Сварка стали, введение

Одной из причин хрупкого разрушения сварных соединений является склонность некоторых участков зоны термического влияния к старению, вызываемому распадом пересыщенного твердого раствора. Важную роль играет повышенное содержание азота в стали. Известно, что при комнатной температуре растворимость азота (в феррите не превышает 0,001%, в то время как его содержание конверторных, бессемеровских сталях при продувке воздухом достигает 0,015%и более (в мартеновских сталях содержание азота не превышает 0,008%).
С повышением концентрации азота, особенно после наклепа, резко снижается стойкость против хрупкого разрушения.
Исследования сварных соединении из мартеновской стали Ст.З, успокоенной кремнием и алюминием, мартеновскойI кипящей стали и бессемеровской кипя-1 Щей стали, содержащей 0,013% азота, показали, что наибольший эффект старения в зоне термического влияния обнаруживается на бессемеровской стали.
Меньше всего сказался термический цикл при сварке на спокойной мартеновской стали. А. А. Уэллс, Б. С. Касаткин и др. [78] показали, что в зоне термического влияния пластическая де-формация может достигать 5%. Столь значительные деформации могут при- вести к интенсивному развитию старения.
Пониженная стойкость сварных соединений против хрупкого разрушения резко проявилась при использовании конверторного металла из керченских руд, содержащих мышьяк. Производство этого металла была освоено в 1938— 1941 гг. В 1940—1941 гг., когда начался массовый выход из строя вагонных конструкций, возник вопрос о необходимости предъявлять к металлу более
высокие требования. В результате выполненных исследований были сформулированы требования по химическому составу, а также по ударной вязкости. Отметим, что вплоть до 1941 г. вопрос о вязкости металла, предназначенного для сварных конструкций, не рассматривался и показатель ударной вязкости не регламентировался. В Институте электросварки АН УССР под руководством Е. О. Патона были проведены большие исследования по улучшению низкоуглеродистой стали.
Следует отметить, что для получения сварных швов без трещин необходимо, чтобы примеси, способствующие образованию трещин, по превышали определенной величины и, что очень важно, распределялись равномерно по сечению стали [53]. Как отмечалось выше, под
влиянием термического цикла в зоне термического ВЛИЯНИЯ образуются структуры с повышенной хрупкостью [195].

Развитие методов

Исследованиями, проведенными в ИЭС им. Е. О. Патона, установлено, что повышение чувствительности стали к переходу в хрупкое состояние в результате термического цикла при сварке зависит от химического состава стали, способа раскисления и размеров зерна
Низкоуглеродистая сталь, успокоенная кремнием и алюминием и прокатанная при оптимальной температуре, обладает наиболее низким порогом хладноломкости в зоне термического влияния
[158]. Исследование причин повышения чувствительности стали к переходу
в хрупкое состояние показало, что это в большой мере связано со склонностью стали к старению. Поэтому было выдвинуто требование о необходимости проверки стали на склонность к старению.
В последнее время широкое применение в промышленности получили полу- спокойные стали. Переход к производству углеродистых полуспокойных сталей взамен спокойных позволяет без ^дополнительных капитальных затрат на 8—10% уменьшить расход слитков на производство металлопроката, сократить расход раскислителей, а также значительно упростить ряд технологических операций по подготовке составов и разливке стали.
На основании обширных исследований физико-механических служебных свойств углеродистой полуспокойной стали в сравнении со спокойной установлено, что в прокате толщиной до 10 мм включительно она может применяться взамен спокойной стали Ст.Зсп в сварных конструкциях без каких-либо ограничений по температурным условиям эксплуатации и виду испытываемых нагрузок. Прокат больших толщин из полуспокойной стали можно использовать в ответственных сварных конструкциях, но с некоторыми ограничениями по температуре эксплуатации.
С целью снятия каких-либо ограничений по применению полуспокойной стали взамен спокойной ВСт.Зспв толстом прокате для сварных конструкций массового назначения разработана сталь марки Ст.ЗГпс (18Гпс). Проведенные исследования [237] показали, что сталь в прокате свыше 10 мм удовлетворяет требованиям ГОСТ 380- 71. Сталь марки Ст.ЗГпс достаточно однородна по химическому составу и механическим свойствам, а также хорошо сваривается. Исследования служебных свойств, включая ударную вязкость при отрицательных температурах и после деформационного старения, показали, что по устойчивости сварных соединений против зарождения и распространения хрупких трещин она превосходит спокойную сталь ВСт.Зсп, поставляемую с такими же гарантиями, а по сопротивляемости воздействию переменным ударным нагрузкам равноценна этой стали. Спокойные и полуспокойные стали, предназначенные для ответственных конструкций, должны поставляться с гарантированными характеристиками по ударной вязкости при температуре —20° С, а также после механического старения. Для таких конструкций, как мосты, всевозможные подъемно-транспортные сооружения, подкрановые балки и т. п., работающие в условиях низких температур и переменного нагружения, может быть использована сталь марки М16С или 18Д, раскисленная кремнием и алюминием (около 1 кг на 1 т стали), обладающая высокой ударной вязкостью при отрицательных температурах и после механического старения. Хорошие свойства по свариваемости благодаря ограниченному содержанию 8 и Р (до 0,04%) имеют конструкционные стали по ГОСТ 1050- 74. Для многих сварных конструкции, например блоков, дизелей, мостовых кранов, успешно используются регламентируемые этими стандартами хорошо свариваемые стали марок 15 и 20. При этом в стали 20 целесообразно ограничить концентрацию С до 0,22%. Благодаря пониженному содержанию С может применяться такая же технология сварки, как и для стали марки ВСт.З.

Особенности сварки конструкций

Для сварных конструкций может успешно применяться терм упрочнённая сталь ВСт.З. По свариваемости она практически не отличается от горячекатанной. Предел текучести термически упрочненной стали на 35—40%, а временное сопротивление на 10—15% выше, чем горячекатанной.
Низколегированные стали. Применение сталей повышенной прочности для различных конструкций (мостов, резервуаров для хранения нефтепродуктов, газопроводов, вагонов, локомотивов) обусловлено, как известно, тем, что при замене обычных низкоуглеродистых сталей высокопрочными может быть получена большая экономия металла.
работа по изучению свойств низколегированных сталей применительно к сварным конструкциям начались в нашей стране в 1938—1939 гг. С целью повышения стойкости против коррозии была создана сталь марки ДС с повышенным содержанием Мп и содержанием Си около 0,5%. В Институте электросварки АН УССР проведены большие работы по изучению свариваемости и коррозионной стойкости сварных соединений из этой стали. Разработана технология ручной и автоматической сварки. Испытании показали, что сварное соединение обладает более высокой стойкостью против коррозии, чем соединения из обычной низкоуглеродистой стали. Сталь марки ДС была выплавлена И: прокатана, и из нее начали изготовлять сварные конструкции.
В то же время было открыто Орско- Халиловское месторождение, богатое рудами, содержащими хром и никель. Начались крупные исследования по использованию этих руд для низколегированных сталей. Были созданы хромоникелевые стали повышенной прочности марок СХЛ-1, СХЛ-2, СХЛ-4 (стали халиловские). Позднее первые Две марки были объединены и получили название 15ХСНД, сталь марки СХЛ-4 — ЮХСНД [116]. Низколегированные стали этих марок поставляются, как Указано ниже, с пределом текучести 3&0-400 МПа. Эти и подобные им стали Широко используются при изготовлении сварных конструкций.
Вопрос повышения прочности стали Для сварных конструкций является Довольно сложным, так как не все легирующие элементы, упрочняющие сталь, могут быть рационально использованы. Многие из них, например С, 81, В, ухудшают свариваемость. Все эти элементы снижают стойкость швов против кристаллизационных трещин.
Так, Си 81 отрицательно влияют ни хладноломкость стали.
В настоящее время стали повышенной прочности получают либо легированием без закалки и отпуска, либо легированием и термической обработкой.
При рассмотрении влияния различных элементов, которые вводятся в сталь для повышения ее прочности, должны учитываться требования свариваемости. При этом основными вопросами являются стойкость швов против кристаллизационных трещин и сопротивляемость хрупкому разрушению. Важным фактором, влияющим на прочность стали в сварных соединениях, является степень ее однородности. Одним из широко распространенных и дешевых элементов, повышающих прочность стали, является 81. В последние годы многими исследователями делались попытки легировать сталь кремнием. Однако стали с содержанием 81 более 1,0%, как правило, оказывались недостаточно стойкими против хрупкого разрушения, особенно при повышении содержания С до 0,2%, Кремний резко усиливает дендритную неоднородность сварных швов по сере и фосфору [202]. С повышением концентрации 81 в стали стойкость швов против кристаллизационных трещин понижается. Большое влияние на свойства стали оказывают кремнекислородные соединения. Исследованиями, проведенными в последние годы [202], установлено, что образующаяся при выплавке стали моноокись кремния снижает ее вязкость при низких температурах. При температуре 450—650° С в большой степени появляется обратимая хрупкость.
Наибольшая насыщенность металла моноокисью кремния получается при раскислении стали кремнием и главным образом в результате легирования. Оказалось, что сварные конструкций из стали типа 20ГС с содержанием 81 около 1,0% обладают пониженной стойкостью против хрупкого разрушения. Стали с содержанием кремния до 1,2% толщиной свыше 20 мм нельзя признать породами по стойкости против хрупкого разрушения в горячекатаном состоянии и даже после нормализации. Свойства этих сталей, особенно металла толщиной более 14 мм, улучшаются только после закалки и отпуска. Однако эту операцию не всегда можно рекомендовать для сталей массового производства. Стали с повышенным содержанием 81 весьма чувствительны к некоторым технологическим операциям, например на клену при вальцовке. Таким образом, может быть сделан вывод о том, что необходимо стремиться к максимальному снижению стали, предназначенной для сварных конструкции.
Известно, что N1, Мп и Сг способствуют повышению прочности феррита. Однако присадка N1 в стали не очень желательна, так как он, так же как и 81, резко усиливает дендритную неоднородность металла шва по С, 8, Р и понижает стойкость сварных швов против кристаллизационных трещин, в особенности при повышенном содержании 8. Хром повышает прочность стали в меньшей степени, чем Мп, N1 и 81. Его влияние проявляется главным образом при повышенном содержании С в стали, начиная примерно с 0,3—0,4%, т. е. значительно большей концентрации, чем в конструкционных сталях. В связи с этим из указанных легирующих элементов наибольший интерес представляет Мп. Кроме того, его стоимость | ниже, чем Ш и Сг, и он менее дефицитен. Как показали различные исследования, в отличие от других легированных сталей марганцовистые стали более склонны к перегреву (росту зерна аустенита). Однако этот недостаток можно устранить путем введения в сталь карбид образующих элементов — Т1, N1, V и т. п. Структура марганцовистых сталей получается более мелкозернистой. Почти все авторы приходят к выводу о том, что оптимально содержание в стали 1,3—1,8% Мп. При этом
можно рассчитывать на удовлетворительную вязкость металла. Марганцовистые стали типа 09Г2 со сравнительно низким содержанием С и Мп (около 1,5%) обладают хорошей свариваемостью и поэтому находят широкое применение при изготовлении сварных конструкций.
Для повышения прочности сталей в горячекатаном состоянии, выпускаемых в настоящее время в различных странах, а также в Советском Союзе, их, как правило, легируют малыми добавками редких металлов. Институтом электросварки совместно с Украинским институтом металлов проведены исследования по легированию низкоуглеродистых и марганцовистых сталей редкими металлами N1), V и другими элементами. Исследовались ниобий содержащие низкоуглеродистые стали типа Ст.З [185]. Ниобий оказывает более упрочняющее действие, чем ванадий. Для получения примерно одинаковых механических характеристик в марганцовистую сталь 10Г2 необходимо ввести ванадия в три раза больше, чем ниобия [184].
Весьма положительное влияние на повышение прочности стали оказывает комплексное легирование ГЬ и V. При этом сумма обеих примесей не превышает 0,15%. При содержании в стали до 0,16—0,18% С и около 1,5% Мп временное сопротивление достигает 560—580 МПа, а предел текучести металла толщиной до 16—20 мм не ниже 450 МПа. Ударная вязкость такой стали при низких температурах достаточно высокая: при температуре —40° С она выше 300 кДж/м. Падение вязкости после высокого отпуска комплексно легированной стали не наблюдается.
На основании изложенного можно сделать некоторые рекомендации по легированию стали повышенной прочности для сварных конструкций.
1. В ряде случаев следует избегать легирования стали 81, так как он ухудшает свариваемость, и ограничить его содержание до 0,4%. При содержании до 0,12% С можно допустить несколько более высокую концентрацию кремния—До 0,55% •
2. В тех случаях, когда есть большая возможность образования горячих трещин, в сталь с пределом текучести 400—450 МПа не целесообразно вводить N1,так как он, так же как и 81, понижает стойкость швов против кристаллизационных трещин. При сравнительно низ-ком содержании углерода (до 0,20%)хром не оказывает заметного влияния на упрочнение стали.
3. Марганец в количестве 1,4—1,8%при содержании углерода до 0,18% способствует повышению прочности без ухудшения свариваемости. Легировании стали с таким содержанием Мп малыми добавками 1ЧЬ, V, как комплексное легирование этими элементами, способствует повышению прочности стали.
4. Марганцовистая сталь с N5, V и с0,18% С обладает хорошей свариваемостью.
В последнее время ведутся исследования по созданию марганцовистых сталей повышенной прочности с при-садкой азота. Последний, способствуя образованию нитридов, обеспечивает повышение прочностных характеристик, не снижая вязкости. Стойкость
против разрушения этих сталей выше10Г2С1 и 10ХСНД такого же класса. Хорошие результаты при испытании на свариваемость получены марок 14Г2АФ, 18Г2АФпс,15Г2АФДпс, разработанных Институтом черной металлургии с участием ИЭС им. Е. О. Патона. Стали рекомендуются для ответственных конструкций, эксплуатирующихся при низких температурах в Условиях Крайнего Севера. Имеющийся опыт позволяет заключить, что стали на 10Г2С1 и 10ХСНД могут быть успешно заменены другими, легированными азотом. Низколегированные высокопрочные стали для сварных конструкций. С0 больше возрастает потребность в сталях, сочетающих высокую прочность Достаточной пластичностью, вязкостью, хладостойкостью и удовлетворительной свариваемостью. В нашей стране освоено производство ряда марок высокопрочных низколегированных сталей с пределом текучести более 600 МПа, например 14Х2ГМР,14ХМНДФР и др. В последние годы проведены опытно-промышленные работы по применению этих сталей для сварных конструкций различного назначения: тяжело нагруженных узлов и деталей карьерных и шагающих экскаваторов, грохотов, большегрузных автосамосвалов, драг и др. Они позволили накопить необходимый положи-тельный опыт [79]. Особенно эффективным является применение высоко-прочных сталей при изготовлении подъемно-транспортного оборудования, так как это значительно уменьшает собственный вес конструкции. Высокая сопротивляемость этих сталей хрупкому разрушению открывает широкие возможности использования их для изготовления сварных конструкций, к которым предъявляются высокие требования по хладостойкости. Чтобы удовлетворить указанным требованиям, при создании высокопрочных сталей для сварных конструкций широко используются различные системы легирования и технологической обработки, сочетание которых обеспечивает получение необходимых свойств сталей, предопределяющих область их применения. Общая тенденция при разработке экономичных хорошо свариваемых высокопрочных сталей сводится к получению металла с наиболее измельченной структурой при минимальном легировании. Исследованиями, выполненными в последние годы,установлено, что наиболее перспективными для сварных конструкций являются высокопрочные низколегированные стали с мартенситной или бейнитной структурой. Наилучшее сочетание свойств стали достигается после закалки и высокого отпуска. При изготовлении проката малых толщин требуемые свойства могут быть получены после нормализации и высокого отпуска. Высокопрочные низколегированные стали содержат 0,15—0,60% Мо, 0,002—0,006% В и другие легирующие элементы.
Наилучшее сочетание свойств имеют стали, основными легирующими элементами которых являются 0,4—
0, 6% Мо и 0,002—0,006% В с добавкой других легирующих элементов. При наличии в стали указанных количеств Мо и В и при соответствующей термической обработке обеспечивается получение стабильной бейнитной или мартенентной структуры в листовом прокате толщиной до 15 мм. К указанным относятся стали марок 14Х2ГМР, 14ХМНДФР, Т-1 и др.
Низкоуглеродистые мартенситные стали (14ХМНДФР, Т-1 и др.) наряду с высокими показателями прочности обладают хорошей пластичностью и вязкостью. В этих сталях мартенситное превращение происходит при относительно высоких температурах. Низко- углеродистые мартенситные стали отличаются незначительной склонностью к образованию закалочных структур. До температур —50-^—80°С эти стали сохраняют высокую сопротивляемость разрушению. Для высокопрочных сталей характерна более высокая стойкость к атмосферной коррозии, чем для обычных конструкционных сталей. Так, сталь Т-1 примерно в четыре раза более стоика к атмосферной коррозии, чем обычная низкоуглеродистая.

Стальной прокат

Применение проката из высокопрочной стали характеризуется экономией металла (до 20—40%), сокращением трудоемкости (до 20%), снижением веса наплавленного металла, уменьшением транспортных затрат. Применение сварных конструкций из высокопрочных сталей является важным фактором технического прогресса в промышленности.