Сварочные работы составляют примерно 30 % от общей трудоемкости Их изготовления, поэтому хорошая свариваемость — одно из главных технологических требований к сталям для металлических конструкций. Основными методами сварки являются электродуговая (автоматическая, полуавтоматическая) и штучными электродами, осуществляемая в условиях ЗМК, непосредственно на монтажных площадках и при ремонтах эксплуатируемых сооружений. Согласно современным представлениям, к основным показателям свариваемости стали относят:
- чувствительность основного металла к воздействию термических циклов сварки — склонность к росту зерна и другим структурным изменениям в зоне термического влияния сварки (ЗТВ), изменение механических свойств в ЗТВ;
- сопротивление сварных соединений образованию горячих, холодных и слоистых (ламелярных) трещин;
- прочность сварных соединений при различном характере нагружения (статическое, динамическое, знакопеременное) и воздействии внешних сред (низкие температуры, атмосферная коррозия и др.).
Первая группа показателей совместимости стали в настоящее время регламентирована, в частности, отечественными стандартами: ГОСТ 13585 — в которых приведены методы испытаний. Метод валиковой пробы предусматривает наплавку валиков на пластины исследуемой стали погонной энергией q/v, соответствующей произведенным режимам сварки и определяющей скорость охлаждения металла после наплавки. Затем в различных участках ЗТВ (граница сплавления, участки перегрева, нормализации, термического старения и т.д.) определяют микроструктуру, твердость, ударную вязкость, критические температуры вязкохрупкого перехода и другие свойства. Кроме перечисленных выше методов определения свойств различных участков ЗТВ сварного соединения, ГОСТ 6996 регламентирует и методы определения агрегатной прочности соединения при статическом растяжении и изгибе.
Кристаллизационные трещины в сварных соединениях образуются при кристаллизации металла шва. Основной причиной их образования, как и в непрерывнолитных заготовках и слитках, является сохранение высокосернистого жидкого расплава (сульфидной эвтектики) по границам и в междуветвиях дендритов при охлаждении до 980-1000° С. В результате уже при небольших термических или механических напряжениях по границам дендритов возникают горячие трещины. С уменьшением содержания серы в стали и повышением отношения [Mn]/[S], а также при измельчении дендритной структуры микролегированием, например титаном, вероятность образования горячих трещин значительно снижается. Так же влияет и уменьшение углерода в стали, поэтому в сталях для сварных металлических конструкций содержание углерода не рекомендуют иметь более 0,20-0,21 %.
Определение склонности стали к образованию кристаллизационных трещин при сварке обычно производят в процессе сварки с одновременным изгибом стыкового соединения. Изгиб начинают после наплавки 2/3 длины шва. За критерий склонности к образованию трещин принимается максимальная скорость деформирования, при которой в шве не образуется трещин.
Холодные трещины образуются в ЗТВ при остывании металла ниже 200° С. При этом они могут возникать непосредственно после окончания сварки или после длительного промежутка времени, измеряемого сутками.
Можно указать три основных фактора, инициирующих возникновение холодных сварочных трещин: формирование в ЗТВ мартенситной структуры, насыщение в процессе сварки металла водородом и возникновение в сварном соединении высоких остаточных растягивающих напряжений. При одновременном воздействии этих факторов опасность образования холодных сварочных трещин резко возрастает. Она увеличивается также при сварке сложнолегированных сталей высокой прочности.
Возможность формирования в ЗТВ мартенсита и его твердость зависят от химического состава свариваемой стали, прежде всего содержания углерода, и определяются температурой начала мартенситного превращения (Мн). Поэтому для характеристики влияния различных легирующих элементов на свариваемость стали, а по сути дела на понижение температуры Мн наиболее часто используют эмпирический показатель — углеродный эквивалент Сэ.
Холодные трещины при сварке могут возникнуть, как отмечалось ранее, и в том случае, если в процессе сварки металл значительно насыщается водородом или в сварном соединении сохраняются высокие остаточные растягивающие напряжения. Уровень последних определяется прежде всего скоростью охлаждения после сварки, зависящей, в свою очередь, от режима сварки, толщины проката и др. Интенсивность насыщения металла сварного соединения водородом зависит от условий сварки: влажности окружающего воздуха, величины и полярности сварочного тока, способа сварки, подготовки свариваемых кромок и сварочных материалов. Поэтому в ряде эмпирических уравнений для определения Сэ предложено учитывать толщину свариваемого проката и содержания водорода в металле сварного соединения.
Низкое содержание углерода в бесперлитных сталях обусловливает их высокую стойкость к растрескиванию в холодном состоянии. Особенно это важно для предотвращения трещин в зоне термического влияния.
Распространенным типом сварочных трещин являются слоистые (ламелярные) трещины, возникающие в основном металле под подошвой (корнем) шва. Механизмы возникновения этих трещин и методы оценки сопротивления стального проката слоистому разрушению после сварки подробно описаны в литературе. Здесь лишь отметим, что склонность сварного соединения к слоистому разрушению определяется прежде всего пластичностью используемого проката в направлении. Поэтому одним из основных способов предотвращения этого дефекта является глубокое рафинирование стали от вредных примесей (серы и фосфора) и модифицирование.
Надежность сварных соединений в целом оценивают чаще всего по их агрегатной прочности при растяжении и сопротивлению хрупким разрушениям.
При сварке сталей повышенной и высокой прочности в ЗТВ возможно возникновение локального разупрочнения металла, достигающего 10-30% от исходной прочности и легко обнаруживаемого дюрометрическими измерениями. Чрезмерное развитие этого разупрочненного слоя, называемого мягкой прослойкой, сопровождается заметным снижением агрегатной прочности стыкового сварного соединения.
Сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений из проката толщиной свыше 14 мм эффективно оценивать методом Кинцеля при испытании на изгиб полнотолщинных образцов с наплавкой. При испытаниях таких образцов учитывают влияние ряда основных факторов, способствующих переходу от вязкого к хрупкому разрушению: неблагоприятное влияние сварочного цикла, масштабный фактор, наличие острого концентратора и влияние отрицательной температуры. Наплавку на образец осуществляют при различных тепловложениях, а испытания проводят при различных температурах, при этом определяют разрушающее усилие Р, утяжку у дна надреза ψ, количество волокна в изломе В.
Для проката относительно небольших толщин удобно использовать методику, называемую испытаниями по Ван дер Вину.
