ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

Под низкоуглеродистой сталью понимают сплав железа с угле­родом при содержании последнего < 0,25%, а под низколегирован­ной сталью — с содержанием углерода < 0,25% и суммой легирую­щих < 4%. Низкоуглеродистые стали, в зависимости от степени раскисленности, при металлургическом изготовлении могут иметь индексы «кп» — (кипящая сталь), «сп» (спокойная сталь) и «пс» (полуспокойная сталь).

Кипящая сталь характеризуется резко неравномерным распределе­нием серы и фосфора и, как следствие, возможностью образования горячих трещин при сварке и переходом металла в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Поэтому, в противоположность спо­койным и полуспокойным сталям, она для применения в ответствен­ных сварных конструкциях не рекомендуется. Углеродистая сталь обыч­ного качества по ГОСТ 380-71 поставляется в трех группах: А — в сварных конструкциях не используется (она не имеет химического анализа и поставляется по механическим свойствам); Б — поставляют по химическому составу; В — поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Содержание вредных для сварки примесей в этих сталях колеблется: серы < 0,05%, фосфора < 0,04% (пример обо­значения ВСтЗсп). Углеродистые качественные стали содержат пони­женное количество серы, и иногда содержание марганца в них достига­ет 1% (поставка по ГОСТ 1050-79).

Низколегированные стали имеют большое количество марок, в ка­честве легирующих добавок применяют Mn. Si, Си, V, Nb и др. Яркими представителями этих сталей являются 10ХСНД (аог > 400 МПа) и 09Г2С (ад2 > 350 МПа). Химический состав и механические свойства некоторых наиболее употребляемых марок низкоуглеродистых и низ­колегированных сталей приведены в табл. 7.1 и 7.2.

Широкое распространение в промышленности находят микро - легированные стали, применяемые для изготовления конструкций ответственного назначения. Они позволяют экономить легирую­щие элементы и при термомеханической и термообработке обеспечивают высокую прочность и сопротивляемость хрупкому разрушению металла. Обычно эти стали содержат < 0,2% углерода и легируются микродобавкам Al, Сг, Zг, V, Ті, Nb, Мо, В. Они

обеспечивают получение высоких значений прочности. Так, сталь 14Г2АФ имеет апг > 400 МПа и ав > 550 МПа, а сталь 12ГНЗМФА а, и > 600 МПа и ав > 700 МПа.

При малом содержании углерода эти стали обладают удовлетво­рительной свариваемостью. При сварке на больших погонных энер­гиях (>100 кДж/см) ударная вязкость металла ЗТВ несколько сни­жается из-за роста зерна и неблагоприятных фазовых превращений в металле ЗТВ.

В судостроении широко применяется ряд марок конструкцион­ных высокопрочных сталей типа АБ. К ним относятся улучшаемые стали АБ, АБ1, АБ2. Наилучшее сочетание физико-металлургичес­ких и технологических свойств феррито-перлитных сталей АБ с пре­делом текучести 390 МПа и более достигается за счет закалки и вы­сокого отпуска.

Хромоникельмолибденовая сталь марок АБ1 и АБ2 с максималь­ными значениями предела текучести соответственно 500 и 588 МПа легирована Cr, Mo, V, АІ, Са. После закалки и высокого отпуска в этих сталях формируется мелкодисперсная ферритная структура с кар­бидной фазой. С учетом обеспечения требований свариваемости со­держание углерода в сталях типа АБ составляет 0,08...0,1%. Для обес­печения чистоты этих сталей по содержанию сульфидных и окисных неметаллических включений содержание серы и фосфора в них ог­раничено соответственно 0,01 и 0,02%,

При сварке этих сталей пластическая деформация, возникающая при остывании шва, способствует повышению его предела текучести. Обычно обеспечение равнопрочности сварных соединений при свар­ке таких сталей затруднений не вызывает. Сварка на форсированных режимах, повышенной толщине металла однопроходным швом, низ­кие температуры — все это может привести к появлению закалочных структур на участке перегрева, полной и неполной перекристаллиза­ции металла ЗТВ.

Низколегированные стали иногда поставляются в термообрабо­танном состоянии (закалка для повышения прочностных свойств). При сварке таких сталей на участке рекристаллизации под действи­ем высокого отпуска происходит разупрочнение металла. Эти зат­руднения преодолевают технологическими приемами. Так, термоуп­рочняемые стали рекомендуется сваривать длинными участками, а термически не упрочненные (отожженные), наоборот, короткими (во избежание закалки в ЗТВ).

С повышением погонной энергии растет ширина разупрочненной зоны рядом со швом, что ведет к снижению твердости металла в ней.

Это вызывается высокотемпературным нагревом и малыми скорос­тями охлаждения. В то же время в зоне могут присутствовать участ­ки, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки; они представляют собой наиболее вероятные места с точки зрения обра­зования холодных трещин.

При сварке короткими участками, по горячим, предварительно положенным проходам, скорость охлаждения всех зон соединения мала. Их структуры равновесны, и последующая термическая обра­ботка не нужна. Только изредка, в особенных случаях, конструкция после сварки может быть подвергнута высокому отпуску для снятия остаточных напряжений и восстановления свойств металла в ЗТВ (нормализация сварных узлов, выполненных ЭШС).

Стойкость против образования горячих трещин в металле шва при сварке этих сталей удовлетворительна. Они в отдельных случа­ях возникают при содержании углерода более 0,2%, при сварке уг­ловых швов и корневых проходов. Низкоуглеродистые и низколе­гированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавления, как правило, без введения предварительного или сопут­ствующего подогрева.

Важным требованием, предъявляемым к сварным конструкциям из этих сталей, является обеспечение равнопрочности сварных со­единений с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Гарантией обеспечения этого требования и служит получение механических свойств металла шва и ЗТВ не ниже нижнего предела прочности соответствующих свойств основного металла. Геометри­ческие размеры и формы шва должны соответствовать требованиям нормативной документации.

Механические свойства металла шва и сварного соединения опре­деляются его структурой, которая зависит от химического состава стали, режимов сварки, предыдущей и последующей термообработ­ки. Как правило, химический состав шва при сварке незначительно отличается от состава основного металла. Различие заключается лишь в стремлении уменьшить содержание углерода в шве с целью предуп­реждения структур закалочного характера; возможный недостаток прочности при этом компенсируется дополнительным подлегирова - нием металла шва кремнием и марганцем за счет проволоки, флюса или электродного покрытия.

Повышение скорости охлаждения металла шва также может при­водить к повышению его прочности при одновременном снижении уровня пластичности и ударной вязкости. Скорость охлаждения ме­талла шва определяется толщиной свариваемого металла, его физи­ческими свойствами, конструкцией сварного соединения, режимами сварки и начальной температурой изделия.