Свариваемость металлов и сплавов

Обновлено: 16.05.2024

Свариваемость – это технологическое свойство материала образовывать в процессе сварки соединения, отвечающие конструкционным и эксплуатационным требованиям к ним. При наличии большого разнообразия вышерассмотренных методов сварки, очевидно, что имеется возможность получения сварных соединений большинства материалов. Однако, учитывая, что свойства материалов при сварке могут значительно изменяться, свариваемость является важной комплексной характеристикой материала, помогающей правильно вы-

брать материал, метод, режимы сварки. При оценке свариваемости сплава учитывают степень изменения химического состава и возможность изменения распределения элементов в сварном шве; влияние нагрева на структуру и механические свойства основного материала в околошовной зоне; деформации напряжения и перемещения, связанныесо сварочным процессом; возможность образования горячих и холодных трещин в материале шва и околошовной зоне. Дадим краткую характеристику основным группам сплавов, применяемым в машиностроении. Для сталей основным показателем свариваемости является эквивалентное содержание углерода Сэ, при расчёте которого учитывается содержание основных легирующих элементов.

С С Mn Cr V Mo Ni P э = + + + + + + .

Низкоуглеродистые стали Сэ≤ 0,3 %свариваются хорошо.

Среднеуглеродистые и легированные с Сэ> 0,3 %закаливаются в зоне термического влияния (ЗТВ) в результате резкого охлаждения зоны шва прилегающими слоями холодного металла. Поэтому желательно подогревать заготовки перед сваркой до 100 . 300 °С, чтобы уменьшить скорость охлаждения и возможность образования закалочных структур. Для низколегированных и среднелегированных сталей возможно образование трещин. Основными методами сварки таких сталей является сварка в углекислом газе, аргоне, сварка под флюсом, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая.

Высоколегированные коррозионностойкие стали(Сэ > 10 %) склонны к образованию хрупких структур и резкому разупрочнению зоны шва. Для восстановления первоначальной структуры требуется термообработка (нормалиация и (или) отпуск). Для сталей с аустенитной структурой для уменьшения вредных последствий применяется сварка плавлением на малых энергиях с теплоотводящими подкладками + закалка в воде с 1100 °С (для фиксации аустенитной структуры). Эти стали хорошо варятся контактной сваркой.

Чугунварится плохо. Сварку проводят только при ремонте и заварке дефектов. В результате быстрого нагрева возможно образование белого чугуна в шве, а зона термовлияния может закаливаться. Для устранения этих дефектов производят сварку с предварительным подогревом до 400 . 700 °С (горячая сварка). Используются чугунные электроды d = 8 . 25 мм со специальным покрытием. Для предупреждения появления закалочных структур и снижения остаточных напряжений производят медленное охлаждение вместе с печью. За-

щиту шва от окисления производят флюсом на основе буры (Na2B4O7). В некоторых случаях при заварке малых дефектов используется холодная сварка стальными, медножелезными, медно-никелевыми электродами.

Медь и ее сплавытрудно свариваются, т. к. расплавленная медь легко окисляется и по границам зерен образуется легкоплавкая эвтектика Cu2O-Cu, которая дает хрупкость (горячие трещины). Сплавы активно насыщаются водородом Н2, дающим водородную хрупкость, что приводит к образованию холодных трещин. Высокая теплопроводность требует концентрированного подвода энергии и подогрева. Большая усадка медных сплавов приводит к значительному короблению. Повышенная жидкотекучесть затрудняет оформление наклонных, вертикальных и потолочных швов.Учитывая вышеназванные особенности медных сплавов, рекомендуется их сваривать в защитных газах. Режим выбирается с повышенной плотностью энергии из-за высокой теплопроводности, при толщине δ > 10 мм сварку ведут с подогревом до 300 °С, при δ > 30 мм – применяется плазменная сварка, флюс на основе буры, при δ > 50 мм используется электрошлаковая сварка. Контактной сваркой медные сплавы не свариваются, так как имеют малое электрическое сопротивление и в зоне контакта не происходит нагрева. При сварке латуни испаряется основной компонент Zn. Его пары токсичны, поэтому следует обеспечивать интенсивную вытяжную вентиляцию из зоны сварки. Для обеспечения хорошего качества шва следует сварить латунь в защитных газах или под слоем флюса. Бронзы сваривают как медь, кроме оловянистых, которые сваривают с большой скоростью и без подогрева, чтоб не выплавилось олово.

Алюминий и его сплавы.Сварку затрудняет образование плотной окисной плёнки Al2O3, имеющей очень высокую температуру плавления порядка 2050 °С. Для защиты от окисления сварку производят в атмосфере защитных газов или со спецфлюсами, растворяющими Al2O3: NaCl, KСl, BaCl2, LiF, CaF2. Можно очистить поверхность от оксида щелочью NaOH. Алюминиевые сплавы склонны к образованию газовой пористости под действием водорода, попадающего в зону шва из влажных материалов и оксидной плёнки. Трудно варятся дуралюмины. Рекомендуется сварка неплавящимся электродом при δ = 0,5 . 10 мм и

плавящимся при δ > 10 мм в защитных газах. При сварке нужна большая тепловая мощность, т. к. сплавы алюминия имеют высокую теплопроводность. Чистый алюминий хорошо сваривается холодной сваркой. Тугоплавкие металлы и сплавы(Ti, Zr, Mo, Nb) имеют температуру плавления 2500…3000 °С. При нагреве интенсивно поглощают газы, что резко снижает их пластичность. Zr и Ti варят в аргоне, перед сваркой проволоку и основной металл дегазируют путем отжига в вакууме. Mo и Nb варят в аргоне или электронно-лучевой сваркой в вакууме. Дефекты сварных соединений:непровар, неполный шов, пережог, прожог, пористость, трещины, раковины, наплывы. Контроль сварных соединений:предварительный контроль материалов, контроль режимов сварки, внешний осмотр, рентгеноскопия, γ-излучением, ультразвуковой, магнитный и люминесцентный контроль, механические испытания (растяжение образцов, вырезанных из сварного шва и зоны термовлияния, неразрушающие испытания твердомером), металлографические исследо-

вания, гидравлические или пневматические испытания, керосиновая проба на

герметичность (другая сторона шва покрывается мелом), окончательный кон-


11.2. Пайка

Пайка– это соединение деталей без их расплавления с помощью припоя, температура плавления которого ниже, чем у основного металла (рис. 11.5). Поверхности предварительно очищают, обезжиривают, удаляют оксиды, применяют флюсы либо защитные газы.

Применяется пайка в печи, в индукторе, погружением в расплав припоя, радиационный нагрев кварцевыми лампами, электронным или лазерным лучом, газопламенными горелками, паяльниками и паяльными лампами. Припои подразделяются на твёрдые (тугоплавкие и достаточно прочные Тпл выше 500 °С, σв ≤ 700МПа) и мягкие, имеющие меньшую температуру плавления и меньшую прочность. Твёрдые припои изготавливают на основе Cu, Ag,

Al, Mg, Ni. Они широко применяются для соединения меди, латуни, бронзы, стали, чугуна и др. сплавов. Флюсы: бура, борная кислота, плавиковый шпат и хлористые металлы. Мягкие припои изготавливают на основе Sn, Рd, Кd, Wi, Zn. Они обеспечивают прочность σв ≤ 100 МПа. Для них используются флюсы: канифоль, NH4Cl (нашатырь), ZnCl (травленая соляная кислота). Флюсы при пайке защищают место спая от окисления, обеспечивают смачиваемость припоем и растворяют окисную пленку. Для пайки тугоплавких металлов разработа-

ны тугоплавкие припои на основе никеля, титана, палладия. Основные припои: оловянно-свинцовые (t = 210 . 280 °C), медно-цинковые (t = 800 . 890 °С), медно-фосфористые (t = 750 . 869 °С), серебряные (t = 600.

Свариваемость металла и методы ее оценки

Свариваемость — свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Следовательно, свариваемость зависит, с одной стороны, от особенностей материала, технологии сварки и конструктивного оформления соединений, а с другой — от необходимых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Последние определяются техническими требованиями, предъявляемыми к таким конструкциям.

Свариваемость материалов считается достаточной, если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, и недостаточной, если не обеспечивается минимальный уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения. Различают свариваемость физическую и технологическую.

Физическая свариваемость определяет принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений, что особенно важно при сварке разнородных материалов.

Технологическая свариваемость представляет собой реакцию материала на сварочный термодеформационный цикл и металлургическое воздействие сварки, которая оценивается, например, посредством сравнения механических свойств металла сварного соединения с одноименными свойствами основного металла.

При оценке свариваемости учитывают также стойкость металла к образованию трещин и его специальные свойства (коррозионную стойкость, прочность при высоких или низких температурах, сопротивление хрупкому разрушению).

Свариваемость углеродистых сталей определяется, в первую очередь, содержанием в них углерода. Под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность с использованием обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное основному металлу, без трещин в металле шва и снижения пластичности в околошовной зоне. При этом металлы шва и околошовной зоны должны быть стойкими к переходу в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкции и наличии концентраторов напряжений, обусловленных формой сварного узла.

Свариваемость материала оценивается посредством сравнения его свойств со свойствами ранее применявшихся материалов или основного металла. Свариваемость признают удовлетворительной, если результаты испытаний различных свойств сварного соединения соответствует нормативам, установленным техническими условиями на данную продукцию.

Стойкость металла сварного соединения к образованию горячих трещин — это наиболее важный показатель свариваемости, так как при сварке сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации под действием возникающих при затвердевании растягивающих напряжений возможно появление горячих трещин, являющихся весьма серьезным дефектом.

Стойкость металла сварного соединения к образованию холодных трещин — это также очень важный показатель свариваемости, поскольку под действием сварочного нагрева изменяется структура основного металла. При этом в околошовной зоне закаливаемых сплавов в результате фазовых превращений образуются хрупкие структуры типа мартенситных, что может привести к появлению холодных трещин.

Процессы, происходящие в металле сварного соединения, могут вызвать хрупкие разрушения сварной конструкции. Причинами таких разрушений могут быть конструктивные недостатки, наличие макроскопических концентраторов напряжений, дефектов сварных соединений (раковин, пор, шлаковых включений, подрезов по краю швов), микротрещин и полостей.

Склонность металла сварного соединения к хрупкому разрушению — это также достаточно важный показатель свариваемости. Оценивают ее посредством специальных испытаний по сравнению со склонностью к хрупкому разрушению основного металла, зоны термического влияния и металла сварного шва. Считается, что лучшей свариваемостью обладают те металлы, сварные соединения которых не отличаются по склонности к хрупкому разрушению от основного металла.

Методы определения показателей свариваемости материалов подразделяются на прямые — при использовании которых выполняют сварку образцов заданной формы по выбранной технологии, и косвенные — основанные на замене сварочного процесса имитирующим его процессом.

Определение стойкости металла к образованию горячих трещин. Стойкость сварного соединения металла к образования горячих трещин определяют по результатам следующих испытаний:

  • машинных испытаний, основанных на принудительном деформировании образцов, подвергнутых сварочному нагреву, в температурном интервале возникновения горячих трещин;
  • технологических испытаний, или сварки проб, при проведении которых условия деформирования в температурном интервале образования горячих трещин регулируют выбором формы и размеров образцов, а также последовательности выполнения сварных швов и режимов сварки.

Машинные испытания заключаются в испытаниях образцов, проплавляемых сварочной дугой, на растяжение и изгиб, а образцов, нагреваемых по сварочному циклу, — на растяжение. Для машинных испытаний применяют специальные установки.

Процедура машинных испытаний включает в себя сварку серии образцов с одновременным деформированием шва при разной скорости перемещения активного захвата и определение критической скорости деформирования, вызывающей появление горячих трещин в нескольких образцах.

Технологические испытания основываются на положении о том, что металл, в котором не возникает трещин в искусственно созданных жестких условиях (что достигается выбором форм и размеров специальных технологических проб и типов их закрепления), не должен разрушаться и в реальных изделиях. При сварке кристаллизующийся металл подвергается деформации вследствие усадки шва и формоизменения технологических проб. Специальная конструкция и технология сварки проб обусловливают повышенные темпы высокотемпературной деформации.

Технологические пробы можно условно подразделить на два класса: количественные и качественные.

К количественным относятся технологические пробы, в которых образование горячих трещин можно связать с каким-либо конструктивным параметром (размерами пробы, глубиной или расположением надрезов и др.) или параметром режима сварки (скорость, температура подогрева). Сравнив такие пробы, можно выделить сплавы с меньшим и бо́льшим сопротивлением образованию горячих трещин.

Качественные технологические пробы предусматривают выполнение сварных швов на образцах постоянной формы в строго заданной последовательности и при соблюдении определенных режимов сварки. Сопротивление металла шва образованию горячих трещин оценивают в этом случае по их наличию или отсутствию на поверхности проб и шлифов или в изломах сварных швов. Качественные пробы не позволяют оценить количественно стойкость сплавов к образованию горячих трещин и предназначены лишь для отбраковки плохо сваривающихся сплавов.

Для определения стойкости металла к образованию горячих трещин используют различные виды проб.

Составная тонколистовая проба содержит несколько пластин разной ширины, соединенных с одной стороны прихватками. Сварку производят в направлении расширения пластин. При этом в местах пересечения стыков пластин сварным швом образуются горячие трещины. Показателем стойкости металла шва к образованию горячих трещин служит минимальная (критическая) ширина пластины, при сварке которой горячие трещины не возникают: чем меньше критическая ширина пластины, тем больше стойкость металла шва.

Проба ИМЕТ из тонколистового металла представляет собой пластину с постоянными размерами и надрезом, параллельным ее короткой стороне. Пластину проплавляют вольфрамовым электродом в струе аргона или электронным лучом таким образом, чтобы ось шва проходила через вершину надреза. Вероятность появления трещины от надреза зависит от его положения на пластине: чем больше длина шва до надреза, тем выше стойкость металла шва к образованию горячих трещин.

Проба Хоулдкрофта («рыбья кость») используется для оценки сопротивления металла шва образованию горячих трещин при сварке тонких листов легированных сталей, алюминиевых и магниевых сплавов. Данная проба представляет собой пластину с боковыми прорезями увеличивающейся длины. При испытании выполняют наплавку или проплавляют пластину вольфрамовым электродом в защитном газе. Критерием оценки стойкости металла служит длина горячей трещины.

Крестовидная тонколистовая проба применяется для определения склонности к образованию горячих трещин главным образом алюминиевых и магниевых сплавов. Две прямоугольные пластины сваривают друг с другом четырьмя валиковыми швами в определенных последовательности и направлениях. Критерием наличия склонности к появлению горячих трещин служит отношение длины швов с трещинами к общей длине швов.

Кольцевая сегментная проба для испытания листов большой толщины состоит из четырех заготовок с шлифованными торцевыми поверхностями, свариваемых друг с другом с двух сторон. Размеры такой пробы после сборки составляют 90 × 90 × 25 мм. На ее верхней стороне протачивают кольцевую канавку. При испытании пробу сваривают по канавке по ходу часовой стрелки. После ее охлаждения до температуры ниже 50 °С выполняют замыкающий шов. Горячие трещины образуются в местах стыка заготовок и распространяются вдоль сварного шва. Критерием стойкости металла шва к образованию горячих трещин служит процентное отношение суммарной длины образовавшихся трещин к длине шва.

Пробу с канавками изготовляют из пластин толщиной более

40 мм. При толщине пластины менее 60 мм ее приваривают к жесткой плите по флангам швом с катетом 20 мм, а канавки располагают с шагом 100 мм. При толщине пластины более 60 мм канавки выполняют с двух сторон образца, а пластины сваривают по канавкам с минимальной скоростью. Склонность к образованию горячих трещин в этом случае определяют по отношению суммарной длины образовавшихся трещин или их площади соответственно к длине или площади поперечного сечения шва, а также по коэффициенту периодичности — числу трещин на единице длины шва. При отсутствии горячих трещин в швах, выполненных на рекомендованных для анализа режимах сварки, переходят к сварке более узких образцов либо к сварке с повышенной скоростью.

Способы оценки склонности металла к образованию холодных трещин. Все способы оценки склонности (стойкости, сопротивления) металла сварного соединения к образованию холодных трещин подразделяются следующим образом. По операции оценки различают косвенные и прямые способы, по форме представления показателей — количественные, полуколичественные и качественные, по варианту использования результатов оценки — сравнительные и прикладные.

Косвенные способы позволяют оценить склонность сварного соединения к образованию холодных трещин посредством расчета без непосредственного испытания материалов.

Прямые способы оценки склонности к образованию холодных трещин предусматривают сварку технологических проб и проведение специализированных испытаний сварных соединений или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные.

Количественные способы оценки склонности к образованию холодных трещин обеспечивают получение числового значения показателя, связанного с изменением одного из факторов, обеспечивающих контроль этого процесса.

Качественные способы не обеспечивают количественной оценки склонности к образованию холодных трещин и по существу служат для отбраковки материалов.

Способы оценки, которые могут использоваться только для сопоставления материалов и технологических вариантов сварки в целях выбора лучших из них, относятся к сравнительным.

Способы, позволяющие оценить стойкость реальных сварных конструкций к образованию холодных трещин, относятся к прикладным.

По тем же признакам подразделяются и технологические пробы. Пробы отраслевого назначения, или прикладные, позволяют оценить склонность материалов к образованию холодных трещин в условиях, максимально приближенных к технологическим и климатическим условиям изготовления реальных сварных конструкций.

Проба «Геккен» представляет собой плоский прямоугольный образец толщиной 12 … 40 мм, имеющий в центре продольную прорезь с V-образной разделкой. Этот образец заваривается в свободном состоянии и затем выдерживается в течение 20 ч. Сварку выполняют вручную покрытыми электродами, под флюсом или в защитных газах. При этом трещины образуются в корневой части сварного соединения. Обязательное условие пробы — наличие в корне шва непровара, служащего концентратором напряжений. Количественным показателем стойкости к образованию холодных трещин в этом случае могут служить процентное отношение суммарной длины трещин к длине шва; процентное отношение площади трещин к площади сечения шва, температура подогрева, при которой не образуются трещины.

Крестовая проба состоит из трех пластин, собранных в крестовидное соединение. Все поверхности касания этих пластин предварительно шлифуются для обеспечения хорошего контакта. На пробе выполняют четыре угловых шва длиной 160 мм в определенной последовательности. Температура пробы перед сваркой очередного шва не должна превышать (28 ± 3)°С. Через 48 ч после сварки для снятия напряжений производится двухчасовой отжиг пробы при температуре 595 … 650 °С. Пробу разрезают на поперечные темплеты для изготовления микрошлифов и выявления трещин в околошовной зоне. Результаты испытаний считаются удовлетворительными, если на двух первых темплетах не обнаружено ни одной трещины.

Лихайская модифицированная проба состоит из образцов с прорезями, завариваемыми на разных режимах при различных температурах предварительного подогрева. При этом начало и концы прорезей образцов (по 2 … 3 мм) оставляют незаплавленными. Наличие трещин на поверхности сварного соединения, в корне шва и поперечном сечении выявляют через 24 ч после окончания сварки. Для оценки склонности материала к образованию холодных трещин определяют процентную долю разрушений сварных соединений в зависимости от скорости охлаждения металла с температурой 300 °С или от продолжительности его охлаждения в температурном интервале 800 … 300 °С. Скорость охлаждения, при превышении которой разрушение швов заметно усиливается, принимается в качестве критерия оценки сопротивления материала образованию холодных трещин. Также оценку можно производить и по критическому времени охлаждения материала или по минимальной температуре предварительного нагрева, необходимой для устранения холодных трещин.

Оценка влияния термического цикла сварки на изменение структуры и свойств свариваемых металлов. Предварительную оценку в этом случае выполняют по методикам, предусматривающим нагрев и охлаждение образцов по программе с заданными скоростями и механические испытания на любом этапе термической обработки. Такие испытания позволяют имитировать сварочные термические циклы любого участка сварного соединения и выявлять их воздействие на структуру и свойства металла. Для этой же цели используют и специальные технологические пробы, например валиковую. Для такой пробы на пластины металла толщиной 14 … 30 мм наплавляют валики на режимах с разной погонной энергией. Из пластин вырезают поперечные образцы для определения структуры и твердости, а также для испытаний на ударный и статический изгиб.

Расчетная оценка свариваемости конструкционных сталей по химическому составу выполняется следующим образом. Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от ряда факторов: их химической активности, степени легирования, содержания примесей и особенностей структуры. Чем выше химическая активность металла, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой и в первую очередь к окислению, а следовательно, требуется более эффективная его защита и металлургическая обработка при сварке. Защита расплавленных сталей и сплавов на основе железа от взаимодействия с воздухом обеспечивается с помощью электродных покрытий, флюсов и инертных газов.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод: при увеличении содержания углерода и ряда других легирующих элементов их свариваемость ухудшается.

Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле

Сэкв = С + Мn/6 + Si/24 (1)

в которой содержание углерода и легирующих элементов выражено в процентах.

В зависимости от эквивалента углерода (и связанной с этой величиной склонности материала к закалке и образованию трещин) все конструкционные стали подразделяются на четыре группы соответственно с хорошей, удовлетворительной, ограниченной и плохой свариваемостью.

Стали с Сэкв = 0,25 … 0,35 % свариваются удовлетворительно. Они не склонны к образованию холодных трещин при правильном выборе режимов сварки, однако в ряде случаев необходим их подогрев.

Стали с Сэкв = 0,36 … 0,45 % свариваются ограниченно с образованием трещин. Возможность регулирования сопротивления этих сталей образованию трещин посредством изменения режимов сварки ограничена, а следовательно, требуется их подогрев.

Стали с Сэкв > 0,45 % плохо свариваются. Они весьма склонны к закалке и возникновению холодных трещин. При сварке необходим их подогрев и применение специальных технологических приемов, а после сварки требуется термическая обработка.

Понятие о свариваемости материалов

Свариваемость это свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, конструкции и эксплуатации изделия.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

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

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

Технологическая свариваемость зависит от физических и химических свойств материала, его кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и пр.

Основные критерии технологической свариваемости являются:

- окисляемость металла при сварочном нагреве

- сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин

- чувствительность металла к тепловому воздействию, характеризующаяся склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств

- чувствительность к преобразованию

- соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным свойствам

- обеспечение качества формирования сварного шва

- удовлетворение требованиям минимальных (допустимых) напряжений и деформаций.

Свариваемость сталей зависит от степени легирования, структуры содержания примесей. Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда лигирующих элементов свариваемость сталей ухудшается.

Чем выше содержание углерода в стали, тем выше опасность образования холодных и горячих трещин. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле Сефериана [1]

где [C] - содержание углерода и легирующих элементов дается в процентах. Рассчитанные значения химического эквивалента углерода для углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса позволяют классифицировать их по свариваемости в зависимости от химического состава на: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.

На количественное значение эквивалента углерода для каждой группы свариваемости существенное влияние оказывает толщина свариваемой стали, определяемая размерным эквивалентом углерода.

Размерный эквивалент углерода Ср равен

где S – толщина свариваемой стали в мм, 0,005 – коэффициент толщины, определенный экспериментально.

Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода, легированные Cr, Mn, Ni и другими элементами склонны при сварке к образованию в зоне термического влияния неравновесной мартенситной структуры, интенсивность образования которой возрастает с увеличением содержания углерода и легирующих элементов. На образование закалочных структур в околошовной зоне влияют также выбранные режимы сварки, так как они определяют температуру нагрева и скорость охлаждения. Для снижения интенсивности образования мартенситных прослоек в зоне термического влияния, которые могут привести к образованию холодных трещин требуется применение специальных технологических мер. Наиболее эффективными из которых является снижение скорости охлаждения околошовной зоны путем предварительного подогрева. При выборе температуры предварительного подогрева закаливающихся сталей следует учитывать, что недостаточный подогрев приводит к повышению вероятности появления холодных трещин, а излишне высокий снижает пластичность и особенно ударную вязкость стали вследствие чрезмерного роста зерен аустенита (Ас3 + 100°С).

Определение необходимой температуры предварительного подогрева производится с учетом полного эквивалента углерода

Температура предварительного подогрева ровна

где 350 – температура в градусах Цельсия, принятая как наиболее характерная для конструкционных и теплоустойчивых сталей;

[C] –полный эквивалент углерода;

0,25 – определенное содержание углерода, при котором углеродистые стали не закаливаются и не возникает трещин в зоне термического влияния сварного соединения.

В некоторых случаях размерный коэффициент не учитывают. При этом эквивалент углерода определяют по выраженению [2].

Температура предварительного подогрева в этом случае определяется по графику (рис.1).

Рис.1 Зависимость температуры предварительного подогрева от эквивалента углерода в стали

Понятие о свариваемости. Металлы для сварки

1. Сварное соединение – неразъемное соеди­нение, выполненное сваркой. При изготовлении сварных конструкций применяют следующие основные типы соединении ГОСТ 2601–74: стыковые, внахлестку, тавровые, угловые и заклепочные соединения (рис. 63).

Стыковые соединения различают по виду предвари­тельной подготовки кромок (рис. 63, а – ж).В зависи­мости от толщины свариваемого металла производят различную подготовку кромок, которая для ручной электродуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса регламентируется ГОСТами. При толщине металла до 3 мм применяют отбортовку без зазора (рис. 63, а). При толщине листов от 3 до 8 мм сварива­ют без подготовки кромок при зазоре до 2 мм (рис. 63, б, в). Для листов толщиной до 13…15 мм сваривают с односторонней V-образной разделкой кромок (рис. 63, г). При толщине листа больше 15 мм рекомендуется двусторонняя х-образная разделка кромок (рис. 632, д). Листы толщиной более 20 мм сваривают с чашеобраз­ной разделкой кромок, которая может быть односторон­ней и двусторонней (рис. 63, е, ж).

Нахлесточные соединения (рис. 63, з) характеризу­ются наличием перекрытия кромок свариваемых листов: величина нахлестки равна трех-пятикратной толщине свариваемых элементов. Разновидностями нахлесточных соединений являются прорезные (рис. 63, и)и электро­заклепочные соединения (рис 63, к).


Рис. 63 Сварные соединения:

I – виды сварных соединений и швов в стык; II – соединения внахлестку; III – тавровые соединения; IV – угловые соединения; V – типы швов по от­ношению к направлению действующих на них усилий; VI – типы швов при различном положении в пространстве

Тавровые соединения выполняются приваркой одного элемента изделия к другому (рис. 63, л). Без скоса кромок сваривают конструкции с малой нагрузкой. При изготовлении ответственных конструкций с элементами толщиной 10…20 мм применяют односторонний скос, а при толщине элементов более 20 мм – двусторонний.

Угловые соединения (рис. 63, м) при любых толщи­нах можно получить без подготовки кромок. Сварка с подготовкой кромок применяется редко.


2. Сварной шов – участок сварного соединения, обра­зовавшийся в результате кристаллизации металла сва­рочной ванны.

По расположению в пространстве сварные швы бывают: нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные (рис. 64, а). Нижним называют шов, распо­ложенный на горизонтальной плоскости заготовок или на плоскости, наклонной к горизонту под углом до 45°. Вер­тикальными называют швы, расположенные на верти­кальной плоскости вертикально или под углом более 45° к горизонту. Горизонтальными называют швы, располо­женные на вертикальной плоскости горизонтально или под углом менее 45° к горизонту.

Потолочными называют швы, расположенные па «потолке» заготовок. Сварку рекомендуется по возможности выполнять в нижнем по­ложении. Наиболее трудным является потолочный шов. Рис.64

В зависимости от расположения шва по отношению к действующим нагрузкам различают фланговые, лобовые, комбинированные и косые швы (рис. 64, б). По форме поперечного сечения сварные швы делят на нормальные, выпуклые (усиленные) и вогнутые (ослабленные) (рис. 64, г). У нормального шва действительная его вы­сота равна расчетной, у выпуклого – больше, а у вогну­того – меньше. Сварные швы изображают на чертежах условно в соответствии с ГОСТ 2.312–72.

3.Детали, предназначенные для сварки, должны быть очищены от грязи, масляных пятен и других посторонних частиц. Особенно тщательную очистку следует выполнять в околошовной зоне, так как любые посторонние частицы, загрязняющие сварочную ванну, могут отрицательно сказаться на качестве сварного соединения. Кромки деталей стачивают под углом шлифовальной машинкой или напильником. Тип и угол разделки кромок определяют количеством необходимого для заполнения разделки электродного металла, а зазор между ними зависит от толщины свариваемых деталей, марки материала, способа сварки и т.д. Минимальную величину зазора выдерживают при сварке без присадочного материала, то есть неплавящимся электродом. При сварке плавящимся электродом зазор обычно устанавливают в пределах 0…5 мм. И чем больше зазор, тем глубже проплавление свариваемых кромок.

Тип и угол разделки свариваемых кромок определяют количество необходимого электродного материала для заполнения разделки, а, следовательно, и производительность сварки. Основные типы разделок кромок перед сваркой приведены на рис.63.

Наилучшее формирование сварочного шва обеспечивает Х-образная разделка кромок, которая позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6 … 1,7 раз. Такая разделка обеспечивает наименьшую величину деформации после сварки и достаточную прочность сварочного шва. Для предотвращения образования прожогов и правильного формирования шва кромки после разделки притупляют.

4. Металлургические процессы при сварке отличаются следующими особенностями: малым объемом расплав­ленного металла сварного шва, высокой температурой зоны сварки, непродолжительным нахождением металла в расплавленном состоянии, активным взаимодействием расплавленного металла с окружающей средой, быстрым отводом теплоты от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающей к ней зоны твердого основного металла.

Высокая температура при сварке ускоряет процессы плавления электродного и основного металла, а также электродного покрытия и флюса. При этом происходят выделение газов и испарение, разбрызгивание и окисле­ние веществ, участвующих в химических реакциях в зоне сварки. Металл теряет некоторые полезные примеси, на­сыщается газами и окислами.

В процессе сварки происходит окисление металла за счет кислорода атмосферы, двуокиси углерода, паров воды, высших окислов. Окислы и газы, остающиеся в сварном шве, резко ухудшают его механические свой­ства. При сварке окислы частично переходят в шлак, взаимодействуя с раскислителями, которые вводятся в сварочную ванну через обмазку электродов, флюс и присадочный металл. Через них же осуществляется ле­гирование металла шва никелем, хромом, вольфрамом и другими элементами для улучшения его механических свойств. При этом следует учитывать активность окис­ления легирующего элемента в зоне сварочной ванны. С увеличением активности окисления легирующего эле­мента уменьшается его усвоение сварочной ванной. Для оценки поведения того или иного элемента в сварочной ванне необходимо знать степень активности окисления его кислородом. Активность некоторых широко извест­ных элементов по отношению к кислороду повышается в следующем порядке (до температуры 1600°С): Сu, Ni, Со, Fe, W, Mo, Cr, Mn, V, Si, Ti, Zn, Al. Элементы, стоя­щие в таблице Менделеева левее от железа, при сварке сталей будут практически полностью усваиваться сва­рочной ванной. Вольфрам и молибден, стоящие справа от железа, усваиваются достаточно полно.

Большую трудность представляет легирование шва титаном и алюминием.

На качество сварных соединений большое влияние оказывает содержание серы и фосфора. Сера, соединяясь с железом, образует сульфид железа FeS, который яв­ляется вредной примесью в металле шва. Сульфид же­леза в период кристаллизации сварочной ванны обра­зует эвтектику FeS – Fe, имеющую меньшую, чем сталь, температуру плавления (940°С) и малую растворимость в жидкой стали. Это является причиной образования горячих трещин, поскольку эвтектика при кристаллиза­ции располагается между зернами стали. Вредное влия­ние оказывает и фосфор, снижающий ударную вязкость металла шва.

В процессе сварки возникают внутренние напряжения в металле и изменения формы и размеров сварного изделия, называемые деформациями. К неиз­бежным причинам, способствующим возникновению на­пряжений и деформаций, относятся: неравномерный на­грев; тепловая усадка шва; структурные изменения ме­талла шва и околошовной зоны и т. д. К сопутствующим причинам, способствующим возникновению напряжений и деформаций, относятся: неправильный расчет конст­рукции сварных узлов (близкое расположение швов, их частое пересечение, неправильно выбранный тип соеди­нения и др.); применение устаревшей техники и техно­логии сварки (неверно выбраны способы наложения слоев и диаметр электрода, не соблюдаются режимы сварки и др.); низкая квалификация сварщика; наруше­ние геометрических размеров сварных швов и т. д.

В результате продольных и поперечных деформаций происходит сокращение элементов конструкций по дли­не и ширине. Эти деформации образуются при симмет­ричной укладке сварных швов. Деформации изгиба появляются при несимметричном расположении сварных швов в конструкциях и сопровождаются продольным и поперечным сокращением элементов (продольной и попе­речной усадкой швов). Этот вид деформации в практике встречается довольно часто.

Сварочные напряжения могут вызывать появление трещин, особенно при сварке малопластичных и склон­ных к закалке металлов (например, средне- и высокоуг­леродистые стали и чугуны). Большое значение для уменьшения сварочных деформаций имеют правильный порядок наложения сварных швов, а также применение термической обработки после сварки (отжиг, нормали­зация).

5. Свариваемость металлов и сплавов характе­ризуется их способностью образовывать при сварке ка­чественное соединение без трещин, пор и других дефек­тов. Не все металлы хорошо свариваются дуговой, газо­вой и другими обычными методами сварки в воздушной среде. Для соединения плохо свариваемых металлов применяют более сложную технологию подготовки к сварке (например, предварительный подогрев сваривае­мых заготовок), специальные виды сварки (например, сварка в вакууме). После сварки некоторых металлов и сплавов проводят термическую обработку сварного шва и околошовной зоны или обработку давлением. Хорошо свариваются методом плавления металлы с одинаковой атомной решеткой, образующие друг с другом твердые растворы.

Некоторые металлы с разными атомными решетками (например, медь и свинец) совершенно не свариваются.

Свариваемость сталей зависит от содержания в них углерода и легирующих элементов. Чем меньше углеро­да, тем лучше свариваемость. Стали, содержащие угле­рода более 0,7%, характеризуются плохой свариваемо­стью. Легированные стали (кроме никелевых) сварива­ются хуже, чем углеродистые. Чугуны отличаются пло­хой свариваемостью обычными методами дуговой и га­зовой сварки.

Свариваемость сталей

Свариваемостью называется свойство металла (или другого материала) образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия (ГОСТ 2601).

Свариваемость различных металлов и их сплавов существенно отличается.

Степень свариваемости оценивают изменением свойств сварного соединения по отношению к основному металлу. Степень свариваемости сплава тем выше, чем больше способов сварки и режимов при каждом способе можно применить. Примером хорошей свариваемости является малоуглеродистая сталь.

Под технологической свариваемостью понимают отношение металла к конкретному способу сварки и режиму.

Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, по завершении которых образуется неразъемное сварное соединение. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов зачастую препятствуют протеканию необходимых физико-механических процессов в зоне сплавления. В этом случае металлы не обладают физической свариваемостью.

Влияние элементов, содержащихся в сталях, на их свариваемость

Углерод. Малоуглеродистые стали хорошо свариваются всеми видами сварки. С увеличением содержания углерода в стали повышается твердость и снижается пластичность. Металл в сварном соединении закаливается, и образуются трещины. В результате интенсивного окисления углерода при сварке образуется значительное количество газовых пор.

Марганец. В количестве 0,3…0,8 % марганец не ухудшает свариваемость стали. Является хорошим раскислителем и способствует уменьшению содержания кислорода в стали. При содержании марганца 1,5…2,5 % свариваемость ухудшается и возможно появление трещин из-за увеличения твердости стали и образования закалочных структур.

Кремний. Содержание кремния в углеродистых сталях незначительно (0,03…0,35 %). Кремний вводят как раскислитель, и при содержании до 1 % он не влияет на свариваемость. С увеличением содержания кремния более 1 % свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие окислы, которые приводят к появлению шлаковых включений. Металл сварного шва имеет повышенные прочность, твердость и хрупкость.

Хром. В углеродистых сталях содержание хрома не превышает 0,25 % и в таком количестве его влияние на свариваемость не значительно. Конструкционные стали типа 15Х, 20Х, 30Х, 40Х содержат от 0,7 до 1,1 % хрома. При таком содержании хрома твердость увеличивается, а свариваемость ухудшается, особенно с увеличением содержания углерода. Стали, содержащие значительное количество хрома (Х5, 1X13, Х17) имеют самую плохую свариваемость. При сварке образуются тугоплавкие окислы, снижается химическая стойкость стали и образуются закалочные структуры.

Никель. Никель повышает прочность и пластичность металла сварного соединения и не ухудшает свариваемость.

Молибден. В теплоустойчивых сталях содержание молибдена составляет 0,2…0,8 %, а в специальных сталях, предназначенных для работы при высоких температурах, увеличивается до 2…3 %. Молибден значительно повышает прочность и ударную вязкость стали, но вызывает склонность к образованию трещин, как в самом шве, так и в переходной зоне.

Ванадий. Ванадий повышает прочность сталей. Содержание его в инструментальных и штамповых сталях достигает 1,5 %. Ванадий ухудшает свариваемость, так как способен сильно окисляться и при сварке необходимо вводить в зону плавления активные раскислители.

Вольфрам. Содержание вольфрама в специальных (инструментальных и штамповых) сталях составляет до 2 %. Стали с содержанием вольфрама имеют значительную твердость и прочность при высоких температурах. Вольфрам ухудшает свариваемость, сильно окисляется и поэтому сварка требует особых приемов.

Титан и ниобий. Титан и ниобий улучшают свариваемость стали. При сварке высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей углерод взаимодействует с хромом и образуются карбиды хрома. Это приводит к уменьшению содержания хрома по границам зерен, образованию межкристаллитной коррозии и разрушению сварных швов. При введении в стали титана или ниобия в количестве 0,5…1 % происходит их взаимодействие с углеродом, что препятствует образованию карбидов хрома.

Медь. В сталях, используемых для ответственных конструкций, содержание меди составляет 0,3…0,8 %. Медь улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость сталей.

Сера. Повышенное содержание серы приводит при сварке к образованию горячих трещин. Наибольшее допускаемое содержание серы до 0,06 %.

Фосфор. Повышенное содержание фосфора ухудшает свариваемость, так как вызывает при сварке появление холодных трещин. Допускается содержание фосфора в углеродистых сталях не более 0,08 %.

Кислород. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижая ее механические свойства – прочность, пластичность, ударную вязкость.

Азот. Азот из окружающего воздуха при охлаждении сварочной ванны образует нитриды железа, которые повышают прочность и твердость стали и значительно снижают пластичность.

Водород. Водород попадает в сварочную ванну из влаги и коррозии на поверхности металла, скапливается в отдельных местах сварного шва, образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.

Классификация сталей по свариваемости

Свариваемость сталей оценивается такими признаками как склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

Количественной характеристикой свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода Сэк, которое определяют по формуле

Сэк = С + (Мn/6) + [(Cr + Mo +V)/5 + (Ni + Cu)/15] ,

где С – содержание углерода, %;

Мn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – содержание легирующих элементов (марганец, хром, молибден, ванадий, никель, медь), %.

Наибольшее влияние на свариваемость стали оказывает количество содержащегося в ней углерода и легирующих компонентов.

Стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся стали, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся и плохо сваривающиеся стали.

К первой группе относятся стали, сварку которых выполняют по обычной технологии без подогрева. Возможно применение термообработки для снятия внутренних напряжений.

Ко второй группе относятся стали, у которых при сварке в нормальных условиях, как правило, трещин не образуется. Для сварки сталей этой группы имеются ограничения по толщине свариваемого изделия и температуре окружающей среды.

К третьей группе относятся стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают термообработке после сварки.

К четвертой группе относятся стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

В табл. 1 приведена свариваемость и условия сварки сталей различных видов и марок.

Читайте также: