Материал: Сварка углеродистых, низколегированных и теплоустойчивых сталей

Углеродистую конструкционную сталь применяют для изготовления сварных конструкций в основном в состоянии поставки (горячекатаном) и в меньшем объеме после термообработки (нормализации) и в еще меньшем - в состоянии после термического улучшения (после закалки и отпуска). Термическое улучшение является весьма эффективным способом повышения прочности стали без снижения пластичности и вязкости. Поэтому ожидается увеличение объема использования для сварных конструкций стали, поставляемой в таком состоянии.

В сварочной технике в зависимости от содержания углерода углеродистые конструкционные стали условно разделяются натри группы: низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые. Технология сварки этих сталей различна.

Даже для стали одной марки в зависимости от ее плавочного состава и условий эксплуатации сварной конструкции технология сварки может претерпевать значительные изменения.

Низкоуглеродистые конструкционные стали

Краткие сведения о составе и свойствах сталей.К низкоуглеродистым конструкционным сталям, из которых в настоящее время изготовляют большинство сварных конструкций, по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием до 0,25% С.

Особенности сварки. Низкоуглеродистые стали относятся к числу хорошо сваривающихся металлов. Для этих сталей технологию сварки выбирают из условий обеспечения комплекса требований, главные из которых достижение равнопрочности сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Для этого механические свойства металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом должны быть не ниже минимальных механических свойств основного металла. В ряде случаев с учетом конкретных условий работы конструкции допускается снижение требований к отдельным показателям механических свойств сварного соединения по сравнению с требованиями, предъявляемыми к основному металлу.

В металле швов не должно быть трещин, непроваров, пор, подрезов и других дефектов, они должны иметь требуемые по чертежу размеры и форму. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. Изменение формы и размеров (деформация) конструкции должно находиться в допустимых, не отражающихся на ее работоспособности пределах.

В некоторых случаях дополнительно вводят требования высокой коррозионной стойкости сварных соединений, их работоспособности в условиях вибрационных и ударных нагрузок, повышенных или пониженных температур и другие специальные требования

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, определяемой химическим составом, условиями остывания сварной конструкции и термообработкой. При сварке низкоуглеродистой стали металл шва незначительно отличается пoсоставу от основного металла. Это отличие в основном сводится к снижению содержания в металле шва углерода (так как металл электродного стержня или электродной проволоки содержит меньше углерода, чем основной металл) и повышению содержания марганца и кремния.

Снижение прочности металла шва вследствие уменьшения содержания в нем углерода при дуговой сварке полностью компенсируется за счет увеличения скорости его остывания и легирования металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. В сварочной практике обеспечение равнопрочности металла шва при дуговой сварке низкоуглеродистой стали не вызывает затруднений. При электрошлаковой сварке для обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом обычно применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали

Краткие сведения о составе и свойствах среднеуглеродистых конструкционных сталей.К среднеуглеродистым конструкционным сталям по классификации, принятой в сварочной технике, относятся стали, содержащие 0,26-0,45% С. Отличие составов среднеуглеродистых от низкоуглеродистых сталей в основном состоит в различном содержании углерода. К этой же группе относится сталь с повышенным содержанием марганца (марок ВСт5Гпс, 25Г, 30Г и 35Г).

Среднеуглеродистые стали находят применение в судостроении, машиностроении и других отраслях промышленности. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций находят применение преимущественно стали 35 и 40.

Сварка среднеуглеродистых сталей.Повышенное содержание углерода предопределяет значительные трудности сварки этих сталей. К ним относятся низкая стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом.

Для преодоления этих трудностей и в первую очередь для повышения стойкости металла шва против кристаллизационных трещин при всех видах сварки плавлением стремятся снизить содержание углерода в металле шва. Это обычно достигается за счет применения электродных стержней и электродной проволоки с пониженным содержанием углерода и уменьшения доли основного металла в металле шва. Стремятся также обеспечить получение швов с большим значением коэффициента формы и применяют предварительный и сопутствующий подогрев, двухдуговую сварку в раздельные ванны и модифицирование металла шва.

Для сварки среднеуглеродистых сталей чаще всего применяют предварительный подогрев до температуры 250-300° С. За счет предварительного подогрева удается повысить на 0,01-0,02% допускаемое содержание углерода в металле шва, при котором еще не образуются трещины, и предупредить образование закалочных структур в околошовной зоне. Однако сварка с подогревом обладает серьезными эксплуатационными недостатками. Кроме того, чрезмерный подогрев может вызвать образование трещин вследствие увеличения провара основного металла и связанного с этим повышения содержания углерода в металле шва.

Для снижения доли основного металла в металле шва дуговую сварку среднеуглеродистых сталей, как правило, ведут с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Для иллюстрации сказанного на рис. 3 показаны угловые швы, сваренные под флюсом на режимах, типичных для сварки низкоуглеродистой (а) и среднеуглеродистой (б) стали.

Рис. 3. Типичная форма углового шва при сварке под флюсом стали:

Для повышения доли электродного металла в металле шва принимают также меры по увеличению коэффициента наплавки. При механизированных способах сварки это достигается применением сварочной проволоки малого диаметра (2-3 мм) и минимального сварочного тока. Лучшие результаты получаются при постоянном токе прямой полярности. Сварку под флюсом среднеуглеродистых сталей ведут на режимах, не характерных для этого высокопроизводительного способа, в связи с чем он не получил широкого применения при изготовлении конструкций из среднеуглеродистых сталей.

Эффективным и надежным средством достижения равнопрочности металла шва при низком содержании в нем углерода служит дополнительное легирование элементами, упрочняющими феррит. При сварке среднеуглеродистых сталей для достижения равнопрочностидостаточно дополнительно легировать шов марганцем и кремнием. Для сварки под флюсом применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 и сварочную проволоку

Св-08А, Св-08ГА и Св-10Г2. При этом необходимое повышенное содержание в шве кремния и марганца достигается частично путем восстановления их из флюса. Этому способствует применение тонкой проволоки и малых токов, при которых восстановление кремния и марганца протекает более интенсивно.

Для ручной сварки среднеуглеродистых сталей применяют электроды с фтористо-кальциевым покрытием УОНИ-13/55 и УОНИ-13/45, обеспечивающие достаточную прочность и высокую стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Чтобы избежать образования малопластичных и хрупких закалочных структур в околошовной зоне, при сварке среднеуглеродистых сталей следует замедлить остывание изделий путем снижения скорости сварки, предварительного подогрева металла, сварки двумя и более раздвинутыми дугами. Чем больше содержание углерода в стали, тем выше должна быть температура подогрева металла при сварке. Даже при использовании всех указанных приемов сварные соединения на среднеуглеродистой стали чаще всего получаются недостаточно пластичными, так как закалка основного металла в околошовной зоне полностью не предотвращается. Если к сварному соединению предъявляются требования высокой пластичности, то для выравнивания свойств приходится применять последующую термообработку, чаще всего закалку с отпуском.

Технология сварки среднеуглеродистых сталей в углекислом газе, как и сварка их покрытыми электродами и под флюсом,основана на снижении доли основного металла в металле шва и обеспечении благоприятной формы провара. В производстве сварка в углекислом газе для изготовления конструкций из среднеуглеродистых сталей применяется мало.

Благодаря возможности в широких пределах изменять коэффициент формы металлической ванны и медленному остыванию металла околошовной зоны при электрошлаковой сварке создаются благоприятные условия для обеспечения высокого качества сварного соединения среднеуглеродистой стали. Однако при сварке металла, содержащего более 0,3% С, рекомендуется проводить предварительный и сопутствующий подогрев конструкции (особенно при кольцевых швах) до температуры 180-200° С. Высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин обеспечивается при подаче электродной проволоки со скоростью, не превышающей критических значений (Рис.4).

Рис. 4. Изменение критической скорости подачи электродной проволоки при электрошлаковой сварке в зависимости от содержания углерода в основном металле.

При электрошлаковой сварке увеличение коэффициента формы металлической ванны, при прочих равных условиях, приводит к увеличению содержания в ней углерода (рис.5). При этом, однако, стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин не снижается, так как одновременно с ростом коэффициента формы металлической ванны растет критическое содержание углерода.

Серьезной задачей при электрошлаковой сварке сталей с содержанием более 0,33% С является обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом. Эта задача частично решается путем применения сварочных проволок Св-10Г2 или Св-12ГС и перехода углерода из основного металла. Содержание углерода в шве доходит до 0,22-0,24%. Однако даже при этом прочностные свойства металла шва находятся на нижнем уровне свойств основного металла. Для повышения прочности металла шва рекомендуется применять сварочную проволоку, обеспечивающую многокомпонентное легирование. Высокой ударной вязкости металла шва и участка крупного зерна околошовной зоны для сталей этой группы так же, как и для низкоуглеродистых сталей, можно достигнуть пока только нормализацией.

Режим электрошлаковой сварки среднеуглеродистых сталей, кроме скорости подачи проволоки, аналогичен приведенному выше. Скорость подачи сварочной проволоки выбирают исходя из данных на рис.4. Например, если необходимо сварить

металл толщиной 120 мм с 0,35% С, суммарная скорость подачи электродной проволоки составит 324 м/ч (2,7x120). При сварке двумя проволоками скорость подачи каждой из них будет вдвое меньше и составит 162 м/ч. В случае трех проволок скорость подачи каждой из них равна 108 м/ч.

Рис. 5.Доля участия основного металла в металле шва при коэффициенте формы металлической ванны: а - большом;б - малом.

При этом достигается высокая стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин при сварке прямолинейных швов и погонной части кольцевых швов. Замыкание кольцевого шва желательно производить с еще несколько меньшей скоростью подачи проволоки и большей температурой сопутствующего подогрева.

При сварке среднеуглеродистой стали плавящимся мундштуком и электродной пластиной режим выбирают в зависимости от состава основного металла.

После сварки станину подвергают термообработке (нормализации и высокому отпуску). При этом обеспечивается равнопрочность сварного соединения с основным металлом. В состоянии после сварки сварное соединение также имеет вполне удовлетворительные механические свойства.

Сварка высокоуглеродистых сталей.К высокоуглеродистым сталям по принятой в сварочной технике классификации относят стали с содержанием 0,46-0,75% С. Стали такого состава, как правило, не применяют для изготовления конструкций, но широко используют для изготовления деталей машин, подвергающихся наплавке.

Необходимость сварки подобных сталей возникает главным образом при ремонтных работах. Технология их сварки строится на той же основе, что и наплавка.

Сварка низколегированных сталей

По принятой классификации низколегированной называется сталь, легированная одним или несколькими элементами, если содержание каждого из них не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих не превышает 5 %. Низколегированные стали, применяемые для изготовления сварных конструкций, делят на три основные группы: низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, низколегированные теплоустойчивые стали и низколегированные среднеуглеродистые стали.

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, предназначаемые для сварных конструкций, поставляют в основном в горячекатаном или нормализованном состоянии. Ряд сталей применяют в термоулучшенном состоянии (после закалки и отпуска), что дает возможность повысить их прочность и стойкость против хрупкого разрушения. Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,23%. Стали этого типа легируют рядом элементов, например марганцем, хромом, кремнием, ванадием и др., что приводит к некоторому повышению их прочности. Поэтому их часто называют низколегированными сталями повышенной прочности.

Особенности технологии сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций.

По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. До недавнего времени считали, что металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 17Г1С, 14ХГС и др., имеет только феррито-перлитную структуру. Поэтому предполагали, что структурные изменения в шве при разных режимах сварки сводятся в основном к изменению соотношения между ферритной и перлитной составляющими, а также изменению степени дисперсности структуры.

Более углубленные исследования показали, что при повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит - бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии количество мартенсита, бейнита и остаточного аустенита в металле шва повышается (рис. 6) и дисперсность их увеличивается. Так, количество закалочных структур в швах на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали толщиной 12 мм при сварке с погонной энергией /v= 4 ккал/см и скорости охлаждения в интервале температур 400-600° С, примерно равной 4,5° С/с, составляет 10-11%.