Влияние сварочных материалов на свойства сварных соединений из сталей различных структурных классов и легирования.

Влияние легирующих элементов.
Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин.
Углерод.
При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20°С), предел текучести,
величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.
Марганец.
Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его
содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.
Ванадий.
Ванадий содержится в легированных сталях от 0,2 до 1,5%. Придает стали высокую прочность, повышает ее вязкость и упругость. Ухудшает сварку, так как способствует образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоны.
Хром.
Хром снижает свариваемость стали, так как, окисляясь, образует тугоплавкие оксиды Cr2O3, резко повышает твердость стали в зоне термического влияния, образуя карбиды хрома, а также способствует возникновению закалочных структур.
Молибден.
Молибден в теплоустойчивых сталях содержится от 0,15 до 0,8%; в сталях, работающих при высоких температурах и ударных нагрузках его содержание достигает 3,5%. Способствует измельчению кристаллических зерен, повышению прочности и ударной вязкости стали.

Механические свойства сварного соединения в целом являются свойствами комплексными, так как они зависят от соотношения механических свойств металла шва, металла зоны термического влияния и основного металла. Если исходить из свойств основного металла, то очевидно, что сварное соединение на конструкционных сталях можно считать доброкачественным, если оно обеспечивает величины предела прочности и предела текучести не ниже, чем у основного металла, при достаточном запасе пластичности.
Механические свойства металла шва зависят от следующих факторов:
1) выбора сварочных материалов (электродов, проволоки, флюса);
2) химического состава основного металла;
3) режима сварки и технологии сварки;
4) размеров (особенно толщины) изделия и скорости охлаждения;
5) величины пластических деформаций в металле шва.
Напомним, что по ГОСТ 9467-60 каждый тип электрода обеспечивает определенные механические свойства металла шва применительно к определенной марке стали (например, для типов Э42-Э55 на Ст. 3). Переход к сварке более легированной стали приводит к необходимости дополнительного легирования металла шва и получению более высоких механических свойств. Такое же положение и при сварке под флюсом. При ручной сварке режим ее изменяется в сравнительно узких пределах, поэтому, как показали отдельные исследования, влиянием режима сварки на механические свойства можно пренебречь. При автоматической и полуавтоматической сварке все параметры режима сварки изменяются в значительно более широком диапазоне и это необходимо учитывать.
Толщина изделия, особенно при толщинах более 25-30 мм, может резко изменить скорость охлаждения металла шва и повлиять на его механические свойства.
Механические свойства металла ЗТВ в значительной степени зависят от химического состава основного металла и склонности его к закалке. Непосредственное определение механических характеристик металла ЗТВ затруднительно в связи с небольшой шириной ЗТВ и трудностью изготовления разрывных образцов. Изменение механических свойств ЗТВ обычно характеризуют изменением твердости по поперечному сечению сварного образца. При сварке судостроительных углеродистых и низколегированных сталей повышение твердости на участке крупного зерна достигает 20-30% со снижением пластичности на 10-15%. Несмотря на указанное обстоятельство, поведение всего сварного соединения, как правило, не определяется изменением механических свойств ЗТВ ввиду небольших размеров этой зоны по сравнению с размером шва, не говоря уже о размерах свариваемых элементов.
Указанное обстоятельство подтверждается как при статических, так и при вибрационных и ударных испытаниях сварных соединений вплоть до разрушения; оно связано также и с тем, что размер ЗТВ всегда больше соответствующей толщины металла, так как ЗТВ имеет криволинейную поверхность (по форме шва), в результате прочность соединения в ЗТВ оказывается не ниже прочности основного металла и разрушение происходит по основному металлу. По этой причине в подавляющем большинстве случаев при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей каких-либо мер для выравнивания структуры в пределах сварного соединения не применяют.
Однако в некоторых случаях возникает необходимость в изменении или улучшении некоторых механических характеристик. Так, например, на некоторых марках стали с целью повышения прочности и пластичности шва может применяться проковка наплавленного металла. Проковка производится либо в горячем состоянии (способствует улучшению структуры), либо в холодном состоянии (для снятия сварочных напряжений и уменьшения деформации) по окончании сварки.
Проковка металла швов по отдельным слоям в горячем состоянии уплотняет металл и измельчает зерна, что улучшает его механические качества. Слой металла перед проковкой очищают от шлака. Проковка должна выполняться быстро, с тем чтобы температура металла не снижалась до границ синеломкости (200-350°С). Однослойные швы и первые слои многослойных швов в этом случае не проковывают во избежание возникновения трещин вследствие быстрого охлаждения нижней части шва. Проковка в горячем состоянии практически не снижает величины сварочных напряжений.
В холодном состоянии проколачивается не только металл шва, но и прилегающая часть основного металла с целью снятия сварочных напряжений. Такое проколачивание не улучшает структуры шва, но эффект наклепа может несколько повысить прочность металла шва.
В некоторых случаях, например при динамических нагрузках сварных соединений легированных сталей, возникает необходимость в выравнивании механических свойств различных зон соединения (особенное выравнивании пластичности).
Улучшения структуры и свойств сварных соединений можно достигнуть термической обработкой, которая обычно сводится к нагреву соединения, выдержке его при этой температуре и последующему охлаждению с заданной скоростью. Термическая обработка требует большой затраты средств и наличия специального оборудования, поэтому применяется ограниченно, главным образом, при сварке легированных сталей. При сварке малоуглеродистых и низколегированных незакаливающихся сталей термическая обработка в виде отжига применяется только в тех случаях, когда необходимо снять сварочные напряжения у сварных деталей, идущих на последующую механическую обработку, при высоких требованиях к точности размеров.
Для улучшения структуры и пластических свойств сварного соединения могут быть применены многослойные швы вместо однослойных. Улучшение структуры при этом достигается благодаря тому, что металл предыдущего валика и часть прилегающего основного металла при наложении последующего валика подвергаются вторичному нагреву, равноценному последующей термической обработке. В результате происходит перекристаллизация как в металле нижележащего валика, так и в зоне перегрева основного металла, что обеспечивает наличие в этих участках мелкозернистой структуры и получение более высоких пластических свойств. Если требуется улучшить структуру соединения по всему сечению, то для улучшения структуры верхнего слоя поверх его наплавляют так называемый отжигающий валик, который после полного охлаждения шва срубают. Полное улучшение структуры сварного соединения применением многослойных швов достигается только при ручной сварке, так как в этом случае толщина отдельных валиков невелика (2-3 мм) и при наложении следующего слоя предыдущий слой отжигается полностью. При автоматической сварке под флюсом толщина отдельных слоев значительно больше и поэтому полного отжига всего металла шва не происходит.