От чего зависит свариваемость металлов?

СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛА

Понятие свариваемости

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

Свариваемость материалов считается достаточной, если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, и недостаточной, если не обеспечивается минимальный уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения. При этом свариваемость одного и того же материала может быть различно оценена в зависимости от назначения изделия.

В сварочной практике «свариваемость» — один из наиболее применимых терминов. Различают свариваемость физическую и технологическую.

Под физической свариваемостью понимают принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений, что особенно важно при сварке разнородных материалов.

Технологическая свариваемость представляет собой реакцию материала на сварочный термодеформационный цикл и металлургическое воздействие сварки. Эта реакция оценивается, например, посредством сравнения механических свойств металла сварных соединений с одноименными свойствами основного металла (например, твердости, ударной вязкости и др.). Кроме ранее названных показателей при оценке свариваемости учитывают также стойкость против образования трещин и обеспечение специальных свойств (коррозионная стойкость, прочность при высоких или низких температурах, сопротивление хрупкому разрушению). При наплавке металла на детали, работающие на истирание, особое значение приобретает их износостойкость. Кроме того, в понятие свариваемости входит прочность связи наплавленных слоев.

Свариваемость углеродистых сталей определяется в первую очередь содержанием в них углерода. Под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное основному металлу, без трещин в металле шва и снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и наличии концентраторов напряжений, обусловленных формой узла.

В общем случае 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.).

Свариваемость материала оценивают не по абсолютным показателям, а посредством сравнения со свойствами ранее применявшихся материалов или основного металла. Свариваемость признают удовлетворительной, если результаты испытаний различных свойств сварных соединений соответствуют нормативам, установленным техническими условиями на данную продукцию.

Для оценки свариваемости проводят ряд испытаний, выбор которых обусловлен назначением сварной конструкции и теми изменениями в структуре и свойствах материала, которые происходят под влиянием сварки.

Стойкость металла сварных соединений против образования горячих трещин — наиболее важный показатель свариваемости, так как при сварке сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации под действием возникающих при затвердевании растягивающих напряжений возможно появление горячих трещин, являющихся весьма серьезными дефектами.

Стойкость металла сварного соединения против образования холодных трещин — второй по важности показатель свариваемости, поскольку под действием сварочного нагрева изменяется структура основного металла. В околошовной зоне закаливающихся сплавов в результате полиморфных превращений образуются хрупкие структуры типа мартенситных, что может привести к появлению холодных трещин.

Процессы, происходящие в металле сварных соединений, могут вызвать хрупкие разрушения сварных конструкций. Опыт эксплуатации ответственных металлических конструкций показывает, что изготовление сварных узлов без трещин еще не исключает возможности разрушения хрупких материалов при работе в условиях сложного напряженного состояния и низких температур.

Причинами разрушений могут быть конструктивные недостатки, наличие макроскопических концентраторов напряжений, дефектов сварных соединений (раковины, поры, шлаковые включения, подрезы по краю швов), различного вида несовершенств кристаллического строения металлов, микротрещин и полостей, роль которых как концентраторов напряжений существенно возрастает в условиях эксплуатации.

В зависимости от свойств материалов, применяемых в конструкциях, параметров окружающей среды и вида нагрузок исходные дефекты могут развиваться в трещины очень медленно или, наоборот, катастрофически быстро.

Склонность материалов к хрупкому разрушению — третья важная характеристика их свариваемости. Ее оценивают посредством специальных испытаний, сравнивая склонность к хрупкому разрушению основного металла, зоны термического влияния и металла сварного шва. Считают, что лучшей свариваемостью обладают те материалы, сварные соединения которых не отличаются по склонности к хрупкому разрушению от основного металла.

В комплекс оценки свариваемости входит также проверка механических свойств металла шва и сварного соединения при разных температурах, определение стойкости против коррозии, износостойкости и других специальных характеристик.

Свариваемость металлов

Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установлен­ной технологии сварки неразъемное соединение, отвечаю­щее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплу­атацией изделия.

Различают физическую и технологическую сваривае­мость.

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

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

Свариваемость металла зависит от его химических и

физических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов.

Назовем основные показатели свариваемости металлов и их сплавов:

• окисляемость при сварочном нагреве, зависящая от химической активности металла;

• чувствительность к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к ро­сту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением проч­ностных и пластических свойств;

• сопротивляемость образованию горячих трещин;

• сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;

• чувствительность к образованию пор;

• соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.

Кроме перечисленных основных показателей сваривае­мости имеются еще показатели, от которых зависит каче­ство сварных соединений. К ним относят качество форми­рования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материа­лов и изделий. 1

Окисляемость металла при сварке определяется хими­ческими свойствами свариваемого материала. Чем хими­чески активнее металл, тем больше его склонность к окис­лению и тем выше должно быть качество защиты при свар­ке. Это особенно наглядно видно на примере железоугле­родистых сплавов. Свариваемость углеродистой стали из­меняется в зависимости от содержания основных приме­сей. Углерод является наиболее важным элементом в со­ставе стали, определяющим почти все основные ее свой­ства в процессе обработки, в том числе и свариваемость..

Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали сварива­ются хорошо. Стали, содержащие С >0,35%, свариваются хуже. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. В околошовных зонах появляются зака­лочные структуры и трещины, а шов получается пористым.

Марганца в стали содержится обычно 0,3—0,8%, что не затрудняет сварку стали. Однако при повышенном содер­жании марганца (1,8—2,5%) прочность, твердость и зака­ливаемость стали возрастают, и это способствует образова­нию трещин. При сварке высокомарганцовистых сталей (11—16% Мп) происходит выгорание марганца, если не принять меры по его восполнению через электродное по­крытие, флюсы и др.

Хром увеличивает прочность стали, повышает ее устой­чивость против коррозии и длительного воздействия высо­ких температур. Однако с увеличением содержания хрома возрастает закаливаемость сталбй и ухудшается их свари­ваемость.

Никель повышает прочность, пластичность и коррози­онную стойкость стали, улучшает свариваемость. Однако при сварке требуется защита от воздействия кислорода воз­духа во избежание выгорания никеля.

Титан повышает прочность, ударную вязкость стали, улучшает ее свариваемость, способствует измельчению зе­рен при кристаллизации металла. При сварке связывает углерод, препятствуя образованию карбидов хрома по гра­ницам зерен и возникновению межкристаллитной корро­зии металла сварного соединения хромсодержащих ста­лей.

Кремний содержится в обычной углеродистой стали в пределах 0,02—0,3% и существенного влияния на свари­ваемость не оказывает. При повышенном содержании (0,8—1,5%) кремний затрудняет сварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие окислы и шлаки.

Сера является самой вредной примесью стали. Содер­жание серы в стали допускается не более 0,05 %. Сера обра­зует в металле сернистое железо, которое имеет более низ­кую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворя­ется в расплавленной стали. При кристаллизации стали сернистое железо располагается между кристаллами метал­ла шва и способствует образованию трещин.

Фосфор является также вредной примесью стали. Со­держание фосфора в стали доходит до 0,05 %. Фосфор ухуд­шает свариваемость стали, так как образует хрупкое фос­фористое железо, придает стали хладноломкость.

Свариваемость стали принято оценивать по следующим показателям:

• склонности металла шва к образованию горячих и хо­лодных трещин;

• склонности к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур;

• физикомеханическим качествам сварочного соедине­ния;

• соответствию специальных свойств сварного соеди­нения техническим условиям.

Для определения свариваемости применяют два основ­ных метода. По первому методу изготовляют образцы, на которые наплавляются по одному валику. Обработанные и протравленные образцы подвергают макро — и микроиссле­дованиям, а затем механическим испытаниям на загиб и ударную вязкость. Результаты исследования позволяют не только оценить свариваемость стали, но и установить оп­тимальные режимы сварки.

Сталь считается сваривающейся хорошо, если трещи­ны отсутствуют; удовлетворительно, если трещины обра­зуются при охлаждении водой, но отсутствуют при охлаж­дении воздухом; ограниченно, если сталь для предупреж­дения образования трещин требует предварительного по­догрева до 100— 150°С и охлаждения на воздухе. Плохо сваривающиеся стали требуют предварительного подогре­ва до 300°С и выше.

Углеродистые стали по свариваемости можно условно подразделить на следующие группы: хорошо сваривающи­еся стали — СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380—88); 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050—88); удовлетворительно свари­вающиеся стали — Ст5 (ГОСТ 380—88); 30, 35 (ГОСТ 1050— 88); ограниченно сваривающиеся стали — Стб, Ст7 (ГОСТ 380—88); 40, 45, 50 (ГОСТ 1050—88); плохо сваривающие­ся стали — 60Г, 65Г, 70Г, 70, 75, 80, 85.

В сварных строительных конструкциях используются главным образом стали первой группы. Стали СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5 применяют при изготовлении строи­тельных конструкций, арматуры, горячекатаных и сварных труб с прямым и спиральным швами. Из стали СтЗ изго­товляют бункера, резервуары, газгольдеры, подкрановые балки, конструкции доменного комплекса, балки перекры­тий. Стали 10, 15, 20 и 25 используют для производства горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и образуют сварной шов без хрупких структур и пористости.

Как правило, чем выше прочность свариваемого мате­риала и больше стенень его легирования, тем чувствитель­нее материал к термическому циклу сварки и сложнее тех­нология его сварки.

Чувствительность металла к тепловому воздействию сварки оценивают по свойствам различных зон соединений и, сварных соединений в целом при статических, динами­ческих и вибрационных испытаниях (растяжение, изгиб, определение твердости, определение перехода металла в хрупкое состояние и др.), а также по результатам металло­

графических исследований в зависимости от применяемых видов и режимов сварки.

Сопротивляемость металла образованию трещин при сварке: при сварке могут возникать горячие и холодные трещины в металле шва и в околошовной зоне.

Горячие трещины — хрупкие межкристаллические раз­рушения металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии.

При кристаллизации жидкий металл шва сначала пере­ходит в жидкотвердое, а затем в твердожидкое и, наконец, в твердое состояние. В твердожидком состоянии образует­ся скелет из кристаллитов затвердевшего металла (твердой фазы), в промежутках которого находится жидкий металл, который в таком состоянии обладает очень низкими плас­тичностью и прочностью.

Усадка шва и линейное сокращение нагретого металла в сварном соединении при охлаждении могут привести к образованию горячих трещин. Горячие трещины могут об­разовываться как вдоль, так и поперек шва.

Для оценки свариваемости металлов по сопротивляе­мости горячим трещинам применяют два основных вида испытаний — сварку технологических проб и машинные способы испытаний.

В технологических пробах сваривают узел или образец заданной жесткости. Пригодность материала, электродов, режимов сварки оценивают по появлению трещины и ее длине.

При машинных методах испытаний растягивают или изгибают образец во время сварки. Стойкость материалов оценивают по критической величине или скорости дефор­мирования, при которых возникает трещина. Для предот­вращения горячих трещин необходимо правильно выбирать присадочный материал и технологию сварки.

Холодные трещины — локальные межкристаллические разрушения, образующиеся в сварных соединениях преиму­щественно при нормальной температуре, а также при тем­пературах ниже 200° С. Причины возникновения холодных трещин при сварке следующие:

• охрупчивание металла вследствие закалочных процес­сов при быстром его охлаждении;

• остаточные напряжения, возникающие в сварных со­единениях;

• повышенное содержание водорода в сварных швах, который усиливает неблагоприятное действие первых двух главных причин.

Для ‘оценки свариваемости металлов по сопротивляе­мости холодным трещинам применяют, как и при оценке сопротивляемости горячим трещинам, два вида испыта­ний — технологические пробы ц методы количественной оценки с приложением к образцам внешней постоянной ме­ханической нагрузки.

Преимуществом технологических проб является воз­можность моделировать технологию сварки и, следователь­но, судить о сопротивляемости образованию трещин в ус­ловиях, близких к реальным. Проба представляет собой жесткое сварное соединение. Стойкость материала оцени­вают качественно по наличию или отсутствию трещин.

Существует много технологических проб, в которых имитируют жесткие узлы сварных конструкций. Пробы дают только качественный ответ: образуется или не обра­зуется трещина.

Количественным критерием оценки сопротивляемости сварного соединения образованию холодных трещин явля­ются минимальные внешние напряжения, при которых начинают возникать холодные трещины при выдержке об­разцов под нагрузкой, прикладываемой сразу же после свар­ки. Внешние нагрузки воспроизводят воздействие на ме­

талл собственных сварочных и усадочных напряжений, которые постоянно действуют сразу после сварки при хра­нении и эксплуатации конструкции.

Методы борьбы с холодными трещинами основывают­ся на уменьшении степени подкалки металла, снятии оста­точных напряжений, ограничении содержания водорода. Наиболее эффективным средством для этого является по­догрев металла перед сваркой и замедленное охлаждение после сварки.

Необходимость подогрева и замедленного охлаждения металла сварного шва можно оценить по эквивалентному содержанию углерода Сэкв, учитывающему химический со­став свариваемого металла;

где С — содержание углерода в сотых долях %;

Mn, Ni, Cr, Mo, V — в %.

По величине Сэкв все стали можно разделить условно на четыре группы;

1. Сэкв 0,45. Такие стали склонны к образованию холод­ных трещин при сварке. Их можно сваривать только с предварительным подогревом, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Температуру предварительного подогрева можно рас­считать по формуле

Т = 350 v’Co6-0,25 , где Со6 — общий эквивалент углерода.

S — толщина свариваемого металла, мм.

Поры в сварных швах возникают при первичной крис­таллизации металла сварочной ванны в результате выде­ления газов. Поры представляют собой заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или бо­лее сложные формы. Поры могут располагаться по оси шва, его сечению или вблизи границы сплавления. Они могут выходить или не выходить на поверхность, располагаться цепочкой, отдельными группами или одиночно, могут быть микроскопическими и крупными (до 4—6 мм в поперечни­ке). Причины возникновения пор следующие:

• выделение водорода, азота и окиси углерода в резуль­тате химических реакций;

• различная растворимость газов в расплавленном и твердом металле;

• захват пузырьков газа при кристаллизации сварочной ванны.

Для уменьшения пористости необходима тщательная подготовка основного и присадочного материалов под сварку (очистка от ржавчины, масла, влаги, прокалка и т. д.), на­

дежная защита зоны сварки от воздуха, введение в свароч­ную ванну раскислителей (из основного металла, свароч­ной проволоки, покрытия, флюса), соблюдение режимов сварки.

Наряду с порами однородность металла шва нарушают шлаковые включения. Шлаковые включения связаны с ту­гоплавкостью, повышенной вязкостью и высокой плотнос­тью шлаков, плохой зачисткой поверхности кромок и от­дельных слоев при многослойной сварке, затеканием шла­ка в зазоры между свариваемыми кромками и в места под­резов. Помимо шлаковых включений в шве могут быть мик­роскопические оксидные, сульфидные, нитридные, фосфор­содержащие включения, которые ухудшают свойства свар­ного шва.

Технология сварки (вид сварки, сварочные материалы, техника сварки) выбирается в зависимости от основного показателя свариваемости (или сочетаний нескольких по­казателей) для каждого конкретного материала.

Свариваемость металлов или сплавов

При выборе материала для изготовления сварной конструкции конструктор в первую очередь базируется на свариваемости того или иного металла или сплава. Свариваемость является определяющим показателем и для инженера-технолога при разработке им технологии сварки заданной конструкции.

В соответствии с действующим стандартом на сварочную терминологию свариваемость это – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Следовательно, под свариваемостью металла (или сочетания металлов) следует понимать отношение металла (или двух свариваемых металлов) к совокупности физико-химических процессов, определяющих возможность получения сварного соединения без дефектов с требуемыми механическими и специальными свойствами. Другими словами, под свариваемостью понимают способность металла (сочетания металлов) образовывать в процессе сварки соединения, не уступающие по своим свойствам свариваемым материалам.

При рассмотрении свариваемости конкретного материала обычно решают следующие вопросы:

– какие дефекты возникают при сварке данного материала?

– какие причины их возникновения?

– какие меры нужно предпринять для их устранения?

В общем случае свариваемость материала есть комплексное свойство и оно тем выше, чем проще технология сварки, чем большее количество способов сварки может быть использовано для соединения материала, чем шире область параметров режимов, обеспе­чивающих заданные требования к свойствам соединения, чем шире но­менклатура изделий, для которых могут быть использованы сварные соединения из данного материала.

Как и всякое комплексное свойство, свариваемость определяется химическим составом и физическими свойствами материала.

К факторам, наиболее сильно влияющим на свариваемость, сле­дует отнести:

– химический состав материала, который определяет его металлургическую активность, температурный интервал кристаллизации, фазовый состав и структурные превращения на этапе нагрева и охлаждения;

– теплофизические свойства, которые определяют скорость процессов превращений, происходящих в материалах под воздействием сварочного цикла;

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

– специальные физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния.

Чем хуже свариваемость материала, тем сложнее технология сварки, тем больше мероприятий необходимо применять для получения качественного сварного соединения.

При сварке деталей из одного и того же материала процессы растворения, взаимной диффузии, образования твердых и жидких растворов, т.е. взаимной кристаллизации металла ничем не ограничены. Более сложная ситуация может возникать при сварке разнородных металлов. В этом случае предварительно приходится рассматривать физическую (или принципиальную) свариваемость свариваемых материалов.Если рассматривается возможность получения качественного сварного соединения деталей из одного и того же металла (или сплава), то в этом случае анализируется технологическая свариваемость данного материала.

Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надёжности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.

Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газов, от конструктивных особенностей свариваемого изделия (его жесткость, наличие остаточных напряжений, концентраторов и т.д.) и условий его последующей эксплуатации.

Основные критерии технологической свариваемости следующие:

– окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

– сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

– сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

– чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

– чувствительность к образованию пор;

– соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям – прочности, пластичности, выносливости, ползучести, вязкости, жаростойкости и жаропрочности, коррозионной стойкости и др.

Следовательно, под хорошей свариваемостью сталей понимают возможность получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом, без трещин и снижения пластичности как в металле шва, так и в околошовной зоне при обычной технологии сварки, без применения специальных приемов (например, предварительного подогрева). При этом все зоны сварного соединения должны обладать стойкостью против перехода в хрупкое состояние при рабочих температурах наравне с основным металлом.

Если рассматривается свариваемость легированных сталей, предназначенных, например, для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях контакта с агрессивной средой, то кроме вышеперечисленных требовании, необходимо, чтобы металл шва в зоне термического влияния обладал также и высокой коррозионной стойкостью. Лишь при обеспечении всех перечисленных требований, предъявляемых к сварному соединению при сварке по обычной технологии, данная сталь будет обладать хорошей свариваемостью.

Чем сложнее условия работы конструкции, тем большее число свойств должно учитываться при определении свариваемости.

Таким образом, разница между металлами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние для получения сварных соединений с комплексом свойств, отвечающих условиям эксплуатации, должны свариваться по более сложной технологии, например, с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термообработкой сварных изделий, в некоторых случаях в специальных камерах с контролируемой атмосферой или в вакууме, иногда с предварительной наплавкой кромок и термообработкой перед сваркой и т.д.

Значительное усложнение технологии изготовления того или иного изделия в некоторых случаях заставляет отказываться от данного материала и изыскивать другой, применение которого упростит технологию сварки при обеспечении требуемых свойств сварной конструкции.

Удовлетворительная свариваемость должна обеспечивать соответствие сварного соединения определенным технологическим требованиям. Поскольку такие требования весьма разнообразны, различными могут быть и показатели, применяемые для оценки свариваемости. В связи с этим существует ряд испытаний для оценки свариваемости. Из них наиболее часто применяются такие:

1) определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин;

2) определение стойкости металла шва и околошовной зоны к образованию холодных трещин;

3) в сопоставлении с основным металлом определение стойкости металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние;

4) проверка служебных характеристик металла шва и сварного соединения (механических свойств, стойкости против коррозии, износостойкости и т.д.).

Мерой количественной оценки свариваемости металлов служат численные значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании и нормативного значений определяемого свойства сварного соединения (или его участка).

Если необходимо обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла, то в качестве нормативного значения определяемого свойства сварного соединения принимают нормативное значение одноименного свойства основного металла в соответствующем состоянии – исходном или после термической обработки. При невозможности обеспечить одинаковые свойства соединения и основного металла нормативные значения ряда свойств сварного соединения устанавливают на основе опыта эксплуатации сварных конструкций или по результатам специальных испытаний. Такие испытания должны учитывать конструктивные особенности данных сварных соединений и моделировать условия их эксплуатации.

В необходимую и достаточную совокупность показателей для оценки свариваемости металла следует включать те из них, которые в наибольшей степени обеспечивают технологическую и эксплуатационную надёжность заданных конструкций при изготовлении их из данного металла выбранным способом сварки.

Если хотя бы один показатель свариваемости не удовлетворяет предъявленным требованиям, металл считают обладающим плохой (неудовлетворительной) свариваемостью при выбранном способе и технологии сварки.

В зависимости от назначения испытания для оценки свариваемости металлов подразделяют на следующие группы.

Испытания исследовательские. В процессе этих испытаний исследуют основной металл и разные участки сварных соединений, полученных при различиях режимах и способах сварки. Условия испытаний должны соответствовать условиям эксплуатации сварных соединений. Результаты испытаний используют при разработке оптимального состава сплавов и основ рациональной технологии их производства, обеспечивающих получение металла с требуемыми свойствами и свариваемостью, а также при выборе способов и разработке технологии сварки типовых соединений. На основе результатов этих испытаний устанавливают:

а) нормативные значения свойств сварного соединения и отдельных его зон и участков;

б) пределы допускаемых при сварке параметров термического цикла, необходимые для расчетного определения режимов сварки;

в) типы и марки электродов, сварочной проволоки и прутков, флюсов, защитных газов и других сварочных материалов, обеспечивающих наиболее высокий уровень свойств сварных соединений;

г) методы испытаний данного материала, необходимые и достаточные для оценки его свариваемости применительно к типовым условиям эксплуатации сварных соединений.

Испытания технологические. Это ведомственные или межведомственные испытания, проводимые в научно-исследовательских лабораториях при разработке рациональной технологии сварки типовых конструкций определенного назначения с целью оценки пригодности металла данной марки для этих конструкций и установления ведомственных нормалей на свойства сварных соединений. Испытания этой группы выполняют по утвержденным нормалям и типовым программам ведомств-изготовителей сварных изделий. Кроме лабораторных стандартных образцов в этих испытаниях применяют натурные образцы сварных узлов и конструкций или их модели.

Испытания контрольные. Проводятся заводом-поставщиком металла для определения действительных значений свойств отдельных участков сварного соединения в целях подтверждения его кондиционности, а также заводом-потребителем в целях проверки соответствия показателей свариваемости металла требованиям технических условий на его поставку.

Примерную оценку технологической свариваемости сталей в части возможности образования холодных и горячих трещин при сварке можно сделать по известному химическому составу свариваемого металла .

Свариваемость сталей

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.

Классификация сталей по свариваемости

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.

Классификация сталей по свариваемости

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.

Группы свариваемости

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.

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

Свариваемость — свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. В сварочной практике существуют такие понятия, как физическая и технологическая свариваемость.

Понятия свариваемости

Физическая свариваемость подразумевает возможность получения монолитных сварных соединений с химической связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологическая свариваемость — это характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами. В этом случае свариваемость рассматривается как степень соответствия свойств сварных соединений одноименным свойствам основного металла или их нормативным значениям.

Определение свариваемости

Определение свариваемости по 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.

Ссылки

• ГОСТ 29273-92 «Свариваемость. Определение». Архивировано из первоисточника 11 марта 2012.Проверено 9 февраля 2010.

• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

Wikimedia Foundation . 2010 .

• IFolder
• Косово Поле (муниципалитет)

Смотреть что такое «Свариваемость» в других словарях:

СВАРИВАЕМОСТЬ — СВАРИВАЕМОСТЬ, свариваемости, мн. нет, жен. (тех.). Свойство металлов, дающее возможность подвергать их сварке. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

СВАРИВАЕМОСТЬ — свойство металла давать доброкачественные соединения его частей при условии их нагрева до определенной температуры и последующей ковки. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь

свариваемость — Свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС… … Справочник технического переводчика

Свариваемость — – способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным прочностью и надежностью конструкций. [СНиП I 2] Рубрика термина: Сварка Рубрики энциклопедии:… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Свариваемость — 50. Свариваемость Свойство пластмассы или сочетания из пластмасс образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечавшее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделий. Источник: ВСН 003 88: Строительство и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Свариваемость — [weldability] способность материалов образовать неразъемное соединение при сварке посредством установления прочных химических связей при сохранении механических и физико химических свойств на уровне соединения материалов или при допустимом их… … Энциклопедический словарь по металлургии

Свариваемость — Weldability Свариваемость. Определенная или относительная мера способности материала свариваться при данных условиях. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО Профессионал , НПО Мир и семья ; Санкт Петербург,… … Словарь металлургических терминов

Свариваемость — ж. Способность свариваться 2. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

свариваемость — свариваемость, свариваемости, свариваемости, свариваемостей, свариваемости, свариваемостям, свариваемость, свариваемости, свариваемостью, свариваемостями, свариваемости, свариваемостях (Источник: «Полная акцентуированная парадигма по А. А.… … Формы слов

СВАРИВАЕМОСТЬ — свойство металла или сочетания металлов образовывать при установл. технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия … Большой энциклопедический политехнический словарь