Особенности сварки низкоуглеродистых сталей

Глава 5 СВАРКА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталь - это железный сплав, содержащий до 2 % С. В углеродистых кон-струкционных сталях, широко используемых в машиностроении, су­достроении т.д., содержание углерода обычно оставляет 0,06... 0,9 %. Углерод является ос-новным легирующим элементом и определяет меха­нические свойства этой гру-ппы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получе­ния равнопрочного сварного соединения без дефектов.

По степени раскисления сталь изготовляют кипящей, спокойной и полу-спокойной (соответствующие индексы "кп", ^мсп^м и "пс"). Кипящую сталь, соде-ржащую не более 0,07 % Si, получают при неполном раскис­лении металла. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерно­стью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная по­вышенная концентрация серы может привести к образованию кристалли­зационных трещин в шве и около-шовной зоне.

Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хру-пкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной ста­ли, содержа-щей не менее 0,12 % Si, распределение серы и фосфора более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь занимает промежуточ-ное положение между кипящей и спокойной сталью.

Стали с содержанием до 0,25 % С относятся к низкоуглеродистым, с со-держанием 0,26... 0,45% к среднеуглеродистым, к высокоуглероди­стым отно-сятся, стали, содержащие 0,45... 0,75 % С. Они отличаются плохой сваривае-мостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Темпера-турная область применения углеродистых сталей от -40 до +425 °С, низколе-гированных от -70 до +475 °С. По качествен­ному признаку низкоуглеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные.

Изготовленные из нее конструкции обычно также не подвергают последу-ющей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-94 на сталь углеро-дистую обыкновенного качества, ГОСТ 5520-79 (в ред. 1990 г.) на сталь для кот-лостроения, ГОСТ 5521-86 на сталь для судостроения и т.д. (табл. 6.1).

Сталь обычного качества поставляется без термической обработки в гаряче-катаном состоянии и делится на три группы: А, Б, В.

А - поставляется по механическим свойствам, для производства сварных конструкций не применяется, имеет три категории показателей механических их свойств.

Б - поставляется по химическому составу и имеет две категории. В первой нормируется содержание С, Mn, Sі, P, S, N₂; во второй - дополнительно норми-руется содержание Cr, Nі и Cu. Стали этой группы имеют ограниченное приме-нение при изготовлении сварных конструкций.

В - поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Имеет 6 категорий. Наибольшее применение ВСт. 2, ВСт. 3 всех степеней раскисления:

1 – σ_в, δ, α_изг; 2 – σ_в, δ, σ_т, α_изг; 3 – дополнительно а_н при t = +20^оС;

4 - σ_в, δ, σ_т, α_изг и а_н при t = - 20^оС; 5 – 6 – дополнительно после старения

 

6.1. Химический состав некоторых углеродистых конструкционных сталей, %

 

Марка стали	ГОСТ	С	Мп	Si
Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст2пс Ст2сп СтЗпс СтЗсп	380-94	0,06... 0,12 0,06... 0,12 0,06... 0,12 0,09... 0,15 0,09...0,15 0,09...0,15 0,14...0,22 0,14... 0,22	0,25... 0,50 0,25... 0,50 0,25... 0,50 0,25... 0,50 0,25... 0,50 0,25... 0,50 0,40... 0,65 0,40... 0,65	не более 0,05 0,05...0,15 0,15...0,30 не более 0,05 0,05...0,15 0,15...0,30 0,05...0,15 0,15...0,30
	1050-88	0,07... 0,14 0,12...0,19 0,17...0,24	0,35... 0,65 0,35... 0,65 0,35... 0,65	0,17... 0,37 0,17...0,37 0,17... 0,37
15Г 20Г 35Г	4543-71	0,12...0,19 0,17...0,24 0,32... 0,40	0,70... 1,00 0,70... 1,00 0,70... 1,00	0,17... 0,37 0,17...0,37 0,17...0,37
12К 15К 20К 22К	5520-79	0,08...0,16 0,12... 0,20 0,16... 0,24 0,19...0,26	0,40... 0,70 0,35... 0,65 <0,65 1,00	0,17...0,37 0,15...0,30 0,15...0,30 0,17...0,40
СтЗС	5521-86	0,14... 0,22	0,35... 0,60	0,12... 0,35

Примечания: 1. Массовая доля хрома, никеля и меди в сталях марок Ст1, Ст2 и СтЗ различной выплавки должна быть не более 0,30 % каждого, серы не более 0,050 %, фосфора не более 0,70 %.

2. Для проката из стали марок СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, предназначенного для сварных конструкций, отклонение по содержанию углерода в сторону его уве­личения не допускается.

Качественная углеродная сталь - содержание Mn = 0,8 - 1,1% (ГОСТ 1050 - 74). Имеет сниженное содержание S. Применяется в основном в гаря-чекатаном виде и в небольшом объеме - после термической обработки, норма-лизации или после закалки с отпуском (для термоупрочненных сталей15Г,20Г).

Конструкционные стали с нормальным и повышенным содержанием марганца (марки 15Г и 20Г) имеют пониженное количество серы. или закал с Механические свойства этих сталей зависят от термообработки (табл.6.2и 6.3).

 

 

Примечание. Для сталей марок 10, 15, 20, 15Г и 20Г механические свойства определены на образцах из нормализованных заготовок.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Стали обладают хорошей свариваемостью; технология сварки обеспечи-вает равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве;

- химический состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла;

- незначительное снижение углерода, так как в проволоке или стержне углерода меньше чем в стали. Содержание Mn и Sі возрастает. Снижение прочности при снижении углерода компенсируется увеличением V_охл и легированием Mn и Sі;

- влияние V_охл на механические свойства металла шва. При изменении V_охл изменяется количество и строение перлитной фазы. При повышении V_охл возрастают σ_в, σ_т и снижаются δ и а_н. V_охл определяется толщиной свариваемо-го металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Ее влияние в наибольшей степени проявляется при сварке однослойных швов и последнего слоя многослойных швов. Металл многослойных швов, кроме последнего подвергается действию повторного термического цикла сварки и имеет мелкозернистую структуру;

- при всех способах сварки упрочняется зона перегрева основного металла. При ЭШС- крупнозернистая структура;

–

- для снятия остаточных напряжений в конструкции из низкоуглеродис-тых сталей выполняется высокий отпуск при 500...680^оС, а для ЭШС – норма-лизация (нагрев при 900...940^оС , охлаждение на воздухе и последующим вы-соким отпуском);

- швы стойкие против образования криталлизационных трещин из - за низкого содержания углерода;

- пластическая деформация в металле шва при сварке под действием сварочных напряжений также повышается σ_т.

Низкоуглеродистые и низкоуглеродистые низколегированные стали обла-дают хорошей свариваемостью. Важное требование при сварке рассматривае-мых сталей - обеспечение равнопрочности сварного соединения с основным ме-таллом и отсут­ствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела соот­ветствующих свойств основного металла.

При сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегиро­ванных сталей при применении соответствующих сварочных материалов металл шва легирован кремнием и марганцем больше, чем основной ме­талл. Поэтому его механические свойства в большинстве случаев выше, чем у основного металла. В этом случае основное требование при сварке -получение сварного шва с не-обходимыми геометрическими размерами и без дефектов.

В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допус­ка-ют снижение отдельных показателей механических свойств сварного со­едине-ния. Однако во всех случаях, особенно при сварке ответственных кон­струкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов.

Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуе-мым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояния. Иногда к сварному соединению предъявляют допол­нительные тре-бования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пони-женных температурах и т.д.). Технология должна обеспе­чивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надеж-ности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой. Химический со­став металла шва при сварке рассматриваемых сталей незначительно от­личается от состава основного металла (табл. 6.6). Это различие сводится к снижению содержания в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания в нем углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем, кремнием, а при сварке низколегированных сталей - также и за счет перехода этих элементов из основного металла.

 

 

Таким образом, химиче­ский состав металла шва зави­сит от доли участия основного и дополнительного металлов в образовании металла шва и взаимо-действий между метал­лом, шлаком и газовой фазой. Повышенные скорости ох-лаж­дения металла шва также спо­собствуют повышению его прочности (рис. 6.4), однако при этом снижаются его пла­стические свойства и ударная вязкость. Это объясняется из­менением количества и строе­ния перлитной фазы.

 

 

 

Рис. 6.4. Зависимость между скоростью охлаждения и механическими свойствами металла шва придуговой сварке низкоуглеродистых сталей

 

Критическая температура перехода металла однослойно­го шва в хрупкое состояние практически не зависит от скорости охлаждения. Скорость охлажде-ния металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкци­ей сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой из­делия.

Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослой­ных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предвари­тельно сва-ренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергаю-щийся действию повторного термического цикла свар­ки, имеет более благоп-риятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой крити-ческой температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая дефор-ма-ция, возникающая в металле шва под воздействием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва.

Обеспечение равнопрочности металла шва при дуговых способах сварки низкоуглеродистьх и низколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида тер­мообработки стали перед сваркой.

При сварке низкоуглеродисгых горячекатаных (в состоянии постав­ки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспе­чивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, как было рассмотрено выше.

Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсирован­ных режи-мах металла повышенной толщины, однопроходных угловых швов, при отри-цательных температурах и т.д. может привести к появле­нию в металле шва и околошовной зоны закалочных структур на участ­ках перегрева и полной и не-полной рекристаллизации.

Как видно из данных табл. 6.7 и рис. 6.5 скорость охлаждения для низко-углеродистых сталей оказывает большое влияние на их механиче­ские свойства. При повышении содержания марганца это влияние усили­вается. Поэтому даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки Ст3кп при указан-ных выше условиях не исключена возможность получения в сварном соедине-нии закалочных структур. Если сталь перед сваркой прошла термическое уп-рочнение - закалку, то в зоне термиче­ского влияния шва на участках рекрис-таллизации и старения будет на­блюдаться отпуск металла, т.е. снижение его прочностных свойств. Уро­вень изменения этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.

При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и околошовной зоны проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перефева и нормализации (см. рис. 6.2). Уровень изменения механических свойств металла больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термообработка низколегированных сталей, наиболее часто - закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочностных показателей при сохранении высокой пластичности (см. табл. 6.7) усложняет технологию сварки. На участках рек-ристаллизации и старения происходит разупрочне­ние стали под действием высокого отпуска с образованием структур пре­имущественно троостита или сорбита отпуска.

В процессе изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низ­ко-легированных сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, уда-ленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный наг-рев до температур около 300 °С, эти зоны становятся участками деформацион-ного старения, приводящего к снижению пласти­ческих и повышению прочнос-тных свойств металла и возможному воз­никновению трещин, особенно при низких температурах или в концен­траторах напряжений.

Высокий отпуск при температурах 600... 650°С в этих случаях слу­жит эффективным средством восстановления свойств металла (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Свойства стали СтЗкп в зависимости от термообработки и деформационного старения:

1 - исходное горячекатаное состояние; 2 - после 10 %-ной деформации растяжением при 250 °С; 3 - то же и последующего отпуска при 650 °С

Высокий отпуск применяют и для снятия сварочных напряжений. Нор­мализации подвергают сварные конструкции для улучшения структуры отдель-ных участков сварного соединения и выравнивания их свойств. Термообработ-ка, кроме закалки сварных соединений, в которых шов и око­лошовная зона ох-лаждались с повышенными скоростями, приведшими к образованию на неко-торых участках неравновесных структур закалочного характера (угловые одно-слойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), приводит к снижению прочност­ных и повышению пластических свойств металла в этих участках (табл. 6.7 и 6.9).

 

Примечание. Состав металла шва: при сварке под флюсом 0,12 % С; 0,75 % Мп; 0,22 % Si; при электрошлаковой сварке 0,14 % С; 0,80 % Мп; 0,07 % Si.

 

При сварке короткими участками по горячим предварительно нало­жен-ным швам замедленная скорость охлаждения металла шва и около­шовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термообработки в этом случае сказывается незначительно. При электро­шлаковой сварке, когда скорость остывания металла шва околошовной зоны сопоставима со скорос-тями охлаждения при термообработке, по­следующая термообработка мало из-меняет механические свойства ме­талла рассматриваемых зон. Однако норма-лизация приводит к резкому возрастанию ударной вязкости.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллиза-ционных трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Од-нако для низкоуглеродистых сталей, содержащих угле­род по верхнему пределу (свыше 0,20 %), при сварке угловых швов и первого корневого шва в многос-лойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование крис-таллизационных трещин, что связа­но в основном с неблагоприятной формой провара (узкая глубокая форма провара с коэффициентом формы 0,8... 1,2). Легирующие добавки в низ­колегированных сталях могут повышать вероят-ность образования кри­сталлизационных трещин.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо сваривают­ся практически всеми способами сварки плавлением.

Сварку среднеуглеродистых сталей следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применени­ем присадоч-ной проволоки с низким содержанием углерода и уменьше­нием доли основного металла в шве. Следует также обеспечить получе­ние шва с большим коэффи-циентом формы, выбирать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влия­ния, предупреждения роста зерна в зоне перегрева и по возможности от­сутствия хрупких закалочных структур. Послед-нее может быть обеспече­но предварительным подогревом до 250... 300 °С. Многослойная сварка, а также двухдуговая сварка в раздельные сварочные ван-ны (рис. 3.27, б) спо­собствуют получению качественных сварных соединений.

Высокоуглеродистые стали обладают плохой свариваемостью и их прак-тически не применяют для изготовления сварных конструкций. Не­обходимость сварки подобных сталей возникает при ремонтных работах. Она выполняется при предварительном подогреве до температур 450... 600 °С покрытыми элек-тродами или полуавтоматами.