Способ обработки сварных соединений

во СССР973.АРНЫХ СО чных отраслях й из аустенитлей с большим аботе в окислиизобретения; ОО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АНИЕ ИЗО(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ СДИНЕНИЙ(57) Использование; в разлимашиностроения для изделиных коррозионностойких стасодержанием кремния при ртельных средах, Сущность 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 ют переплав сварочной дугой, помощью сварки неплавящимся ым электродом в защитной га, поверхности металла зоны тервлияния (ЗТВ) над областьюд межзеренных фаз. Во избежание повторного выделения межзеренных фаз при переплаве обеспечивают длительность пребывания металла ЗТВ при провоцирующих температурах (550,800 С) 57 с, осуществляют переплав зон В и на расстоянии ее центра от оси шва сварного соединения , которые определяют в зависимости от тепловложения а/Ч при сварке подвергаемого обработке сварного соединения с помощью следующих выражений: В=5 х 10 (ИЧ); Ел д 19 а +(1+5,6 х 10 (О/Ч- -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. 550800 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 толь. ко малогабаритные сварные узль, изготавливаемого химического оборудова. ния, Сварные соединения, полученные прукрупнении сварных изделий, термообработку которых вы лнить невозможно, остаются склонными к МКК. В связи с этим из-за интенсивной коррозии в ЗТВ, которая в рабочих средах производства 98 -ной азотной кислоты достигает 8 мм/г, эксплуатируемое оборудование требует ремонта через 4,7 мс,Известны способы локальной термической обработкисенсибилизированных 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 ЗТВ сварных трубных соединений путем нагрева лазерным лучем участков металла по обеим сторонам шва. В этом способе быстрый нагрев приводит к образованию отдельных карбидов Сг 2 зС 6 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, карбидов Сг 2 ЗС 6 или силицидов Сг 23 56 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 около- шовных 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 высоко 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 ЗТВ со стороны шва остается необработанным,Перечисленные недостатки способа- прототипа 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 (ИЧ - 100),центр каждого из которых располагают нарасстоянии от оси швад тд а +1+5,6 х 10 (ИЧ),где д - толщина стали в обрабатываемом сварном соединении;а - угол скоса кромки в разделке данного соединения;Ч - скорость сварки, м/с;0 - 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 550800 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 МКК,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 кДк/м (см, табл.), Соблюдение данного условия обеспечивает достаточно быстрое остывание металла в ЗТВ, 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 ЗТВ 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 ре 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 жимах, обеспечивающих длительность пребывания металла ЗТВ при 550800 С от 5до 7 с.Поверхностный переплавленный слойдолжен располагаться над зоной выделений, а ширина его должна быть не меньшеширины этой зоны. На фиг, 3 показано экспериментально установленное изменениеширины зоны выделений и ее удаление открая шва (линии сплавления) в зависимостиот тепловложения О/Ч. Для опробованныхоптимальных режимов сварки соединенийстали 02 Х 8 Н 22 С 6 границы зоны выделенийна фиг. 3 представлены двумя прямыми (1 и2). Для случая сварки с длительностью пребывания металла ЗТВ при провоцирующихтемпературах 550 - 800 С равной 7 с, что соответствует сварке с тепловложением 100кДж/м, ширина этой зоны равна нулю, поскольку при этом вторичные фазы не выделяются. Требуемая ширинапереплавленного слоя должна быть неменьше ширины зоны выделений, формирующейся при тепловложении, необходимомдля сварки данного (подвергаемого обработке) соединения, т.е. не менее величиныотрезка а-с. При переплаве сварочная дугадолжна располагаться в центре зоны выделений, т.е. в точке Ь. На фиг. 3 геометрическое место точек, расположенных в центрезоны выделений, изображено штриховойлинией 3.Эмпирически установлено, что ширинапереплавляемой зоны В определяется выражениемВ=0,0050/Ч - 100) (м м), (1)где О/Ч - тепловложение при сварке соединения, кДж/м;Ч - скорость сварки, м/с;Ц= т 0- тепловая энергия дуги,Дк/с;7 - КПД дуги;О - падение напряжения в столбе дуги, В;1 - ток сварки, А,Удалениепродольной оси 1- поверхностного (технологического) шва (фиг, 1) отоси е-е шва сварного соединения определяется суммОй отрезков, равных половине ширины заплавляемой разделки К ирасстоянию.1 от края разделки(края шва) дооси 1-;.=1+1, (2)Величина 1 равна произведениютолщины стали на тангенс угла а скоса кромки вразделке:1=дсда, (3)Угол а определяют из соответствую-,щей технической документации на технологию сборки и сварки изделий из данноговида стали.Величина 1 определяется установленным эмпирическим выражением.- д ц а +1+0,0056(ИЧ, мм (5)Отметим, что в реальных условиях выполнять сварку изделий на режимах с тепловложением 100 кДж/м невозможно из-занедостаточно низкой тепловой энергии для 10оптимального расплавления основного металла и сварочной проволоки, Кроме того, при внесении такого количества тепла вторичные фазы в ЗТВ не образуются, Поэтому выражения (1) и (5) справедливы только для тепловложений О/Ч 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 располагалсяприблизительно в центре зоны выделенийТребуемое удаление электрода от оси шваи ширину В 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 о/ч 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 02 Х 8 Н 22 С 6 толщиной 6 мм с помощью сварки вольфрамовым электродом диаметром 4 мм, заточенным на угол 32, 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 ц/ч в пределах от 45 до 225 кДж/м) регулировали 15202530 35 40 45 50 55 длительность пребывания металла ЗТВ в интервале провоцирующих температур от 4,8 до 13,6 с, Качество обработки оценивали по наличию или отсутствию трещин в технологических швах и МКК 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 МКК 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, о/ч=91,2 кДж/м, т=6,82 с эффективная глубина барьерного слоя А, определяемая глубиной провара при переплаве и толщиной слоя с чисто аустенитной структурой (см, фиг. 1 и 2), составляет 2 мм, Зная скорость сплошной равномерной коррозии Ч, стали 02 Х 8 Н 22 С 6 в рабочей среде (кипящая 98 -ная НКОз), ресурс эксплуатации Рэ до начала развития МКК и, следовательно, необходимость выполнения ремонта определяется по формуле Р=А/Ч,. Для атмосферных условий температура кипения концентрированной азотной кислоты Ткип=80 С Чк=0,05 мм/г, Рэ=40 лет; для условий кипения под давлением Ткип=100 С, Чк=0,14 мм/г, Рэ=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, о т л и ч а ю щ и й с я 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 обрабатываемомсварном соединении, мм;а- угол скоса кромок в разделке;Ч - скорость сварки, м/с;на 5. 0 - тепловая энергия дуги, Дж/с;при этом в процессе оплавления обеспечивают пребывание металла в ЗТВ в интервале температур 550 - 800 С в течение 5 - 7 с,яния (ЗТВ), оплавление осуществляютучастке шириной В=5 10 (ИЧ - 100),центр каждого из которых располагают расстоянии= д тд а+ 1+5,6 10 (ИЧ)," +"-естьнет Влияние тепловложения ц/ч при сварке высококремнистой стали на образование микротрещин в швах, склонность к МКК и длительность ц.ув пребывания металла ЗТВ при провоцирующих температурах 550-800 С1787093 М 2, с ктор Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 тельский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина,зводствен Заказ 264 ВНИИПИ Го д Ю 0 ЮСоставитель В.СкульскийТехред М,Моргентал 300 400 500 цАЗ Корректор А.Обручар