2. Свариваемость теплоустойчивых сталей

Сварка теплоустойчивых сталей сопровождается изменениями свойств свариваемого материала, которые связанны:

 с расплавлением и кристаллизацией при формировании шва,

 со структурными изменениями в зоне термического влияния,

 с упругопластическим деформированием в зоне термического влияния.

Этим обусловлены физико-механическая неоднородность сварного соединения и образование местного сложнонапряженного состояния, что в ряде случаев ухудшает работоспособность и эксплуатационную надежность сварных конструкций.

Свариваемость теплоустойчивых сталей можно подразделить на два вида: металлургическую и тепловую.

Металлургическая свариваемость теплоустойчивых сталей перлитного класса определяемая:

 отношением металла к плавлению,

 металлургическими процессами в сварочной ванне,

 последующей кристаллизацией металла шва.

Металлургическая свариваемость не вызывает существенных осложнений. Технология сварки и сварочные материалы на современном уровне обеспечивают необходимую стойкость металла шва против образования горячих трещин и высокие характеристики металла шва по работоспособности, неуступающие основному металлу.

Тепловая свариваемость осложняется:

 охрупчиванием металла в результате образования метастабильных структур на участках зоны термического влияния, нагреваемых выше температуры Ас₃,

 разупрочнением металла зоны термического влияния, нагреваемого от температуры Ас₁ до температуры отпуска стали.

Образование хрупких структур (тростит, верхний бейнит, мартенсит), а также суммирование напряжений, вызванных неравномерным нагревом и структурными превращениями, могут исчерпать пластичность металла и вызвать образование холодных трещин и разрушение конструкции в процессе её изготовления.

Для предотвращения образования холодных трещин используются несколько технологических приемов:

1. выбор оптимальных режимов сварки,

2. применение предварительного и сопутствующего подогрева,

3. выдержка сварного соединения перед отпуском до определенной температуры  отдых сварной конструкции,

4. термическая обработка сварной конструкции.

Эксплуатационная надежность конструкций из металла повышенной толщины может быть обеспечена лишь после стабилизации структуры и снятия остаточных напряжений путем отпуска сварных соединений.

1. Выбор оптимальных режимов сварки

При выборе оптимальных режимов сварки теплоустойчивых сталей необходимо учитывать следующие:

 данные стали имеют низкую теплопроводность,

 им свойственна высокая чувствительность к скоростям охлаждения с температур аустенизации,

 необходимость сохранять (по возможности) стабильность структуры и механических свойств, уровень которых достигается путем термической обработки до сварки.

Теплоустойчивые стали обладают большой склонностью к образованию хрупких закалочных структур в околошовной зоне. Образование закалочных структур в зоне термического влияния при неблагоприятных термических циклах повышает склонность металла к образованию холодных трещин и хрупкому разрушению.

Характер и скорость структурных превращений в околошовной зоне значительно зависят:

 от физико-химических свойств легирующих элементов,

 от погонной энергии при сварке,

 скорости охлаждения металла в процессе сварки (которая может быть тем выше, чем ниже начальная температура нагрева стали и меньше погонная энергия).

Можно выделить две основные причины образования холодных трещин в теплоустойчивых сталях перлитного класса:

1. Низкая теплопроводность стали и крупнозернистый аустенит в условиях быстрого охлаждения способствуют появлению трещин в зоне термического влияния вследствие мартенситного превращения при температурах 150  200 ^оС, когда металл обладает меньшей пластичностью и высокой прочностью.

2. Напряжения, возникающие в результате выделения молекулярного водорода локализующегося в малых объемах.

Холодные трещины могут образовываться как в процессе сварки при охлаждении, так и после сварки в процессе дальнейшей обработки или эксплуатации.

Большое практическое значение для выбора оптимального термического цикла сварки имеет характер распада аустенита при непрерывном охлаждении. Он значительно отличается от распада аустенита в изотермических условиях. Надежным способом оценки структурных превращений в зоне термического влияния является применение специальных диаграмм анизотермического распада аустенита, построенных по критическим точкам с помощью дилатометрических кривых непосредственно при сварке.

Рис. 2 Термокинетическая диаграмма распада астенита

стали 12Х1МФ со скоростями охлаждения:

1 – 1 ^оС/мин, 2 – 3 ^оС/мин, 3 – 7 ^оС/мин, 4 – 10 ^оС/мин,

5 – 55 ^оС/мин, 6 – 70 ^оС/мин, 7 – 185 ^оС/мин, 8 – 230 ^оС/мин,

9 – 800 ^оС/мин, 10 – 1660 ^оС/мин,

11, 12 - охлаждение в масле и в воде

Основной борьбой с образованием трещин является регулирование структурных изменений путем выбора рациональных термических режимов сварки, снижающих скорость охлаждения в зоне термического влияния. Структурные превращения можно регулировать с помощью предварительного и сопутствующего подогрева и термической обработкой конструкции после сварки, а так же путем применения присадочного материала и правильно выбранной системы легирования.

Однако, кроме охрупчивания околошовной зоны следует учесть и наличие разупрочнения в зоне термического влияния. Наличие зоны разупрочнения связано с исходным состоянием стали (после полной термической обработки  закалка (нормализация) и высокий отпуск).

Разупрочнение наблюдается на участке, где металл нагревается в интервале температур от Ас₃ до температуры отпуска (рис. 3). При этом кратковременные прочностные свойства сварного соединения ухудшаются по сравнению с основным металлом на 5  10 %, а длительная прочность на 20 %. Мягкая прослойка в зоне термического влияния может являться причиной локальных разрушений жестких сварных соединений в процессе эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках.

Рис. 3. Строение зоны термического влияния

Повышение погонной энергии при сварке вызывает большое разупрочнение свариваемой стали. Зону разупрочнения можно разделить на два участка:

1  от температуры Ас₃ до температуры Ас₁ (4 – зона неполной перекристаллизации),

2  от температуры Ас₁ до температуры отпуска (5 – зона отпуска).

В зависимости от легированости стали в условиях сварки в этой зоне могут обнаруживаться самые разнообразные продукты распада аустенита, начиная от мартенсита и кончая зернистым перлитом. Также может наблюдаться коагуляция карбидной фазы, увеличение количества феррита, что приводит к разупрочнению этой зоны (рис. 4). Для устранения провала твердости в этой зоне необходима последующая термическая обработка.

Рис. 4. Макроструктура сварного соединения из теплоустойчивой стали и диаграмма распределения твердости по зонам сварного соединения (зона охрупчивания и зона разупрочнения – участок белой полосы на макрошлифе):

I – недопустимая область HB  250, II – допустимая область HB 220 – 250,

II – оптимальная область HB 180 – 220, IV – допустимая область HB 180 – 160,

V – недопустимая область HB  160.

Так же следует учитывать изменения свойств в зоне сплавления с основным металлом. При температурах эксплуатации 450  600 ^оС возникают диффузионные процессы между основным металлом и металлом шва. В первую очередь это относиться к углероду, как наиболее диффузионно подвижному элементу. Миграция углерода из основного металла в шов и наоборот может наблюдаться даже при небольших различиях в легировании их карбидообразующими элементами. Образование в процессе эксплуатации обезуглероженной ферритной прослойки по одну сторону линии сплавления и карбидной гряды по другую приводят к снижению длительной прочности и пластичности сварного соединения и локальному разрушению. Поэтому сварочные материалы должны обеспечить химический состав металла шва близкий к составу основного металла. В отдельных случаях при необходимости отказа подогрева и термической обработки можно использовать сварочные материалы на никелевой основе, т.к. диффузионная подвижность элементов в сплавах на никелевой основе при температурах 450  500 ^оС значительно меньше, чем в низколегированных сталях перлитного класса.