Аустенітні високолеговані сталі

Мал. 1. Структурна діаграма Шеффлера

Підрахунок вмісту елементів у металі шва за цими формулами виробляють з урахуванням часток основного та додаткового металу.

Особливостей зварюваності сталей цього класу, які потрібно враховувати під час розробки технології, кілька.

1. Небезпека виникнення в металі шва та 3ТВ так званої міжкристалітної корозії (МКК). Механізм цього явища, що виникає у певній температурно-часовій області, полягає в збіднінні хромом прикордонних областей зерен металу за рахунок його дифузії до кордонів зерен та утворення там карбідів хрому.

Причиною цього може бути несприятливий режим зварювання (мал. 2) (малі швидкості охолодження), коли є достатньо часу для дифузії атомів хрому з прикордонних районів зерна до його кордонів та утворення там карбідів, що призводить до появи зон металу, збіднених хромом. Вони і зазнають корозійного руйнування під час роботи виробу в агресивних середовищах.

Мал. 2. Схематичне зображення області появи міжкристалітної корозії аустенітної сталі під час її нагрівання:

1 - швидкість охолодження, що сприяє випаданню карбідів; 2 - швидкість охолодження, яка не призводить до випадання карбідів; 3 – початок появи схильності металу до МКК; 4 - закінчення процесу утворення карбідів; 5 - первісна схильність до МКК (tім)

Реалізація деяких з цих рекомендацій технологічним шляхом полягає у розробці таких технологій, які дозволяють отримувати величину швидкості охолодження, що попадає для даної марки сталі в інкубаційний період утворення карбідів хрому (див. рис. 2, крива 2).

2. Наявність явно вираженої крупнодендритної стовпчастої структуриметалу шва, що підвищує його чутливість до утворення гарячих тріщин. Для зменшення цієї небезпеки рекомендується застосування всіх способів, що призводять до подрібнення структури: модифікування металу титаном і ніобієм, застосування фізичних способів (введення вібрації, ультразвуку, електромагнітне перемішування), а також введення в шов елементів феритизаторів, що призводять до одержання у шві острівців δ-фериту . Слід також уникати режимів зварювання, що призводять до вузької та глибокої форми провару. Актуальним, особливо в глибокоаустенітних швах, є зменшення вмісту таких домішок як фосфор та сірка, що утворюють легкоплавкі евтектики.

3. Дифузійні процеси (особливо для жароміцних сталей), що відбуваються в зварних з'єднаннях за високих температур їх експлуатації. Так, термічне старіння в діапазоні температур 350…500°С викликає появу «475-градусної крихкості».

При температурах 500…650°С спостерігається випадання карбідів та утворення σ-фази, відбувається випадання інтерметалідів. Всі ці процеси теплового старіння призводять до крихкнення металу за низьких температур і зниження міцності при високих. Ефективним заходом, що запобігає шкідливій дії теплового старіння, є зменшення вмісту вуглецю як в основному металі, так і металі шва.

Технологія зварювання сталей цього класу має будуватися з урахуванням як зазначених особливостей, і їх теплофізичних властивостей. Останні характеризуються низькими значеннями коефіцієнта теплопровідності та високими значеннями коефіцієнта лінійного розширення. Звідси випливає (за інших рівних умов порівняно з перлітними сталями) збільшення глибини проплавлення. Для зменшення деформацій найкращими способами та режимами зварювання будуть ті, що характеризуютьсямаксимальну концентрацію теплової енергії.

Технологічні способи боротьби з утворенням тріщин передбачають пошук конструктивних форм зварних з'єднань та режимів зварювання, що знижують темп наростання деформацій у процесі охолодження з'єднання. Важливою є форма проплавлення, яка не повинна бути глибокою за малої ширини (небезпека появи гарячих тріщин по площині спайності кристалітів у зварювальній ванні при кристалізації).

Для зварювання цього класу сталей застосовні майже всі методи зварювання плавленням.

При ручному зварюванні покритим електродом, що плавиться, основною складністю є стабільне забезпечення необхідного хімічного складу шва в залежності від його просторового положення при різних типах зварного з'єднання з урахуванням зміни кількості наплавленого металу і глибини проплавлення основного. Це досягається в основному за рахунок коригування складу покриття (за вмістом у шві необхідної кількості фериту).

Тип покриття – основний (наприклад, фтористокальцієве), постійний струм зворотної полярності. Шви рекомендується виконувати на малих струмах при мінімальному діаметрі електрода (щоб уникнути появи гарячих тріщин). При зварюванні найбільш поширених корозійностійких сталей марок 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т і т. д. рекомендується застосовувати електроди типу Е-04Х20Н9, Е-07Х20Н9, Е-08.

При зварюванні відповідальних конструкцій слід застосовувати заходи, що запобігають попаданню крапель розплавленого металу на поверхню основного металу, щоб уникнути мікротермічних ударів, здатних при експлуатації викликати корозійне розтріскування під напругою в цих районах.

Автоматичне зварювання під флюсом широко поширене для виготовлення конструкційз елементів у товщинах 4,0. 60 мм. При цьому процес забезпечує висока стабільність хімічного складу шва по довжині з одночасним гарним захистом шва та його формуванням. Струм постійний, полярність – залежно від марки флюсів, що застосовуються. Режими струму невеликі (порівняно з перлітними сталями). Легування шва роблять через флюс або через дріт. Флюси безокислювальні або малоокислювальні (низькокремнисті фторидні або високоосновні безфтористі). Широко застосовуються марки АН-26, 48-ОФ-10 та АНФ-14. Залежно від марки сталі, що зварюється, вибирається система флюс-дрот (наприклад, для сталі 20Х23Н8 дріт Св-13Х25Н18, флюс АНФ-5).

При зварюванні в захисних газах застосовують як активні гази (СО2), і інертні (аргон, гелій) чи його суміші. Тут (особливо при застосуванні сумішей) з'являється можливість широко регулювати форму проплавлення, підвищувати стабільність горіння дуги та зменшувати чад легуючих елементів. При зварюванні в інертних газах можливе застосування як неплавного (вольфрамового), так і електрода, що плавиться. Перший застосовують для зварювання металу невеликих товщин або забезпечення якісного проплавлення кореня шва. Вольфрамовий електрод застосовують у поєднанні з аргоном вищого або першого сорту для виконання сполук у товщинах до 12,0 мм (що не виключає застосування способу і для зварювання великих товщин).

Зварювання ведеться на постійному струмі прямої полярності у всіх просторових положеннях безперервною або імпульсною дугою. Останній спосіб при відмінному формуванні шва на малих товщинах дозволяє зменшити деформацію та ширину ЗТВ, отримати дезорієнтовану структуру первинної кристалізації шва, зменшуючи цим небезпеку виникнення гарячих тріщин. При зварюванні електродом, що плавиться, можна регулювати складнаплавленого металу з допомогою зміни складу захисної атмосфери.

Зварювання електродом, що плавиться, виконують як в інертних, так і в активних газах або їх сумішах. Залежно від щільності струму і діаметра електродного дроту перенесення металу в дузі може бути краплинним і струменевим (останній видається кращим - при ньому практично виключається розбризкування).

Струменевий перенесення крім критичного струму пов'язаний із складом газової атмосфери. Так, добавка 3. 5% кисню зменшує величину критичного струму та (за рахунок окислення) зменшує пористість, викликану воднем. Остання досягається сумішшю 85. 80% Аг +15. 20% СО2. Ця суміш дешевше чистого аргону, проте, тут існує небезпека вигоряння легуючих елементів з металу, що наплавляється. Цей самий процес супроводжує зварювання в чистому СО2, як і певне навуглерожування наплавленого металу.

Сила струму при зварюванні вольфрамовим електродом вибирається в залежності від його діаметра, а при зварюванні плавиться - в залежності від діаметра електродного дроту і товщини елементів, що зварюються. Так, для товщини 4,0 мм встик без обробки кромок зварювання ведеться в один прохід de=1,0. 1,6 мм; Iсв = 160. 280А; витрата аргону φ = 6. 8 л/хв, а зварювання товщини 8,0 мм з V-подібною обробкою - у два проходи дротом dе = 1,6. 2,0 мм при силі струму Iсв = 240. 340 А при витраті φ =12. 15 л/хв.