2. Зварюваність вуглецевих конструкційних сталей

В наш час зварюванню вуглецевих сталей приділяють велике значення у зв'язку з тим, що цей технологічний процес широко використовують в житловому і промисловому будівництві, в спорудженні мостів, газо- і нафтопроводів і в багатьох інших галузях техніки. Тому однією з головних властивостей сталей повинна бути хороша зварюваність, тобто здатність утворювати якісне зварне з’єднання.

При цьому зварний шов повинен бути рівноміцним з основним металом. Найпоширений вид зварювання - зварювання плавленням, при якому утворюється шов рідкого металу, і під впливом його температури нагрівається пришовна зона основного металу.

Існують показники оцінки зварюваності, які визначають в результаті проведення цілого ряду випробувань. Найпоширеніші з них такі:

1. визначення стійкості металу шва проти утворення кристалізаційних (гарячих) тріщин;

2. визначеная стійкості металу зони термічного впливу (при- шовної зони) до утворення холодних тріщин;

3. визначення стійкості металу шва, пришовної зони і зварного з’єднання в цілому проти переходу у крихкий стан;

4. перевірка службових характеристик металу шва і зварного з’єднання у порівнянні з такими ж характеристиками основного металу, наприклад, визначення механічних властивостей зварного з’єднання.

Вибір видів випробувань і методів контролю для оцінки зварюваності металу залежить від властивостей самого металу і умов

експлуатації виробу. При різних способах зварювання зварюваність сталі може бути неоднакова, і це повинно враховуватись під час впровадження технології зварювання.

Поступове вдосконалення методів зварювання переводить труднозварюваємі або незварюваємі сталі у легкозварюваємі.

Низьковуглецеві сталі добре зварюються усіма способами зварювання. Слід зазначити, що метал шва за хімічним складом завжди якось відрізняється від основного металу (знижують кількість вуглецю і підвищують вміст марганцю і кремнію).

Як раніше було відзначено, киплячі сталі холодноламкі і схильні до термічного і механічного старіння. Тому під час зварювання киплячих сталей з обох боків шва на відстані 5-15мм від межі сплавлення з'являються ділянки металу з підвищеною крихкістю. Внаслідок цього кипляча сталь не повинна застосовуватись для виготовлення зварних конструкцій, які працюють в умовах ударного навантаження при низьких температурах. З киплячої сталі звичайно виготовляють невідповідальні металічні конструкції, сільгоспмашини, різні ємкості тощо.

Широке застосування киплячої і напівспокійної сталі для виготовлення невідповідальних зварних конструкцій обумовлено низькою її вартістю порівняно із спокійною сталлю.

Спокійна сталь має однорідну і щільну будову з рівномірним розподіленням сірки і фосфору, і тому в ній немає недоліків, прина- лежних киплячій сталі. Із спокійної сталі виготовляють відповідальні зварні конструкції (парогенератори, резервуари великих ємкостей, мости, підйомники тощо).

Зварювання спокійної низьковуглецевої сталі особливих труднощів не завдає. Якість зварного з’єднання при цьому залежить від ретельності виповнення процесу зварювання і забезпечення необхідного складу наплавленого металу.

Під час дугового зварювання вуглецевих сталей існує небезпека утворення гарячих тріщин, яка обумовлена спільною дією сірки, вуглецю та кремнію.

Для запобігання утворенню гарячих тріщин необхідно підвищувати в шві вміст марганцю і знижувати кількість вуглецю і шкідливих домішок (8, Р). Марганець і кремній підвищують міцність і твердість сталі. Окрім того, марганець нейтралізує шкідливий вплив сірки, поліпшує ударну в'язкість шва.

Під час зварювання під флюсом необхідна кількість Мп в металі шва забезпечується використанням для цього відповідного дроту і флюсу. На рис. 235 схематично показана залежність між кількістю вуглецю, сірки і марганцю і утворенням гарячих тріщин в зварних кутових швах, виконаних на сталях автоматичним дуговим зварюванням під флюсом АН- 348 (М. І. Каховський).

З

Рис. 235. Вплив марганцю і вуглецю на схильність кутових швів до тріщиноутворення в залежності від кількості сірки.

варні з’єднання із низьковуглецевих спокійних сталей повинні задовольняти слідуючі вимоги: характеристики міцності (с_в і Со?) металу шва повинні бути не нижчими тих, що встановлені стандартами для основного металу; відносне видовження (8) повинно бути не менше 18%; ударна в'язкість при кімнатній температурі (КСП)-не менша 0,8МДж/м"; кут загину стандартного зразка, вирізаного із зварного з’єднання поперек шва - не менше 120°.

Після зварювання низьковуглецевої сталі ударна в'язкість при температурі - 20°С повинна бути не менше 0,35МДж/м². Необхідно, щоб шви були щільними, (без пор, тріщин, непроварів, підрізів) і мали рівномірний переріз уздовж довжини.

Зварні з’єднання, виконані з низьковуглецевих сталей методом зварювання під флюсом, експлуатуються без термічної обробки.

Електрошлакове зварювання низьковуглецевих сталей не викликає особливих ускладнень, але, навіть, для зварювання таких сталей потрібні електроди, леговані марганцем і кремнієм. Обумовлюється це тим, що при електрошлаковому зварюванні хоч і можливо підвищити вміст вуглецю в металі шва, але його зостається завжди значно менше, ніж в основному металі. Тому після електрошлакового зварювання низьковуглецевих сталей, (як і після дугового зварювання під флюсом), необхідні механічні властивості

металу шва забезпечуються підвищенням в ньому марганцю і кремнію.

Зварюваність середньовуглецевих сталей погіршується через підвищений вміст вуглецю. Вуглець знижує стійкість металу шва до утворення кристалізаційних тріщин і сприяє утворенню крихких не- рівноважних фаз в зоні термічного впливу. Поява мартенситу в ЗТВ може призвести до утворення холодних тріщин.

Небезпека появи кристалізаційних тріщин виникає через те, що вуглець, присутній в дендритах, підсилює ліквацію шкідливих домішок, насамперед сірки, яка виділяється уздовж меж зерен і може утворювати легкоплавкі евтектики. Тому вибирають присадкові матеріали (електродні дроти) із зниженою кількістю вуглецю і додатковим легуванням елементами, зміцнюючими ферит (марганець, кремній). Крім того, технологічними засобами зменшують долю основного металу в наплавленому.

Щоб попередити утворення нерівноважних структур під час зварювання виробів із середньовуглецевих сталей, слід уповільнювати охолодження металу, регулюючи режим зварювання або попередньо підігріваючи його. У відповідальних випадках для забезпечення високих пластичних властивостей зварного з’єднання і його рівноміцності з основним металом після зварювання призначають термічну обробку (загартування з високим відпусканням, нормалізацією). Використання середньовуглецевих сталей в зварних конструкціях не завжди доцільно, тому що вони за міцністю і надійністю поступаються сталям низьколегованим з меншим вмістом вуглецю.

Електрошлакове зварювання середньовуглецевих сталей ускладнюється тим, що за рахунок одного легування електродів марганцем і кремнієм неможливо одержати механічні властивості металу шва, які були б рівнозначними властивостям основного металу. У зв'язку з цим під час зварювання середньовуглецевих сталей прихо- диться підвищувати вміст вуглецю в металі шва, збільшуючи в ньому долю основного металу. Але з підвищенням вуглецю і кремнію в шві зростає загроза утворення кристалізаційних тріщин. Для запобігання цьому явищу впроваджують ефективні технологічні засоби.

Великим недоліком електрошлакового зварювання є те, що ванна розплавленого металу має значний об'єм і охолоджується упо- вільно при кристалізації. Це призводить до утворення круп- ностовпчастої структури шва, в результаті чого він має низькі механічні властивості. Виправити таку структуру, тобто провести подрібнення стовпчастих кристалів і всієї структури в цілому, можливо шляхцм термічної обробки зварного з’єднання. Такою термічною обробкою є нормалізація, (нагрів вище Ас₃ на 30-50°С і охолодження на повітрі). Нормалізація помітно зменшує зерно і підвищує механічні властивості зварного з’єднання.

Для конструкцій, які виготовляються із застосуванням електрошлакового зварювання, вуглецева сталь використовується у вигляді гарячекатаних плит, поковок і відливок.