1 Аналіз сталі

Сталь марки 10Х17Н13М2Т (ЭИ 448) – високолегована, низьковуглецева, хромонікельмолібденова, призначена для виготовлення ємностей та резервуарів, що працюють в умовах високої агресивності середовища, має високу стійкість до міжкристалічної корозії (розчинах фосфорної, сірчаної кислот та ін.). Сплав очевидно – корозійностійкий, жаростійкий і жароміцний. Хімічний склад 10Х17Н13М2Т приведений в таблиці 1.1.

Фізичні властивості сплаву приведені в таблиці 1.2.

Відтак бачимо наступне: сплав має майже однакову густину в порівнянні з залізом, малу теплопровідність, менший електроопір ніж у заліза та меншу теплоємність, високу в’язкість, модуль пружності як у більшості низьколегованих конструкційних сталей. Лінійний коефіцієнт температурного розширення в діапазоні 100-500°С має наступні значення 16,5-19,0 К^-1 відповідно. Механічні властивості сплаву приведені в таблиці 1.3.

З цього видно, що механічні властивості даної сталі дуже високі, і сплав має дещо більшу пластичність в порівнянні з вуглецевими сталями. До зварювання сталь можуть термічно оброблювати, що зазвичай погано впливає на здатність до зварювання. Термічна обробка може бути таких видів: кування (нагрівання до 1100-900°С і охолодження на повітрі або з піччю); загартування (нагрівання до 1020-1080°С і охолодження у воді або на повітрі).   [3]

Для визначення структури високолегованих сталей користуються діаграмою Шефлера, результати якої досить точні з огляду на врахування достатньої кількості легуючих елементів, які, як відомо, поділяються на аустенізатори і феритизатори. Вона розроблена спеціально для зварних швів і є вдосконаленою діаграмою Маурера, якою користуються для визначення структурного складу хромонікелевих сталей. Діаграма приведена на рисунку 1.1. За значеннями Ni_екві Cr_екв знаходиться точка яка лежить в певній структурній зоні.Спочатку розрахуємо еквівалент хрому (феритизатори):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Згідно з діаграмою Шефлера, сплав 10Х17Н13М2Т має чисто аустенітну структуру, що і підтверджується літературними джерелами [1; 2; 3; 17]. Діаграма впливу хрому на сплав Fe-8Ni показана на рисунку 1.2.

Велике значення для властивостей таких сталей мають перетворення, що протікають при нагріванні, і відповідно, вихідний фазовий стан після охолодження. Хром сильно збільшує стійкість α-стану сталі, настільки сильно, що навіть при вмісті в сталі значної кількості нікеля область існування γ-фази виявляється замкнутою і оточеною α-фазою. В цих умовах (див. рисунок 1.2) в сталях зі значним вмістом хрому при нагріванні можливі дві схеми фазових перетворень.

Для сплавів, що знаходяться в концентраційній області замкнутої петлі γ-фази, нагрівання в інтервалі температур існування однієї γ-фази має призвести до повної перекристалізації α→γ, з отриманням після охолодження аустенітного стану, стабільного або нестабільного, з мартенситом або без нього, або ж повністю мартенситного стану в залежності від умов охолодження і складу сталі. Однак при нагріванні цих же сталей до більш високих температур можна отримати α+γ-область. По суті, α-фаза буде високотемпературним δ-феритом. При охолодженні таких сплавів має відбутись зворотнє α→γ-перетворення. Збільшення вмісту хрому чи інших феритизаторів призводить до того, що сталь стає феритно-аустенітною, і відповідає двохфазній α+γ-області. Кількість фериту в такій сталі залежить від співвідношення сумарної кількості аустенізаторів і феритизаторів. Нагрівання сталей призводить до утворення α- і γ-фази, а охолодження зберігає в структурі разом з аустенітом чи продуктами його перетворення і певну кількість фериту. Ферит впливає на властивості таких сталей, відрізняючись більш низькою пластичністю від аустеніту, він ускладнює процеси обробки тиском, і може бути причиною розвитку міжкристалічної корозії. Загалом діаграма приведена на рисунку 1.2. може лише якісно охарактеризувати структурні перетворення в сталях подібного хімічного складу.[8]

Важливо відзначити негативний вплив σ-фази, яка утворюється при тривалих термінах нагрівання в інтервалі температур 600-900°С, в сталях з підвищеним вмістом хрому і феритизаторів. Переважно σ-фаза виділяється з α-фази, однак наявність трьохфазної області α+γ+σ свідчить про те, що σ-фаза може виділятись і з γ-фази. В хромонікелевих сталях σ-фаза являє собою складне інтерметалідне з’єднання на базі заліза і хрому. Вона значно знижує в’язкість сталі і сприяє її зміцненню, в тому числі при підвищених температурах.

 Разом з N, Mn, Cu, Co, вуглець подібно до Ni розчиняючись в твердому розчині залізних сплавів, сприяють утворенню аустеніту. Al, V, Ti, Si, Nb, Mo, Ta, Cr – сприяють отриманню феритної структури. Наприклад: аустинізаційна дія на сталь вуглецю в 11-17 разів більша ніж у нікеля; феритизуюча дія Al в 12 разів, а молібдену в 2-4 разів перебільшує вплив хрому на структуру сталі.

Головним легуючим елементом в залізо-вуглецевих сплавах є – вуглець. Загалом його вплив на здатність до зварювання негативний; звичайно він підвищує міцність і твердість сталей, але погіршує пластичність, ударну в’язкість робить більш імовірним утворення ГТ і ХТ при зварюванні сплавів різних груп. В легованих і високолегованих композиціях його вплив більш вагомий, так як він може утворювати різного роду з’єднання типу карбідів (Ме₂₈С₈, Ме₇С₃, МеС), що суттєво змінюють властивості сплавів. Потрапляє в сплави, при виплавці (в деяких випадках його кількість намагаються зменшити шляхом електрошлакового переплавлення в синтетичних шлаках).[6]

   Як вказувалось вище, вуглець – аустинізатор. Однак, якщо вуглець в Cr-Ni сталях зв’язаний в карбіди, а не розчинений в аустеніті, він втрачає своє значення як аустинізатор. Вуглець в аустенітних сталях на схильність до утворення тріщин впливає двояко: при вмісті до 0,18-0,20%, як в низьколегованих сталях , підсилює схильність до ГТ. По мірі подальшого зростання вмісту вуглецю в шві він зі збудника ГТ перетворюється в засіб їх усунення. Це пов’язано з подрібненням структури і збільшенням кількості евтектичної рідини, яка, заповнюючи простір між кристалітами «заліковує» гарячі тріщини. При вмісті вуглецю 0,3-0,5% він позитивно впливає на зварність в аустенітних сталях всіх типів.[7]

Одразу треба вказати загальну тенденцію введення в сталь Ti, Nb, кількість цих елементів має відповідати вмісту вуглецю в сталі з тим, щоб вони зв’язали в стійкі карбіди весь наявний вуглець (Ті/С або Nb/С дорівнює або дещо більше критичного відношення). В цьому випадку практично виключається утворення карбідів хрому по границях зерен і збіднення хромом крайніх ділянок, так як весь вуглець зв’язується елементами, що мають з ним значно більшу хімічну спорідненість, ніж хром. Карбіди титану виділяються із сталі, як правило, при охолодженні в області високих температур і розташовуються зазвичай не по границях зерен, а в самому зерні. Це є запорукою того, що карбідоутворення не впливає на схильність до МКК. В стабільно аустенітних високолегованих сталях титан в зв’язку з утворенням з нікелем легкоплавких евтектик може бути причиною утворення ГТ. Титан в даній сталі виконує роль покращуючого елементу, сприяє подрібненню структури при оптимальному його вмісті, а збільшення вмісту титану в сплаві призводить до збільшення кількості евтектики, і вона може «заліковувати» гарячі тріщини.[7]

В деякі хромонікелеві сплави аустенітного класу для підвищення стійкості від корозії вводять молібден, він також збільшує жароміцність і жаростійкість сталі, збільшує опірність пітінговій корозії, але разом з цим зменшує опірність МКК в окисних середовищах. При зварюванні, молібден треба подавати з невеликим надлишком, сприяє блокуванню утворенню ГТ.[4]

Кремній в сталі 10Х17Н13М2Т переважно присутній як домішка, а його головний вплив на властивості сталі полягає в наступному: в процесі виплавки вводиться як розкислювач; при вмісті більше 0,8 % помітно збільшує жаростійкість; збільшує рідкоплинність металу зварної ванни; знижує ударну в’язкість сталі; схильний до лікваційних процесів; зміцнює сплави. В аустенітних швах, коли вміст кремнію складає всього 0,3-0,4% він діє як один з найсильніших збудників кристалізаційних тріщин, внаслідок утворення тонкої силікатної плівки на границях зерен аустеніту або легкоплавкої маломіцної евтектики. Важливою роллю кремнію в аустенітних сталях є його здатність зменшувати негативний вплив водню при зварюванні.[7]

SiO₂ + 2CaF₂ + 3H → 2CaO + SiF + 3HF

В результаті такої реакції водень видаляється у вигляді нерозчинного в металі фтористого водню.   Марганець безумовно застосовується як сильний аустенізатор, він стабілізує аустенітну фазу, є одним з потужних десульфаторів і розкислювачів, збільшує міцність сплавів.  Хром – головний елемент в корозійностійких жаростійких сплавах, це пояснюється виникненням на поверхні металу міцної оксидної плівки Cr₂O₃, а вплив на механічні властивості зумовлений імовірністю утворення карбідів хрому. В кількості від 12,6% робить сплави заліза нержавіючими. Хром – феритизатор, а в джерелі [7] вказується на здатність хрому зменшувати чутливість сплаву до ГТ.

Нікель – аустенізатор, але в нього подібний вплив на властивості сплавів, він значно збільшує корозійну стійкість, збільшує пластичність, ударну в’язкість, жаростійкість і жароміцність. Проте нікель сприяє утворенню ГТ не тільки тому, що як аустенізатор сприяє утворенню однофазної крупнозернистої структури, але і тому, що з сіркою він утворює легкоплавкий сульфід NiS₂ в якого температура плавлення 625°С. Окрім того нікель може утворювати легкоплавкі евтектики з Si, Nb, B.                    Сірка і фосфор є шкідливими домішками, вони сприяють утворенню гарячих і холодних тріщин. При зварюванні аустенітних сталей з’являється поняття синьоламкості в ЗТВ, лінія кольору мінливості синього кольору в якій накопичується фосфор – метал окричується.

Загалом будь-яка система легування сплаву перевіряється експериментально в залежності від властивостей які повинні мати конструкції при певних умовах експлуатації. З цієї сталі виготовляють деталі, що працюють в теплоенергетичному комплексі тривалий час при температурах до 600°С, а також для виготовлення відповідальних конструкцій на виробництвах синтетичної оцтової кислоти, синтетичного каучуку і ізопрену.

2 Оцінка здатності до зварювання

 При виготовленні зварних конструкцій з будь-яких матеріалів завжди виникають питання покращення якості зварного шва, запобігання дефектів за різних технологічних обставин. Відтак теоретично можна прогнозувати утворення тих чи інших дефектів (при відпрацьованій технології), якщо знати структурний клас матеріалу, його хімічні і фізичні властивості, тощо. Головними металургійними дефектами при зварюванні є пори, гарячі і холодні тріщини, МКК. Далі ці дефекти будуть розглянуті в цій же послідовності.

 Деякі ускладнення викликає підвищене, в порівнянні з залізом, споріднення хрому до кисню і як наслідок чого, його підвищена здатність окислюватись, і можливе з цим забруднення металу шва. В аустеніті з високим вмістом нікелю розчинність водню підвищена, і це може стати причиною пористості. При кристалізації аустенітної сталі падіння розчинності водню відбувається в меншій мірі, в порівнянні зі звичайними маловуглецевими і феритними сталями. Утворення пор в аустенітному металі за рахунок азоту і вуглецю малоймовірне, внаслідок високої розчинності азоту і невеликого вигорання вуглецю в хромонікелевих аустенітних сталях.

Водень потрапляє в реакційну зону зварювання у вигляді парів води, що знаходяться в атмосфері, адсорбованої вологи на крайках деталей і дротів, вологих покриттях електродів і флюсів.

  Способи боротьби наступні:

 –  надійний захист зони зварювання від газів атмосфери;

  – ретельне очищення окрайків зварних деталей;

 – використання зварювальних матеріалів високої чистоти (гази, флюси, дроти);

  – розкислення і дегазація металу зварної ванни, введенням Al, Ti, які активніше реагують з киснем;

– просушування зварювальних матеріалів перед зварюванням.

Попереднє підігрівання як спосіб зменшити вміст вологи на крайках металу не використовується.

Металу аустенітних зварних швів характерна коміркова, дендритна або змішана форма кристалізації, що визначає утворення крупних стовпчастих кристалів зі збагаченням міждендритних ділянок домішками, які утворюють легкоплавкі фази. Високі швидкості кристалізації зварних швів при дуговому зварюванні обумовлюють в них порівняно слабко розвинуту зональну і значну мікрохімічну дендритну неоднорідність в результаті ліквації в першу чергу таких елементів, як P, S, C, Mo, Si, Ti. Дія термодеформаційного циклу зварювання призводить до утворення в різних ділянках зони термічного впливу структур, які суттєво відрізняються від структури сталі, що зварюється. Характерним для них є незавершеність поліморфних перетворень (γ→δ або σ→γ) на стадії нагрівання і утворення відпускних структур на стадії охолодження. Структура в зоні термічного впливу відрізняється також неоднорідністю в результаті нерівномірного нагрівання, розвитку субструктури і високотемпературного наклепу внаслідок міжзеренної і внутрішньозеренної пластичної деформації. Зварні шви мають транскристалітну структуру (зерна наплавленого металу ростуть з оплавлених зерен попереднього шару, таким чином утворюючи великі протяжні зерна аустеніту (рисунок 2.1).

 

 

 

 

 

 

 

Розрізняють три типи тріщин, які утворюються при зварюванні аустенітних сталей:кристалізаційні, підсолідусні і холодні. [10]

Гарячі (кристалізаційні) тріщини – крихкі міжкристалічні руйнування металу шва і ЗТВ, які виникають в твердо-рідкому стані при завершенні кристалізації, а також в твердому стані при високих температурах на етапі переважного розвитку міжзеренної деформації. Головними причинами ГТ є мала пластичність металу в ТІК та наявність маломіцних прошарків евтектичної рідини на границях зерен, або лікваційних елементів в процесі кристалізації (рисунок 2.2 показує пластичність металу в процесі кристалізації).[11]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Підсолідусні тріщини зароджуються при міжзерновому проковзуванні в місцях виходу ростових дислокацій на границі зерен. Внутрішньокристалічна зсувна деформація відбувається шляхом ковзання і двійникування зерен металу, коли в кристалах із впорядкованим розташуванням іонів можливе переміщення цілої групи сусідніх атомів, що не змінюють свого взаємного розташування в межах цієї групи. Ковзанням називається процес поступового переміщення (зсуву) однієї частини кристала відносно іншої вздовж деякої площини розділу, яка називається в цьому випадку площиною ковзання (рисунок 2.3). Утворенню підсолідусних тріщин сприяє уповільнене охолодження металу після зварювання. Уповільнене охолодження збільшує час перебування вразливих до підсолідусних тріщин зон в інтервалі високих температур,сприяючи термічній активації полігонізаційних і дифузійних процесів.

 

 

 

 

 

 

 

 

У ході двійникування атоми зміщуються паралельно площині двійникування на відстані, пропорційній їх віддаленню від неї (рисунок 2.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

де  АВС – площина двійникування; АВ та ВС – границі двійника.    Особливістю внутрішньокристалічної зсувної деформації є те, що механізми і ковзання, і двійникування кристалів, які передбачають переміщення атомів у кристалічній ґратці, реалізується не прямим обміном їх місцеположення, а за участю дислокацій. При цьому умовами виникнення таких тріщин є: міжзеренне проковзування і локалізація напружень по границях зерен.[11]

Холодні тріщини можуть виникати як в процесі охолодження з’єднань, наприклад в інтервалі 500-700 °С, так і при кімнатній температурі після деякого часу вилежування конструкції. Причиною ХТ можуть бути фазові перетворення, наприклад в результаті утворення в значних кількостях σ-фази, мартенситної складової або інших крихких фаз. Вони можуть виникнути і в матеріалах в яких не відбуваються структурні перетворення, але які мають малий запас пластичності із-за надмірного зміцнення твердого розчину. Холодні тріщини на відміну від гарячих можуть мати внутрішньокристалічний характер, а джерелами їх зародження можуть бути гарячі тріщини.

 Утворення карбідів на границях зерен збільшує рівень мікронапружень в цих зернах. В аустенітних сталей більш високий коефіцієнт лінійного теплового розширення, тому значно збільшуються області зварного з’єднання, де має місце пластична деформація, що після охолодження призводить до збільшення залишкових деформацій.

Розрахунково можна оцінити ймовірність утворення гарячих тріщин, при зварюванні аустенітних сталей, кількома методами: формула Шефлера, параметром високотемпературної пластичності (методика японських вчених).[12]

Якщо високотемпературна пластичність сталі ΔH>100, її гарячеламкість вважається низькою і матеріал, таким чином, має високу опірність гарячим тріщинам. Виходячи з цього, даний сплав схильний до утворення ГТ. Загалом велика кількість методів оцінки однієї і тої ж величини, дає змогу більш широко оцінити ймовірність утворення дефектів.

Комплексне застосування металургійних, технологічних і конструкційних методів, підвищує стійкість швів проти утворення гарячих тріщин.- зменшення вмісту шкідливих домішок С, S, P;  – додавання модифікаторів V, Mo, W, Ti або азоту, та утворення 5-10% феритної структури, яка буде запобігати зростанню зерна аустеніту в шві; – додавання РЗМ матеріалів, які нейтралізують сірку і подрібнюють та дезорієнтують структуру.[11;8;13;]

 Технологічні фактори:    

– застосування малопотужних джерел зварювання, TIG, електронно-променеве зварювання, лазерне;  – виконувати зварні шви малого перерізу, з направленням росту кристалів вгору, а не до осьової лінії шва; – зміна І-подібної підготовки крайок, на V, U – подібну і таким чином перейти від однопрохідного зварювання до багатопрохідного;  – наступні шви заповнення крайок виконувати після охолодження попереднього до кімнатної температури, щоб запобігти росту зерна аустеніту ЗТВ, і як наслідок збільшити міцність і пластичність зварного з’єднання;- електромагнітне і ультразвукове перемішування металу зварної ванни;  – імпульсно-дугове та імпульсно-плазмове зварювання.[11;8;13;]    Слід навести заходи боротьби з підсолідусними тріщинами, так як вони є реальною загрозою враження зварного шва.  – зварювання з малою погонною енергією на великих швидкостях;  – застосування способів зварювання з потужними концентрованими джерелами нагрівання, плазмове, лазерне;                                      – примусове або супутнє охолодження металу шва і ЗТВ мідною водоохолоджуваною оснасткою.

 Конструкційні способи боротьби:

– зварювання на вивідних планках; – заміна одностороннього шва двохстороннім.[11;8;13;]  Для запобігання утворенню холодних тріщин, слід обирати такі режими зварювання які будуть запобігати перегріванню ЗТВ, а як наслідок утворенню σ-фази. Уникати в зварних конструкція перетину зварних швів, виконувати їх в оптимальній послідовності, враховувати особливості металургійних реакцій при зварюванні аустенітних сталей (утворення інтерметалідів, карбідів).

  Сталі такого типу схильні до окрихчення, а саме до корозійного розтріскування. Процес корозії під напруженням (КРН) – є наслідком циклічного механоелектрохічмічного ефекту в агресивних середовищах. В місцях поверхневих дефектів і на ділянках концентрації напружень в зварних з’єднаннях відбувається утворення мікротріщини. Функціонує мікрокорозійна пара: вершина тріщини (анод) – інша поверхня під оксидною плівкою (катод). Продукти корозії, що накопичуються на аноді закупорюють тріщину і розклинюють її.

Зв’язок між руйнуючим напруженням σ і часом τ до руйнування для корозійностійких сталей описується залежністю приведеною на рисунку 2.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напруження σ_кр є межею тривалої корозійної стійкості матеріалів. Зварні з’єднання аустенітних сталей можуть піддаватись КРН в водяних розчинах хлористих солей, розчинах лугів. Зі збільшенням вмісту нікеля в аустенітних сталях стійкість до КРН підвищується.      Крихке руйнування може відбутися і при наявності феритної сітки в шві, що є методом боротьби проти ГТ, так як ферит більш крихка непластична структура або при дії корозійного середовища на зерна фериту.[4;5] Міжкристалітна корозія виникає при збідненні границь зерен аустеніту хромом, що спостерігається при недотриманні металургійних рекомендацій зварювання. Конструкція стає крихкою не локально, а цілісно, і візуально це не спостерігаються, руйнування при цьому відбувається миттєво при якомусь механічному збуренні. Є ще один вид крихкого руйнування при кріогенних температурах, але це притаманно сталям певних спеціальних груп за системами легування.

Слід пам’ятати про 475 °С – крихкість, яка виникає із-за утворення по границях зерен дрібнодисперсних карбідів хрому, які в процесі експлуатації за високих температур сприяють крихкому руйнуванню зварного з’єднання.

Сталь 10Х17Н13М2Т, має малу теплопровідність, що сприяє зосередженню теплової енергії в шві і ЗВТ, і після охолодження провокує високий рівень залишкових деформацій. Також сплав схильний до росту зерна в ЗТВ більше ніж низьколеговані вуглецеві сталі.

 3 Рекомендації з технології зварювання

З точки зору фізичної зварності, поняття принципової здатності утворити зварне з’єднання, сталь 10Х17Н13М2Т зварюється будь-яким способом зварювання плавленням. Проте, при цьому можуть не виконуватись умови корозійної стійкості, жароміцності, стійкості проти розтріскування, тощо. Технологічна зварність передбачає використання таких способів зварювання, які забезпечують отримання технологічної міцності і технологічних властивостей. Пріоритетність використання способів зварювання для 10Х17Н13М2Т приведені в таблиці 3.1.

Згідно літературним даним, отримана таблиця 3.1. з якої випливають найбільш доцільні способи зварювання для даного сплаву. Зварювання неплавким вольфрамовим електродом в інертному газі відрізняється високою стабільністю процесу і малим рівнем вигорання легуючих елементів. Зазвичай зварювання неплавким електродом застосовується для товщин не більше     7 мм, і особливо доцільно при товщинах до 1,5 мм. В деяких випадках цей спосіб комбінують з іншими, а саме при заварюванні відповідальних стиків трубопроводів для заварювання кореневого шва, заповнюючі шви виконують РДЗ або механізованими способами плавким електродом. Зварювання виконують з присадним або без присадного дроту на постійному струмі прямої полярності. Шви характеризуються малою шириною і малим проваром.        В якості захисного газу використовують аргон першого сорту, інколи з невеликим додаванням гелію або активних газів. Легування шва проводять через присадний дріт. Орієнтовні режими ручного і автоматичного аргонодугового зварювання приведені в таблиці 3.2.

Зварювання виконують короткою дугою, а при ручному і автоматичному зварюванні дріт подають в ванну. Присадний матеріал близький за складом до основного металу, з деякою кількістю модифікаторів для запобігання утворенню ГТ, наприклад Св-08Х17Н13М3ТЮ. За відносної простоти обладнання, цей спосіб зварювання дозволяє отримати шви високої якості майже з однаковими технологічними властивостями як у основного матеріалу. Рекомендовано проводити запалювання дуги безконтактним способом, для запобігання виникнення неметалічних включень в шві. В джерелі [15] вказується на можливість зварювання сталей по галогенідному флюсу.

Зварювання в інертних газах плавким електродом, дуже продуктивний спосіб зварювання з високою стабільністю дугового процесу. Цей спосіб зварювання дозволяє отримувати зварні шви без наявності окислів які можуть утворитись із-за взаємодії легуючих елементів з киснем, процес виконують при значеннях щільності струму яка забезпечує струменеве перенесення металу. Зварювання виконують на постійному струмі зворотної полярності, при цьому дуга стабільна і майже зовсім відсутнє розбризкування рідкого електродного металу. Зварювання можна виконувати в будь-якому просторовому положенні. Однак струменеве перенесення металу в аргоні виникає при критичних значеннях струму, коли імовірне утворення пропалів при зварюванні тонколистового металу.

Спеціальним способом зварювання є зварювання в сумішах газів. Так додавання до аргону 3-5% кисню дає змогу зменшити величину критичного струму, та зменшити імовірність утворення пор від водню, або застосувавши для зварювання суміші аргону з 15-20% вуглекислого газу. Але наявність СО₂ може стати причиною вигорання легуючих елементів.

 Ще один спеціальний спосіб зварювання який може використовуватись для зварювання високолегованих аустенітних сталей – це зварювання порошковим дротом. Через шихту дроту можна активно легувати метал зварного шва, протистояти утворенню ГТ, і створювати значний захист рідкого металу шлаковою фазою. Зварювання легко автоматизується при чому витримується висока точність дозування легуючих елементів в шві із-за високої стабільності процесу (це притаманне всім автоматичним способам зварювання). Ручне зварювання виконують без поперечних коливань електроду, короткою дугою з малим вильотом електроду (5-10)·d_е, що сприяє отриманню стабільного процесу і задовільних розмірів зерен в ЗТВ. В захисний газ також можна додавати 5-10% азоту, він сприяє отриманню стабільної аустенітної структури та подрібненню зерен металу, шляхом утворення тугоплавких нітридів які не мають поганого впливу на стійкість шва до корозії. Орієнтовні режими зварювання приведені в таблиці 3.3.

Одним з основних способів зварювання високолегованих сталей товщиною 3-50 мм, які застосовуються в хімічній, нафтопереробній промисловостях є автоматичне зварювання під флюсом. Цей спосіб більш прийнятний, в порівнянні з РДЗ по стабільності хімічного складу шва по всій довжині, з підготовкою і без підготовки крайок. Це досягається відсутністю частих кратерів, що утворюються при заміні електродів, обривів дуги, рівномірністю плавлення електродного дроту і основного металу по довжині шва (при РДЗ в зв’язку зі зміною вильоту електроду швидкість його плавлення на початку буде меншою, ніж вкінці, що періодично змінює долю основного металу в шві, а отже і його склад) і більш надійним захистом зони зварювання від окислення легуючих елементів киснем повітря. Хороше формування поверхні шва з дрібнолускатістю і плавним переходом від основного металу до наплавленого, відсутність бризок металу на поверхні виробу помітно підвищують корозійну стійкість зварних з’єднань. При цьому способі зменшується трудомісткість робіт по підготовці крайок, так як підготовку виконують для металу товщиною більше 12 мм (РЗД при товщині 3-5 мм). Ймовірне зварювання зі збільшеним зазором і без підготовки крайок сталі товщиною до 30-40 мм. Дуже низькі втрати на вигар і розбризкування, огарки електродів на 10-20% зменшують витрати електродного дроту.

При зварюванні під флюсом значно важче забезпечити необхідний вміст феритної фази в металі шва за рахунок вибору зварювальних флюсів і дротів, які в межах однієї марки мають значні коливання хімічного складу. На вміст феритної фази в металі впливає також його товщина і різні форми підготовки крайок, що призводить до зміни долі участі основного металу в металі шва. Режими і техніка зварювання високолегованих сталей відрізняється від зварювання звичайних низьколегованих.

Для попередження перегрівання металу і пов’язаного з цим росту зерна, можливості появи ГТ і зниження експлуатаційних властивостей зварного з’єднання рекомендується виконувати зварювання валиками невеликого перерізу, застосовуючи для цього дроти діаметром 2-3 мм, а в зв’язку з високим електроопором аустенітних сталей виліт електроду треба зменшувати в 1,5-2 рази.

Легувати шов можна через флюс або через дріт, останнє більш доцільне так як забезпечує необхідну стабільність металу шва. Для зварювання використовують низькокремнисті фторидні флюси, які створюють в зоні зварювання безокисні або малоокисні середовища, що призводить до мінімального вигорання легуючих елементів. Для зниження імовірності утворення пор при зварюванні флюси треба просушувати при 500-800 °С протягом 1-2 годин. Залишки флюсу і шлаку на поверхні швів, які можуть бути джерелами корозії зварних з’єднань, необхідно ретельно видаляти. Зварювальні дроти близькі зі складом до основного металу                      (Св-10Х17Н13М2Т, Св-08Х17Н13М3Т, Св-08Х19Н10М3Б, Св-06Х20Н11М3ТБ). Флюси використовуються таких марок: АНФ-5; ФЦК; АН-26; 48-ОФ-10У; АНФ-14.           Ручне дугове зварювання покритим електродом аустенітних сталей має необхідність забезпечення потрібного хімічного складу металу шва при різних типах зварних з’єднань і просторових положеннях зварювання з врахуванням зміни долі участі основного і електродного металу в металі шва. Це змушує корегувати склад покриття з метою забезпечення необхідного вмісту в шві фериту і тим самим попереджувати утворення ГТ. Застосування електродів з фтористокальцієвим покриттям яке зменшує вигорання легуючих елементів, досягається отриманням металу шва з необхідним хімічним складом і структурами. Зварювання виконують короткою дугою без поперечних коливань електроду.

                      Склад покриття електроду визначає необхідність використання постійного струму зворотної полярності, величину якого визначають так (25-30А)·d_е. При монтажному зварюванні, силу струму зменшують ще на 10-30% в порівнянні з силою струму для зварювання в нижньому положенні. Виконання швів малого перерізу сприяє утворенню бездефектних швів електродами малих діаметрів ≤ 3 мм. Основні марки електродів для РДЗ аустенітних корозійностійких сталей: СЛ-28; НЖ-13; ЭА-400/10У, Эа-1М.     Плазмове зварювання також використовується для зварювання високолегованих хромонікелевих сталей. Його перевагами є малі витрати захисного газу, можливість отримання плазмового струменю різного перерізу, дуже вузька ЗТВ зварного з’єднання. За прохід можна зварити товщини до 12 мм. Зварювання виконують на постійному струмі прямої полярності.

Особливістю електрошлакового зварювання є знижена чутливість до утворення ГТ, що пояснюється малою швидкістю переміщення джерела тепла і характером кристалізації металу зварювальної ванни, в результаті створюються умови отримання чисто аустенітних швів без тріщин. Однак тривале перебування металу шва і ЗВТ при високих температурах збільшує його перегрівання і ширину навколошовної зони, а тривале перебування металу при температурах 1200-1250 °С призводить до зміни його структури, знижує характеристики міцності і пластичності. Перегрівання ЗТВ при зварюванні корозійностійких сталей може привести до утворення в ній ножової корозії, тому для попередження указаних дефектів необхідна термообробка зварних виробів (загартування або стабілізуючий відпал). При виборі флюсу і зварювального дроту слід враховувати проникнення кисню через поверхню шлакової ванни, що викликає вигорання легуючих елементів. Це викликає необхідність, в деяких випадках, захищати поверхню зварної ванни інертним газом. Електрошлакове зварювання виконують дротами або пластинчатими електродами, застосування дротів дає змогу варіювати режимами, змінювати форму ванни і характер кристалізації, а це в свою чергу дає змогу уникати появу ГТ. Марки дротів і пластинчатих електродів, а також флюсів такі ж як при автоматичному зварюванні під флюсом. Орієнтовні режими електрошлакового зварювання приведені в таблиці 3.4. Зварювання починають і закінчують на вивідних планках або графітових чи мідних підставках (для TIG-зварювання).

 Газове зварювання малопродуктивний спосіб, а наявність в факелі полум’я СО₂ і Н₂ сприяє утворенню дефектів в зварних швах. Для високолегованих сталей застосовується при відсутності більш доцільних способів зварювання.      При зварюванні у вуглекислому газі створюється окисна атмосфера в дузі за рахунок дисоціації вуглекислого газу, що викликає підвищене (приблизно на 50%) вигорання титану. Менше вигорають марганець, кремній та інші легуючі елементи, тому при зварюванні корозійностійких сталей в СО₂ використовують дроти, що містять розкислювачі і карбідоутворювачі (алюміній, титан, ніобій). Недоліком зварювання у вуглекислому газі є інтенсивне розбризкування рідкого металу і утворення на поверхні шва щільних плівок оксидів, міцно зчеплених з металом, що може знизити корозійну стійкість зварного з’єднання. Дроти для зварювання:          Св-06Х19Н10М3Т; Св-06Х20Н11М3ТБ. Зварювання можна виконувати в будь-якому просторовому положенні на постійному струмі зворотної полярності.   Зварювання вугільним неплавким електродом не рекомендують використовувати для таких сталей, так як шви виходять крихкі, відбувається інтенсивне вигорання легуючих елементів.   Електронно-променеве і лазерне зварювання, забезпечують дуже високу якість шва, малу ширину ЗТВ, але із-за високої собівартості використовуються для зварювання дуже відповідальних конструкцій.  Варто відзначити необхідність запобігання приварювання бризок металу до деталей при будь-якому способі зварювання. Падаючи на поверхню краплі киплячого металу термічно впливають на утворення мікротріщин сферичної орієнтації рисунок 3.1. Такі тріщини сприяють швидкому розвитку корозійних процесів і МКК.

 

 

 

 

 

Запобігти цьому явищу можна ізолюючи поверхню від місця зварювання листами металу, або нанесенням спеціальних емульсій або BINZEL-спрею. При зварювані товстостінних конструкцій які працюють під статичним навантаженням, заповнюючі шви допускають з вмістом фериту 2-5%, для подрібнення структури, запобіганню ГТ, але неодмінно треба уникнути утворення феритної сітки, а лицеві шви виконують чисто аустенітним металом для забезпечення високої корозійної стійкості.                                                Зварні з’єднання регламентуються ГОСТ 14771-76; ГОСТ 8713-79; ГОСТ 5264-80, але при цьому враховується необхідність дещо більших кутів розкриття крайок на 5-15°, в силу теплофізичних властивостей матеріалу.

4 Призначення термообробки після зварювання

В більшості випадків немає потреби в проведенні післязварювальної термічної обробки виробів. ЇЇ застосовують тоді, коли в стані після зварювання з’єднання схильні до міжкристалічної корозії або призначені для роботи в умовах, які викликають корозійне розтріскування.

Основною термічною обробкою зварних з’єднань корозійностійких сталей є загартування (нагрівання до температури 1050-1100 °С, витримка 1-1,5 хв на 1 мм товщини з наступним охолодженням в воді або на повітрі). При цьому досягається отримання одночасно твердого розчину. Стабілізуючий відпал (нагрівання до температури 850-920 °С, витримка 2-4 години і наступне охолодження на повітрі) призводять до попередження схильності зварних з’єднань до ножової і міжкристалічної корозії, якщо вироби експлуатуються при температурі вище 350 °С, або в середовищах, які викликають корозійне розтріскування. В останньому випадку застосовують повільне охолодження.

Механізм подолання таких проблем при ТО наступний: імовірні виділення карбідних та інтерметалідних фаз на границях зерен при нагріванні і витримці за високих температур розчиняються в металі, тобто границі зерен стають свого роду «чистими». При охолодженні згідно режиму ТО, нові фази не встигають виділитись з металу, і тому дрібнодисперсних включень на границях зерен немає. Периферійні ділянки аустенітного зерна можуть бути збіднені хромом, при ТО досягається рівномірний розподіл хрому шляхом сегрегації.[10;16]

Автор: Олещук Д.Ю.

Можливо, Вам буде цікаво ознайомитись із наступною  статтею: Особливості зварювання нержавіючої сталі 30Х13

Список використаної літератури

1. Марочник сталей и сплавов. А.С. Зубченко. Москва. «Машиностроение» 2001 г. 672 с.
2. Марочник сталей и сплавов – интернет-издание.
3. Я. Йех. Термическая обработка стали. Издание третье исправленное и дополненное. Москва «Металлургия» 1979г. 264 с.
4. Л.С. Лившиц. Металловедение для сварщиков. (сварка сталей). Москва «Машиностроение» 1979 г. 253 с.
5. Сварка нержавеющих сталей. Каховский Н.И. «Техніка» 1968 г. 312 с.
6. В.Т. Котик. Металознавство і термічна обробка зварних з’єднань. Навчальний посібник. Київ. НТУУ «КПІ». 2011 р. 184 с.
7. С.И. Думов. Технология электрической сварки плавлением. Третье издание переработанное и дополненное. Ленинград «Машиностроение» 1987 г. 461 с.
8. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. 2-е издание переработанное и дополненное. Москва «Машиностроение», 1989 г. 336 с.
9. Прохоров Н.Н Горячие трещины при сварке. Москва. «МашГиз» 1954 г. 220с.
10. Сварка и свариваемые материалы. Том І «Свариваемость материалов». Под редакцией В.Н. Волченко, Э.Л. Макарова. Москва. «Металлургия» 1991 г. 528 с.
11. О.А. Сливінський. Здатність до зварювання конструкційних матеріалів. Навчальний посібник. Київ. НТУУ «КПІ». 2010 р. 260 с.
12. Здатність до зварювання конструкційних матеріалів. Методичні вказівки до виконання курсової роботи. О. А. Сливінський. Київ. НТУУ «КПІ». 2012 р. 50с.
13. Акулов А.И., Г.А. Бельчук. Учебник. Технология и оборудование сварки плавлением. Москва. «Машиностроение» 1977 г. 432 с.
14. Сварка и свариваемые материалы. В.Н. Волченко. Том ІІ. Технология и оборудование. Москва. Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1996 г. 574 с.
15. Теория и практика TIG-F сварки (A-TIG). Обзор. В.Н. Замков, В.П. Прилуцкий. «Автоматическая сварка» № 9. 2004 г.
16. Н.И. Каховский, В.Г. Фартушний, Электродуговая сварка сталей. Справочник. Издат. «Наукова думка». Киев. 1975 г. 476 с.
17. Ульянин. Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы. Издание 2 переработанное и дополненное. Справочник. Москва. «Металлургия». 1991 г. 256 с.

Также  Вы можете заказать нам сварочные работы в Киеве, или услуги сварщика Киев