местный или общий подогрев изделия. Подогрев уменьшает раз ницу температур металла в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения первого рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовных участках металла сглаживаются. Подогрев также уменьшает скорость охлажде ния металла, что предотвращает превращение аустенита в мар тенсит, которое сопровождается резким увеличением удельного объема металла, вызывающим появление структурных напря жений.
Повышение температуры свариваемого металла способст вует эвакуации водорода из сварного соединения в связи со значительным увеличением диффузионной подвижности водо рода.
Кроме того, повышение температуры металла при любом его структурном состоянии увеличивает его пластичность, а сле довательно, и деформационную способность. Повышение пла стичности сварного соединения имеет такое же важное значение для предотвращения образования холодных трещин, как и сни жение напряжений, поскольку трещины образуются в резуль тате исчерпания деформационной способности металла под дей ствием напряжений.
При сварке теплоустойчивых сталей необходимо ограничи вать не только'нижний, но и верхний предел температур подо грева. Излишне высокие температуры подогрева приводят к распаду аустенита в высокотемпературной области с образо ванием грубой феррито-перлитной структуры, не обеспечиваю щей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений.
Поскольку перераспределение напряжений и структурные превращения могут происходить и после окончания сварки, в некоторых случаях необходимы дополнительные меры, пре дотвращающие образование холодных трещин в сварных со единениях. К ним, например, относится выдержка сварных соединений после окончания сварки при 150—200 °С в течение несколькиих часов для завершения превращения остаточного аустенита и эвакуации водорода.
12.2-2. Разупрочнение в зоне термического влияния
Применение в качестве термической обработки сталей норма лизации (или закалки) с последующим отпуском осложняет их свариваемость в связи с возникновением в зонах термического влияния сварки участков разупрочнения, где металл был на грет в интервале температур Ас3— температура отпуска стали. Кратковременные прочностные свойства сварных соединений при этом снижаются по сравнению с основным металлом на 5—10 %, а длительная прочность может быть снижена на 20 %,
если стали упрочнялись закалкой, например для паропроводной стали 12Х1МФ. Степень разупрочнения зависит не только от ре жимов термической обработки стали, но и от параметров про цесса сварки. Повышение погонной энергии процесса сварки вызывает большее разупрочнение свариваемой стали.
Мягкая разупрочненная прослойка в зоне термического влияния сварки может явиться причиной локальных разруше ний жестких сварных соединений в процессе эксплуатации, осо бенно при изгибающих нагрузках.
Разупрочнение металла околошовной зоны могло бы быть устранено перекристаллизацией при применении вместо от пуска сварных соединений нормализации с отпуском. Однако высокотемпературная термическая обработка сварных соеди нений не может быть подобно отпуску осуществлена местно, так как это приводит к разупрочнению близлежащих участков ме талла, а объемная термическая обработка сварных конструк ций ограничивается габаритными размерами печей и рядом других трудностей.
12.2.3. Изменение свойств в зоне сплавления при эксплуатации
При температурах эксплуатации 450—600 °С следует считаться с возможностью развития диффузионных процессов между ос новным металлом и металлом шва. В первую очередь это отно сится к углероду, который является одним из наиболее диф фузионно подвижных элементов, входящих в состав металла. Миграциия углерода из стали в шов или наоборот может на блюдаться даже при небольшом различии в легировании их карбидообразующими элементами (например, стал 12Х1МФ — шов 10ХЗМ1БФ). Образование в процессе эксплуатации обезуглероженной (ферритной) прослойки по одну сторону линии сплавления и карбидной гряды по другую приводит к снижению длительной прочности и пластичности сварного соединения и, как следствие, к локальному (по зоне сплавления) разруше нию.
Всвязи с этим сварочные материалы, предназначенные для сварки жаропрочных перлитных сталей, должны обеспечивать химический состав металла шва, близкий к химическому со ставу основного металла.
Вотдельных случаях при необходимости отказаться от по догрева и термической обработки (отпуска) сварных соедине ний могут быть использованы сварочные материалы, обеспе чивающие получение металла шва на никелевой основе (покры тые электроды ЦЛ-Зб, проволока для аргонодуговой сварки Св-08Н60Г8М7Т). Возможность применения этих сварочных
материалов основана на том, что диффузионная подвижность
элементов в сплавах на никелевой основе при 450—600 °С зна чительно меньше, чем в низколегированных сталях перлитного класса.
12.3. Технология сварки и свойства сварных соединений
Основными способами сварки, используемыми при изготовлении конструкций из жаропрочных перлитных сталей, являются ду говая и электроконтактная. Электроконтактная сварка исполь зуется в основном для выполнения стыковых соединений труб поверхностей нагрева котлов в заводских условиях. В подав ляющем большинстве других случаев используется дуговая сварка покрытыми электродами, в защитных газах и под флю сом.
Общими рекомендациями по всем видам дуговой сварки яв ляются: оптимальная подготовка свариваемых кромок, тепло вые условия сварки и режимы термической обработки сварных соединений.
Подготовка кромок деталей под сварку производится с по мощью механической обработки. Допускается применение кис лородной или плазменно-дуговой резки с последующим удале нием слоя поврежденного металла толщиной не менее 2 мм.
Дуговую сварку производят при температуре окружающего воздуха не ниже 0 °С с предварительным и сопутствующим сварке местным или общим подогревом. Пределы изменения температуры подогрева в зависимости от марки стали и тол щины свариваемого изделия приведены в табл. 12.2.
ТАБЛИЦА 12.2
ТЕМПЕРАТУРА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО И СОПУТСТВУЮЩЕГО ПОДОГРЕВА
Марка стали |
Толщина сваривае |
Температура подо |
||
мых деталей, мм |
грева, |
°С |
||
12МХ, 12ХМ, |
15ХМ |
< 1 0 |
|
|
|
|
10—30 |
150—300 |
|
|
|
> 3 0 |
2 0 0 -350 |
|
2ХМЛ, 12Х1МФ |
< 6 |
— |
|
|
|
|
6—30 |
200—350 |
|
|
|
> 3 0 |
250—400 |
|
15Х1М1Ф, 20ХМФЛ, |
15Х1М1ФЛ |
< 6 |
— |
|
|
|
6—30 |
250—400 |
|
|
|
Свыше 30 |
3 0 0 -450 |
|
|
|
|
1 |
|
П р и м е ч а н и я : 1. |
При многопроходной автоматической |
сварке под |
флюсом |
|
Допускается снижение минимальной температуры подогрева на 50 °С. |
|
|||
2. Аргонно-дуговую сварку корневого слоя труб допускается |
выполнять без подо |
|||
грева. |
|
|
|
|
Без термической обработки сварные соединения жаропроч ных перлитных сталей не обладают эксплуатационой надеж ностью ввиду структурной неоднородности и наличия остаточ ных сварочных напряжений. Поэтому большинство сварных конструкций подвергают термической обработке. Исключение составляют сварные соединения из хромомолибденовых сталей толщиной менее 10 мм и из хромомолибденованадиевых сталей при толщине менее 6 мм.
При изготовлении конструкций из жаропрочных перлитных сталей используют обычно отпуск. Его преимущество заключа ется в том, что он может быть использован в качестве местной термической обработки. Отпуск стабилизирует структуру (твер дость) сварного соединения и снижает остаточные напряжения. С увеличением содержания хрома, молибдена, ванадия и дру гих элементов, повышающих релаксационную стойкость сталей, температура отпуска и время выдержки должны увеличиваться. Особую опасность представляет отпуск сварных соединений хромомолибденованадиевых сталей при пониженных темпера турах в связи с возможностью дисперсного твердения, вызван ного выпадением в околошовной зоне карбидов ванадия и об разованием трещин при термической обработке. Недостатком отпуска является невозможность полного выравнивания струк туры, в частности устранения разупрочненной прослойки в зоне термического влияния сварки. Последнее может быть достиг
нуто, как уже отмечалось выше, |
применением печной термиче- |
||||||
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 12.3 |
||
РЕЖИМЫ ОТПУСКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯ. ВЫПОЛНЕННЫХ |
|||||||
|
|
|
ДУГОВОЙ СВАРКОЙ |
|
|
||
|
Толщина |
Минималь |
|
Толщина |
Минимальная |
||
|
ная продол |
|
|||||
|
сваривае |
|
сваривае |
продолжи |
|||
Марка стали |
жительность |
Марка стали |
|||||
мых |
|
мых дета |
тельность |
||||
|
деталей, |
мм |
выдержки, |
|
лей, мм |
выдержки, ч |
|
|
ч |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Отпуск, 7\ °С = 715± 15
12МХ |
10 |
|
12ХМ |
1 0 -2 0 |
1 |
15ХМ |
20—40 |
2 |
20ХМЛ |
4 0 -8 0 |
3 |
|
> 8 0 |
4 |
Т, |
°С = 735± 15 |
— |
12Х1МФ |
< 6 |
|
20ХМФЛ |
6 - 1 0 |
1 |
|
1 0 -2 0 |
2 |
|
ю 0 1 О |
|
40—80 |
|
> 8 0 |
|
т\ °С 745±15 |
15Х1М1Ф |
< 6 |
15Х1М1ФЛ |
6 - 1 0 |
12Х2МФСР |
10—20 |
|
20—40 |
4 0 -8 0 > 8 0
3
4
5
_
1
2
3
5
7
П р и м е ч а н и е . Скорость нагрева сварных соединений из хромомолибденованадневых сталей в интервале Б00—700 °С должна быть не менее 60 °С/ч.
ской обработки всей конструкции, что в большинстве случаев не представляется возможным. Рекомендуемые режимы отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой, приведены в табл. 12.3.
12.3.1. Сварка покрытыми электродами
Для ручной дуговой сварки жаропрочных перлитных сталей используются электроды с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, изготовленные на малоуглеродистой сварочной про волоке с введением легирующих элементов через покрытие. Ос новной тип покрытия обеспечивает повышенную раскисленность металла шва при малом содержании в нем водорода и неметал лических дисперсных включений, а также достаточно надежную газовую защиту плавящегося металла от азота воздуха. Это позволяет получить сочетание высоких прочностных и пласти ческих свойств швов. Однако для электродов с покрытием этого типа характерна повышенная склонность к образованию пор в швах при удлинении дуги, наличии ржавчины на поверхности свариваемых кромок и небольшом увлажнении покрытия. В связи с этим рекомендуются сварка предельно короткой ду гой, тщательная очистка свариваемых поверхностей и сушка электрода перед их применением. Электроды малого диаметра (ЦЛ-38, ЦЛ-39), используемые в основном для монтажной сварки труб поверхностей нагрева котлов, отличаются повы шенной надежностью газовой защиты плавящегося металла, что позволяет обеспечить плотные швы в условиях, когда поддер живать короткую дугу достаточно сложно.
Для сварки хромомолибденовых сталей 12МХ, 15ХМ и 20ХМЛ используются электроды типа Э-09Х1М (ГОСТ 9467—75) марок ЦУ-2ХМ диаметром 3 мм и более и электроды ЦЛ-38 диаметром 2,5 мм.
Для сварки хромомолибденованадиевых сталей 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ — электроды типа Э-09Х1МФ марок ЦЛ-20, ЦЛ-45 диаметром 3 мм и более и электроды ЦЛ-39 диаметром 2,5 мм.
Сварка осуществляется на постоянном токе обратной поляр ности. Сила сварочного тока выбирается в зависимости от диа метра электрода и положения шва в пространстве. Сварка осу ществляется узкими валиками без поперечных колебаний элек трода с тщательной заваркой кратера перед обрывом дуги.
В отдельных' случаях, когда применение подогрева свари ваемых изделий и последующей термической обработки свар ных соединений невозможно или необходима сварка перлитных жаропрочных сталей с аустенитными, допускается использова ние электродов на никелевой основе марки ЦТ-36 или аргонодуговой сварки проволокой Св-08Н60Г8М7Т.