Свариваемость сталей

Сварка сталей и сплавов

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

Различают понятия физической и технологической свариваемости.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дата добавления: 2014-01-06