RU2022738C1

RU2022738C1 - Heterogeneous steel welding method

Info

Publication number: RU2022738C1
Authority: RU
Inventors: Г.П. Карзов; Ю.М. Журавлев; Г.Н. Филимонов; В.В. Цуканов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1994-11-15

Abstract

FIELD: manufacturing of large- sized products from high-strength difficult-to-weld steels in transport and power engineering, ship-building, heat-power engineering, defence equipment, in particular, turbine rotors, atomic reactor bodies. SUBSTANCE: method involves depositing a layer of low-alloy steel by welding onto workpieces preliminarily subjected to thermal treatment; providing subsequent thermal treatment of workpieces for a predetermined class of strength; subjecting edges to machining, with arrangement of new lines of fusion being taken into account during subsequent welding in preliminarily welded-on layer; welding workpieces and providing tempering of welded connection. EFFECT: high quality of welding and enhanced reliability in operation. 2 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к способам термической обработки и сварки высокопрочных сталей, которые применяются в стационарном и транспортном энергомашиностроении, судостроении, теплоэнергетике, оборонной технике и других отраслях народного хозяйства. The invention relates to methods of heat treatment and welding of high-strength steels, which are used in stationary and transport power engineering, shipbuilding, heat power engineering, defense equipment and other sectors of the economy.

Известны способы [1 и 2] подготовки к сварке заготовок из стали Cr-Ni-Mo-V, Cr-Mo-V композиции и других менее легированных сталей, включающие следующие операции. Known methods [1 and 2] of preparing for welding workpieces of steel Cr-Ni-Mo-V, Cr-Mo-V composition and other less alloy steels, including the following operations.

Термическая обработка свариваемых заготовок на требуемую категорию прочности с применением температуры высокого отпуска, позволяющего затем применить отпуск после сварки ниже на 20-30^оС основного отпуска и получить нормированные свойства металла шва и околошовной зоны. Сочетание высокого отпуска при термообработке заготовок с последующими технологическими отпусками приводит к снижению характеристик прочности металла свариваемых изделий. По этому способу не удается сварить стали высокой категории прочности, в том числе с повышенным содержанием углерода.Thermal treatment of the welded blanks to a desired strength category using a high annealing temperature, allows then to apply release after welding below 20-30 ^C. basic leave and receive the standardized properties of the weld metal and heat affected zone. The combination of high tempering during heat treatment of workpieces with subsequent technological tempering leads to a decrease in the strength characteristics of the metal of the welded products. By this method, it is not possible to weld steels of high strength category, including those with a high carbon content.

Сварка заготовок непосредственно стыкуемых между собой. При этом основная сварка может производиться в 1 или 2 этапа по высоте заполнения разделки и соответственно с одним окончательным или промежуточным и окончательном отпуском. Welding of workpieces directly joined together. In this case, the main welding can be performed in 1 or 2 stages according to the height of filling of the groove and, accordingly, with one final or intermediate and final tempering.

Непосредственная сварка стыкуемых частей заготовок (в основном из хромомолибденованадиевых сталей) с последующей нормализацией или нормализацией с высоким отпуском. Однако этот способ не может быть применен для крупногабаритных изделий сложной формы и с большим количеством сварных швов. Direct welding of joined parts of workpieces (mainly from chromium-molybdenum-vanadium steels) with subsequent normalization or normalization with high tempering. However, this method cannot be applied to large-sized products of complex shape and with a large number of welds.

Способ сварки стальных высокопрочных заготовок из сталей с достаточно низким содержанием углерода (не выше 0,15-0,18%) аустенитными сварочными материалами. Этот способ позволяет сваривать без отпуска низкоуглеродистые высокопрочные стали, но сварку в целях равнопрочности конструкции необходимо вести со значительным усилением конструкции сварного соединения (сравнить: σ_0,2 свариваемого металла

80-100 кгс/мм², σ_0,2 сварного шва

20-40 кгс/мм²). Эту технологию применяют для изготовления сосудов давления, работающих под внутренним или наружным давлением без многоциклового нагружения. При воздействии многоциклового нагружения наличие больших остаточных сварочных напряжений при этом способе сварки требуют применения либо высокого отпуска (при котором происходит падение прочности основного металла), либо поверхностной пластической обработки зоны шва. Но при этом остаточные сварочные напряжения снимаются далеко не полностью и неравномерно. Для сварки сталей с более высоким содержанием углерода и для изделий применяемых в машиностроении, где специфично многоцикловое нагружение, этот способ также не применим.The method of welding high-strength steel billets from steels with a fairly low carbon content (not higher than 0.15-0.18%) by austenitic welding materials. This method allows you to weld low-carbon high-strength steels without tempering, but welding in order to ensure equal strength of the structure must be carried out with a significant strengthening of the structure of the welded joint (compare: σ _{0.2 of the} welded metal

80-100 kgf / mm ² , σ _{0.2 of the} weld

20-40 kgf / mm ² ). This technology is used for the manufacture of pressure vessels operating under internal or external pressure without multi-cycle loading. Under the influence of multi-cycle loading, the presence of large residual welding stresses in this welding method requires either high tempering (at which the strength of the base metal drops) or surface plastic processing of the weld zone. But at the same time, the residual welding stresses are removed far from completely and unevenly. For welding steels with a higher carbon content and for products used in mechanical engineering, where specific multi-cycle loading, this method is also not applicable.

Способ сварки стыкового соединения обычной (нелегированной) стали и стали с 13% хрома. Способ заключается в том, что при подогреве стыка до определенной температуры из 13%-ной хромистой стали на него наплавляют малоуглеродистую сталь, после чего эту часть будущего стыкового соединения подвергают отжигу. A method of welding a butt joint of ordinary (non-alloyed) steel and steel with 13% chromium. The method consists in the fact that when the joint is heated to a certain temperature from 13% chromium steel, low-carbon steel is deposited on it, after which this part of the future butt joint is annealed.

После отжига производят стыковую сварку путем соединения направленного слоя с обычной сталью электродом из малоуглеродистой стали. After annealing, butt welding is performed by connecting the directional layer to ordinary steel with an electrode made of mild steel.

Эти типовые операции при сварке и термообработке крупных заготовок не позволяют получить сварное соединение с сохранением предела текучести σ_0,2 основного металла и металла шва выше 600-650 МПа, а также качественно сваривать стали с содержанием углерода свыше 0,15-0,18%. При применении более низких температур отпуска при термообработке как основного металла, так и сваренных частей изделия, можно получить более высокие характеристики прочности, но при этом резко понижаются характеристики пластичности и вязкости металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Работоспособность конструкции при низких свойствах пластичности и вязкости металла шва и ЗТВ резко снижается.These typical operations during welding and heat treatment of large workpieces do not allow to obtain a welded joint with preserving the yield strength σ _{0.2 of the} base metal and weld metal above 600-650 MPa, as well as to quality weld steel with a carbon content in excess of 0.15-0.18% . When applying lower tempering temperatures during heat treatment of both the base metal and the welded parts of the product, higher strength characteristics can be obtained, but at the same time, the ductility and viscosity characteristics of the weld metal and the heat-affected zone (HAZ) sharply decrease. The performance of the design with low properties of ductility and toughness of the weld metal and HAZ is sharply reduced.

Рассмотренные аналогии не обеспечивают требуемых высоких свойств при термической обработке и технологии сварки высокопрочных сталей. The considered analogies do not provide the required high properties during heat treatment and welding technology of high-strength steels.

В качестве прототипа принят способ сварки стыкового соединения [2]. As a prototype adopted a method of welding a butt joint [2].

В связи с тем, что металл, применяемый для разнородного сварного соединения - обычная сталь (нелегированная сталь) и 13% хромистая сталь после отжига, то они обладают низкой прочностью ( σ_0,2=24,7-29,9 кг/мм²; σ_в= 41,1-46,7 кг/мм²) и этот способ не обеспечивает подбора материалов и свариваемости разнородного сварного соединения из высокопрочных сталей. Под понятием "высокопрочные стали" понимают стали с условным пределом текучести σ_0,2≥65-70 кг/мм² и до

100 кг/мм².Due to the fact that the metal used for heterogeneous welded joints is ordinary steel (unalloyed steel) and 13% chrome steel after annealing, they have low strength (σ _0.2 = 24.7-29.9 kg / mm ² ; σ _in = 41.1-46.7 kg / mm ² ) and this method does not provide selection of materials and weldability of a heterogeneous welded joint from high strength steels. The term "high-strength steels" means steels with a conditional yield strength σ _0.2 ≥65-70 kg / mm ² and up to

100 kg / mm ² .

Этот способ также не обеспечивает получение сварного соединения из высокопрочных сталей мартенситного класса и с повышенным содержанием углерода, с необходимым уровнем характеристик пластичности и сопротивления хрупкому разрушению всех зон сварного соединения. This method also does not provide a welded joint from high-strength steels of the martensitic class and with a high carbon content, with the necessary level of ductility characteristics and resistance to brittle fracture of all zones of the welded joint.

По другому способу при проведении после сварки высокотемпературного отпуска при температуре на

20-30^оС ниже температуры отпуска основного металла не происходит существенного снижения твердости металла ОШЗ (околошовной зоны) по линии сплавления и она достигает для примера у стали типа 20Х2Н4МФА

380-420 HW, типа 20Х3НМФА

330-380 HW. Применение последующих после сварки одного или двух отпусков, а в случае необходимости ремонта дефектного места сварного шва - еще одного отпуска при температуре, достаточно близкой к температуре отпуска основного металла, приводит к дополнительному снижению свойств прочности основного металла, но нет полного восстановления свойств вязкости и твердости ОШЗ по линии сплавления, особенно в сталях мартенситного класса, и в сталях с повышенным содержанием углерода (свыше 0,18-0,22%).In another method, when conducting after welding high-temperature tempering at a temperature of

20-30 ^C below the tempering temperature of the base metal is no significant reduction in the hardness of the metal weld zone (HAZ) of the weld line and she reaches for example of steel type 20H2N4MFA

380-420 HW, type 20X3NMFA

330-380 HW. The use of one or two tempering subsequent after welding, and if it is necessary to repair a defective spot of the weld, another tempering at a temperature close to the tempering temperature of the base metal, leads to an additional decrease in the strength properties of the base metal, but there is no complete restoration of the properties of viscosity and hardness Oshz along the fusion line, especially in steels of the martensitic class, and in steels with a high carbon content (over 0.18-0.22%).

Целью изобретения является создание способа сварки крупногабаритных изделий из высокопрочных сталей, в том числе и с повышенным содержанием углерода, приводящее к возможности сварки высокопрочных сталей с категорией прочности (по σ_0,2) более 650-700 МПа, без зон повышенной хрупкости в сварном соединении и без снижения характеристик прочности после проведения технологических отпусков.The aim of the invention is to provide a method for welding large-sized products from high-strength steels, including those with a high carbon content, leading to the possibility of welding high-strength steels with a strength category (σ _0.2 ) of more than 650-700 MPa, without zones of increased brittleness in the welded joint and without reducing the characteristics of strength after technological holidays.

Поставленная цель достигается тем, что для проведения сварки высокопрочных сталей и с повышенным содержанием углерода, в том числе и больших толщинах, производится ряд следующих последовательных операций:
на стыкуемые под сварку кромки заготовок (металл при этой операции находится в отожженном состоянии, характеризуемом низкой прочностью и высокой пластичностью), сделанные с минусовым от необходимого размера допуском, производится наплавка сварочного материала с низкой прочностью и высокой пластичности на толщину, обеспечивающую в последующем после механической обработки необходимые стыковочные под сварку размеры;
производится окончательная термообработка заготовок с наплавленными кромками на требуемую категорию прочности основного металла и последующая механическая обработка в размер стыкуемых частей под сварку с оставлением части наплавленного металла в толщине 7-12 мм;
производится окончательная сварка стыкуемых частей с последующим отпуском.This goal is achieved by the fact that for welding high-strength steels and with a high content of carbon, including large thicknesses, a number of the following sequential operations are performed:
on the edges of the workpieces that are joined for welding (the metal in this operation is annealed, characterized by low strength and high ductility), made with a tolerance minus the required size, welding material is welded with low strength and high ductility to a thickness, which subsequently provides after mechanical processing the necessary joint dimensions for welding;
final heat treatment of workpieces with deposited edges to the required strength category of the base metal is carried out and subsequent machining to the size of the joined parts for welding, leaving part of the deposited metal in a thickness of 7-12 mm;
final welding of the joined parts is carried out with subsequent tempering.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. The essence of the proposed method is as follows.

На кромки стыкуемых стальных заготовок, находящихся в отожженном состоянии, производится наплавка при низкотемпературном подогреве низколегированных, низкоуглеродных наплавочных материалов на толщину, которая определяется из следующих величин:
δ_н= δ₁+ δ₂; где δ_н - толщина наплавки;
δ₁ - размер, равный двукратной ширине зоны термического влияния от линии сплавления до температуры

600-650^оС (при проведении окончательной сварки стыкуемых заготовок);
δ₂ - размер на окалинообразование при термической обработке и механическую обработку.On the edges of the joined steel billets, which are in the annealed condition, surfacing is performed during low-temperature heating of low-alloyed, low-carbon surfacing materials to a thickness, which is determined from the following values:
δ _n = δ ₁ + δ ₂ ; where δ _n is the thickness of the surfacing;
δ ₁ - size equal to twice the width of the heat-affected zone from the fusion line to temperature

600-650 ^о С (during the final welding of jointed workpieces);
δ ₂ - size for scale formation during heat treatment and machining.

Применение низкоуглеродистых низколегированных наплавочных материалов при наплавке на отожженную стальную заготовку не приводит к существенным сварочным напряжениям в связи с высокой пластичностью и низкой прочностью основного и наплавляемого металла и не требует немедленного отпуска после сварки для снятия напряжений. Однако зона повышенной твердости на линии сплавления основного металла и наплавочного остается. The use of low-carbon low-alloyed surfacing materials during surfacing on annealed steel billets does not lead to significant welding stresses due to the high ductility and low strength of the base and deposited metal and does not require immediate tempering after welding to relieve stresses. However, the zone of increased hardness on the fusion line of the base metal and surfacing remains.

Для полного устранения зоны повышенной твердости у линии сплавления и достижения необходимого комплекса механических свойств основного металла далее производится полная термическая обработка заготовок с наплавленным слоем (нормализация, закалка, отпуск на необходимую категорию прочности по режимам, рекомендуемым для конкретных марок стали). To completely eliminate the zone of increased hardness at the fusion line and achieve the necessary complex of mechanical properties of the base metal, a complete heat treatment of the workpieces with a deposited layer is performed (normalization, hardening, tempering to the required strength category according to the regimes recommended for specific steel grades).

После проведения термической обработки, контроля свойств основного металла, механической обработки поверхности наплавки на толщину δ₂, заготовки подвергаются контролю на дефекты и подготовке к сварке (очистка, травление, стыковка...).After heat treatment, control of the properties of the base metal, machining of the surfacing surface to a thickness of δ ₂ , the workpieces are inspected for defects and prepared for welding (cleaning, etching, joining ...).

Далее производится совместная сварка стыкуемых частей сварочными материалами, химический состав которых позволяет производить послесварочный отпуск при температуре на 30-60^оС ниже температуры отпуска основного металла, при этом не происходит снижения уровня прочности основного металла. При этом при сварке в зоне термовлияния (на линии сплавления), расположенной в наплавке низколегированного слоя ( δ₁) не возникает зоны повышенной твердости и хрупкости. Это возможно в связи с отсутствием в наплавленном металле превращений в мартенситной и бейнитной области и соответственно получением продуктов распада аустенита низкой твердости.Next is a joint welding abutting parts welding materials whose chemical composition allows post-weld tempering at a temperature of 30-60 ^{° C} below the tempering temperature of the base metal, wherein there is no reduction of the strength of the base metal. In this case, when welding in the heat-affected zone (on the fusion line) located in the surfacing of the low-alloy layer (δ ₁ ), there is no zone of increased hardness and brittleness. This is possible due to the absence of transformations in the deposited metal in the martensitic and bainitic region and, accordingly, the production of low hardness austenite decomposition products.

После окончания сварки производится отпуск сваренной конструкции при температуре на 30-60^оС ниже температуры отпуска основного металла. При таком режиме отпуска в сочетании с технологией наплавки, термообработки и сварки определенными сварочными материалами достигается новый комплекс ранее не получаемых механических свойств сваренной конструкции:
высокие механические свойства основного металла, сваренного и в больших толщинах (σ_0,2≥700-900 МПа, сварка в толщинах до 150-200 мм и более);
отсутствие зон повышенной твердости и хрупкости в основном металле и сварном соединении;
снижение уровня напряжений в зоне сварного соединения (в связи с компенсирующими "мягкими" прослойками);
возможность сваривать различные по химическому составу стали, которые обычными методами сварки сварить не представляется возможным.After welding Welded construction made vacation at a temperature of 30-60 ^{° C} below the tempering temperature of the base metal. With this mode of tempering, in combination with the technology of surfacing, heat treatment and welding with certain welding materials, a new complex of previously not obtained mechanical properties of the welded structure is achieved:
high mechanical properties of the base metal welded in large thicknesses (σ _0.2 ≥700-900 MPa, welding in thicknesses up to 150-200 mm and more);
lack of zones of increased hardness and brittleness in the base metal and welded joint;
stress reduction in the weld zone (due to compensating "soft"layers);
the ability to weld steel of various chemical composition, which it is not possible to weld using conventional welding methods.

Использование предлагаемого способа термической обработки и сварки заготовок из высокопрочных сталей позволяет изготавливать принципиально новые конструкции, в частности крупногабаритные сварные крышки корпусов атомных реакторов, корпуса атомных реакторов и высокопрочных роторов паровых турбин. Using the proposed method of heat treatment and welding of workpieces from high-strength steels, it is possible to produce fundamentally new designs, in particular large-sized welded caps for atomic reactor shells, nuclear reactor shells and high-strength steam turbine rotors.

В ЦНИИ КМ "Прометей" проведено экспериментальное опробывание предлагаемого способа подготовки и сварки заготовок из высокопрочных сталей. Химический состав стали для сварки приведен в табл. 1, состав наплавочных и сварочных материалов - в табл. 2. Термическая обработка заготовок из стали 20Х2Н4МФА после наплавки стыкуемых кромок состояла из нормализации от температуры 910-920^оС, закалке от температуры 870-890^оС с охлаждением в масле и высокого отпуска при температуре 620-630^оС с охлаждением на воздухе. Сварка стыкуемых элементов производилась сварочными материалами марки Св-09ХГНМТАА-ВИ при подогреве 150-200^оС. Отпуск после сварки проводился при 570-590^оС - для различных марок стали и сварочных материалов.At TsNII KM "Prometey" experimental testing of the proposed method for the preparation and welding of workpieces made of high-strength steels was carried out. The chemical composition of steel for welding is given in table. 1, the composition of surfacing and welding materials - in table. 2. The heat treatment of steel workpieces 20H2N4MFA after welding the abutting edges consisted of normalizing the temperature ^of 910-920 C, quenching from a temperature ^of 870-890 C, cooled in oil, and tempering at high temperature of 620-630 ^{° C} with air cooling. Welding the abutting elements produce welding materials mark St-09HGNMTAA-VI when heated to 150-200 ° ^C and Holidays after welding was conducted at 570-590 ^{° C} - for various grades of steel and welding materials.

Результаты исследований свойств основного металла, металла шва и околошовной зоны показывают существенное преимущество в применении предлагаемого способа сварки высокопрочных сталей и их термообработке по уровню механических свойств основного металла, металла шва и околошовной зоны по сравнению с прототипом. The results of studies of the properties of the base metal, weld metal and the weld zone show a significant advantage in the application of the proposed method for welding high strength steels and their heat treatment in terms of the mechanical properties of the base metal, weld metal and the weld zone compared to the prototype.

Технико-экономический эффект выражается в повышении надежности, долговечности изготавливаемых изделий и безопасности их эксплуатации, а также в экономии металла и улучшении массогабаритных характеристик. The technical and economic effect is expressed in increasing the reliability, durability of manufactured products and the safety of their operation, as well as in saving metal and improving overall dimensions.

Claims

1. METHOD FOR WELDING HETEROGENEOUS STEELS, mainly of high strength, difficult to weld, in which the workpieces are subjected to heat treatment before welding, a layer of low alloy steel is deposited on the welded edges and the workpieces are welded with low carbon low alloy welding materials, characterized in that they are used as heat treatment from surfacing before welding, using heat treated to a given strength category of the base metal and machined edges to a given thickness us with the new location of the welding fusion line in the deposited layer, and after welding produce weld rental.

2. The method according to claim 1, characterized in that the tempering after welding is carried out at a temperature of 30-60 ^{° C.} below the tempering temperature of the base metal.