Химический состав и механические свойства среднеуглеродистых мартенсито-бейнитных сталей после закалки и низкого отпуска

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Типичными представителями среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей, широко применяемыми при изготовлении ответствен­ных сварных конструкций, являются стали 42Х2ГСНМА, 40ХГСНЗМА, 30Х2ГСНВМА.

Образование шва и околошовной зоны при сварке среднелегированных высокопрочных сталей

Для изготовления сосудов высокого давления, тяжело нагруженных машиностроительных изделий и других ответственных конструкций ис­пользуют среднелегированные высокопрочные стали, которые после со­ответствующей термообработки обладают временным сопротивлением 1000 ... 2000 МПа при достаточно высоком уровне пластичности. Для сталей этой группы характерно содержание углерода до 0,5 % при ком­плексном легировании в сумме 5 ... 9 %. В связи с весьма высокой чувст­вительностью к термическому циклу сварки стали с таким высоким со­держанием углерода для изготовления сварных конструкций применяют только в особых случаях. Необходимый уровень прочности при сохране­нии высокой пластичности достигается комплексным легированием ста­ли различными элементами, главные из которых хром, никель, молибден и др. Эти элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали. Увеличение степени легирования при повышенном содержании углерода повышает устойчивость аустенита, и практически при всех ско­ростях охлаждения околошовной зоны и режимах сварки, обеспечиваю­щих удовлетворительное формирование шва, распад аустенита происхо­дит в мартенситной области. Подогрев изделия при сварке не снижает ско­рости охлаждения металла зоны термического влияния до значений, мень­ших Wgp, и способствует росту зерна, что вызывает уменьшение деформаци­онной способности и приводит к возникновению холодных трещин.

Поэтому такие стали, как правило, сваривают без предварительного подогрева, но с использованием специальных технологических приемов сварки (каскадом, блоками, короткими или средней длины участками), а также специальных устройств, подогревающих выполненный шов и тем самым увеличивающих время пребывания его в определенном темпера­турном интервале.

Особенность термического цикла многослойной сварки указанными методами состоит в том, что тепло от второго и после дующих слоев не позволяет металлу околошовной зоны 1-го слоя охладиться ниже опреде­ленной температуры. После сварки 2-го и последующих слоев околошов­ная зона охлаждается значительно медленнее, чем после сварки одного

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

1-го слоя. При наложении 1-го слоя температура точки / резко возрастает (рис. 7.5, а), превышая температуру Ас₃, а затем резко падает. В момент, когда температура в точке / понизится до допустимого значения Т_в > Т_м, тепловая волна от наложения 2-го слоя осуществит повторный нагрев металла околошовной зоны 1-го слоя, но до температуры более низкой, чем при сварке 1-го слоя.

При сварке 3-го слоя снова происходит некоторый подогрев, причем по мере выполнения последующих слоев температурные воздействия ослабевают и процесс стремится к установившемуся температурному состоянию. По окончании сварки металл околошовной зоны медленно охлаждается.

На рис. 7.5, б показано изменение температуры в точке 2, находя­щейся у поверхности листов. При наложении каждого последующего слоя температура в точке 2 нарастает, при выполнении последнего слоя достигает максимума и после этого начинает снижаться. По проше­ствии времени t_в (время пребывания металла в интервале температур Т_Ас3 - Т_м) температура точки 2 снижается до температуры мартенситно-

го превращения и, если за это время не успеет произойти распад аустени­та, образуется мартенситная структура.

Для увеличения времени пребывания металла околошовной зоны при температуре выше точки мартенситного превращения накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого не выходят за пределы металла шва и тем самым не нагревают подверженный закалке металл околошовной зоны до температуры выше Ас3. Наплавка отжи­гающего валика увеличивает время пребывания металла околошовной зоны в интервале температур Т_Асз - Т_м c t_в до t'_в.

Для того чтобы при сварке в околошовной зоне получить такие структуры, которые обеспечат деформационную способность металла, достаточную для предотвращения образования трещин при охлаждении и вылеживании изделия до проведения соответствующей термообработки, необходимо, чтобы общее время выдержки в субкритическом интервале температур было бы достаточным для полного распада аустенита. Это время определяют по диаграмме изотермического распада аустенита ста­ли данной марки. Время пребывания металла околошовной зоны при температуре выше температуры Т_м должно быть больше, чем время изо­термического распада аустенита при этой температуре для стали данной марки. Однако если сваривается среднелегированная сталь с повышен­ным содержанием углерода, то даже при многослойной сварке короткими участками практически не удается избежать закалки металла околошов­ной зоны на мартенсит, так как длительность распада аустенита значи­тельно больше, чем время пребывания металла при температурах выше

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Рис. 7.5. Термический цикл металла околошовной зоны при многослойной сварке короткими участками:

а - в точке / у корня шва; б - в точке 2 у поверхности

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

температур мартенситного превращения в процессе сварки. В этом слу­чае необходимо, чтобы объемные изменения, сопутствующие образова­нию мартенсита, не могли привести к появлению трещин до того, как он будет отпущен, т.е. чтобы температура зоны закалки в процессе сварки не опускалась ниже 120 ... 150 °С.

При наложении последующих слоев необходимо также обеспечить "автотермообработку" (отпуск) всего металла на участке зоны термиче­ского влияния, закаленного при сварке предыдущего слоя. В условиях нагрева при сварке и непродолжительной выдержке при высоких темпе­ратурах происходит отпуск только тех слоев мартенсита, которые нагре­ваются до температуры 600 ... 700 °С. Отпущенная при этом режиме зона термического влияния приобретает троостосорбитную или сорбитную структуру с твердостью 360 ... 410 НВ.

Для того чтобы закаленные прослойки не сохранились, необходимо так рассчитать режим каждого последующего слоя, чтобы обеспечить распространение температур отпуска (600 ... 700 °С) на всю глубину за­калки от предыдущего слоя. Схема выполнения сварки слоями, полно­стью обеспечивающими отпуск закаленных зон, приведена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема выполнения сварки валиками, обеспечивающими отпуск закаленных зон:

а - при наплавке 1-го и 2-го валиков; б- при наплавке 3-го валика;

в - при наплавке 4-го валика; / - 1-й валик; 2 - 2-й валик;

3 - зона отпуска от 2-го валика; 4— зона закалки от 1-го и 2-го валиков;

5 - 3-й валик; 6 - зона отпуска от 2-го и 3-го валиков;

7 - 4-й валик; 8 - зона отпуска от 4-го валика

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

После наплавки 1-го валика образуется зона закалки. При наплавке 2-го валика - зона закалки и зона отпуска, частично охватывающая зону закалки от 1-го валика (рис. 7.6, а). При наплавке 3-го валика со скоро­стью, несколько меньшей, чем при наплавке 1-го и 2-го валиков, образу­ется зона отпуска также определенных размеров (рис. 7.6, б). При на­плавке 4-го валика должен быть принят такой режим, при котором зона отпуска полностью охватит зону закалки, не отпущенную предыдущими слоями (рис. 7.6, в).

Чтобы избежать трещин при охлаждении сварного соединения, не­обходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение металла шва, обладающего большой деформационной способ­ностью. Это может быть достигнуто, если наплавленный металл и металл шва будут в меньшей степени легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять собой как бы мягкую прослойку с времен­ным сопротивлением, меньшим, чем временное сопротивление сваривае­мой стали, но с повышенной деформационной способностью.

Для обеспечения технологической прочности сварных швов, выпол­ненных низколегированными сварочными материалами, содержание уг­лерода в шве не должно превышать 0,15 %. Уменьшенное содержание, по сравнению с содержанием в свариваемой стали углерода и легирующих элементов, приводит к изменению температуры γ → α -превращения, ко­торую можно оценить уравнением

Т = 550 - [360С + 40 (Mn + Cr) + 20Ni + 28Mo],

где химические символы означают процентное содержание этих элемен­тов в металле.

Поэтому γ → α -превращение в низколегированном металле шва бу­дет происходить при более высоких температурах, чем в околошовной зоне среднелегированной стали.

Наряду с потерей пластичности металлом околошовной зоны из-за резкой подкалки или чрезмерного роста зерна на образование трещин при сварке закаливающихся, а особенно среднелегированных высокопрочных сталей оказывает водород, при определенных условиях попадающий в сварочную ванну. В металле сварочной ванны всегда имеется некоторое количество растворенного водорода, попадающего в ванну из влаги, ржавчины и других загрязнений. Наибольшей растворимостью водород

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

7.4. Влияние температуры и структурного состояния на растворимость и диффузионную подвижность водорода

обладает в жидком металле. При затвердевании металла растворимость водорода резко снижается и зависит от температуры и структурного со­стояния. От этих факторов зависит и диффузионная (проникающая) спо­собность водорода (табл. 7.4). Как следует из данных таблицы, раствори­мость водорода в аустените значительно больше растворимости водорода в феррите. Одновременно с этим диффузионная подвижность его в фер­рите значительно больше, чем в аустените. Поэтому при температурах γ → α-превращения в низколегированном металле шва образуется сво­бодный диффузионно-подвижный водород, который относительно сво­бодно перемещается в сторону высоколегированного металла околошов­ной зоны, имеющего при этих температурах структуру аустенита.

В связи с малой подвижностью водорода в аустените граница сплав­ления оказывается как бы барьером, у которого накапливается большое количество водорода, поступающего в несплошности, где он ассоциирует в молекулы и перестает быть диффузионно-подвижным. Постепенно в таких несплошностях возрастает давление молекулярного водорода в связи с дальнейшим поступлением атомарного водорода и образованием новых молекул. Накопление диффузионно-подвижного, а также молеку­лярного водорода в несплошностях отрицательно сказывается на сопро­тивляемости стали разрушениям и способствует образованию трещин -отколов по зоне сплавления.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Свариваемость сталей

Среднеуглеродистые мартенситно-бейнитные стали применяют в конструкциях в термически упрочненном состоянии. В этом случае необ­ходимо получить искомый комплекс свойств без термообработки свар­ных соединений.

Аустенизация является ведущим процессом в формировании свойств участков зоны термического влияния в широком диапазоне тем­ператур. Поэтому целесообразно разделить зону термического влияния по принципу полноты характера аустенизации на три температурные об­ласти. Температурный интервал этих областей зависит от многих факто­ров и определяется особенностями как технологического процесса свар­ки, так и свойствами основного металла.

Условно первую из них можно определить как область перегретого аустенита, характеризующуюся наличием крупного зерна и высокотем­пературной химической микронеоднородности (ВХМН), вторую - аусте­нита с оптимальной величиной зерна и высокими прочностными свойст­вами, третью - неполной аустенизации и высокого отпуска. Свойствами участков перегрева и высокого отпуска определяется работоспособность сварных соединений этих сталей.

Высокотемпературная химическая микронеоднородность образуется главным образом в результате оплавления отдельных микрообъемов ме­талла околошовной зоны у линии сплавления (легкоплавких неметалли­ческих включений сульфидного происхождения и других сегрегации). Она формируется при всех способах сварки плавлением. При этом обра­зуется характерная зернистая структура. Границы подплавленных зерен совпадают с участками залегания неметаллических включений. Локаль­ное подплавление основного металла на участках легкоплавких неметал­лических включений и других сегрегации происходит при температуре примерно 1300 ... 1360 °С. После затвердевания подплавленных микро­объемов могут образоваться пустоты.

Полное оплавление существующих границ и сегрегации наблюдает­ся в интервале температур примерно 1360 ... 1420 °С. Сульфиды распре­деляются по оплавленным границам, обволакивая зерна. Высокотемпера­турная химическая микронеоднородность, развивающаяся на участке подплавления околошовной зоны под воздействием сварочного термоде­формационного цикла и сохраняющаяся после термической обработки,

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

изменяет кинетику мартенситного превращения в этом участке, увеличи­вая количество хрупких продуктов распада, образовавшихся в нижнем интервале мартенситной области, что может явиться причиной зарожде­ния и развития холодных трещин.

Уменьшение содержания серы, газов и неметаллических включений в металле при электронно-лучевом и электрошлаковом переплаве сталей приводит к повышению пластичности и особенно ударной вязкости.

При сварке термически упрочненных среднеуглеродистых мартен-ситно-бейнитных сталей трудности возникают также из-за разупрочнения основного металла в участке зоны термического влияния, нагреваемого до температуры высокого отпуска. Наиболее заметно разупрочнение на участке, нагреваемом до температур 500 ... 770 °С. При этом его мини­мальная твердость остается практически постоянной и не зависит от по­гонной энергии сварки.

Прочность не зависит от скорости нагрева (0,05 ... 700 °С/с) и ско­рости охлаждения (0,05 ... 500 °С/с). Значительное разупрочнение проис­ходит при длительных изотермических выдержках (порядка нескольких часов). С повышением погонной энергии сварки увеличивается ширина участка разупрочнения и уменьшается предел прочности сварного соеди­нения. При одинаковой эффективной погонной энергии электронно­лучевая сварка по сравнению с аргонодуговой дает более узкий разу-прочненный участок и более высокие значения прочности сварных со­единений, так как прочность соединений зависит не от уровня твердости разупрочненного участка, а от его ширины. При этом следует учитывать, что участок разупрочнения имеет плавный переход к более прочным уча­сткам зоны термического влияния. Для каждой толщины металла и спо­соба сварки существует определенная ширина разупрочненного участка, при которой обеспечивается максимально возможное контактное упроч­нение и достигается равнопрочность сварного соединения основному металлу.

Следовательно, технологические процессы сварки, приводящие к сужению участка зоны термического влияния сварных соединений сред­неуглеродистых мартенситно-бейнитных сталей, повышают не только технологическую, но и конструктивную прочность соединений и позво­ляют достигнуть равнопрочность сварных соединений предварительно термоупрочненному основному металлу в условиях эксплуатации.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Участок ВХМН является наименее пластичным, с низкой ударной вязкостью. Уровнем его свойств определяется склонность сварных со­единений к замедленному разрушению, так как на подплавленных грани­цах формируются микронесплошности, которые развиваются в виде го­рячих или холодных трещин.

Методы, способствующие уменьшению склонности околошовной зоны сварных соединений к образованию трещин, целесообразно разде­лить на две группы в зависимости от их влияния на кинетику процесса формирования трещин. К первой группе следует отнести методы, способ­ствующие уменьшению склонности к зарождению трещин, ко второй -методы, способствующие уменьшению склонности к их развитию.

В первую группу входят методы, предусматривающие сварку с при­менением источников, обеспечивающих концентрированный нагрев с малыми погонными энергиями; рафинирование и модифицирование ос­новного металла; применение аустенитных и легированных ферритных электродных проволок с пониженной температурой плавления; ослабле­ние непосредственного воздействия источника нагрева на свариваемые кромки путем увеличения количества расплавляемого присадочного ме­талла за счет горячей или холодной присадки, крошки и др.; применение наплавки кромок и т.д.

Во вторую группу входят методы, предусматривающие предвари­тельный или сопутствующий подогрев; термическую обработку сварных соединений после сварки; смещение бейнитно-мартенситных превраще­ний околошовной зоны в область повышенных температур и др.

Многолетний опыт эксплуатации сварных конструкций из среднеуг-леродистых мартенситно-бейнитных сталей указывает на большую эф­фективность первой труппы методов, способствующих уменьшению склонности к зарождению трещин. Эта тенденция сильнее проявляется при повышении содержания углерода в стали (0,4 % и более) и усложе-нии системы легирования.

Технология сварки среднелегированных сталей

Для обеспечения эксплуатационной надежности сварных соедине­ний необходимо при выборе сварочных материалов стремиться к получе­нию швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Характер изменения этих

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

свойств зависит от доли участия основного металла в .формировании ме­талла шва. Поэтому, как правило, следует выбирать такие сварочные ма­териалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основ­ной металл.

Легирование металла шва за счет основного металла позволяет по­высить свойства шва до необходимого уровня. Однако следует помнить, что доля участия основного металла в металле шва, а значит, и степень легирования зависят от способа сварки, применяемого режима и других технологических приемов. Для обеспечения технологической прочности сварных швов, выполненных низколегированными сварочными материа­лами, содержание углерода в них не должно превышать 0,15 %, так как дальнейшее увеличение содержания углерода резко повышает склон­ность металла швов к образованию горячих трещин, а также существенно снижает пластичность и особенно ударную вязкость металла шва в экс­плуатационных условиях. Необходимых прочностных характеристик ме­талла шва достигают легированием его элементами, которые, повышая прочность, не снижают существенно его деформационную способность и ударную вязкость.

Высокую технологическую прочность и работоспособность можно получить, если содержание легирующих элементов в металле шва не превысит (в %): 0,15 С; 0,5 Si; 1,5 Мп; 1,5 Сг; 2,5 Ni; 0,5 V; 1,0 Mo; 0,5 Nb. Комбинируя различные легирующие элементы в указанных пределах, можно получить швы с временным сопротивлением до 600 ... 700 МПа в исходном после сварки состоянии и 850 ... 1450 МПа после соответст­вующей термообработки.

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высоко­прочных сталей необходимо выбирать такие сварочные материалы, кото­рые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сва­рочной ванне. Это может быть достигнуто применением низколегиро­ванных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководоро­дистые электроды). Одновременно при выполнении сварки необходимо исключение других источников насыщения сварочной ванны водородом (влаги, ржавчины, органических загрязнений на кромках и др.).

Наиболее широко для сварки этих сталей применяют аустенитные сварочные материалы. В большинстве случаев в шве стремятся получить

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

высоколегированную аустенитную хромоникелевую или хромоникеле-марганцовистую сталь. Такой металл обладает высокой пластичностью и не претерпевает полиморфных превращений, т.е. сохраняет аустенитную структуру во всем диапазоне температур, вследствие этого раствори­мость водорода в шве с понижением температуры изменяется незначи­тельно, а проницаемость его мала. Для механизированной сварки и изго­товления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки - основные флюсы.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктив­ные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки покрытыми электродами такие же, как и для сварки углеродистых сталей в соответ­ствии с рекомендациями ГОСТ 5264-80.

Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-08Х21Н10Г6, Э-13Х25Н18, Э-10Х16Н25АМ6 и др. по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75 (табл. 7.5).

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке на высокую прочность (нормализация или закалка с отпуском), а после сварки - от­пуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения с целью обеспечения его равнопрочности с основ­ным металлом, то критерием определения температуры предварительно­го подогрева будет скорость охлаждения, при которой происходит час­тичная закалка околошовной зоны, но гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения последующей термообработки.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке, но после сварки отпуск невозможен из-за крупных размеров конструкции, то сталь данной марки можно использовать для изготовления такой конструкции только в том случае, если нет жестких требований к равнопрочности сварного соединения и основного металла в условиях статического на-гружения. Для обеспечения свойств сварного соединения, гарантирую­щих требуемую его работоспособность, критерием для выбора необходи­мой температуры подогрева является диапазон скоростей охлаждения, обеспечивающий необходимый уровень механических свойств в околошов­ной зоне. Аустенитными электродами обычно сваривают без предвари­тельного подогрева, но при этом регламентируется время с момента окончания сварки до проведения термообработки изделия. При сварке

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

7.5. Электроды для дуговой сварки конструкционных сталей и механические свойства металла шва

среднелегированных сталей с невысоким содержанием углерода (0,12 ... 0,17 %) последующую термообработку проводят в исключительно редких случаях.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Разделку заполняют каскадом или горкой. Температура охлаждения зоны термического влияния в процессе сварки допускается не ниже Т_в = 150 ... 200 "С. Когда термообработка сварного изделия не может быть выполнена (например, из-за крупных размеров), на кромки детали, подлежащие сварке, наплавляют аустенитными или низкоуглеродистыми (низководородистыми) электродами незакаливаюшийся слой металла такой толщины, при которой температура стали под слоем в процессе выполнения сварки не превысит температуру отпуска при термообработ­ке деталей с наплавленными кромками. Детали с наплавленными кром­ками сваривают аустенитными или низкоуглеродистыми и низководоро­дистыми электродами без подогрева и последующей термообработки. Режимы сварки принимают в соответствии с рекомендациями для аусте-нитных электродов.

Сварка в защитных газах. Высокое качество сварных соединений толщиной 3 ... 5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящим-ся электродом. При выборе присадочного материала (электродной прово­локи) для дуговой сварки в среде защитных газов следует руководство­ваться табл. 7.6. Первый слой выполняют без присадки с полным прова­ром кромок стыка и обратным валиком, второй - с поперечными низко­частотными колебаниями электрода и механической подачей присадоч­ной проволоки. Возможен и третий слой с поперечными колебаниями электрода без присадочной проволоки со стороны обратного формирова­ния на небольшом режиме для обеспечения плавного перехода от шва к основному металлу.

Для увеличения проплавляющей способности дуги при аргонодуго­вой сварке сталей применяют активирующие флюсы (АФ). Применение АФ повышает проплавляющую способность дуги, что обеспечивает воз­можность исключения разделки кромок при толщинах 8... 10 мм. Для сварки сталей применяют флюс, представляющий собой смесь компонен­тов (SiO₂, NaF, TiO₂, Ti, Cr₂O₃). Сварка с АФ эффективна при механизи­рованных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама. Сочетают примене­ние АФ с поперечными низкочастотными колебаниями электрода при выполнении поверхностных слоев шва для обеспечения плавного пере­хода от шва к основному металлу. После сварки, не позднее чем через

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

7.6. Присадочные материалы и механические свойства сварных соединений при дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

30 мин, сварные соединения с ферритными швами подвергают высокому отпуску при 600 ... 650 °С в течение 2 ч. Затем производится окончатель­ная термическая обработка по режиму основного металла.

Сварка плавящимся электродом в среде защитных газов находит широ­кое применение при изготовлении конструкций из среднелегированных вы­сокопрочных сталей средней и большой толщины. Конструктивные элемен­ты подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 14771—76 (в ред. 1989 г.). В зависимо­сти от разновидности способа сварки в защитных газах подготовка кромок должна быть различной.

При сварке в инертных газах в сварочной ванне могут протекать ме­таллургические процессы, связанные с наличием в ней растворенных га­зов и легирующих элементов, внесенных из основного или присадочного металла. При использовании смесей инертных газов с активными возни­кают металлургические взаимодействия между элементами, содержащи­мися в расплавленном металле, и активными примесями в инертном газе.

Если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислоро­да, то при высоких концентрациях углерода будет протекать реакция окисления его. Если концентрация углерода в сварочной ванне в период кристаллизации будет достаточно высокой, то при отсутствии или недос­татке других раскислителей реакция образования СО будет продолжать­ся, что может вызвать порообразование. Возникновению пор способству­ет также и водород, содержание которого при малой степени окисленно-сти ванны может быть достаточно высоким.

Для подавления реакции окисления углерода в период кристаллиза­ции металла шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество раскислителей, например кремния или марганца. Наряду с этим устранение пор при отсутствии раскислителей при сварке с защитой аргоном может быть достигнуто некоторым повышением степени окис-ленности ванны за счет добавки к аргону кислорода (до 5 %) или углеки­слого газа (до 25 %) в смеси с кислородом (до 5 %). При этом интенси­фицируется окисление углерода в зоне высоких температур (в головной части сварочной ванны), усиливается его выгорание, вследствие чего концентрация углерода и содержание кислорода в сварочной ванне к мо­менту начала кристаллизации уменьшаются и тем самым прекращается образование СО.

СВАРКА СРЕДНЕЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

При сварке среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в большинстве случаев инертных или их смесях с активными) ис­пользуют низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколеги­рованные проволоки, например Св-10ХГСН2МТ, Св-ОЗХГНЗМД, СВ-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6 (табл. 7.6). Однако равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. Обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла можно за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. В этом случае работоспособность сварного соединения при данном соот­ношении свойств мягкой прослойки - шва и основного металла опреде­ляется относительной толщиной мягкой прослойки.

В наиболее полной степени эффект контактного упрочнения может быть реализован при применении так называемой щелевой разделки, пред­ставляющей собой стыковые соединения с относительно узким зазором.

Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять полуавтоматическую сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горкой), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного шва. Возможно при­менять автоматическую двух- или многодуговую сварку дугами, горя­щими в различных плавильных пространствах таким образом, чтобы теп­ловое воздействие от выполнения последующего слоя на околошовную зону предыдущего происходило при необходимой температуре. Все это позволяет регулировать термический цикл и получать наиболее благо­приятные структуры в околошовной зоне.

Сварка под флюсом. Конструктивные элементы подготовки кромок под автоматическую и полуавтоматическую сварку под флюсом выпол­няют такими же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструкционных сталей, т.е. в соответствии с реко­мендациями ГОСТ 8713-79 (в ред. 1990 г.). Однако в диапазоне толщин, для которого допускается сварка без разделки и со скосом кромок по­следней следует отдать предпочтение.

Наряду с затруднениями, связанными с образованием холодных трещин в околошовной зоне, при механизированной сварке под флюсом швы имеют повышенную склонность к образованию горячих трещин. Это связано с тем, что при данном способе сварки доля основного метал­ла в металле шва достаточно велика. В связи с этим в шов с расплавлен­ным основным металлом поступают легирующие элементы, содержа­щиеся в свариваемой стали, в том числе и углерод, концентрация которо­го в сталях этой группы достаточно высока.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТАЛЕЙ

Рис. 7.7. Влияние содержания

углерода, серы и марганца в металле

шва на склонность к образованию

горячих трещин (схема):

[С]³>[С]²>[С]¹

Влияние содержания уг­лерода, серы и марганца в шве на склонность к образованию горячих трещин схематически представлено на рис. 7.7. Ли­ния / служит границей раздела составов с низким содержани­ем углерода [С]¹, при которых образуются или не образуются горячие трещины. При повы­шенном содержании углерода [С]³ такой границей будет ли­ния 3, в этом случае даже при низком содержании серы и большой концентрации мар­ганца в шве могут возникнуть горячие трещины. При механи­зированной сварке под флюсом необходимы подготовка кро­мок, техника и режимы сварки, при которых доля основного металла в шве будет минимальной.

На рис. 7.8 показано влияние сварочного тока и скорости сварки на долю участия основного металла в образовании шва. Доля участия γ₀ рас­тет с увеличением тока и скорости сварки. Для уменьшения γ₀ сварку следует проводить на минимально возможных силах тока и скоростях сварки, обеспечивающих получение швов заданных размеров и формы. Кроме того, для уменьшения γ₀ следует отдавать предпочтение разделке кромок под сварку. При использовании для сварки низкоуглеродистых проволок в полной мере можно реализовать преимущество сварки под флюсом; получать швы с глубоким проплавлением, повышая при одно­проходной сварке стыковых соединений без разделки кромок сварочный ток и скорость сварки. Необходимый состав металла шва будет обеспе­чиваться повышением доли основного металла в шве.

Флюс выбирают в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегирован­ной, не содержащей достаточного количества элементов-раскислителей, сварку выполняют под кислыми высоко- или среднемарганцовистыми флюсами (в зависимости от состава свариваемой стали). При использова­нии низколегированных проволок, содержащих элементы-рас