дуги, чем процесс аргонодуговой сварки.

В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон или его смеси с водородом или гелием. Состав плазмообразующего газа влияет на глубину проплавления при данной силе тока. Добавление к аргону небольшого количества водорода увеличивает проплавление.

Оптимальное содержание водорода 7%. При плазменной сварке коррозионно-стойкой стали добавка к аргону 7,5% водорода не вызывает пористости шва, которая при аргонодуговой сварке возникает при меньшем содержании водорода в аргоне.

Плазменной дугой сваривают как тонколистовую сталь, так и стали больших толщин. При толщине листов до 12 мм их сварку осуществляют без разделки кромок и присадочного металла с образованием провара типа «замочная скважина». При сварке листов толщиной до 25 мм требуется V-образная подготовка кромок, причем глубина и угол разделки значительно меньше, чем при аргонодуговой сварке. В этом случае количество присадочного металла снижается примерно в 3 раза. Наибольшие преимущества сварка плазменной дугой дает при соединении толстых листов без разделки кромок и без присадочного металла с проплавлением типа «замочная скважина».

Сварку плавящимся электродом выполняют механизировано или автоматически в инертных, а также активных газах или их смесях на постоянном токе обратной полярности. При сварке аустенитных сталей, содержащих лсгкоокисляющис элементы (титан, алюминий и др.), в основном используют инертные газы, преимущественно аргон. При этом процесс ведут на плотностях тока, обеспечивающих струйный перенос электродного металла, при котором дуга имеет наиболее высокую стабильность и практически исключается разбрызгивание металла. Однако при величине тока, обеспечивающей струйный перенос электродного металла, из-за возможного образования прожогов нс всегда удастся вести сварку тонколистового металла, а также загрудняется сварка в различных пространственных положениях вследствие возможного стскания жидкого металла сварочной ванны. Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений в нижнем положении приведены в табл. 8.

Уменьшить величину критического тока, при котором возникает струйный перенос электродного металла, возможно изменением состава защитного газа. Так, добавка в аргон 3…5% кислорода уменьшает значения критического тока. Кроме того, создание при этом окислительной атмосферы в зоне дуги уменьшает и вероятность образования пор, вызываемых водородом. Последнее достигается и применением смеси аргона с 15…20% углекислого газа. Однако при указанных добавках газов увеличивается угар легирующих элементов, а при добавке углекислого газа возможно и науглероживание металла шва.

Использование в качестве защитного углекислого газа в «чистом» виде, как указано выше, усиливает процесс науглероживания металла шва и вызывает повышенное (до 50%) выгорание титана и алюминия.

Несколько меньше выгорают марганец, кремний и другие легирующие элементы. Поэтому для сварки коррозионно-стойких сталей в углекислом газе требуются специальные сварочные проволоки. Созданные для этих целей сварочные проволоки обеспечивают требуемую коррозионную стойкость и механические свойства за счет повышенного содержания раскисляющих и карбидообразующих элементов (алюминия, титана и ниобия), а также элементов-ферритизаторов — кремния, алюминия, хрома. Например, для сварки сталей типа 12Х18Н10Т используют проволоки Св-07Х 18Н9ТЮ, Св-08Х20Н9С2БТЮ, для сталей типа 12Х18Н12Т — проволоку Св-08Х25Н13БТЮ, а для хромоникелемолибденовых сталей — проволоки Св-ОбХ 19Н1ОМЗТ и Св-06Х20Н 11МЗТБ.

Таблица 8.

Ориентировочные режимы аргонодуговой сварки встык плавящимся электродом аустенитных сталей в нижнем положении

В случае необходимости осуществлять аргонодуговую сварку хромоникелсвых аустенитных сталей в различных пространственных положениях используют импульсно-дуговой процесс, при котором на дугу постоянного тока накладывают мощные кратковременные импульсы тока, величина амплитуды которых должна несколько превышать критический ток. Наложение таких импульсов обеспечивает формирование капли на торце электрода необходимых размеров и направленный перенос ее в сварочную ванну независимо от пространственного положения. В промежутках между импульсами электродная проволока плавится при небольшой силе тока (базовом токе). Среднее значение сварочного тока выбирается из условия удовлетворительного формирования шва в том или ином пространственном положении. Такой процесс характеризуется высокой стабильностью, расширением диапазона рабочих токов и соответственно диапазона толщин свариваемых металлов, простотой техники сварки швов, расположенных в различных просгранственных положениях, что способствует расширению его промышленного применения.

Дуговая сварка под слоем флюса является одним из основных способов сварки при производстве химической и нефтехимической аппаратуры из хромоникелевых аустенитных сталей толщиной 5…50 мм. Основным преимуществом этого способа перед ручной дуговой сваркой покрытыми электродами является стабильность состава и свойств металла сварного соединения по всей длине шва при сварке как с разделкой, так и без разделки кромок. Это обеспечивается возможностью получения швов большой длины без кратеров, образующихся при смене электродов, равномерностью плавления электродного и основного металла по длине шва и более надежной защитой зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха и др. Хорошее формирование поверхности швов с мелкой чешуйчатостью и плавным переходом к основному металлу, отсутствие брызг на поверхности изделия заметно повышают коррозионную стойкость сварных соединений.

При использовании сварки под флюсом уменьшается трудоемкость подготовительных работ, так как разделку кромок выполняют на металле толщиной свыше 12 мм (при сварке покрытыми элекгродами свыше 3…5 мм). Возможна также сварка с повышенным зазором и без разделки кромок стали толщиной до 30…40 мм. Уменьшение потерь на угар, разбрызгивание и огарки электродов на 10…20% снижают расход дорогостоящей сварочной проволоки. Ввиду высокого электросопротивления аустенитных сварочных проволок при сварке вылет электрода уменьшают в 1,5…2 раза по сравнению со сваркой обычных углеродистых или низколегированных сталей. Для предупреждения перегрева металла и связанного с этим огрубления сгрукгуры, возможности образования трещин и снижения эксплуатационных свойств сварного соединения рекомендуется выполнять сварку многослойных швов слоями небольшого сечения, что предопределяет использование сварочных проволок диаметром 2…3 мм (вылет электрода 20…30 мм). Ориентировочные режимы сварки под флюсом жаростойких сталей типа 20Х23Н18 небольших толщин приведены в качестве примера в табл. 9.

Легировать шов можно через флюс или проволоку. Однако легирование через проволоку более предпочтительно, так как обеспечивает повышенную стабильность металла шва. Для сварки под флюсом аустенитных сталей используют сварочные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246–70 и по ведомственным техническим условиям. Например, для сварки коррозионно-стойких сталей типа 12Х18Н9Т с требованиями стойкости к металлу шва против МКК используют сварочные проволоки Св-07Х19Н10Б, Св-07Х18Н9ТЮ, Св-04Х18Н9С2 и др. Для сварки жаростойких сталей типа 20Х23Н18, работающих при температурах 900… 1100 °C, применяют сварочные проволоки типа Св-07Х25Н12Г2Т, Св-06Х25Н12ТЮ и др.

Таблица 9.

Ориентировочные режимы дуговой сварки под флюсом аустенитных сталей

Сварку хромоникелевых аустенитных сталей осуществляют под низкокремнистыми слабоокислительными, фторидными и высокоосновными флюсами, создающими в зоне сварки безокислительные или слабоокислительные среды, способствующие минимальному угару легирующих элементов.

Наибольшее применение для сварки коррозионно-стойких сталей получили слабоокислительный низкокремнистый флюс АН-26, безокислительные фторидные флюсы 48-ОФ-6, АН-8, бескислородный фторидный флюс АНФ-5, окислительный фторидный флюс АНФ-14.

С металлургической точки зрения для сварки аустенитных сталей наиболее рациональны фторидные флюсы типа АНФ-5, основой которых является фтористый кальций (CaF₂), а в качестве добавок используют фториды натрия (NaF). Эти флюсы хорошо обрабатывают металл сварочной ванны и позволяют его легировать титаном через проволоку для предупреждения потери коррозионной стойкости. Кроме того, снижается в металле шва содержание серы. Однако бескислородные фторидные флюсы имеют относительно низкие технологические свойства (ухудшенное формирование сварных швов и способность шунтировать дугу расплавленным шлаком). Поэтому их применяют преимущественно для сварки аустенитными швами сталей, содержащих легкоокисляющис элементы (титан, алюминий, бор и др.).

Низкие технологические свойства бескислородных фторидных флюсов служат причиной широкого использования для сварки аустенитных сталей флюсов других типов. Так, применение оксидного низкокремнистого флюса АН-26 обусловлено его хорошими технологическими свойствами. Однако при сварке под этим флюсом наблюдается окисление лсгкоокисляющих элементов. Поэтому при сварке аустенитных сталей, содержащих легкоокисляющие элементы, кроме флюсов типа АНФ-5 нашли применение фторидные безокислительные флюсы типа АНФ-8, имеющие фторидную основу (до 50%) и содержащие некоторое количество прочных оксидов, например CaO, MgO, А1₂0₃.

Введение

этих оксидов продиктовано в основном стремлением улучшить формирующие свойства фторидных флюсов. Эти флюсы рекомендуется применять для сварки аустенитных швов.

Для сварки сталей, не содержащих легкоокисляющих элементов, нашли применение фторидные окислительные флюсы, которые также имеют фторидную основу, но содержат наряду с прочными оксидами такие непрочные кислородные соединения, как оксиды марганца (флюс АНФ-17), оксид бора (флюс АНФ-22). Флюс АНФ-17 предназначен для сварки чистоаустенитных швов, не содержащих титана, алюминия и бора, флюс АНФ-22 — для сварки аустенитноборидных швов.

Фторидные окислительные флюсы АНФ-14 и АНФ-16 (система CaF — АЬ0₃ — CaO — MgO — Si0₂) рекомендуют для сварки аустенитноферритных швов. Флюс АНФ-14 используют часто вместо флюса АН-26. Фторидные окислительные флюсы уступают бсзокислитсльным по формирующим свойствам.

Наряду с фторидными флюсами для сварки аустенитных сталей используют высокоосновные оксидные флюсы на основе устойчивых оксидов CaO, MgO, А1₂0₃. Они могут содержать также некоторое количество фторидов (флюс АН-29). Высокоосновные флюсы сочетают в себе хорошие металлургические и технологические свойства. Под высокоосновными флюсами АН-29, АН-292 и другими рекомендуется сваривать чистоаустснитныс швы.

Остатки шлака и флюса на поверхности швов, которые могут служить очагами коррозии на коррозионнои жаростойких сталях, необходимо тщательно удалять. Тип флюсов предопределяет преимущественное использование для сварки постоянного тока. Сварку под фторидными флюсами независимо от их окислительной способности производят постоянным током обратной полярности, а под высокоосновными бссфтористыми флюсами — постоянным током прямой полярности (во избежание образования пор).

Электрошлаковая сварка. Важнейшая особенность процесса — пониженная чувствительность к образованию горячих трещин, позволяющая получать чисто аустенитные швы без трещин. Это объясняется невысокой скоростью сварки, специфическим характером кристаллизации металла сварочной ванны и отсутствием в стыковых соединениях угловых деформаций. Однако длительное пребывание металла шва и околошовной зоны при повышенных температурах (1200… 1250 °С) увеличивает его перегрев и длину околошовной зоны, что приводит к необратимым изменениям в структуре и свойствах сварных соединений.

В результате снижаются прочностные и пластические свойства металла, а при сварке коррозионно-стойких сталей перегрев стали в околошовной зоне может привести к образованию в ней ножевой коррозии. Для предупреждения возникновения этих дефектов необходима термическая обработка сварных изделий (закалка или стабилизирующий отжиг).

Для электрошлаковой сварки коррозионно-стойких сталей используют флюсы АНФ-1, АНФ-7, АНФ-8, 48-ОФ-6, АНФ-14 и др., а для жаростойких сталей — флюсы АНФ-7, АНФ-8 и высокоосновной АН-292. Однако применение даже фторидных безокислительных флюсов (АНФ-7, АНФ-8) не всегда гарантирует хорошее усвоение сварочной ванной легкоокисляющих легирующих элементов (титана, марганца и др.) в результате проникновения кислорода воздуха через поверхность шлаковой ванны. Поэтому в ряде случаев приходится защищать шлаковую ванну инертным газом (аргоном).

Электрошлаковую сварку можно выполнять электродной проволокой диаметром 3 мм или пластинчатыми электродами толщиной 6…20 мм. Изделия большой толщины со швами небольшой протяженности целесообразнее сваривать пластинчатыми электродами. Примеры типовых режимов электрошлаковой сварки аустенитных сталей и сплавов приведены в табл. 10.

Таблица 10.

Типовые режимы электрошлаковой сварки аустенитных сталей и сплавов

Химический состав применяемых электродов для того или иного состава стали аналогичен применяемому составу проволок для сварки под флюсом. Изготовлять пластинчатый электрод более просто, чем элекгродную проволоку. Однако сварка проволокой позволяет в более широких пределах изменять форму металлической ванны и характер кристаллизации металла шва, способствуя предотвращению образования горячих трещин. Недостатком сварки сварочной проволокой является ее большая жесткость, что снижает длительность и надежность работы токоподводящих и подающих узлов сварочной аппаратуры.

Электронно-лучевая сварка. Важным технологическим преимуществом этого способа сварки аустенитных сталей является возможность за один проход сварить без разделки кромок металл большой толщины с очень малым коэффициентом формы (кинжальный провар) и минимальным термическим воздействием сварочного нагрева на металл в околошовной зоне. Сварные соединения отличаются повышенной стойкостью против коррозии и высокими прочностными свойствами.

Сварку металла толщиной до 1 мм выполняют расфокусированным пучком электронов, а при большей толщине используют остросфокусированный пучок. Для расширения технологических возможностей сварки используют иногда колебания электронного луча поперек стыка, вдоль стыка или перемещают его по окружности, что улучшает структуру и свойства металла шва. Применение электронно-лучевой сварки позволяет повысить стойкость швов против образования горячих трещин. Сварку выполняют в диапазоне средних скоростей при наибольшей удельной мощности луча. Примеры некоторых режимов электронно-лучевой сварки приведены в табл. 11.

Таблица 11.

Режимы электронно-лучевой сварки стали 12Х18Н9Т

При разработке технологии сварки аустенитных сталей следует учитывать, что элекгронно-лучевая сварка в вакууме облегчает удаление примесей и газов, но увеличивает испарение легирующих элементов. Кроме того, при глубоком и узком проваре часть газов может задерживаться растущими кристаллитами в шве и образовывать поры. Длительное время для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий, сложность аппаратуры и процесса обусловливают применения электронно-лучевой сварки в основном при изготовлении ответственных конструкций.