Свариваемость теплоустойчивых сталей

Теги

Теплоустойчивыми называют стали, длительно работающие при температуре до 600 °С. К ним относятся перлитные низколегированные хромомолибденовые стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ, работающие при температуре 450...550 °С и хромомолибденованадиевые стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 20МФЛ, работающие при температуре 550...600 °С в течение 100000 ч (10 лет). Они дешевы и технологичны, из них делают отливки, прокат, поковки для изготовления сварных конструкций (турбин, паропроводов, котлов и т.п.).

Теплоустойчивость сварных соединений оценивают коэффициентом теплоустойчивости - отношением значений длительной прочности металла соединения и основного металла.

Свариваемость теплоустойчивых сталей

Чтобы работать при высоких температурах, стали должны обладать жаростойкостью, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и сопротивлением ползучести (их пластическая деформация при постоянной нагрузке с течением времени должна возрастать незначительно). Все это достигается введением в состав сталей 0,5...2,0% хрома, 0,2... 1,0% молибдена, 0,1 ...0,3% ванадия и (иногда) небольших добавок редкоземельных элементов.

Хорошее сочетание механических свойств изделий из теплоустойчивых сталей достигается термообработкой: нормализацией или закалкой с последующим высокотемпературным отпуском, что обеспечивает мелкозернистую структуру, состоящую из дисперсной ферритокарбидной смеси.

После 100 000 ч работы обработанная таким образом сталь 15ХМ имеет предел прочности 260 МПа (26,5 кгс/мм2) при температуре 450 °С и 62 Мпа (6,3 кгс/мм2) при температуре 550 °С, а сталь 12Х1МФ - 154 Мпа (15,7 кгс/мм2) при температуре 500 °С и 58 МПа (5,9 кгс/мм2) при температуре 580 °С.

Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, металлургической обработке и последующей кристаллизации шва, не вызывает затруднений. Современные сварочные материалы и технология сварки обеспечивают требуемые свойства и стойкость металла шва против горячих трещин.

Однако сварные соединения склонны к холодным трещинам и к разупрочнению металла в зоне термического влияния, поэтому нужно применять сопутствующий сварке местный или предварительный общий подогрев изделия. Это уменьшает разницу температур в зоне сварки и на периферийных участках, что снижает напряжения в металле.

Чем ниже скорость охлаждения металла после сварки, тем большее количество аустенита превращается в мартенсит при высокой температуре, когда металл пластичен. Напряжения, возникающие из-за разницы объемов этих фаз, уменьшаются; вероятность образования холодных трещин снижается. Применяя подогрев, нужно учитывать, что излишне высокая температура приводит к образованию грубой ферритно-перлитной структуры, не обеспечивающей необходимую длительную прочность и ударную вязкость сварных соединений.

Уменьшить опасность возникновения холодных трещин можно за счет отпуска деталей путем выдерживания их при температуре 150...200 °С сразу после сварки в течение нескольких часов. За это время завершится превращение остаточного аустенита в мартенсит и удалится из металла большая часть растворенного в нем водорода.

Разупрочнение теплоустойчивых сталей в ЗТВ (Зона термического влияния) зависит также от параметров режима сварки. Повышение погонной энергии сварки увеличивает мягкую разупрочняющую прослойку в ЗТВ, которая может быть причиной разрушения жестких сварных соединений при эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках.

Основные способы соединения конструкций из теплоустойчивых сталей - дуговая и контактная стыковая сварки. Последнюю используют для стыковых соединений труб нагревательных котлов в заводских условиях.