Стали для сварных конструкций

Стали являются основным материалом для производства сварных конструкций — это мосты, строительные фермы, корпусные детали самого различного оборудования, кронштейны и т. п. Сварку осуществляют как в цехах, так и на открытом воздухе.

Наиболее широкое применение нашла сварка оплавлением. Эта технология позволяет получать сварные конструкции различных габаритов, сваривать заготовки различной толщины: от очень малой (доли мм) до толстостенных (толщиной 1 м и более).

Технологичность сталей при сварке оценивают склонностью к образованию горячих и холодных трещин. Опасность их возникновения определяется структурными превращениями и существенными различиями структуры основного металла и структур собственно сварного шва, а также прилегающей к нему зоны, испытывающей тепловое воздействие, — зоны теплового воздействия (ЗТВ) (рис. 11.11). Ширина ЗТВ меняется в пределах 6…25 мм в зависимости от способа сварки — источника нагрева.

Участок 1 — сварной шов. Температура металла выше линии ликвидус — зона расплавленного металла. Металл имеет литую структуру, состоящую из грубых столбчатых кристаллов, для металла этой зоны характерны и низкая прочность, и низкая пластичность.

По мере удаления от сварного шва температура снижается, поэтому различные участки ЗТВ имеют разную структуру.

Участок 2 — температура металла ниже линии ликвидус, но выше линии солидус — участок частичного оплавления. Его структура состоит из весьма крупного зерна; кроме того, для этого участка характерна повышенная концентрация примесей. Прочность металла на участке весьма низкая — это самое слабое место сварных соединений.

Участок 3 (температура 1300…1000 °С) — область значительного перегрева основного металла, в котором пре;

Рис. 11.11. Структура ЗТВ (схема):

1 — сварной шов (зона расплавленного металла); 2 — зона частичного плавления; 3 — зона перегрева основного металла; 4 — зона перекристаллизации; 5 — зона неполной перекристаллизации; 6 — зона возможной рекристаллизации; 7 — зона перехода от ЗТВ к основному металлу обладает крупное зерно, поэтому металл характеризуется пониженной пластичностью и вязкостью.

Участок 4 (температура 1000…900 °С). От этих температур выполняется нормализация доэвтектоидных сталей. Здесь происходит перекристаллизация (? —? превращение) металла, что определяет измельчение зерна. Металл на этом участке обладает повышенной прочностью и пластичностью.

Участок 5 (температура 900…727 °С) — область неполной перекристаллизации, металл характеризуется неоднородным строением — наличием и мелких, и крупных зерен. Механические свойства металла ниже, чем на участке 4.

Участок 6 (температура 727…500 °С) — при этих температурах выполняют рекристаллизационный отжиг (см. подпараграф 3.5.3). В том случае, если сталь подвергалась холодной пластической деформации, произойдет разупрочнение металла этой зоны.

Участок 7 (температура ниже 500 °C, т. е. ниже Ас1) — зона перехода от ЗТВ к основному металлу. Возможно протекание процессов старения и снижения пластичности.

Структуры рассмотренных участков ЗТВ могут отличаться от показанных на рис. 11.11 и характерных для низкоуглеродистой стали. Так, например, среднеуглеродистые легированные стали в зонах с температурой выше Ас3 могут иметь структуру мартенсита, а в зоне с температурой в интервале Ас1…Асу — структуру, состоящую из мартенсита, бейнита и феррита.

Горячие трещины. Вероятность их возникновения возрастает, если при нагреве в структуре образуются легкоплавкие эвтектики. В сталях при содержании серы в количестве более 0,03% может образовываться легкоплавкая эвтектика системы «Fe — FeS», ее наличие вызывает появление горячих трещин (аналогично красноломкости). Легкоплавкая эвтектика образуется и при наличии сульфида никеля. Повышенное содержание фосфора также увеличивает опасность появления горячих трещин. В сталях с малым содержанием вредных примесей горячих трещин практически не возникает.

Сопротивление образованию горячих трещин оценивают показателем — HCS (hot cracking susceptibility, дословно — восприимчивость к горячим трещинам):

HCS= C (S + Р + Si/25 + Ni/100) •103/3?n + Cr + Mo + V.

При сварке углеродистых и низколегированных сталей горячих трещин не возникает при . При сварке высоколегированных (например, высокопрочных) сталей этот показатель не должен превышать значение 1,6.

Холодные трещины. В сталях с высокой закаливаемостью (она тем выше, чем больше в стали углерода, см. 5.5.2) холодные трещины могут возникать вследствие структурных напряжений (при сварке некоторые участки ЗТВ нагреваются выше закалочных температур, при быстром охлаждении образуется мартенсит). Холодные трещины могут проявляться также под действием термических напряжений, возникающих в сварном шве и прилегающей к нему зоне.

В целях предотвращения холодных трещин следует уменьшить скорость охлаждения зоны металла, прилегающей к сварному шву, для чего осуществляют подогрев этой зоны. Температуру подогрева следует выбирать такую, чтобы скорость охлаждения ЗТВ была меньше критической (см. рис 5.7), при этом мартенситного превращения не произойдет, уменьшатся термические напряжения.

Суммарное влияние химического состава на склонность к образованию холодных трещин оценивается эквивалентным содержанием углерода ():

Стали, у которых C3 < 0,25%, хорошо свариваются без образования трещин. При C3 = 0,25…0,35% стали свариваются удовлетворительно, незначительно склонны к образованию трещин, но в ряде случаев требуется подогрев. При свариваемость сталей ограниченная, а при - плохая. Стали с ограниченной и плохой свариваемостью склонны к трещинообразованию, их можно сваривать лишь при определенных режимах, подогрев обязателен.

Склонность к образованию холодных трещин возрастает с увеличением толщины свариваемых заготовок из-за увеличения скорости охлаждения, так как теплопроводность металлов значительно выше, чем воздуха.

Покажем это на примере марганцовистых сталей, широко используемых для изготовления сварных конструкций (). Увеличение углеродного эквивалента (т.е. уровня легирования сталей), а также скорости охлаждения заготовок приводит к образованию мартенсита в структуре ЗТВ и возникновению холодных трещин (рис. 11.12). Увеличение от 0,2 до 0,4 при скорости охлаж;

Рис. 11.12. Влияние химического состава и скорости охлаждения на склонность к образованию холодных трещин (схема).

дения 10 °С/с, так же как повышение скорости охлаждении с 1 °С/с до 10 °С/с при Сэ = 0,4, приводит к появлению холодных трещин.

Таким образом, склонность к образованию холодных трещин, определяющая технологическую свариваемость, зависит от химического состава стали и толщины свариваемых заготовок. Приведем стали, обладающие различной технологической свариваемостью:

• — хорошей свариваемостью обладают нелегированные низкоуглеродистые стали 0,8, 10, 15, 20, Ст1… Ст4. Подогрева не требуется даже при сварке заготовок с толщиной до 100 мм. Предел прочности таких сталей не превышает 400…420 МПа;
• — удовлетворительной свариваемостью обладают низкоуглеродистые марганцовистые стали 09Г2, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С. При толщине свариваемых заготовок до 30 мм нет необходимости сварочного подогрева. Прочность этих сталей выше, чем сталей предыдущей группы, — ?в до 520 МПа. Они применяются для изготовления нагруженных конструкций — сосудов и трубопроводов, работающих под давлением, мостовых ферм и т. п.;
• — ограниченная свариваемость характерна для среднеуглеродистых, в том числе среднелегированных, сталей — 30, 40, 45, 35ХГСА, 45ХМА и сложнолегированных низкоуглеродистых — 15Х5МФ, 20Х2НМФ. Подогрев при сварке обязателен;
• — плохая свариваемость — у углеродистых сталей с высоким содержанием углерода — сталь 65 и тем более у легированных — 65 Г. Подогрев при сварке обязателен.

Таким образом, для изготовления сварных конструкций применяют стали двух первых групп с хорошей или удовлетворительной технологической свариваемостью.

Стали двух последних групп используют главным образом для изготовления нагруженных деталей машин. Сваривают отожженные заготовки, подогрев при сварке обязателен при всех толщинах заготовок. После сварки заготовки могут быть подвергнуты упрочняющей термической обработке. Предел прочности этих сталей в упрочненном состоянии высокий — 600…1000 МПа.