Сварка среднеуглеродистой / высокоуглеродистой стали и специальных сталей

3. Факторы, которые должны быть учтены в отношении соединений разнородных металлов

Типичный случай такого соединения - сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали с нелегированной сталью, такой как SS400 (ASTM A36). Это сочетание крайне склонной к образованию трещин высокопрочной стали и малопрочной стали (400 MPa) с хорошей свариваемостью.

Следующие моменты являются ключевыми при сварке такого сочетания сталей:
① Обязательное использование сварочных электродов низководородного типа.
② Что касается прочности сварочного металла, то меньшая прочность основного металла (400 MPa в
　　данном случае) является достаточной.
③ Температура предварительного подогрева должна быть такой, которая рекомендуется для
　　среднеуглеродистой/высокоуглеродистой стали.
④ Условия при проведении послесварочного отжига для снятия напряжений должны быть такими, которые
　　требуются для менее прочного основного металла.

4. Сварные соединения

Макроскопическая структура сварного соединения при сварке стали представлена на Илл. 1. Сварное соединение состоит из сварочного металла, поверхности контакта, околошовной зоны и зоны первоначальной структуры основного металла. Сварочный металл - это часть, которая была расплавлена и затем затвердела, он представляет собой смесь наплавленного металла и основного металла. Поверхность контакта - это граница между сварочным металлом и основным металлом. Зона основного металла толщиной в несколько миллиметров, расположенная непосредственно за поверхностью контакта и отличающаяся от соседней зоны наличием макроскопического травления, называется околошовной зоной (HAZ).

Эта зона подвергается воздействию высоких температур при сварке, при этом ее макроскопическая структура и механические свойства значительно изменены по сравнению с изначальным основным металлом. Ширина этой зоны составляет около 1-3 мм в случае дуговой сварки металлическим электродом в среде защитного газа. Зачастую поведение околошовной зоны определяет общие свойства всего сварного соединения.

(1) Сварочный металл

При дуговой сварке сварочная ванна отличается резкой разницей температур - между поверхностью, где поддерживается высокая температура непосредственно под сварочной дугой, и дном, где температура значительно ниже из-за соприкосновения с основным металлом. Поэтому во многих случаях в сварочной ванне происходит кристаллизация в области границы с основным металлом, и кристаллизация идет в направлении к поверхности сварочной ванны по мере резкого снижения температуры.

На фото 1 показан пример такого явления. Как показывают наблюдения, каждый кристалл растет в определенном направлении. Такой тип кристалла называется столбчатым кристаллом, он является типичным для структуры сварочного металла. Образовавшиеся столбчатые кристаллы формируют крупнозернистую структуру с низкой ударной вязкостью и механическими свойствами, зависящими от направления роста кристаллов.

Обычно дуговая сварка выполняется в несколько слоев. При многослойной сварке, как показано на Илл. 2, предыдущий слой подвергается повторному нагреванию последующим слоем, и столбчатые кристаллы в зоне, нагреваемой до определенной температуры, превращаются в более мелкозернистую структуру. Так как эта мелкозернистая структура обладает хорошими механическими свойствами, важно получить сварное соединение, содержащее как можно больше таких мелкозернистых структур. Для достижения этого эффективно увеличение числа слоев.

(2) Околошовная зона

Околошовная зона (HAZ) - это зона основного металла, которая подвергается настолько большому воздействию сварочной температуры, что ее свойства значительно отличаются от свойств зоны первоначальной структуры основного металла. Самым проблематичным изменением является затвердевание околошовной зоны. Такой случай представлен на Илл.3

Околошовная зона, однажды нагретая при высокой температуре во время сварки, начинает быстро остывать после прекращения дуги. Это значит, что структура околошовной зоны за счет нагревания и быстрого остывания (быстрое остывание равнозначно закаливанию) совершенно отличается от структуры не подвергавшегося температурному воздействию основного металла, она становится твердой, хрупкой и склонной к растрескиванию.

Особая осторожность требуется тогда, когда скорость остывания увеличивается, например при сварке толстой пластины или крупного соединения, а также при сварке в холодных климатических условиях. Как упоминалось выше, околошовная зона может затвердевать, но ее склонность к затвердеванию меняется в зависимости от марки стали. Околошовная зона более подвержена затвердеванию при увеличении содержания в стали (основном металле) легирующих элементов, особенно углерода С.

На Илл. 4 показано соотношение между углеродным эквивалентом (Ceq.) и твердостью. Очевидно, что околошовная зона затвердевает, и риск образования трещин увеличивается по мере повышения Ceq. Углеродный эквивалент Ceq. - это величина, полученная по формуле для расчета эффекта упрочнения углерода C и других элементов, в которой другие элементы рассчитываются согласно коэффициенту конверсии, установленному по отношению к углероду С. Например, содержание марганца Mn в 0,6% эквивалентно содержанию углерода C в 0,1% для расчета эффекта упрочнения.

Как становится очевидным из этой формулы, углерод C имеет наибольший эффект упрочнения, а кремний Si не имеет такого эффекта в большой мере. Как показано на Илл. 4, риск образования трещин невелик для мягкой малоуглеродистой стали (чей эквивалент Seq. составляет около 0,3%), если толщина пластины небольшая, но стали марки S45C (AISI/SAE 1045,1046), чей эквивалент Ceq. составляет около 0,6%, крайне подвержены образованию трещин из-за большего затвердевания околошовной зоны. Также необходимо обращать внимание на образование трещин при сваривании высокопрочных сталей и низколегированных сталей, содержащих гораздо больше легирующих элементов.

Верх страницы