Введение

Развитие технологии и оборудования сварочных процессов идет в настоящее время достаточно быстрыми темпами. Это вызвано все более возрастающей потребностью создания качественных неразъемных соединений как из однородных, так и разнородных материалов.

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действием того и другого.

Сварка – экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами или молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединений необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояния, сопоставимые с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках.

Указанные условия реализуются различными способами сварки путем энергетического воздействия на материал в зоне сварки. Энергия вводится в виде теплоты, упругопластической деформации, электронного, ионного, электромагнитного и других видов воздействия. В результате поверхностные атомы металлов и кристаллических неметаллических материалов образуют общие для соединяемых заготовок кристаллические решетки, а на поверхности пластмасс происходит объединение частей молекулярных цепей.

В зависимости от формы энергии, используемой для образования сварного соединения, все виды сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

К термическому классу относят виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная, газовая и др.).

К термомеханическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная и др.).

К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, взрывом, трением, холодная и др.).

2. Выбор материала для изготовления изделия

Условия работы лопаток и требования к материалу

Для изготовления диафрагменной лопатки предоставлена высокохромистая жаропрочная сталь мартенситно-ферритного класса 12Х13 (ГОСТ 18968–73). Подбор данной стали осуществлен из условий эксплуатации изделия. Лопатки являются наиболее нагруженными деталями паровых турбин. Лопатки паровых турбин подразделяются на направляющие (диафрагменные), закрепленные в статоре и рабочие – на роторе. На диафрагменные лопатки в основном действуют только аэродинамические силы, которые являются не стационарными, а переменными. Воздействующая среда, которая направляется диафрагменными лопатками, достигает температуры 400 ⁰С. При этом имеет место неравномерный нагрев лопаток. Из-за взаимного воздействия приложенных сил материал лопатки испытывает меняющиеся по значению, но всегда высокие напряжения, что приводит к возникновению вибрации усталости материала.

Поверхности лопаток подвержены химическому воздействию среды. Химическая агрессивность водяного пара на материал лопаток особенно сильно проявляется с повышением начальной температуры, что приводит к постепенному разрушению материала, вызванного его эрозией. Поверхности лопаток (как на роторе, так и в диафрагме) последних ступеней паровых турбин при этом разъедаются со стороны входной кромки частицами воды влажного пара. Поэтому для лопаток применяют высококачественные материалы. От таких материалов требуют прочности при высокой температуре, высокой пластичности, сопротивления ползучести, коррозионной стойкости, высокой усталостной прочности, высокого декремента затухания.

Классификация сталей по структурному признаку

Номенклатура марок сталей, применяемых в настоящее время в различных отраслях промышленности для изготовления сварных конструкций, исключительно широка, а все возможные сочетания из их разнородных соединений практически трудно перечислить. Поэтому для упрощения задачи классификации и выбора наиболее распространенные (преимущественно стандартизованные) марки сталей, разделены исходя из структурного состояния на три основных класса:

1. – перлитные (углеродистые и низколегированные);

2. – ферритные и ферритно-мартенситные (высокохромистые);

3. – аустенитные и ферритно-аустенитные (хромоникелевые).

Каждый класс разделен, в свою очередь, на группы, в которую включены стали с относительно близкими свойствами, свариваемостью и служебными характеристиками.

Разделение высоколегированных сталей на группы (кислотостойкие, жаростойкие, жаропрочные) произведено в соответствии с их основными служебными свойствами и в некоторой степени условно, так как кислотостойкие стали одновременно являются жаростойкими до определенных температур, а жаростойкие являются также коррозионостойкими в определенных средах и т.д.

Для определения структурного класса сталей часто пользуются диаграммой Я.М. Потака и Е.А. Сагалевича, которая позволяет полуколичественно определять фазовый состав сталей. Наиболее существенным отличием этой диаграммы является то, что по осям координат откладываются хромовые эквиваленты ферритообразования (абцисса) и мартенситообразования (ордината), причем последний рассчитывается по степени влияния всех легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения.

Обоснование выбора материала

Теоретически, для изготовления диафрагменной лопатки, при условии выполнения всех вышеперечисленных требований, возможно применение и других материалов. Например, высокохромистые стали того же класса, что и сталь 12Х13, но с другим химическим составом: 08Х13, 20Х13, 15Х11МФ, 15Х12ВМФ и др.; аустенитные стали с высоким содержанием никеля и марганца: ХН35ВТ, 09Х14Н19В2БР1 и др.; титановые сплавы. При выборе материала, для изготовления любой конструкции, обеспечивающего ее технологичность, необходимо учитывать экономический и технологический факторы. Учитывая экономический фактор данной задачи, сталь 12Х13 является одной из самых дешевых в своем классе высокохромистых сталей, т. к. чем выше степень легирования, тем выше цена стали и степень ее распространенности в промышленности. В химический состав других классов и сплавов входят никель и титан соответственно, которые являются стратегическими материалами, что обеспечивает им более высокую цену. Поэтому для обоснования выбора высокохромистой стали 12Х13 по технологическому фактору, рассмотрим еще несколько сталей из этого же класса. Возьмем стали обладающие одинаковым набором элементов в своем составе: 08Х13 и 20Х13. Химический состав (ГОСТ 5632–72) высокохромистых коррозионно-стойких сталей приведены в таблице 1. Механические свойства – таблица 2.

Таблица 1.

Таблица 2.

Исходя из этих данных, охарактеризуем каждую сталь в отдельности, а затем сделаем вывод. Для каждой из этих сталей свойственны одни и те же дефекты, вызванные воздействием сварочного процесса, но проявляются они в разной степени. Главными среди них являются склонность к охрупчиванию и к образованию холодных трещин (для 08Х13 – ХТ нет).

В случаях, когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовые и структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема и значительным ухудшением пластических свойств, трещины могут возникать в области низких температур – ниже 200˚С. Подобные явления имеют место при сварке закаливающихся сталей. Такие трещины называются холодными. Они могут быть поперечными (в шве, чаще в околошовной зоне), а также располагаться параллельно границе сплавления (отколы). Процесс образования холодных трещин определяется двумя факторами:

1. величиной и характером напряжений и деформаций, возникающих вследствие неравномерного нагрева, фазовых и структурных превращений в металле;

2. свойствами (главным образом пластичностью) металла в температурном интервале образования холодных трещин.

Насыщение металла сварного соединения водородом способствует образованию трещин, так как отрицательно влияет как на первый, так и на второй фактор.

Появление холодных трещин связывают с фазовыми и структурными превращениями, продуктами которых являются структуры с низкими пластическими свойствами (в нашем случае мартенсит).

По сравнению с другими структурными составляющими, мартенсит характеризуется высокой твердостью (НВ 500–600), весьма малой пластичностью и повышенным удельным объемом. В связи с этим структурные превращения аустенит – мартенсит связаны с наиболее значительным увеличением объема.

Обеспечить стойкость металла шва и, в особенности, околошовной зоны к образованию трещин – основная проблема свариваемости сталей мартенситного и мартенситно – ферритного классов. В этом случае для металла шва и околошовной зоны характерно наличие укрупненных зерен низкоуглеродистого высокохромистого феррита (микротвердость 152–164 кГ/мм²⁾ и легированного мартенсита (микротвердость 429–458 кГ/мм²⁾.

Легированный мартенсит более пластичен, чем углеродистый, и называется игольчатым мартенситом. Но присутствие в структуре металла последнего все же увеличивает общую твердость и хрупкость шва, а также околошовной зоны, заметно снижая ударную вязкость. Поэтому здесь возможно появление холодных трещин.

Чтобы уменьшить возможность появления холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, стремятся предупредить образование хрупкой закаленной зоны вблизи шва. Для этого выбирают режимы сварки с большой погонной энергией, при которой скорость охлаждения шва и околошовной зоны уменьшается. В тех же целях применяют подогрев изделия (до температуры 250˚С и выше в зависимости от содержания углерода и хрома в стали), замедленное охлаждение изделия после сварки и д. р.

После сварки обязательна термообработка изделия – высокий отпуск 650˚ – 700˚С. В результате отпуска несколько уменьшается прочность металла, а его твердость и ударная вязкость достигает исходных величин.

Сталь 08Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 400⁰С.

Данная сталь обладает ферритной структурой, а следовательно, не имеет превращения и не упрочняется термической обработкой. Главный недостаток этой стали – резкое охрупчивание после нагрева выше 1000–1100⁰С. Это объясняется наличием большого количества свободного -феррита, содержание которого зависит от количества С и Сr. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичного уменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750–800⁰С, а перед ней – предварительному подогреву до 150 – 250⁰С. По завершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допустить охрупчивание. Сталь данной структуры после высокотемпературного нагрева подвержена МКК.

Сталь 20Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 450⁰С. Структура отожженных сталей представляет собой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеют удовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока – 500Мпа. Прочность увеличивается после закалки и отпуска. Закалку проводят с 1050–1100⁰С для растворения карбида хрома. Изделия после закалки подвергают либо низкому (200–400⁰С), либо высокому (600–700⁰С) отпуску. Максимальное сопротивление коррозии стали имеют после низкого отпуска, пониженное, но тем не менее достаточно высокое – после высокого отпуска. Шлифование и полирование поверхности дополнительно повышает стойкость изделий. Отпуск при 400–600⁰С резко снижает сопротивление коррозии и поэтому не применяется.