От чего зависит свариваемость стали

Свариваемость стали

Под свариваемостью понимается способность стали данного химического состава давать при сварке тем или иным способом высококачественное сварное соединение без трещин, пор и прочих дефектов. От химического состава стали зависит ее структура и физические свойства, которые могут изменяться под влиянием нагрева и охлаждения металла при сварке. На свариваемость стали влияет содержание в ней углерода и легирующих элементов. Для предварительного суждения о свариваемости стали известного химического состава можно подсчитывать эквивалентное содержание углерода, пользуясь формулой

По признаку свариваемости все стали можно условно разделить на четыре группы:

1. Хорошо сваривающиеся у которых_экв не более 0,25. Эти стали не дают трещин при сварке обычным способом, т. е. без предварительного и сопутствующего подогрева и последующей термообработки.

2. Удовлетворительно сваривающиеся, у которых С_экв в пределах 0,25—0,35; они допускают сварку без появления трещин, только в нормальных производственных условиях, т. е. при окружающей температуре выше 0°С, отсутствии ветра и пр.

К этой же группе относят стали, нуждающиеся в предварительном подогреве или предварительной и последующей термообработке для предупреждения образования трещин при сварке в условиях, отличающихся от нормальных (при температуре ниже 0° С, ветре и др).

3. Ограниченно сваривающиеся, у которых С_экв в пределах 0,35—0,45; они склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При сварке таких сталей необходима предварительная термообработка и подогрев. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки.

4. Плохо сваривающиеся, у которых С_экв выше 0,45; такие стали склонны к образованию трещин при сварке.

Их можно соединять только с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Для металла небольшой толщины предельное значение С_экв можно повысить до 0,55. Температура предварительного подогрева для низколегированных сталей в зависимости от величины С_экв принимается следующей:

Предварительный подогрев замедляет охлаждение и предохраняет от появления холодных трещин при сварке.

Свариваемость стали определяют также различными пробами. С помощью проб устанавливают, не появляется ли при сварке данной стали хрупких структур в металле шва и околошовной зоне, способствующих образованию трещин.

Наиболее простой является технологическая проба, при которой к листу из испытуемой стали приваривают втавр односторонним угловым швом прямоугольную пластину (рис. 127, а). После остывания на спокойном воздухе пластину сбивают молотком, разрушая шов со стороны его вершины. Если будут обнаружены следы ранее образовавшихся трещин или разрушений в виде вырывов основного металла вблизи шва, то сталь является ограниченно сваривающейся и требует предварительного подогрева и последующей термообработки.

Склонность к образованию холодных трещин более толстой стали можно проверять пробой по способу Кировского завода (рис. 127, б, виг). В середине квадратного (130×130 мм) образца делается выточка диаметром 80 мм. Толщина а оставшейся части образца равняется 2, 4, 6 мм. В выточку наплавляют один или два валика (см. рис. 127, виг), охлаждая донышко снаружи воздухом или водой. Если при наплавке валика и охлаждении водой образец не дает трещин, сталь считается хорошо сваривающейся. Если трещины появляются при охлаждении водой, но не возникают при охлаждении на воздухе, то сталь считается удовлетворительно сваривающейся. Сталь считается ограниченно сваривающейся, если

образец дает трещины и при охлаждении на воздухе. Такую сталь нужно сваривать с предварительным подогревом до 100—150° С.

Плохо сваривающейся считается сталь, образец которой дает трещины даже при предварительном подогреве до 100—150° С. Такая сталь требует при сварке предварительного подогрева до 300° С и выше.

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.06.01

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Свариваемость сталей

Свариваемость — способность металла к образованию качественных сварных соединений, удовлетворяющих эксплуатационные требования к ним.

Возможности и условия образования качественного сварного соединения определяются многими факторами, важнейшими из которых являются:

• характеристики и свойства свариваемых металлов;
• выбор электродного и присадочного металла;
• режимы сваривания;
• температура нагревания и т. д.

На свариваемость существенно влияет химический состав стали, в частности, содержание углерода и легирующих элементов. Воздействие отдельных элементов проявляется по-разному – особенно в соединении с углеродом.

Среди главных характеристик свариваемости сталей стоит выделить склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения. Их можно определить путем сваривания контрольных образцов.

Формула определения свариваемости стали

Если известен химический состав стали, можно определить ее свариваемость по эквивалентному содержанию углерода. Для этого используют формулу:

С экв. = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10.

Цифры в этой формуле – это постоянные величины, а символы каждого из химических элементов обозначают максимальное включение его в сталь определенной марки, выражаемое в процентах.

Эквивалентное содержание углерода, полученное по этой формуле, является указанием на свариваемость сталей, которые можно условно разделить на четыре группы:

• хорошо свариваемые (Сэкв не превышает 0,25%);
• удовлетворительно свариваемые (Сэкв = 0,25% – 0,35%);
• ограниченно свариваемые (Сэкв = 0,35 – 0,45%);
• плохо свариваемые (Сэкв превышает 0,45%).

О хорошей свариваемости низкоуглеродистых сталей можно судить по прочному сварному соединению с основным металлом без трещин и снижения пластичности в околошовной зоне.

Свариваемость легированных сталей оценивается по возможности получения соединений, устойчивых к образованию трещин и закаленных структур, а также по снижению прочности, коррозии и так далее.

Однородные металлы свариваются гораздо легче, чем разнородные. Металл шва и металл зоны термического воздействия являются неоднородными. Признак неудовлетворительной свариваемости – склонность к образованию трещин, категорически недопустимых в сварных соединениях.

Характеристикой свариваемости термически упроченных сталей является склонность к снижению прочности в зоне термического воздействия при температуре 400-720º C, в зависимости от температуры отпуска стали при ее изготовлении на заводе. Таким образом, изготовление прочной сварной конструкции возможно только при условии детального изучения и учета свариваемости стали.

Влияние основных элементов на свариваемость сталей

Углерод, если его в стали менее 0,25%, свариваемость не ухудшает, а при большем его содержании свариваемость ухудшается, поскольку в зоне термического воздействия образуются закаленные структуры, что имеет следствием образование трещин. Если повышенное содержание углерода отмечается в присадочном материале, это приводит к пористости шва.

Марганец при его содержании не более 0,8% свариваемость не ухудшает, но при превышении этого показателя велики риски появления трещин из-за того, что этот элемент способствует закаленности стали.

Кремний в пределах 0,02–0,35% никак не воздействует на качество сваривания, а при содержании от 0,8 до 1,5% существенно затрудняет сварку по причине повышенной жидкотекучести и образования тугоплавких оксидов кремния.

Ванадий способствует закаленности стали, что усложняет процесс сварки. При сваривании ванадий, активно окисляясь, выгорает.

Вольфрам повышает прочность стали и усложняет сварку по причине сильного окисления.

Никель повышает пластичность и мощность, при этом не ухудшая свариваемость стали.

Молибден при сварке активно окисляется и выгорает, способствуя образованию трещин.

Хром, образующий тугоплавкие карбиды, значительно затрудняет сварку.

Ниобий и титан в процессе сварки соединяются с углеродом и препятствуют образованию карбида хрома, способствуя улучшению свариваемости.

Медь улучшает свариваемость, повышая прочность и пластичность стали, делая ее более устойчивой к коррозии.

Кислород работает на снижение пластичности и прочности стали, ухудшая ее свариваемость.

Азот обладает способностью создавать нитриды, то есть химические соединения с железом, которые повышают твердость и прочность, существенно снижая показатели пластичности стали.

Водород негативно сказывается на свариваемости, поскольку он накапливается в шве, вызывая образование пор и мелких трещин.

Фосфор – вредная добавка, повышающая твердость стали и делающая ее более хрупкой, что приводит к образованию холодных трещин.

Сера крайне нежелательна, поскольку она способствует быстрому образованию горячих трещин. При превышении содержания серы свариваемость резко ухудшается.

Что такое свариваемость материалов?

Физическая свариваемость металлов – свойство материалов давать монолитное соединение, т.е. способность их к взаимной кристаллизации с образованием твердых растворов, химических соединений и мелкодисперсных смесей фазовых составляющих (эвтектик). Эти процессы происходят на границе основного и наплавленного металла и характеризуют свариваемость с точки зрения возможности образования металлической связи и принципиальной возможности получения неразъемных сварных соединений.

Технологическая свариваемость металлов – технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность образовывать неразъемное сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами с наименьшими затратами. То есть она отражает технологическую реакцию материала на тепловое, силовое и металлургическое воздействие сварки.

Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, типа кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и ряда других факторов.

Свариваемость сталей оценивается по следующим показателям:

• склонность металла шва к образованию горячих и холодных трещин;
• склонность к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур;
• физико-механические качества сварного соединения (прочность, пластичность, ударная вязкость и т.п.);
• соответствие специальных свойств сварного соединения
  требованиям технических условий на конструкцию (коррозийная стойкость, жаростойкость, жаропрочность, сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах и т.п.).

Говоря проще, разница между материалами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. Свариваемость ухудшается при увеличении содержания углерода, а также ряда других элементов. Для изготовления сварных конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные и легированные стали. Главными трудностями при сварке легированных сталей является их склонность к образованию закалочных структур, горячих и холодных трещин, а также ухудшение механических свойств – в первую очередь снижение пластичности в зоне сварного соединения. Чем выше содержание углерода в стали, тем сильнее проявляются эти недостатки, и тем труднее обеспечить необходимые свойства соединения.

Ориентировочными количественными показателями свариваемости сталей является эквивалентное содержание углерода, определяемое по формуле:

где содержание углерода и легирующих элементов выражается в процентах.
В зависимости от эквивалентного содержания углерода конструкционные стали делят на 4 группы, которые характеризуются удовлетворительной, ограниченной или плохой свариваемостью.

Группа 1: хорошая свариваемость, Сэкв ≤ 0,25%, свариваемость без применения особых приемов (ст.2; ст3; 10Г2; 09Г2; 10Г2С).

Группа 2: удовлетворительная свариваемость, Сэкв -0,25 – 0,35 – требуется строгое соблюдение режимов сварки, применение специальных присадочных материалов, в отдельных случаях – предварительный и сопутствующий подогрев до 100 – 1500 С, термообработка (стали 15ГС, 15 ХМ, 10ХСНД, 14ХГС, 15ХСНД, 15ХГСА, 18Г29).

Группа 3: ограниченная свариваемость, Сэкв – 0,35 – 0,45, требуется подогрев до 100 – 2000 С и отпуск после сварки. Перед сваркой детали подвергают термообработке (стали 12Н1МФ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, 30ХГС, 35Г2, 30ХМ, 10ГН2МФА, 15Х2НМФА).

Группа 4: плохая свариваемость, Сэкв > 0,45. Высокая склонность к появлению холодных трещин в шве и околошовной зоне. При сварке обязательны предварительный подогрев до 250 – 4000С и последующая термообработка (стали 45Х, 45Г, 40Г2, 40ХС, 40ХМФА, 35ХГСА, 30ХИ3А, 40ХН2МА, 36Х2Р2МФА).

До сих пор не существует общепринятой методики определения свариваемости металлов. В большинстве случаев методики основаны на сварке специальных образцов, в которых созданы жесткие условия для шва. Однако имеются и расчетные методы, которые связывают максимальную твердость и тип структуры околошовной зоны данной стали с необходимостью подогрева детали перед сваркой, конструкцией соединения и толщиной металла. Расчетные методы дают возможность теоретически рассчитать режимы сварки, обеспечивающие получение заданной твердости и структуры.

Свариваемость стали

Сварка — один из методов создания неразъемных металлических конструкций. Прочность шва, образующегося в местах соединения составных частей, зависит от такой характеристики стали, как «свариваемость».

Классификация стали по степени ее свариваемости

Сталь представлена различными группами марок, обладающими своими физико-химическими свойствами. Вследствие этого, у металлических изделий неодинаковый показатель свариваемости. В зависимости от этого параметра железо-углеродистые сплавы подразделяется на четыре категории.

1. Хорошая
   При сварке получается качественный шов. Металл не требует предварительного нагрева для проведения работ, а сами они проходят в обычном режиме и с применением всех известных технологий.
2. Удовлетворительная
   Чтобы создать качественное сварное соединение, стальные изделия необходимо подготовить, то есть разогреть.
3. Ограниченная
   Перед сваркой металлические изделия сначала разогревают, а после их соединения подвергают еще и термической обработке.
4. Плохая
   Такая сталь характеризуется тем, что во время сварки (после нее) на поверхности образуются трещины, а также могут возникать «закалочные» структуры, снижающие прочность и надежность соединения, делающие его хрупким.

Методы расчета углеродного эквивалента

Свойства стали вообще зависят от присутствия в сплаве железа и углерода других металлов. Зная их содержание, с помощью эмпирической формулы не составляет труда рассчитать значение так называемого углеродного эквивалента (Сэ). Эта величина позволяет определить, каких результатов ждать от сварки металлических изделий.

В России для оценки сварных характеристик проката, идущего на создание конструкций, используют формулу, утвержденную ГОСТ ГОСТ 27772-88 :

В Европе для расчетов применяется следующая зависимость:

В Японии такая методика определения углеродного эквивалента:

где С, P, Cr, Mn, Cu, V, Si, Ni, Мо — массовые доли (в %) углерода, фосфора, хрома, марганца, меди, ванадия, кремния, никеля, молибдена.

Сталь считается не склонной к трещинообразованию, если значение углеродного эквивалента «С» меньше 0,45%. В противном случае, когда уже существует вероятность их появления, перед сваркой части, требующие соединения, необходимо прогреть.

Вычисление значения твердости в зоне термического влияния

Следующий параметр, на который следует обратить внимание, — твердость зоны термического влияния (ЗТВ). Так называют участок изделия, который расположен возле образовавшегося шва. В этой области под воздействием температуры происходят фазовые превращения с изменением внутренней структуры металла. Порой это чревато тем, что сталь становится хрупкой.

Твердость металла в этой зоне определяют по методу Виккерса. Если ее значения лежат в диапазоне 350-400 по специальной HV-шкале, то на участке ЗТВ точно находятся продукты распада аустенита (одна из модификаций железа и его сплавов), как раз и инициирующие образование холодных трещин.

Максимальное значение твердости углеродистой и низколегированной стали вычисляют, располагая данными о химическом составе металла, по этой формуле:

где С, Mn, Si, Cr, Ni — массовые доли (в процентах) химических элементов.

Определение чувствительности стали к образованию холодных трещин

Холодные трещины образуются после сварки из-за растягивающих остаточных напряжений. Их сила зависит от жесткости получившейся конструкции и толщины шва. Определить ее значение позволяет коэффициент интенсивности жесткости — К. Он характеризует приложенное усилие, которое на 1 мм раскрывает зазор, оказавшийся в сварном соединении шириной так же 1 мм. Подсчитывается он так:

где Kq — это константа, которую принято считать равной 69, S — толщина стального листа (в мм). Важно отметить, что соотношение справедливо только, если толщина листа не превышает 150 мм.

Насколько сталь может быть подвержена образованию холодных трещин, помогает узнать параметрическое уравнение:

где Рш — коэффициент «охрупчивания» (так называют процесс, когда из вязкого состояния металл переходит в хрупкое), Н — количество диффузионного водорода, К — коэффициент интенсивности жесткости.

Значение Рш находится при решении уравнения Бес-Сио:

Результаты неоднократно проведенных исследований помогли установить порог значения, при котором проявляется чувствительности стали к образованию холодных трещин. Это случается, если значение Pw превышает 0,286.

Способы устранения холодных трещин при сварке

Образование трещин ухудшает поверхность металла и, соответственно, уменьшает прочность готовой конструкции. Предотвратить их появление поможет следующее:

• пересмотр (изменение) конструктивных решений, который позволит снизить жесткость в области сварного узла;
• тщательный контроль за ходом проведения сварки при оптимальном режиме поможет уменьшить содержание диффузионного водорода;
• проведение сварочных работ с соблюдением особых параметров, которые воспрепятствуют охрупчиванию металла и будут содействовать удалению из шва диффузионное водорода.

Из перечисленных способов, снижения вероятности появления холодных трещин при проведении сварочных работ, самый востребованный — последний.