Температура, при нагреве до которой от начальной температуры Т, равной 20 С, в изделии возникнут пластические деформации обратного, чем при охлаждении, знака,

гдггг- предел текучести менее прочной стали, кгс/мм-; аца - коэффициенты линейного расширения свариваемых сталей; а - коэффициент, зависящий от типа соединения (с = 2 для стыка труб, расположенного вдали от жесткости; а = 0,5 - для стыка труб, расположенного на участке наибольшей жесткости, и а = 1,07-для композитного диска).

Для соединений из разнородных сталей, работающих до 200-250 °С, поле остаточных напряжений можно не рассчитывать. Для исключения влияния поля остаточных напряжений, особенно при усталостном режиме работы изделия, можно применять поверхностный наклеп [14].

При более высоких температурах эксплуатации дополнительно к основному расчету необходимо рассчитывать деформации от суммарного действия рабочих, ocTi:T04Hbix и температурных напряжений [10]. Основное внимание нужно уделять нозможиости развития в изделии знакопеременных пластических деформаций во время циклических изменений температуры и снижения напряжений изгиба, действующих нормально к шву.

При проектировании ответственных трубчатых конструкций из сталей разного структурного класса рекомендуется: а) располагать комбинированные соеди-нсии в зонах пониженных температур, например на необогреваемых участках поверхисстей нагрева котлов; б) применять, как правило, стыковые соединения; в) при стыковке труб с различной толщиной стенки комбинированный стык располагать на участке большей толщины с введением дополнительного переходного элемента; г) при необходимости размещения комбинированного стыка патрубка вблизи участка повышенной жесткости (например, у обечайки сосуда) размещать

его на расстоянии не менее 1,3 Rh, где R - средний радиус патрубка; h - тол-щина его стенки.

Сварка разнородных сталей одного структурного класса

Соединения из перлитных сталей. При сварке перлитных сталей разного легирования следует использовать сварочные материалы, применяемые для менее легированной стали (табл. 3). Если разница в легировании велика (1 и V группы), то для уменьшения диффузионных прослоек при отпуске или высокотемпературной эксплуатации рекомендуются материалы промежуточного легирования.

При ручной дуговой сварке рекомендуется применять электроды с основным покрытием. Электроды с кислым и целлюлозным покрытиями не рекомендуются из-за опасности образования холодных трещин в корневом слое и слоях, примыкающих к более легированной стали. Технологические режимы сварки, и прежде всего температуру подогрева, надо выбирать близкими к требуемым для более легированной стали. При сварке массивных издели.й в отдельных случаях целесообразно исключить подогрев или снизить его температуру путем введения предварительной облицовки кромки со стороны более легированной стали электродами, приведенными в табл. 3. При относительно небольшой разнице в легировании (1 и IV группы) рабочая температура соединения может быть допущена близкой к предельной для менее легированной стали. При большей разнице в легировании ее желательно снизить на 50-100С или ввести переходный элемент из стали промежуточного легирования.

Сварные соединения сталей I группы со сталями II, III и IV групп при отсутствии специального требования можно не подвергать термической обработке.

Соединения, в которые входит хромомолибденованадиевая сталь, следует отпускать при 680-700 X. При проектировании разнородные стыки желательно располагать вне зоны действия высоких напряжений изгиба, особенно в условиях эксплуатации при высоких температурах. Подобные стыки труб следует размещать вдали от корпусов арматуры и обечайки сосудов при отсутствии концентраторов, вызванных изменением формы сечения.

3. Сварочные материалы

Соединения из высокохромистых сталей мартенситного, ферритного и аустенитно-ферритного классов. Выбор электродных материалов для соединения из указанных сталей определяется прежде всего требованиями получения швов без трещин и отсутствия хрупких кристаллизационных прослоек. Заметного развития диффузионных прослоек в этих соединениях не наблюдается. При сварке 12%-ных хромистых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей (групп VI-У111)между собой можно применять сварочные материалы для любой из этих сталей. При сварке под флюсом или в углекислом газе используют сварочную проволоку типа Св-0Х14НТ. Сварку нужно производить с подогревом для более легированной стали, имеющей, как правило, и повышенное содержание углерода. При использовании аустенитных электродов (типа Э-10Х25Н13Г2) температура подогрева может быть снижена на 150-200 X. После сварки обязателен отпуск. Соединения малой жесткости, сваренные аустенитными электродами, можно не отпускать. Из-за большой разницы в коэффициентах линейного расширения высокохромистой стали и аустенитного шва, в изделии и после термической обработки будут иметься высокие остаточные напряжения.

При сварке 12%-ных хромистых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей с высокохромистыми ферритными и аустенитгю-ферритными сталями следует применять сварочные материалы аустенитно-ферритного класса. В отличие от ферритных швов аустенитно-ферритные не склонны к росту зерна и имеют высокую пластичность после сварки. Температуру подогрева следует выдерживать близко11 к применяемой для однородных соединений 12%-ной хромистой стали. После сварки необходим отпуск в интервале температур 700-750 X с ускоренным охлаждением для устранения опасности проявления хрупкости при 475 X. Так как коэ{})фициенты линейного расширения 12%-ных хромистых мартенситных сталей и ферритно-аустенитных швов близки между собой, то отпуск приводит к снятию остаточных напрян<ений. Он повышает также коррозионную стойкость сварного соединения.

Соединения из аустенитно-ферритных, аустенитных сталей и сплавов на никелевой основе. При выборе сварочных материалов для сварки сталей и сплавов указанного сочетания необходимо оценить склонность аустенитных швов к обра-

зованию горячих трещин при относительно небольших отклонениях их состава от оптимального. Процессы диффузионного перераспределения углерода в зоне сплавления для этих соединений можно не учитывать.

Соединения разного легирования, входящие в группу IX, можно еваривать наиболее технологичными аустенитно-ферритными электродами и проволоками (табл. 4). Если конструкции после сварки подвергают термической обработке, то следует применять электроды, позволяющие регулировать содержание феррита в металле шва (3 07X20ti9, Э-08Х19Н10Г2Б и Э-07Х19НПГ2М2Ф).

4. Сварочные материалы

Если стали группы IX сваривают с жаропрочными аустенитными сталями и сплавами групп X, XI или XII, то аустенитно-ферритные электроды использовать нельзя из-за неизбежности повышения в шве никеля, образования в нем стабильной аустенитной структуры и появления вследствие этого горячих трещин. В таком случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную структуру металла шва при дополнительном легировании его элементами, способствующими повышению стойкости против горячих трещин. Хорошие результаты обеспечиваются и при сварке этого сочетания материалов электродами на никелевой основе марок 08Х14Н65М15В4Г2 и 08Н60Г7М7Т. Сварка этих сочетаний сталей и сплавов выполняется без подогрева. Выбор термической обработки данных сварных соединений определяется маркой стали или сплава, типом конструкции и условиями ее работы. При сварке термически неупрочняемых сталей группы IX, при отсутствии требований к снятию остаточных напряжений и коррозионной стойкости, при работе изделия в интервале умеренных температур термическая обработка может не производиться. Если по условиям изготовления и эксплуатации остаточные напряжения дол.кны быть сняты, то достаточна стабилизация при температурах 800-900° С. Для конструкций, работающих при высоких температурах, предпочтительным видом термической обработки является аустенизация при 1100-1150° С.

Сварка сталей разного структурного класса

Соединения из перлитных сталей с высокохромистыми мартенситными, феррит-нымии аустенитно-ферритными сталями. Для сварных соединений перлитных сталей с высокохромистыми необходимо учитывать возможность появления холодных трещин при сварке и развития диффузионных прослоек при отпуске или высокотемпературной эксплуатации. При выборе сварочных материалов нужно обращать внимание на недопустимость образования хрупких переходных участков шва в зонах интенсивного перемешивания со сталью, разнородной по составу с наплавленным металлом.

Перлитные стали с 12%-ными хромистыми сталями сваривают перлитными электродами или проволоками (табл. 5). В этом случае обеспечиваются удовлетворительные прочность и пластичность переходных слоев шва с содержанием в них до 5% Сг и высокая длительная прочтюсть соединения в целом. По условию максимального снижения диффузионных прослоек электроды и сварочные проволоки имеют несколько большее легирование, чем менее легированная сталь. При больших толщинах свариваемых элементов сварочными материалами, рекомендуемыми в табл. 5, можно проводить лишь облицовку кромок со стороны 12% -ной хромистой стали, а заварку основного шва выполнять электродами, состав которых близок к составу менее легированной стали.

5. Сварочные материалы

Термический режим сварки (подогрев) необходимо выбирать по высоколегированной составляющей. При работе в высокотемпературных установках сварные стыки нужно располагать вдали от участков повышенной жесткости, на утолщенных участках при отсутствии значительных дополнительных напряжений изгиба. Температуру эксплуатации в районе стыка желательно снизить по сравнению с предельной для 12%-ной хромистой стали. При невозможности такого снижения необходимо вводить переходный элемент из более стабильной перлитной стали либо осуществлять предварительную облицовку кромок со стороны 12%-ной хромистой стали последовательно электродами типов Э-09Х1МФ или Э-10ХЗМ1ФБ, затем Э-09Х1М. Отпуск проводят по режимам, близким к режимам для 12%-ной хромистой стали.

При сварке перлитных сталей с высокохромистыми ферритными и аустенитно-ферритными (группы VII) применять электроды перлитного класса нежелательно из-за неизбежного чрезмерного легирования переходных участков шва и опасности образования в них трещин. В данном случае целесообразно использовать электроды аустенитно-ферритного класса, обеспечивающие достаточную стабильность свойств металла шва в переходных участках у перлитной стали. Можно также применять и аустенитные электроды, однако при этом неизбежна значительная неоднородность соединения, что при работе в области высоких температур может привести к преждевременному разрушению изделия.

Соединения из перлитных, мартенситных и ферритных сталей с аустенитными сталями и сплавами на никелевой основе. В данных соединениях в наибольшей степени выражена химическая, структурная и механическая неоднородность. Выбор сварочных материалов для них и оценка эксплуатационной надежности требуют учета большого числа факторов. При сварке сталей указанного сочетания в основном используют аустенитные сварочные материалы. Перлитные материалы для этой цели не применяют из-за неизбежности получения при проплавлении аустенитного основного металла хрупких слоев шва, имеющих структуру мартенсита и обладающих высокой склонностью к образованию трещин.

Номенклатура аустенитных сварочных материалов обширна (табл. 6). Для сварки перлитных сталей с аустенитными термически неупрочняемыми сталями

группы IX в основном используют наиболее технологичные аустенитно-ферритные электроды и проволоки с запасом аустенитности, обеспечивающим сохранение требуемых свойств металла шва при условии возможгюго проплавления перлит-ггаго осгювного металла. К ним относятся электроды типов Э-10Х25Н13Г2, Э-07Х19Н11ГЗМ2Ф и сварочные проволоки, допускающие разбавление шва перлитным основным металлом до 30%. Электроды типа Э-07Х20Н9 и подобные им сварочные проволоки в данном случае применять нельзя, так как при разбавлении с перлитной сталью свыше 10% шов будет иметь аустенитно-мартенситную структуру и в нем могут появляться трегцины.

6. Сварочные материалы

Группы свариваемых сталей

Тип электродов

Проволока для автоматической сварки под флюсом

И П1 IV V VI VII VII VII]

IX. IX. IX, IX. IX, IX. IX. IX, IX

I ii X (XI, XII) II и X (XI, XU), III и X (XI, Х1Г), IV-X (XI, XII). V и X (XI, XII)

Э-10Х25Н13Г2,

Э-10Х20Н9Г6С,

Э-ИХ15Н25М6АГ2,

Э-27Х15Н35ВЗГ2Б2Т,

Э-08Н60Г7М7Т,

Э-08Х14Н65М15В4Г2

Э-ПХ15Н25М6АГ2. Э-27Х15Н35ВЗГ2Б2Т,

Э-08Н60Г7М7Т

3-08X14HG5Mi5B4r2

СВ-07Х25И13, СВ-07Х25И12Г2Т. СБ-08Х20Н9Г7Т, Св-06Х15НЬ0М15

Если сваривают жесткие сварные узлы из перлитной и мартенситной высокопрочной стали групп 111, VI н VII с аустенитной сталью, то по условию устранения возможности отрывов по зоне сплавления из-за развития в ней хрупких кристаллизационных прослоек рекомендуются материалы с однофазной аустенитной структурой шва за счет повышенного содержания никеля и наиболее распространенные электроды типа Э-11Х15Н25М6АГ2. Корневые слои, в которых разбавление может достигать 50%, по условию исключения возможности горячих трещин целесообразно заваривать более легированными электродами с повышенным содержанием молибдена. Электродные материалы с однофазной аустенитной структурой шва рекомендуется применять и при сварке перлитных сталей с аустенитными жаропрочными сталями и сплавами на никелевой основе групп X-XII.

Для сварных узлов, эксплуатирующихся при высоких температурах в условиях ползучести, предпочтительным является использование сварочных материалов с повышенным содержанием никеля типа Э-27Х15Н35ВЗГ2Б2Т и особенно электродов на никелевой основе, например типа Э-08Н60Г7М7Т, что способствует уменьшению развития диффузионных прослоек в зоне сплавления и благодаря почти одинаковым коэффициентам линейного расширения перлитной стали и высоконикелевого шва повышает эксплуатационную надежность изделия в условиях теплосмен. Корпуса энергетической арматуры из хромомолибденованадиевой и хромомолибденовой стали групп IV и V при ремонте заваривают высоконикелевыми электродами без последующей термической обработки [11]. Возможна также облицовка свариваемых кромок высоконикелевыми электродами с заполнением основной разделки шва металлом с меньшим содержанием никеля. При проектировании высокотемпературных сварных узлов из перлитных сталей с аустенитными необходимо предусматривать размещение сварных стыков вне зоны действия высо-

ких напряжений изгиба или местное утолщение участка стыка для уменьшения этих напряжений.

Термическая обработка не снижает остаточных напряжений, поэтому в соединениях из незакаливающейся при сварке перлитной стали, например низко-углеродистой с аустенитной, ее можно не проводить. Если используют закаливающуюся при сварке перлитную или мартенситную сталь, то в жестких соединениях из разнородных сталей ее можно вводить по условию снятия закалки в околошовной зоне этих сталей. Вместо отпуска всего соединения узла можно проводить облицовку кромок со стороны закаливающейся стали аустенитными электродами и отпуск лишь облицованной детали. В этом случае термическая обработка всего соединения не требуется.

При термической обработке рассматриваемых сварных соединений необходимо учитывать возможность коробления конструкции в результате перераспределения поля остаточных напряжений [10]. Оно выражено в наибольшей степени при несимметричном расположении швов в изделии. При симметричном расположении швов коробление мало и его можно не учитывать.

СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Особенности сварки

Трудность сварки разнородных металлов и сплавов обусловлена тем, что они различаются физическими, механическими и физико-химическими свойствами (табл. 7), которые определяют как взаимодействие металлов между собой, так и их взаимодействие с вновь образующимися фазами.

Большинство пар свариваемых разнородных металлов или сплавов различается температурой плавления, плотностью, коэффициентами теплофизических свойств: коэффициентами линейного расширения, кристаллографическими характеристиками - типом решетки и ее параметрами. Тугоплавкие и химически активные титан, ниобий, тантал, молибден при нагреве активно взаимодействуют с водородом (при температуре выше 300° С), с азотом и кислородом (при температуре выше 600° С), что ухудшает их свойства и усложняет технологию сварки.

При ограниченной взаимной растворимости для основных комбинаций свариваемых металлов трудно избежать образования стойких интерметаллических фаз (табл. 8), обладающих большой твердостью и хрупкостью. В паре Fe-А1 образуются соединения с микротвердостью 800-900 кгс/мм. Наиболее хрупкой фазой является FcaAls- В паре (при сварке стали типа 12Х18Н8 и алюминия) также образуются интерметаллиды NiAl и NigAl, обладающие большой хрупкостью. Например, пластичность фазы NiaAl равна нулю, однако пластичность фазы NiAl может быть увеличена нагревом и гомогенизацией фазы при 1150° С в течение 48 ч, либо при 1315 °С в течение 6 ч, а также измельчением зерен этой фазы при добавке 0,5% Мо. Типовые прослойки интерметаллидов, получающиеся при сварке алюминия со сталью или никелем [1], показаны на рис. 11. Почти все пары металлов образуют хрупкие фазы, которые являются химическими соединениями и резко отличаются от соединяемых металлов по всем характеристикам. Так, фаза FeAlg обладает ромбической решеткой с параметрами: а = 47,43 к\Ь= 15,46 А; с = 6,08 А, отличной от решетки Fe и А1; так же различаются свойства хрупких фаз и основного металла в других случаях.

Прочные связи в сварном соединении образуются за две стадии [21]: 1) подготовительную - сближение соединяемых металлов на расстоянии, при которых может возникнуть межатомное взаимодействие, достигаемое: а) в процессе смачивания твердой поверхности жидкой фазой; б) совместной пластической деформацией двух твердых веществ; в) диффузионными процессами; 2) конечную когда определяющую роль играют квантовые процессы электронного взаимодействия, приводящие к образованию либо металлической связи (чистые металлы), либо К ковалентной связи (металлы, химические соединения, окислы). Для первой фазы