Легированные стали

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.

---

 

Общие сведения о свариваемости

Свариваемость конструкционных углеродистых и легированных сталей можно определить как способность стали переносить тепловой режим при том или ином сварочном процессе без образования в соединении участков металла с пониженными пластическими свойствами, способствующими возникновению трещин при сварке конструкций или разрушению сварных соединений в эксплуатации. Рассматриваемая группа материалов относится к закаливающимся сталям, в сварных соединениях которых под действием термического цикла сварки могут образовываться хрупкие и малопластичные зоны в участках, где металл нагревается до температур выше точки Ас3. Распад аустенита при охлаждении в условиях сварочного термического цикла начинается при более низких температурах и в некоторых случаях полностью не заканчивается даже при остывании до 20 °С; при этом в структуре металла наряду с мартенситом остается нестабильный остаточный аустенит (в зависимости от уровня легирования). Стали, склонные к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита при повышенной концентрации водорода, при воздействии внутренних напряжений чувствительны к образованию холодных трещин. Наиболее часто холодные трещины образуются в швах и околошовной зоне среднеуглеродистых и легированных сталей перлитного и мартенситного классов, свариваемых проволокой, состав которой близок к составу основного металла. Холодные (закалочные) трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250 °С и ниже), так и после полного остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24—48ч). Чем выше температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает.

Элементы, снижающие температуру мартенситного превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин. К таким элементам прежде всего относится углерод. В среднелегированных сталях температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др. О свариваемости применительно к ее чувствительности к закаливаемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалента углерода для различных легирующих элементов:

Сэкв=[С+Мn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]

где символы – химический элемент, содержание его в стали, % масс.

Стали с эквивалентом по углероду более 0,45 склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменения стали в сварной конструкции. При одном и том же показателе Сэкв стали с большим содержанием углерода имеют более высокую чувствительность к холодным трещинам, чем сложнолегированные стали с меньшим содержанием углерода. Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения. Замедленное разрушение связано с фиксированием нестабильного остаточного аустенита в структуре мартенсита при быстром остывании участков сварных соединений, нагревающихся при сварке выше точки Ас3. Остаточный аустенит с течением времени распадается при 20 °С. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0 °С. При сварочном цикле создаются благоприятные условия для образования остаточного аустенита вследствие повышенной гомогенизации твердого ?-раствора при нагреве до высоких температур и высокой скорости охлаждения. Кроме того, объемные напряжения сжатия, возникающие в шве и прилегающей зоне основного металла при образовании мартенсита, затормаживают процесс мартенситного превращения и могут способствовать сохранению еще большего количества остаточного аустенита. При распаде остаточного аустенита с увеличением объема образуется хрупкая структура неотпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увеличения микрообъемов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она более хрупка, и образование трещин более вероятно.

Когда сварной шов выполняют в условиях жесткого закрепления свариваемых деталей, в шве после остывания развиваются высокие растягивающие напряжения от реакции заделки. Суммарное воздействие растягивающих сварочных напряжений I рода и структурных напряжений, возникающих в результате распада остаточного аустенита при 20 0С, в критических случаях приводит к появлению трещин с течением времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включениями, резкими переходами в проплаве и т. д. Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворенный в металле; он затормаживает распад аустенита и снижает точку мартенситного превращения стали. Избыточный водород, растворенный в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создает местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин.

Образование хрупкой структуры мартенсита является необходимым, но не всегда достаточным фактором для реального появления трещины. Необходимо наличие и других факторов — растягивающих напряжений, остаточного аустенита и избыточного водорода. Многие конструкции свариваются и надежно эксплуатируются (особенно из низкоуглеродистых легированных сталей) при наличии структуры мартенсита в сварном соединении, если устранены концентраторы напряжений в хрупкой зоне или созданы благоприятные условия в сварном соединении, снижающие чувствительность конструкций к концентрациям напряжений (применены аустенитные присадки, обеспечивающие аустенитную структуру шва с высокой пластичностью, или поверхностная обработка путем наклепа).

Образование холодных трещин при сварке закаливающихся сталей уменьшается:

1) при выборе способа и технологии сварки, обеспечивающих отсутствие грубодендритной закалочной структуры литого металла шва, минимальном перегреве зоны термического влияния и минимальных дополнительных растягивающих напряжениях при остывании шва за счет реакций связей;
2) при сварке с применением подогрева, уменьшающего вероятность образования закалочных структур;
3) при снижении содержания водорода в сварном соединении;
4) при отпуске после сварки.

Применение специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульсного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбор оптимальных режимов сварки позволяют обеспечить более равноосную зернистую структуру металла шва и предупредить чрезмерное развитие зоны перегрева основного металла с крупнокристаллической структурой.

Метод сварки влияет на склонность сварных соединений к образованию холодных замедленных трещин. Для среднелегированных сталей методы сварки по возрастанию сопротивляемости сварных швов к образованию холодных трещин можно расположить в следующем порядке: автоматическая сварка под кислыми флюсами (АН-348-А и др.), ручная дуговая сварка электродами типа УОНИ-13 (УОНИ-13/45; УОНИ-13/85), сварка в СО2, аргонодуговая сварка.

Обеспечение при сварке изделий свободной усадки сварных соединений с помощью рациональной конструкции, порядка наложения сварных швов, применения приспособлений, создающих сжимающие напряжения в сварном соединении при остывании, позволяют снизить реактивные растягивающие напряжения в сварных соединениях. Например, при сварке фланцев (рисунок 1,а) хороший эффект обеспечивает предварительный выгиб кромок листа для компенсации усадки (рисунок 1,б), замена сварки плоским кольцевым швом сваркой по отбортовке (рисунок 1,в), запрещение применения сварки угловыми швами (рисунок 1,г). Предварительный или сопутствующий подогрев с целью предупреждения образования закалочных структур следует производить лишь в крайних случаях и для деталей с небольшим протяжением сварных швов, так как поддержание с достаточной точностью заданной температуры подогрева по всей длине шва в течение всего процесса сварки является трудно осуществимым, а условия работы сварщика становятся весьма тяжелыми; все это делает технологический процесс нестабильным. Подогрев осуществляют газовыми горелками и с помощью ТВЧ посредством индукторов. Температуру в пределах 100—500 °С контролируют цветными термокарандашами.

Рисунок 1. Типы сварных соединений штуцеров

Снижение содержания водорода в металле шва для предупреждения холодных трещин обеспечивается применением осушенных защитных газов, низководородистых электродов (основного типа), прокаливанием их и флюсов перед сваркой. При газоэлектрических методах сварки (сварка в СО2, в аргоне и др.) влажность газов необходимо контролировать. Следует применять сухие
газы с точкой росы не выше — 50 °С, так как влажные газы резко повышают склонность сварных швов к образованию холодных трещин. При ручной дуговой сварке сталей с пределом текучести более 700 МПа содержание влаги в покрытии не должно превышать соответственно 0,2 и 0,1%.

Эквивалентное содержание углерода влияет на критическое содержание водорода в металле конструкционных легированных сталей. Чем выше содержание углерода и других элементов, понижающих температуру мартенситного превращения, тем при меньшем содержании водорода образуются трещины.

Отпуск сварных конструкций снимает остаточные сварочные напряжения, улучшает структуру и свойства металла шва, снижает твердость закаленных зон сварного соединения и устраняет опасность образования холодных трещин со временем. Перерыв между началом сварки и термической обработкой устанавливают различный (от 30 мин до нескольких часов) в зависимости от марки стали и склонности ее сварных соединений к замедленному разрушению. В тех случаях, когда немедленное проведение высокого отпуска (местного с помощью ТВЧ или общего в печи) затруднено, применяют предварительно низкий стабилизирующий отпуск при 250—300 °С с последующим высоким отпуском в печи. В некоторых случаях последующий высокий отпуск не применяют, если механические свойства соединений удовлетворяют эксплуатационным требованиям.

Склонность к горячим трещинам сварных швов углеродистых и легированных конструкционных сталей определяется следующими факторами:

1) химическим составом металла шва, от которого зависит межкристаллитная прочность и пластичность в опасном температурном интервале хрупкости (ТИХ);
2) величиной и скоростью нарастания растягивающих напряжений и соответственно деформаций в ТИХ;
3) величиной первичных кристаллитов;
4) формой сварочной ванны (шва), от которой зависит направление роста столбчатых кристаллитов, характер их срастания и расположение осей кристаллитов (или межкристаллитных участков) относительно направления растягивающих напряжений.

Элементами, обусловливающими образование горячих трещин в металле углеродистых и легированных швов, являются, прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5 — 4,5%), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). Элементами, повышающими стойкость швов против трещин, нейтрализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром и ванадий.

Измельчение и дезориентирование структуры металла шва, предупреждение развития грубой дендритной структуры с ликвационными зонами за счет соответствующего легирования и приемов сварки — все это повышает сопротивляемость швов против разрушения в температурном интервале хрупкости.

Качественные конструкционные стали, содержащие минимальное количество серы и фосфора (менее 0,035—0,025%), малочувствительны к горячим трещинам. Однако с повышением содержания углерода выше 0,25% чувствительность к горячим трещинам заметно возрастает. При этом, чем ниже содержание легирующих элементов, препятствующих образованию кристаллизационных трещин, тем выше склонность к трещинообразованию при одном и том же содержании углерода. В швах среднеуглеродистых сталей склонность к горячим трещинам резко падает при легировании марганцем до 1,8—2,5%. С этих позиций применение марганцовистых сталей (10Г2А, 12Г2А и др.) той же прочности более желательно.

При сварке листов встык наиболее опасными местами появления горячих трещин являются начало и конец шва. Наложение связи путем приварки технологических планок, заварка концевых участков шва в направлении от центра к краю свариваемых листов дозволяют предупредить образование концевых трещин. Часто горячие трещины появляются в прихватках. Более частые прихватки, наложение их с обратной стороны шва уменьшают опасность образования трещин. Снижение растягивающих внутренних напряжений при охлаждений шва в ТИХ и, тем самым предупреждение горячих трещин может быть достигнуто путем уменьшения числа и сосредоточения швов при конструировании, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жесткости узлов и другими мерами. Предварительный подогрев является эффективным, особенно для высокоуглеродистых сталей. Температура подогрева колеблется от 150 до 500 °С в зависимости от химического состава металла шва (величины Сэкв), конструкции и сечения деталей и других факторов.

Для снижения внутренних растягивающих напряжений в ТИХ целесообразно выполнять сварку такими методами, которые обладают наибольшей проплавляющей способностью при наименьшей погонной энергии (электронный луч, плазменная дуга, импульсная дуга, сварка с активирующими флюсами и др.). Стойкость против образования горячих трещин повышается при устранении концентраторов, вызванных формой шва и подготовкой кромок под сварку. Применение швов с остающимися подкладками, сварка «в замок», швы с непроваром и т. п. являются нежелательными. Сварка встык с полным проплавом наиболее предпочтительна.

В швах углеродистых и легированных конструкционных сталей может наблюдаться пористость. Поры образуются вследствие чрезмерного насыщения жидкого металла водородом или азотом, поступающим из среды, окружающей дугу, или из расплавляемого металла, и последующего их выделения при кристаллизации металла. Образование пор возможно непосредственно перед началом кристаллизации металла в результате запоздавшей реакции раскисления углеродом из-за недостатка в шве других раскислителей (Si, Мn, A1). Водород может попасть в зону сварки с маслом, влагой и ржавчиной при использовании влажных электродов, флюсов и защитных газов. Ухудшение защиты сварочной зоны от воздуха и связанная с этим возможность образования пор возрастают при увеличении зазоров между кромками и размеров зерен флюса, при повышении напряжения на дуге и увеличении скорости сварки.

Появление пор при сварке иногда обусловлено насыщением азотом поверхности листов при их нагреве в специальных безокислительных газовых защитных смесях в процессе металлургического производства. Особенно это) проявляется при сварке тонколистового металла без разделки кромок.

---

 

Некоторые особенности сварки

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.

---

 

Общие рекомендации по сварке

При разработке технологических процессов сварки среднеуглеродистых и легированных конструкционных сталей, для обеспечения надежных с заданными эксплуатационными характеристиками изделий необходимо предусматривать некоторые положения.

1. Правку, вальцовку, штамповку и другие операции формообразования свариваемых заготовок выполнять в отожженном состоянии.

2. Подготовку свариваемых кромок выполнять на металлорежущих станках (строгание, фрезерование, точение, резку на ножницах тонких листов), что обеспечивает необходимую точность сборки и отсутствие изменения структуры металла в месте реза. Газовую резку при подготовке кромок можно применять как исключение в условиях монтажа крупногабаритных сооружений для сталей с прочностью до 1000МПа.

3. Поверхность металла в зоне сварки очищать от окалины, ржавчины и других загрязнений, а также от влаги. Перечисленные загрязнения создают условия для образования пористости, окисных включений, а в некоторых случаях и трещин в металле шва (за счет насыщения металла водородом). Зачистку производить на участке шириной не менее 10-15 мм как сверху, так и снизу свариваемых кромок, а также торца, если последний имеет окисленную поверхность. Зачистку производят, как правило, вручную щетками, или на пескоструйных и дробеструйных аппаратах.

4. В случае сварки деталей, упрочненных термической обработкой, особенно крупногабаритных, подготовку кромок под сварку (подрезку торца, выполнение разделки кромок) и их зачистку следует выполнять после термической обработки для обеспечения необходимых точности сборки свариваемых деталей и параметров шероховатости поверхности.

5. При сборке деталей под сварку обеспечивать надежное закрепление деталей относительно друг друга. При этом смещение кромок должно быть минимальным и не превышать 10—15% толщины свариваемых кромок. Зазоры между кромками должны быть минимальными и постоянными по величине за исключением специальных случаев сварки в щелевой зазор. Сварочные приспособления должны обеспечивать фиксирование свариваемых деталей, предупреждая изменение зазора и смещение кромок в процессе сварки.

6. При необходимости прихваток для фиксирования деталей в месте сварки их размеры и расположение должны обеспечивать необходимую прочность и возможность полной переварки при укладке основных швов. Прихватки выполняют с особой тщательностью, их металл не должен иметь пор и трещин. Кратеры прихваток должны быть заварены. Перед наложением основного шва прихватки необходимо тщательно зачищать.

7. Сварку среднеуглеродистых сталей (35, 40 и др.) следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применением присадочной проволоки с низким содержанием углерода и уменьшением доли основного металла в металле шва. Следует также обеспечить получение швов с большим коэффициентом формы, выбрать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влияния, предупреждения опасного роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия хрупких закалочных структур. Последнее часто может быть обеспечено применением предварительного подогрева до 250—300 °С. Многослойная сварка одной или двумя раздвинутыми дугами электродами малого диаметра, применение низкоуглеродистых или низколегированных проволок (СвО8А, Св-08ГА, Св-10Г2) в сочетании с флюсами или покрытиями, дополнительно легирующими шов марганцем и кремнием (флюс АН-348-А, электроды УОНИ-13/55 и др.), способствуют получению работоспособных сварных швов. Наиболее часто применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами и автоматическую сварку под флюсом. При изготовлении крупногабаритных толстостенных конструкций целесообразно применять электрошлаковую сварку как высокопроизводительный процесс, позволяющий за один проход сваривать металл неограниченной толщины.

8. Перечисленные мероприятия не предотвращают полностью закалки металла в околошовной зоне, и для получения высоких пластичных и вязких свойств сварного соединения необходимо применять последующую термическую обработку—отпуск или закалку с отпуском, особенно при наличии соединений больших толщин. На среднеуглеродистых сталях удовлетворительное соединение можно получить всеми видами сварки, за исключением газовой. После сварки необходим отпуск при 650 °С; изделия сложной конфигурации и с толщиной стенок более 15 мм сваривают с предварительным подогревом до 200 °С. Стали 10Г2А и 12Г2А используют в конструкциях при толщине листов до 4 мм. Стали сваривают всеми видами сварки, в том числе и газовой. Конструкции можно изготовлять из нормализованных элементов без термической обработки после сварки. При сварке легированных конструкционных сталей режимы сварки, технику сварки и сварочные материалы выбирают из необходимости предупреждения образования холодных трещин в шве и околошовной зоне и обеспечения конструктивной прочности сварного соединения, равной прочности основного металла. Для этого в технологическом процессе необходимо предусмотреть выполнение рекомендаций, изложенных при рассмотрении средств борьбы с холодными трещинами. Сварку производят по возможности без перерывов. Ветер и сквозняк, а также низкая температура при сварке не допускаются. При возрастании тока увеличивается нагрев стали в зоне шва и замедляется, ее охлаждение. В результате этого сталь закаливается слабее. Однако повышенными режимами следует пользоваться с осторожностью, так как может возникнуть опасность значительного перегрева в околошовной зоне и образование горячих кристаллизационных трещин в шве из-за появления грубой дендритной структуры. Для уменьшения закалки основного металла сварку производят в несколько проходов. При многослойной сварке отдельные накладываемые валики должны быть одинакового сечения. При этом зона отпуска от наложения последующих валиков частично проходит по зоне закалки предыдущих валиков и отпускает ее, что приводит к равномерному отпуску всей зоны термического влияния. При наложении валиков разного сечения около шва остаются прослойки закаленной стали, которые могут дать закалочные трещины. Последний валик, называемый отжигающим, необходимо накладывать при температуре шва 300 °С таким образом, чтобы он не касался основного металла и зона закалки от него не переходила на основной металл. Правильная форма шва имеет особое значение при сварке закаливающихся легированных сталей. Недопустимы подрезы и непровары в сварных швах. Неровности шва, резкие переходы от шва к основному металлу, грубые проплавы и т. п. могут служить очагами появления трещин или приводить к хрупким разрушениям при нагружении изделия. Для улучшения формы перехода от шва к основному металлу, например, при сварке трубчатых конструкций с угловыми швами, применяют наложение дополнительных сглаживающих валиков газовой или аргонодуговой сваркой (сварка с усом). С этой же целью осуществляют и механическую обработку швов.

9. При изготовлении сварных изделий из легированных сталей с пределом прочности 1000МПа и более применяют следующие виды термической обработки:
а) предварительную до сварки с целью снятия остаточных напряжений после гибки, штамповки и т. п. путем отжига или придания деталям перед сваркой соответствующих механических свойств с помощью закалки и отпуска;
б) промежуточную для устранения повышенной твердости шва и зоны закалки (с целью выполнения последующей правки) путем отпуска при 650-680 °С и для предупреждения образования холодных трещин путем местного или общего отпуска при 200—600 °С;
в) окончательную для придания сварному изделию требуемых высоких механических свойств и улучшения структуры сварного соединения.

10. Сталь 12Х2НВФА хорошо сваривается дуговой и контактной сваркой всех видов, удовлетворительно-газовой и атомно-водородной сваркой. Отпуск после сварки для снятия остаточных напряжений применяют только в сварных изделиях со значительной толщиной свариваемых кромок (более 15 мм) при наличии скопления швов, швов сложной конфигурации и прочих условий, способствующих формированию сложнонапряженного состояния с высоким уровнем максимальных растягивающих напряжений. Стали 25ХГСА и 30ХГСА сваривают сваркой всех видов. Сталь 30ХГСА обладает повышенной склонностью к трещинообразованию при сварке. Для снятия внутренних напряжений после сварки необходимо применять отпуск. Конструкции, термически обрабатываемые после сварки на заданную прочность, в случае длительного разрыва между сваркой и термической обработкой также подвергают отпуску при 650 °С. При большом числе швов на узлах из указанных сталей, создающих жесткую систему (большое число ребер жесткости и др.), рекомендуется производить промежуточный высокий отпуск после сварки определенного числа швов. Конструкции, изготовляемые из термически обработанных элементов, подвергают отпуску при температуре на 50 °С ниже температуры отпуска после закалки. Допускается отпуск при 250 °С с выдержкой не менее 2 ч. Детали из стали 30ХГСА толщиной более 3 мм (сварка в отожженном состоянии), имеющие швы с особо жесткими контурами, во избежание образования трещин рекомендуется сваривать с подогревом до температуры 250—350 °С, которую нужно поддерживать в течение процесса сварки. Подогрев может быть как местным, так и общим, но обязательно равномерным по всему периметру сварного шва и близлежащих зон на ширине не менее 100 мм по обе стороны от шва. В особо сложных сварных узлах не исключено применение подогрева и для сталей 25ХГСА и 23Х2НВФА. Сталь 23Х2НВФА сваривают контактной сваркой; удовлетворительно — дуговой сваркой всех видов. После сварки деталь необходимо подвергать отпуску при 500 °С. Отпуск деталей сложной конфигурации нужно производить немедленно после сварки.

11. Сталь 30ХГСНА сваривают ручной дуговой, автоматической под флюсом, аргонодуговой и атомно-водородной сваркой. Газовую и контактную сварку не применяют. Атомно-водородную сварку применяют только для отожженных деталей и используют только при условии полной термической обработки узла после сварки и толщине свариваемых элементов до 6 мм, а также для выполнения первого слоя при многослойной сварке деталей большой толщины. Сталь 30ХГСНА склонна к образованию холодных трещин в сварных соединениях. Детали после сварки необходимо подвергать отпуску при 650 °С. Время, затрачиваемое на перенос деталей в печь, должно быть минимальным, чтобы металл в месте сварки не остыл до температуры ниже 250 °С. При значительной протяженности сварных швов сварку надо производить в несколько приемов с промежуточными отпусками. Сложные конструкции с замкнутыми швами сваривают в подогретом состоянии при 200—300 °С. Детали простой формы можно сваривать без подогрева. Сварку конструкций, изготовленных из закаленных элементов, производят с подогревом до 200—250 °С. После сварки эти конструкции подвергают отпуску при 200—250 °С с выдержкой в течение 3 ч. Отпуск при этом нужно производить не позднее, чем через 1 ч после сварки.

12. Высокопрочные стали 30Х2ГСНВМ и 42Х2ГСНМ сваривают в среде нейтральных защитных газов (аргона или гелия). Для обеспечения заданных свойств сварных соединений конструкции подвергают термической обработке (закалке с отпуском). Предварительно, после сварки должен быть произведен местный отпуск с помощью ТВЧ или общий отпуск в печи с промежуточным временем от момента окончания сварки до проведения отпуска не более 30 мин.

В случае повышенной склонности к образованию холодных трещин металла отдельных партий рекомендуется подогрев деталей (или кромок) перед сваркой до 200 – 250 °С. Листовые конструкции с толщиной листов 3—4 мм и менее сваривают без подогрева. При невозможности термической обработки всей конструкции из стали 42Х2ГСНМ после сварки из-за больших размеров или для сохранения геометрических параметров рекомендуется применять переходники с большей толщиной стенки из стали 30Х2ГСНВМ, приварку которых к узлам и деталям из стали 42Х2ГСНМ производят с последующей термической обработкой, а сварку их между собой осуществляют в термически обработанном состоянии. В этом случае допустима только сварка кольцевых швов при утолщенных кромках в местах сварки. Сварные швы на утолщенных кромках подвергают местному отпуску индукционным нагревом с получением предела прочности 100 – 130МПа. Ширина зоны нагрева для получения температуры отпуска не должна выходить за пределы утолщения кромок.

Отпуск с помощью ТВЧ должен производиться не позднее чем через 15 мин после окончания сварки.

Узлы из высокопрочных сталей 28Х3СНМВФА, 33Х3СНМВФА, 43Х3СНМВФА сваривают аргонодуговым методом предпочтительно в отожженном состоянии. Для предупреждения образования холодных трещин не позднее чем через 15 мин после сварки следует произвести высокотемпературный (650 °С) или низкотемпературный (250—300 °С) стабилизирующий отпуск. Для получения требуемых механических свойств, сварную конструкцию подвергают соответствующей термической обработке.