Глава 1. Сварка теплоустойчивыхсталей

1. Общие сведения о свариваемости

Теплоустойчивыми называются стали, предназначенные для дли­тельной работы при температурах от 450 °С до 600 °С. Эти стали ис­пользуются преимущественно в энергетическом машиностроении при изготовлении деталей паровых котлов, турбин, атомных реакторов и те­плообменников. В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при высоких температурах теплоустойчивые стали долж­ны обладать сопротивлением ползучести, длительной прочностью, ста­бильностью свойств во времени и жаростойкостью.

Сварка плавлением сопровождается изменением свойств свари­ваемого металла, связанным с его расплавлением и кристаллизацией при образовании шва, а также структурными изменениями и упруго­пластическими деформациями в околошовной зоне. Это обуславливает физико-химическую неоднородность сварных соединений и образова­ние местного сложнонапряженного состояния, что в ряде случаев ухуд­шает работоспособность и уменьшает эксплуатационную надежность конструкций.

Степень неоднородности сварных соединений определяется свой­ствами основных и присадочных металлов, технологией сварки и раз­мерами свариваемых изделий.

Таким образом, свариваемость материала является сложной ком­плексной характеристикой, зависящей, кроме перечисленных факторов, также и от современного уровня технологии сварки и требований, предъявляемых к сварным соединениям. Чем неоднороднее структура и механические свойства, выше уровень и градиент напряжений в свар­ном соединении, тем сложнее технология сварки и меньше диапазон ее режимов, чем выше требования, предъявляемые к сварным соединени­ям, тем ниже степень свариваемости материала в данных условиях.

Сварные соединения из теплоустойчивых сталей подвергают в большинстве случаев термической обработке для снятия остаточных напряжений, стабилизации структуры и свойств. Что касается требова­ний, предъявляемых к сварным соединениям, то они находятся обычно на уровне свойств свариваемых сталей. Поэтому свариваемость тепло­устойчивых сталей должна оцениваться сложностью применяемой тех­нологии сварки и последующей термической обработки, которые обес­печивают минимальную физико-химическую неоднородность сварных соединений, а также возможной при этом степенью приближения крат­ковременных и длительных свойств сварных соединений к соответст­вующим свойствам основного металла.

2. Дуговая сварка

1. Выбор технологии

Тепловые условия сварки или температурные режимы нагрева свариваемых сталей, а иногда и поддержание определенной температу­ры сварных соединений перед их термической обработкой направлены на то, чтобы предотвратить образование холодных трещин.

При сварке теплоустойчивых сталей, в той или иной степени вос­приимчивых к закалке, образование холодных трещин в сварных соеди­нениях связано в основном с превращением аустенита в мартенсит и происходит в период, предшествующий термической обработке свари­ваемого изделия.

Сопутствующий сварке местный или общий подогрев является надежным средством предотвращения холодных трещин, так как уменьшает разницу температуры металла в зоне сварки и периферий­ных участках, что снижает уровень напряжений 1-го рода, вследствие чего пики этих напряжений в околошовной зоне сглаживаются.

Подогрев уменьшает скорость охлаждения металла в процессе термического цикла сварки, что предотвращает превращение аустенита в мартенсит, которое сопровождается резким увеличением объема ме­талла, вызывающим появление напряжений 2-го и 3-го рода.

Наконец, повышение температуры металла при любом структур­ном состоянии увеличивает его пластичность, а, следовательно, и де­формационную способность. Повышение пластичности сварного соеди­нения имеет такое же важное значение для предотвращения образова­ния холодных трещин, как и снижение уровня напряжений, поскольку образование трещин происходит в результате исчерпания деформаци­онной способности металла под действием напряжений.

Рекомендуемые температуры предварительного и сопутствующе­го подогрева различных сталей в зависимости от толщины свариваемых изделий приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - Рекомендуемые температуры предварительного и сопутствующего подогрева различных сталей

Марки сталей	Толщина свариваемых изделий, мм
	7-10	> 30
12МХ, 15ХМ 20ХМ-Л	150°-250°	200°-300°
12Х1МФ 15Х1М1Ф	250°-300°	300°-350°
15Х1МФ-Л 20ХМФ-Л	350°-400°	350°-400°
15Х11МФ 15Х12ВМФ 15Х11В2МФ	300°-350°	350°-400°

Поскольку перераспределение напряжений и структурные пре­вращения могут иметь место и после окончания сварки, в ряде случаев необходимы дополнительные меры, предотвращающие образование хо­лодных трещин в нетермообработанных сварных соединениях. К ним можно отнести выдержку сварных соединений при температуре подог­рева еще в течение нескольких часов для завершения превращения ос­таточного аустенита и эвакуации водорода, а также поддержание свар­ных соединений при повышенных температурах (150-200 °С) вплоть до их термической обработки. Эти меры используются иногда при свар­ке толстостенных изделий из мартенситных 12 %-ных хромистых ста­лей или перлитных Сг-Мо-У-вых сталей толщиной более 70 мм.