МАТЕРИАЛЫ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Влияние химического состава на свариваемость стали

Свариваемостью называют способность металлов образовывать сварные соединения без трещин и прочих дефектов, имеющие механические и физико-химические свойства, близкие к свойствам основного металла. Свариваемость определяется главным образом склонностью сварных соединений к возникновению трещин.

Зона сварки подвергается сильному и неравномерному разогреву. Температура изменяется от температуры расплавленного металла до температуры окружающей среды в сравнительно узком диапазоне, как по длине, так и ширине деталей (градиент температуры — сотни и даже тысячи градусов на миллиметр). Последующее охлаждение зоны сварки происходит очень быстро за счет высокой теплопроводности металлов.

Перепады температуры в зоне сварки вызывают неравномерное тепловое расширение одних участков и сжатие других, что приводит к значительным внутренним напряжениям и, как следствие — к деформации деталей и образованию трещин. Различают трещины горячие, возникающие при температуре близкой к температуре кристаллизации, и холодные, появляющиеся при более низкой температуре.

Горячие трещины возникают чаще всего по границам зерен в наплавленном металле. Образование горячих трещин можно предотвратить правильным подбором электродов и химического состава сплавов, а также проектированием технологичных конструкций [5]. В частности, наличие серы в стали резко увеличивает склонность ; к горячим трещинам, так .как в процессе кристаллизации межкристаллические границы заполняются прослойками сульфидов(FeS, MnS).

Холодные трещины вызывают внутрикристаллическое разрушение, наиболее часто они образуются в околошовной зоне.

У сплавов с высокой пластичностью внутренние напряжения вызывают локальную пластическую деформацию, но при этом разрушение не происходит. Хрупкие же материалы такой деформации не выдерживают, и в них возникают трещины.

Для предотвращения трещин необходимо в сварных изделиях применять высокопластичные материалы, например, малоуглеродистые стали. Стали с повышенным содержанием углерода, а также легированные стали, обладают пониженной пластичностью, что ухудшает их свариваемость. Кроме того, стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов (Сr, Мо, V, W, Мn) при быстром охлаждении способны подвергаться закалке, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости в зоне сварного шва. Чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем эта склонность выше.

Улучшить свариваемость стали можно применением подогрева деталей перед сваркой. Подогрев повышает пластичность стали, а также уменьшает перепад температуры и скорость охлаждения в зоне сварки, поэтому закалка стали «е наблюдается. Положительный эффект оказывает также термическая обработка после сварки (отпуск или отжиг), заключающаяся в нагреве до температуры 600 ... 900° С и медленном охлаждении. После термообработки внутренние напряжения в сварных изделиях существенно снижаются, а микроструктура становится более равномерной.

Влияние легирующих элементов на свариваемость стали неоднозначно. Большинство из них свариваемость ухудшает (Сr, Mo, W, V и др.). Некоторые элементы повышают пластичность стали и тем самым не ухудшают свариваемость, но могут повысить склонность к горячим трещинам. Марганец и кремний в небольших количествах способствуют хорошему раскислению стали и не затрудняют сварку, однако содержание их более 1 % снижает свариваемость, вследствие повышения вероятности закалки стали и образования хрупких оксидов.

Вредные примеси (фосфор, сера, кислород, азот, водород), находящиеся даже в небольших количествах, значительно снижают свариваемость стали.

Особенности сварки конструкционных сталей

К конструкционным сталям относят, стали углеродистые и легированные. Сумма легирующих элементов в конструкционных сталях не превышает 5%. Влияние углерода и легирующих элементов можно оценить ориентировочно по эквивалентному содержанию углерода

СЭ = С + + +

где С, Мn, Ni, Сг, Мо, V — процентное содержание соответственно углерода, марганца, никеля, хрома, молибдена, ванадия.

Исходя из химического состава, все 'конструкционные стали можно разделить на 4 группы, которые будут отличаться свариваемостью и для обеспечения надежного равнопрочного сварного соединения потребуют различных условий сварки.

I группа — хорошо сваривающиеся стали. Сюда относят, стали низкоуглеродистые с содержанием углерода менее 0,25%, а также низколегированные при содержании углерода менее 0,2,%. Эти стали, свариваются без трещин при температуре окружающей среды до —20° С. Термическая обработка после сварки не требуется, за исключением конструкций, где недопустимы коробление и поводка в процессе обработки и эксплуатации. К этой группе относят стали: ВСт1 ... ВСтЗ; ГОСТ 380—71; 08, 10, 15, 20, 25 ГОСТ 1050—74; 15Л, 20Л ГОСТ 977—75; 15Г, 20Г, 15Х, 20Х, 15Н2М, 12ХН2, ГОСТ 4543—71; 09Г2, 16ГС, 10Г2С1Д ГОСТ 19282—73 и др.

II группа — удовлетворительно сваривающиеся стали, у которых содержание углерода или его эквивалента находится в пределах 0,25 ... 0,35%. Эти стали, свариваются без дефектов при температуре окружающей среды выше + 5° С. В противном случае, а также при толщине деталей более 25 мм необходим подогрев перед сваркой до 50 ... 100° С. После сварки конструкции целесообразно термообработать, особенно толстостенные. Примеры сталей данной группы: ВСт5, ВСт5Г, 30, 35, 20ХНЗА, З0Л, 35, 27ГС, 20ХГС и др.

III группа — ограниченно сваривающиеся стали, имеют эквивалентное или абсолютное содержание углерода 0,35 ... 0,45%. Эти стали для обеспечения качественного шва требуют подогрева деталей перед сваркой до 100 ... 200° С и. термической обработки после сварки. Термическая обработка может заключаться или в отжиге, или в закалке с последующим высоким отпуском. К группе ограниченно сваривающихся относят стали БСт6, 40, 45, З0ХМ, З0ХГСА, 20Х2Н4А и др.

IV группа—плохо, сваривающиеся стали с содержанием углерода или его эквивалента более 0,5%. Для сварки необходимы предварительный подогрев до 250 ... 350° С и термическая обработка после сварки. Плохо свариваются стали 45Г, 40Х, 65Г, 40ХН, 60СГА, 38Х2МЮА, У7 и др.

Температуру подогрева сталей удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающихся, склонных к закалке околошовной зоны, можно определить по эмпирической зависимости [1]

Tп = 350 ,

где Tп°С — температура подогрева деталей перед сваркой; Сэс — углеродный эквивалент, учитывающий химический состав стали и толщину деталей;

Сэс = (1 + 0,05S),

где С, Ni, Mn, Сr, Мо — процентное содержание углерода, никеля, марганца, хрома и молибдена; S — толщина соединяемых деталей, мм.