Сильно влияют на свариваемость металла

Обновлено: 04.10.2024

Использование сварных соединений из разнородных сталей рационально в случаях, когда работоспособность сонструкции определяется комплексом необходимых свойств, получение которых труднодостижимо или экономически не выгодно при использовании однородных материалов. Применение разнородных сталей в сварных соединениях, как правило, связано со скачкообразным изменением условий эксплуатации отдельных участков конструкции (температуры, среды, нагрузки).

Проблемы свариваемости таких сталей связаны с особенностями формирования состава и структуры шва и зоны сплавления, а также прилегающих к ним участков основного металла как в процессе сварки, так и при термообработке сварного соединения или его эксплуатации

Металл шва из сталей разного легирования или разных структурных классов вследствие перемешивания электродного и основного металлов всегда будет обладать химической и структурной неоднородностями, которые особенно четко выражены на линии сплавления. Эти неоднородности приводят к появлению непластичных кристаллизационных и деформационных прослоек переменного состава и к различному уровню остаточных напряжений у сваренных кромок, что вызывает механическую неоднородность всего соединения. Указанные особенности усложняют технологию сварки разнородных сталей.

Рассмотрим основные причины появления неоднородностей и усложнения свариваемости разнородных сталей.

1. При сварке сталей одного структурного класса в результате неодинакового перемешивания наплавленного металла с основным (в центре шва и у границы сплавления) со стороны шва возникают прослойки переменного состава шириной 0,2. 0,6 мм. Их свойства при разном уровне легирования сталей в большинстве случаев имеют промежуточные значения между свойствами основного металла и металла шва. Влияние этих прослоек на снижение работоспособности сварного соединения незначительно при условии, что электродный (наплавляемый) металл того же структурного класса, что и свариваемые, например, ВСтЗ + 09Г2 + Э46.

Если же стали одного структурного класса (например, перлитные) свариваются электродными материалами другого структурного (например, аустенитными) класса, то в результате перемешивания у границы сплавления образуются кристаллизационные прослойки переменного состава, содержащие, как правило, 3. 12%Сг и 2. 8%Ni и имеющие чаще всего мартенситную структуру (см. диаграмму Шеффлера). Ширина таких прослоек тем больше, чем меньше запас аустенитности металла шва. Например, при сварке стали ЗОХГСА электродом типа Э-12Х18Н9 ширина мартенситной прослойки X будет больше, чем при сварке электродом типа Э-Х15Н25МЗТ (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Схема слияния степени легирования шва на ширину кристаллизационных прослоек: X, — расстояние от границы сплавления

2. При сварке разнолегированных сталей (низколегированной с высоколегированной) сварочными материалами, содержащими большое количество энергичных карбидообразователей (Сг, С, Мп, Ті, V), в близлежащих ко шву зонах с обеих сторон возможно образование диффузионных переходных прослоек fособенно при длительной эксплуатации и высоких температурах). Такой процесс характерен при сварке перлитных сталей (09Г2, 12ХМ) с перлитными сталями более высокого легирования (12Х1МФ) или перлитных сталей с высоколегированными мартенситными, ферритными или аустенит - ными сталями, т. е. сталями другого структурного класса. В этом случае в зоне сплавления со стороны менее легированной стали образуется обезуглероженная зона, а со стороны более легированного шва или более легированной стали — прослойка науглероженного ме -

пшлла высокой твердости, содержащего большое количество карбидов. Наибольшей ширины прослойки дос - іигают в зоне сплавления углеродистой стали с аусте - нитной Объясняется это интенсивной диффузией углерода из шва к элементам-карбидообразователям при длительном воздействии температур нагрева Т > 450— 800 "С и образованием в результате диффузии термически стойких карбидов типа Cr23C6, МоС, VC, НС и др. Ьолыиое влияние на ширину этих прослоек оказывает количество углерода в менее легированной стали (или шве): чем оно ниже, тем шире зона обезуглероживания, гак как углерод диффундирует в шов из более отдаленных от линии сплавления участков. В то же время повышение содержания углерода в шве увеличивает про - гяженность науглероженной прослойки. Указанные процессы часто вызывают в шве хрупкие разрушения в процессе длительной эксплуатации при высоких температурах из-за изменения в течение времени эксплуатации структурного состояния шва или участков околошовной зоны (по существу протекает процесс термического старения).

3. При сварке толстостенных соединений из сталей разного легирования в швах и околошовных участках во шикает объемное напряженное состояние, вызывающее хрупкие локальные разрушения соединения. Например, пониженная прочность обезуглероженной зоны становится причиной разрушения под действием коррозионной среды (коррозионное растрескивание)

Говоря о неоднородностях соединений в участках сплавления, необходимо иметь в виду, что степень их отрицательного проявления зависит не только от химических составов основных и электродных материалов, но и or долей участия основного металла в шве и степени проплавления стыкуемых кромок, т. е. по существу от режимов сварки и типов соединений, техники выполнения швов и т. п.

Прогнозировать и оценивать состав и сгруктурное состояние металла шва и зоны сплавления из высоколегированных сталей можно по диаграмме Шеффлера (см. рис. 13.3). Используя ее, можно выбирать сварочные материалы, определять влияние режимов (доли участия) сварки на структуру шва, принимать решение о необходимости термической обработки и условиях эксплуатации сварного соединения. Следует, однако, подчеркнуть, что структурное состояние швов из низколегированных сталей по диаграмме Шеффлера определяется весьма ориентировочно, так как диаграмма не отражает фазовых превращений в сварном соединении.

В практике сварочного производства встречаются в основном два варианта технологии сварки разнородных сталей:

1) сварка сталей одного структурного класса, но разного легирования;

2) сварка сталей разного структурного класса и разного легирования.

Рассмотрим подробнее основные особенности свариваемости, техники и технологии сварки по обоим вариантам.

Классификация свариваемости сталей

Сталь – основной конструкционный материал, который представляет собой сплав железа с углеродом и разными примесями. Все элементы, которые входят в состав стальных изделий, оказывают влияние на ее характеристики (в частности, на свариваемость сталей).

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Главным показателем свариваемости является углеродный эквивалент, который обозначается, как Сэкв. Данный условный коэффициент учитывает уровень воздействия на свойства сварного шва карбона, легирующих компонентов.

Факторы, влияющие на свариваемость сталей:

Толщина металлического образца
Объем вредных примесей
Условия окружающей среды
Вместимость углерода
Уровень легирования
Микроструктура

Основным параметром для информации является химический состав материала.

Группы свариваемости

Учитывая все, выше перечисленные критерии, свариваемость можно подразделить на группы с различными свойствами.

Классификация металлов по свариваемости:

Хорошая – коэффициент Сэкв составляет не менее 0,25 %– для изделий из низкоуглеродистых сталей, независимо от условий погоды, толщины изделия, предварительной подготовки.

Удовлетворительная – коэффициент Сэкв находится в пределах 0,25-0,35 %. Ограничения: по диаметру свариваемого изделия, условиям природной среды. Толщина материала допускается не более 2 см, температура воздуха должна быть не ниже минус 5 градусов, безветренную погоду.
Ограниченная – коэффициент Сэкв в пределах 0,350-0,45%. Для формирования высококачественного сварного соединения требуется предварительный подогрев материала. Эта процедура нужна для «плавного» аустенитного преобразования, создания устойчивых структур (бейнитные, ферритно-перлитные).
Плохая – коэффициент Сэкв порядка 45-ти % (стали 45). В данном случае невозможно обеспечить стабильность сварочного соединения без предварительного подогрева металлических кромок, термической обработки готовой конструкции. Для создания требуемой микроструктуры нужно дополнительно осуществлять подогревы, охлаждения.

Группы свариваемости предоставляют возможность понимать технологическую специфику сваривания железоуглеродистых сплавов конкретных марок.

Зависимо от категории, технологических параметров, свойства сварных соединений могут корректироваться последовательными температурными воздействиями. Термообработка может осуществляться несколькими способами: отпуск, закаливание, нормализация, отжиг. Наиболее востребованы закалка, отпуск. Подобные процедуры повышают твердость, соответственно прочность сварного соединения, предотвращают формирование трещин на материале, снимают напряжение. Показатель отпуска будет зависеть от желаемых характеристик материала.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси?

Влияние главных легирующих элементов на свариваемость стали

Свариваемость стали считается сравнительным показателем, зависящим от химического состава, физических характеристик, микроструктуры материала. При этом способность создавать высококачественные сварные соединения может корректироваться благодаря продуманному технологическому подходу, выполнения требований, предъявляемых к сварке, наличия современного спецоборудования.

Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость

Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.

где Сэ – углеродный эквивалент,

С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.

Классификация сталей по свариваемости

По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:

1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);

4) трудно свариваемые стали (Сэ > 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно

Методы оценки свариваемости металлов

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.

Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб,
проведение специализированных испытаний сварных соединений
или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные

Влияние химических элементов на свариваемость

Углерод (C)

Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.

Кремний (Si)

Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.

При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.

Марганец (Mn)

Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.

Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.

Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.

Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.

Сера (S)

Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.

Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.

Фосфор (Р)

Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.

Хром (Cr)

Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.

Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.

Алюминий (Al)

Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.

Титан (Ti)

Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.

Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.

Молибден (Мо)

Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.

Ванадий (V)

Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.

Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.

Вольфрам (W)

Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали. Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.

Кобальт (Co)

Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.

Никель (Ni)

Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.

Медь (Cu)

Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.

Ниобий (Nb)

Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Свариваемость металлов

Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость — свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологическая свариваемость — технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами

Свариваемость металла зависит от его химических и

физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов.

Назовем основные показатели свариваемости металлов и их сплавов:

• окисляемость при сварочном нагреве, зависящая от химической активности металла;

• чувствительность к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

• сопротивляемость образованию горячих трещин;

• сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;

• чувствительность к образованию пор;

• соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.

Кроме перечисленных основных показателей свариваемости имеются еще показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий. 1

Окисляемость металла при сварке определяется химическими свойствами свариваемого материала. Чем химически активнее металл, тем больше его склонность к окислению и тем выше должно быть качество защиты при сварке. Это особенно наглядно видно на примере железоуглеродистых сплавов. Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных примесей. Углерод является наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные ее свойства в процессе обработки, в том числе и свариваемость..

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали свариваются хорошо. Стали, содержащие С >0,35%, свариваются хуже. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. В околошовных зонах появляются закалочные структуры и трещины, а шов получается пористым.

Марганца в стали содержится обычно 0,3—0,8%, что не затрудняет сварку стали. Однако при повышенном содержании марганца (1,8—2,5%) прочность, твердость и закаливаемость стали возрастают, и это способствует образованию трещин. При сварке высокомарганцовистых сталей (11—16% Мп) происходит выгорание марганца, если не принять меры по его восполнению через электродное покрытие, флюсы и др.

Хром увеличивает прочность стали, повышает ее устойчивость против коррозии и длительного воздействия высоких температур. Однако с увеличением содержания хрома возрастает закаливаемость сталбй и ухудшается их свариваемость.

Никель повышает прочность, пластичность и коррозионную стойкость стали, улучшает свариваемость. Однако при сварке требуется защита от воздействия кислорода воздуха во избежание выгорания никеля.

Титан повышает прочность, ударную вязкость стали, улучшает ее свариваемость, способствует измельчению зерен при кристаллизации металла. При сварке связывает углерод, препятствуя образованию карбидов хрома по границам зерен и возникновению межкристаллитной коррозии металла сварного соединения хромсодержащих сталей.

Кремний содержится в обычной углеродистой стали в пределах 0,02—0,3% и существенного влияния на свариваемость не оказывает. При повышенном содержании (0,8—1,5%) кремний затрудняет сварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие окислы и шлаки.

Сера является самой вредной примесью стали. Содержание серы в стали допускается не более 0,05 %. Сера образует в металле сернистое железо, которое имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворяется в расплавленной стали. При кристаллизации стали сернистое железо располагается между кристаллами металла шва и способствует образованию трещин.

Фосфор является также вредной примесью стали. Содержание фосфора в стали доходит до 0,05 %. Фосфор ухудшает свариваемость стали, так как образует хрупкое фосфористое железо, придает стали хладноломкость.

Свариваемость стали принято оценивать по следующим показателям:

• склонности металла шва к образованию горячих и холодных трещин;

• склонности к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур;

• физикомеханическим качествам сварочного соединения;

• соответствию специальных свойств сварного соединения техническим условиям.

Для определения свариваемости применяют два основных метода. По первому методу изготовляют образцы, на которые наплавляются по одному валику. Обработанные и протравленные образцы подвергают макро - и микроисследованиям, а затем механическим испытаниям на загиб и ударную вязкость. Результаты исследования позволяют не только оценить свариваемость стали, но и установить оптимальные режимы сварки.

Сталь считается сваривающейся хорошо, если трещины отсутствуют; удовлетворительно, если трещины образуются при охлаждении водой, но отсутствуют при охлаждении воздухом; ограниченно, если сталь для предупреждения образования трещин требует предварительного подогрева до 100— 150°С и охлаждения на воздухе. Плохо сваривающиеся стали требуют предварительного подогрева до 300°С и выше.

Углеродистые стали по свариваемости можно условно подразделить на следующие группы: хорошо сваривающиеся стали — СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380—88); 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050—88); удовлетворительно сваривающиеся стали — Ст5 (ГОСТ 380—88); 30, 35 (ГОСТ 1050— 88); ограниченно сваривающиеся стали — Стб, Ст7 (ГОСТ 380—88); 40, 45, 50 (ГОСТ 1050—88); плохо сваривающиеся стали — 60Г, 65Г, 70Г, 70, 75, 80, 85.

В сварных строительных конструкциях используются главным образом стали первой группы. Стали СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 применяют при изготовлении строительных конструкций, арматуры, горячекатаных и сварных труб с прямым и спиральным швами. Из стали СтЗ изготовляют бункера, резервуары, газгольдеры, подкрановые балки, конструкции доменного комплекса, балки перекрытий. Стали 10, 15, 20 и 25 используют для производства горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и образуют сварной шов без хрупких структур и пористости.

Как правило, чем выше прочность свариваемого материала и больше стенень его легирования, тем чувствительнее материал к термическому циклу сварки и сложнее технология его сварки.

Чувствительность металла к тепловому воздействию сварки оценивают по свойствам различных зон соединений и, сварных соединений в целом при статических, динамических и вибрационных испытаниях (растяжение, изгиб, определение твердости, определение перехода металла в хрупкое состояние и др.), а также по результатам металло

графических исследований в зависимости от применяемых видов и режимов сварки.

Сопротивляемость металла образованию трещин при сварке: при сварке могут возникать горячие и холодные трещины в металле шва и в околошовной зоне.

Горячие трещины — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии.

При кристаллизации жидкий металл шва сначала переходит в жидкотвердое, а затем в твердожидкое и, наконец, в твердое состояние. В твердожидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкими пластичностью и прочностью.

Усадка шва и линейное сокращение нагретого металла в сварном соединении при охлаждении могут привести к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва.

Для оценки свариваемости металлов по сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний — сварку технологических проб и машинные способы испытаний.

В технологических пробах сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине.

При машинных методах испытаний растягивают или изгибают образец во время сварки. Стойкость материалов оценивают по критической величине или скорости деформирования, при которых возникает трещина. Для предотвращения горячих трещин необходимо правильно выбирать присадочный материал и технологию сварки.

Холодные трещины — локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преимущественно при нормальной температуре, а также при температурах ниже 200° С. Причины возникновения холодных трещин при сварке следующие:

• охрупчивание металла вследствие закалочных процессов при быстром его охлаждении;

• остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях;

• повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин.

Для 'оценки свариваемости металлов по сопротивляемости холодным трещинам применяют, как и при оценке сопротивляемости горячим трещинам, два вида испытаний — технологические пробы ц методы количественной оценки с приложением к образцам внешней постоянной механической нагрузки.

Преимуществом технологических проб является возможность моделировать технологию сварки и, следовательно, судить о сопротивляемости образованию трещин в условиях, близких к реальным. Проба представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин.

Существует много технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Пробы дают только качественный ответ: образуется или не образуется трещина.

Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после сварки. Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на ме

талл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хранении и эксплуатации конструкции.

Методы борьбы с холодными трещинами основываются на уменьшении степени подкалки металла, снятии остаточных напряжений, ограничении содержания водорода. Наиболее эффективным средством для этого является подогрев металла перед сваркой и замедленное охлаждение после сварки.

Необходимость подогрева и замедленного охлаждения металла сварного шва можно оценить по эквивалентному содержанию углерода Сэкв, учитывающему химический состав свариваемого металла;

где С — содержание углерода в сотых долях %;

Mn, Ni, Cr, Mo, V - в %.

По величине Сэкв все стали можно разделить условно на четыре группы;

2. Сэкв = 0,25—0,35. Удовлетворительно сваривающиеся стали, которые допускают сварку без появления трещин в нормальных производственных условиях, т. е. при окружающей температуре выше 0°С, отсутствии ветра

3. Сэкв = 0,35—0,45. Ограниченно сваривающиеся стали, которые склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При сварке таких сталей необходим предварительный подогрев до 100—200°С. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки.

4. Скв > 0,45. Такие стали склонны к образованию холодных трещин при сварке. Их можно сваривать только с предварительным подогревом, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Температуру предварительного подогрева можно рассчитать по формуле

Т = 350 v'Co6-0,25 , где Со6 — общий эквивалент углерода.

S — толщина свариваемого металла, мм.

Поры в сварных швах возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры представляют собой заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут выходить или не выходить на поверхность, располагаться цепочкой, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4—6 мм в поперечнике). Причины возникновения пор следующие:

• выделение водорода, азота и окиси углерода в результате химических реакций;

• различная растворимость газов в расплавленном и твердом металле;

• захват пузырьков газа при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходима тщательная подготовка основного и присадочного материалов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т. д.), на

дежная защита зоны сварки от воздуха, введение в сварочную ванну раскислителей (из основного металла, сварочной проволоки, покрытия, флюса), соблюдение режимов сварки.

Наряду с порами однородность металла шва нарушают шлаковые включения. Шлаковые включения связаны с тугоплавкостью, повышенной вязкостью и высокой плотностью шлаков, плохой зачисткой поверхности кромок и отдельных слоев при многослойной сварке, затеканием шлака в зазоры между свариваемыми кромками и в места подрезов. Помимо шлаковых включений в шве могут быть микроскопические оксидные, сульфидные, нитридные, фосфорсодержащие включения, которые ухудшают свойства сварного шва.

Технология сварки (вид сварки, сварочные материалы, техника сварки) выбирается в зависимости от основного показателя свариваемости (или сочетаний нескольких показателей) для каждого конкретного материала.

Свариваемость сталей

Выделяют довольно большое количество параметров, которые определяют основные свойства металла. Среди них выделяют показатель свариваемости. На сегодняшний день сварка стали проводится крайне часто. Подобный способ соединения металлов и других материалов характеризуется высокой эффективностью, так сварной шов может выдерживать большую нагрузку. При плохом показателе провести подобную работу сложно, в некоторых случаях даже невозможно. Все металлы разделяются на несколько групп, о чем далее поговорим подробнее.

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Классификация сталей по свариваемости

Хорошей обрабатываемостью обладают сплавы, в которых при нагреве не образуются трещины. По данной характеристике выделяют четыре основных группы:

Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
Плохая податливость сварке не позволяет проводить рассматриваемую обработку, так как после получения шва могут появится трещины. Именно поэтому подобные материалы не могут использоваться для получения ответственных элементов.

Классификация сталей по свариваемости

Каждая группа характеризуется своими определенными особенностями, которые нужно учитывать. Сталь 20 относится к первой группе, в то время как распространенная сталь 45 обладает низкой податливостью к сварке.

Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:

Первая группа, которая характеризуется хорошей свариваемостью, может применяться при сварке без предварительного подогрева и последующей термической обработки шва. Отпуск выполняется для снижения напряжения в металле. Как правило, подобное свойство связано с низкой концентрацией углерода.
Вторая характеризуется тем, что склонна к образованию трещин и дефектов на швах. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев материала, а также последующую термическую обработку для снижения напряжений.
При ограниченном показателе сталь склонна к образованию трещин. Для того чтобы исключить вероятность появления трещин следует материал предварительно разогреть, после сварки в обязательном порядке проводится термообработка.
Последняя группа характеризуется тем, что в большинстве случаев на швах образуются трещины. При этом предварительный разогрев структуры не во многом решает проблему. После сварки обязательно проводится многоступенчатое улучшение.

Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси

Как ранее было отмечено, включение в состав большого количества легирующих элементов приводит к изменению основных характеристик. При этом отметим следующие моменты:

При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
Некоторые химические вещества могут повысить рассматриваемый показатель, другие ухудшить.

Именно поэтому при выборе легированного сплава уделяется внимание не только типу легирующих элементов, но и их концентрации. Принятые стандарты ГОСТ определяют то, что при маркировке могут указывать основные химические вещества и их количество в составе.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Во многом именно углерод определяет основные эксплуатационные характеристики сплава. Слишком высокая концентрация подобного химического вещества приводит к повышению твердости и прочности, но также и хрупкости. Кроме этого, в несколько раз снижается степень свариваемости. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
Слишком большое количество углерода в составе приводит к тому, что металл после термического воздействия начинает менять свою структуру, за счет чего появляются трещины.

Стоит учитывать, что проводимая химикотермическая процедура может привести к снижению податливости к рассматриваемому способу соединения. Именно поэтому улучшение сплава проводится после создания конструкции путем обработки шва.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые сплавы хорошо подаются свариванию. При этом можно отметить следующие моменты:

В подобных сплава концентрация углерода менее 0,25%. Этот показатель свойственен сплавам, которые имеют повышенную гибкость и относительно невысокую твердость поверхностного слоя. Кроме этого, снижается значение хрупкости. Поэтому низкоуглеродистые стали часто используют при создании листовых заготовок. При добавлении небольшого количество легирующих элементов может быть повышена коррозионная стойкость.
Для повышения основных характеристик в состав могут добавлять различные легированные элементы, но в небольшом количестве. Примером можно назвать марганец и никель, а также титан.

Как правило, подобные металлы не нужно перед обработкой подвергать подогреву, а после проведения процедура закалка или отпуск выполняется только для при необходимости.

Свариваемость закаленной стали

Распространенной термической обработкой можно назвать закалку. Она предусматривает воздействие высокой температуры, которая может изменить структуру материала. После охлаждения происходит перестроение структуры, за счет чего происходит упрочнение структуры и повышение твердости поверхностного слоя. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

Закалка предусматривает увеличение концентрации углерода в поверхностном слое. Именно поэтому степень свариваемости существенно снижается.
Подогрев заготовки проводится для того, чтобы упростить проводимую работу. Для этого может использоваться газовая грелка или иной источник тепла.

Закаленная сталь сложна в обработке. Кроме этого, если ранее не проводился отпуск в структуре может быть переизбыток напряжения, что и приводит к появлению трещин.

Повторная обработка швов может не привести к повышению их прочности.

В заключение отметим, что хорошей податливость сварке обладают металлы из различных групп. Примером можно назвать некоторые нержавейки, которые даже после воздействия тепла обладают коррозионной устойчивостью. Именно поэтому для сварочных работ рекомендуется выбирать материал, который характеризуется хорошей обрабатываемостью.

Читайте также: