6. Свариваемость стали

В настоящее время сварку широко применяют в жилищном и промышленном строительстве, мостостроении, строительстве газо- и нефтепроводов и во многих отраслях техники. Крупногабаритные стальные изделия, как правило, изготавливают сварными. В связи

с этим свариваемость стали — одно из главных ее технологических свойств. Выше были рассмотрены конструкционные (цементуемые и улучшаемые) высокопрочные стали. Детали машин, которые из них изготавливают, обычно не подвергают сварке.

При сварке должно получаться плотное и равнопрочное с остальным изделием соединение. Основной вид сварки — сварка плавлением, при которой наплавляется шов жидкого металла и под действием его температуры нагревается околошовная зона. В сварном шве следует различать три зоны (рис. 298): I - шов (литая структура); II — околошовная зона, нагретая в процессе сварки свыше критических точек; III — околошовная зона, нагретая в процессе сварки ниже критических точек.

Рис. 298. Схема сварного соединения

Для целостности, и, следовательно, для прочности сварного соединения прежде всего опасны трещины, которые могут образовываться из-за градиента температур и возникших в результате этого внутренних напряжений.

Сварочные трещины делятся на две категории — горячие и холодные. Первые возникают главным образом в самом шве в момент его кристаллизации, когда шов находится в полутвердом состоянии (кристаллы жидкость) и обладает еще малой прочностью. Чем дольше будет металл находиться в таком состоянии (кристаллы жидкость), тем больше опасность возникновения горячих трещин при прочих равных условиях. Элементы, расширяющие интервал между линиями ликвидус и солидус, повышают чувствительность к горячим трещинам.

Углерод оказывает неблагоприятное влияние, так как он расширяет интервал кристаллизации и тем самым способствует образованию горячих трещин.

Холодные трещины возникают в результате мартенситного превращения. Поэтому легирующие элементы, способствующие переохлаждению аустенита до температуры мартенситного превращения в зонах, нагретых выше критической точки, способствуют образованию холодных трещин. Углерод увеличивает объемный эффект мартенситного превращения и поэтому усиливает склонность стали к образованию холодных трещин.

Исходя из сказанного, содержание углерода обычно лимитируют определенным значением порядка не более 0,22-0,25 %. Чем интенсивнее сварка, тем более резко изменяется температура, тем больше по знаку возникают напряжения, тем меньшее содержание углерода можно допустить в стали.

Отличие сварного шва от основного металла заключается не только в том, что в шве структура литая, а в основном металле обычно деформированная, но и в самом составе металла. Применяя различные обмазки электродов и различную по составу электродную проволоку, можно соответствующим легированием смягчить или устранить неблагоприятный для прочности фактор, каким является литая структура шва.

Раз есть реальные способы, то можно создать шов, равнопрочный с основным металлом. Принципиально иное положение околошовной зоны. Состав околошовной зоны при сварке не изменяется, но меняется и не в лучшую сторону ее строение. Реакция основного металла на термический цикл сварки и характеризует в первую очередь свариваемость металла.

Если произведена сварка плавлением, то сварной шов (см. рис. 298) был расплавлен и, следовательно, на границе между швом и основным металлом (зоны I и II) температура равнялась температуре солидуса, а затем снижалась как показано сплошной кривой и, следовательно, зона II была нагрета выше критической точки а зона III — ниже.

Что же произойдет, если мы сварим низкоуглеродистую нелегированную сталь? Практически ничего существенного, несколько вырастит зерно в зоне II, но структура останется итной.

Если сваривать легированную сталь, то в зоне II произойдет закалка, полученный крупноигольчатый мартенсит хрупкий.

Если сваривать термически обработанную легированную сталь, то кроме сказанного выше, переотпустится и металл в зоне III, что поведет к снижению его прочности. Чтобы исправить эти неблагоприятные воздействия при сварке, следует сварные изделия подвергнуть термообработке (отпуску для снятия напряжений и нормализации; закалка отпуск полностью восстанавливает структуру), что из-за больших размеров сварных изделий весьма затруднительно.

Если не производить последующей термической обработки (закалки с отпуском), то при сварке простых углеродистых сталей независимо от исходной прочности в зоне максимального разупрочнения предел прочности падает до а в сталях, специально легированных элементами, предел прочности в зоне максимального разупрочнения сохраняется на уровне Эти цифры — максимальные значения прочности для свариваемых сталей.