Способ сварки плавлением разнородных сталей и сплавов

 

Использование: для получения соединения из сталей и сплавов преимущественно для сварки горячекатаных полос из ферритных сталей и сплавов при изготовлении ленты и других изделий методом, например, рулонной прокатки. Для этого в процессе сварки дугу смещают в сторону вставки 3 на величину, зависящую от ширины В шва и толщины С вставки 3, которую выполняют из железоникелевого или никельмарганцевого сплава с содержанием никеля, выбранным из условия [W_i%] = (1,3-7,0)Σ/Cr%), где Σ/Cr%) - суммарное содержание хрома в материалах изделия и вставки 3. С лицевой стороны шва устанавливают прокладку, регулируемую в поперечном направлении на расстоянии от края шва где K - толщина прокладка. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения соединения из сталей и сплавов преимущественно для сварки горячекатаных полос из ферритных сталей и сплавов и может быть использовано при изготовлении ленты и других изделий методом, например, рулонной прокатки.

Ферритные стали и сплавы относятся к трудносвариваемым из-за повышенной хрупкости металла в околошовной зоне (ОШЗ) сварного соединения, обусловленной значительным ростом зерна и выпадением карбонитридов по границам зерен. В процессе прокатки сварные соединения подвергаются многократным сжатиям, вызывающим значительные напряжения и деформации в металле шва и ОШЗ. Это часто ведет к обрыву прокатываемых полос по ОШЗ сварного соединения. Поэтому возникает необходимость в существенном повышении пластичности металла ОШЗ с обеспечением удовлетворительной свариваемости прокатываемого металла и деформируемости шва в процессе холодной прокатки. На решение этой задачи и направлено изобретение, объектом которого является способ сварки плаванием.

Известен способ сварки разнородных сталей, при котором создают высоколегированный сварной шов, содержащий никель (а.с. СССР N 1646740, кл. В 23 К 9/23, 1991).

Отсутствие данных по смещению оси сварного шва в сторону вставки, способа охлаждения ОШЗ и шва при сварке и расчетного содержания никеля в зависимости от содержания хрома создает при сварке ферритных сталей и сплавов условия для значительного роста зерен в ОШЗ и повышения твердости сварного шва, что приводит к снижению пластичности металла в ОШЗ и ухудшению деформируемости сварного шва в процессе холодной прокатки.

Известен способ сварки плавлением разнородных сталей с использованием промежуточной вставки, содержащей никель (Рябов В.В. и др. Сварка разнородных металлов и сплавов. Машиностроение, 1984, с. 107-116).

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа сварки, принятого за протопит, относится следующее. Этот способ обладает теми же недостатками, которые наблюдаются и в двух вышеприведенных. Т.к. во вставке, кроме никеля, содержится и медь, то это приводит при сварке ферритных сталей и сплавов к образованию в шве горячих трещин и появлению существенных диспропорций по толщине полосы и вставки в процессе холодной прокатки.

Сущность изобретения заключается в том, что способ сварки обеспечивает получение металла шва оптимального химического состава, гарантирующего уменьшение роста зерна в околошовной зоне (ОШЗ) и образования хрупких прослоек в зоне сплавления, поскольку сварной шов можно получить при минимальном проплавлении и теплонасыщении металла, в результате практически исключается развитие диффузионных процессов. Следствием процессов, протекающих при сварке, является повышение пластичности металла в ОШЗ, что обеспечивает необходимый уровень деформируемости металла шва и ОШЗ в процессе холодной прокатки.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе сварки плавлением сталей и сплавов с использованием промежуточной вставки, содержащей никель, дугу смещают на величину a (0,15 0,65)B/C в сторону вставки, где B ширина стыкового шва, C толщина вставки, сварку ведут с охлаждением зоны термического влияния, а в качестве материала вставки берут железоникелевый и/или никельмарганцевый сплав с содержанием никеля, выбранным из условия [Ni%] = (1,3-7,0)Σ[Cr%], где Σ(Cr%) суммарное содержание хрома в материалах изделия и вставки, а прокладку, расположенную с лицевой стороны шва располагают на расстоянии от края шва где K толщина прокладки.

Определенное содержание никеля в материале вставки позволяет получить сварной шов оптимального химического состава, смещение дуги и охлаждение околошовной зоны обеспечивают получение минимального проплавления и теплонасыщения свариваемого металла. Все это приводит к уменьшению диффузионных процессов в зоне сплавления, роста зерна и образования хрупких прослоек, что повышает пластичность металла в околошовной зоне.

На фиг. 1 показана схема сварки плавлением стыка полос с использованием промежуточной вставки; на фиг. 2 представлена схема охлаждения сварного шва.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

В промежуток свариваемых полос 1 и 2 толщиной С устанавливается промежуточная вставка 3 длиной L и одинаковой с полосами толщиной C (фиг. 1). Образующиеся стыки 4 и 5 полос 1 и 2 со вставкой 3 поочередно собирают на медной подкладке 6, закрепляют зажимами 7 и сваривают швами 8 и 9, имеющими ширину B и усиление f со стороны горения дуги и ширину B₁ и усиление f₁ с обратной стороны. Подкладка 6, служащая для охлаждения и защиты от окисления обратной стороны шва и ОШЗ, имеет каналы 10 для воды и канал 11 для инертного газа. Зажимы 7 предназначены для обеспечения плотного прилегания полос 1 и 2 и вставки 3 к подкладке 6 и отвода тепла от места сварки со стороны горения дуги с целью максимального охлаждения зоны термического влияния (ЗТВ). Зажимы содержат стальную массивную основу 12 и медную регулирующую поперек стыка прокладку 13 толщиной K. Наибольший эффект охлаждения может быть достигнут при толщине прокладки K (0,8 2,5)B·C и расстояние l от края шва до прокладки, устанавливаемой с лицевой стороны шва, равной где K толщина прокладки.

При K<0,8B·C и l>5B/2C замедляется охлаждение ЗТВ и как следствие происходят значительный рост зерна и падение пластичности металла в ЗТВ. При K>0,8B·C и l<0,1B/2C происходит ускоренное охлаждение ЗТВ и шва, что приводит к нарушению стабильности процесса сварки и образованию несплавлений шва с полосой и вставкой.

Сварку швов 8 и 9 ведут неплавящимся вольфрамовым электродом без присадки при смещении в сторону вставки 3 центра дуги (оси шва) 14 от оси стыков 4 и 5 на величину а, равную (0,15 0,65)B/C. В этом случае при использовании в качестве вставки пластины из железоникелевых или никельмарганцевых сплавов с содержанием никеля, равным [Ni%] = (1,3-7,0)Σ[Cr%] достигается минимум проплавления и теплонасыщения металла полос, практически исключается развитие диффузионных процессов в зоне сплавления, обеспечивается оптимальный состав металла шва, что заметно уменьшает рост зерен в ЗТВ и образование хрупких прослоек в зоне сплавления. Эти факторы существенно повышают пластичность металла в ЗТВ и обеспечивают необходимый уровень деформируемости металла шва и ЗТВ в процессе холодной прокатки. При a<0,15B/C и [Ni%] < 1,3Σ[Cr%] увеличиваются теплонасыщение и доля участия металла полос в составе металла шва, интенсивно протекают диффузионные процессы в зоне сплавления, что заметно снижает пластичность металла ЗТВ (ОШЗ) и шва и ухудшает их деформируемость в процессе холодной прокатки. При a>0,65B/C и [Ni%] > 7,0Σ[Cr%] увеличивается жидкотекучесть металла шва, нарушается формирование шва и ведет к образованию несплавлений шва с металлом полосы.

На качество сварного соединения оказывает заметное влияние и форма шва. Наилучшие показатели в процессе прокатки могут быть достигнуты при ширине шва B₁_→ B и усилении шва f,f₁ _→ 0. Прокатка может производиться и без усилия шва f, f₁ и с мениском с обеих сторон шва, величина которых не должна существенно влиять на качество шва в процессе прокатки.

Длина промежуточной вставки L должна быть не менее половины ширины свариваемых полос. При меньшей длине затрудняются сборка и сварка стыков 4 и 5. При большей длине увеличивается расход дефицитного металла.

Материал промежуточной вставки выбирают с учетом того, чтобы вставка деформировалась в процессе прокатки на уровне свариваемых полос. В качестве материала вставок не следует применять медноникелевые сплавы, т.к. они способствуют образованию в шве горячих трещин при сварке и появлению существенных диспропорций по толщине полосы и вставки в процессе холодной прокатки.

Заявленный способ, несмотря на значительный дополнительный расход дефицитных высоколегированных сплавов и малую производительность по сравнению со сваркой плавящимся электродом без промежуточной вставки в ряде случае (при отсутствии соответствующего сварочного оборудования, сварочных материалов, оптимальной технологии сварки и т.п.), может оказаться единственно возможным при производстве ленты из различных марок ферритных сталей и сплавов методом рулонной прокатки.

Предлагаемый способ сварки был проверен при сварке полос толщиной 2 мм и шириной 200 мм из различных марок ферритных хромистых сталей по ГОСТ 5632-72. В качестве промежуточных вставок применялись пластины толщиной 2 мм, шириной 200 мм и длиной 100 мм из железоникелевых сплавов. Сборка и сварка полос производились на агрегате укрупнения рулонов, в котором имелись медная водоохлаждаемая подкладка с поддувом аргона к месту сварки и массивные зажимы с регулируемыми поперек стыка медными прокладками различной толщины. Сварка полос с промежуточными вставками производилась встык без разделки кромок и без зазора в среде аргона неплавящимся электродом без присадочной проволоки на токе 120 А и скорости сварки 12 м/ч. Ширина шва B при этом составляла 6 мм. Полосы сваривались в рулон для последующей холодной прокатки до толщины 0,4 мм. Регулируемые параметры сборки, сварки и охлаждения приведены в таблице.

Часть полос разрезалась на пластины для сварки и лабораторных исследований свойств сварных соединений, в том числе и при холодной прокатке в свободном состоянии. Сварные швы на пластинах проходили визуальный осмотр и рентгенопросвечивание, после чего из пластин изготавливались образцы для металлографического анализа, механических испытаний на растяжение, гиб с перегибом и для холодной прокатки до толщины 0,4 мм.

При металлографическом анализе определялись твердость, макро- и микроструктура металла шва и ЗТВ (ОШЗ), наличие несплавлений, пор, трещин и др. дефектов.

Испытания на растяжение проводились на плоских образцах с определением относительного удлинения (пластичности) металла шва. Испытания на гиб с перегибом проводились в специальном приспособлении для определения пластичности металла ЗТВ (ОШЗ). Один гиб с перегибом складывался из сгиба половины образца на 90^o в одну сторону и перегибом загнутой части образца в обратную сторону также на 90^o. Образцы закреплялись в приспособлении по середине шва с таким расчетом, чтобы гибу подвергалась большая часть ЗТВ (ОШЗ), включая линию сплавления сварного шва.

Холодная прокатка специальных сварных образцов производилась на стане холодной прокатки в свободном состоянии для оценки деформируемости металла шва при обжатии в процессе прокатки путем замера утонения или утолщения шва относительно полосы и вставки.

Прокатка сварных рулонов проводилась на стане холодной прокатки Кварто 300 с толщины 2,0 до 0,4 мм за 5 проходов с различной степенью обжатия и без промежуточной термической обработки.

Результаты испытаний, анализов и экспериментов, некоторые из которых приведены в таблице, показали, что сварные швы, выполненные в пределах заявляемых параметров, плотные, без наличия пор трещин, непроваров, несплавлений и др. дефектов. Металл шва имеет мелкозернистую литую структуру γ-твердого раствора. Металл ЗТВ (ОШЗ) имеет также мелкозернистую структуру a-твердого раствора с незначительным ростом зерна в ЗТВ (ОШЗ). Образующиеся в небольшом количестве карбиды хрома располагаются, в основном, в теле зерна. Металл шва и ЗТВ (ОШЗ) имеет высокие показатели пластичности и деформируемости в процессе прокатки. Сварные соединения полос в процессе непрерывной холодной прокатки рулонов прокатываются до конечной толщины без наличия каких-либо дефектов и обрывов.

В сварных швах, заявленные параметры которых выходят за граничные пределы, обнаруживались дефекты в виде несплавлений, подрезов, непроваров, пор. В ЗТВ (ОШЗ) наблюдается значительный рост зерен феррита с большим количеством карбидов хрома, расположенных преимущественно по границам зерен. Металл шва и ЗТВ (ОШЗ) имеет низкие показатели пластичности и деформируемости в процессе прокатки. Сварные соединения полос в процессе свободной холодной прокатки имеют дефекты в виде подрывов, трещин, дыр и т.п. а при непрерывной прокатке рулонов имеют место обрывы при намотке в рулон или в процессе обжатия на первом проходе прокатки.

Из изложенного выше следует, что заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Формула изобретения

Способ сварки плавлением разнородных сталей и сплавов с использованием промежуточной вставки, содержащей никель, и смещения сварочной дуги в сторону этой вставки, отличающийся тем, что в качестве материала вставки берут железоникелевый или никельмарганцевый сплав с содержанием никеля, выбранным из условия [Ni %]= (1,3÷7,0)Σ [Cr %], где Σ [Cr %] суммарное содержание хрома в материалах изделия и вставки, дугу смещают на величину а (0,15^oC0,65)·В/С сторону вставки, где B ширина стыкового шва; С толщина вставки, при этом принудительно охлаждают шов и зону термического влияния, размещая с обратной стороны шва охлаждаемую прокладку, а с лицевой стороны шва прокладку, регулируемую в поперечном направлении на расстоянии от края шва

где K толщина прокладки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3