Особенности сварки среднелегированных сталей

Для сваривания среднелегированных сталей используется широкая номенклатура профильного оборудования, от премиальных сварочных аппаратов EWM до вполне бюджетных Сварогов или Барсов. В сварочной проблематике их применения по стальным изделиям со средним содержанием легирующих добавок (до 5 % от общей массы сплава) превалирует технологический характер процесса. Важно, подвергается ли сварное соединение термообработке после сварки или можно обойтись без такой операции. Соответственно, и специфика работы аппаратов, и возможность купить по доступным ценам сварочное оборудование здесь, и техническая сложность создания швов, и финансовая стоимость работ зависят от этой технологической составляющей.

Сварка среднелегированных сталей без последующей термообработки
Осуществляется в двух вариантах, различающихся по пределу прочности и структуре сварных новообразований:

• Наплавляемый металл обладает аустенитной структурой, его прочность не превышает 50-55 кГ/мм².
• Шов соответствует перлитной стали (в ряде случаев с незначительным поверхностным выделением феррита). Прочностные характеристики сварки выше, чем для аустенитных швов по среднелегированной стали, и лежат в пределах 70…75 кГ/мм².

Для должного качества околошовной зоны используется регулировка термических параметров сварки (сила тока, время воздействия, величина зазора и т.п.) Кроме того, положительный эффект дает легирование самого шва модифицирующими элементами, для чего используются электродные стержни с содержанием алюминия и/или титана. Общей рекомендацией при сварке таких сталей без последующего обжига или термического отпуска является увеличение скорости кристаллизации расплава. Для этого используется метод многослойного (последовательного, многопроходного) сваривания заготовок или минимизация размера сварочной ванны – за счет точной подгонки деталей, качественного раскроя, использования оснасточных приспособлений и т.п.

К сожалению, сварка большинства среднелегированных сплавов без термообработки затруднена сложностями получения равной (или как минимум сравнимой) прочности у швов и основного металла. Проблема не устраняется на аппаратном уровне, использование сварочного аппарата EWM вместо бюджетного оборудования росту равнопрочности почти не способствует. При собственной прочности заготовки свыше 75 кГ/мм² такая проблема приводит к критичному разупрочнению ЗТВ. Поэтому ответственные конструктивные детали с невозможностью последующей термообработки рекомендуется сваривать швами аустенитного вида (см. п. 1 выше). Недостаток прочностных качеств компенсируется большим сечением швов. Такие швы, хоть и характеризуются значительным химическим отличием от основного металла, достаточно пластичны и обладают приемлемой вязкостью. Набор таких достоинств придает аустенитным структурам высокую деформационную способность и стойкость к холодному растрескиванию – основополагающим дефектам при создании ответственных конструкций, узлов и деталей машин.

Сварка среднелегированных сталей с термообработкой швов
При технологической и конструктивной возможности термообработки эта операция является весьма желательной для улучшения эксплуатационной долговечности стальных стыков и изделий в целом. Термообработка т.н. «полного цикла» - т.е. закалка с медленным отпуском при высокой температуре – позволяет получить практически неотличимую физико-химическую идентичность шовного и основного металлов. Проблема в том, что «полный цикл» возможен не всегда, а лишь при исходной близости атомарного состава наплава и кромок. А при сваривании насыщенной легирующими элементами стальной детали такая «послесварочная близость» скорее исключение, чем правило.

При выборе режимов термической закалки и отпуска ориентироваться приходится на свойства основного металла, изменяя базовые параметры с учетом разнородности наплава. Например, снижение концентрации кремния и углерода приводит к стойкости наплавленных структур относительно появления в них горячих и холодных трещин. Даже используя по доступным ценам сварочное оборудование, минимизировать Si и C в ЗТВ среднелегированных сталей вполне возможно. Когда наплав содержит меньше кремния и углерода, чем основной свариваемый сплав, его закалка эффективна при большей длительности и/или температуре, что улучшает структурную однородность прилегающей к ЗТВ области кромок.

Для равновесного физико-химического состава тонких и средних швов и в качестве меры по устранению остаточных напряжений может применяться только отпуск сваренных деталей, без предварительной закалки. Следует учитывать, что перекристаллизации наплава отпуск не обеспечивает. Крупную зернистость шва и околошовного металла, столбчатую структуру кристаллизованного металла такой термической обработкой устранить нельзя. Тем не менее, повышение вязкости и пластичности в обрабатываемых деталях позволяет «автономному» отпуску быть востребованным технологическим приемом.

При послесварочной термообработке среднелегированных стальных деталей огромное значение имеет своевременность этой операции (комплекса операций). Так как главной проблемой долгосрочного качества подобных изделий является возникновение холодных трещин, закалка и/или отпуск должны начинаться до первых признаков растрескивания. Период, график, скорость и прочие характеристики термообработки зависят от типа сварного соединения, его конструктивных особенностей, точного состава стали и наплава и т.д.