3 Технология сварки стали 15х5м аустенитными электродами

Различие коэффициентов линейного расширения металла аустенитного шва и основного металла (физическая неоднородность) является причиной возникновения дополнительных термических напряжений в условиях эксплуатации при повышенных температурах. Вопрос о снижении и устранении термических напряжений решается путем применения для сварки стали 15Х5М высоконикелевых электродов. С позиций технологической и эксплуатационной прочности одним из наиболее слабых звеньев сварного соединения из стали 15Х5М, выполненных аустенитными электродами, являются участки подкалки с повышенной твердостью, но с пониженными пластичностью и вязкостью по сравнению с основным металлом. Таким образом, склонность к закалке и образованию холодных трещин существенно усложняет технологический процесс изготовления сварных изделий из стали 15Х5М.

Ускоренное охлаждение существенно сужает область распространения закалочных температур, что дополнительно уменьшает ширину участков подкалки (до 1-2 мм). Последнее является причиной повышения деформационной способности сварных соединений из-за контактного разупрочнения твердых участков, роста сопротивляемости образованию холодных трещин и их распространению. Кроме того, ускоренное охлаждение уменьшает размеры зерна металла околошовной зоны, ширину активных зон, претерпевающих термопластические деформации, приводит к естественной закалке на аустенит металла шва, позволяет производить сварку на форсированных (жестких) режимах.

Наибольший положительный эффект достигается при многослойной сварке на пониженных режимах (рис. 1.2, б) Ширина твердых участков в околошовных зонах сузилась в 4-5 раз по сравнению с вариантом многослойной сварки с послойным охлаж­дением (см. рис. 1.2, в) и колеблется в среднем в пределах 1-2 мм.

При сварке на производительных режимах с наложением двухслойного шва (см. рис. 1.2, в) происходит сужение участ­ков подкалки в тех пределах, что и при многослойной сварке.

а) – распределение твердости (• - сварка с подогревом до 350 - 400°С, × - сварка с сопутствующим охлаждением); б) – многослойная сварка с охлаждением; в – двухслойная сварка с охлаждением

Рисунок 1.2 – Твердость в поперечных сечениях сварных соединений, выполненных электродами ОЗЛ-6 и макроструктуры (×2) при толщине листа 10 мм.

Таким образом, ускоренное охлаждение при сварке стали 15Х5М аустенитными электродами является эффективным способом повышения технологической и эксплуатационной прочности сварных соединений.

4 Особенности технологии сварки стали 15х5м с регулированием термических циклов

Применительно к сварным соединениям из закаливающихся жаропрочных хромомолибденовых сталей ставятся следующие основные задачи по регулированию термического цикла сварки:

- уменьшение ширины закаленных твердых участков ЗТВ;

- увеличение скорости нагрева и охлаждения и сокращение длительности пребывания металла околошовных зон при максимальной температуре выше конца фазового превращения А_С3;

- ограничение скорости охлаждения металла шва и околошовных зон термического влияния в области нижних температур их фазовых превращений.

Выполнение сварки стали 15Х5М с РТЦ за счет сопутствующего охлаждения на всех способах и режимах улучшает структуру характерных зон сварного соединения и способствует снижению их структурно-механической нео­днородности, как при сварке неоднородными и, особенно, при сварке аустенитными сварочными проволоками. За счет ускоренного охлаждения в области надкритических температур происходит практическая реализация критической толщины твердой прослойки в ЗТВ, а структура околошовных участков перегрева имеет равновесное мелкозернистое строение. Устраняется также перегрев аустенитного металла шва, становится возможным ведение сварки более крупными размерами слоев на повышенных режимах. При этом осуществляется закалка на аустенит наплавленного шва, способствующая уменьшению склонности к образованию горячих трещин при сварке, повышению его механических свойств и коррозионной стойкости. Так, предел текучести металла шва сварных соединений, выполненных принудительным сопутствующим охлаждением, повысился на 15­,6 %, относительное удлинение увеличилось на 30-60 % по сравнению с металлом шва, выполненного с подогревом. Однородная более дисперсная структура аустенитного металла обусловливает более высокую стойкость к тепловому охрупчиванию в результате старения.

Выполненными комплексными исследованиями вопросов свариваемости стали 15Х5М установлена взаимосвязь термического цикла сварки с геометрическими размерами и структурным состоянием характерных зон сварного соединения при различных технологических способах сварки однородными пер­литными и аустенитными электродами.

При сварке с подогревом не достигается достаточно высокая технологическая и эксплуатационная прочность сварных соединений из стали 15Х5М. Снижение скорости нагрева при сварке с подогревом способствует увеличению степени закаливаемости металла, склонности к росту зерна мартенситной и размеров твердых участков (прослоек) ЗТВ.

Эффективное ограничение размеров твердых прослоек в хромистых жаропрочных сталях обеспечивается при воздействии на металл “сжатого” термического цикла (с малой протяженностью области распространения закалочных температур), что достигается применением механизированных способов сварки и принудительного сопутствующего охлаждения взамен предварительного и сопутствующего подогрева при сварке.

Применение принудительного сопутствующего охлаждения приводит к существенному снижению области распространения максимальных температур, способствует увеличению скорости нагрева и скорости охлаждения в верхнем интервале температур, что позволяет сократить длительность пребывания выше температуры A_c3 металла околошовных зон и обеспечивает замедленное охлаждение в области температур мартенситных превращений свариваемой стали.