Способ обработки сварных соединений
Использование: в различных отраслях машиностроения для изделий из аустенитных коррозионностойких сталей с большим содержанием кремния при работе в окислительных средах. Сущность изобретения: Изобретение относится к сварочному производству, конкретно к способам обработки сварных соединений коррозионностойкихаустенитных сталей преимущественно с высоким содержанием кремния при дуговой сварке изделий. Характерной особенностью сварных соединений аустенитных высококремнистых сталей является проявление склонности металла в зоне термического влияния (ЗТВ) к межкристаллитной коррозии (МКК). Склонность к МКК обусловлена образованием в процессе сварки при температурах осуществляют переплав сварочной дугой, например с помощью сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в защитной газовой среде, поверхности металла зоны термического влияния (ЗТВ) над областью выделения межзеренных фаз. Во избежание повторного выделения межзеренных фаз при переплаве обеспечивают длительность пребывания металла ЗТВ при провоцирующих температурах (550,..800°С) 5...7 с, осуществляют переплав зон В и на расстоянии ее центра от оси шва сварного соединения L, которые определяют в зависимости от тепловложения a/V при сварке подвергаемого обработке сварного соединения с помощью следующих выражений: х (Q/V-100);L д tga ,6x (Q/V- -100), где д -толщина стали;а -угол скоса кромок в разделке обрабатываемого сварного соединения. Полученный поверхностный слой переплавленного металла исключает контакт агрессивной среды с областью выделения вторичных фаз, предотвращая таким образом развитие процесса МКК. 1 табл., 3 ил. 550...800°С сплошных цепочек вторичных межзеренных фаз (карбидов, силицидов). Зона выделений имеет ширину приблизительно от 1,5 до 2,5 мм и удалена на 1,5...2 мм от шва. Аустенитизация сварных узлов (закалка от 1050°С) приводит к растворению выделившихся межзеренных фаз и восстановлению высокой коррозионной стойкости металла ЗТВ. Однако такой объемной термообработке могут быть подвергнуты только малогабаритные сварные узль изготавливаемого химического оборудования . Сварные соединения, полученные при ел с VI 00 3 Ю CJ CJ
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (si)s В 23 К 28/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ (21) 4910017/08 (22) 12.02.91 (46) 07.01.93. Бюл. N. 1 (71) Институт электросварки им. Е. О. Патона (72) К. А. Ющенко, В, Ю, Скульский, А. А, Наконечный, Ю, Н. Каховский, Л. А. Скульская и А. К. Авдеева (73) Институт электросварки им, Е. О. Патона (56) 1. Патент США N4505763,,кл,,С 21 D
9/50, 1985.
2. Япония заявка ¹ 60 — 33886, кл. В 23 К
9/00, 1985, 3, Япония заявка N 60 †1653, кл. B 23
К 9/00, 1985.
4. Авторское свидетельство СССР
¹ 487734,,кл. В 23 К 28/00, 1973. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (57) Использование: в различных отраслях машиностроения для изделий из аустенитных коррозионностойких сталей с большим содержанием кремния при работе в окислительных средах, Сущность изобретения:
Изобретение относится к сварочному производству, конкретно к способам обработки сварных соединений коррозионностойких аустенитных сталей преимущественно с высоким содержанием кремния при дуговой сварке изделий.
Характерной особенностью сварных соединений аустенитных высококремнистых сталей является проявление склонности металла в зоне термического влияния (ЗТВ) к межкристаллитной коррозии (МКК). Склонность к МКК обусловлена образованием в процессе сварки при температурах
„„. Ы„„1787093 АЗ осуществляют переплав сварочной дугой, например с помощью сварки неплавящимся вольфрамовым электродом в защитной газавой среде, поверхности металла зоны термического влияния (3TB) над областью выделения межзеренных фаз. Во избежание повторного выделения межзеренных фаз при переплаве обеспечивают длительность пребывания металла 3ТВ при провоцирующих температурах (550.„8000С) 5...7 с, осуществляют переплав зон В и на расстоянии ее центра от оси шва сварного соединения L, которые определяют в зависимости от тепловложения а/Ч при сварке подвергаемого обработке сварного соединения с помощью следующих выражений: В=5 х 10 (Q/V-100); L= д tg а +(1+5,6 х 10 (Q/V-100)), где д — толщина стали; а — угол скоса кромок в разделке обрабатываемого сварного соединения. Полученный поверхностный слой переплавленного металла исключает контакт агрессивной среды с областью выделения вторичных фаз, предотвращая таким образом развитие процесса
MKK. 1 табл., 3 ил.
550...800 С сплошных цепочек вторичных межзеренных фаз (карбидов, силицидов), Зона выделений имеет ширину приблизительно от 1,5 до 2,5 мм и удалена на 1,5„.2 мм от шва. Аустенитизацйя сварных узлов (закалка от 1050" С) приводит к растворению выделившихся межзеренных фаз и восстановлению высокой коррозионной стойкости металла ЗТВ. Однако такой объемной термообработке могут быть подвергнуты только малогабаритные сварные узль, изготавливаемого химического оборудования, Сварные соединения, полученные пр
1787093 укрупнении сварных изделий, термообработку которых вы лнить невозможно, остаются склонными к МКК. В связи с этим из-за интенсивной коррозии в 3ТВ, которая в рабочих средах производства 98 /, -ной азотной кислоты достигает 8 мм/г, эксплуатируемое оборудование требует ремонта через 4„,7 мес.
Известны способы локальной термической обработки".Ьенсибилизированных зон коррозионностойких, в том числе аустенитных сталей с помощью индукционного нагрева и охлаждения водой для предотвращения повторного выделения избыточных межзеренных фаз при остывании нагреваемых участков. Однако эти способы разработаны для обработки трубных сварных соединений. Их применение для изделий иных конфигураций и крупногабаритных узлов является весьма сложным, трудоемким и часто практически неосуществимым.
Известен способ восстановления коррозионной стойкости металла в 3ТВ сварных трубных соединений путем нагрева лазерным лучем участков металла по обеим сторонам шва. В этом способе быстрый нагрев приводит к образованию отдельных карбидов CrzzCs в матрице стали, а быстрое охлаждение за счет теплоотвода в массу трубы предупреждает повторное выделение карбидов, чем и обеспечивается восстановление коррозионных свойств. Однако данный способ, так же как и приведенные выше, предназначен для обработки только трубных соединений и неприемлем для изделий иных конфигураций, Кроме того, применение вышеописанного способа недопустимо для обработки сварных соединений из высококремнистых сталей, поскольку образование при лазерном нагреве скоагулированных избыточных фаз, например, карбиС г2зС6 vnv сил и цидов Сиз S is сдерживая МКК приводит к развитию в высокоокислительной среде не менее опасной питтинговой коррозии.
В качестве прототипа выбран известный способ обработки сварных соединений, при котором осуществляют проплавление околошовных участков "закрытых сварных конструкций" в струе инертного газа, Проплавление производят со стороны, противоположной сварным швам. Однако рассматриваемое техническое решение имеет целью повышение усталостной прочности сварных конструкций в строительстве, машиностроении, судостроении, а не повышение коррозионной стойкости сварных соединений высоколегированных коррозионностойких сталей, работающих в высоко5
55 агрессивных средах, Повышение усталостной прочности по рассматриваемому прототипу основано на известном принципе снятия остаточных сварочных напряжений, требующем внесения весьма большой тепловой мощности при проплавлении и медленного остывания обрабатываемых соединений. Такие тепловые режимы недопустимы для обработки коррозионностойких сталей, повышенная чувствительность которых к нагреву требует ограничения времени пребывания их сварных соединений при провоцирующих температурах, что достигается за счет применения сварочных процессов с малой тепловой мощностью и быстрого охлаждения; в противном случае возникает опасность еще большей сенсибилизации металла ЗТВ при обработке. В рассматриваемом прототипе не регламентированы ни величина требуемой тепловой мощности, ни размеры обрабатываемых зон, что снижает вероятность достижения оптимальных результатов обработки и затрудняет выполнение самого технологического процесса. Кроме того, способ обработки по прототипу ограничен только проплавлением участков металла сварных соединений, расположенных с противоположной стороны по отношению к сварным швам (как правило, в тавровых соединениях), тогда как металл 3ТВ со стороны шва остается необработанным.
Перечисленные недостатки способапрототипа послужили основанием для создания нового принципиального подхода к решению проблемы обработки сварных соединений, применимого к условиям изготовления оборудования ответственного назначения из коррозионностойких материалов для особоагрессивных сред химических производств, Целью изобретения — способа обработки сварных соединений преимущественно аустенитных коррозионностойких сталей, предназначенных для высокоокислительных сред, является продление безремонтного срока их эксплуатации путем восстановления коррозионной стойкости металла в ЗТВ.
Цель достигается тем, что по способу обработки сварных соединений, заключающемуся в оправлении участков по обеим сторонам шва сварочной дугой в среде защитного газа, оплавлению подвергают участки металла ЗТВ шириной
В=5 х 10 (Q/V — 100), центр каждого из которых располагают на расстоянии от оси шва д ц а +1+5,6 x 10 (Q/V-100), 1787093 где д — толщина стали в обрабатываемом сварном соединении; а — угол скоса кромки в разделке данного соединения;
V — скорость сварки, м/с;
Q — тепловая энергия дуги, Дж/с, при этом в процессе оплавления обеспечивают пребывание металла ЗТВ в интервале температур 550 — 800 С в течение 5 — 7 с.
При поверхностном переплаве над областью выделений вторичных межзеренных фаз создается поверхностный барьерный слой в виде литого металла, Такой литой слой не содержит цепочек вторичных фаз из-за малой длительности пребывания в интервале провоцирующих температур (550...800 С) при его остывании, имеет равноценную основному металлу общую коррозионную стойкость (обладая идентичностью по химическому составу) и преграждает доступ агрессивной среды к зоне выделения вторичных межзеренных фаз(фиг. 1), исключая возможность развития MKK.
Причем, как было установлено путем измерения термических циклов при выполнении переплава с различным тепловложением, во избежание повторного формирования избыточных выделений длительность пребывания металла ЗТВ выполняемого технологического шва в интервале провоцирующих температур (550 — 800 С) должна быть не более 7 с, (Этому требованию удовлетворяют параметры режимов сварки с тепловложением не более 100 кД>к/м (см, табл.), Соблюдение данного условия обеспечивает достаточно быстрое остывание металла в 3ТВ, при котором не успевает произойти выделение фаз по границам аустенитных зерен.
Кроме того, установлено, что сварочный нагрев при поверхностном переплаве вызывает растворение межзеренных фаз в зоне выделений под выполнением поверхностным швом, и формирующийся таким образом участок с чисто аустенитной структурой увеличивает суммарную глубину барьерного слоя, усиливая эффективность поверхностной обработки (фиг. 2).
Однако при сварке на режимах, обеспечивающих длительность пребывания металла 3ТВ при провоцирующих температурах менее 5 с(например, при сварке с тепловложением менее 55 кДж/м), возрастание скорости охлаждения приводит к резкому увеличению темпа деформирования кристаллизующегося металла технологического шва и образованию в нем микротрещин (см. таблицу), Поэтому поверхностный переплав металла должен осуществляться на ре5
55 жимах, обеспечивающих длительность пребывания металла ЗТВ при 550...800 С от 5 до 7с.
Поверхностный переплавленный слой должен располагаться над зоной выделений, а ширина его должна быть не меньше ширины этой зоны. На фиг. 3 показано экспериментально установленное изменение ширины зоны выделений и ее удаление от края шва (линии сплавления) в зависимости от тепловложения Q/V. Для опробованных оптимальных режимов сварки соединений стали 02Х8Н22С6 границы зоны выделений на фиг. 3 представлены двумя прямыми (1 и
2). Для случая сварки с длительностью пребывания металла ЗТВ при провоцирующих температурах 550 — 800 С равной 7 с, что соответствует сварке с тепловложением 100 кДж/м, ширина этой зоны равна нулю, поскольку при этом вторичные фазы не выделяются. Требуемая ширина переплавленного слоя должна быть не меньше ширины зоны выделений, формирующейся при тепловложении, необходимом для сварки данного (подвергаемого обработке) соединения, т.е. не менее величины отрезка а-с. При переплаве сварочная дуга должна располагаться в центре зоны выделений, т.е. в точке Ь. На фиг. 3 геометрическое место точек, расположенных в центре зоны выделений, изображено штриховой линией 3.
Эмпирически установлено, что ширина переплавляемой зоны В определяется выражением
В=0,005(Q/V — 100) (мм), (1) где Q/V — тепловложение при сварке соединения, кДж/м;
V — скорость сварки, м/с;
Q= t) U ° — тепловая энергия дуги, Д>к/с; г/ — КПД дуги;
0 — падение нап ряжения в столбе дуги, В;
1 — ток сварки, А, Удаление L продольной оси i i поверхностного (технологического) шва (фиг, 1) от оси е-е шва сварного соединения определяется суммОй отрезков, равных половине ширины заплавляемой разделки k u расстоянию t от края разделки (края шва) до оси 1-i:
L=k+3, (2)
Величина k равна произведениютолщины стали на тангенс угла а скоса кромки в разделке:
k=- д Угол а определяют из соответствую-, щей технической документации на технологию сборки и сварки изделий из данного вида стали. 1787093 Величина «определяется установленным эмпирическим выражением «=1+0,0056(Q/V — 100). (4) Таким образом, с учетом зависимостей (2)...(4) величина L- д tg а +(1+0,0056(Q/V-100)), мм (5) Отметим, что в реальных условиях выполнять сварку изделий на режимах с тепловложением 100 кДж/м невозможно из-за недостаточно низкой тепловой энергии для 10 оптимального расплавления основного металла и сварочной проволоки, Кроме того, при внесении такого количества тепла вторичные фазы в 3ТВ не образуются. Поэтому выражения (1) и (5) справедливы только для тепловложений Q/V выше 100 кДж/м, что соответствует действительным параметрам используемых на практике режимов сварки, Способ осуществляется следующим образом. Сварочную горелку, например, для сварки неплавящимся электродом в защитном газе устанавливают с обращенной к коррозионной среде стороны сварного соединения так, чтобы электрод располагался приблизительно в центре зоны выделений Требуемое удаление электрода от оси шва L и ширину B поверхностного технологического шва определяют по приведенным выше формулам (1) и (5). Расположение зоны выделений в сварных соединениях также контролируется металлографически во время проведений лабораторных испытаний технологии сварки перед сваркой серийного оборудования. Параметры режима переплава выбирают такими, чтобы длительность пребывания металла ЗТВ в интервале температур 550 — 800 С составляла 5-7 с (например, сварка с тепловложением q/÷ от 55 до 100 кДж/м), После этого производят сварку (переплав) сначала с одной стороны ранее выполненного шва, затем аналогично с другой, В случае выполнения кольцевых технологических швов необходимо, чтобы конец шва перекрывал его начало на расстоянии не менее длины сварочной ванны. При выполнении прямолинейных швов возбуждение горения дуги и окончание сварки должно осуществляться на выводных планках. Конкретный пример, Производили переплав поверхности металла в зоне выделений сварного соединения стали 02Х8Н22С6 толщиной 6 мм с помощью сварки вольфрамовым электродом диаметром 4 мм, заточенным на угол 32О, в среде аргона. Изменением параметров режима сварки (тока сварки от 60 до 170 А, скорости сварки от 8 до 50 м/ч при напряжении 12 В, что соответствовало тепловложениям q/ч в пределах от 45 до 225 кДж/м) регулировали 55 длительность пребывания металла 3ТВ в интервале провоцирующих температур от 4,8 до 13,6 с, Качество обработки оценивали по наличию или отсутствию трещин в технологических швах и MKK в образцах после их суточного кипячения в 72 %-ной НКОз (в соответствии с методом, разработанным ВНИИхиммаш и ГИАП). Из результатов испытаний, представленных в таблице, следует, что при поверхностном переплаве, выполненном на режимах, обеспечивающих длительность пребывания металла ЗТВ при температурах 550 — 800 С, равную 5 — 7 с, достигается стойкость сварных соединений против MKK и отсутствие микротрещин в технологических швах. Предлагаемый способ позволяет увеличить безремонтный срок службы сварных соединений за счет создания поверхностного барьерного слоя. Так, для конкретного случая переплава поверхности при следующих параметрах режима: токе сварки 175 А, скорости сварки 50 м/ч, напряжении 10 В, q/ч=91,2 кДж/м, t=6,82 с эффективная глубина барьерного слоя А, определяемая глубиной провара при переплаве и толщиной слоя с чисто аустенитной структурой (cM, фиг. 1 и 2), составляет 2 мм, Зная скорость сплошной равномерной коррозии Ч» стали 02Х8Н22С6 в рабочей среде (кипящая 98 %-ная НКОз), ресурс эксплуатации Ps до начала развития МКК и, следовательно, необходимость выполнения ремонта определяется по формуле Р =А/V»,. .Для атмосферных условий температура кипения концентрированной азотной кислоты Т»дую=80 С, V» 0,05 мм/г, Р>-40 лет; для условий кипения под давлением T» n=100 Ñ, V»=0,14 мм/г, Р =14 лет. Технико-экономический эффект от применения заявляемого способа обработки сварных соединений по сравнению с прототипом не приведен, так как прототип в области изготовления химической аппаратуры из высоколегированных коррозионностойких сталей для особоагрессивных промышленных сред не используется. Формула изобретения Способ обработки сварных соединений, преимущественно из аустенитных коррозионностойких сталей, при котором осуществляют оплавление участков по обеим сторонам шва сварочной дугой в среде защитного газа, отличающийся тем, что, с целью повышения безремонтного срока эксплуатации сварных соединений, предназначенных для высокоокислительных сред путем восстановления коррозионной стойкости металла в зоне термического вли10 1787093 на где д — толщина стали в обрабатываемом сварном соединении, мм; а- угол скоса кромок в разделке; V — скорость сварки, м/с; на 5 . Q — тепловая энергия дуги,цж/с; при этом в процессе оплавления обеспечивают пребывание металла в ЗТВ в интервале температур 550 — 800 С в течение 5 — 7 с, яния (3TB), оплавление осуществляют участке шириной В=5 10 (Q/V — 100), центр каждого из которых располагают расстоянии L= д тц а+ (1+5,6 10 (Q/V-100)), " + "-есть нет Влияние тепловложения g/v при сварке высококремнистой стали на образование микротрещин в швах, склонность к МКК и длительность ц.уз пребывания металла ЗТВ при провоцирующих температурах 550-800 С 1787093 Ъ Юм2. 2 3,1 ф 0 100 DP 300 400 бац » „ Составитель B.Ñêóëüñêèé 4Ы3 Техред М.Моргентал Корректор А.Обручар Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 264 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
