Любой метод сварки плавлением связан с расплавлением и перемешиванием сплавляемых сталей. При ручной дуговой или автоматической сварке под флюсом между собой сплавляются
металл кромок свариваемого изделия и металл присадочного материала. Доля участия каждого из этих металлов в образовании сплавов смешения зависит or их химического состава и условий сварки, определяющих степень проплавления кромок сварива­емого металла дугой. В работе В. Н. Земзина приведены данные о степени проплавления свариваемых кромок двух сталей — аустенитной и перлитной, отличающихся по теплофизическим свойствам (табл. 11.2).

При сварке давлением с оплавлением кромок также проис*. ходит перемешивание свариваемых металлов, однако зона пере»’ мешивания может быть меньше по протяженности и степени про»! плавления в связи с тем, что при сжатии свариваемых поверх но-1 стей (осадке) практически весь жидкий металл удаляется (вы-! давливается) и стали свариваются в твердом высоконагретом состоянии. В этом случае за счет диффузии в процессе пребывания при высокой температуре происходит взаимное проникание в при* шовные зоны легирующих элементов, по содержанию которых! различаются свариваемые стали. Однако чаще всего глубина взаимодиффузии оказывается очень небольшой. Опыт показал, что даже при сварке давлением без оплавления имеет место вза» имодиффузия элементов через плоскость сваривания, правда, на очень небольшую глубину (20—30 мкм).

Наибольшее значение изменение состава и строения зоны сплавления имеет при дуговых методах сварки плавлением, когда проплавление может составлять более 50 % (см. табл. 11.2). Протяженность этой зоны в зависимости от способа сварки и тех­нологии может доходить до 1 мм на кромках и может быть намного больше в корне шва V-образной разделки.

Об изменении состава зоны сплавления в различных участках металла шва при сварке с V-образной разделкой и многослойной

Таблица 11.2

Степень проплавления свариваемых кромок

Степень проплавления, %, при сварке

Вид сварного соединения

Свариваемые

стали

ручной

дуговой

автома­

тической

под

флюсом

наплавке

ленточ­

ным

электро­

дом

эл ект po­rn лако­вой

Наплавка

Перлитная

15—40

25—50

8-20

Аустенитная

25-50

35—60

15—25

Однослойные стыко-

Перлитная

20—40

25—50

_

20—40

вые

Аустенитная

30-50

40—60

30—50

Корневые швы мно-

Перлитная

25—50

35—60

_

гослойных стыковых и тавровых соединений

Аустенитная

35—50

40—70

Таблица 11.3

Доля участия основного металла при РДС и наплавке

Процесс

Доля участия, %, слоя

1

2

3

4

S

Сварка

Наплавка

50—55

45—50

25-30

20—22

20—23

8-10

14—17

5—7

12—15

наплавке можно судить по данным В. Н. Земзина, приведен­ным в табл. 11.3.

Таким образом, по высоте шва изменяются размеры и состав металла зоны сплавления с промежуточными сплавами.

Структурное состояние и свойства промежуточных сплавов в зоне сплавления будут зависеть от их состава. Естественно, что при сплавлении, например, нелегированной углеродистой стали с 0,2 % С с аустенитным металлом шва типа 08Х18Н10 не может быть дискретного перехода от одного материала к другому. Про­плавление и смешение этих сталей приводит к образованию в про­межуточной зоне нового переходного сплава усредненного состава в соответствии с долей участия основного и присадочного матери­алов. Участки перехода от этого промежуточного сплава к основ­ному металлу и металлу шва также не будут дискретными, а будут характеризоваться градиентом концентрации и иметь ряд посте­пенно изменяющихся промежуточных составов (рис. 11.2).

На схеме рис. 11.2 показано возможное изменение концентра­ции какого-либо легирующего элемента Me2, имеющегося в при­садочном металле и, естественно, в металле шва //, но не име­ющегося в свариваемой стали I. Такими элементами, например, могут быть хром и никель при сварке аустенитным или аустенитно­ферритным присадочным металлом типа 08Х18Н10 нелегирован­ной или низколегированной стали без хрома и никеля.

Изменение концентрации рассматриваемого элемента будет определяться:

степенью (глубиной) проплавления! чем больше проплавление, тем шире и протяженнее зона смешения, состоящая из уча­стков I—3;

протеканием диффузионных процессов, которые будут идти с большей скоростью в жидком металле и с меньшей скоростью в кристаллизующемся участке вблизи кромки.

Такие условия формирования зоны сплавления в сварных соединениях разнородных сталей обусловливают образование в ней трех участков: участка 1, представляющего собой основную часть зоны сплавления относительно однородного состава, кото­рый выравнялся благодаря большой скорости диффузии в жидком металле и дополнительного перемешивания вследствие воздей-

ствия сварочной дуги; участка 2, где концентрация легирующего элемента Me2 в результате диффузии понижалась от характер ной *• для участка смешения 1 (по содержанию этого элемента в сварива­емой стали) в рассматриваемом случае до нуля; участка 2, где концентрация легирующего элемента диффузионно на малом расстоянии изменяется от его концентрации в участке смешения 1 до наиболее высокого содержания в сварном шве.

Участок 2 должен быть больше участка 3, так как диффузия в нем идет при более низкой температуре в частично закристал­лизовавшемся или неоплавленном металле. В наиболее нагретом участке 111 диффузия идет очень быстро. Распределение легиру­ющего элемента может соответствовать кривой а при меньших степенях проплавления и кривой б при больших степенях про­плавления. Конечно, представленные графики схематичны, и ре­альное распределение элементов в зоне сплавления может быть несколько иным.

Однако экспериментальные данные Ю. Н. Готальского, относя­щиеся к распределению хрома и никеля в зоне сплавления аусте — ниїного металла шва с иеаустенитной сталью, приведенные на рис. 11.3, подтверждают рассмотренные закономерности.

Рассматривая химическую и соответствующую ей структур­ную неоднородность разнородных сталей в участке’ сплавления, надо иметь в виду, что говоря о каком-то составе участка сплавле­ния, определенном степенью проплавления и долей участия в его формировании основного и присадочного материалов, рассматри­вают усредненный состав, соответствующий большей части рас­сматриваемой зоны.

Наряду с усредненным составом (см. рис. 11.2, участок 1) в зоне сплавления будут и другие переменные составы, в основном в участке, примыкающем к свариваемой стали и в меньшей степени в участках, примыкающих к металлу шва. Размеры участков 2 и 3 будут зависеть от условий сварки — степени проплавления, перегрева металла сварочной ванны, продолжительности существо­вания ванны, продолжительности пребывания при высокой тем­пературе в твердом состоянии и др.

Состав, фазовое и структурное состояние металла в зоне сплав­ления, а также его свойства будут зависеть от состава сварива­емой стали и присадочного материала, степени проплавления. Учитывая переменный состав зоны сплавления, строение и свой­ства будут относиться к состоянию, близкому к тому, в котором находится основная часть этой зоны (участок /). Оценить состав и структурное состояние металла, зоны смешения можно по структурной диаграмме (рис. 11.4).

На структурной диаграмме, представленной на рис. 11.4, точками 1—9 отмечены структурные состояния, соответствующие усредненным составам свариваемых сталей и сварочных присадоч­ных материалов: 1 — свариваемой низколегированной стали; 2 и 3 — присадочных материалов соответственно типа 08Х18Н10 и типа Х25Н13; 4 и 5 —свариваемых хромистых сталей соответ­ственно с 13 и 28 % Сг. Прямые, соединяющие точки / и 2, 1 и 3,

ПІЗНЄ

Рис. 11.4. Определение структурного состояния зон смешения в сварных соеди­нениях разнородных сталей по структурной диаграмме

характеризуют структурное состояние всех промежуточных спла­вов, которые могут создаваться при смешении низколегированной стали с присадочными металлами соответственно типа Х18Н10 и Х25Н13 при разных соотношениях количеств свариваемой стали и присадочного металла.

Чем больше в сплаве смешения свариваемой стали, тем ближе он на прямой 1—2 к точке 1 при сварке присадочным металлом типа Х18Н10 или на прямой 3—1 при сварке присадочным метал­лом Х25Н13. Чем больше в сплаве смешения присадочного ме­талла, тем ближе сплав находится к точкам 2 или 3 на тех же прямых. При сварке низколегированной стали присадочным ме­таллом типа Х18Н10 (электроды типа ЭА1, сварочная проволока Св-04Х19Н9) основная часть зоны смешения будет иметь аусте­нитно-мартенситную структуру; небольшие участки, примыка­ющие к свариваемой стали, будут чисто мартенситными, а не­большие участки, примыкающие к шву, —чисто аустенитными.

Поскольку положение точки 1 для различных свариваемых низко — и среднеуглеродистых, низко — и среднелегированных сталей мало изменяется и всегда остается в нижней угловой области, то можно считать, что при сварке этих сталей с присадочными мате­риалами типа Х18Н10 в зоне сплавления получаются в основном сплавы с мартенситно-аустенитной структурой. Мартенсита в них тем больше, чем выше степень проплавления и доля участия свариваемой стали. При проплавлении до 20 % зона сплавления близка к чисто аустенитной, при проплавлении более 50 % зона сплавления близка к чисто мартенситной. Отсюда можно сделать заключение, что материал типа Х18Н10 не следует применять для сварки углеродистых, низко — и среднелегированных сталей. Недопустимо применение таких материалов для сварки сталей с повышенным содержанием углерода (более 0,15 %), так как в этом случае образующийся в зоне сплавления мартенсит будет высокоуглеродистым и хрупким, что опасно при эксплуатации.

При сварке материалами типа Х18Н10 низкоуглеродистых, низко — и среднелегированных сталей образующийся мартенсит будет низкоуглеродистым, менее хрупким и менее опасным (для разрушения), особенно при ограниченной степени проплавления (20—25 %), когда наряду с низкоуглеродистым мартенситом в основной части зоны сплавления будет иметься значительное количество аустенита. Опыт промышленного применения электро­дов, дающих металл шва типа Х18Н10 для сварки сталей типа 15Х5М, показал, что сварные стыки, например, труб оказываются работоспособными при отсутствии высоких нагревов при эксплу­атации.

Гораздо лучшее структурное состояние (меньше мартенсита) зоны сплавления получается при сварке присадочным материалом типа Х25Н13 (точка 3). В этом случае на линии 1—3 составом про­межуточных сплавов проплавлению 20—40 % соответствует струк­турное состояние от аустенитно-ферритного (проплавление 20— 292

ЗО %) до аустенитного (проплавление ЗО—40 %). При большей

степени проплавления в зоне сплавления может появиться мартен­сит. Таким образом, присадочный материал типа Х25Н13 поз­воляет практически избежать присутствия в основной части зоны сплавления мартенсита, способного повысить хрупкость сварного соединения.

Роль дальнейшего повышения содержания никеля как аусте­нитообразующего элемента в металле шва можно проследить, сравнивая промежуточные сплавы для металла шва, соответству­ющего точкам 2, 7, 8 на рис. 11.4. При сварке низкоуглеродистой стали (точка І) промежуточные сплавы, характеризуемые ли­ниями 1—2, 1—7 и 1—8, являются качественно одними и теми же, содержащими А, А + М, М, однако соотношение количеств этих составляющих при разном количестве никеля в металле шва будет различным. При повышении содержания никеля будет возрастать зона аустенита, примыкающая к металлу шва и соот­ветственно уменьшаться аустенитно-мартенситная и мартенсит­ная зоны. Это свидетельствует о том, что повышение содержания никеля в металле шва при сварке перлитных сталей, даже до очень больших значений, не позволяет полностью исключить образова­ние в участке сплавления зоны с мартенситом, однако позволяет существенно уменьшить ее протяженность.

Аналогичное заключение следует из рассмотрения рис. 11.2. Если принять, что легирующим элементом Меа является никель, то представленные линии а, а?, а" и б будут характеризовать распределение никеля в участке сплавления при сварке безникеле- вой низкоуглеродистой стали присадочными материалами с раз­личным содержанием никеля. Условие образования участка сплав­ления с мартенситом определяется содержанием в нем никеля (см. рис. 11.4). При содержании никеля ниже определенного количества и наличии прочих легирующих элементов сталь пере­стает быть чисто аустенитной, в ее структуре появляется мартен­сит, количество которого возрастает с понижением содержания никеля до определенного уровня. Если это минимальное содер­жание никеля соответствует штриховой линии на рис. 11.2, тогда отрезки 0—Хх; 0—Х2; 0—Х3 и 0—Х4 будут характеризовать размер зоны сплавления с мартенситной структурой. Размер участка мартенсита уменьшается с увеличением содержания никеля в присадочном материале (0—Х4 < 0—Ха < 0—Х2) и с уменьшением степени проплавления (0—Х2 < 0—Хх).

Общие закономерности проплавления и формирования пере­ходных зон и неблагоприятных мартенситных участков при сварке аустенитными присадочными материалами подтверждаются экспериментальными данными (рис. 11.5, 11.6). На рис. 11.5 видно, что повышение содержания аустенитообразующего никеля в металле шва заметно уменьшает мартенситную зону в участке сплавления его с перлитной сталью и практически не влияет на размер зоны сплавления при тех же условиях сварки. На

Рис. 11.5. Влияние содержания никеля в аусте­нитном металле шва на ширину переходного слоя «п, с и ширину мартенситной зоны вм. а при свар­ке аустенитным присадочным материалом пер­литной стали

рис. 11.6 показано, что увеличение силы сварочного тока при сварке перлитной стали аустенитным материалом приводит к не­изменному росту ширины мартенситной зоны за счет увеличения доли участия перлитной стали в формировании переходного слоя. Это обстоятельство заставляет при сварке разнородных сталей предпочитать ручную дуговую сварку.

Все ранее рассмотренное свидетельствует о том, что при сварке перлитных сталей аустенитными присадочными материалами ра­дикальным путем снижения отрицательной роли мартенситной прослойки в зоне сплавления является увеличение содержания никеля в металле шва. По данным рис. 11.5, присутствие в металле шва около 40 % никеля должно позволить снизить протяженность мартенситного участка до минимальных размеров. Дальнейшее увеличение содержания никеля в металле шва будет оказывать убывающее влияние. Что касается режима сварки, то, естественно, для уменьшения проплавления он должен ограничиваться мини­мальной силой тока и минимальной погонной энергией.

Не принципиально, но несколько иначе сказывается роль никеля при сварке аустенитными присадочными материалами высокохромистых сталей с 13 % Сг и более. Из структурной диаг­раммы на рис. 11.4 видно, что при сварке сталей с 25—27 % Сг (точка 6) содержание никеля в металле шва от 15 % (точка 2) до 50 % (точки 5, 9) дает в сплавах смешения только аустенитно­ферритные составляющие (линии 2—6, 6—7, 6—8 и 6—9) и не дают мартенситной составляющей. При сварке высокохромистых сталей с 13 и 17 % Сг содержание никеля в металле шва уже должно иметь определенное значение, меньшее, чем при сварке перлитных сталей, поскольку в переходных сплавах (линии 2~4, 4—7, 4—8 и 2—5, 5—7, 5—8) аустенитный шов — хромистая сталь с 13 или 17 % Сг отсутствуют чисто мартенситные зоны, а про — 294

межуточные сплавы могут быть аустенитно-мартенситно-феррит­ными. Поэтому при сварке этих сталей можно ограничиться содержанием никеля в металле шва 20—25 %.