ЗАО "Сварочные технологии"

В конструкциях из углеродистых сталей, изготовляемых с применением электрошлаковой сварки, наиболее часто используются стали с низким и средним содержанием углерода.

Электрошлаковая сварка низкоуглеродистых сталей не вызывает особых затруднений, но даже для сварки таких сталей требуются электроды из металла, легированного марганцем и кремнием. Обусловлено это тем, что при электрошлаковой сварке содержание углерода в металле шва также всегда остается значительно меньшим, чем в свариваемом металле. Поэтому при электрошлаковой сварке углеродистых сталей, как и при дуговой сварке под флюсом, требуемые механические свойства металла шва обеспечиваются повышением в нем содержания марганца и кремния.

При сварке под флюсом необходимое содержание марганца и кремния в углеродистом металле шва достигается за счет восстановления их из флюса. В случае электрошлаковой сварки реакции взаимодействия между шлаком и металлом протекают настолько слабо, что заметно повысить содержание марганца и кремния в металле шва путем восстановления их из флюса нельзя.

Требуемое содержание марганца и кремния здесь можно получить, лишь применив электроды из металла, легированного этими элементами. Электрошлаковая сварка низкоуглеродистых сталей выполняется марганцевыми электродными проволоками Св-08ГА или Св-10Г2 (ГОСТ 2246-70) или пластинами из марганцевой стали 09Г2 (ГОСТ 5058-65). Металл шва, выполненного такими электродами, по механическим свойствам не уступает свариваемому металлу, хотя последний и содержит значительно больше углерода.

Несколько сложнее выполнить электрошлаковую сварку среднеуглеродистых сталей. Благодаря более высокому содержанию углерода эти стали обладают такими механическими свойствами, которые в металле шва нельзя получить за счет легирования его только марганцем. Поэтому при сварке среднеуглеродистых сталей приходится повышать содержание углерода в металле шва, увеличивая в нем долю основного металла. Можно также металл шва дополнительно легировать кремнием или другими элементами, повышающими прочностные характеристики углеродистой стали, с помощью соответствующего электродного материала.

Для электрошлаковой сварки среднеуглеродистых сталей часто применяют электродную проволоку марки Св-10ГС (ГОСТ 2246-70) или пластины из сталей 10Г2СД (МК), 10ХГСНД (МС-1), 10ХСНД (СХЛ-4), 15ХСНД (СХЛ-1, НА-2) по ГОСТ 5058-65 и 09Г2С1 (М) по ГОСТ 5520-69.

С повышением содержания углерода и кремния в металле шва увеличивается вероятность образования кристаллизационных трещин. В связи с этим при электрошлаковой сварке среднеуглеродистых сталей необходимо применять дополнительные меры, предупреждающие образование трещин в металле шва. Наиболее эффективным способом является снижение сварочного тока. Если, например, при сварке стали 40 толщиной 120 мм двумя перемещающимися электродными проволоками уменьшить ток до 400 А на каждом электроде, то можно получить металл шва с содержанием углерода до 0,27% (табл. 93) без образования в нем кристаллизационных трещин. При этом механические свойства металла шва не уступают свариваемому металлу.

Таблица 93. Химический состав металла шва на стали 40, выполненного электрошлаковой сваркой проволокой Св-10Г2

Уменьшение сварочного тока снижает производительность сварочных работ. Поэтому были проведены исследования по изысканию других способов предупреждения кристаллизационных трещин в металле шва. В результате установлено, что при сварке пластинами сварочный ток нужно снижать в значительно меньшей степени. В этом случае получается более благоприятная форма ванны жидкого металла и поэтому можно избежать появления трещин в металле шва при более высоком содержании в нем углерода.

Использование флюсов на основе фтористого кальция (фторидные флюсы) создает дополнительные возможности для предупреждения кристаллизационных трещин при электрошлаковой сварке среднеуглеродистых сталей. Такие флюсы в сочетании с пластинчатыми электродами позволяют, например, сваривать сталь 40 без образования трещин, несмотря на высокое содержание в металле шва углерода (до 0,35%), причем используется сварочный ток значительной величины (1300 А при сечении электрода 12×70 мм).

При аналогичной сварке под флюсом АН-8 в шве образуются кристаллизационные трещины. Объясняется это тем, что фторидные флюсы способствуют десульфурации ванны жидкого металла. Содержание серы, например, в шве, выполненном с применением флюса АНФ-7, в пять раз меньше, чем в шве, выполненном с применением флюса АН-8.

При электрошлаковом процессе благодаря большой теплонасыщенности свариваемого металла в зоне сварки ванна жидкого металла имеет значительный объем и медленно охлаждается во время кристаллизации. Это (особенно в случае сварки углеродистых сталей) приводит к крупностолбчатому строению металла шва (рис. 133, а). В результате он приобретает низкие механические свойства. Поэтому при электрошлаковой сварке необходимо измельчение структуры металла шва, которого можно добиться термической обработкой соединения после сварки.

Для углеродистого металла шва такой термической обработкой будет нормализация, т. е. нагрев свыше Ас₃ с последующим охлаждением на воздухе. Нормализация в значительной степени измельчает структуру (рис. 133, б) и заметно повышает механические свойства металла шва.

(рис. 133) Микроструктура металла шва на углеродистой стали 40, выполненного электрошлаковой сваркой: а - до термообработки, б - после нормализации

Сварные соединения из углеродистых сталей должны подвергаться нормализации еще и потому, что электрошлаковая сварка вызывает перегрев основного металла у зоны сплавления его с металлом шва. Микроструктура металла околошовной зоны сварного соединения углеродистой стали 40, выполненного электрошлаковой сваркой, показана на рис. 134.

(рис. 134) Микроструктура металла околошовной зоны сварного соединения из углеродистой стали 40, выполненного электрошлаковой сваркой: а - до термообработки, б - после нормализации

В результате углеродистые стали претерпевают усиленный рост зерна и теряют свои механические свойства, особенно ударную вязкость.

Испытуемый материал - ударная вязкость (кГ · м/см²):

- сталь 40 (ГОСТ 1050—74) - 6,0;

- зона сплавления до нормализации - 1,5-1,6;

- зона сплавления после нормализации - 4,4-6,0.

Восстановить структуру и механические свойства углеродистых сталей на указанном участке можно только последующей нормализацией сварного соединения.

Для конструкций, изготовляемых с применением электрошлаковой сварки, углеродистая сталь применяется в виде горячекатаных плит, поковок и отливок.