Традиционный способ повышения прочности стали состоит в увеличении содержания углерода и легирующих элементов. Установлено, однако, что при этом возрастает опасность появления в околошовной зоне закалочных микроструктур, хрупких холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения. Действие углерода в этом отношении особенно отрицательно.

Влияние легирующих элементов и примеси выражают количественно сравнением с влиянием углерода. Предложено несколько десятков формул углеродного эквивалента Сэ. Наиболее признанными из них являются следующие четыре, в которых Сэ выражают содержанием углерода и соответствующих легирующих элементов, % по массе:

Полагают, что при расчете по формулам (1.1), (1.2) и (1.4) при Сэ<0,35 сварка стали не вызывает затруднений, при 0,35<С<0,6 требуются возрастающие техно­логические меры предосторожности, при Сэ > 0,6 вероятность появления трещин без осуществления специальных мер опасно увеличивается. При расчете по формуле (1.3) этим ситуациям соответствуют меньшие значения Сэ.

Кроме того, образование закалочных микроструктур и связанных с ними трещин зависит от скорости охлаждения металла шва и околошовной зоны, на которую влияют тепловые параметры сварки (тепловложение, начальная температура) и конструктивные особенности соединения (форма, толщина). При сварке стали с одним и тем же углеродным эквивалентом с возрастанием скорости охлаждения вероятность образования закалочных микроструктур увеличивается, что находит отражение в монотонном росте максимальной твердости в околошовной зоне. Поэтому ограничение максимальной твердости некоторой критической величиной может служить хорошим критерием для выбора стали и условий ее применения. Так в японских стандартах на сталь для сварных конструкций, помимо ограничений по углеродному эквиваленту, с 70-х годов введено ограничение по максимальной твердости в околошовной зоне: не свыше 350 HV.

Следует также иметь в виду, что в прокате каждой промышленной марки стали содержание элементов может изменяться в определенном (часто весьма широком) интервале марочных составов. В соответствии с этим и углеродный эквивалент стали каждой марки также может варьироваться в весьма широких пределах. Это наглядно иллюстрирует табл. 1.1, содержащая подсчеты Сэ для марочных составов сталей, применяемых в сварных конструкциях. В ней приведены средние значения и пределы изменения Сэ для ряда отечественных строительных сталей. Они рассчитаны по четырем формулам с учетом вариации содержания элементов в пределах марочных составов (включая допускаемые отклонения в готовом прокате).

Формулы (1.1) и (1.2) дают близкие значения Сэ; по формуле (1.3) значения Сэ существенно ниже; по формуле (1.4) значения Сэ в большинстве случаев занимают промежуточное положение.

Для большинства сталей минимальные и средние значения Сэ по табл. 1.1 соответствуют удовлетворительной свариваемости. Однако для верхних пределов марочных составов значения Сэ опасно увеличены. Это обусловлено существующими в металлургической практике весьма широкими допусками на марочный состав. Между тем за рубежом часто предлагаются стали такого же уровня прочности с жестко ограниченным углеродным эквивалентом, например, не более 0,40 %. Важно также знать фактическое распределение Сэ для каждой марки стали. Однако данные об этом, как правило, отсутствуют.

Помимо вероятности образования в околошовной зоне холодных трещин и трещин задержанного хрупкого разрушения от качества строительной стали зависят также вероятность образования при сварке горячих (кристаллизационных) трещин в металле шва и ламелярных (слоистых) трещин в окружающем шов металле. На образование кристаллизационных трещин во многом влияет состав основного металла и его количество, переходящее в металл шва. Считают, что кристаллизационные трещины в угловых швах при сварке под флюсом могут образовываться, если содержание элементов в металле шва превосходит следующие пределы: углерода - 0,14 %, кремния - 0,25 %, серы - 0,045 %, фосфора 0,05 %. Для проката с ликвационной неоднородностью как, например, из кипящей стали, появление кристаллизационных трещин наиболее вероятно.

В образовании слоистых трещин главную роль играет загрязненность основного металла вытянутыми и строчечными неметаллическими включениями. Наибольшее значение имеют сернистые включения. Оказывают влияние также химический состав стали и содержание в металле шва водорода. Более подробно о слоистых трещинах см. в п. 1.8.

Проблема свариваемости включает в себя также склонность стали к локальному ухудшению под влиянием сварки основных эксплуатационных характеристик. Это, в первую очередь, снижение хладостойкости, обусловленное образованием грубой неоднородной микроструктуры, динамическим деформационным старением, твердением вследствие выделения дисперсных карбонитридных частиц. Оно выражается в смещении температуры хрупкости в сторону положительных температур.

При сварке термически или термомеханически упрочненной стали возможно локальное разупрочнение [7-9]. Оно обусловлено совместно протекающими отпуском и фазовой перекристаллизацией. Локальное разупрочнение выявляется измерением твердости и обычно находится в пределах 10-30 % твердости исходного основного металла.

Предложено много способов экспериментальной оценки свариваемости, включая механизированные способы испытаний в условиях имитированных термоде-формационных циклов сварки [10, 11]. Однако их применение необходимо только при разработке новых сталей или при использовании существующей стали в той области, в которой она ранее не применялась. Для проката традиционных свариваемых сталей при их обычном использовании достаточной гарантией свариваемости является соответствие химического состава и механических свойств нормам технических условий и стандартов.