Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглсродистыс нелегированные стали имеют достаточно хороший комплекс свойств, позволяющий при сварке получать равнопрочные основному металлу сварные соединения. Их применяют при изготовлении металлических строительных конструкций, корпусов судов, конструкций нефтяной и газовой промышленности и т. д. Эти стали малочувствительны к скорости охлаждения и практически не закаливаются с получением мартенситной структуры. Поэтому в условиях сварочных скоростей охлаждения их свойства по сравнению с горячекатаным состоянием изменяются незначительно. В зонах теплового влияния сварных соединений ощутимого повышения твердости не наблюдается. Как правило, твердость зоны термического влияния у низкоуглеродистых нелегированных сталей не превышает 180 ПВ.

Склонность к образованию горячих и холодных трещин у этих сталей практически отсутствует. Поэтому изделия из указанных сталей свариваются без осложнений различными методами сварки как при малых, так и при больших значениях погонной энергии. Лишь при сварке изделий больших толщин (35…40 мм и больше), особенно в условиях низких температур (ниже -10 °С), в связи с увеличением уровня сварочных напряжений прилегающие к свариваемым кромкам участки рекомендуется подогреть до температуры 100 °C.

Свойства сварных соединений низкоуглеродистых нелегированных сталей в основном определяются степенью огрубления структуры металла околошовной зоны и шва. Металл шва при обычных для сварки скоростях охлаждения, как правило, имеет крупнозернистую ферритноперлитную или сорбитообразную структуру. В наибольшей степени крупнозернистость структуры металла шва проявляется при электрошлакой сварке, меньше при газовой сварке и еще меньше при дуговых способах сварки.

Зона термического влияния при сварке низкоуглеродистых сталей может быть охарактеризована в связи с диаграммой состояния Fc-C и кинетическими зависимостями распада аустенита при охлаждении. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения и ее структурные участки на низкоуглеродистых сталях при дуговой однослойной сварке приведены на рис. 1.

На участке неполного расплавления (зона сплавления) металл нагревается в интервале температур между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному оплавлению зерен металла, облегчающему развитие крупного зерна. Этот интервал температур у низкоуглеродистых сталей невелик (около 30…40 °С). Поэтому зона сплавления представляет собой узкую полоску металла, шириной 0,08…0,10 мм при дуговой сварке и около 0,15…0,20 мм при электрошлаковой и газовой методах сварки. В процессе взаимодействия оплавленных зерен основного металла с расплавленным металлом сварочной ванны развивается ликвационный процесс диффузионного перераспределения примесей и происходит непосредственное сращивание кристаллов шва с зерном основного металла. Свойства этого участка зачастую определяют качество сварного соединения. Структура ферритно-перлитная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками.

Рис. I. Схема строения зоны термического влияния сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистых сталей

На участке перегрева металл нагревается в интервале максимальных температур от 1100… 1150 °C до температур линии солидуса. В этих условиях зерно аустенита успевает сильно вырасти, а последующая перекристаллизация при охлаждении не дает его заметного измельчения. Феррит окружает укрупненные перлитные зерна своеобразной каймой, причем иногда здесь вследствие перегрева после охлаждения образуется неблагоприятная видманштеттовая структура, способствующая охрупчиванию металла. Металл участка перегрева вследствие крупнозернистого строения характеризуется ухудшенными механическими свойствами (прочностью, пластичностью). Поэтому чем меньше этот участок, тем выше качество сварного соединения.

На участке нормализации металл нагревается от температуры точки Лс₃до температуры 1150 °C. В этом интервале максимальных температур зерно аустенита вырасти не успевает. Поэтому последующая перекристаллизация металла при охлаждении приводит к образованию мелкозернистой ферритно-перлитной структуры с высокими механическими свойствами.

На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до максимальных температур между точками Ас и Ас₃, поэтому данный участок характеризуется почти неизменившимися исходными зернами феррита, не прошедшими перекристаллизацию, и расположенными вокруг них колониями мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате перекристаллизации. Механические свойства этого участка хуже, чем свойства участка нормализации.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке металла, подвергшегося до сварки холодной обработке давлением (холодной прокатке, гибке, штамповке и т. д.). При нагреве такого металла в интервале максимальных температур от 500…550 °С до температуры точки Ас в нем происходят процессы рекристаллизации, которые могут несколько снизить механические свойства металла этого участка вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа. Если свариваемая сталь до сварки не подвергалась пластической деформации (горячекатаная или отожженная сталь), то на этом участке никаких структурных изменений нс происходит.

При нагреве металла от 100 до 500 °C (участок возврата и старения) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако на этом участке может иметь место снижение пластичности, главным образом ударной вязкости, вызванное процессами старения металла. У некоторых сталей, содержащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипящих), нагрев до температуры 150…350 °С сопровождается резким снижением ударной вязкости и сопротивляемости разрушению.

Ширина различных участков зоны термического влияния определяется способом и режимом сварки и в некоторой степени зависит от толщины свариваемого металла.