Для получения сварных конструкций нередко используются низкоуглеродистые стали, где концентрация углерода не превышает 0,25 %. Также часто используются низколегированные стали, где отмечается содержание углерода на уровне в 0,25 %, а общее содержание легирующих элементов не превышает 4,0%.
Про указанные виды стали можно сказать то, что они характеризуются хорошей свариваемостью. А полученные сварные соединения дают такой же уровень прочности, как и основной металл. В плюсы лазерной сварки также можно отнести и высокие скорости охлаждения кристаллизующегоcя металла шва и OШЗ при высоких температурах. За счет этого размеры зерна являются минимальными. При работе с термически упрочненной сталью разупрочнения на участке отпуска не происходит – все благодаря малой протяженности зоны термического влияния, а также жесткого термического цикла.
Готовое сварное соединение, которое образуется в процесс лазерной сварки низколегированных или низкоуглеродистых сталей, имеет высокие механические свойства. Тут можно назвать одинаковую прочность основного металла и сварного шва. Также остаются высокими значения пластичности и ударной вязкости. Указанные показатели достигаются не только при выполнении сварки встык металла с небольшой толщиной. Выполнение лазерной сварки стали 17ГС с толщиной до 20 мм за один проход дает прочность шва аналогичную прочности основного металла. А значение ударной вязкости остается высоким.
Характерные особенности средне- и высокоуглеродистой, а также легированной стали
Для изготовления различных сварных конструкций зачастую используются среднеуглеродистые марки стали, где содержание углерода находится в пределе от 0,26 до 0,45%. Сюда не подходят высокоуглеродистые стали, где есть от 0,46 до 0,75% углерода. Такие виды стали характеризуются плохой свариваемостью. Про легированные стали нужно знать то, что суммарное содержание легирующих элементов там находится в промежутке от 2,5 до 10%.
В процессе сварки легированная сталь получает шов с закалочными структурами, также они есть и в зоне термического влияния. Подобные структуры имеют склонность к хрупким разрушениям, и появлениям холодных и горячих трещин в сварном соединении. Чтобы минимизировать вероятность появления указанных дефектов, при сварке выполняется подогрев, также нужно термически обрабатывать материал или изделие уже после сварки.
Использование лазерной сварки, где есть высококонцентрированный луч энергии, обеспечивает одинаковое качество работы с разными марками стали. В отличие от дуговой сварки, лазерная сварка позволяет металлу давать высокую сопротивляемость появлению горячих трещин. Если при лазерной сварке происходит благоприятное изменение структуры, то сварное соединение имеет высокую сопротивляемость и к появлению холодных трещин.
При использовании легированных и углеродистых закаливающихся сталей, сварное соединение имеет шов с химическим составом и литой структурой, которая сильно отличается от основного материала. Механические свойства отдельных областей сварного соединения могут меняться, на что влияет выбранный режим сварки, последующая термическая обработка, химический состав присадочной проволоки, а также исходная структура самого материала. Минимальный предел прочности сварного соединения определяется следующими факторами:
1. При сварке стали в состоянии отжига предел прочного сварного соединения будет аналогичен прочности основного материала.
2. Если речь идет о сварке предварительно упрочненной закалкой стали, то минимальный предел прочности будет соответствовать прочности зоны отпуска.
3. Если после сварки стали будет выполняться упрочняющая термообработка соединения, то минимальный предел прочности сварного соединения будет определяться прочностью металла шва.
В плюс лазерной сварки идет минимальное разупрочнение в ОЩШ термоупрочненных сталей. Для примера можно рассмотреть сварные соединения из термоупрочненных сталей 12Х2Н4А, 18ХГT, выполненных лазером. Там предел прочности сварных соединений на 15% выше, чем при выполнении дуговой сварки.
Такая высокая прочность напрямую связана с эффектом упрочнения «мягкой прослойки». Контактное упрочнение мягкой прослойки наиболее вероятно при деформации соединений, полученных в процессе лазерной сварки. Сравнительно небольшой размер мягкой отожженой зоны заметно упрочняется в процессе деформирования. Поэтому процесс разрушения проходит по основному металлу соединения, который не подвергался разупрочнению.
Показатель ударной вязкости полученных сварных соединений стали марки 12Х2Н4А в зонe шва, нa линии оплавления и в зонe закалки, при выполнении лазерной сварки, намного выше, чем при выполнении дуговой сварки. Превышает ударная вязкость сварного соединения и показатели основного материала. Если рассматривать ударную вязкость в зоне отпуска, то тут и дуговые и лазерные сварные соединения имеют примерно одинаковые показатели. Такие характеристики сварных соединений, включая их пластические свойства, определяются существенным измельчением вторичной структуры металла шва и ОШЗ. Но упомянуть также стоит и дегазацию переплавленного металла, а также металлургическую очистку.
Характерные особенности высоколегированных марок стали
Отличительной чертой выступает наличие более 10% легирующих элементов. Если говорить про сварные конструкции, то там большее распространение имеют аустенитные высоколегированные стали и сплавы, где содержание хрома меньше 18%, а никеля – меньше 10%. Общая концентрация легирующих элементов может достигать 55%. Из-за формирования крупнозернистой структуры тут образуются горячие трещины как в шве, так и в ОШЗ. Чтобы не допустить образование горячих трещин, нужно выполнить следующие мероприятия:
1. Получение к структуре швов определенного количества феррита.
2. Использование отдельных методов сварки, при которых кристаллы будут измельчаться, а также устраняться столбчатая структура.
3. Значительное понижение концентрации примесей в швах, которые образуют легко плавкие эвтектики.
Для реализации указанных мероприятий подходит лазерная сварка. В этом случае структура шва будет отличаться мелкодисперностью, а фазовый состав шва будет иметь до 20% феррита. Также нужно отметить пониженную концентрацию вредных примесей в составе шва. Сравнить прочность сварного соединения из указанной марки стали можно с прочностью самого материала. При этом пластичность будет заметно выше из-за того, что концентрация неметаллических соединений является минимальной.
Если стоит задача создания наиболее важных сварных конструкций с повышенными требованиями по прочности, то этом случае используют мартенситностареющие коррозионностойкие марки стали. Сочетание прочности, пластичности и вязкости обеспечивается за счет формирования низкоуглеродистой мартенситной матрицы. Она будет упрочняться по мере дисперсионного твердения.
Еще сварка мартенситно-стареющей стали имеет склонность к образованию холодных трещин, но это относится больше к дуговой сварке. Использование лазерной сварки обеспечивает сварным соединениям высокие механические характеристики.
