Классификация сталей по свариваемости

Строительный справочник | материалы – конструкции – технологии

Вы здесь

Критерии свариваемости сталей

При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства:

• чувствительность металла к тепловому воздействию, которое создается при сварке;
• склонность металла к росту зерна с сохранением пластических и прочностных свойств, структурным и фазовым изменениям в зоне термического воздействия;
• химическая активность металла, влияющая на его окисляемость при термическом воздействии сварочного процесса;
• сопротивляемость металла к образованию пор и трещин в холодном и горячем состоянии.

Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида стал ей: кипящая – «кп», полуспокойная – «пс» и спокойная – «сп».

Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение между кипящей и спокойной.

Все эти свойства учитывают при выборе технологических приемов сварки, способов формирования сварочного шва, параметров теплового воздействия и т.д.
В качестве примера приведем свариваемость сталей, как наиболее распространенных конструктивных материалов.

Для сварных конструкций лучше всего использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие высокой степенью свариваемости. Наибольшее влияние на качество сварного соединения оказывает углерод. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает свариваемость сталей, ухудшая качество шва. Сварные соединения высокоуглеродистых и высоколегированных сталей отличаются повышенным содержанием трещин и выполняются по специальной технологии.

Классификация сталей по свариваемости

Марка стали

Углеродистая

Конструкционная легированная

Примечание: Стали, относящиеся к хорошим, имеют содержание углерода менее 0,25%. Они хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.

Стали, относящиеся к удовлетворительным, имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильно подобранных режимах сварки дают качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.

Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева. Плохо свариваемые стали содержат углерод в количестве более 0,45%. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Легирование стали одним или несколькими легирующими элементами придает ей определенные физико-механические свойства. Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости и первостепенная роль в этом принадлежит углероду.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение же при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно у термоупрочненных сталей, вызывает определенные трудности. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны становятся участками деформационного старения. Это в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин. В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали имеют высокую чувствительность к термическому циклу сварки. Их околошовная зона оказывается резко закаленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.

При сварке высоколегированных хромистых 08X13, 08Х17Т и некоторых других сталей существуют отличительные особенности:

• высокий порог хладноломкости стали, находящийся обычно в области положительных температур;
• склонность к значительному охрупчиванию в околошовной зоне;
• низкая пластичность и вязкость металла шва, выполненного сварочными материалами аналогичного со сталью химического состава;
• невозможность устранить охрупчивание термообработкой.

Сварку таких сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением погонной энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопро-тивляемость сварного соединения локальным повреждениям и межкристаллической коррозии. В процессе сварки возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений. После сварки в ряде случаев требуется термообработка.

Окисляемость металла под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты сварочного шва, применяемого при сварке. Чем выше химическая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие. Поэтому при сварке этих металлов недостаточно применение флюсов и защитных покрытий, так как в защите нуждаются не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффективной защитой в данном случае служит сварка в вакууме или в среде инертного газа высокой чистоты.

Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой защиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия. Для сварки сталей и сплавов на основе железа в качестве защитных средств используют флюсы и электродные покрытия.

Классификация свариваемости сталей

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

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

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

Факторы, влияющие на свариваемость сталей:

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

Основным параметром для информации является химический состав материала.

Группы свариваемости

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

Классификация металлов по свариваемости:

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

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

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

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

Как влияют на свариваемость легирующие примеси?

Влияние главных легирующих элементов на свариваемость стали

• 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.

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.

Понятие свариваемости сталей, группы и классификации

При изготовлении самолетов, кораблей (космических, морских, речных), автомобилей, строительстве сооружений разного назначения, производстве продукции машиностроительной, пищевой, энергетической и других отраслей промышленности, в ЖКХ используют металлические конструкции, которые свариваются разными способами. Они изготавливаются из углеродистых и легированных марок сталей, чугуна, меди, титана, алюминиевых сплавов и т. д. Каждый раз способ сварки металла конкретной марки и технология проведения выбираются в индивидуальном порядке. В первую очередь смотрят на химический состав, который производитель металлопроката и сортамента обязательно указывает в сопроводительной документации к каждой партии товара. Это позволило отнести любую из почти 700 марок сталей к той или иной группе по свариваемости.

Определение свариваемости и ее категории

Свариваемость сталей – способность получать при выбранном оборудовании и технологии проведения процесса качественное соединение частей изделия, соответствующее требованиям эксплуатации конечного продукта. Проще говоря, место соединения должно максимально приближаться к прочностным характеристикам свариваемой марки стали. Различают два вида свариваемости: физическую и технологическую. В первом случае получают соединение с химической связью, что характерно для чистых металлов и технических сплавов. Технологический вид свариваемости заключается в характеристике места соединения стальных заготовок после выполнения сварочного процесса. Шов и околошовная зона должны соответствовать свойствам, которые предъявляются к изделию, и быть надежными в течение всего срока эксплуатации.

На свариваемость оказывают влияние такие факторы:

• количество углерода, легирующих элементов и вредных примесей, имеющихся в марке стали в %;
• чувствительность металла к нагреву;
• химическая активность;
• склонность к окислительным процессам.

Совокупность факторов позволила марки сталей по свариваемости разделить на 4 группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо подлежащие сварочному процессу. Влияние оказывает и квалификация сварщика. Если человек – дилетант, то качество соединения будет очень низким.

Вид качественно выполненного сварного шва при соединении труб из высоколегированной стали:

Характеристики групп некоторых марок сталей и нюансы проведения сварки указаны в таблице:

Таблица свариваемости позволяет, если известна марка металла, сразу отнести его к конкретной группе и исходя из этого грамотно подобрать режим и способ осуществления соединения. Низкоуглеродистые и низколегированные стали свариваются любыми видами сварки без каких-либо ограничений, остальные марки требуют дополнительных мероприятий, которые позволят выполнить соединение соответствующего качества.

Внимание! Сварка при температуре ниже -5 °C не должна выполняться: качество соединения будет невысоким.

Факторы, оказывающие влияние на процесс сварки

Факторы, которые оказывают влияние на получение качественного соединения: химический состав и содержание вредных компонентов в воздухе.

Содержание углерода в марке стали – это очень важный фактор. Без проблем соединяются металлы с содержанием элемента не выше 0,2%, при более высоком показателе качество ухудшается. В околошовной зоне возникают трещины как горячие, так и холодные.

Содержание серы в количествах, превышающих 0,045%, ведет к такому явлению, как красноломкость, т. е. возникновение горячих трещин.

Вредной примесью является и фосфор. Если его количество превышает 0,4%, то не избежать такого дефекта, как хладноломкость, т. е. охрупчивание структуры.

Содержание марганца в стали в количествах более 1,8% затрудняет сварку. Место соединения становится хрупким, и в нем возникают трещины из-за закалочных процессов.

Хром в повышенных количествах ухудшает коррозионную стойкость шовного соединения, особенно у сталей, которые не содержат никеля. Количество хрома ограничивается верхним пределом – 0,3%.

Стали с количеством кремния до 0,8% свариваются хорошо, при превышении этой величины текучесть увеличивается и свариваемость ухудшается.

Сталь, особенно при сварке ответственных конструкций, необходимо защищать от вредных компонентов, находящихся в воздухе: кислорода и водорода. Они приводят к возникновению трещин и пор в сварном шве. Защитит место соединения от окисления при соединении слой флюса или защитный газ.

Режим и способ ведения также оказывают влияние на свариваемость металлов. Особенно когда марка стали неизвестна. В этом случае ее определяют экспериментально. Для этого сначала сваривают образцы из тех заготовок, из которых будет в дальнейшем изготавливаться конструкция или изделие, и отрабатывают режим проведения сварочного процесса.

Просим поделиться опытом тех, кто соединял высоколегированные и высокоуглеродистые стали, стали с высокой технологической пластичностью, а также алюминиевые сплавы и получал качественное соединение. Заранее благодарны за предоставление ценной информации, которая многим пригодится.

Билет № 11. Вопрос 1. Понятие свариваемости металла

Вопрос 1. Понятие свариваемости металла. Классификация сталей по свариваемости.
Под свариваемостью понимается способность стали данного химического состава давать при сварке тем или иным способом высококачественное сварное соединение без трещин, пор и прочих дефектов.
На свариваемость стали влияет содержание в ней углерода и легирующих элементов.
С повышением содержания углерода в стали в ней возрастают прочностные свойства, но в то же время возрастает хрупкость и склонность к образованию трещин при сварке.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физической свариваемостью обладают практически все металлы и их сплавы, т. е. способностью образовывать монолитное неразъемное соединение с установлением в нем химических связей.
Под технологической свариваемостью понимается реакция металла на воздействие конкретных условий сварки и при этом возможность образовывать соединение с требуемыми свойствами.
Для предварительного суждения о свариваемости стали известного химического состава можно подсчитывать эквивалентное содержание углерода, пользуясь формулой:

В целом, по признаку свариваемости все стали можно условно разделить на четыре группы (приложение 2).

Вопрос 2. Техника и технология выполнения швов в горизонтальном, вертикальном и потолочном положении.
Сварка в вертикальном положении.
Расплавленный металл под действием силы тяжести стремится стекать вниз, что затрудняет формирование шва. Поэтому вертикальные швы выполняют очень короткой дугой, при которой расстояние между каплями на электроде и жидким металлом в сварочной ванне настолько мало, что между ними возникает взаимное притяжение. Благодаря этому капли электродного металла сливаются со сварочной ванной при малейшем касании их между собой.
Объем расплавленного металла уменьшают снижением сварочного ток на 10-15% по сравнению с нижним положением, а диаметр электрода ограничивают до 5 мм.
Вертикальные швы выполняют как снизу вверх, так и сверху вниз.
В первом случае (рис. 30, а) дуга возбуждается в самой нижней точке вертикально расположенных пластин, для этого электрод устанавливают перпендикулярно поверхности свариваемого изделия (положение 1). Затем электрод немного наклоняют вниз для того, чтобы слой давления газов дуги предшествовал стеканию металла сварочной ванны (положение 2). При этом застывший металл шва образует подобие полочки, на которой удерживаются последующие капли металла.
Сварку сверху вниз применяют при малой толщине металла. В этом случае подтекающий под дугу жидкий металл уменьшает возможность образования сквозных прожогов.
В начале сварки (рис. 30, б) дуга возбуждается в самой верхней точке пластин при горизонтальном расположении электрода. После образования ванны жидкого металла электрод наклоняют на 15-20° с таким расчетом, чтобы дуга была направлена на основной и наплавленный металл. Для улучшения условий формирования шва амплитуда колебательных движений электрода должна быть небольшой, а дуга – очень короткой, чтобы капли расплавленного металла удерживались от падения концом электрода.

Рис. 30. Выполнение сварных вертикальных швов

Сварка горизонтальных швов.
Горизонтальные швы на вертикальной плоскости выполнять труднее, чем вертикальные. Для предупреждения отекания жидкого металла скос кромок обычно делается на одном верхнем листе (рис. 31, а). Дуга в этом случае возбуждается на нижней горизонтальной кромке (положение 1), а затем переносится на наклонный скос (положение 2), поднимая вверх стекающую каплю металла. Колебательные движения электродом совершают по спирали. Выполнять горизонтальными сварными швами нахлесточные соединения легче, чем стыковые, так как горизонтальная кромка нижнего листа (рис. 39, б) способствует удержанию расплавленного металла от стекания вниз. При выполнении горизонтальных швов с двумя скосами кромок устанавливают порядок их наложения (1-4 рис. 39, в), который в процессе проваривания верхней кромки позволяет избежать потолочного положения кратера с расплавленным металлом.

Рис. 31. Выполнение сварных горизонтальных швов:
а – стыковое соединение со скосом одной кромки; б – нахлесточное соединение; в – стыковое соединение со скосом двух кромок

Сварка в потолочном положении.
Сварка в потолочном положении (рис. 32) наиболее трудна, так как направление силы тяжести расплавляемого металла противоположно направлению его переноса. Это требует максимального уменьшения объема расплавляемого металла, что достигается ограничением диаметра электрода до 4 мм и снижением сварочного тока на 15-20% по сравнению с нижним положением.

Рис. 32. Сварка потолочных швов

Для сварки в потолочном положении подходят электроды, дающие небольшой шлак.
Хороший провар корня шва при потолочной сварке обеспечивается применением электродов диаметром не более 3 мм.

3. Задача. Из предложенных марок сталей выберите, которые свариваются хорошо, удовлетворительно, ограниченно, плохо. Обоснуйте свой выбор: БСт1кп; сталь 10; сталь 35; ВСт5пс; сталь 65; У7.
Свариваемость углеродистых сталей определяется процентным содержанием углерода в ней. С повышением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается, т. е. возникает склонность к образованию трещин в шве.
БСт1кп и сталь 10 – хорошо свариваются, так как относятся к низкоуглеродистой стали (содержание углерода до 0,25%).
Сталь 35 удовлетворительно сваривается, так как относится к среднеуглеродистой (содержание углерода 0,35%).
ВСт5пс – ограниченно сваривается, так как относится к среднеуглеродистой (содержание углерода практически 0,45%).
Сталь 65 и У7 – плохо сваривается, так как содержание углерода 0,65%, т. е. высокоуглеродистая; сталь У7 – относится к инструментальной стали, углерода 0,7%. Эти стали практически не свариваются.

studopedia.org – Студопедия.Орг – 2014-2019 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .