Особенности сварки конструкций из среднелегированных сталей при различной термообработке.
В зависимости от размеров сварной конструкции, деформируемости ее при высокотемпературном нагреве, предъявляемых к соединениям требований, наличия оборудования для термообработки, а также экономичности изготовления конструкции сварные соединения из среднелегированных сталей могут подвергаться и не подвергаться термообработке. Технология сварки существенно зависит от вида термообработки соединений после сварки.
Сварные соединения подвергаются полной термообработке. Сварные соединения из среднелегированных сталей подвергают полной термообработке во всех случаях изготовления ответственных и тяжелонагруженных конструкций, когда это возможно. Последующую полную термообработку производят, если позволят габаритные размеры конструкций и обеспечиваются условия предупреждения деформаций при термообработке.
После полной термообработки сварное соединение, как правило, становится равноценным основному металлу по всему комплексу физико-химических свойств при условии, что химический состав металла шва и свариваемой стали будет одинаков. В ряде случаев при одинаковых с основным металлом химическом составе и термообработке металл шва может иметь механические свойства, превышающие свойства основного металла. Это обусловлено более благоприятной структурой первичной кристаллизации и большей химической однородностью металла шва по сравнению с катаным металлом, полученным из относительно крупных слитков.
В этой связи весьма показательны данные табл. , в которой сопоставлены механически свойства при комнатной температуре среднелегированных сталей 28Х3СНМВФА, 42Х2ГСНМА, и 20Х2МА и металл швов, выполненных электроннолучевой и электродуговой сваркой в среде аргона вольфрамовым электродом с колебаниями.
Таблица.
Механические свойства среднелегированных сталей и металла шва.
| Материал | Сварка | Участок соединения | σ в, кгс/мм2 | σ т, кгс/мм2 | δ , % | Ψ , % | Ан, кгс . м/см2 |
| 28Х3СНМВФА 42Х2ГСНМА 20Х2МА | Аргоно- дуговая с поперечными колебаниями электрода Электронно- Лучевая То же | Шов Основной металл Шов Основной металл Шов Основной металл | 182,8 64,3 | 158,2 - 144,1 57,5 48,5 | 11,5 8,3 15,6 9,6 28,9 24,5 | 56,8 47,4 54,5 62,8 | 5,9 4,8 5,2 4,3 22,5 18,7 |
Химический состав и термообработка сопоставленных металлов одинаковы. Сталь 42Х2СНМА (δ = 4 мм) проходила закалку и отпуск при температуре 250˚ С, а сталь 20Х2МА (δ = 60 мм) – закалку и отпуск при температуре 640˚ С. Металл шва, особенно при электроннолучевой сварке высокопрочной стали 42Х2ГСНМА, превосходит основной металл по показателям пластичности.
Между тем в практике часто бывают случаи, когда металл шва, близкий к основному металлу по химическому составу, после термообработки обладает не лучшими, а худшими вязкостью и пластичностью. Такое ухудшение свойств обычно происходит вследствие повышения в металле шва содержания газов, серы и фосфора, образования микродефектов, неполного устранения химической неоднородности и столбчатой структуры при термообработке, проводимой на режиме, принятом для основного металла, и других причин.
В связи с этим сварку следует производить плавящимся электродом того же состава, что и основной металл, или же неплавящимся электродом, ограничить угар легирующих элементов и предупреждать загрязнение металла шва газами и вредными примесями, которые могут проникнуть в зону сварки из окружающей атмосферы или сварочных материалов. Металлургическое воздействие при сварке среднелегированных сталей должно заключаться главным образом в улучшении первичной структуры металла шва путем ускорения кристаллизации и модифицирования его присадкой малого количества таких элементов, как титан, алюминий и др., а также регулирования количества, формы и распределения неметаллических включений.
Однако иметь одинаковый химический состав металла шва и основного металла далеко не всегда возможно вследствие опасности возникновения в швах кристаллизационных трещин. Особенно большие отступления от этого условия приходится допускать при дуговой сварке среднелегированных сталей средних и больших толщин с повышенным содержанием углерода, никеля и кремния. Понижая содержание в шве этих элементов, с целью предупреждения чрезмерного ухудшения его механических свойств прибегают к дополнительному легированию элементами, повышающими стойкость против образования кристаллизационных трещин. Примером такого решения может быть использования для сварки стали 30ХГСНА сварочной проволоки Св-20Х4ГМА.
При выборе состава проволоки для сварки среднелегированных сталей нужно учитывать, что часть легирующих элементов и углерода поступает в шов из основного металла в соответствии с его долей участия в образовании шва. Эта доля определяется методом и режимом сварки и может изменяться от 15 до 80%.
В сварных соединениях, подвергающихся полной термообработке можно меньше считаться с влиянием первичной структуры на свойства металла шва, чем в соединениях, не подвергающихся термообработке. Грубозернистая структура участка перегрева околошовной зоны при термообработке практически полностью устраняется. Все это позволяет применять для сварки термообработанных конструкций высокопроизводительные режимы и методы сварки, при использовании которых в сварных соединениях непосредственно после сварки может образоваться грубокристаллическая структура. К таким методам относится электрошлаковая сварка, а также сварка под флюсом при большой погонной энергии.
Термообработка сварных соединений обычно производится по режимам, установленным для свариваемой стали. Во всех случаях, когда металл шва отличается по химическому составу от основного металла, необходимо проверять соответствие этих режимов конкретным сварным соединениям.
Сварные соединения, не подвергающиеся термообработке после сварки. Большие скорости кристаллизации и остывания металла шва позволяют при соответствующем легировании и подборе режима сварки обеспечить его равнопрочность с основным металлом для среднелегированных сталей с временным сопротивлением до 100 кгс/мм2.
При этом пластичность и вязкость металла шва остаются достаточно высокими. Столь высокие свойства достигаются при условии улучшения не только первичной, но и вторичной структуры металла шва и предупреждения перегрева и разупрочнения в процессе сварки металла околошовной зоны.
Вторичную структуру металла шва можно измельчить в процессе сварки и получить при этом оптимальные механические свойства при условии применения таких термических циклов сварки, при которых распад переохлажденного аустенита произойдет преимущественно в нижней части температурного интервала ферритно-перлитного превращения. В этой области образуется мелкозернистая ферритная матрица, в которую вкраплены весьма мелкодисперсные продукты перлитно-бейнитного превращения.
При этом важно предупредить образование крупных участков избыточного феррита, снижающих прочность и особенно ударную вязкость металла шва при низких температурах.
Для достижения этого необходимо увеличить в определенных пределах скорость охлаждения и повысить содержание в нем углерода и стабилизирующих аустенит легирующих элементов. Эти пределы определяются тем, чтобы не допустить смещения превращения аустенита в шве в мартенситную область. Швы с большим количеством мартенсита в сварных конструкциях недопустимы из-за низких пластичности и вязкости. Кроме того, весьма трудно предупредить образование холодных трещин в таких швах.
Для повышения производительности при многослойной сварке соединений, не подвергающихся последующей термообработке, следует рекомендовать многодуговую сварку раздвинутыми дугами. При этом наряду с повышением производительности и сохранением всех преимуществ многослойной сварки в отношении качества металла шва достигается высокая стойкость сварных соединений против отколов.
При сварке особо ответственных конструкций, не подвергающихся последующей термообработке, в тех случаях, когда равнопрочность не является обязательным условием, используют сварочную проволоку с высоким содержанием легирующих элементов, обеспечивающих получение металла шва с аустенитной структурой и с временным сопротивлением до 55 кгс/мм2. Обладая гранецентрированной решеткой, металл шва с аустенитной структурой отличается высокой пластичностью и вязкостью даже при грубой литой структуре. Он не теряет этих свойств ни при низких температурах, ни при ударном приложении нагрузки. Сварные соединения с аустенитными швами применяют в самых ответственных и тяжелонагруженных конструкциях. Весьма ценным их свойством является высокая стойкость против образования трещин в околошовной зоне.
Для сварки среднелегированных сталей используют сварочную проволоку аустенитного класса Св-07Х25Н13 или Св-08Х20Н9Г7Т. Повышают долю электродного металла в металле шва путем применения постоянного тока прямой полярности, трехфазной сварки и других приемов. При этих условиях можно со сравнительно высокой производительностью сварить соединения аустенитным швом, не опасаясь разбавления аустенитного металла шва основным металлом и снижения его стойкости против образования кристаллизационных трещин, что имеет место при применении проволоки с более высоким содержанием легирующих элементов.
К недостаткам сварки среднелегированных сталей аустенитной сварочной проволокой кроме пониженной прочности металла шва следует отнести высокую стоимость проволоки и возможность возникновения отрывов по зоне сплавления.
Сварные соединения, подвергающиеся после сварки только высокому отпуску. В случаях, если нельзя применить закалку конструкции или соединения после сварки, например, из-за опасности деформаций, но необходимо несколько повысить механические свойства металла шва и околошовной зоны и снять сварочные напряжения, прибегают к высокому или низкому отпуску сварных конструкций. Высокий отпуск более эффективен, чем низкий, так как обеспечивает полное снятие сварочных напряжений и устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность металла несколько понижается, а пластичность и ударная вязкость существенно повышается.
Отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и, следовательно, не может устранить ни столбчатой структуры, ни явлений перегрева в околошовной зоне. Поэтому необходимо применять те же технологические меры по измельчению первичной и вторичной структур металла шва и околошовной зоны, что и в случае сварки среднелегированных сталей без последующей термообработки.