ЗАО "Сварочные технологии"

С применением электрошлаковой сварки изготовляются конструкции из среднелегированных сталей 25ХЗНМ, ЗОХНЗМ и 30Х2Н2М.

Эти стали являются закаливающимися. При дуговой сварке таких сталей в околошовной зоне образуется малопластичная мартенситная структура, способствующая появлению околошовных трещин во время сварки или хрупкому разрушению сварного соединения в процессе его эксплуатации. Только применение специальных мер, которые значительно усложняют технологию сварки, позволяет получить при обычной дуговой сварке этих сталей качественное сварное соединение.

При электрошлаковой сварке в околошовной зоне закаливающихся сталей образуются благоприятные структуры без принятия специальных мер. В отличие от обычной дуговой сварки, при которой в наиболее перегретом участке околошовной зоны преимущественной структурой является мартенсит, при электрошлаковой сварке участок перегрева имеет крупноигольчатую бейнитную структуру лишь с отдельными включениями мартенсита (рис. 146, б). По мере удаления от линии сплавления иглы бейнитной структуры становятся мельче и увеличивается количество мартенсита (рис. 146, в).

Соответственно увеличивается и твердость, однако, она не превышает 400 единиц по Виккерсу. Дальше от линии сплавления, как и при обычной дуговой сварке, на фоне мелкоигольчатой структуры появляются отдельные скопления (сфероиды) троостита (рис. 146, г), которые по мере удаления от линии сплавления увеличиваются и переходят в область сплошного троостита (рис. 146, д). Последняя простирается до основного металла, не претерпевшего видимых структурных изменений, и имеет по сравнению с участками других структур наибольшую ширину.

(рис. 146) Микроструктура металла околошовной зоны в сварном соединении стали 30Х2НЗМА, выполненном электрошлаковой сваркой

Следовательно, в отличие от обычной сварки под флюсом при электрошлаковой сварке закаливающихся сталей в околошовной зоне образуются главным образом структуры перлитного или бейнитного превращения. Мартенситная структура либо вовсе отсутствует, либо образуется в значительно меньшем количестве и в менее напряженном состоянии.

Такой характер структурных превращений в околошовной зоне закаливающихся сталей обусловлен присущими электрошлаковому способу сварки особенностями термического цикла. Наиболее важное значение здесь имеет замедленное охлаждение околошовной зоны, особенно в области температуры 350°С и ниже, т. е. в области температур мартенситного превращения. Именно замедленное охлаждение способствует распаду аустенита в области перлитного или промежуточного превращения. Если мартенситное превращение неизбежно, то замедленное охлаждение околошовной зоны сдвигает его в область более высоких температур. Образующийся в этом случае мартенсит самоотпускается, теряет свою твердость и приобретает способность к некоторой пластической деформации, достаточной для уменьшения пиковых значений структурных напряжений. Кроме того, с повышением температуры мартенситного превращения увеличивается количество остаточного аустенита, что также способствует уменьшению напряжений.

Особенность структурных превращений в околошовной зоне закаливающихся сталей при электрошлаковой сварке состоит еще и в том, что непосредственно у линии сплавления появляется узкая полоска трооститной структуры (рис. 146, а).

Образование этой структуры вызвано обезуглероживанием свариваемого металла на участке, непосредственно примыкающем к линии сплавления.

Указанные особенности структурных превращений в околошовной зоне приводят к тому, что в сварных соединениях закаливающихся сталей, выполненных электрошлаковым способом, в значительно меньшей степени, чем при обычной дуговой сварке, образуются околошовные трещины. Околошовные трещины появляются лишь при чрезмерно большой скорости заполнения зазора и в основном в начале шва, где зона сварки не имеет еще достаточного теплового насыщения и поэтому охлаждается с большей скоростью, чем обычно.

Хотя при электрошлаковой сварке среднелегированных сталей в околошовной зоне трещины образуются довольно редко, все же металл этой зоны не пригоден для эксплуатации в ответственных изделиях, так как обладает низкими пластическими и вязкими свойствами. В табл. 102 указана ударная вязкость сталей 25ХЗНМ и 30Х2Н2М в околошовной зоне сварного соединения после различного рода термообработки, а также ударная вязкость металла вне зоны термического влияния.

Из приведенных в табл. 102 данных видно, что только после закалки с последующим высоким отпуском, т. е. после такой термообработки, которая вызывает перекристаллизацию, металл околошовной зоны полностью восстанавливает свои вязкие свойства. Это свидетельствует о том, что при электрошлаковой сварке среднелегированных сталей, так же как и при сварке углеродистых и низколегированных сталей, в околошовной зоне металл перегревается. Поэтому сварные соединения таких сталей необходимо подвергнуть закалке с последующим отпуском. В некоторых случаях применяется нормализация с отпуском.

Таблица 102. Ударная вязкость металла околошовной зоны сталей 25ХЗНМ и 30Х2Н2М при электрошлаковой сварке

При электрошлаковой сварке среднелегированных сталей опасность появления горячих трещин в металле шва меньше, чем при дуговой сварке. Однако нельзя считать, что при электрошлаковой сварке среднелегированных сталей полностью отпадает необходимость в соблюдении ограничений, связанных со специфическими особенностями их сварки.

Металл шва на таких сталях, выполненный электрошлаковой сваркой, также менее стоек против образования трещин, чем металл шва на обычных углеродистых сталях. Поэтому среднелегированные стали приходится сваривать электрошлаковым способом при значительно меньших значениях тока. Особенно следует снижать ток при сварке среднелегированных сталей несколькими электродами без перемещения их по толщине свариваемого металла или пластинчатыми электродами.

Среднелегированные стали марок 25ХЗНМ, ЗОХНЗМ и 30Х2Н2М используются обычно в улучшенном состоянии, т. е. после закалки и последующего высокого отпуска. В таком состоянии указанные стали обладают довольно высокими значениями предела прочности (не менее 55 кГ/мм²), пластичности (δ не менее 15% и ψ не менее 32%) и ударной вязкости (не менее 5 кГ/см²). Чтобы металл шва обладал такими свойствами, его необходимо легировать до определенного химического состава.

Возможны два принципиально разных способа легирования металла шва. Один из них заключается в применении оптимального состава легированной проволоки и режима сварки, обеспечивающего минимальное проплавление свариваемых кромок и, следовательно, малую долю основного металла в металле шва.

При таких условиях можно предельно ограничить легирование метала шва углеродом и никелем и тем самым предупредить образование трещин. Однако такой способ легирования требует применения постоянного тока. При переменном токе трудно избежать непроваров в случае сварки с минимальным проплавлением свариваемых кромок. Кроме того, швы с малым проваром склонны к образованию трещин-надрывов, которые располагаются в металле околошовной зоны у самой линии сплавления в виде цепочки отдельных коротких трещин, направленных под различными углами к линии сплавления (рис. 147). Металлографическое исследование показывает, что эти трещины проходят по границам зерен перегретого металла. Природа трещин-надрывов и причины образования их еще не установлены. Замечено лишь, что они появляются в швах с малым проваром свариваемых кромок и отсутствуют в швах с проваром кромок на 10-15 мм.

(рис. 147) Трещины-надрывы в сварном соединении стали 25Х2НЗМ, выполненном электрошлаковой сваркой

Более приемлемым является второй способ, основанный на применении стандартных низколегированных проволок и режима сварки, обеспечивающего большую долю основного металла в металле шва.

Этот способ является более экономичным, так как необходимое легирование металла шва происходит за счет основного металла и тем самым исключается необходимость применять специальную электродную проволоку. При втором способе легирования металла шва сварку можно выполнять на переменном токе.

Но при сварке с глубоким проплавлением свариваемых кромок металл шва будет обогащаться углеродом и никелем и терять стойкость против образования трещин. Чтобы исключить возможность образования трещин в металле шва, необходимо применять такие электродные проволоки, которые обеспечивали бы в нем минимальное содержание углерода и никеля. Для обеспечения при таком содержании никеля и углерода требуемых механических свойств металл шва необходимо легировать хромом, марганцем и другими элементами.

Поэтому для электрошлаковой сварки среднелегированных сталей применяют электродные проволоки Св-12ГС, Св-10ГСМТ, Св-12Г2Х (ГОСТ 2246-70) и ЭИ-616 (10ХГСН2МТ по ТУ 14-1-301-72). Металл шва, сваренного такими проволоками, после закалки с последующим отпуском имеет механические свойства (табл. 103), вполне удовлетворяющие предъявляемым к нему требованиям.

Таблица 103. Механические свойства металла шва при электрошлаковой сварке стали 25ХЗНМ разными проволоками

Чтобы получить металл шва с требуемыми механическими свойствами, среднелегированные стали следует сваривать проволоками Св-12ГС, Св-10ГСМТ, Св-12Г2Х и ЭИ-616 на режиме, который обеспечивает не менее 55-60% основного металла в металле шва. По сравнению с режимами электрошлаковой сварки углеродистых и низколегированных сталей количество электродов и напряжение при сварке среднелегированных сталей должны быть большими. Например, для среднелегированной стали толщиной 100 мм рекомендуется следующий режим электрошлаковой сварки:

зазор между свариваемыми кромками, мм - 26-28;

количество электродов, шт - 2;

сварочный ток, А - 450-500;

напряжение сварки, В - 40-42;

«сухой» вылет электрода, мм - 50-60;

глубина шлаковой ванны, мм - 50-60;

скорость поперечных колебаний электродов, м/ч - 40;

расстояние между электродами, мм - 35-40;

приближение электродов к ползунам, мм - 7-10;

выдержка электродов у ползунов, с - 3-4.

В конструкциях, изготовляемых с применением электрошлаковой сварки, также широко применяют жаропрочные стали, например ЭИ415 (20ХЗМВФ) и ЭИ712 (12Х2НВФА). В большинстве случаев из этих сталей изготовляют поковки для деталей, в которых швы имеют настолько малую длину, что электрошлаковую сварку их лучше всего выполнять пластинчатыми электродами. В табл. 104 приведены данные, характеризующие сварку некоторых таких деталей, выполняемую на переменном токе пластинами того же состава, что и свариваемый металл.

Таблица 104. Режим электрошлаковой сварки пластинчатым электродом некоторых деталей из сталей ЭИ415 и ЭИ712

Чтобы в металле шва и околошовной зоне не появились трещины, при обычной дуговой сварке сталей ЭИ415 и ЭИ712 прибегают к предварительному или сопутствующему подогреву до 400-500°С и немедленному отпуску сваренной детали. При электрошлаковой сварке этих сталей появление трещин исключается. Однако и при электрошлаковой сварке в металле шва и околошовной зоне образуются структуры, снижающие его пластические свойства. Поэтому сварные соединения на среднелегированных жаропрочных сталях, выполненные электрошлаковой сваркой, подвергаются закалке с последующим отпуском. После такой термообработки механические свойства металла шва и околошовной зоны полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям (табл. 105).

Таблица 105. Механические свойства металла шва, выполненного на сталях ЭИ415 и ЭИ712 электрошлаковой сваркой пластинчатым электродом