Сталь 30ХГСА относится к группе термически упрочняемых сталей, чувствительных к скоростям охлаждения. Это в значительной степени сказывается на свойствах сварных соединений и требует последующей термической обработки. Структура и свойства сварных соединений из стали 30ХГСА связаны с технологическим процессом сварки и зависят от выбранных режимов (скорость сварки, напряжение дуги, сила сварочного тока, температура предварительного подогрева, температура последующей термообработки и т.д.).

Быстро протекающие процессы в сварочной ванне создают неравновесные условия кристаллизации, а незавершенность процессов диффузии и конвективного массопереноса обуславливают химическую и структурную неоднородность сварного соединения. Это снижает эксплуатационные свойства изделий и в большинстве случаев приводит к преждевременному разрушению. Наибольшую опасность представляет зона сплавления наплавленного металла с основным, где наблюдается повышенная химическая и структурная неоднородность, а также пик концентрации внутренних сварочных напряжений. Для оценки качества сварных соединений существует много методов. Один из них – это оценка равнопрочности многослойного сварного соединения по изменению распределения твердости в его поперечном сечении.

Твердость сварного соединения связана со всеми механическими характеристиками, и ее измерение позволяет оценить его прочностную однородность. Определяющим является измерение твердости не только в металле шва или ЗТВ, а по всему сечению сварного образца, т.к. перепад значений твердости на 20% свидетельствует о пиковых изменениях твердости и необходимости послесварочной термообработки.

По результатам проведенных ранее исследований установлено, что величина сварочного тока оказывает значительное влияние на механические свойства сварных соединений из легированной стали 30ХГСА. Для изучения влияния величины сварочного тока на изменение распределения твердости по сечению многослойных сварных соединении из стали 30ХГСА и их равнопрочность провели ряд исследований на образцах из стали 30ХГСА с толщиной стенки 20 мм, сваренных по традиционной технологии с предварительным подогревом до температуры ТП = 300 °С и последующей термообработкой при температуре ТТО = 600 °С. Известно, что сварку легированных сталей целесообразно проводить при силе тока не более 200 А низкоуглеродистой проволокой диаметром не более 1,2 мм [55, 67]. Образец № 1 варили при силе тока Iсв1= 170 А, а образец № 2 – при силе тока Iсв2= 200 А, напряжение сварочной дуги U= 26–27 В, скорость сварки V= 14–15 м/ч. После сварки образцов произвели их шлифовку и травление 4%-ым раствором азотной кислоты.

Измерения твердости проводили в поперечном сечении шва согласно схеме представленной на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Схема измерения твердости в поперечном сечении многослойных сварных образцов

Результаты измерений были обработаны с помощью пакета MATLAB и представлены в виде полей распределения твердости (рис. 2.10 и 2.11).

Рис.2.10. Распределение твердости по сечению многослойного сварного соединения (ТП=300С, IСВ=170А, ТТО=600С)

На полученных поверхностях распределения твердости легко заметить месторасположение сварного шва по отчетливому излому, т.к. его твердость ниже твердости основного металла. Это объясняется низкой смешиваемостью более мягкого наплавляемого металла (Св-08Г2С) с более твердым основным (30ХГСА), что и обуславливает этот излом, т.е. зону сплавления.
Различное значение твердости по глубине сварного соединения объясняется тем, что при многослойной сварке структура корневого и промежуточных слоев может дополнительно изменяться после кристаллизации, а именно подвергаться повторному нагреву при наложении последующих слоев шва, что вызывает структурные изменения в металле шва и околошовной зоне (ОШЗ). Характерно, что чем больше тепловложение, тем значительнее эффект снижения твердости, обеспечиваемый нарастанием силы сварочного тока. Увеличение силы сварочного тока приводит к снижению твердости не только металла шва, но и сварного соединения в целом (рис. 2.10 и 2.11), т.е. оказывает положительное воздействие на работоспособность многослойных сварных соединений.

Это можно объяснить циклическим изменением температуры автотермообработки слоев сварного шва, которая получается при наложении последующих слоев шва. Однако значительное увеличение силы сварочного тока (> 200 А) не рекомендовано из-за увеличения градиента температур, что вызывает нарастание сварочных напряжений в соединении, которые в свою очередь создают благоприятные условия для зарождения и развития холодных трещин.

Рис. 2.11. Распределение твердости сечению многослойного сварного соединения (ТП=300°С, IСВ=200А, ТТО=600°С)

По представленным на рис. 2.12 распределениям твердости по слоям сварных соединений из стали 30ХГСА в зависимости от силы сварочного тока (кривая 1 — при 170 А, кривая 2 — при 200 А) отчетливо наблюдается снижение твердости с увеличением силы тока.
С первого по пятый слой кривая 2 имеет более плавную форму. Наблюдается выравнивание резких скачков твердости в ОШЗ (кривая 2) за счет увеличения тепловложения и усиления эффекта автотермообработки (до 200А). В последнем (шестом) слое различие между кривыми 1 и 2 незначительно, за исключением значения твердости на оси шва (см. рис. 2.12). Это объясняется отсутствием его автотермообработки последующим слоем. Уменьшение твердости в наплавленном металле последнего слоя на кривой 2 объясняется большим, в сравнении с первым образцом, объемом накопленной теплоты в сварном изделии, что требует большего времени для охлаждения металла последнего шва. Совпадение кривых 1 и 2 на участке ОШЗ в последнем слое свидетельствует о том, что увеличение тепловложения за счет возрастания силы тока (в выбранном диапазоне) имеет положительное влияние лишь при многопроходной сварке высокопрочных легированных сталей.

По результатам исследований установлено, что изменение силы сварочного тока оказывает значительное влияние не только на твердость металла шва, но и на распределение твердости в сварном соединении. При увеличении силы тока (до 200 А) наблюдается выравнивание поля твердости в сечении многослойного сварного соединения из легированной стали 30ХГСА и снижение его значений.