2.2. Свариваемость низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода

Малоуглеродистые и низколегированные стали для сварных конструкций обладают низкой чувствительностью к термическому циклу сварки. Регулирование термического цикла сварки (выбор погонной энергии и температуры подогрева) позволяет получить необходимый комплекс свойств сварного соединения. Обычно в сталях этой группы содержание углерода не превышает 0,25%, а суммарное легирование – 4%.

Для изготовления различных деталей в машиностроении используются низколегированные стали с повышенным содержанием углерода. Эти стали относятся к высокопрочным сталям. При соответствующей термической обработке временное сопротивление сталей может составлять от 80 до 150 кгс/мм². К этим сталям относятся стали, со­держащие углерода в пределах 0,25-0,50% и суммарное легирование до 4%. Примеры марок стали - 35Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 50Г2, 30ХГТ, 30ХГНА, З0ХГСА и др. По чувствительности к термодеформационному циклу сварки к этой же группе можно отнести углеродистые стали (ст30, 35, 40, 50) и теплоустойчивые стали (молибденовое, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые (20М, 20ХМ, З8ХМЮА, 25Х1М1 и др.).

Повышение содержания углерода, а также степени легирования стали увеличивает склонность стали к резкой закалке с образованием в сварной соединении хрупких структур. Это способствует образованию холодных трещин (ХТ) под действием внутренних напряжений, определяемых неоднородностью температурного поля в свариваемом изделии. ХТ могут образовываться в процессе охлаждения или через некоторое время после полного остывания.

Для снижения скорости охлаждения ЗТВ с целью получения в ней структур, обладающих некоторым запасом пластичности, достаточным для предотвращения образования ХТ под действием термодеформационного цикла, возможно применение предварительного подогрева свариваемого изделия.

Вторым нежелательным эффектом воздействия сварочного термического цикла на низколегированную сталь с повышенным содержанием углерода является рост зерна на участках ЗТВ, где металл длительное время пребывал при температурах выше 1000°С.

На априорной стадии разработки технологического процесса сварки сталей оценивается возможность отказа от предварительного подогрева. В качестве критерия стойкости к ХТ используется эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле [2]

, (2.1)

где δ – толщина свариваемых листов, мм.

Символ химического элемента означает его содержание в процентах.

Если С_экв < 0,45%, то предварительный подогрев не требуется. При С_экв > 0,45% считается, что сталь потенциально склонна к образованию ХТ. Это означает, что при неблагоприятных режимах сварки весьма вероятно образование закалочных структур, которое в сочетании с высоким уровнем растягивающих внутренних напряжений и наличием диффузионного водорода ведет к зарождению и распространению ХТ. В этом случае необходим предварительный подогрев, температура которого Т₀ в ^оС при априорном анализе оценивается по формуле [2]

(2.2)

Выбор температуры по­догрева при сварке необходимо проводить с учетом склонности стали к росту зерна при температурах свыше 1000^оС. Чрезмерно высокий подогрев может вызвать заметное ухудшение свойств (прежде всего пластичности) металла ЗТВ.

При дальнейшем анализе необходимо сопоставлять мгновенную скорость охлаждения металла ЗТВ ω_охл при температуре минимальной устойчивости аустенита Т_m с критическим значением ω_кр. Сварка на режимах, при которых ω_охл > ω_кр, вызывает резкое сниже­ние пластичности металла ЗТВ за счет появления закалочных структур и образования холодных трещин. ω_охл определяется расчетным путем или при обработке экспериментальных кривых термического цикла сварки. Уменьшая ω_охп за счет применения предварительного подогрева, можно добиться пол­ного отсутствия мартенситной структуры при сварке многих конструкционных сталей.