Сварка конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей
Классификация и основные свойства
Конструкционную сталь, применяемую в сварных изделиях, выплавляют в основных и кислых мартеновских и открытых электропечах. Нередко осуществляют рафинирование стали (особенно легированных высокопрочных сталей) жидким синтетическим шлаком (СШ) в ковше, а также электрошлаковым переплавом (ЭШП). В некоторых случаях производят вакуумно-дуговой переплав (ВДП) и выплавку в индукционных печах (ВИ). Рафинирование снижает загрязненность стали неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами, и т.д.), вредными примесями (серой) и газами, уменьшает число дефектов (волосовины и пористость), что улучшает свариваемость сталей. Однако при этом повышается склонность сталей к росту зерна при нагреве. Поэтому иногда ударная вязкость сварных соединений в зоне термического влияния оказывается ниже, чем у сталей обычной выплавки.
К среднеуглеродистым относят стали, содержащие 0,20—0,45%С. Средне-углеродистые стали отличаются от низкоуглеродистых различным содержанием углерода. Качественные углеродистые стали могут быть с повышенным содержанием марганца (0,7—1,0%). Среднеуглеродистые стали используют в нормализованном состоянии. Для сварно-литых и сварно-кованых конструкций применяют преимущественно стали 35 и 40. К высокоуглеродистым относятся стали, содержащие 0,46—0,75%С. Они отличаются плохой свариваемостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Необходимость сварки подобных сталей возникает при ремонтных работах.
Основным легирующим элементом, определяющим механические свойства углеродистых сталей, является углерод. С повышением углерода увеличивается прочность и снижается пластичность. Чувствительность к перегреву и закаливаемости повышается, что снижает свариваемость. Марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, водород и азот попадают в металл в процессе производства. Из них активными раскислителями являются марганец и кремний. Сера образует низкотемпературную эвтектику по границам зерен, что приводит к красноломкости при ковке и прокатке и к горячим трещинам при сварке. Фосфор, растворяясь в феррите, резко снижает пластичность стали и повышает хладноломкость. Содержание серы и фосфора в сталях для сварных изделий не должно превышать 0,035—0,040%. Кислород, образуя оксидные включения, охрупчивает сталь. Азот, образуя нитриды, также способствует охрупчиванию стали. Азот и кислород при сварке способствуют образованию пористости. Содержание их не должно превышать предела растворимости в данной стали. Водород при высоком содержании вызывает образование внутренних надрывов. При охлаждении стали ниже 200 0С водород выделяется из твердого раствора и создает внутренние напряжения, приводящие к появлению трещин. Содержание газов в металлах снижается при выплавке и разливке в вакууме. К конструкционным легированным относят стали, легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5—10%, предназначенные для работы при температурах до 500 0С.
Для современных легированных сталей характерно многокомпонентное комплексное легирование. Оно более экономично и позволяет получить стали с более высокими механическими свойствами. Механические свойства после упрочняющей термической обработки (закалки, отпуска) некоторых конструкционных легированных сталей, применяющихся для сварных конструкций, приведены в табл. Широкое применение легированных сталей в конструкциях связано с их высокой прочностью при сохранении вязкости. Среднелегированные стали, применяемые для сварных конструкций, в основном относятся к перлитному классу. Однако некоторые стали этой группы, содержащие 5—6% легирующих элементов и более, относятся к мартенситному классу (30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА и др.). Высокие механические свойства конструкционных легированных сталей достигаются легированием элементами, упрочняющими феррит и повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термической обработкой, после которой проявляется положительное влияние легирующих элементов. Поэтому стали данной группы характеризуются как химическим составом, так и видом термической обработки. Стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, подвергают улучшению (закалке с последующим отпуском). Высокие прочностные и пластические свойства легированных сталей сочетаются с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и определяет их использование для конструкций, работающих в тяжелых условиях, например при ударных и знакопеременных нагрузках, при низких или высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах и пр. Конструкционные легированные стали широко используют для создания облегченных сварных высокопрочных конструкций. Однако не все конструкционные легированные стали хорошо или удовлетворительно свариваются. Чем в большей степени легирована сталь элементами (включая углерод), способствующими образованию хрупкой структуры мартенсита при термическом цикле сварки, тем хуже свариваемость данной стали при прочих равных условиях (метод выплавки, тип соединения, толщина свариваемой детали и т. п.). Например, стали 38Х2МЮА, 30ХН2МФА, 18Х2Н4МА, 38ХНЗМФА и им подобные для сварных конструкций применять не рекомендуется.
Для конструкционных средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей характерной особенностью является образование закалочных структур в шве и зоне термического влияния, создающих опасность хрупкого разрушения. Поэтому для получения надежных сварных соединений при изготовлении изделий из сталей этой группы необходимо выбирать марку стали не только исходя из показателей прочности основного металла, но и с учетом возможности получения необходимых стабильных механических свойств сварных соединений в условиях производства данного конкретного изделия и полной реализации этих свойств при работе конструкций.
В некоторых случаях разрушения происходят вследствие концентрации напряжений, появления значительных по величине остаточных сварочных напряжений и снижения пластичности металла. Эти факторы проявляются сильнее в результате конструктивных недостатков, неправильного выбора материалов для сварных изделий, способов сварки и технологии. Надежность и долговечность сварных соединений должны являться основными и главными критериями при выборе марки стали и способов изготовления сварных изделий. В ряде случаев оказывается более целесообразным выбор менее прочной стали, с меньшим содержанием углерода, но более технологичной при сварке. Содержание углерода более 0,30% способствует склонности сталей к перегреву и закалке, образованию горячих и холодных трещин в сварном соединений и пор в металле шва. Для предупреждения этих явлений необходимы усложняющие технологический процесс операции подогрева при сварке и термообработки после сварки.
При изготовлении ответственных сварных изделий из закаливающихся сталей в технологическом процессе должны быть предусмотрены меры, предупреждающие опасность хрупких разрушений:
1) Применение основного металла с регламентированным составом и свойствами, в частности спокойной и дополнительно раскисленной стали, низколегированных сталей вакуумно-дугового и электрошлакового переплава и др.
2) Применение методов сварки, обеспечивающих высокие механические свойства металла шва (дуговая сварки покрытыми электродами, под флюсом, в защитных газах и др.).
3) Применение методов контроля, ограничивающих наличие в сварных швах различных дефектов.
4) Правильное конструктивное оформление элементов сварных конструкций (исключение резких переходов от одного сечения к другому, исключение скопления швов, вызывающих объемные сварочные напряжения и повышающих жесткость изделия, предпочтительное применение стыковых швов и др.).
5) Повышение требований к качеству сборки (минимальные зазоры и смещения, недопустимость натягов при сборке и др.).
6) Применение термической обработки, обеспечивающей заданные механические свойства сварных соединений и снимающей остаточные напряжения от сварки.
7) Индустриализация методов производства сварных конструкций, позволяющая обеспечить более высокое и стабильное качество сварочных работ в целом.