предел прочности сварного соединения в зависимости от состояния металла перед сваркой и последующей термической обработки определяется прочностью основного металла в случае сварки стали в состоянии отжига, прочностью зоны отпуска при сварке металла, предварительно упрочненного закалкой, прочностью металла шва в случае упрочняющей термической обработки после сварки.

В зависимости от размеров сварной конструкции, деформируемости ее при высокотемпературном нагреве, требований, предъявляемых к соединениям, наличия оборудования длятермическойобработки, а также экономичности изготовления конструкции сварные соединения из среднелегированных сталей можно подвергать или не подвергать термической обработке. При этом технология сварки зависит от вида термической обработки соединений после сварки.

Сварные соединения, подвергающиеся полной термической обработке, применяют во всех случаях изготовления ответственных и тяжело нагруженных конструкций, когда это возможно, т. е. если позволяют габаритные размеры конструкции и обеспечиваются условия предупреждения коробления при термической обработке. После полной термической обработки сварное соединение, как правило, становится равноценным основному металлу по всему комплексу физико-химических свойств при условии, что химический состав металла шва и свариваемой стали будет одинаков.

В некоторых случаях при этом механические свойства металла шва могут быть выше, чем механические свойства основного металла, за счет более благоприятной структуры первичной кристаллизации и большей химической однородности по сравнению с катаным металлом, полученным из относительно крупных слитков. Механические свойства сталей 28ХЗСНМВФА и 42Х2ГСНМ (б = 4 мм) и металла шва, выполненных электронно-лучевой и аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом с поперечными колебаниями, приведены в табл. 4. Термическая обработка свар!юго соединения после сварки и основного металла была одинаковой (закалка и отпуск).

4. Мехаипческпе свойства основного металла и металла швов сталей 28ХЗСНМВФА и 42Х2ГСНЛ1

Однако иногда наблюдаются случаи, когда металл шва, близкий к основному металлу по химическому составу, после термической обработки обладает худшими вязкостью и пластичностью. Это связано с повышенным содержанием газов, серы и фосфора в металле шва, образованием микродефектов, неполным устранением химической неодкогодпсстн и столбчатой структуры после термической обработки, проводимой не по оптимальному режиму, и другими причинами. Подобные случаи наблюдаются при газовой сварке, сварке под кислыми флюсами и в некоторых других случаях.

При сварке закаливающихся сталей иметь одинаковый химический состав металла шва и ссновиого металла не всегда представляется возможным из-за опасности об\:п?оьот:п кристаллизационных трещин. Особенно это относится к средне-легировапиым сталям средних и больших толщин с-повышенным содержанием углерода, никеля и кремния. В этих случаях прибегают к применению присадочной проволоки с пониженным содержанием указанных эле.ментов, обеспечивающей

легирование шва элементами, повышающн.ми стойкость против трещинообразования (марганцем, хромэм, титаном). При выЗорэ состава проволоки нужно учитывать, что часть легирующих элементов и углерода посгупаэт в шов из основного металла в соответствии с долей его участия в образовании шва. Эта доля огфеделяется методом н режимом сварки и может изменяться в пределах 15-80%.

В сварных соединениях, подвергающихся полной термической обработке, можно меньше считаться с влиянием первичной структуры на свойства металла шва, чем в соединениях, не подвергающихся термической обработке. Грубозернистая структура участка перегрева околошовной зоны при термической обработке пвлностью устраняегся. Это позволяет применять высокопроизводительные методы сварки, когда может образоваться первичная грубокрисгаллическая структура, - электрошлаковую сварку, сварку под флюсом при большой погонной даергии.

Более сложно обеспечить равнопрочность и высокую работоспособность сварных соединений при сварке сталей в термически обработанном упротненнэм состоянии. Прочность сварного соединения, не подвергнутого термической обработке после сварки, зависит от того, насколько из.меняется структура и прочность основного металла в околошовной зоне и металла шва под влиянием нагрева при сварке. Наименее прочной при этом является зона высокого отпуска. Прочность металла в этой зоне и ширина ее зависят от марки стали и способа сварки. Че.м болге теплоустойчива сталь, тем менее она разупрочняется при сварке; чем быстрее протекает сварка и меньше тепловложение, тем уже зона термического влияния итем в меньшей степени снижается прочность основного металла. Сталь 12Х2НВФА не разупрочняется при сварке как более теплоустойчивая, а сталь ЗОХГСА менее теплоустойчива и разупрочняется в среднем на 20%. При газовой сварке сталей типа ЗОХГСА механические свойства снижаются в большей степени, чем при дуговой. Зона термического влияния при газовой сварке распространяется на ширину 30-Ш мм в зависимости от толщины свариваемых кромок, тогда как при дуговой сварке эта зона равна 4-6 мм. При этом в случае газовой сварки прочность сварных соединений равна 65-70 кгс/мм, а при дуговой сварке 100-110 кгс/мм при прочности основного металла 120 кгс/мм. Снижение прочности металла в зоне высокого отпуска связано с прочностью основного металла до сварки. Например, для сварного соединения стали ЗОХГСА, выполненного электродами ВИЮ-6 (Св-18ХМА), наблюдается следующая зависимость:

Од сварного соединения в зоне отпуска, кгс/мм* 100-1 G основного металла до сварки, кгс/мм* 130

85-95 100-110

70-80 70-80

Прочность в зоне закалки (при нагреве выше точки Ас-) для стали одной и той же марки не зависит от прочности стали до сварки. На сталях типа ЗОХГСА вонолошовной зоне ео структурой крупноигольчатого мартенсита предел прочнжти достигает 180 кгс/мм. Однако прочность этой зоны определяется не столько пределом прочности, сколько пластическими и вязкими ее свойствами, ее чувствительностью к хрупкому разрушению. При концентрации напряжений в этой зоне, сложнонапряженном состоянии, при низких температурах и других условиях, благоприятствующих хрупкому разрушению, реальная конструктивная прочность & 1,5-2 раза ниже предела прочности, определенного на гладких разрывных образцах. Это же относятся и к металлу шва, имеющему состав, близкий к составу осгювного металла. Поэтому сварку деталей без последующей термической обработки рекомендуется применять преимуществен.чо для среднелегированных сталей с < 100 ~ 110 кгс/мм, при которых пластичность и вязкость металла шва и прилегающей зоны можно обеспечить достаточно высокими (как, например, ДЛЯ стали 12Х2НВФА). Необходимая работоспособность термически необработанных сварных соединений закаливающихся сталей при наличии хрупких закалочных структур в околошовной зоне может быть обеспечена путем применения врисадочных проволок, обеспечивающих высокие пластичность и вязкость металла о*ва при определенном снижении его прочности.

При сварке ответственных конструкций из среднелегированных сталей, не подвергающихся последующей термической обработке, в тех случаях, когда равнопрочность не является обязательным условием, для обеспечения высокой пластичности и вязкости швов используют сварочную проволоку с высоким содержанием легирующих элементов (Св-07Х25Н13; Св-08Х20Н9Г7Т), обеспечивающих получение металла шва с устойчивой аустенитной структурой при 55 кгс/мм-. Эти свойства шва сохраняются и при низких температурах и при ударных нагрузках. В этом случае резко повышается стойкость против образования трещин в околошовной зоне.

Для обеспечения работоспособности реальных сварных конструкций из закаливающихся сталей без термической обработки после сварки необходимо предусматривать меры, предупреждающие хрупкие преждевременные разрушения при

работе изделий в условиях низких

2000

6000 N циклов

Рис. 3. Влияние температуры испытания на изменение циклической прочности

температур, опасных концентраторов напряжений и наличия остаточных сварочных напряжений.

С понижением температуры для основного металла и металла шва прочность (о- ; о; НВ) повышается, а пластичность и вязкость (65, ф, Оц) снижаются. При наличии закалочных структур в сварных соединениях, не подвергнутых термической обработке, эти изменения могут резко усугубить опасность хрупкого разрушения. Например, сварные швы стали ЗОХГСА, выполненные электродами ВИ10-6 при + 20° С, имеют ударную вязкость Оц = 4-ь 5 кгСМ/см2, при - 40° С = 2,5 = 3,6 кгс-м/см, при - 70° С

= 0,8-Ь 1,8 кгсм/см. Ударная вязкость в последнем случае является недопустимой для надежной работы конструкции. При сварке аустенитными электродами перечисленные показатели не изменяются в диапазоне температур -f 20° С, - 70° С и ниже. Чувствительность металла сварных швов к низким температурам проявляется такяе при повторном статическом на-гружении (при изгибе или растяжении). На рис. 3 приведен пример снижения прочности при повторно-статических нагрузках при понижении температуры испытания швов стали ЗОХГСНА, выполненных ручной дуговой сваркой электродами ВИ10-6 (Св-18ХМА). При этом в металле шва наблюдаются структура сорбита с грубым строением и крупные выделения феррита и цементита иглообразной формы. В случае применения термической обработки после сварки эти неблагоприятные структуры могут быть полностью устранены. При соответствующих технологических приемах сварки улучшение структуры со снижением структурной и химической неоднородности может быть достигнуто и без последующей термической обработки.

Остаточные напряжения в сварных конструкциях при статических одноразовых нагружениях, как правило, не снижают прочности, за исключением сложных конструкций с большим скоплением швов при низкой пластичности металла. Однако при повторно-статических и вибрационных нагружениях эти напряжения становятся опасными. При этом опасны ite только максимальные растягивающие напряжения в эпюре остаточных напряжений, но и общая площадь, находящаяся под воздействием растягивающих напряжений, т. е. o6uj,ee количество упругой энергии, затраченное металлом на сопротивление этим напряжениям. Чем это значение выше, тем более затруднена релаксация напряжений в местах концентраций и вероятнее хрупкое разрушение. С этой точки зрения сварка источниками с большой плотностью тепловой энергии, например аргонодуговая (особенно

в импульсном режиме), плазменная, электронно-лучевая, обеспечивает более надежное работоспособное соединение, чем газовая сварка или сварка под слоем флюса.

Эффективным средством повышения работоспособности при повторно-статических и вибрационных нагрузках является поверхностная обработка (вибронаклеп, обработка дробью, обкатка роликами, наклеп пневмомолотком). Поверхностная обработка снимает остаточные напряжения растяжения и создает напряжения сжатия в поверхностном слое, улучшает поверхность и устраняет концентраторы путем создания плавных переходов от шва к основному металлу и устранения поверхностных дефектов. Проковка сварных стыковых соединений снижает сварочные остаточные напряжения вдоль шва на 75%; проковка перекрестных швов снижает остаточные сварочные напряжения в месте их пересечения в 2-4 раза. Наклеп дробью, пневмомолотком или обкаткой роликом существенно не влияет на предел прочности сварного соединения и ударную вязкость, однако обеспечивает высокий упрочняющий эффект при повторно-статических и вибрационных нагружениях. Предел выносливости сварных соединений при этом увеличивается на 30--60%, а долговечность, т. е. число нагружений, в 3-5 раз. Поверхностный наклеп является эффективным как для сварных изделий без термической обработки, так и для изделий, термически обработанных после сварки.

При необходимости несколько повысить механические свойства металла шва И околошовной зоны и сиять сварочные напряжения иногда прибегают к высокому или низкому отпуску конструкций после сварки. Высокий отпуск (нагрев до 600- 650° С) более эффективен, чем низкий (до 200-300° С), так как обеспечивает снятие сварочных напряжений и устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом прочность сварного соединения несколько понижается, а пластичность И ударная вязкость существенно повышаются. Отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и, следовательно, не может устранить ни столбчатой структуры щва, ни перегрева в околощовной зоне. Для этой цели необходимо применять те же технологические мероприятия, что и в случае сварки без последующей термической обработки.

Повышение пластичности и вязкости металла шва в результате отпуска допускает его большее легирование, по сравнению с легированием швов, не подвергающихся термической обработке. В связи с этим в соединениях, подвергающихся отпуску, превращение переохлажденного аустенита в металле шва может происходить в области бейнитного и мартенситного превращения с образованием игольчатой структуры (чего нельзя допускать в швах без термической обработки). При отпуске такой металл приобретает высокую пластичность и вязкость в сочетании с достаточно высокой прочностью. Если подвергнуть отпуску соединения, не повышая легирования металла шва, то прочностные и вязкие свойства его могут заметно снизиться. Сварка с присадочной проволокой, состав которой аналогичен составу основного металла, или сварка путем переплава основного металла без присадочной проволоки в этом случае являются обоснованными. Этот вариант часто применяют для сварки высокопрочных сталей типа 28ХЗСНМВФА, ЗЗХЗСНМВФА, 43ХЗСНМВФА, 42Х2ГСНМ и 30Х2ГСНВМ. При изготовлении ответственные изделия из высокопрочных сталей с а 150 кгс/мм (например, крупногабаритные емкости, работающие под давлением) с целью повышения пластических и вязких свойств подвергают местному высокотемпературному отпуску с регламентированной шириной зоны отпуска с помощью индукторов ТВЧ. Эту операцию выполняют преимущественно на кольцевых швах, соединяющих предварительно упрочненные обечайки, обечайки со шпангоутами, стыки трубопроводов и др. При выборе оптимальной ширины зоны разупрочнения, несмотря на более низкую прочность (60-70% прочности основного металла), обеспечивается равнопрочность емкостей, работающих под давлением, и высокая надежность при повторно-статических нагружениях [10].

Для сталей типа 28ХЗСНМВФЛ. ширина разупрочненной зоны при диаметре сосуда 1 м может достигать 20-30 мм при сохранении равнопрочности без применения утолщения в месте соединения. Местный индукционный нагрев сварного соеди-

б п/р. Акулова А. И., т. 2

нения с образованием зоны, регламентированной по механическим свойствам и ширине, позволяет не применять общую термическую обработку конструкции, сваривать элементы из высокопрочных среднелегированных сталей в упрочненном состоянии и обеспечивает надежную равнопрочность и работоспособность изделия. Местный отпуск после сварки, без снятия изделия со стапеля, гарантирует от появления холодных сварочных трещин.

ОБЩИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СВАРКЕ

При разработке технологических процессов сварки среднеуглеродистых и легированных конструкционных сталей, для обеспечения надежных с заданными эксплуатационными характеристиками изделий необходимо предусматривать некоторые положения.

1. Правку, вальцовку, штамповку и другие операции формообразования свариваемых заготовок выполнять в отожженном состоянии.

2. Подготовку свариваемых кромок выполнять на металлорежущих станках (строгание, фрезерование, точение, резку на ножницах тонких листов), что обеспечивает необходимую точность сборки и отсутствие изменения структуры металла в месте реза. Газовую резку при подготовке кромок можно применять как исключение в условиях монтажа крупногабаритных сооружений для сталей с прочностью до 100 кгс/мм.

3. Поверхность металла в зоне сварки очищать от окалины, ржавчины и других загрязнений, а также от влаги. Перечисленные загрязнения создают условия для образования пористости, окисных включений, а в некоторых случаях и трещин в металле шва (за счет насыщения металла водородом). Зачистку производить на участке шириной не менее 10-15 мм как сверху, так и снизу свариваемых кромок, а также торца, если последний имеет окисленную поверхность. Зачистку производят, как правило, вручную абразивными кругами и щетками, или на пескоструйных и дробеструйных аппаратах. Сказанное относится ко всем типам соединений: стыковым, угловым, тавровым и т. д.

4. В случае сварки деталей, упрочненных термической обработкой, особенно крупногабаритных, подготовку кромок под сварку (подрезку торца, выполнение разделки кромок) и их зачистку следует выполнять после термической обработки для обеспечения необходимых точности сборки свариваемых деталей и параметров шероховатости поверхности.

5. При сборке деталей под сварку обеспечивать надежное закрепление деталей относительно друг друга. При этом смещение кромок должно быть минимальным и не превышать 10-15% толщины свариваемых кромок. Зазоры между кромками должны быть минимальными и постоянными по величине за исключением специальных случаев сварки в щелевой зазор. Сварочные приспособления должны обеспечивать фиксирование свариваемых деталей, предупреждая изменение зазора и смещение кромок в процессе сварки.

6. При необходимости прихваток для фиксирования деталей в месте сварки их размеры и расположение должны обеспечивать необходимую прочность и возможность полной переварки при укладке основных швов. Прихватки выполняют с особой тщательностью, их металл не должен иметь пор и трещин. Кратеры прихваток должны быть заварены. Перед наложением основного шва прихватки необходимо тщательно зачищать.

7. Сварку среднеуглеродистых сталей (35, 40 и др.) следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применением присадочной проволоки с низким содержанием углерода и уменьшением доли основного металла в металле шва. Следует также обеспечить получение швов с большим коэффициентом формы, выбрать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влияния, предупреждения опасного роста зерна в зоне перегрева и по возможности отсутствия хрупких закалочных структур. Последнее часто может быть обеспечено применением предварительного

подогрева до 250-300° С. Многослойная сварка одной или двумя раздвинутыми дугами электродами малого диаметра, применение низкоуглеродистых или низколегированных проволок (Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2) в сочетании с флюсами или покрытиями, дополнительно легирующими шов марганцем и кремнием (флюс АН-348-А, электроды УОНИ-13/55 и др.), способствуют получению работоспособных сварных швов. Наиболее часто применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами и автоматическую сварку под флюсом. При изготовлении крупногабаритных толстостенных конструкций целесообразно применять электрошлаковую сварку как высокопроизводительный процесс, позволяющий за один проход сваривать металл неограниченной толщины.

8. Перечисленные мероприятия не предотвращают полностью закалки металла в околошовной зоне, и д.я получения высоких пластичных и вязких свойств сварного соединения необходимо применять последующую термическую обработку -отпуск или закалку с отпуском, особенно при наличии соединений больших толщин. На среднеуглеродистых сталях удовлетворительное соединение можно получить всеми видами сварки, за исключением газовой. После сварки необходим отпуск при 650° С; изделия сложной конфигурации и с толщиной стенок более 15 мм сваривают с предварительным подогревом до 200°С. Стали 10Г2Аи 12Г2А используют в конструкциях при толщине листов до 4 мм. Стали сваривают всеми видами сварки, в том числе и газовой. Конструкции можно изготовлять из нормализованных элементов без термической обработки после сварки. При сварке легированных конструкционных сталей режимы сварки, технику сварки и сварочные материалы выбирают из необходимости предупреждения образования холодных трещин в шве и околошовной зоне и обеспечения конструктивной прочности сварного соединения, равной прочности основного металла. Для этого в технологическом процессе необходимо предусмотреть выполнение рекомендаций, изложенных при рассмотрении средств борьбы с холодными трещинами. Сварку производят по возможности без перерывов. Ветер и сквозняк, а также низкая температура при сварке не допускаются. При возрастании тока увеличивается нагрев стали в зоне шва и замедляется ее охлаждение. В результате этого сталь закаливается слабее. Однако повышенными режимами следует пользоваться с осторожностью, так как может возникнуть опасность значительного перегрева в околошовной зоне и образование горячих кристаллизационных трещин в шве из-за появления грубой дендритной структуры. Для уменьшения закалки основного металла сварку производят в несколько проходов. При многослойной сварке отдельные накладываемые валики должны быть одинакового сечения. При этом зона отпуска от наложения последующих валиков частично проходит по зоне закалки предыдущих валиков и отпускает ее, что приводит к равномерному отпуску всей зоны термического влияния. При наложении валиков разного сечения около шва остаются прослойки закаленной стали, которые могут дать закалочные трещины. Последний валик, называемый отжигающим, необходимо накладывать при температуре шва 300° С таким образом, чтобы он не касался основного металла и зона закалки от него не переходила на основной металл. Правильная форма шва имеет особое значение при сварке закаливающихся легированных сталей. Недопустимы подрезы и непровары в сварных швах. Неровности шва, резкие переходы от шва к основному металлу, грубые проплавы и т. п. могут служить очагами появления трещин или приводить к хрупким разрушениям при нагружении изделия. Для улучшения формы перехода от шва к основному металлу, например, при сварке трубчатых конструкций с угловыми швами, применяют наложение дополнительных сглаживающих валиков газовой или аргонодуговой сваркой (сварка с усом). С этой же целью осуществляют и механическую обработку швов.

9- При изготовлении сварных изделий из легированных сталей с пределом прочности 100 кгс/мм- и более применяют следующие виды термической обработки: з) предварительную до сварки с целью снятия остаточных напряжений после гибки, штамповки и т. п. путем отжига или придания деталям перед сваркой соответствующих механических свойств с помощью закалки и отпуска; б) промежуточную для устранения повышенной твердости шва и зоны закалки (с целью выпол-