1.4. Равнопрочность сварных соединений высокопрочных сталей

1.4.1. Пути получения равнопрочных сварных соединений высокопрочных сталей

Металлоемкость, долговечность и другие технико-экономические показатели сварных конструкций зависит от величины прочности основного металла и степени равноценности свойств сварных соединений с основным металлом.

Для получения высоких механических свойств высокопрочные стали подвергаются весьма сложным технологическим операциям. Выплавка и разливка проводятся с применением рафинирования (например ЭШС–переплав), что позволяет получать стали с низким содержанием вредных примесей (серы, фосфора, кислорода, водорода и др.), значительно ослабляет макроскопическую ликвацию в слитках.

Обычно стали используются в катаном или кованом состоянии. Прокатке слитков, как правило, предшествует обкатка их на прессах.

Листовой прокат и заготовки изделий подвергают сложной термической обработке – обжигу, нормализации, закалке с последующим отпуском и т.д.

Сварные же соединения подвергаются многим (большинству) из этих операций, существенно улучшающих структуру, а также физическую и химическую неоднородность металла.

Поэтому естественно возникают вопросы:

Можно ли получить свойства металла шва, равноценные свойствам основного металла, если металл шва, имея после сварки литую столбчатую структуру, впоследствии подвергается только термической обработке, а в отдельных случаях и не термообрабатываемая и можно ли устранить перегрев металла в околошовной зоне в процессе термообработки?

Известно, что скорость кристаллизации швов при различных способах сварки не одинакова, величина ее зависит от применяемых режимов сварки, толщины свариваемого металла и целого ряда других факторов. Например: рассмотрим и сравним соединение, выполнение электрошлаковой и электроннолучевой сваркой. При электрошлаковой сварке V_КР значительно меньше, чем при электроннолучевой, а так как, то и степень структурной неоднородности в швах, выполняемой с помощью указанных способов сварки – так же весьма неодинакова. Сопоставление микроструктур металла швов (сталь 30ХГСНА), выполненных этими двумя способами сварки показывает, что для швов, выполненных ЭШС характерна более грубокристаллическая литая структура с сильно выраженной структурой неоднородностью, появление которой обусловлено химической микронеоднородностью, возникающей в процессе кристаллизации шва. В швах, выполненных ЭЛС, первичная структура значительно меньше и структурная неоднородность выражена слабее.

Размеры первичных кристаллитов и ликвационных прослоек в структуре швов, выполненных ЭШС на порядок меньше, чем в слитках и отливках. Этим и обуславливается значительное различие в свойствах металла литых заготовок и металла швов. Так ударная вязкость литой стали 27ХГСНА в тонкостенных отливках в 1,5…2 раза (0,2 – 0,3 МДж/м²) ниже ударной вязкости ЭШС–швов такого же химического состава. Поэтому для получения высококачественных литых заготовках ответственного назначения используют электрошлаковый переплав. (Раньше – ковка).

1.4.2. Химическая микро неоднородность в высокопрочных сварных швах.

В процессе исследований, выполненных в ИЭС имени Патона, изучалась химическая микронеоднородность высокопрочных швах сварных соединений стали 30ХГСНА, выполняемых ЭШС, электродуговой сваркой с применением режимов, обеспечивающих значительную разницу в скоростях охлаждения. Средние значение ширины столбчатых кристаллитов, в участках, исследованных затем на микроанализатора французской фирмы “Камока”, составили (в мкм) 212 – ЭШС, 50 – электродуговая и 19 – ЭЛС. Полагая в первом приближении, что ширина столбчатых кристаллитов обратно пропорциональна скорости охлаждения, при ЭШС – более, чем в 10 раз меньше скорости охлаждения при ЭЛС.

С помощью микроанализатора определялось содержание следующих элементов: хрома, марганца, никеля, кремния, молибдена и вольфрама на границах первичных кристаллитов (С_ТР), в их телах (С_Т), а также степени ликвации (С_ТР/С_Т). И оказались после сопоставления данных, что большая скорость охлаждения швов, полученных при электролучевой сварке, как правило, не приводит к уменьшению степени ликвации в них кремния, марганца, хрома и никеля, но сравнить со степенью ликвации этих же элементов в швах, выполненных электродуговой и ЭШС.

На основании полученных результатов был сделан очень важный с практической точки зрения вывод: зависимость свойств металла сварных швов от скорости охлаждения определяется не изменением степени ликвации, а, главным образом, изменением размеров столбчатых кристаллитов и ширины обогащенных межкристаллитных границ. Причем обогащение межкристаллитных границ легирующими элементами при всех способах сварки значительно. Суммарная разница в содержании легирующих элементов на межкристаллитной границе и в теле кристаллита, в металле швов из сплава 30ХГСН составляет 1,5…2,0 %. Величина этой разницы существенно зависит от типа металла шва и содержания углерода в нем.

Аустенит межкристаллитных границ, обогащенный легирующими элементами, имеет большую устойчивость и распадается при более низких температурах, чем в теле зерна. При охлаждении продукты распада аустенита на границах кристалла подвергаются отпуску в меньшей степени и обладают меньшей пластичностью. Следовательно, химическая микронеоднородность в высокопрочных швах, достигающая значительной величины, вызывает образование хотя и незначительное, но все же неблагоприятное влияние на пластичность и ударную вязкость металла шва.

После сварки сварные конструкции из высокопрочных сталей в большинстве случаев подвергается последующей термической обработке, заключающейся обычно в закалке и низком отпуске.

Результаты исследований влияния термообработки на химическую микронеоднородность металла шва различных типов, выполненных электродуговой сваркой показывает, что в процессе нагрева под закалку швов, легированных изучаемыми комплексами, химическая неоднородность в них устраняется не полностью. Эти данные, свидетельствуют о том, что нагрев до 900 ⁰С, применяющийся при окончательной термообработке многих высокопрочных сталей, не может использовать влияние химической микронеоднородности на механические свойства. Поэтому основное влияние необходимо уделять регулированию величины и характера неоднородности в процессе её развития, т.е. при кристаллизации швов.