Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей

Низколегированные низкоуглеродистые стали содержат до 5 % легирую-щих элементов и до 0,25 % углерода. По своему назначе­нию они делятся на две большие группы: конструкционные итеплоустойчивые стали. Конструкцион-ные стали предназначены для соо­ружения конструкций, эксплуатирующихся в температурном интервале от -70 до +475°С. Теплоустойчивые стали предназна-чены для эксплуатации при температурах от +450 до +600°С.

Низколегированные конструкционные стали упрочнены по сравнению с углеродистыми сталями за счет легирования марган­цем, кремнием, в некоторых случаях в небольших количествах ни­келем (1-2 %). Это позволяет повысить прочность стали до σ_в=480-540МПа, что примерно на 20-30 % выше, чем для стали Ст3. Несколько повышаются и пластические свойства стали, в частности ударная вязкость при низких температурах. По этой причине при­менение низ-колегированных сталей позволяет уменьшать расчет­ные сечения несущих эле-ментов сварных конструкций, снижать их вес, расширять область применения. Химический состав и механи­ческие свойства низколегированных сталей при-ведены в табл. 6.13.

Таблица	6. 13. Химический состав и механические свойства низколегированных сталей
Марка стали	Содержание химических элементов, % (но массе)	Механические свойства
	С	Si	Мп	другие	σт, МПа, не менее	σв, МПа, не менее	KCU- 40, МДж/м2
14Г	0,12-0,18	0,17-0,37	0,7-1,0	-			0,35
19Г	0,16-0,22	0,17-0,37	0,8-1,15	-			0,35
09Г2	<0,12	0,17-0,37	1.4-1.8	-			0,30
14Г2	0,12-0,18	0,17-0,37	1,2-1,6	<0,3			0,35
18Г2	0,14-0,20	0,25-0,55	1,2-1,6	<0,3			0,40
12ГС	0,09-0,15	0,5-0,8	0,8-1,2	-			-
16ГС	0,12-0,18	0,4-0,7	0,9-1,2	-			0,4
17ГС	0,14-0,20	0,4-0,6	1,0-1,4	-			0,4
09Г2С	<0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	-			0,4
10Г2С1	<0,12	0,9-1,2	1,3-1,65	(0,15-0,3)Си <0,3Ni			-
10ХСНД	<0,12	0,8-1,1	0,5-0,8	(0,6-0,9) Се, (0,5-0,8)Ni (0,4-0,65)Cu			0,5
15ХСНД	0,12-0,18	0,4-0,7	0,4-0,7	(0,6-0,9)Сг, (0,3-0,6)Ni, (0.2-0,4)Cu			0,3

Наиболее распространенными низколегированными низкоугле­родистыми сталями являются 14Г; 09Г2; 14Г2; 12ГС; 09Г2С; 10ХСНД; 15ХСНД. При сварке они обычно образу­ют сварные швы перлит­ной структуры. Однако при высоких скоростях ох­лаждения в шве может об­разовываться бейнит и мартен-сит. На рис. 6.8 приведены графики изме­нения количества струк­турных сос-тавляющих - С и твердости шва низкоуглеродистой низколегированной стали в зависимости от погонной энергии.

Погонная энергия

Рис.6.8- Изменение количества структурных составляющих и твердости шва низколегированной низкоуглсродистой стали в зависимости от погонной

энергии:1– мартенсит; 2 - перлит; 3 - остаточный аустенит; 4 - твердость

При малой погонной энергии, для которой характерны высокие скорости охлаждения, снижается пластичность и возрастает твердость шва (кривая 4),

увеличивается содержание вшве мартенсита(кривая 1).Это в некоторых случаях может привести к образова­нию трещин. Таким образом, низколегированные стали более чувствительнык термическому циклу, чем низкоуглеродистые нелегированные стали,что необходимо учитывать при сварке и более тщательноподходить к выбору режимов.

В случаях, когда ожидаются повышенные скорости охлаждения вследст-вие увеличенного теплоотвода, целесообразно выполнение небольшого пред-варительного подогрева до 150-200°С. Это может бытьсварка при отрицатель-ных температурах, сварка тавровых соединений за один проход (теплоотвод идет в трех направлениях), сваркапервого прохода для больших толщин идр. В остальном тех­нологияи режимы сварки низколегированных низкоуглеро-дистых сталей мало отличаются от сварки обычных низкоуглеродистых сталей.

При ручной сварке используются электроды типа Э46А; Э50;Э50А, чаще всего с основным типом покрытия. Наиболее распространены электроды УОНИ 13/55; АНО-10; АНО-11; АНО-12; АНО-23;АНО-25; АНО-30; К-5А; ОЗС-5; ОЗС-18; ОЗС-25;ОЗС-29.

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, которые применяются для сварных конструкций, поставляют в основном в гарячекатаном или нормализованном состоянии. Ряд сталей применяют в термоупрочненом состоянии (после закалки и отпуска), что дает возможность повысить их прочность и стойкость против хрупкого разрушения. Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,23%. Стали этого типа легируются рядом элементов, например марганцем, хромом, кремнием, ванадием и др., что приводит к некоторому повышению их прочности. Поэтому их часто называют низколегированными сталями повышенной прочности.

В зависимости от легирования стали рассмотренного типа подразделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцовистые и др. Расширяется применение стали повышенной прочности на основе нитридного упрочнения, например с ванадием и азотом (стали 15Г2АФ, 18Г2АФ), а также стали, дополнительно легированные небольшими количествами (0,02...0,04%) ниобия (сталь 10Г2Б).Перспективно применение для сварных конструкций полуспокойных сталей с нитридным упрочнением типа 18Г2АФ_ПС.

Низколегированные конструкционные стали повышенной прочности должны иметь высокую стойкость против перехода в хрупкое состояние и быть недорогими и экономичными в производстве. Состав стали должен определять возможность ее сварки без осложнения технологии и обеспечивать высокую стойкость против образования трещин в металле шва. Использование дефицитных и дорогих легирующих элементов, например никеля и молибдена, ограничивается требованием низкой стоимости и экономичности производства. Поэтому в применяемых низколегированных сталях (15XСНД и 10ХСНД) содержание никеля небольшое.

Необходимость обеспечения высокой стойкости против перехода в хруп-кое состояние и хорошей свариваемости ограничивает применение легирующих элементов, которые, содействуя повышению прочности стали, в то же время снижают ее стойкость против перехода в хрупкое состояние и образование кристаллизационных трещин (например углерода и кремния).

По содержанию серы и фосфора низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали могут быть отнесены до качественных сталей. В пос-ледние годы находят применение стали со сниженным содержанием серы, нап-ример рафинированные в ковше жидкими синтетическими шлаками.

Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладнолом-кость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. В сравнении с другими низколегированными сталями марганцевые позволяют получить сварные соди-нения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в низьколегированные стали небольшого количества меди (0,3...0,4%) повышает стойкость стали против коррозии в атмосферной и морской воде.

Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали испо-льзуют в горячекатаном состоянии. Термообработка значительно улучшает ме-ханические свойства сталие, которые, однако, зависят от толщины проката. При этом может быть достигнуто значительное снижение порога хладноломкости. Поэтому в последние годы некоторые марки низколегированных сталей для производства сварных конструкций применяют после упрочняющей термооб-работки.

Применение сварных конструкций и изделий из низколегированных низ-коуглеродных конструкционных сталей, особенно в таких областях, как транс-портное машиностроение, судостроение, гидротехническое строительство и производство сварных труб большого диаметра постоянно растет.