Классификация углеродистых сталей и их свариваемость. Свариваемость стали, углеродный эквивалент, показатель свариваемости, параметр эквивалентного легирования

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

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Как влияют на свариваемость легирующие примеси

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

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

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

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

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

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

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

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

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

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

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

Свариваемость закаленной стали

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

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

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

Повторная обработка швов может не привести к повышению их прочности.

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

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.

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.

Классификация сталей. Принципы классификации .

По назначению: конструкционные, пружинные, инструментальные, котельные, судовые и тд.

по свойствам: кислотостойкие, жаростойкие, теплоустойчивые, быстрорежущие и тд,

биметаллические материалы и методы их получения

по химическому составу: по содержанию углерода (до 0,25; 0,25…0,45; свыше0,45…или свыше 0,5%С.; по раскисленности(к, пс, с, Табл.1); по методам контроля(только х/с; х/с и свойства; обьем контроля свойств); по содержанию легирующих элементов(н/л Σ≤5% и ≤2% каждого; с/л 5…10% и в/л > 10%);сплавы

по способу выплавки: электро-(дуговые, плазменные, шлаковые), в индукционных печах (втч, вакуумные), конверторные, бессемеровские, мартеновские

по способу переработки: холодно- или горячекатаные, литые, кованные

по свариваемости

Химический состав стали ГОСТ 380 по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Кое что о металлах.

Маркировка сталей:

Например: Ст 3псВ3, Сталь 20,

Сталь 15 Х1М1ФА

*– только в высоколегированных сталях, не в конце.

Основной легирующий элемент – углерод

Бронзы например Бр.АЖМц10-3-1,5(алюминий,железо,марганец); Бр.КМц3-1; МНЖКТ5-1-0,2-0,2(медь, никель,железо,кремний,титан)

Понятие свариваемости.

Под физической свариваемостью понимают совокупность таких свойств металлов и сплавов, как способность их к взаимной растворимости и диффузии в твердом и жидком состояниях, совместной кристаллизации расплавленных основного и присадочного металлов.

Технологическая свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на процесс сварки и определяющей его относительную техническую пригодность для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям последующей их эксплуатации. Чем больше количество применимых к данному металлу способов сварки и шире для каждого способа сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость. Определение понятия свариваемости приведено в ГОСТ 29273-92.

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.»

Качественные оценки свариваемости сталей получили широкое распространение в производственной практике как оценки степени свариваемости:

I – хорошая свариваемость – когда в заданных (достаточно широких) технологических (режимы) и конструктивных (способ) условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений;

II – удовлетворительная свариваемость – когда она обеспечивается выбором рационального режима сварки и его соблюдением в процессе изготовления изделия;

III – ограниченная свариваемость – когда необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменять способ сварки;

IV – плохая свариваемость – когда даже при всех принятых специальных технологических мероприятиях не достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений.

При оценке свариваемости главным образом при помощи проб определяют три характеристики: – стойкость против кристаллизационных трещин; – отсутствие трещин в околошовной зоне; – отсутствие перехода металла ЗТВ в хрупкое состояние. Для выс. лег. сталей еще и потеря коррозионной стойкости.

Таким образом при оценке свариваемости должны учитываться во взаимосвязи: – свойства материалов; – тип, габариты и назначение конструкции; – технология сварки.

Испытания на свариваемость.

Методы испытания стойкости к горячим трещинам (образцы переменной жесткости)

Методы испытания стойкости шва и околошовной зоны к появлению холодных трещин (образцы повышенной жесткости).

Методы испытания всех зон на переход в хрупкое состояние (мех. испытания, структурный анализ).

Испытания на стойкость к потере технологических свойств (коррозионных, механических, износостойкости и др).

Факторы влияющие на переход металла в хрупкое состояние:

Внутренние:

– соединения фосфора

– укрупнения зерна

– нитриды (азот)

– гидриды и флокины (водород)

– выпадение охрупчивающих фаз (интерметаллиды)

– концентраторы напряжений

– динамическое нагружение

– низкие температуры.

Основные свойства материалов (металлов) влияющие на их свариваемость.

Физические:

Одно, двух или многофазная структура (например Tiα или α + β, сталь А или А + Ф)

Наличие фазовых переходов в твердом состоянии (полиморфизм)

Температуры фазовых переходов (в т ч – плавления)

Температуры плавления возможных (наиболее частых) химических соединений металла

Растворимость газов в твердой и жидкой фазах

Коэффициент линейного расширения (18-8)

Пластичность в различных диапазонах температур

Вязкость жидкого металла и ее зависимость от температуры (чугун, титан)

Теплопроводность

Плотность

Способность поглощать или отражать фотоны (при лазерной сварке)

Магнитные свойства.(например, в сталях при ЭЛС или магнитное дутье при РДС, пермаллой)

Химические:

Химическая активность при различных температурах

Экзо или эндо- термические реакции

Влияние пассивационных пленок

Склонность к образованию карбидов, боридов и др.

Токсичность (цинк, свинец, бериллий)

Технологические:

Склонность к образованию горячих трещин

Вероятность образования хрупких структур (в т ч закаливаемость)

Склонность к росту зерна

Состояние поставки (история): литье, нагортовка, термообработка, горячая ковка и т. д.

Загрязненность примесями

Дефектность (поры, расслоения, включения) α

Состояние поверхности

Толщина и геометрические формы

Соответствие чертежу

(Все эти факторы применительно к каждому материалу инженер сварщик должен знать и учитывать)

Основные факторы определяющие свариваемость конструкционных материалов.

Свариваемость сталей : определяется содержанием углерода, других легирующих и толщиной.

Низкоуглеродистые стали (Рис.14) с содержанием углерода С0,20 % свариваются без ограничений, С = 0,21…0,25% иS100 мм – требуется подогрев 100…150 о С.

Почему нужен подогрев? Для уменьшения напряжений нужно уменьшать погонную энергию, но при этом растет скорость охлаждения и вероятность появления трещин.

Низколегированные конструкционные стали: 15ГС, 16ГН, 09Г2С и др. приS30 мм свариваются также, как и низкоуглеродистые. ПриS> 30 мм подогрев 100…150 о С.

Низколегированные теплоустойчивые стали (хромо-молибденовые) см таблицу (Рис.14), требуют предварительного подогрева и последующей термической обработки.

Среднелегированные стали повышенной прочности варятся только с подогревом и последующей термической обработкой. Для оценки температуры предварительного подогрева используются эмпирические уравнения влияния легирующих элементов на склонность к хрупкому разрушению. У разных авторов могут различаться набор элементов и коэффициенты при них, но принцип построения сохраняется. В частности по Д. Сефериану с учетом толщины стали:

Т предв. подогр.= 350 ,

С э = С% + 1/9(Mn% + Cr%) + 1/18Ni% + 1/13Mo%.

S– толщина стенки, мм

В случае невозможности подогрева и ТО всей конструкции применяют предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием сварочных материалов не склонных к образованию трещин.

Высоколегированные стали в зависимости от класса могут по-разному воспринимать цикл сварки.

Большое количество легирующих элементов может приводить к химической и, как следствие, структурной неоднородности.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов склонны к закалке и требуют подогрева.

Стали легированные азотом могут образовывать хрупкие трещины в ЗТВ.

Стали аустенитного класса склонны к горячим трещинам. Избежать их можно, добавив в металл шва 5…10% ферритной фазы. Рассчитать требуемый хим состав металла шва позволяет диаграмма Шефлера (Рис. 15).

Важным для высоколегированных сталей является не допустить в процессе сварки потери эксплуатационных свойств (прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и тд).

Особенностями высоколегированных хромо-никелевых сталей являются:

– низкая теплопроводность

– большой коэффициент линейного расширения (≈в 1,5 раза больше, чем углеродистых сталей)

– большая вязкость жидкого металла.

Разнородные стали

Свариваемость соединений из сталей относящихся к разным структурным классам связана, в основном, с тремя факторами:

– Существенное различие коэффициентов линейного расширения

– Образование хрупких структур в шве в процессе перемешивания

– Развитие структурной неоднородности (как правило, в зоне сплавления) в следствие, в том числе, диффузии углерода в строну металла с большей предельной растворимостью.

(Процесс диффузии углерода в сталях (при сварке, термообработке и эксплуатации) начинается с 350 о С и наиболее интенсивно идет в интервале 550…800 о С.)

– Возникшие напряжения в сварных соединениях разнородных сталей нельзя снять (или уменьшить) термообработкой.

Алюминий и его сплавы .

Сварка чистого Alпроизводится редко в основном в электротехнической промышленности где используется холодная сварка давлением.

Alсплавы делятся на две большие группы: термоупрочняемые и деформируемые т.е. упрочняемые наклепом (нагортовкой, деформацией). Общие для всех сплавов проблемы свариваемости следующие:

На поверхности металла всегда имеется плотная тугоплавкая пленка Al 2 О 3 , с температурой плавления 2050 о С, при Т пл Al= 660 о С. Пленка препятствует растеканию и смачиванию жидкого металла и образует острые чешуйчатые оксидные включения.

Высокая жидкотекучесть и резкое падение прочности твердого металла при высоких температурах (вблизи Т пл) приводит к возможности проливания сварочной ванны.

Большая теплопроводность требует применения источников большой мощности или высокой концентрации мощности.

Большая величина коэф. линейного расширения и низкий модуль упругости определяют высокую опасность деформирования конструкции.

Высокая растворимость газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и очень низкая в твердом металле приводит к выделению 90…95% газа в момент кристаллизации, что приводит к интенсивной пористости.

Грубая столбчатая кристаллическая структура шва способствует развитию структурной неоднородности и наряду с П2 появлению горячих трещин особенно у сплавов типа АМг и АМц. (Al-Mg; Al-Mn)

При сварке деформируемух сплавов происходит существенная потеря прочности в зоне рекристаллизации (АМг и АМц).

Термо упрочняемые сплавы системы Al-Zn-MgилиAl-Cu-Mg(дюрали), или сплавы с большим содержаниеSi≥5% (силумины) склонны к охрупчиванию и появлению холодных трещин через некоторое время после сварки.

Технологические приемы применяемые при сварке: качественная очистка места сварки (травление, механическая очистка); подформовка стыка; переменный ток или обратная полярность; правильный выбор присадочного материала.

Титан и его сплавы .

Химически активный конструкционный материал – горит в чистом азоте.

Т пл 1665С. При нормальной температуре закрыт плотной оксидной и нитридной пленкой. Способен растворять водород в больших количествах. Максимальная растворимость водорода при Т1200С. В этой точке ЗТВ наиболее вероятно охрупчивание. Газы образуют с металлом химические соединения (TiO 2 ,TiN,Ti 3 N,TiH 2), которые при повышении температуры растворяются в металле, приводя к снижению пластичности. Содержание газов в металле должно быть ограничено: кислорода до 0,15%, азота до 0,05%, водорода до 0,01%.

Титан имеет полиморфное превращение ↔при температуре 882С, поэтому в процессе остывания первичная кристаллическая структура измельчается, что способствует хорошей свариваемости однофазных– сплавов. Двух фазные+сплавы обладают повышенной прочностью и твердостью, но при сварке склонны к образованию хрупких структур и трещин.

Физические особенности:

Коэффициент теплового расширения в 1,5 раза меньше, чем у углеродистых и в 3 раза меньше, чем у высоко легированных аустенитных сталей. Теплопроводность низкая примерно в 2,5 раза ниже, чем у стали, но в интервале температур 1500 ↔Т пл увеличивается почти в 5 раз. Вязкость жидкого металла при средней температуре сварочной ванны в 5 раз больше чем при Т пл, что приводит к образованию газовых полостей и подрезов при автоматической сварке.

Т.о, физико-технологические свойства для большинства титановых сплавов положительные, при условии хорошей защиты.

Медь и ее сплавы .

Характерной проблемой при сварке меди является ее высокая теплопроводность (в 9 раз больше, чем у стали, и в 14 раз больше, чем у нержавеющей стали) и низкая температура плавления 1083С, поэтому сварка меди идет, как правило, с малой скоростью при большом тепловложении и вся конструкция прогрета.

Медь весьма пассивна. Очень мала растворимость водорода, азот по отношению к меди вообще является инертным газом. Окислы имеют Т пл выше чем Т пл (Cu) и всплывают на поверхность сварочной ванны. (CuO– 1336,Cu 2 O– 1235С), при повышенном содержании кислорода образуется эвтектикаCu-Cu 2 Oс температурой плавления 1064С, снижающая пластичность металла.

Латунь (Cu+Zn),Zn– 10…40%. Цинк легко окисляется. Окись цинка – летучее ядовитое соединение. В результате испаренияZn(Т кипения 907С) образуется пористость.

Сплавы меди с другими металлами (кроме Zn) называются бронзами. В качестве конструкционных применяются:

– оловянистые

– алюминиевые

– хромистые

– бериллиевые и др.

Каждая имеет свои проблемы: – оловянистые хорошо сваривается, но склонны к пористости из-за кипения олова; – при сварке алюминиевых бронз (1,5…8%Al), с поверхности приходится удалять окисную пленку, как при сваркеAl; – хромистые бронзы (БрХ1, БрХ07) почти чистая медь; – бериллий еще более ядовит, чем цинк, поэтому бериллиевую бронзу как правило не сваривают.

Цирконий.

По свариваемости и физико-химическим свойствам очень близок с титаном, но еще более активен по отношению к газам. Сварку выполняют преимущественно в камерах с Ar. Для сварных конструкций обычно используют не чистыйZr, а его сплавы с небольшим количеством ванадия или ниобия для повышения пластичности.

Магний.

Сварочные проблемы такие же как и у Al, однако окисная пленкаMgOеще более тугоплавкая (2500 о С), но более рыхлая и не так плотно держится на поверхности. Кроме того,Mgспособен воспламеняться на воздухе. Для конструкций применяются сплавы сAl(МА-1, МА-3).

Тугоплавкие металлы .

Вольфрам, молибден, тантал, ниобий.

Являются весьма активными при высоких температурах и образуют, как правило, хрупкие сварные соединения, особенно MoиW. Сварку тугоплавких металлов ведут обычно в вакууме электронным лучом.

Бериллий.

Активный и ядовитый металл, при этом очень легок и прочен. Сваривают только диффузионной сваркой в вакууме.

Полиэтилен и другие пластмассы

Не электропроводный и плохо теплопроводный материал, что приводит к неравномерному нагреву по толщине стенки (трубы). Применяют нагрев с помощью ТЭНов (радиационный), ВЧ индукторов, потоков горячего воздуха с последующим сдавливанием или вдавливанием присадки.

Стали являются самыми широко применяемыми конструкционными материалами. При строительстве мостов, зданий и многих других строительных конструкций сталь необходимо сваривать. Конструкционная прочность стальной конструкции зависит не только от прочности стали, но также и от прочности сварных швов. Вот почему свариваемость стали всегда является очень важным вопросом.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Многие низкоуглеродистые стали легко свариваются. Сварка среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей представляет собой более трудную задачу, так при сварке зоне термического влияния сварки может образовываться мартенсит, что приведет к значительному снижению вязкости сварного шва.

Для повышения свариваемости сталей предпринимают различные меры, такие как подогрев материала или минимизация поглощения сталью водорода. Поглощение сталью водорода делает сталь более хрупкой.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

В низкоуглеродистых сталях прочность сварных участков является более высокой, чем у основного металла. Это связано с тем, что при охлаждении зоны термического влияния сварки в ней образуется мелкодисперсная перлитная структура. Кроме того, остаточный аустенит вдоль границ перлитных зерен сдерживает кристаллизацию и поэтому способствует сохранению мелкого зерна, что также дает вклад в повышение прочности сварного участка.

Превращения стали в зоне сварного шва

В ходе сварки сталь вблизи сварного шва разогревается выше критической температуры А 1 и образуется аустенит (рисунок а). При охлаждении аустенит в этой нагретой зоне превращается в новую структуру, тип которой зависит от скорости охлаждения и диаграммы термокинетического превращения стали.

Обыкновенная низкоуглеродистая сталь имеет настолько низкую закаливаемость, что при обычных скоростях охлаждения на воздухе мартенсит почти никогда не образуется (рисунок б).

Легированную же сталь перед сваркой специально подогревают, чтобы снизить скорость охлаждения сварного шва или подвергают сварное соединение дополнительной термической обработке для отпуска образовавшегося мартенсита (рисунок в).

Рисунок – Превращения стали в зоне термического влияния сварки:
а) структура стали при максимальной температуре нагрева в зоне сварки;
б) структура стали с низкой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения;
в) структура стали с высокой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения.

Свариваемость закаленной стали

Свариваемость стали , которая перед сваркой подвергалась закалке и отпуску, имеет два рода проблем. Во-первых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагревается выше температуры А 1 , может при охлаждении образовывать мартенсит. Во-вторых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагрелся ниже температуры А 1 , может подвергнуться чрезмерному отпуску. По-хорошему, сталь в закаленном и отпущенном состоянии сваривать нельзя.