Сварка сверхвысокопрочной стали

Это ключевой вопрос в сварочном производстве. При сварке сверхпрочных сталей сосредоточение исключительно на обеспечении соответствия прочности часто приводит к разрушению сварного соединения. Металлургическая совместимость имеет решающее значение для обеспечения безопасности и надежности сварных конструкций. Помимо соответствия прочности, наиболее важными металлургическими факторами при выборе сварочных материалов являются следующие:Сварка сверхвысокопрочной стали

❶ Прочность и склонность металла шва к охрупчиванию

Это один из важнейших факторов. Более высокая прочность, как правило, приводит к большей склонности материала к охрупчиванию.

●Проблема: Простое стремление к обеспечению соответствия прочности или сверхвысокой прочности может привести к недостаточной прочности металла шва (особенно ударной вязкости при низких температурах). Соединение может обладать достаточной прочностью при статических нагрузках, но при динамических нагрузках, ударах или в условиях низких температур может произойти хрупкое разрушение.

●Важные моменты при выборе сварочных материалов:

⑴ Чистота: Выбирайте сварочные материалы, обеспечивающие низкое содержание кислорода и примесей в металле шва (например, серы и фосфора). Порошковые проволоки (особенно с основными шлаковыми системами) и сварочные материалы для дуговой сварки под флюсом обычно хорошо себя проявляют в этом отношении.

(2) Контроль микроструктуры: Система легирования сварочного материала должна способствовать формированию более прочных микроструктур, таких как нижний бейнит или низкоуглеродистый мартенсит, и предотвращать образование верхнего бейнита, грубого мартенсита или компонентов M-A, которые снижают вязкость.

(3) Принцип соответствия вязкости и прочности: В условиях чрезвычайно высоких динамических нагрузок или низких температур иногда намеренно выбирают сварочные материалы с вязкостью, значительно превышающей вязкость основного металла, даже если их прочность несколько ниже («низкопрочное соответствие»), чтобы обеспечить трещиностойкость соединения.

❷ Сварка сверхвысокопрочной стали：Чувствительность к водородоиндуцированным трещинам

Это самая опасная и распространённая проблема при сварке сверхвысокопрочной стали.

● Проблема: Сверхпрочная сталь обладает чрезвычайно высокой склонностью к закалке, и во время сварки она легко образует твёрдую и хрупкую мартенситную структуру. Атомы водорода (из покрытия электрода, флюса, окружающей влаги и масла) под действием напряжения диффундируют к микроскопическим дефектам и накапливаются, создавая огромное давление, что приводит к замедленному растрескиванию.

● Факторы, влияющие на выбор сварочных материалов:

(1) Характеристики сверхнизкого содержания водорода: необходимо выбирать сварочные материалы с маркировкой «сверхнизкое содержание водорода» или «экстремально низкое содержание водорода». Это требует строгого контроля влажности при производстве, упаковке и хранении сварочных материалов.

⑵ Система флюс/порошковая проволока: основные сварочные электроды и флюсы обычно имеют более низкое содержание диффузионного водорода, чем кислые или титано-кальциевые электроды.

⑶ Состав сплава: Сварочные материалы должны содержать эффективные раскисляющие элементы (такие как Ti, B, RE и др.), которые могут удерживать водород и снижать его диффузионную способность.

❸ Сварка сверхвысокопрочной стали：Размягчение зоны термического влияния

Это серьёзная проблема для сверхпрочных сталей в закаленном и отпущенном состоянии (закалка + отпуск).

● Проблема: Термический цикл сварки эквивалентен «отпуску» зоны термического влияния основного металла. Это приводит к снижению твёрдости и прочности участков с пиковыми температурами ниже Ac1 из-за переотпуска, образуя «размягченную зону». Это слабое место в соединении.

● Рекомендации по выбору сварочного материала:

⑴ Компенсация легирования: Выбранный сварочный материал должен иметь состав, выдерживающий более высокие температуры отпуска, т.е. обладать эффектом вторичного упрочнения или стойкостью к размягчению при отпуске (обычно содержать карбидообразующие элементы, такие как Mo, V, Nb).

(2) Стратегия подбора: Иногда применяется подход «сверхсильного подбора», когда используются сварочные материалы с прочностью на один класс выше, чем у основного металла, чтобы компенсировать общую потерю прочности соединения, вызванную размягчением в зоне термического влияния (ЗТВ).

❹ Углеродный эквивалент и прокаливаемость

● Проблема: Чрезмерно высокий углеродный эквивалент в сварочных материалах повышает прокаливаемость металла шва, увеличивая риск образования холодных трещин и снижая ударную вязкость.

● Факторы, которые следует учитывать при выборе сварочных материалов:

(1) Низкий удельный вес (Ceq): Современные высокопроизводительные сварочные материалы обычно используют низкоуглеродистую многоэлементную микролегированную конструкцию. Снижение содержания углерода (обычно <0,06%) и добавление легирующих элементов, таких как Ni, Cr, Mo и Cu, обеспечивает прочность, а также значительно повышает ударную вязкость и трещиностойкость.

❺ Контроль примесей

● Проблема: Примеси, такие как сера и фосфор, могут интенсивно сегрегировать на границах зерен в сварном шве, значительно снижая ударную вязкость и трещиностойкость металла шва.

● Факторы, которые следует учитывать при выборе сварочных материалов:

⑴ Высокая чистота: Выбирайте сварочные материалы с крайне низким содержанием серы и фосфора (S и P) (например, S и P ≤ 0,010% или даже ниже). Это основополагающая характеристика высококачественных сварочных материалов.

Краткий обзор и стратегия выбора материалов

При выборе сварочных материалов для сварки сверхвысокопрочных сталей следует руководствоваться следующими приоритетами:

❶ Безопасность прежде всего: первостепенная задача — стойкость к водородному растрескиванию. Поэтому сварочные материалы со сверхнизким содержанием водорода являются обязательным выбором.

❷ Обеспечение вязкости: при соблюдении требований к прочности отдавайте предпочтение сварочным материалам, обеспечивающим высокую вязкость (особенно энергию удара при расчетной температуре эксплуатации). Проверьте значение энергии удара по Шарпи V-образной формы в сертификационных данных сварочных материалов.

❸ Прочность и стойкость к разупрочнению: оцените, возможно ли разупрочнение соединения в зоне термического влияния (ЗТВ). В этом случае рассмотрите возможность использования сварочных материалов с высокой стойкостью к разупрочнению при отпуске или подбора подходящих сверхпрочных материалов.

❹ Технологичность: исходя из соответствия всем вышеперечисленным металлургическим требованиям, выбирайте сварочные материалы со стабильной дугой, минимальным разбрызгиванием, эстетичным внешним видом шва и легким отделением шлака для обеспечения стабильности и эффективности сварочного процесса.

В конечном счете, выбор сварочных материалов должен быть проверен на основе строгих квалификационных испытаний сварочной процедуры, чтобы гарантировать, что их комплексные свойства, такие как прочность, ударная вязкость, твердость и трещиностойкость, соответствуют проектным требованиям конкретного изделия.