Среднеуглеродистые стали. В сталях с содержанием углерода 0,30% и выше при быстром охлаждении металла в зоне термического влияния образуется твердая мартенситная или трооститная структура, значительно более хрупкая, чем основной металл, что создает опасность хрупкого разрушения как в процессе изготовления изделий (холодные трещины), так и при эксплуатации. С повышением углерода повышается также опасность образования пористости в сварных швах.
Для предупреждения трещин при сварке следует применять предварительный подогрев, а после сварки — высокотемпературный отпуск для восстановления пластичности сварного соединения и снятия внутренних напряжений. Для предупреждения пористости следует использовать специальные электроды. Среднеуглеродистые стали применяют для изготовления малонагруженных изделий. Для повышения прочности изделия из этих сталей после сварки иногда подвергают упрочняющей термической обработке. Среднеуглеродистые стали не являются оптимальными для сварных конструкций. Вместо них целесообразно использовать углеродистые стали, легированные марганцем, например, стали 10Г2А и 12Г2А, обеспечивающие получение сварных соединений с прочностью 450—900МПа, стойких против образования горячих и холодных трещин, не требующих обязательной термической обработки после сварки.
Высокоуглеродистые стали. Склонность высокоуглеродистых сталей к хрупкости после воздействия термического цикла сварки выражена значительно сильнее, чем в среднеуглеродистых сталях, и чувствительность их к горячим и холодным трещинам значительно выше. Поэтому обязателен предварительный подогрев металла в месте сварки до 350—400 °С, и последующий отжиг желателен до того, как сварное изделие успеет остыть до 20 °С.
Легированные стали средней прочности (от 900 до 1300МПа). При изготовлении сварных изделий из легированных сталей широкое применение получили стали перлитного класса типа ХГСА с меньшим или большим содержанием углерода (25ХГСА, 30ХГСА) и сложнолегированные стали с низким содержанием углерода (12Х2НВФА, 23Х2НВФА и др.). Конструкционные стали средней прочности перлитного класса в зависимости от вида термической обработки имеют следующие структуры: при отжиге — ферритно-перлитную; при закалке — мартенситную или троостомартенситную; при отпуске закаленной стали — троостомартенситную, трооститную, троостосорбитную и сорбитную.
Для изготовления сварных изделий из сталей 25ХГСА и 30ХГСА с пределом прочности 1100—1300МПа после сварки применяют термическую обработку (закалку и отпуск). Изделия больших габаритных размеров целесообразно изготовлять из предварительно термически обработанных элементов. Для снятия внутренних напряжений после сварки применяют отпуск. Эти стали рекомендуется использовать для ответственных штампосварных конструкций. Стали 12Х2НВФА и 23Х2НВФА упрочняют путем термической обработки (закалки в масле с последующим отпуском или нормализации с отпуском).
Конструкционные легированные высокопрочные стали (предел прочности более 1500-2000МПа). Изготовление надежных сварных изделий из высокопрочных легированных сталей (30ХГСНА, 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ, 28ХЗСНМВФА и др.) затрудняется из-за опасности образования холодных трещин, а также повышенной чувствительности этих сталей к концентраторам напряжений при статических и особенно при динамических нагрузках. Сварные конструкции следует проектировать с наименьшей концентрацией напряжений. Все радиусы перехода от одного сечения детали к другому должны быть максимальными (предельно допустимыми из конструктивных соображений).
Для повышения прочности при повторных статических нагрузках необходимо создавать плавные переходы от шва к основному металлу. Даже для стыкового сварного соединения целесообразно удалять усиление сварного шва и особенно проплав сварного шва, имеющий более крутой переход от шва к основному металлу. Наличие остающихся подкладок в равнопрочных сварных соединениях не допускается. В тех случаях, когда механическая обработка внутренней поверхности деталей для зачистки проплава невозможна, следует производить комбинированную сварку без остающейся подкладки. При этом первый слой шва выполняют автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом без присадки с обеспечением 100% равномерного проплавления по всей длине шва. Последующие слои наносят одним из методов сварки плавящимся электродом.
Плавное формирование проплава может быть достигнуто также путем аргонодуговой сварки в потолочном положении неплавящимся электродом. При оптимальном режиме сварки в этом случае обеспечивается форма шва без занижения и без провисания проплава. При сварке соединений с толщиной кромок более 4 мм делают чашеобразную разделку с притуплением толщиной 2,0—3,0 мм со стороны сварки. Место разделки заполняют в нижнем положении методами автоматической сварки плавящимся электродом. Предпочтительным соединением является стыковое. Нахлесточные и замковые соединения применять не разрешается. Тавровые соединения необходимо выполнять с полным проваром и двусторонней галтелью с плавными переходами к основному, металлу.
Сварные детали из конструкционных высокопрочных сталей рекомендуется изготовлять из металла, улучшенного вакуумно-дуговым или электрошлаковым переплавом, обладающего более высокими пластическими свойствами, изотропностью свойств вдоль и поперек волокна и содержащего минимальное число газовых и неметаллических включений.
Высокопрочная сталь 30ХГСНА является сталью перлитного класса. Детали из этой стали можно обрабатывать с получением следующих пределов прочности: 1600—1800МПа после закалки в масле с последующим низким отпуском или после изотермической закалки с низким отпуском; 1500—1700МПа и 1400—1600МПа только после изотермической закалки.
При изготовлении сварных деталей предпочтительней применять изотермическую закалку вместо закалки в масле с отпуском, так как в первом случае изделия имеют меньшую поводку, а сварные соединения и основной металл обладают более высокой пластичностью и вязкостью.
Сталь 30ХГСНА предназначена для ответственных сварных изделий с толщиной в месте сварки до 40 мм. Сварные изделия из стали 30ХГСНА следует применять с определенными ограничениями из-за высокой чувствительности стали к концентраторам напряжений, особенно при многократной статической нагрузке, и к водородной хрупкости. Изготовлять сварные резервуары из стали 30ХГСНА не рекомендуется. Конструкции из стали 30ХГСНА можно изготовлять из термически обработанных элементов и подвергать термообработке (закалке) после сварки. Однако в том и другом случае равнопрочность обеспечивается соответствующим утолщением кромок, так как максимальные напряжения в околошовной зоне из-за чувствительности к концентрациям напряжений не должны быть выше 60—70% прочности основного металла (порядка 1000МПа). Переход от сварного шва к основному металлу должен быть плавным. Присадочный металл шва должен иметь повышенную пластичность и вязкость по сравнению с пластичностью и вязкостью основного металла. Прочность шва в зависимости от толщины свариваемой детали и марки присадочной проволоки при термической обработке изделия после сварки изменяется в пределах 1200—800МПа, а при сварке предварительно закаленных деталей — в пределах 600—500МПа.
Низколегированные стали 30Х2ГСНВМ и 42Х2ГСНМ мартенситного класса применяют для изготовления изделий ответственного назначения, в том числе обечаек для емкостей, работающих под давлением при температуре до 300° С и подвергающихся термической обработке (закалке с отпуском) после сварки. При этом допустима сварка в окончательно упрочненном состоянии только кольцевых, менее нагруженных швов, при утолщенных кромках в местах сварки. Конструкционные среднелегированные стали 28Х3СНМВФА, 33Х3СНМВФА, 43Х3СНМВФА относятся к сталям мартенситного класса, обеспечивающим в сварных конструкциях прочность соответственно от 1600 до 2000МПа. Эти стали достаточно надежно работают в условиях повторно-статических нагрузок. При сварке с последующей упрочняющей термической обработкой изделий достигается прочность сварных соединений не ниже 0,9 прочности основного металла. Эти стали имеют низкое содержание серы и фосфора (S+P < 0,025%), а также других примесей, отличаются повышенной чистотой по газонасыщенности и неметаллическим включениям. Эти стали в некоторых случаях выплавляют с применением ЭШП и ВДП.
Из стали 28ХЗСНМВФА изготовляют цилиндрические и шаровые баллоны высокого давления, днища, шпангоуты, обечайки для емкостей ответственного назначения и др. Сварные соединения стали 43Х3СНМВФА обладают более высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, чем стали 28Х3СНМВФА, поэтому из стали 43Х3СНМВФА изготовляют узлы простой конфигурации с минимальным числом сварных швов. Швы выполняют только встык, с зачисткой мест усиления и проплава.