Сталь С390 находит применение в строительстве при необходимости повышения прочностных характеристик элементов — прокатные профили из данной стали обеспечивают увеличение расчетного сопротивления стали до 12% в сравнении со сталью С355 (подробнее об области рационального применения стали С390 в статье). Однако при использовании элементов из стали повышенной прочности возникает вопрос: как правильно сваривать эту сталь, чтобы избежать дефектов и обеспечить долговечность соединений?
Свариваемость сталей
Качество сварных соединений заключается в обеспечении требуемого временного сопротивления металла шва, исключении возможности хрупкого разрушения и появления дефектов (трещин, пор, непроваров).
Свариваемость стали во многом определяется её химическим составом, включая содержание легирующих добавок и вредных примесей (влияние легирующих добавок на свойства сталей описано в статье). Для оценки влияния химического состава на свариваемость используется показатель углеродного эквивалента, во многих нормативных документах ограничение углеродного эквивалента рассматривается как гарантия свариваемости.
Существует множество методов расчёта углеродного эквивалента, что приводит к различным подходам в оценке свариваемости стали. Примеры различных формул для вычисления углеродного эквивалента, а также классификацию сталей по группам свариваемости можно найти в следующих источниках:
- СП 16.13330.2017. Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*. [Приложение В, табл. В.2.];
- Бондарь В.Х., Шкуратовский Г.Д. Справочник сварщика-строителя. — 1982. — 240 с. [стр. 24];
- Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. Учебник для вузов. — М.: Металлургия, 1985. — 408 с. [стр. 121];
- ГОСТ 535-2005. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. [п. 4.4.];
- ГОСТ 19281-2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. [п. 7.2.];
- Bruneau Michel, Uang Chia-Ming, Whittaker Andrew Stuart. Ductile Design of Steel Structures. — McGraw-Hill Professional, 1998. — 485 с. [стр. 31];
- Lancaster J.F. Metallurgy of Welding. — Sixth Edition. — Abington Publishing, 1999. — 464 с.
Свариваемость стали С390
Сталь С390, выпускаемая компанией ЕВРАЗ, относится к группе М03 — это низколегированная конструкционная сталь перлитного класса с гарантированным минимальным пределом текучести от 360 до 500 МПа. Для ее производства используется уральская руда с природным содержанием ванадия, что позволяет снизить затраты на легирование и повысить прочность стали практически без потери пластичности. Благодаря легированию ванадием и строгому контролю всех технологических процессов сталь С390 обладает гарантированной свариваемостью и не разупрочняется при сварке. Химический состав и углеродный эквивалент стали представлены в таблице.
Таблица 1 — Химический состав стали С390
| Класс прочности | Массовая доля элементов, % | Нормативный документ | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C, не более | Mn | Si | Cr, не более | Ni, не более | Cu, не более | V, не более | Nb | Al | Ti, не более | C экв., не более | ||
| С390 | 0,12 | 1,30-1,70 | 0,15-0,50 | 0,30 | 0,30 | 0,30 | 0,12 | <0,09 | 0,02-0,06 | 0,035 | 0,46 | ГОСТ 27772 |
| С390Б | 0,16 | 1,30-1,70 | 0,15-0,50 | 0,30 | 0,30 | 0,30 | 0,12 | — | 0,02-0,06 | 0,035 | 0,46 |
ГОСТ Р 57837 / ГОСТ 35087 |
Рекомендации по сварке стали С390
Для достижения качественного сварного соединения элементов из стали С390 требуется соблюдение специальных мер по предотвращению трещинообразования. В п. 12.19 СП 53-101-98 приводится общая рекомендация для снижения опасности образования горячих, холодных и слоистых трещин в сварных соединениях — предварительный подогрев свариваемых элементов до температуры 120 - 160 °С.
Более детальные требования и особенности технологии сварки элементов непосредственно из стали повышенной прочности приведены в СТО 59127210-001-2019 «Технологический регламент по сварке строительных конструкций из сталей С390 ГОСТ 27772-2015, С390Б по ГОСТ Р 57837-2017». В частности, п. 10.5 данного регламента предписывает:
- Проводить предварительный прогрев свариваемых кромок непосредственно перед сваркой на ширину 2-3 толщин свариваемого материала с обеих сторон соединения, но не менее 100 мм;
- Принимать температуру подогрева и просушки свариваемых кромок в зависимости от толщины металла, типа соединения и температуры окружающего воздуха (таблица 2);
- Укрывать места сварки термоизоляционными матами до их полного остывания;
- Для многопроходных швов производить контроль межваликовой температуры не ниже 220°С, а так же скорость охлаждения выполненных валиков (8 < T < 25 °С/сек при переходе температуры с +800°С на +500°С).
Рисунок 1 — Контроль температуры предварительного подогрева
Таблица 2 — Температура подогрева свариваемых кромок
| Толщина металла, мм | Тип соединения | Значения температуры предварительного подогрева металла Т, °С, при температуре окружающего воздуха, °С | |
|---|---|---|---|
| не ниже 0° | от 0° до -20° | ||
| ≤ 12 |
С Т, Н, У |
50-70 | 120-160 |
| 12-20 |
С Т, Н, У |
50-70 | 120-160 |
| > 20 |
С Т, Н, У |
50-70 | 120-160 |
- При температуре окружающего воздуха в зоне выполнения сварного соединения ниже минус 20 °С сварка запрещается.
- Обозначения: С — стыковые соединения листового, фасонного или профильного проката; Т, Н, У — тавровые, нахлесточные и угловые соединения листового фасонного или профильного проката.
Рекомендуемые материалы (электроды, проволока, флюсы, защитные газы) для различных способов сварки (ручная дуговая, механизированная сварка плавящимся электродом, порошковой проволокой, аргонодуговая и автоматическая сварка под флюсом) с указанием условий эксплуатации приведены в таблицах раздела 6 СТО 59127210-001-2022. При этом следует отметить, что серьезных отличий в подборе сварочных материалов для стали С390 и С355 не выявлено.
Сварка элементов разного класса прочности
Если для основных элементов конструкции используется высокопрочная сталь, то детали их узлов (ребра жесткости, накладки, фасонки и т.д.) зачастую целесообразно изготавливать из стали более низкого класса прочности — данное решение обосновывается результатами расчёта соединений и сравнительным анализом стоимости листового проката различных классов. При использовании в сварных соединениях сталей разных классов прочности рекомендуется выбирать способ сварки, сварочные материалы и режимы сварки, предусмотренные для стали более низкого класса прочности, а температуру подогрева выбирать по более высокому классу прочности стали.
Вывод
Сварка низколегированной стали С390 требует соблюдения специальных мер, таких как предварительный подогрев, контроль температуры и скорости охлаждения, чтобы избежать трещин и обеспечить долговечность соединений. Соблюдение рекомендаций, изложенных в нормативных документах (СП 53-101-98 и СТО 59127210-001-2019), позволяет достичь качественных и надежных сварных соединений, сохраняя высокие эксплуатационные свойства стали С390.
Таким образом, наиболее рационально выполнять сварные соединения из стали С390 в заводских условиях, где возможно строгое соблюдение технологических требований без значительного увеличения затрат. На основании обратной связи от различных заводов металлоконструкций за 2019-2020 годы (см. приложение) установлено, что использование стали С390 либо не оказывает существенного влияния на трудоемкость работ, либо увеличивает её незначительно (на 1-3% по сравнению со сталью С355). В то же время применение монтажной сварки элементов из высокопрочной стали на строительной площадке может быть неэффективным из-за сложности контроля температурного режима и других факторов, что может негативно сказываться на трудоемкости и качестве выполняемых работ.
