Буферные слои в сварке разнородных сталей: технология и применение
Содержание статьи
- Основы сварки разнородных сталей
- Классификация разнородных сталей
- Функции и типы буферных слоев
- Технология аустенитных буферных слоев
- Материалы и выбор электродов
- Режимы сварки и технологические параметры
- Контроль качества и предупреждение дефектов
- Практические примеры применения
- Часто задаваемые вопросы
Сварка разнородных сталей представляет собой одну из наиболее сложных технологических задач в современном металлообрабатывающем производстве. Основная проблема заключается в значительных различиях физико-химических и механических свойств соединяемых материалов, что приводит к образованию структурных неоднородностей в зоне сварного соединения. Применение буферных слоев является эффективным решением для обеспечения качественного соединения разнородных сталей.
Основы сварки разнородных сталей
Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, имеют различные кристаллические решетки (гранецентрированные и объемно-центрированные) или принадлежат к разным структурным классам. К разнородным также относятся стали с однотипной решеткой, но имеющие различную степень легирования или различные температуры эксплуатации.
Основные проблемы при сварке разнородных сталей включают образование внутренних напряжений из-за различных коэффициентов термического расширения, структурные изменения в зоне сплавления, возникновение микро- и макротрещин, а также формирование хрупких мартенситных или карбидных прослоек. Эти факторы существенно снижают механические свойства сварного соединения и его эксплуатационную надежность.
Классификация разнородных сталей
Согласно действующим российским стандартам, стали классифицируются по структурному состоянию в нормализованном виде. Это определяет выбор технологии сварки и необходимость применения буферных слоев. Основные структурные классы включают перлитные, ферритные, аустенитные и мартенситные стали.
| Структурный класс | Характеристики структуры | Примеры марок сталей | Особенности сварки |
|---|---|---|---|
| Перлитные | Перлитная структура, склонность к закалке | Ст3, 20, 09Г2С, 12Х1МФ | Требуют подогрева при высоком содержании углерода |
| Ферритные | Ферритная структура, хромистые стали | 08Х17Т, 15Х25Т, 08Х13 | Склонны к росту зерна, требуют контроля режимов |
| Аустенитные | Аустенитная структура, высокая коррозионная стойкость | 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т | Склонны к горячим трещинам |
| Мартенситные | Мартенситная структура после закалки | 20Х13, 30Х13, 40Х13 | Требуют обязательной термообработки |
| Аустенитно-ферритные | Смешанная структура | 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т | Компромиссные свойства |
При сварке сталей одного структурного класса, но различного легирования, обычно не возникает серьезных технологических проблем. Однако соединение сталей различных структурных классов требует специальных подходов, включая применение буферных слоев.
Функции и типы буферных слоев
Буферные слои представляют собой промежуточные наплавленные слои, которые обеспечивают плавный переход между разнородными материалами. Их основная функция заключается в минимизации структурных неоднородностей и предотвращении образования хрупких прослоек в зоне сплавления.
Основные функции буферных слоев
Буферные слои выполняют несколько критически важных функций в процессе сварки разнородных сталей. Они обеспечивают снижение внутренних напряжений за счет более равномерного распределения деформаций, предотвращают образование хрупких мартенситных и карбидных прослоек, улучшают механические свойства сварного соединения и повышают его коррозионную стойкость в агрессивных средах.
Толщина буферного слоя назначается из условия, чтобы в процессе сварки закаливающаяся сталь в зоне термического влияния не нагревалась выше температуры А1 (около 727°C). Обычно толщина слоя составляет от 3 до 9 мм для углеродистых и низколегированных сталей в зависимости от их химического состава и толщины основного металла.
Типы буферных слоев
| Тип буферного слоя | Структурные особенности | Применение | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Аустенитный | Стабильная аустенитная структура | Соединение перлитных и аустенитных сталей | Высокая пластичность, отсутствие закалки |
| Аустенитно-ферритный | Аустенит + 5-15% δ-феррита | Предотвращение горячих трещин | Сочетание прочности и пластичности |
| Перлитный стабилизированный | Перлит + карбиды стабилизаторов | Переходный слой для теплоустойчивых сталей | Предотвращение закалки основного металла |
| Никелевые сплавы | Твердые растворы на основе никеля | Особо ответственные соединения | Максимальная совместимость материалов |
Технология аустенитных буферных слоев
Технология применения аустенитных буферных слоев является наиболее распространенной при сварке перлитных сталей с аустенитными. Этот метод предусматривает предварительную наплавку на перлитную закаливающуюся сталь аустенитного слоя с последующей сваркой с аустенитной сталью согласно требованиям СТО 00220368-011-2007.
Этапы технологического процесса
Процесс включает несколько последовательных этапов. Первый этап предполагает подготовку свариваемых кромок с механической очисткой и разделкой под требуемым углом. Второй этап включает предварительную наплавку аустенитного слоя на перлитную сталь с применением предварительного или сопутствующего подогрева до 300-500°C в зависимости от углеродного эквивалента стали. Третий этап предусматривает термическую обработку наплавленной детали для устранения закалочных структур. Завершающий этап включает сварку деталей из перлитной стали с наплавленными кромками с аустенитной сталью на режимах, оптимальных для аустенитной стали.
Выбор режимов наплавки
При выборе режимов наплавки аустенитного буферного слоя необходимо обеспечить минимальное проплавление основного металла. Это достигается снижением силы сварочного тока на 15-20% по сравнению с обычными режимами, поддержанием короткой дуги и оптимальной скорости сварки.
| Толщина основного металла, мм | Диаметр электрода, мм | Сила тока, А | Напряжение дуги, В | Скорость сварки, м/ч |
|---|---|---|---|---|
| 6-8 | 3 | 90-110 | 20-22 | 12-15 |
| 10-12 | 4 | 130-150 | 22-24 | 10-12 |
| 16-20 | 4-5 | 160-190 | 24-26 | 8-10 |
| 22-30 | 5 | 200-220 | 26-28 | 6-8 |
Материалы и выбор электродов
Правильный выбор сварочных материалов является критически важным фактором для обеспечения качества сварного соединения разнородных сталей. Электроды для буферных слоев должны соответствовать требованиям ГОСТ 10052-75 и обеспечивать получение металла шва с требуемой структурой и свойствами.
Электроды для аустенитных буферных слоев
Для создания аустенитных буферных слоев применяются электроды с высоким содержанием никеля и хрома. Наиболее распространенными являются электроды типа ОЗЛ-8, ЦЛ-11, которые обеспечивают получение стабильной аустенитной структуры металла шва с содержанием 2-10% δ-феррита для предотвращения горячих трещин.
| Марка электрода | Тип по ГОСТ 10052-75 | Структура наплавленного металла | Область применения |
|---|---|---|---|
| ОЗЛ-8 | Э-04Х20Н9 | Аустенитная + δ-феррит | Универсальные буферные слои |
| ЦЛ-11 | Э-08Х20Н9Г2Б | Аустенитная стабилизированная | Стойкость к межкристаллитной коррозии |
| НЖ-13 | Э-06Х19Н9Т | Аустенитная титанстабилизированная | Коррозионно-стойкие соединения |
| ОЗЛ-6 | Э-02Х19Н9 | Аустенитная низкоуглеродистая | Особо ответственные соединения |
Аустенитно-ферритные электроды
В ряде случаев при сварке перлитных и термически неупрочняемых аустенитных сталей применяют аустенитно-ферритные электроды, образующие в наплавленном металле 10-15% ферритной фазы. Такие электроды допускают большую долю участия перлитной стали в металле шва и надежно исключают образование горячих трещин.
Режимы сварки и технологические параметры
Технологические параметры сварки разнородных сталей с применением буферных слоев требуют особого внимания к режимам нагрева, скорости охлаждения и термической обработки. Правильный выбор этих параметров обеспечивает получение качественного сварного соединения с требуемыми механическими свойствами согласно действующим стандартам.
Температурные режимы
Температурные режимы включают предварительный подогрев, который назначается в зависимости от углеродного эквивалента свариваемых сталей и толщины металла. Для углеродистых и низколегированных сталей температура предварительного подогрева составляет 200-400°C, для среднелегированных теплоустойчивых сталей - 300-500°C.
CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
где содержание элементов указано в процентах массовых долей.
При CE > 0,45% обязателен предварительный подогрев до 200-300°C.
Способы сварки швов
При выполнении многослойных швов применяются различные способы наложения слоев для минимизации внутренних напряжений и деформаций. Короткие швы до 250 мм выполняют напроход, средней длины до 1000 мм - от середины к краям или обратноступенчатым способом.
| Длина шва, мм | Способ сварки | Особенности | Применение |
|---|---|---|---|
| До 250 | Напроход | Непрерывная сварка в одном направлении | Короткие соединения |
| 250-1000 | От середины к краям | Снижение деформаций | Средние соединения |
| Свыше 800 | Обратноступенчатый | Участки по 100-250 мм | Длинные швы |
| Толстый металл | Каскадом | Ступенчатое наложение слоев | Многослойная сварка |
Термическая обработка
Термическая обработка разнородных сварных соединений назначается с учетом свойств обеих свариваемых сталей согласно требованиям СТО 00220368-011-2007. Основная цель - снятие внутренних напряжений и получение требуемой структуры в зоне сварного соединения. Для большинства соединений применяется высокий отпуск при температуре 650-680°C с последующим медленным охлаждением.
Контроль качества и предупреждение дефектов
Контроль качества сварных соединений разнородных сталей включает комплекс мероприятий по предупреждению дефектов и оценке механических свойств готовых соединений. Особое внимание уделяется выявлению структурных неоднородностей и оценке склонности к трещинообразованию в соответствии с требованиями действующих стандартов.
Основные дефекты и способы их предупреждения
Наиболее характерными дефектами при сварке разнородных сталей являются горячие и холодные трещины, структурные неоднородности в зоне сплавления, поры и включения. Каждый тип дефекта требует специфических мер предупреждения.
| Тип дефекта | Причины образования | Меры предупреждения | Методы контроля |
|---|---|---|---|
| Горячие трещины | Высокое содержание серы и фосфора, неправильный состав металла шва | Применение аустенитно-ферритных электродов, контроль содержания δ-феррита | Визуальный, УЗК |
| Холодные трещины | Водород, высокие напряжения, мартенситные структуры | Прокалка электродов, подогрев, контроль скорости охлаждения | Магнитопорошковый |
| Структурные неоднородности | Различие в составе сталей, неправильные режимы сварки | Применение буферных слоев, контроль режимов | Металлографический |
| Поры | Влага, загрязнения, неправильная подготовка | Качественная подготовка кромок, правильная прокалка электродов | Радиографический |
Методы неразрушающего контроля
Для оценки качества сварных соединений разнородных сталей применяется комплекс методов неразрушающего контроля согласно СТО 00220368-010-2007. Визуальный контроль позволяет выявить поверхностные дефекты, ультразвуковой контроль - внутренние несплошности, радиографический контроль - поры и включения, магнитопорошковый метод - поверхностные и подповерхностные трещины.
Практические примеры применения
Буферные слои широко применяются в различных отраслях промышленности для соединения разнородных сталей в ответственных конструкциях. Рассмотрим наиболее характерные примеры их использования в соответствии с современной практикой проектирования и изготовления.
Энергетическая промышленность
В энергетическом машиностроении буферные слои применяются при изготовлении переходов от углеродистых труб к аустенитным в системах трубопроводов высокого давления. Типичный пример - соединение трубы из стали 20 с трубой из стали 12Х18Н10Т в паропроводах с рабочим давлением до 10 МПа и температурой до 540°C. Такие соединения выполняются с обязательным применением аустенитных буферных слоев и последующей термической обработкой.
Химическая промышленность
В химической промышленности буферные слои используются при изготовлении реакторов и теплообменников, где требуется соединение коррозионно-стойких сталей с конструкционными. Например, при изготовлении корпуса реактора из стали 16ГС с внутренней облицовкой из стали 08Х18Н10Т применяется многослойная технология с промежуточным аустенитным буферным слоем толщиной 4-6 мм.
Нефтегазовая отрасль
В нефтегазовой отрасли буферные слои применяются при сварке магистральных трубопроводов в местах установки запорной арматуры из легированных сталей. Особенно важно их применение в условиях низких температур эксплуатации, где требуется обеспечить хладостойкость сварного соединения при температурах до -60°C.
Применение буферных слоев увеличивает трудозатраты на изготовление на 15-25% и материальные затраты на 10-15%, но повышает надежность соединений в 2-3 раза и снижает количество ремонтов в процессе эксплуатации на 70-80%, что обеспечивает значительный экономический эффект в долгосрочной перспективе.
Часто задаваемые вопросы
Источники информации
При подготовке статьи использованы следующие источники:
1. СТО 00220368-011-2007 "Сварка разнородных соединений сосудов, аппаратов и трубопроводов из углеродистых, низколегированных, теплоустойчивых, высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах"
2. СТО 00220368-010-2007 "Швы сварных соединений сосудов и аппаратов, работающих под давлением. Радиографический метод контроля"
3. ГОСТ 9467-75 "Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы"
4. ГОСТ 10052-75 "Электроды покрытые металлические для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. Типы"
5. Техническая документация ведущих производителей сварочных материалов
6. Научные публикации по сварочным технологиям в рецензируемых изданиях
