3. Расчет режимов сварки сталей

Сварка на режимах, рассчитанных согласно методике, изложенной в первой части настоящих методических указаний, обеспечивает получение швов с оптимальными размерами и формой. Однако, во многих случаях вследствие структурных превращений, протекающих как в шве, так и в зоне термического влияния (ЗТВ), она не обеспечивает требуемых свойств сварного соединения. Поэтому удовлетворительное формирование швов является необходимым, но недостаточным критерием оценки режима сварки разнообразных конструкционных материалов.

Режим сварки не только должен обеспечить хорошее формирование швов, но и не вызвать существенного ухудшения свойств околошовной зоны, в первую очередь её пластичности и ударной вязкости. Следовательно, вторым условием выбора рационального режима сварки является обеспечение такого термического цикла, который обеспечит оптимальные свойства ЗТВ и металла шва.

Для расчётного определения режима сварки, исходя из второго условия, необходимо выбрать критерии оценки технологии и режима сварки. При их выборе необходим строго дифференцированный подход. Он зависит от физико-химических свойств свариваемых металлов и сплавов, и от того, в каких зонах сварного соединения при данном виде или способе сварки возникают опасные дефекты или происходят неблагоприятные изменения структуры и свойств, снижающие прочность конструкции в целом.

В настоящей второй части методических указаний изложена методика расчёта режимов сварки различных сталей исходя из указанного выше второго условия, т.е. получение сварного соединения, обеспечивающего равнопрочность с основным металлом.

3.1. Расчет режимов сварки низкоуглеродистых и

низколегированных низкоуглеродистых сталей

3.1.1. Выбор критериев для расчётного определения

режимов сварки

Низкоуглеродистые стали имеют очень высокую критическую скорость охлаждения при закалке и поэтому в зонах термического влияния сварных соединений этих сталей ощутимого общего повышения твердости не наблюдается. Склонность к образованию горячих трещин практически отсутствует. В связи с этим, изделия из указанных сталей свариваются без осложнений различными видами сварки в широком диапазоне значений погонных энергий. Свойства сварных соединений таких сплавов в основном определяются степенью развития рекристаллизации и огрубления структуры околошовной зоны и шва. Твёрдость металла, как правило, не превышает 180 НВ. Поэтому, в качестве основного критерия расчётного определения режима сварки используют скорость охлаждения V_охл внутри некоторого оптимального интервала ΔV_опт (табл.10), который обычно устанавливают по данным валиковой пробы таким образом, чтобы ударная вязкость в ЗТВ при отрицательных температурах была не ниже 3,0 МДж/м².

Таблица 10.

Оптимальный интервал скоростей охлаждения при сварке по данным изменения структуры и свойств сталей в околошовной зоне

Марка стали	Оптимальный интервал скорости охлаждения			% мартенсита, при ΔVопт	Твердость НВ, при ΔVопт
	ΔVопт, оС/с	Свойства: ан, МДж/м2; ψ,%; δ, %	Вид пробы, толщина металла, мм
Ст.2	6…18	ан≥5,0 (Т -60оС)	Валик, 20мм	-	155…170
Ст.3сп	1,4…15	ан≥5,0 (Т -50оС)	Валик, 12мм	-	155…165
09Г2	1,0…15	ан≥3,0 (Т -60оС)	Валик, 12мм	-	215…185
14Г2	1,0…1,2	ан≥2,0 (Т -70оС)	Валик, 20мм	-	225…270
14ХГС	2,4…16	ан≥4,0 (Т -70оС)	Валик, 20мм	-	200…225
10ХСНД	0,8…15	ан≥12,0 (Т +20оС)	Валик, 18мм	-	250…275
15ХСНД	1,8…9	ан≥7,0 (Т +20оС)	Валик, 12мм	-	230…250
10Г2СД	1,0…15	ан≥2,0 (Т -60оС)	Валик, 12мм	-	185…250
16ГС	1,0…8,5	ан≥2,0 (Т -60оС)	Валик, 12мм	-	170…210
17ГС	10…30	ан≥7,0 (Т -60оС)	Валик, 12мм	-	225…235
18Г2АФ	0,1…12	ψ ≥35; δ ≥ 17	ИМЕТ-1	0…30	190…275

Исключение могут составлять изделия из металла большой толщины (35…40 мм и более), особенно в условиях сварки при низких температурах (ниже -10^оС), прилегающие к свариваемым кромкам участки изделия следует прогреть до температуры 100^оС.

Аналогичны указанным сталям стали низколегированные низкоуглеродистые марок 09Г2 и 09Г2С. Хотя в этих сталях повышенное содержание марганца снижает критическую скорость охлаждения, пониженное содержание углерода в них предопределяет практически отсутствие мартенситного распада и превращений.

Несколько иначе ведут себя при сварке стали 10Г2С1, 15ХСНД, 17ГС и им аналогичные, низколегированные, с повышенным содержанием марганца, хрома и других легирующих элементов, при содержании углерода 0,15 % и более. У этих сталей вследствие наличия карбидов с более высокой устойчивостью, чем цементит, при наличии повышенного количества углерода, начинает сказываться эффект образования негомогенного аустенита при нагреве во время сварки и при охлаждении - образование бейнита и мартенсита. Поэтому рассматриваемая группа низкоуглеродистых сталей требует ограничений условий ведения сварочного процесса. Сварку таких сталей лучше выполнять на режимах, обеспечивающих скорость охлаждения металла, близкую к нижней границе интервала ΔV_опт, т.е. при повышенных значениях погонной энергии. Указанные ограничения касаются в основном больших толщин свариваемого металла (свыше 25…30 мм), т.к. при малых толщинах, даже если в ЗТВ образует мартенсит, количество его настолько невелико, что влияния на свойства практически не оказывает, а твердость ЗТВ этих сталей не превышает 220 НВ.

Большого внимания требует сварка низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением типа 16Г2АФ, 18Г2АФ и др. Принцип легирования этих сталей и создания в них повышенной прочности и вязкости основан на упрочении феррита марганцем, образование дисперсной упрочняющей фазы на базе имеющихся в стали азота, углерода, ванадия и получении очень мелкого зерна за счёт ограничивающих его рост не растворяющихся при нагреве нитридов (алюминия, частично ванадия и др.), которые также служат центрами кристаллизация во время перекристаллизации при охлаждении.

Упрочняющая дисперсная карбонитридная или нитридная фаза выделяется и упрочняет феррит в процессе охлаждения. Таким образом, в сталях рассмотренного типа, наличие дисперсной фазы позволяет повысить прочность. А получение мелкого зерна (балл 10…12) способствует повышению вязкости и хладностойкости.

Условия обеспечения высокой прочности и вязкости требуют сохранения упрочняющей фазы в дисперсном состоянии и сохранения мелкого зерна. Повышение погонной энергии и соответственно увеличение времени пребывания при высоких температурах в принципе может увеличить степень коагуляции упрочняющей фазы и повысить степень её растворения, а также рост зерна. Вследствие этого, прочность и вязкость ЗТВ при сварке с повышенными значениями погонной энергии могут снижаться. Поэтому, при расчёте режимов сварки этих сталей следует ориентироваться на скорости охлаждения металла близкие к верхней границе интервала ΔV_опт, установленного по методам ИМЕТ-1.

Стремление к уменьшению веса сварных конструкций и изделий привело к использованию низколегированных сталей в термически улучшенном состоянии, т.е. после закалки и высокого отпуска при температуре 550...670^оС. В таком состоянии применяют, например, стали 1ОХСНД, 17ГС, 16Г2АФ, 18Г2АФ и др. Сварка термически упроченных сталей осложняется тем, что в ЗТВ, там, где нагрев происходит до температуры, близкой к т.А_с1, происходит некоторое разупрочнение. Его степень тем больше, чем выше прочность закалённой и отпущенной стали перед сваркой и чем больше погонная энергия при сварке. Поэтому, сварку термически улучшенных сталей, предпочтительно выполнять с малым временем пребывания металла при высокой температуре, т.е. на режимах, обеспечивающих скорость охлаждения металла близкую к верхней границе интервала ΔV_опт.