Свариваемость сталей

Среднеуглеродистые мартенситно-бейнитные стали применяют в конст-рукциях в термически упрочненном состоянии. В этом случае необ­ходимо по-лучить искомый комплекс свойств без термообработки свар­ных соединений.

Аустенизация является ведущим процессом в формировании свойств участков зоны термического влияния в широком диапазоне тем­ператур. Поэто-му целесообразно разделить зону термического влияния по принципу полноты характера аустенизации на три температурные об­ласти. Температурный интер-вал 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 аусте-нита, характеризующуюся наличием крупного зерна и высокотем­пературной химической микронеоднородности (ВХМН), вторую - аусте­нита с оптималь-ной величиной зерна и высокими прочностными свойст­вами, третью – непол-ной аустенизации и высокого отпуска. Свойствами участков перегрева и высо-кого отпуска определяется работоспособность сварных соединений этих сталей.

Высокотемпературная химическая микронеоднородность образуется глав-ным образом в результате оплавления отдельных микрообъемов ме­талла около-шовной зоны у линии сплавления (легкоплавких неметалли­ческих включений сульфидного происхождения и других сегрегаций). Она формируется при всех способах сварки плавлением. При этом обра­зуется характерная зернистая стру-ктура. Границы подплавленных зерен совпадают с участками залегания неме-таллических включений. Локаль­ное подплавление основного металла на участках легкоплавких неметал­лических включений и других сегрегации про-исходит при температуре примерно 1300 ... 1360°С. После затвердевания под-плавленных 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 сохраняя-ющаяся после термической обработки, изменяет кинетику мартенситного прев-ращения 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 ме-талле при электронно-лучевом и электрошлаковом переплаве сталей приводит к повышению пластичности и особенно ударной вязкости. При сварке термически упрочненных среднеуглеродистых мартенситно-бейнитных сталей трудности возникают также из-за разупрочнения основного металла в участке зоны тер-мического 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 ох-лаждения (0,05 ... 500 °С/с). Значительное разупрочнение проис­ходит при дли-тельных изотермических выдержках (порядка нескольких часов). С повыше-нием погонной энергии сварки увеличивается ширина участка разупрочнения и уменьшается предел прочности сварного соеди­нения. При одинаковой эффек-тивной погонной энергии электронно­лучевая сварка по сравнению с аргоноду-говой дает более узкий разупрочненный 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 проч-ным уча­сткам зоны термического влияния. Для каждой толщины металла и спо­соба сварки существует определенная ширина разупрочненного участка, при которой обеспечивается максимально возможное контактное упроч­нение и дос-тигается равнопрочность сварного соединения основному металлу.

Следовательно, технологические процессы сварки, приводящие к суже-нию участка зоны термического влияния сварных соединений среднеуглеродис-тых мартенситно-бейнитных сталей, повышают не только технологическую, но и конструктивную прочность соединений и позво­ляют достигнуть равнопроч-ность сварных соединений предварительно термоупрочненному основному ме-таллу в условиях эксплуатации.

Участок ВХМН является наименее пластичным, с низкой ударной вязкос-тью. Уровнем его свойств определяется склонность сварных со­единений к за-медленному разрушению, так как на подплавленных грани­цах формируются микронесплошности, которые развиваются в виде го­рячих или холодных тре-щин.

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 тре-щин. К первой группе следует отнести методы, способ­ствующие уменьшению склонности к зарождению трещин, ко второй - методы, способствующие умень-шению склонности к их развитию.

В первую группу входят методы, предусматривающие сварку с примене-нием источников, обеспечивающих концентрированный нагрев с малыми по-гонными энергиями; рафинирование и модифицирование ос­новного металла; применение аустенитных и легированных ферритных электродных проволок с пониженной температурой плавления; ослабле­ние непосредственного воздейс-твия 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 среднеуглеро-дистых мартенситно-бейнитных сталей указывает на большую эф­фективность первой группы методов, способствующих уменьшению склонности к зарожде-нию трещин. Эта тенденция сильнее проявляется при повышении содержания углерода в стали (0,4 % и более) и усложении системы легирования.