Критерии выбора технологии и режимов сварки металлов и сплавов с большим объёмным эффектом полиморфного превращения

К материалам с большим объёмным эффектом полиморфного превращения относят в первую очередь стали мартенситного и перлитного классов, а также сплавы циркония, олова и т.д. Выбор режимов и технологии сварки определяется типом конструкции, условиями её эксплуатации и характером термической обработки материала до и после сварки. Последний фактор является решающим для получения необходимых структуры и механических свойств сварных соединений. Вариантов предъявляемых требований множество. Все варианты можно свести к следующим основным случаям:

1. Сталь применяют после прокатки и не подвергают термической обработке после сварки. В этом состоянии обычно используют малоуглеродистую сталь и низколегированную сталь некоторых простейших марок, неподверженных сколько-нибудь существенной закалке при сварке. Свойства сварных соединений такой стали в основном зависят от огрубления структуры шва и зоны термического влияния (ЗТВ). Режимы сварки определяют по скорости охлаждения, которую выбирают таким образом, чтобы ударная вязкость при отрицательных температурах удовлетворяла требованиям технических условий (ТУ). При этом в основном металле необходимо ограничивать содержание газов: O < 0,005 %, N < 0,005 %, H < 0,0005 %. В противном случае возможно снижение сопротивления хрупкому разрушению. Для предупреждения образования горячих трещин в стали ограничивают содержание серы, фосфора и некоторых других вредных примесей.

2. Стали перед сваркой подвергают термической обработке на высокую прочность (нормализация или закалке с последующим высоким отпуском). После сварки предусматривается отпуск для снятия напряжений и выравнивания механических свойств в различных участках соединений.

К сварным соединениям предъявляют требование равнопрочности с основным металлом в сочетании с определенными значениями ударной вязкости, пластичности и ряда специальных свойств, характеризующих работоспособность соединений в соответствующих условиях. Например, критическая температура хрупкости и сопротивление хрупкому разрушению в условиях ударных или статических нагрузок при низких температурах; пределы длительной прочности и ползучести; сопротивление локальному разрушению при повышенных температурах в сложнонапряженном состоянии и т.д.

В этом случае при технологических расчётах необходимо обеспечить выполнение следующих противоречивых условий:

во-первых, предупредить образование холодных трещин в зоне термического влияния и шве в процессе сварки и при последующем хранении изделий до отпуска;

во-вторых, добиться наименьшего возможного разупрочнения основного металла на участке высокого отпуска ЗТВ. Чтобы выполнить второе условие, сварку необходимо производить по возможности на жёстких режимах. При этом обеспечивается минимальное время пребывание металла ЗТВ при температуре высокого отпуска. Такие режимы можно обеспечить только при относительно высоких скоростях нагрева и охлаждения. В связи с этим при расчёте параметров технологии и режимов следует принимать предельно допустимую скорость охлаждения, гарантирующую отсутствие трещин в шве и ЗТВ.

К сталям, сварные соединения которых должны обеспечивать после отпуска равнопрочность с основным металлом, относятся:

 теплоустойчивые низколегированные стали типа 12ХМ, 15ХМ, 15ХМФ, 15ХВФ и среднелегированные типа 20Х2, 20Х2М и т.д.;

 жаропрочные стали с содержанием хрома 11-13 %;

 высокопрочные низколегированные и среднелегированные стали типа 30ХГСА, 25ХГФА, 17Х3НВФ и т.д.

3. Сталь перед сваркой подвергаю термической обработке (нормализации или закалке с отпуском).

После сварки отпуск исключён из-за больших габаритных размеров конструкции. По характеру эксплуатационной нагрузки решающим является требование высокого сопротивления сварной конструкции хрупкому разрушению (например, многократный удар при нормальных или отрицательных температурах). В ряде случаев жёстких требований к равнопрочности сварных соединений и основному металлу в условиях статического нагружения не предъявляются.

Структуру и механические свойства сварных соединений регулируют полностью при сварке. Для выполнения этих условий в качестве основного критерия расчёта параметров технологии и режимов принимают скорость охлаждения металла ЗТВ. Скорость выбирают в зависимости от толщины металла и конструкции соединения в определённом интервале, в котором достигается оптимальное сочетание механических свойств ЗТВ и выше.

К сталям, к которым предъявляются эти требования, относятся низколегированные стали типа 12ХН2, 25Н3, 36СГНА, 18Х2ВФ, 20НГМ, 23Г, 17ГС, 20ХГС, 40Х и т.д.

4. Сталь перед сваркой подвергают отжигу, а после сварки – полной термической обработке (закалка и низкий отпуск) с целью достижения сверхвысокой прочности 1500…2000 МПа. Требования к сварным соединениям те же, что и к соединениям сталей 2-й группы. К этой группе относят стали с высокой устойчивостью аустенита – низколегированные с повышенным содержанием углерода: 35ХГСА, 40ХГСА, 45ХМА, 30Х2ГСНВМ, 42Х2ГСНМ и т.д. Их применяют для изготовления деталей малой толщины, которые сваривают, как правило, за 1  3 прохода . Параметры сварки выбирают по скорости охлаждения металла ЗТВ, гарантирующей отсутствие холодных трещин при сварке и в процессе вылёживания изделий до отпуска или полной термической обработки.