ЗАО "Сварочные технологии"

С развитием атомной энергетики, а также реактивной и ракетной техники появилась необходимость в использовании нержавеющих, жаропрочных и других высоколегированных сталей и сплавов таких толщин, которые целесообразно сваривать электрошлаковым способом.

Прежде всего начали применяться аустенитные стали и сплавы. Среди них наибольшее распространение получили нержавеющая сталь типа 18-8 (1Х18Н9Т, 0Х18Н9 и др.), жаропрочная сталь ЭИ481 (Х12Н8Г8), а также жаропрочные сплавы ЭИ435 (Х20Н80Т), ЭИ437Л (Х20Н77Т2ЮР), ЭИ703 (Х20Н35ВЗТ), ЭИ787 (08Х15Н35ВЗТЗЮР), ЭП126 (Х20Н25В5МЗБР) и др. Указанные стали и сплавы обладают такими физико-химическими свойствами, которые придают технологии электрошлаковой сварки специфические особенности. К числу их относятся: малая теплопроводность и большой коэффициент расширения при нагреве, высокая склонность к кристаллизационным трещинам в металле шва и основном металле вблизи линии сплавления, наличие в составе свариваемого металла легирующих примесей, обладающих высоким сродством к кислороду (алюминий, титан, цирконий, бор и др.).

Низкая теплопроводность аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе способствует сильному разогреву их в зоне сварки. Поэтому электрошлаковую сварку этих сталей и сплавов необходимо выполнять с применением более широких формирующих приспособлений, чем сварку углеродистых и обычных легированных сталей.

Чтобы избежать кристаллизационных трещин в металле шва, сварку следует выполнять на режимах, которые обеспечивают наибольший коэффициент формы ванны жидкого металла. По этой причине режимы электрошлаковой сварки аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе отличаются от режимов электрошлаковой сварки углеродистых и обычных легированных сталей большей шириной зазора между свариваемыми кромками и меньшими значениями тока.

Чтобы избежать потери таких легкоокисляющихся элементов, как алюминий, титан, цирконий и др., которые вводятся в аустенитные стали и сплавы для придания им особых свойств, при электрошлаковой сварке этих сталей и сплавов необходимо применять бескислородные флюсы АНФ-1, АНФ-7 и др.

Из аустенитных сталей и сплавов с применением электрошлаковой сварки в большинстве случаев изготовляют фланцы, различные кольца (рис. 148) и другие детали, в которых свариваемое сечение представляет прямоугольник небольшой высоты. Такие детали имеют короткие швы, поэтому свариваются пластинчатыми электродами, изготовленными из стали такого же состава, что и свариваемая деталь. В табл. 106 приведены данные, характеризующие электрошлаковую сварку некоторых из указанных деталей.

(рис. 148) Кольца из аустенитной стали ЭИ435, свариваемые электрошлаковым способом

Таблица 106. Данные, характеризующие электрошлаковую сварку пластинчатым электродом деталей из аустенитных сталей и сплавов

Механические свойства получаемого при этом металла шва и сварного соединения в целом приведены в табл. 107.

Таблица 107. Механические свойства металла шва и сварного соединения, получаемого при электрошлаковой сварке высоколегированных сталей и сплавов

Приведенные в табл. 106 данные свидетельствуют о том, что для сварки аустенитных сталей и сплавов иногда вместо флюса АНФ-1 применяется флюс АНФ-7. Объясняется это тем, что флюс АНФ-1, приготовляемый из технически чистого фтористого кальция или флюоритового концентрата, при расплавлении образует шлак с температурой затвердевания выше температуры плавления (затвердевания) некоторых аустенитных сталей и сплавов, поэтому на оплавленных кромках может закристаллизоваться шлаковая прослойка, вызывающая несплавление сварного соединения (рис. 149).

(рис. 149) Несплавление в сварном соединении аустенитной стали, выполненном электрошлаковой сваркой

Из табл. 107 видно, что в сварном соединении сталей 1Х18Н9Т и ЭИ481 металл шва обладает сравнительно низкой ударной вязкостью. Снижение ударной вязкости наблюдается и в околошовной зоне этих сталей.

Обусловлено это тем, что сталь 1Х18Н9Т обладает малым запасом аустенитности. Содержание элементов-аустенизаторов здесь настолько низкое, что в условиях присущего электрошлаковой сварке замедленного охлаждения металла шва и околошовной зоны происходит распад аустенита с выделением феррита. Сталь же ЭИ481 вообще имеет двухфазную аустенитно-ферритную или даже ферритно-аустенитную структуру. Поэтому в процессе электрошлаковой сварки этой стали возможно образование хрупкой δ-фазы. Для повышения ударной вязкости металла шва и восстановления ее в околошовной зоне сварные соединения сталей 1Х18Н9Т и ЭИ481, выполненные электрошлаковой сваркой, следует подвергать закалке с температуры 1100° С.

Присущие электрошлаковому процессу большой объем ванны жидкого металла и замедленная ее кристаллизация, а также склонность аустенитного металла к сильной транскристаллизации приводят к тому, что металл шва в сварном соединении аустенитных сталей обладает крупностолбчатым строением.

Это усиливает микроструктурную неоднородность металла шва и тем самым увеличивает склонность его к межкристаллитной коррозии. Поэтому, если от сварного соединения требуется стойкость против межкристаллитной коррозии, его следует подвергать стабилизирующему отжигу.

Значительно реже конструкции из аустенитных сталей сваривают швами такой длины, при которой надо применять электродные проволоки. В настоящее время такие швы встречаются только в толстостенных корпусах, днищах и других деталях химической и нефтяной аппаратуры, которые изготовляются из стали 1Х18В9Т с помощью сварки электродными проволоками Св-04Х19Н9, Св-04Х19Н9С2 и Св-06Х19Н9Т по ГОСТ 2246-70 и проволоками ЭИ-649 (05Х20Н9ХБС) по ЧМТУ 3211-52. Марки проволоки выбирают в зависимости от условий, в которых будет работать конструкция.

Проволока Св-04Х19Н9 применяется для сварки изделий, работающих в условиях глубокого холода, а также в тех случаях, когда к сварному шву не предъявляются требования стойкости межкристаллитной коррозии. Проволокой Св-04Х19Н9С2 сваривают изделия, работающие в условиях высоких температур при отсутствии коррозионной среды.

Проволоки Св-06Х19Н9Т и 05Х20Н9ФБС предназначены для выполнения швов, металл которых должен обладать стойкостью против межкристаллитной коррозии. При этом следует учитывать, что проволока 05Х20Н9ФБС обеспечивает более высокую общую коррозионную стойкость металла шва.

Металл швов, выполненных указанными выше проволоками, обладает высокими механическими свойствами. Например, металл шва, выполненного электродной проволокой Св-04Х19Н9С2, имеет: предел текучести 25,4 кГ/мм²; предел прочности 69,0 кГ/мм²; относительное удлинение 60,7%, относительное сужение 41,2% и ударную вязкость 18,5 кГ · м/см².

Для сварки стали 1Х18Н9Т электродными проволоками применяются переменный ток и фторидный флюс АНФ-1. Режим сварки этой стали отличается от режимов сварки углеродистых и обычных легированных сталей использованием более низкого тока (не более 500 А) и почти вдвое меньшего напряжения.

Хромоникелевые аустенитные стали при весьма высокой пластичности обладают сравнительно невысокой прочностью. Поэтому в настоящее время начали выпускать нержавеющие стали с аустенитно-мартенситной структурой, склонные к дисперсионному твердению. В Советском Союзе такой сталью является стареющая хромоникельалюминиевая сталь ЭИ904 (Х15Н9Ю). В отличие от аустенитных сталей при электрошлаковой сварке стали ЭИ904 необходимо применять фторидные флюсы, содержащие некоторое количество окиси кремния. Обусловлено это тем, что фторидные флюсы содержат повышенное количество окиси алюминия, что способствует образованию несплавлений в стали, содержащей алюминий. Введение во фторидный флюс окиси кремния нейтрализует вредное влияние Аl₂O₃. В связи с изложенным наиболее приемлемым для сварки стали ЭИ904 будет флюс АНФ-14 (65% СаF₂, 16% SiO₂, 3% СаО, 6% MgO и 10% Аl₂O₃). Следует отметить, однако, что присутствие во флюсе АНФ-14 окиси кремния придает шлаку окислительный характер и тем самым вызывает заметное окисление алюминия. Поэтому при электрошлаковой сварке стали ЭИ904 нельзя пользоваться электродами из этой же стали, а следует применять электроды из стали ЭИ925, содержащей в отличие от стали ЭИ904 молибден вместо алюминия. Выполненный таким электродом металл шва после специальной термической обработки обладает механическими свойствами, приближающимися к свойствам свариваемого металла (табл. 108).

Рекомендуемая термообработка состоит из нормализации (нагрев 975°С, выдержка 25 мин), обработки холодом (-50°С, 4 ч) и старения (нагрев 500°С, выдержка - 1 ч 40 мин).

Таблица 108. Механические свойства металла шва на стали ЭИ904, выполненного электрошлаковой сваркой

В последнее время аустенитные стали и сплавы на никелевой основе, как стали и сплавы, содержащие дефицитные легирующие элементы, заменяются хромистыми безникелевыми или сталями с уменьшенным содержанием никеля. Используются такие стали и в конструкциях, изготовляемых с применением электрошлаковой сварки. Наиболее часто для этой цели применяют стали ЭИ268 (Х17Н2), ЭИ736 и ЭИ961 (13Х12НВМФ). Эти стали весьма склонны к закалке; поэтому даже при электрошлаковой сварке их необходимо принимать меры, замедляющие охлаждение сварного соединения. В противном случае в околошовной зоне и металле шва образуются трещины (рис. 150). Для предупреждения трещин при электрошлаковой сварке хромистых сталей свариваемый стык следует помещать в ящике с песком, предварительно нагретом до 500°С, либо укрывать после сварки теплоизоляционным материалом.

Из указанных хромистых сталей сваривают детали настолько короткими швами, что обычно для их выполнения применяют пластинчатые электроды. Данные о сварке некоторых из таких деталей приведены в табл. 109. Металл шва этих деталей после закалки с последующим отпуском имеет механические свойства, близкие свойствам свариваемого металла (табл. 110).

(рис. 150) Трещины в сварном соединении из высокохромистой стали

Таблица 109. Данные об электрошлаковой сварке пластинчатым электродом некоторых деталей из высоколегированных хромистых сталей

Таблица 110. Механические свойства металла шва, выполненного на высоколегированных хромистых сталях электрошлаковой сваркой пластинчатыми электродами