Выбор среднелегированных сталей для сварных конструкций.

Для сварных конструкций следует применять марки сталей, обладающих требуемыми механическими свойствами при возможно более низком содержании углерода и легирующих элементов, повышающих восприимчивость стали к закалке. Следует также ограничивать содержание этих элементов в металле шва. Первостепенное влияние углерода на образование холодных трещин обусловлено тем, что он во многом определяет положение температурного интервала мартенситного превращения аустенита, в свою очередь определяющего как вероятность зарождения холодных трещин, так и их развитие.

Различают две разновидности мартенсита: дислокационный иглообразный, содержащий в иглах только дислокации, и двойниковый пластинчатый, в котором пластины содержат двойники. Дислокационный мартенсит образуется при относительно высоких температурах в сталях с низким содержанием углерода (С < 0,22%), отличающихся повышенной пластичностью и пониженной прочностью. При этом атомные искажения по границам зерен невелики, в связи с чем такие стали в закаленном состоянии менее склонны к замедленному разрушению.

В двойниковом пластинчатом мартенсите, образующемся в углеродистых сталях с повышенным содержанием углерода (С > 0,22%), деформация может легко осуществляться только с увеличением плотности упаковки атомов. Поэтому такой мартенсит менее пластичен и более прочен. Он обусловливает возникновение значительных атомных искажений по границам зерен и соответственно увеличивает склонность к замедленному разрушению и образованию холодных трещин в сварных соединениях.

Уменьшение в стали 30Х2Н2М содержания углерода всего на 0.1 % в 2 раза повышает ее прочность при длительном нагружении и, следовательно, стойкость против образования трещин.

Кроме выбора марки стали в некоторых случаях требуется определить еще и способ ее производства и рафинирования. Например, для особо ответственных сварных конструкций, работающих в тяжелых условиях нагружения (низкие температуры, ударная нагрузка) и изготовляемых из толстых листов (крупных слитков), рекомендуется применять среднелегированные стали, улучшенные дуплекспроцессом. Этот процесс предусматривает перелив жидкой мартеновской стали из печи с основной футеровкой в печь с кислой футеровкой.

Весьма эффективно использование сталей, прошедших электрошлаковый и электроннолучевой переплавы, особенно в сочетании с дополнительным микролегированием элемента мимодификаторами (титаном, цирконием, церием и др.). Как известно, после такого улучшения содержание в стали вредных примесей (серы, фосфора), газов и неметаллических включений уменьшается, а стойкость стали против образования холодных трещин повышается.

Регулирование термического цикла сварки.

Регулировать сварочный термический цикл можно путем изменения режима сварки. Для большинства марок среднелегированных сталей определение оптимальных режимов сварки позволяет резко повысить стойкость сварных соединений против образования холодных трещин и в ряде случаев полностью устранить их возникновение. Идеальный термический цикл, обеспечивающий наиболее высокую стойкость сварного соединения против образования холодных трещин. Практическое осуществление циклов, близких к идеальному, при дуговой сварке сопряжено с применением весьма малопроизводительных режимов сварки, предварительного, сопутствующего и последующего подогревов. Следовательно, осуществление идеального цикла требует больших затрат труда и средств. При электрошлаковой сварке этот цикл вовсе неосуществим. В практике термические циклы, близкие к идеальным, применяют редко. Задача технолога-сварщика состоит в том, чтобы изыскать более производительные и менее дорогие методы борьбы с холодными трещинами, чем получение идеального термического цикла сварки. Для повышения стойкости сварных соединений против образования холодных трещин необходимо замедлять охлаждение сварного соединения ниже точки А1 с целью смещения превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, а также предупреждать развитие перегрева в околошовной зоне и возникновение грубой столбчатой структуры в металле шва. Наиболее просто и экономично можно замедлить охлаждение ниже точки А1 применяя мощные источники нагрева и низкие скорости сварки. Однако при этом развивается перегрев металла в околошовной зоне, а первичная структура металла шва стано вится более грубой. Кроме того, не всякое замедление обеспечивает получение в сварных соединениях необходимой вторичной структуры, повышающей стойкость соединения против образования холодных трещин.

Влияние термического цикла на стойкость против образования холодных трещин следует определять с учетом особенностей превращения переохлажденного аустенита в металле сварного соединения. Рассмотрим термокинетические диаграммы, описывающие превращение аустенита при непрерывном охлаждении для двух типов среднелегированной стали I и II. Сталь I отличается от стали II пониженной восприимчивостью к закалке и повышенной стойкостью против образования трещин при сварке.

Термокинетические диаграммы строят в координатах время - температура превращения. В этих координатах наносят семейство кривых охлаждения и на каждой кривой отмечают точки, соответствующие началу и концу превращения в каждой из характерных областей. Соединение этих точек линиями позволяет ограничить области превращения аустенита при непрерывном охлаждении. Ход превращения изучают дилатометрическим или магнитометрическим методом в сочетании с металлографическим исследованием образцов, подверженных закалке с определенной температуры. В последнее время для этой цели успешно применяют также и метод высокотемпературной металлографии.

Следовательно, повышение погонной энергии сварки обычно целесообразно в случае сварки сравнительно низколегированных сталей типа I. При этом замедление охлаждения ниже точки А1 сопровождается благоприятными изменениями в ходе превращения переохлажденного аустенита, т. е. приводит к образованию структуры металла, способствующей повышению стойкости сварных соединений против образования трещин. Для сталей типа I благоприятное влияние этих изменений преобладает над отрицательным влиянием, обусловленным развитием перегрева при повышении погонной энергии сварки.

Для сталей типа II повышение погонной энергии сварки может быть даже вредным. Благоприятных структурных изменений, обусловленных смещением превращения переохлажденного аустенита в область высоких температур, при этом может не быть, а отрицательное влияние перегрева проявится более резко. Для сталей типа II целесообразны только режимы сварки, обеспечивающие значительно замедленное охлаждение сварных соединений в области температуры ниже точки А х (например при электрошлаковой сварке), когда и в этих сталях происходит смещение превращения переохлажденного аустенита в область более высоких температур и получает особо существенное развитие самоотпуск мартенсита непосредственно в процессе охлаждения соединения.

В рассматриваемом случае процесс самоотпуска развивается вследствие значительного замедления охлаждения соединения при температурах порядка 300—150° С. Длительность пребывания сварного соединения при температурах 300—150° С в случае однопроходной электрошлаковой сварки в десятки раз больше, чем в случае дуговой многослойной сварки толстого метала.