Содержание статьи
Характеристика высокопрочных сталей
К высокопрочным сталям относят низколегированные и среднелегированные конструкционные стали с пределом текучести σт не менее 390 МПа и пределом прочности σв до 2000 МПа. Эти материалы сочетают высокие прочностные характеристики с достаточной пластичностью и хладостойкостью, что определяет их широкое применение в ответственных металлических конструкциях.
Основу высокопрочных сталей составляют низколегированные бейнитно-мартенситные стали с содержанием углерода от 0,12 до 0,20 процентов по массе. Комплексное легирование элементами в количестве от 2,5 до 10 процентов обеспечивает требуемый комплекс механических свойств. Термическая обработка методом закалки и высокого отпуска формирует оптимальную микроструктуру сталей.
Марки высокопрочных сталей для металлоконструкций
При изготовлении сварных металлоконструкций наибольшее распространение получили несколько групп высокопрочных сталей, различающихся по составу, уровню прочности и технологическим характеристикам.
Низколегированные высокопрочные стали с нитридным упрочнением
Стали марок 14Г2АФ, 16Г2АФ содержат алюминий, ванадий и азот. Наличие мелкодисперсных нитридов способствует измельчению зерна и повышению сопротивления хрупкому разрушению. Эти стали поставляются в горячекатаном или нормализованном состоянии с ферритно-перлитной структурой.
Термически улучшенные низколегированные стали
Наиболее широкое применение в ответственных конструкциях находят стали марок 14Х2ГМР, 14Х2ГМРБ, 14Х2ГМ и 12ГН2МФАЮ. После термической обработки (закалка и высокий отпуск) они обеспечивают предел текучести σт не менее 588 МПа при сохранении высокой хладостойкости.
| Марка стали | Предел текучести σт, МПа | Предел прочности σв, МПа | Максимальная толщина, мм | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| 14Х2ГМ | не менее 588 | 690-885 | 3-30 | Базовая безникелевая сталь |
| 14Х2ГМРБ | не менее 588 | 690-885 | до 50 | Дополнительное легирование ниобием и бором |
| 12ГН2МФАЮ | не менее 588 | 690-885 | до 100 | Нитридосодержащая, повышенная хладостойкость |
| 14ХГ2САФД | 590-785 | 690-885 | до 50 | Комплекснолегированная |
| 10ХСНД | не менее 390 | 530-680 | до 40 | Повышенной прочности, атмосферостойкая |
Особенности химического состава
Содержание углерода в высокопрочных сталях ограничивается значениями 0,12-0,20 процентов по массе для обеспечения хорошей свариваемости. При содержании углерода более 0,30 процентов резко возрастает склонность к образованию холодных трещин и закалочных структур в зоне термического влияния. Углеродный эквивалент для свариваемых высокопрочных сталей обычно находится в диапазоне от 0,40 до 0,55 процентов.
Расчет углеродного эквивалента
Углеродный эквивалент определяется по формуле:
Сэкв = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
где содержание элементов указывается в массовых процентах.
При Сэкв от 0,45 процентов и выше стали считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин при сварке.
Проблема холодных трещин при сварке
Основная трудность при сварке высокопрочных сталей связана с необходимостью предотвращения образования холодных трещин в металле шва и зоне термического влияния. Холодные трещины образуются при температурах ниже 120 градусов Цельсия и могут появляться через минуты, часы или даже дни после окончания сварки.
Механизм образования холодных трещин
Холодные трещины возникают при критическом сочетании трех основных факторов: образование закалочных структур (мартенсит), насыщение металла диффузионным водородом и действие высоких растягивающих напряжений. Каждый из этих факторов требует детального рассмотрения.
Закалочные структуры
При быстром охлаждении высокопрочных сталей в зоне термического влияния формируется мартенситная структура с низкой пластичностью и высокой твердостью. Мартенсит обладает повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений и действию водорода. Образование мартенсита характерно для сталей с повышенной прокаливаемостью.
Роль водорода
Водород попадает в сварочную ванну из влаги электродного покрытия, защитных газов, флюса, загрязнений на поверхности металла. При охлаждении атомарный водород диффундирует из металла шва в зону термического влияния, где накапливается в дефектах структуры, на границах зерен и в микропорах. Водород снижает поверхностную энергию образования трещины и облегчает процесс разрушения металла.
Сварочные напряжения
Неравномерный нагрев и охлаждение при сварке вызывают значительные остаточные напряжения в сварном соединении. В жестко закрепленных конструкциях уровень напряжений может достигать предела текучести металла. Совместное действие растягивающих напряжений, закалочной структуры и водорода создает условия для образования холодных трещин.
Типы холодных трещин
| Тип трещины | Расположение | Характеристика | Механизм образования |
|---|---|---|---|
| Продольные | Вдоль оси шва | Развиваются по центру шва или в зоне термического влияния | Высокие продольные напряжения, водород |
| Поперечные | Перпендикулярно шву | Пересекают шов или зону термического влияния | Поперечная усадка, жесткость конструкции |
| Подваликовые | Под наплавленным валиком | В крупнозернистой зоне термического влияния | Максимальная твердость, водород, напряжения |
| Корневые | В корне шва | От дефектов непровара | Концентрация напряжений у непровара |
Предварительный подогрев металла
Предварительный подогрев является основным технологическим приемом предотвращения холодных трещин при сварке высокопрочных сталей. Подогрев замедляет скорость охлаждения зоны термического влияния, способствует удалению диффузионного водорода и снижает уровень сварочных напряжений.
Цели предварительного подогрева
Применение предварительного подогрева решает несколько важных задач: снижение скорости охлаждения металла позволяет избежать образования хрупких мартенситных структур, уменьшение температурного градиента снижает уровень остаточных напряжений, замедленное охлаждение способствует выходу водорода из металла, повышенная температура увеличивает пластичность металла в момент возникновения напряжений.
Температура подогрева
Температура предварительного подогрева зависит от марки стали, толщины металла и жесткости конструкции. Для высокопрочных низколегированных сталей типа 14Х2ГМР и 12ГН2МФАЮ рекомендуются следующие значения:
| Толщина металла, мм | Температура подогрева, градусов Цельсия | Зона подогрева от шва, мм | Время выдержки, минут |
|---|---|---|---|
| до 20 | 80-100 | 50-75 | не менее 15 |
| 20-40 | 100-150 | 75-100 | 20-40 |
| 40-60 | 150-200 | 100-150 | 40-60 |
| более 60 | 200-250 | 150-200 | 60-120 |
Методы и оборудование для подогрева
В практике сварочного производства применяются различные способы предварительного подогрева металлоконструкций, выбор которых зависит от размеров изделия, требуемой температуры и условий производства.
Газопламенный подогрев
Осуществляется пропановыми или ацетиленокислородными горелками. Метод обеспечивает равномерный прогрев больших участков, но требует тщательного контроля температуры для предотвращения местных перегревов. Применяется преимущественно в монтажных условиях.
Электроиндукционный подогрев
Нагрев осуществляется токами высокой частоты в индукционных нагревателях. Метод обеспечивает точный контроль температуры, равномерность прогрева и высокую производительность. Используется в заводских условиях для подогрева протяженных швов.
Электроконтактный подогрев
Прогрев осуществляется проходящим через металл электрическим током. Применяется для подогрева кольцевых швов труб с использованием специальных нагревательных элементов.
Контроль температуры подогрева
Контроль температуры предварительного подогрева осуществляется различными методами: термокарандаши и термопасты меняют цвет при достижении определенной температуры, контактные термометры обеспечивают точность измерений до 350 градусов Цельсия, бесконтактные пирометры позволяют контролировать температуру на расстоянии, термопары применяются для непрерывного мониторинга температуры в процессе сварки.
Пример технологии подогрева
Задача: Сварка стыкового соединения из стали 14Х2ГМРБ толщиной 36 миллиметров.
Решение:
1. Температура предварительного подогрева: 150-200 градусов Цельсия
2. Зона подогрева: 100-150 миллиметров от оси шва в обе стороны
3. Способ подогрева: пропановые горелки или индукционные нагреватели
4. Время выдержки: не менее 45-60 минут
5. Контроль: термокарандаши 150 и 200 градусов Цельсия, контактный термометр
6. Поддержание температуры в процессе сварки: 120-150 градусов Цельсия
Сварочные материалы для высокопрочных сталей
Выбор сварочных материалов имеет критическое значение для обеспечения качества сварных соединений высокопрочных сталей. Основное требование к сварочным материалам - обеспечение низкого содержания диффузионного водорода в наплавленном металле.
Электроды для ручной дуговой сварки
Для сварки высокопрочных сталей применяются электроды с основным покрытием, обеспечивающие минимальное содержание водорода в металле шва. Основное покрытие содержит фтористый кальций и карбонаты, которые связывают водород и создают низководородную атмосферу дуги.
| Марка электрода | Тип по ГОСТ 9467-75 | Назначение | Температура прокалки, градусов Цельсия | Время прокалки, минут |
|---|---|---|---|---|
| УОНИ-13/55 | Э50А | Низколегированные стали повышенной прочности | 350-400 | 30-60 |
| ЭА-981/15 | Э-11Х15Н25М6АГ2 | Высокопрочные легированные стали типа АК | 360-380 | 60 |
| УОНИ-13/45 | Э46А | Углеродистые и низколегированные стали | 325-375 | 60 |
| ЦУ-5 | Э50А | Низколегированные конструкционные стали | 320-360 | 40-60 |
Прокалка электродов
Прокалка электродов с основным покрытием является обязательной операцией перед сваркой высокопрочных сталей. Цель прокалки - удаление адсорбированной влаги из покрытия и снижение содержания водорода до минимально возможного уровня.
Сварочная проволока для автоматической и полуавтоматической сварки
При автоматической сварке под флюсом и полуавтоматической сварке в защитных газах применяются низколегированные сварочные проволоки марок Св-08Г2С, Св-08ГС, Св-10ГА, Св-10Г2. Выбор проволоки зависит от требуемых механических свойств металла шва и применяемого защитного газа или флюса.
Флюсы для автоматической сварки
Для сварки высокопрочных сталей применяются керамические и плавленые флюсы основного типа: АН-348А, АН-60, ОСЦ-45, АН-26. Флюсы должны обеспечивать низкое содержание водорода в металле шва и формирование качественного шлакового покрытия.
Защитные газы
При сварке высокопрочных сталей в защитных газах применяются следующие составы: углекислый газ для полуавтоматической сварки низколегированных сталей, аргон с добавками углекислого газа для улучшения стабильности дуги и снижения разбрызгивания, аргон с добавками кислорода для сварки в нижнем положении.
Технология сварки высокопрочных сталей
Технология сварки высокопрочных сталей включает комплекс мероприятий, направленных на предотвращение образования холодных трещин и обеспечение требуемых механических свойств сварного соединения.
Подготовка кромок под сварку
Кромки под сварку подготавливаются механической обработкой (фрезерование, строгание) или кислородной резкой с последующей зачисткой. При кислородной резке необходимо удалить поврежденный слой металла толщиной не менее 2 миллиметров. Поверхности кромок и прилегающие участки на ширину 20-30 миллиметров от разделки очищаются от ржавчины, окалины, масла, краски и других загрязнений до металлического блеска.
Ручная дуговая сварка
Ручная дуговая сварка высокопрочных сталей выполняется электродами с основным покрытием постоянным током обратной полярности. Сварку ведут короткой дугой без поперечных колебаний электрода. Особое внимание уделяется тщательной заварке кратера перед обрывом дуги.
| Диаметр электрода, миллиметры | Сила тока, ампер (нижнее положение) | Напряжение дуги, вольт | Скорость сварки, метров в час |
|---|---|---|---|
| 3,0 | 90-110 | 22-24 | 12-16 |
| 4,0 | 150-180 | 24-26 | 14-18 |
| 5,0 | 180-220 | 26-28 | 16-20 |
Техника многослойной сварки
При сварке металла толщиной более 10 миллиметров применяется многослойная сварка с использованием специальных техник наложения слоев: каскадный способ, способ горки, блочный метод. Эти способы обеспечивают замедленное охлаждение металла и термический отпуск предыдущих слоев теплом последующих проходов.
Каскадный способ
При каскадной сварке первый слой выполняется на всю длину шва электродом малого диаметра (3 миллиметра). Последующие слои накладываются участками длиной 200-300 миллиметров с перекрытием. Каждый новый участок начинается с середины предыдущего. Способ обеспечивает медленное и равномерное охлаждение шва.
Автоматическая сварка под флюсом
Автоматическая сварка высокопрочных сталей под флюсом применяется для соединения толстолистовых конструкций. Сварка выполняется на повышенных режимах с использованием низколегированных проволок и основных флюсов. Рекомендуется применение предварительного подогрева при толщине металла более 30 миллиметров.
Полуавтоматическая сварка в защитных газах
Полуавтоматическая сварка в углекислом газе или смесях аргона обеспечивает высокое качество швов при хорошей производительности. Метод широко применяется в монтажных условиях благодаря мобильности оборудования. Важным преимуществом является возможность визуального контроля формирования шва.
Технологические меры снижения напряжений
Для снижения уровня сварочных напряжений применяются следующие технологические приемы: минимизация жесткого закрепления свариваемых элементов, применение рациональной последовательности наложения швов (от середины к краям), использование обратноступенчатого метода сварки длинных швов, проковка выполненных швов (кроме первого и последнего слоев), термический отдых после сварки при температуре 150-200 градусов Цельсия в течение 12-20 часов.
Контроль качества сварных соединений
Контроль качества сварных соединений высокопрочных сталей включает комплекс методов неразрушающего и разрушающего контроля, обеспечивающих выявление дефектов и проверку механических свойств.
Визуальный и измерительный контроль
Внешний осмотр сварных швов выполняется на всех этапах сварки. Проверяется отсутствие наружных дефектов (трещин, пор, подрезов, непроваров), правильность геометрических размеров швов, качество зачистки от шлака. Измерительный контроль выполняется универсальными шаблонами сварщика.
Неразрушающий контроль
Для ответственных конструкций из высокопрочных сталей применяются следующие методы неразрушающего контроля: ультразвуковая дефектоскопия для выявления внутренних дефектов, радиографический контроль для оценки внутреннего строения швов, магнитопорошковая дефектоскопия для обнаружения поверхностных и подповерхностных трещин, капиллярный контроль для выявления тонких поверхностных дефектов.
Контрольные испытания
На контрольных образцах выполняются механические испытания: статическое растяжение для определения прочности и пластичности, испытания на ударную вязкость при различных температурах, испытания на изгиб для оценки пластичности, металлографические исследования структуры металла шва и зоны термического влияния, измерения твердости в различных зонах сварного соединения.
Выявление отложенных трещин
Учитывая возможность появления холодных трещин через значительное время после сварки, для ответственных конструкций применяется отложенный контроль. Неразрушающий контроль повторяется через 24-72 часа после сварки для выявления замедленного разрушения.
Вопросы и ответы
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и не является руководством к действию, технической документацией или нормативным документом. Информация представлена в общеобразовательных целях для ознакомления с особенностями технологии сварки высокопрочных сталей.
Автор не несет ответственности за любые последствия, которые могут возникнуть в результате использования информации из данной статьи. Все сварочные работы должны выполняться квалифицированным персоналом в соответствии с действующими ГОСТами, строительными нормами и правилами, технологическими инструкциями и под надлежащим техническим надзором.
Перед началом работ необходимо ознакомиться с актуальной нормативно-технической документацией, разработать и согласовать технологические процессы сварки, обеспечить соблюдение требований охраны труда и промышленной безопасности.
Источники
Нормативно-технические документы:
ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры (с Изменением N 1)
ГОСТ 8713-79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры
ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры
ГОСТ 9467-75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей. Типы
ГОСТ 19282-73 Сталь низколегированная толстолистовая и широкополосная универсальная. Технические условия
Научно-техническая литература:
Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под редакцией академика Патона Б.Е. Москва, Машиностроение, 1974
Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х томах. Под редакцией Ольшанского Н.А. Москва, Машиностроение, 1978
Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. Москва, Высшая школа, 1982
Козлов Р.А. Водород при сварке корпусных сталей. Ленинград, Судостроение, 1969
Макара А.М., Мосендз Н.А. Сварка высокопрочных сталей. Киев, Техника, 1971
