Свариваемость - комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.

Три группы факторов, определяющих свариваемость:

1.Химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей.

2.Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.

3.Технологический фактор: вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы:«Как изменяются свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа - хорошо сваривающиеся; вторая группа - удовлетворительно сваривающиеся; третья группа - ограниченно сваривающиеся; четвертая группа - плохо сваривающиеся.

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей,- склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят 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 обработке после сварки.

К четвертой группе относят 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.

Сварочные преобразователи: устройство, регулировка

Сварочного тока, технические характеристики, схемы

Включения.

Для ручной дуговой сварки и сварки на автоматах, снабженных авторегуляторами напряжения, автоматически воздействующими на скорость подачи электродной проволоки, требуются источники питания с падающими внешними характеристиками. Для питания автоматов и полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, в том числе для сварки в углекислом газе и порошковой проволокой СП-2, необходимы генераторы с жесткими внешними характеристиками. Поскольку на заводах и монтажных площадках механизированные методы сварки используются в сочетании с ручной дуговой сваркой, требуются универсальные источники, обеспечивающие как падающие, так и жесткие внешние характеристики. Для этой цели разработана конструкция универсального сварочного преобразователя ПСУ-300, генератор которого имеет одну обмотку возбуждения. Внешние характеристики в этом генераторе создаются с помощью триода ПТ, включенного в цепь обмотки возбуждения ОВ, и обратной связи по току нагрузки (рис. 108). Он является четырех полюсным генератором постоянного тока нормального исполнения, его обмотка возбуждения ОВ размещена на четырех главных полюсах и питается от устройства управления, размещенного на корпусе преобразователя.

Рис. 108. Упрощенная электрическая схема универсального преобразователя ПСУ-300

Сварочная цепь и цепь обмотки возбуждения связаны между собой стабилизирующим трансформатором Тр, предназначенным для обеспечения динамических свойств генератора.
Величину сварочного тока регулируют реостатом – регулятором ДП, установленным на передней стенке управления. По мере роста сварочного тока сопротивление триода возрастает, ток возбуждения уменьшается, уменьшается и эдс генератора, т. е. характеристика получается падающей. При переключении цепей управления внешняя характеристика становится жесткой. Основные технические данные универсальных преобразователей даны в табл. 32.

32. Основные технические данные универсальных преобразователей

Выполнить практическое задание (устно):

3. Подготовка, сборка, прихватка и сварка трёх полос металла длиной 80 см, толщиной 16 мм (изготовление швеллера).

Ответить на теоретические вопросы.

К рассматриваемой группе относятся стали, со­держащие углерода в пределах 0,25-0,50% и с суммарным легированием до 4%. Они относятся к высокопрочным сталям. При соответствующей термической обработке временное сопротивление сталей может составлять от 80 до 150 кгс/мм 2 . Примеры марок стали - 35Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 50Г2, 30ХГТ, 30ХГНА, З0ХГСА и др. По чувствительности к термодеформационному циклу сварки к этой же группе можно отнести углеродистые стали (ст30, 35, 40, 50) и теплоустойчивые стали (молибденовое, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые (20М, 20ХМ, З8ХМЮА, 25Х1М1 и др.).

Для снижения скорости охлаждения в ЗТВ в интервале температур распада аустенита (800-500 °С) с целью получения в ней равновесных структур, обладающих некоторым запасом пластичности, применяется предварительный подогрев свариваемого изделия.

Вторым нежелательным эффектом воздействия сварочного термического цикла на низколегированную сталь с повышенным содержанием углерода является рост зерна на участках ЗТВ, где металл длительное время пребывал при температурах выше 1200°С. Поэтому выбор температуры по­догрева стали проводить с учетом склонности стали к росту зерна. Во многих сталях при всех скоростях охлаждения в околошовной зоне образуется мартенситная структура в таком количестве, при кото­ром пластичность металла будет низкой. Уменьшение скорости охлажде­ния ниже некоторого предела, не предупреждая образования мартенсита, приведет к значительному росту зерна, вызывающему резкое снижение пластичности. Следовательно, чрезмерно высокий подогрев не только не принесет пользы, а наоборот, может вызвать заметное ухудшение свойств (прежде всего ударной вязкости) металла ЗТВ. Поэтому температура подогрева в этом случае должна быть такой, которая гарантировала бы отсутствие трещин, а улучшение структуры производить строго регламен­тированной последующей термообработкой.

При разработке технологического процесса сварки сталей данного класса необходимо знать диапазон скоростей охлаждения металла ЗТВ (ω охл), в котором не возникают трещины и получается удовлетворитель­ное сочетание механических свойств. Сварка на режимах, при которых ω охл околошовной зоны выше верхнего предела, вызывает резкое сниже­ние пластичности металла ЗТВ за счет ее закалки. Режимы, при­водящие к слишком малой скорости охлаждения (ниже нижнего предела) снижают пластичность и вязкость вследствие чрезмерного роста зерна.

Для многих сталей известен диапазон скоростей охлаждения,
гарантирующих качественное сварное соединение.

Например 35ХГСА (2,5-6 °С при Т = 500°С); 40Х=2,5-3,7; 45ХМА-0,7*

З0Г 3,0 -7,0 З0ХМ - 8* * - время после окончания сварки
25ХН2 2^0-3,7 З5ХВФА 1,0-5,0 до проведения термообработки
25НЗ 0,8 -11,0 * жестко регламентировано.

Таким образом, при расчете параметров режима сварки закаливающихся сталей необходимо рассчитать режим свирки по условиям получения швов заданных геометрических размеров и формы; рассчитать действи­тельную скорость охлаждения ω охл металла ЗТВ (в зависимости от условия проведения сварки) и результаты расчета сравнить с данными о допустимых скоростях охлаждения для данной стали; если действи­тельная скорость охлаждения металла ЗТВ при сварке на принятом режиме окажется выше верхнего предела допустимых скоростей, то не­обходимо рассчитать температуру предварительного подогрева или при­менить некоторые технологические приемы заполнения разделки кромок (двухдуговая сварка раздвинутыми дугами, каскадом, горкой и др.). Если сталь склонна к значительному росту зерна, а действительная скорость охлаждения металла ЗТВ по расчету оказалась меньше ниж­него предела допустимых, следует увеличить число слоев в шве, и сварить их длинными швами. При выборе новых режимов следует опреде­лить действительные скорости охлаждения.

В том случае, если отсутствуют сведения по допускаемой скорости охлаждения ОШЗ при сварке стали, можно пользоваться диаграммой изотермического распада аустенита для приближенного определения до­пустимой скорости охлаждения в субкритическом интервале температур (если отсутствуют специальные диаграммы анизотермического превраще­ния для данной стали).

Пользуясь диаграммой изотермического распада, можно приближенно рассчи­тать скорость охлаждение в субкритическом интервале температур, обеспечивающую полное или частичное отсутствие закалки металла в околошовной зоне.

где Т 1 - температура, соответствующая точке Ас 1 (начала распада аустенита.);

Т m - температура min устойчивости аустенита (определяется по изотермической диаграмме);

t min - min продолжительность полного изотермического, распада аустенита, с

55 - поправка на непрерывность процесса охлаждения.

коэффициент 3 учитывает поправку на непрерывность охлаждения и и замедление распада аустенита из-за роста зерна.

Для определения скорости охлаждения и время пребывания металла околошовной зоны в определенном интервале температур можно пользо­ваться зависимостями, приведенными по курсу ТСП.

Для приближенной оценки необходимости и температуры подогрева перед сваркой можно пользоваться так называемым полным эквивален­том углерода С э, определяемый по формуле:

С э = (С+Mn/6 + Si/24 + Ni/10 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 + 5B) (1 + 0,005d) (2.2)

после определения полного эквивалента углерода рассчитывают температуру предварительного подогрева.

Т П = 350 (2.3)

Для получения сварных соединений, обладающих высокой работоспособностью, после сварки, как правило, необходима термообработка для восстановления свойств 0ШЗ.

Сварка сталей и сплавов

Под свариваемостью металлов понимают их свойство, характеризующее способность образовывать при установленной технологии сварки соединения с требуемым комплексом свойств, обусловленным условиями эксплуатации конструкции.

Различают понятия физической и технологической свариваемости.

Физическая свариваемость определяет свойство материалов образовывать монолитное неразъемное соединение с установлением в нем химических связей. Способность металлов свариваться является важной характеристикой, определяющей принципиальную воз­можность образования сварного соединения. Физической свариваемостью практически обладают все однородные металлы и большинство их сочетаний. Однако она не полностью определяет возможность получения качественного и экономичного соединения, обладающего необходимым комплексом свойств, определяющих работоспособность изделия в определенных условиях эксплуатации. Достижение этих свойств во многом будет зависеть от применяемой технологии сварки. Поэтому вводится понятие технологической свариваемости металлов, определяющей их реакцию на воздействие конкретных условий сварки и способность при этом образовывать соединение с требуемыми свойствами. Свариваемость не является неизменным свойством материала, подобно его физическим характеристикам. Она зависит от способа и режимов сварки, состава присадочного металла, флюса, покрытия, защитного газа и сопровождающих условий (например, подогрев) и т. п. Понятие свариваемости является комплексным и характеризуется совокупностью свойств в зависимости от природы металла и условий эксплуатации. Поэтому для оценки свариваемости применяют ряд испытаний, каждое из которых характеризует ту или другую сторону этого вопроса.

Основными показателями свариваемости металлов и их сплавов являются окисляемость металла в условиях сварки, сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин , чувствительность к тепловому воздействию сварки (склонность к изменению структуры в ЗТВ и к образованию закалочных структур), склонность к образованию пор , соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям, особенно при сварке легированных сталей, для сварных соединений которых важны такие особые свойства, как коррозионная стойкость, жаропрочность, химическая стойкость и т.д. При оценке технологической свариваемости целесообразно использовать дифференцированный подход: с одной стороны, рассматривая поведение металла в сварочной ванне и изменение его свойств в результате взаимодействия с окружающей средой (газами и и шлаками), а также кристаллизации в условиях сварочного процесса (металлургическая свариваемость); с другой стороны, оценивая реакцию металла на тепловые воздействия в тех или иных условиях сварки (тепловая свариваемость). Оценка с металлургических позиций необходима для выбора способа и средств защиты и металлургической обработки ванны. Оценка тепловой свариваемости важна для выбора оптимального термического цикла сварки, т. е. источника нагрева и режима. Такой дифференцированный подход к оценке свариваемости позволяет упростить выбор наиболее целесообразного технологического варианта выполнения сварного соединения.

Легированные стали подразделяют на низколегированные (до 2.5% легирующих элементов), среднелегированные (2.5-10%) и высоколегированные. Большое влияние на свариваемость оказывает влияние содержание в стали легирующих элементов C, Mn, Si, Cr, Ni, Mo, V, W, Ti, Nb и вредных примесей S, P.

Углерод является одним из элементов, в наибольшей степени определяющих свариваемость. При [С]<0.25% стали свариваются хорошо. Сувеличением [C] свариваемость ухудшается. В ОШЗ появляются закалочные структуры, а шов получается пористым. Для получения качественного соединения применяют специальные технологические приемы: предварительные и сопутствующий подогрев соединения (t подогрева зависит от [C]).

Марганец в сталях содержится обычно 0.3-1% и в таких количествах не затрудняет сварку стали. При 1.8-3% прочность, твердость и закаливаемость сталей возрастают и это способствует образованию трещин. При сварке высокомарганцовистых сталей (11-18%) происходит выгорание марганца, поэтому надо компенсировать его через электродное покрытие, флюсы, проволоку и т.д.

Кремний в низколегированых сталях (0.02-1%) существенного влияния на сварку не оказывает. При 1-2% кремний затрудняет сварку, так придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие окислы и шлаки. В высоколегированных Cr-Ni сталях способствует трещинообразованию.

Хрома содержится в сталях: конструкционных 0.7-3.5, в хромистых 12-18, в хромоникелевых 9-35%. С повышением содержания хрома свариваемость ухудшается, так как хром образует тугоплавкие оксиды, повышает твердость стали, образуя карбиды хрома, способствует возникновению закалочных структур.

Никель в конструкционных сталях 1-5, в хромоникелевых 8-35%. Никель способствует измельчению кристаллических зерен, повышению пластичности и прочностных свойств стали, не ухудшает свариваемость.ъ

Молибдена в теплоустойчивых сталях содержится до 0.8%, в сталях, работающих при высоких температурах и ударных нагрузках до 3.5%. Способствует измельчению кристаллических зерен, повышению ударной вязкости и прочностных свойств стали, однако ухудшает свариваемость, способствуя образованию трещин в металле шва и в ЗТВ.

Ванадий при содержании 0.2-1.5% придает стали высокую прочность, повышает вязкость и упругость. Ухудшает свариваемость, так как способствует образованию закалочных структур в металле шва и в ЗТВ.

Вольфрам при содержании 0.8-1.9 повышает твердость стали и ее теплостойкость. Снижает свариваемость.

Титан и ниобий содержатся в нержавеющих и жаропрочных сталях 0.5-1%. Являясь хорошими карбидообразователями, препятствуют образованию карбидов хрома, измельчают зерно. При сварке нержавеющих сталей Nb способствует образованию горячих трещин.

Фосфор (содержится до 0.05%) ухудшает свариваемость, способствуя образованию холодных трещин.

Сера (не более 0.05%) образует с железом легкоплавкую эвтектику, способствуя образованию горящих трещин. Для нейтрализации вредного влияние серы увеличивают содержание марганца в металле.

Оценка свариваемости металлов в зависимости от свойств свариваемого металла, требований, предъявляемых к сварному соединению, оценку свариваемости проводится по различным показателям: по данным изменения структуры металла, механических свойств соединения, склонности к образованию определенных дефектов и др.

Оценку структуры металла различных областей сварного соединения проводят по равновесным диаграммам состояния и термокинетическим графикам структурно-фазовых превращений в свариваемых мате­риалах. Получаемые данные дополняют результатами специальных исследований механических свойств металла по методике и на специальных машинах, позволяющих нагревать и охлаждать по программе с задан­ной скоростью образцы металла и подвергать их механическим испытаниям на любом этапе выполнения термической обработки. Такие испытания позво­ляют проводить имитацию сва­рочных термических циклов любого участка сварного соединения и получать результаты по воздействию их на структуру и свойства металла.

Для этой же цели используют и специальные технологические пробы, например так называемую валиковую пробу (ГОСТ 13585-68). Для этого на пластины металла толщиной 14 - 30 мм наплавляют валики на режимах с различной погонной энергией (рис. 6).

Рис. 6. Оценка свариваемости с помощью валиковой пробы: а - образец валиковой пробы, б - разметка образцов для испытаний; 1 - исследование структуры, 2 - на ударный изгиб, 3 – на статический изгиб

Из пластин вырезают поперечные образцы для испытаний на статический 1 и ударный 2 изгиб, определение твердости и структуры 3. Валиковая проба позволяет оценить влияние технологии сварки на свойства и структуру металла в соединении. Оценку свариваемости проводят и по данным определения механических свойств металла сварного соединения и отдельных его участков по ГОСТ 6996-66. Стандарт предусматривает испытания на статическое растяжение, ударный изгиб, старение, твердость. О свариваемости судят или по нормативным значениям соответствующих свойств, или по отношению их к аналогичному свойству основного металла. Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристал­лические разрушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации. При кристаллизации жидкий металл шва переходит в жидко-твердое, затем в твердо-жидкое и, наконец, в твердое состо­яние. В твердо-жидком состоянии образуется скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится еще жидкий расплав. Металл в таком состоянии обладает очень низкой деформационной способностью и малой прочностью. Когда металл полностью закристаллизуется, его плас­тичность и прочность возрастут. Температурный интервал, в котором металл находится в твердо-жидком состоянии с низкой пластичностью и прочностью, называют температурным интервалом хрупкости. При охлаждении одновременно с кристаллизацией в этом интервале начинаются усадка и линейное сокращение шва, ведущее к возникновению внутренних напряжений и деформаций, которые приводят к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут образовываться как вдоль, так и поперек шва. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний: на машинах и сварку технологических проб. При машинных испытаниях свариваемый образец растягивают или изгибают во время сварки. Эта деформация имитирует сварочную деформацию. Склонность материала к горячим трещинам оценивают по критической величине или скорости деформирования образца, при которых в нем возникают трещины. Чем выше скорость Деформации или ее величина для образования трещины, тем выше сопротивляемость материала к трещинообразованию при сварке.

Для качественной характеристики склонности к трещинам используют технологические пробы, имитирующие сварное соединение с угловыми или стыковыми швами (рис. 7). Оценку производят по наличию и протяженности образующейся трещины в контрольном шве. Существуют и другие виды технологических проб.

Рис. 7. Технологическая проба для оценки склонности металла к трещинам: а - с угловыми швами, б - со стыковыми швами; 1 - контрольный шов

Холодные трещины свое название получили в связи с тем, что их появление наблюдается при относительно низкой температуре. Для оценки свариваемости металлов по критерию сопротивляемости холодным трещинам также применяют два вида испытаний: технологические пробы и методы количественной оценки с приложением к образцам внешней механической нагрузки. Пробы представляют собой жесткие сварные соединения. Стойкость материала оценивают качественно по наличию или отсутствию трещин. Примерами проб могут служить крестовая проба и проба Кировского завода (рис. 8).

Рис. 8. Крестовая технологическая проба для оценки склонности швов к холодным трещинам: 1, 2, 3, 4 - последовательность наложения швов

В крестовой пробе цифрами показана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится последний шов - 4-й, где и возможно образование трещин. В пробе Кировского завода, изменяя толщину металла в зоне выточки, меняют скорость охлаждения металла и степень его подкладки. По этим показателям судят о сопротивляемости металла образованию холодных трещин.

Количественными показателями оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин являются минимальные внешние нагружения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке образцов под нагруз­кой, прикладываемой сразу же после сварки. В качестве показателя сопротивляемости служит минимальная нагрузка, при которой происходит разрушение с образованием трещины.

Свариваемость стали

СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Ромашкин А.Н.

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие "свариваемость". Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобно физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).

Усложнение технологии и применение специальных сварочных материалов делает изготовление сварных конструкций из этих материалов во многих случаях экономически нецелесообразным. По мере усовершенствования существующих и разработки новых сварочных процессов и сварочных материалов сокращается количество металлов и сплавов, изготовление сварных конструкций из которых не обеспечивает необходимой работоспособности и экономически нецелесообразно.

Более всего на свариваемость оказывают влияние химический состав сплава, фазовая структура и ее изменения в процессе нагрева и охлаждения, физико-химические и механические свойства и др.

В связи с тем, что параметров, характеризующих основной и присадочный (электродный) материалы, очень много, то свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую:

• чувствительность металла к окислению и порообразованию;
• соответствие свойств сварного соединения условиям эксплуатации;
• реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин
• и т.д.

Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость образованию трещин.

Горячие трещины чаще всего возникают при ослаблении деформационной способности металла из-за появления в структуре легкоплавких хрупких эвтектик, дефектов кристаллического строения, внутренних и внешних напряжений.

Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин можно определить по показателю Уилкинсона (H.C.S):

H.C.S. = 1000∙C∙(S + P + Si/25 + Ni/100)/(3∙Mn + Cr + Mo + V)

Условием появления горячих трещин является Н.С.S. > 2. Так, например, при обычной сварке низколегированной стали трещины начинают возникать при Н.С.S. = 4.

Также склонность стали к образованию горячих трещин может быть охарактеризована по критерию Р гт:

Р гт = 230∙С + 190∙S + 75∙P - 1

Оценку сопротивляемости стали трещинам при термической обработке (ТТО) может быть осуществлена по параметру ΔG:

ΔG = Cr + 3,3∙Mo + 8,1∙V - 2

При ΔG > 0 сталь не склонна давать трещины при повторном нагреве в процессе термической обработке.

Холодные трещины чаще всего возникают из-за закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.

Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, которым можно пользоваться как показателем, характеризующим свариваемость, при предварительной оценке последней. Для этой цели имеется ряд уравнений.

С э = С +Mn/6 + Si/24 + Сr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + Р/2,

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %. Эту зависимость в ГОСТ 27772 - 88 рекомендуют для оценки свариваемости проката для строительных конструкций.

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

а нормы Японии - зависимость

С э = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4.

В России наиболее распространенным и приемлемым для сталей, используемых на подвижном составе, является следующее:

С э = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Са/15 + Cu/13 + P/2

В табл. 1 приведена классификация сталей по свариваемости в соответствии с величиной С э и меры по предотвращению или уменьшению вероятности появления трещин.

Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости

Если оценка свариваемости по показателю С э указывает на склонность стали к появлению холодных трещин, то необходимо предусмотреть предварительный подогрев детали. Температуру подогрева (Т, °С) можно определить по формуле

Т = 350∙(С об - 0,25) 0,5

где С об - общий углеродный эквивалент, %.

С об = С э ∙(1 + 0,005∙δ)

где δ - толщина металла свариваемой детали, мм.

Температура сопутствующего сварке или наплавке подогрева зависит от материала изделия и колеблется в среднем от 250 до 400° С.

Другим критерием, указывающим на возможное охрупчивание стали вследствие структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Зона термического влияния (ЗТВ) - участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого металл под действием источника нагрева претерпевает фазовые и структурные превращения. Поэтому ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и микроструктуру.

Если твердость выше HV 350...400, то в структуре ЗТВ уже присутствует смесь твердых продуктов распада аустенита, которые склонны к образованию холодных трещин.

Для обычных углеродистых и низколегированных сталей возможную максимальную величину твердости в ЗТВ можно вычислить на основе химического состава стали:

HV max = 90 + 1050∙С + 47∙Si + 75∙Mn + 30∙Ni + 31∙Cr,

где С, Si, Mn, Ni, Cr - массовые доли химических элементов, %.

На образование холодных трещин решающее влияние оказывает воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Эти напряжения зависят от толщины сварного соединения, типа сварного узла и особенно от жесткости свариваемой части конструкции. Значение этих напряжений может быть выражено с помощью коэффициента интенсивности жесткости К, который представляет собой силу, вызывающую раскрытие на 1 мм зазора в сварном соединении длиной 1 мм [Н/(мм∙мм)]. Коэффициент интенсивности жесткости равен

где K q = 69 - постоянная; s - толщина листа, мм.

Данное значение постоянной можно использовать для приближенных вычислений К стыковых соединений при толщинах листа до 150 мм.

На основании изучения действия всех трех основных факторов (состав, газонасыщенность, особенности конструкции), способствующих образованию холодных трещин, был выявлен критерий для оценки чувствительности сталей к образованию подобных трещин - кpитеpий тpещинообpазования (P с):

P с = P cm + Н/60 + 0,25∙К/105,

где H - количество диффузионного водорода в металле сварного шва; К - коэффициент интенсивности жесткости; Р см - коэффициент, характеризующий охрупчивание вследствие структурного превращения и вычисляемый по уравнению Ито - Бессио, %:

P cm = С + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + (Mo + V)/15 + 5∙В;

Многочисленные исследования показали, что сталь чувствительна к образованию холодных трещин, если P с > 0,286.

В зависимости от марки основного металла и условий эксплуатации конструкции изменяется и совокупность показателей, определяющих понятие свариваемости. Так, под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и при концентрации напряжений, обусловленной формой узла.

При сварке легированных сталей, применяемых для изготовления химической аппаратуры, под свариваемостью кроме указанных выше показателей подразумевают также стойкость против образования трещин и закалочных структур в околошовной зоне и обеспечение специальных свойств (коррозионной стойкости, прочности при высоких или низких температурах). При наплавке деталей, работающих на истирание, особое значение приобретает стойкость металла шва против эрозии, т. е. постепенного разрушения его вследствие механического износа.

При анализе свариваемости не следует упускать из виду тот факт, что от воздействия значительных температур происходит разупрочнение термически упрочненных сталей. Таким образом, перед разработкой технологии сварки или наплавки следует определить свариваемость основного, присадочного металла и металла шва; вероятность появления трещин; разупрочнение сплава и назначить необходимые мероприятия для уменьшения или исключения нежелательных явлений.

На основании анализа более 200 бинарных диаграмм состояния для 23 широко известных конструкционных металлов был составлен прогноз физической свариваемости различных металлов между собой (рис. 1). Этот прогноз может быть использован для выбора пар металлов, обладающих физической свариваемостью, а также для выбора легирующих элементов для сплавов. Однако по-нашему мнению, чтобы составить представление о физической свариваемости пары металлов более удобно и правильно пользоваться введенным Чалмерсом понятием коэффициента аккомодации .

Физическую свариваемость разнородных металлов можно также прогнозировать по значениям их атомных радиусов и электроотрицательности. Взаимная растворимость элементов определяется подобием кристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, разницей в атомных радиусах компонентов и значениях электроотрицательности.

Для определения пределов растворимости строят диаграммы растворимости в координатах "атомный радиус элемента - электроотрицательность". На этих диаграммах строят два вспомогательных эллипса: внутренний - с большой осью размером ± 0,2 единицы электроотрицательности и малой осью размером ± 8 % разницы в атомных радиусах и внешний - с большой осью ± 0,4 единицы электроотрицательности и малой осью ± 15 % разницы в атомных радиусах (рис. 2). В пределах малого эллипса находятся металлы, образующие неограниченные твердые растворы с данным металлом-растворителем. Между малым и большим эллипсами располагаются металлы с ограниченной растворимостью в металле-матрице. За пределами большого эллипса валентный и размерный факторы неблагоприятны для образования твердых растворов, т. е. для образования сварного соединения.

Рис. 1. Прогноз возможности сварки разнородных металлов по диаграммам состояния:
X - свариваемые пары, образующие интерметаллические соединения; S - хорошо свариваемые пары, образующие твердые растворы; C - поддающиеся сварке пары, отличающиеся образованием сложной микроструктуры; D - данных недостаточно, для сварки необходимы особые меры; N - сведения отсутствуют

Исключение из описанной полуэмпирической теории растворимости составляют системы тугоплавких металлов: вольфрам-хром, ванадий-хром и другие, в которых может наблюдаться образование промежуточных фаз, хотя их кристаллические решетки подобны, а их электроотрицательность благоприятна для образования твердых растворов.

Физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием существования функциональной свариваемости. Например, в период промышленного внедрения титановых сплавов, обладающих физической свариваемостью между собой, возникли проблемы технологического обеспечения функциональной свариваемости, связанные с образованием при сварке в поверхностных слоях газонасыщенного (альфированного) слоя.

Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость - это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации. Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Рис. 2. Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимость различных легирующих элементов в твердом состоянии в железе (а) и в ниобии (б)

Как правило, известная технологическая свариваемость различных материалов является банком данных для функциональной свариваемости. На основании анализа технологической свариваемости выбранного конструкционного материала выбирают необходимые данные для обеспечения функциональной свариваемости: вид и режимы сварки, сварочные расходуемые материалы и др.

Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.

Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:

химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;

теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;

физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;

механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.

Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.

Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.

По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.

Особенностями термического воздействия являются:

неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);

высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;

большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).

Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:

большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5-100 мм -1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;

относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);

активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.

К особенностям механического воздействия относят:

возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;

воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.

Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:

резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;

изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;

возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;

образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;

образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.

Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств сварных соединений и устранения в них дефектов проводят специальные технологические мероприятия:

используют термический цикл сварки, устраняющий образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками и др.);

с целью уменьшения содержания водорода в металле сварного соединения улучшают защиту металла сварочной ванны, выполняют тщательную подготовку поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, используют флюсы и электродные покрытия с низким содержанием водорода и др.;

производят термическую обработку сварного соединения непосредственно после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.);

применяют технологические приемы, снижающие остаточные напряжения (сварка каскадом, использование приспособлений, создающих напряжения сжатия и др.)

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).

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

• Фосфор, сера – вредоносные примеси. Содержание данных химических элементов для низкоуглеродистых сталей 0,4-0,5%.

• Углерод – важный компонент в составе сплавов, который определяет такие показатели, как закаливаемость, пластичность, прочность, другие свойства материала. Содержание углерода в пределах 0,25% не воздействует на качество сварки. Наличие более 0,25% данного хим. элемента способствует формированию закалочных соединений, зоны термического влияния, образуются трещины.

• Медь. Содержание меди как примеси не более 0,3%, как добавки для низколегированных сталей – пределах 0,15-0,50%, как легирующего компонента – не более одного процента. Медь улучшает коррозионную стойкость металла, при этом не ухудшает показатели качества сваривания.

• Марганец. Содержание марганца до одного процента не затрудняет сварочный процесс. Если марганца 1,8-2,5%, то не исключается образование закалочных структур, трещин, зоны термического влияния.

• Кремний. Этот химический элемент присутствует в металле как примесь — 0,30 процентов. Такое количество кремния не влияет на показатель качества соединения металлов. При наличии кремния в пределах 0,8-1,5%, он выступает легирующим компонентом. В данном случае существует вероятность формирования тугоплавких оксидов, ухудшающих качество соединения металлов.

• Никель, как и хром, присутствует в низкоуглеродистых сталях, его содержание составляет до 0,3%. В низколегированных металлах никеля может быть около 5%, высоколегированных – порядка 35 процентов. Химический компонент повышает пластичность, прочностные характеристики металла, повышает качество сварных соединений.

• Хром. Количество данного компонента в низкоуглеродистых сталях ограничено до 0,3 процентов, его содержание в низколегированных металлах может быть в пределах 0,7-3,5%, легированных – 12-18 процентов, высоколегированных примерно 35%. В момент сваривания хром способствует формированию карбидов, значительно ухудшающих коррозионную устойчивость металла. Хром способствует формированию тугоплавких оксидов, которые негативно влияют на качество сварки.

• Молибден. Наличие этого химического элемента в металле ограничено 0,8 процентами. Такое количество молибдена позитивно сказывается на прочностных характеристиках сплава, но в процессе сварки элемент выгорает, в результате чего на наплавленном участке изделия формируются трещины.

• Ванадий. Содержание этого элемент в легированных сталях может составлять от 0,2 до 0,8 процентов. Ванадий способствует повышению пластичности, вязкости металла, улучшает его структуру, повышает показатель прокаливаемости.

• Ниобий, титан. Данные химические компоненты содержатся в жаропрочных, коррозионно-стойких металлах, их концентрация составляет не более одного процента. Ниобий и титан понижают показатель чувствительности металлического сплава к межкристаллитной коррозии.

Итог

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.