Для сравнительной оценки эксплуатационных свойств сварных соединений из легированной стали 30ХГСА провели экспериментальные исследования с применением способов сварки:

1. Традиционный – сварка стационарной дугой с предварительным подогревом до температуры 350 °С и последующей термической обработкой при температуре 600 °С.

2. Разработанный – сварка стационарной дугой с двухструйной газовой защитой без предварительного нагрева и термической обработки.

Во всех случаях производили механизированную многопроходную сварку поворотного стыка трубы диаметром 90 мм с толщиной стенки 20 мм в среде СО₂ в щелевую разделку шириной 8 мм сварочной проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм. Для сварки образцов использовали источник питания ВСЖ–303, автоматическую сварочную головку ГСП–2 с блоком управления БАРС–2Б.

Режимы сварки образцов по традиционному способу определили на основе анализа зависимости механических характеристик многослойных сварных соединений стали 30ХГСА от параметров термического цикла сварки (Тпод – температура предварительного подогрева; Тто – температура последующей термической обработки; Iсв – сила сварочного тока). Для сварки образцов по I и II способам был выбран режим Iсв=170–185 А, Uд= 26–27 В, Vсв=14– 15 м/ч, Vг=10–10,5 л/мин.

Исследование микроструктуры проводили на металлографическом микроскопе NEOPHOT-21, а измерение микротвердости на ПМТ-3.

Металлографические исследования образцов, сваренных I способом, показали, что металл шва (рис. 3.11, а) имеет крупнозернистую феррито-перлитную структуру. В зоне сплавления (рис. 3.11, б) отчетливо виден переход от металла шва к основному (участок неполного расплавления). Участок неполного расплавления (рис. 3.11, в) – видманштеттова структура. Отчетливо видна граница бывших аустенитных зерен. Структура участка перегрева (рис. 3.11, г), по нашему предположению, представляет собой отпущенную бейнитную структуру с ферритными зернами. Укрупненная структура участка нормализации (рис. 3.11, д) говорит о существенном тепловложении (термообработка). Микроструктура основного металла (рис. 3.11, е) представлена игольчатыми зернами феррита и перлита.

На рис. 3.12 представлена микроструктура образца, сваренного II способом. Структура металла шва представляет собой смесь зерен феррита и перлита (рис. 3.12, а). Переход от наплавленного метала к основному в зоне сплавления (рис. 3.12, б) свидетельствует о хорошем перемешивании расплавленного металла в сварочной ванне.

Рис. 3.11. Микроструктура сварного соединения из стали 30ХГСА, полученного I способом: а) металл шва, б) зона сплавления, в) участок неполного расплавления, г) участок перегрева, д) участок нормализации, е) основной металл

Это обеспечивает высокую работоспособность сварных соединений. На участке неполного расплавления (рис. 3.12, в) выявлены ферритные зерна вытянутой формы. Структура участка перегрева показана на рис. 3.12, г. Скорее всего, это бейнитная структура с ферритными прослойками.

Для структуры участка нормализации (рис. 3.12, д) характерны мелкие равноосные зерна феррита. Основной металл (рис. 3.12, е) имеет игольчатую форму зерен феррита и перлита.

Рис. 3.12. Микроструктура сварного соединения из стали 30ХГСА, полученного II способом: а) металл шва, б) зона сплавления, в) участок неполного расплавления, г) участок перегрева, д) участок нормализации, е) основной металл

На рис. 3.13 приведен график изменения микротвердости образца, полученного I способом. Измерение проводили на расстоянии 5 мм от верхней поверхности сварного соединения (см. рис. 2.9). На графике видно, что микротвердость в ЗТВ имеет повышенное значение по сравнению с остальными участками. Средние значения микротвердости металла шва, ЗТВ и основного металла соответственно равны: 1824, 3091, 2823 МПа. Относительная ошибка составляет ±5 %.

Рис. 3.13. Изменение микротвердости в сечении сварного соединения, выполненного I способом

Так как сварные соединения являются многослойными, были проведены измерения микротвердости по центру металла шва. Рис. 3.14 показывает изменение микротвердости по центру металла шва в зависимости от глубины (см. рис. 2.9) в образцах, полученных I и II способами. Повышенные значения микротвердости облицовочных слоев и ее снижение в средних слоях сварных соединений связанны с эффектом автотермообработки в многослойных соединениях. Высокое значение микротвердости в корневом шве обусловлено значительной долей основного металла.

Рис. 3.14. Распределение микротвердости по центру сварного шва в зависимости от глубины для образцов

На рис. 3.15 показано изменение микротвердости в сечении сварного соединения, полученного сваркой с двухструйной газовой защитой. Измерения проводили на расстоянии 5 мм от верхней поверхности сварного соединения. Из рис. 3.15 видно, что микротвердость в ЗТВ также повышается по сравнению с остальными участками, например, по отношению к основному металлу она повысилась примерно на 19 % с учетом погрешности измерений. Средние значения микротвердости металла шва, ЗТВ и основного металла соответственно равны: 1952, 3481, 2913 МПа. Относительная ошибка составляет ±7 %.

Расстояние от центра металла шва, мм

Рис. 3.15. Изменение микротвердости в сечении сварного соединения, полученного II способом
Видно, что способ сварки с двухструйной газовой защитой обеспечивает более высокие механические свойства, за исключением ударной вязкости.

По результатам сравнительных испытаний установлено:

— Способ сварки легированных сталей с двухструйной газовой защитой в среде СО2 приводит к образованию стабильных феррито-перлитных структур с размером зерен меньшим (в металле шва) по сравнению с традиционным способом сварки.

— Механические свойства образцов, выполненных сваркой с двухструйной газовой защитой (статический предел прочности, микротвердость металла шва и зоны термического влияния), имеют более высокие значения по сравнению с традиционным способом.

— Наиболее рациональным является разработанный способ сварки с двухструйной газовой защитой в среде СО2, т.к. он обеспечивает высокие механические свойства сварных соединений без предварительного подогрева и последующей термообработки и является ресурсо- и энергосберегающим.