Технологии сварки. Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Технологии сварки. Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Состав и свойства сталей

Углерод является основным легирующим элементом в углеродистых конструкционных  сталях и определяет механические свойства сталей этой группы. Повышение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Стали с содержанием углерода до 0,25% относятся к низкоуглеродистым. По качественному признаку углеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления стали обыкновенного качества обозначают: кипящую — кп, полуспокойную — пс и спокойную — сп. Кипящая сталь, содержащая не более 0,07% Si, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Спокойные стали получаются при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержат не менее 0,12% Si; сера и фосфор распределены в них более равномерно, чем в кипящих сталях. Эти стали менее склонны к старению и отличаются меньшей реакцией на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. Сталь обыкновенного качества поставляют без термической обработки в горячекатаном состоянии. Изготовленные из нее конструкции также не подвергают последующей термической обработке.

Сталь углеродистую обыкновенного  качества в соответствии с ГОСТ 380—71 подразделяют на три группы. Сталь  группы А поставляют по механическим свойствам и для производства сварных конструкций не используют (группу А в обозначении стали не указывают; например, СтЗ. Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В по химическому составу и механическим свойствам. Перед обозначением марки этих сталей указывают их группу, например, БСтЗ, ВСтЗ. Полуспокойную сталь марок 3 и 5 производят с обычным и повышенным содержанием марганца (после номера марки ставят букву Г). Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех степеней раскисления и сталь ВСтЗГпс, а также стали БСт1, БСт2, БСтЗ всех степеней раскисления и сталь БСтЗГпс поставляются с гарантией свариваемости. Для ответственных конструкций используют сталь группы В.

Углеродистую качественную сталь  с нормальным (марки 10, 15 и 20) и повышенным (марки 15Г и 20Г) содержанием марганца поставляют в соответствии с ГОСТ 1050—74 и ГОСТ 4543—71. Она содержит пониженное количество серы. Стали этой группы для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации или закалки с отпуском (термоупрочнение). Механические свойства этих сталей зависят от термической обработки. Сварные конструкции, изготовленные из этих сталей, для повышения прочностных свойств можно подвергать последующей термической обработке.

Стали, содержащие специально введенные  элементы, которые отсутствуют в  углеродистых сталях, называют легированными. Марганец считают легирующим компонентом  при содержании его в стали  более 0,7% по нижнему пределу, а кремний  — при содержании свыше 0,4%. Поэтому углеродистые стали марок ВСт3Гпс, ВСт3Гпс, 15Г и 20Г с повышенным содержанием марганца по свариваемости следует отнести к низколегированным конструкционным сталям. Легирующие элементы, вводимые в сталь, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.

В промышленности при производстве сварных конструкций широко используют низкоуглеродистые низколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях не превышает 4,0% (не считая углерода), а углерода 0,25%.

В зависимости от вводимых в сталь  легирующих элементов низколегированные стали разделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремненикелемедистые и т. д. Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравнению с другими низколегированными сталями марганцовистые стали позволяют получать сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3—0,4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Термическая обработка улучшает механические свойства стали, которые, однако, зависят от толщины проката. Особенно важно, что при этом может быть достигнуто значительное снижение температуры порога хладноломкости. Поэтому некоторые марки низколегированных сталей для производства сварных конструкций используют после упрочняющей термической обработки.

Общие сведения о свариваемости

Рассматриваемые стали обладают хорошей свариваемостью. Технология их сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являются равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно при сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные требования. Однако во всех случаях технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.

Механические свойства металла  шва и сварного соединения зависят  от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической  обработкой. Химический состав металла  шва зависит от доли участия основного и электродного металлов в образовании шва и взаимодействий между металлом и шлаком и газовой фазой. При сварке рассматриваемых сталей состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. При сварке низколегированных сталей необходимое количество легирующих элементов в металле шва обеспечивается также и путем их перехода из основного металла.

Повышенные скорости охлаждения металла  шва способствуют увеличению его прочности, однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлитной фазы. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предварительно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая деформация, возникающая в металле шва под действием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва. Свойства сварного соединения зависят не только от свойств металла шва, но и от свойств основного металла в околошовной зоне. Структура, а значит и свойства основного металла в околошовной зоне, зависят от его химического состава и изменяются в зависимости от термического цикла сварки. На рисунке 1 слева схематически показаны кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в один из моментов, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и структурные участки зоны термического влияния на низкоуглеродистых и низколегированных сталях при дуговой сварке.

Рисунок 1. Схема строения зоны термического влияния сварного шва при дуговой сварке

При сварке низкоуглеродистых сталей на участке неполного расплавления металл нагревается в интервале  температур между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполняется жидкими прослойками расплавленного металла, который может содержать элементы, вводимые в металл сварочной ванны. Это может привести к тому, что состав металла на этом участке будет отличаться от состава основного металла, а из-за нерасплавившихся зерен основного металла — и от состава наплавляемого металла. Увеличению химической неоднородности металла на этом участке способствует и слоистая ликвация, а также диффузия элементов, которая может происходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. По существу этот участок и является местом сварки. Несмотря на его небольшую протяженность, свойства металла в нем могут влиять на свойства всего сварного соединения.

На участке перегрева в результате нагрева в интервале температур от 1100— 1150 ⁰С до температур линии солидуса металл полностью переходит в состояние аустенита. При этом происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем более, чем выше нагрет металл выше температуры точки А_С3. Даже непродолжительное пребывание металла при температурах свыше 1100 ⁰С приводит к значительному увеличению размера зерен. После охлаждения это может привести к образованию неблагоприятной видманштеттовой структуры. На участке нормализации (полной перекристаллизации) металл нагревается незначительно выше температур точки А_С3, и поэтому он имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до температур между точками А_С1 и А_С3, поэтому этот участок характеризуется почти неизменившимися первоначальными ферритными и перлитными зернами и более мелкими зернами феррита и перлита после перекристаллизации, а также сфероидизацией перлитных участков.

На участке рекристаллизации металл нагревается в интервале температур от 500—550 ⁰С до температуры точки А_С1, и поэтому по структуре он незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергается пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла — рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале  температур от 100 до 500 ⁰С (участок синеломкости) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако металл на этом участке может обладать пониженной пластичностью и несколько повышенной прочностью. У некоторых сталей, содержащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипящих), металл на этом участке имеет резко сниженную ударную вязкость и сопротивляемость разрушению.

При многослойной сварке, ввиду многократного  воздействия термического цикла сварки на основной металл в околошовной зоне, строение и структура зоны термического влияния несколько изменяются. При сварке длинными участками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвергается своеобразному отпуску. При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Кроме изменения структур, это увеличивает и протяженность зоны термического влияние. Наличие в низколегированных сталях легирующих элементов (которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую) тормозит при охлаждении процесс распада аустенита и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне термического влияния на участках где металл нагревается выше температур точки А_С1, (при повышенных скоростях охлаждения), могут образовываться закалочные структуры. При этом металл нагревающийся до температур значительно выше температуры точки А_С3, будет иметь более грубозернистую структуру. При сварке термических упрочненных сталей на участках рекристаллизации и синеломкости может произойти отпуск металла, характеризующийся структурой сорбита отпуска, с понижением его прочностных свойств. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принять меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска.

При электрошлаковой сварке структура  металла швов может характеризоваться  наличием зоны 1 крупных столбчатых кристаллов (рисунок 2,а), которые растут в направлении, обратном отводу тепла, зоны 2 тонких столбчатых кристаллов, характеризуемой меньшей величиной зерна и несколько большим их отклонением в сторону теплового центра, и зоны 3 равноосных кристаллов, располагающейся посередине шва. Строение швов зависит от способа электрошлаковой сварки, химического состава металла шва и режима сварки. Повышение содержания в шве углерода и марганца увеличивает, а уменьшение интенсивности теплоотвода, наоборот, уменьшает ширину зоны.

Рисунок 2. Схема строения структур металла шва при электрошлаковой  сварке

При сварке проволочными электродами могут быть только первые две зоны (рисунок 2,б) или какая-либо одна из них. Металл швов, имеющих структуру зоны 2, имеет пониженную стойкость против кристаллизационных трещин. Медленное охлаждение швов при электрошлаковой сварке в интервале температур фазовых превращений способствует тому, что их структура характеризуется грубым ферритно-перлитным строением с утолщенной оторочкой феррита по границам кристаллов. Термический цикл околошовной зоны при электрошлаковой сварке характеризуется ее длительным нагревом и выдержкой при температурах перегрева и медленным охлаждением. Поэтому в ней могут образовываться грубые видманштеттовы структуры, которые по мере удаления от линии сплавления сменяются нормализованной мелкозернистой структурой. В зоне перегрева может наблюдаться падение ударной вязкости, что устраняется последующей термической обработкой (нормализация с отпуском). Термический цикл электрошлаковой сварки, способствуя распаду аустенита в области перлитного и промежуточного превращений, благоприятен при сварке низколегированных сталей, так как способствует подавлению образования закалочных структур.

Основным фактором, определяющим после  окончания сварки конечную структуру  металла в отдельных участках зоны термического влияния, является термический цикл, которому подвергался металл в этом участке при сварке. Решающими факторами термического цикла сварки являются максимальная температура, достигаемая металлом в рассматриваемом объекте, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура различных участков зоны термического влияния определяется способом и режимом сварки, составом и толщиной основного металла.

Рассмотренное выше разделение зоны термического влияния является приближенным. Переход от одного структурного участка  к другому сопровождается промежуточными структурами. Кроме того, диаграмму железо — углерод мы рассматривали статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В действительности температура в точках зоны термического влияния изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.