Производство и промышленные технологии

Группы Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью которая определяется внешними и внутренними факторами. По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: 1 хорошая свариваемость; 2 удовлетворительная свариваемость; 3 ограниченная свариваемость; 4 плохая свариваемость. К Первая группа хорошо сваривающиеся стали у которых Сэкв не более 025. Эти стали при обычных способах сварки не дают трещин сварка таких сталей выполняется без предварительного и сопутствующего подогрева без...

27.Свариваемость сталей.Группы Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического.состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации.Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва. По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: 1 – хорошая свариваемость; 2 – удовлетворительная свариваемость; 3 ограниченная свариваемость; 4 – плохая свариваемость . К Первая группа – хорошо сваривающиеся стали, у которых Сэкв не более 0,25%. Эти стали, при обычных способах сварки не дают трещин, сварка таких сталей выполняется без предварительного и сопутствующего подогрева, без последующей термической обработки. Вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся стали, у которыхСэкв в пределах от 0,25% до 0,35%, такие стали допускают сварку без появления трещин только в нормальных производственных условиях, когда температура окружающей среды выше ноля градусов и отсутствует ветер и т.д,В условиях, отличающихся от нормальных предварительным подогревом или с предварительной и последующей термообработкой. Третья группа – С ограниченной свариваемостью, где С экв в пределах от 0,35% до 0,45%. К этой группе относятся стали, которые в обычных условиях сварки склоны к образованию трещин. Сварка таких сталей производится по специальной технологии, регламентирующей режимы предварительной термообработки и тепловой обработки после сварки. Четвёртая группа – с плохой свариваемостью, где С экв более 0,45%. Стали, входящие в эту группу, наиболее трудно поддаётся сварке, склонны к образованию трещин. Сварка их выполняется с обязательной предварительной термообработкой перед сваркой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

29.Свариваемость сталей.влияние углерода на свариваемость. Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического.состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации. Низкоуглеродистые стали отличаются хорошей свариваемостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если содержание их превышает норму. Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем за норму, если они образуют местные скопления, например вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в низкоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причем последняя, особенно склонна к ликвации с образованием местных скоплений. Углеродистые стали, содержащие более 0,25% углерода, обладают пониженной свариваемостью по сравнению с низкоуглеродистыми, причем свариваемость постепенно снижается по мере повышения содержания углерода. Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведет к получению твердых хрупких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин. С повышением содержания углерода растет склонность металла к перегреву в зоне сварки. Увеличенное содержание углерода усиливает процесс его выгорания с образованием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавленного металла. При содержании свыше 0,4–0,5% углерода сварка стали становится одной из сложных задач сварочной техники. Углеродистые стали вообще обладают пониженной свариваемостью и, если это возможно, рекомендуется заменять их низколегированными конструкционными сталями, которые дают ту же прочность при значительно меньшем содержании углерода за счет других легирующих элементов. При сварке углеродистых сталей плавлением обычно не придерживаются соответствия химического состава присадочного и основного металлов, стремясь получить наплавленный металл равнопрочным с основным за счет легирования марганцем, кремнием и др. при пониженном содержании углерода. Сварка углеродистых сталей часто выполняется с предварительным подогревом и последующей термообработкой, причем, если возможно, во многих случаях стремятся совместить термообработку с процессом сварки, например, с газовой сваркой мелких деталей, с газопрессовой, точечной, со стыковой контактной сваркой и т. д.

29.Свариваемость сталей.влияние легирующих эл. на свариваемостьГруппы. Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического.состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации.Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва Марганец (Мn) не ухудшает свариваемости стали, если его содержание не превышает 0,3—0,8 %. В средне-марганцовистых (1,8—2,5 % Мn) сталях марганец повышает закаливаемость стали и склонность ее к образованию трещин при сварке. Кремний (Si) не влияет отрицательно на свариваемость стали, если его содержание не превышает 0,3 %. В обычных углеродистых сталях содержится не более 0,2—0,3 % кремния. В специальных сталях содержание кремния достигает 0,8—1,5 %. В таких количествах кремний затрудняет сварку из-за высокой жидкотекучести стали, легкой ее окисляемости и образования тугоплавких окислов. Хром (Cr) содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве 0,2—0,3 %, в конструкционных 0,7—3,5 %, хромистых 12—18 %, хромоникелевых 9—35 %. Хром затрудняет сварку, так как усиливает окисление металла, образует химические соединения с углеродом, повышает твердость металла в переходных зонах и т. п. Однако при правильном выборе режимов сварки, присадочных материалов, а также при соблюдении технологического процесса хром не влияет отрицательно на свариваемость стали. Никель (Ni) в низкоуглеродистых сталях содержится в количестве до 0,2—0,3 %, в конструкционных 1—5 %, в легированных 8—35 %. Никель измельчает зерна, повышает пластичность сталей, не ухудшает их свариваемость. Молибден (Мо) при содержании в стали 0,15—0,2 % затрудняет сварку, служит причиной образования трещин в сварном шве и переходной зоне, сильно окисляется и выгорает при сварке. Вольфрам (W) при содержании в стали 0,8—1,8% увеличивает твердость и работоспособность при высоких температурах, сильно окисляется при сварке, требует хорошей защиты от кислорода, затрудняет сварку. Ванадий (V) обычно содержится в сталях в количестве 0,2—0,8 %, в штамповых сталях 1—1,5 %, сильно окисляется, требует надежной защиты металла при сварке, затрудняет сварку. Титан (Ti) и ниобий (Nb) содержатся в коррозионно-стойких сталях в количестве до 1 %, не усложняют сварочный процесс и не ухудшают свариваемость стали. Медь (Сu) в специальных сталях находится в количестве 0,3—0,8 %, улучшает ряд свойств стали (прочность, пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость) и не ухудшает свариваемость стали. Сера (S) в стали в количествах, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость, вызывает появление горячих трещин. Фосфор (Р) в стали в количествах, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость, вызывает появление холодных трещин. Кислород (О) содержится в сплаве в виде закиси железа, ухудшает свариваемость стали, снижая ее механические свойства. Азот (N) образует химические соединения с железом (нитриды) в металле сварочной ванны при ее охлаждении, что снижает пластичность стали. Водород (Н) является вредной примесью в стали; скапливаясь в отдельных местах сварного шва, он образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.

28. Свар. Сталей. Способ повышения свариваемости сталей. . Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического.состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации.Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва. Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать также засоренность металла газами и неметаллическими включениями. Засоренность металла вредными примесями зависит от способа его производства, и о ней частично можно судить по маркировке металла: сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная – лучше, чем кипящая. При изготовлении ответственных сварных изделий указанные отличия в свариваемости низкоуглеродистых сталей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла. По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: 1 – хорошая свариваемость; 2 – удовлетворительная свариваемость; 3 – ограниченная свариваемость; 4 – плохая свариваемость. Низкоуглеродистые стали отличаются хорошей свариваемостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если содержание их превышает норму. Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем за норму, если они образуют местные скопления, например вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в низкоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причем последняя, особенно склонна к ликвации с образованием местных скоплений.

29.Сварочные напряжения и деформации.. причины. Сварка, как и другие процессы обработки металлов (штамповка, литье, прокатка, волочение, прессование, термическая обработка), вызывает в изделиях собственные напряжения. Собственными называются такие напряжения, которые возникают без приложения внешних сил. В зависимости от причины возникновения различают следующие напряжения: тепловые, возникающие из-за неравномерного распределения температуры при сварке; структурные, появляющиеся вследствие структурных превращений, сходных с закалкой. В зависимости от времени существования собственных напряжений и деформаций их подразделяют на временные и остаточные. Временные напряжения и деформации существуют в конструкции только в какой-то момент времени. Если возникшее напряжение не превышает предела упругости, то временные напряжения и деформации исчезают (снимаются) после охлаждения изделия. Остаточные – остаются в изделии после исчезновения причины, их вызвавшей. Эти напряжения и деформации также возникают вследствие неравномерного нагрева, но они слишком велики и могут привести к появлению трещин или разрушению сварного соединения. В некоторых случаях разрушения не происходит, но большие деформации выводят сваренную конструкцию из заданных размеровОсновные виды деформаций сварных соединений: а – направление действия продольных и поперечных напряжений; б – деформация стыкового соединения; в – деформация сварной двутавровой балки (цифрами указан порядок наложения сварных швов, стрелками – направления действующих напряжений); г – вид деформированного сварного тавра; f – стрела прогиба. Весь комплекс мероприятий по борьбе с деформациями и напряжениями от сварки можно рассматривать по двум группам: мероприятия, предотвращающие возникновение напряжений и деформаций или уменьшающие их влияние; мероприятия, обеспечивающие последующее исправление деформаций и снятие остаточных напряжений. К первой группе можно отнести такие меры, как выбор правильной последовательности сварки изделия, жесткое закрепление изделия, предварительный обратный выгиб, сопутствующий подогрев, интенсивное охлаждение в процессе сварки, уменьшение количества сварных швов, симметричное расположение ребер жесткости, применение гнутых профилей. Ко второй группе относится местная проковка металла шва или ЗТВ, правка под действием статической нагрузки, местный нагрев и механическая правка, термическая обработка. Все перечисленные мероприятия заранее просчитываются конструкторами и технологами, уточняются в процессе изготовления образцов, и только после этого окончательно вносятся в технологические карты.

30.факторы влияющие на свари сваемость стали. Технические факторы, влияющие на свариваемостьТакие особенности сварки, как высокая температура нагрева, малый объем сварочной ванны, специфичность атмосферы над сварочной ванной, а также форма и конструкция свариваемых деталей, в ряде случаев обусловливают нежелательные последствия: резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла; изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния; возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, способствующих в ряде случаев образованию трещин; образование в процессе сварки тугоплавких, трудноудаляемых окислов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество; образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения. При различных способах сварки наблюдается заметное окисление компонентов сплавов. В стали, например, выгорает углерод, кремний, марганец, окисляется железо. В связи с этим в определение технологической свариваемости входят: определение химического состава, структуры и свойств металла шва в зависимости от способа сварки; оценка структуры и механических свойств околошовной зоны; оценка склонности сталей к образованию тещин; оценка получаемых при сварке окислов металлов и плотности сварного соединения. Тепловое воздействие на металл в околошовных участках и процесс плавления определяются способом сварки, его режимами. Отношение металла к конкретному способу сварки и режиму принято считать технологической свариваемостью. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение. Сближение частиц и создание условий для их взаимодействия осуществляется выбранным способом сварки(электродуговая сварка, контактная сварка, плазменная сварка, газовая сварка, сварка трением, лазерная сварка, лазерная сварка и др.), а протекание соответствующих физико-химических процессов определяется свойствами соединяемых металлов. Эти свойства металлов определяют их физическую свариваемость. Свариваемые металлы могут иметь как одинаковые, так и различные химический состав и свойства. В первом случае это однородные сточки зрения химического состава и свойств металлы, во втором случае – разнородные. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов иногда не в состоянии обеспечить протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают физической свариваемостью.

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

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

Факторы, влияющие на свариваемость сталей:

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

Основным параметром для информации является химический состав материала.

Группы свариваемости

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

Классификация металлов по свариваемости:

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

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

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

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

Как влияют на свариваемость легирующие примеси?

Влияние главных легирующих элементов на свариваемость стали

• Фосфор, сера – вредоносные примеси. Содержание данных химических элементов для низкоуглеродистых сталей 0,4-0,5%.

• Углерод – важный компонент в составе сплавов, который определяет такие показатели, как закаливаемость, пластичность, прочность, другие свойства материала. Содержание углерода в пределах 0,25% не воздействует на качество сварки. Наличие более 0,25% данного хим. элемента способствует формированию закалочных соединений, зоны термического влияния, образуются трещины.

• Медь. Содержание меди как примеси не более 0,3%, как добавки для низколегированных сталей – пределах 0,15-0,50%, как легирующего компонента – не более одного процента. Медь улучшает коррозионную стойкость металла, при этом не ухудшает показатели качества сваривания.

• Марганец. Содержание марганца до одного процента не затрудняет сварочный процесс. Если марганца 1,8-2,5%, то не исключается образование закалочных структур, трещин, зоны термического влияния.

• Кремний. Этот химический элемент присутствует в металле как примесь — 0,30 процентов. Такое количество кремния не влияет на показатель качества соединения металлов. При наличии кремния в пределах 0,8-1,5%, он выступает легирующим компонентом. В данном случае существует вероятность формирования тугоплавких оксидов, ухудшающих качество соединения металлов.

• Никель, как и хром, присутствует в низкоуглеродистых сталях, его содержание составляет до 0,3%. В низколегированных металлах никеля может быть около 5%, высоколегированных – порядка 35 процентов. Химический компонент повышает пластичность, прочностные характеристики металла, повышает качество сварных соединений.

• Хром. Количество данного компонента в низкоуглеродистых сталях ограничено до 0,3 процентов, его содержание в низколегированных металлах может быть в пределах 0,7-3,5%, легированных – 12-18 процентов, высоколегированных примерно 35%. В момент сваривания хром способствует формированию карбидов, значительно ухудшающих коррозионную устойчивость металла. Хром способствует формированию тугоплавких оксидов, которые негативно влияют на качество сварки.

• Молибден. Наличие этого химического элемента в металле ограничено 0,8 процентами. Такое количество молибдена позитивно сказывается на прочностных характеристиках сплава, но в процессе сварки элемент выгорает, в результате чего на наплавленном участке изделия формируются трещины.

• Ванадий. Содержание этого элемент в легированных сталях может составлять от 0,2 до 0,8 процентов. Ванадий способствует повышению пластичности, вязкости металла, улучшает его структуру, повышает показатель прокаливаемости.

• Ниобий, титан. Данные химические компоненты содержатся в жаропрочных, коррозионно-стойких металлах, их концентрация составляет не более одного процента. Ниобий и титан понижают показатель чувствительности металлического сплава к межкристаллитной коррозии.

Итог

Свариваемость стали считается сравнительным показателем, зависящим от химического состава, физических характеристик, микроструктуры материала. При этом способность создавать высококачественные сварные соединения может корректироваться благодаря продуманному технологическому подходу, выполнения требований, предъявляемых к сварке, наличия современного спецоборудования.

Свариваемость стали - характеристика, указывающая на возможность сварки металла с удовлетворительными механическими свойствами . Разделяют четыре группы свариваемости сталей :

1. хорошая свариваемость
2. удовлетворительная свариваемость
3. ограниченная свариваемость
4. плохая свариваемость

Как правило стали с низким содержание углерода обладают хорошей свариваемостью, с высоким содержанием углерода ограниченной или плохой.

Группа свариваемости 1 - хорошо свариваемые стали

Стали, относящиеся к 1 группе могут быть сварены без подогрева и без обязательной последующей термообработки, она применяется только в том случае, если необходимо снять внутренние напряжения металла после сварки.

К хорошо свариваемым относят стали Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, сталь 08, 10, 15, 20, стали 15Г, 15Х, 20Г, 20Х, 20ХГСА, 12ХН2, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 и многие другие малоуглеродистые марки сталей.

Группа свариваемости 2 - удовлетворительно свариваемые стали

Стали, которые относят ко 2 группе при сварке в нормальных условиях не склонны к образованию трещин на швах, а также стали которые нуждаются в предварительном подогреве и последующей термообработке для достижения удовлетворительных свойств сварного шва.

К сталям второй группы относят Ст4пс, Ст5Сп, сталь 30, 35,30Л, 35Л, 12Х2Н4А, 20ХН3А.

Группа свариваемости 3 - ограниченно свариваемые стали

Стали 3 группы склонны к образованию трещин на швах. Для предотвращения образования трещин стали 3 группы нагревают, а после сварки термообрабатывают.

К группе с ограниченной свариваемостью относят стали 40, 45, 50 Ст6пс, 17Х18Н9, 12Х18Н9, 20Х2Н4А 30ХМ, 30ХГС, 33ХС.

Группа свариваемости 4 - плохо свариваемые стали

Стали 4 группы свариваются трудно, на швах часто образуются трещины, их необходимо подогревать перед сваркой так в ее процессе. После сварки также требуется термообработка.

К 4 группе относят инструментальные нелегированные стали У7, У8, У8А, У8Г, У9, У10, У11, У12, 40Г, легированная конструкционная сталь 45Г, 50Г, 50Х, 50ХГ, 50ХГА, сталь 55Л, 65, 75, 85, 60Г, 65Г, 70Г, 55С2, 55СА, 60С2, 60 С2А, Х12, Х12М, 7Х3, 8Х3, ХВГ, ХВ4, 5ХГМ, 6ХВГ.

Таблица свариваемости сталей .

Свариваемость различных марок стали

Рассмотрим свариваемость самых распространенных марок стали.

Свариваемость стали 09г2с и Ст3

Стали Ст3 ГОСТ 380-94 и 09г2с ГОСТ 19281-89 относятся к группе 1, для их сварки не требуется нагрева. Сварной шов при соблюдении технологии не склонен к образованию трещин.

Свариваемость Сталей 10 и 20

Сталь 10 и сталь 20 ГОСТ 1050-88 относят к группе свариваемости 1. Детали, изготовленный из указанных марок стали хорошо свариваются без дополнительного подогрева.

Свариваемость Стали 45

Углеродистая сталь 45 ГОСТ 1050-88 относится к группе свариваемости 3. Для сварки эту сталь необходимо подогревать, а после сварки - подвергнуть термообработке.

Свариваемость – это реакция свариваемых металлов и сплавов на процесс сварки. Она определяет технологическую сторону процесса и эксплуатационную пригодность изделия.

Расплавление и кристаллизация металла в условиях сварки представляют собой сложный металлургический процесс, протекающий при неравномерном нагреве, перегреве и охлаждении металла в местах соединения заготовок. Процесс сопровождается структурными превращениями и перекристаллизацией металла. Это во многом определяет качество и надежность сварного соединения, т.е. совокупность приобретаемых свойств шва, которые обусловливают пригодность соединений и возможность использования сварной конструкции в технике.

На свариваемость стали большое влияние оказывает ее химический состав .

Углерод – это важный элемент химического состава стали, определяющий ее свариваемость, прочность, вязкость, закаливаемость. Хорошо свариваются стали, содержащие не более 0,25% углерода. При более высоком его содержании, свариваемость стали, резко ухудшается, так как в нагретой околошовной зоне - термического влияния, образуются структуры закалки, приводящие к возникновению горячих и холодных трещин.

Сера – вредная примесь, образующая легкоплавкие соединения с железом, которые располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними с возникновением трещин в горячем состоянии. Это явление вызывается красноломкостью металла. Поэтому во избежание трещин в сварном шве содержание серы в свариваемых сталях должно быть менее 0,045%.

Фосфор – тоже вредная примесь. В сталях он вызывает появление хрупких структур, особенно при отрицательных температурах. Этот процесс называется хладноломкостью . Содержание фосфора в свариваемых сталях и сварных швах должно быть менее 0, 04%.

Марганец – это элемент химического состава стали, несколько повышающий прочность и упругость стали. При его содержании в сталях в пределах 0,3…0,8% процесс сварки не затрудняется. При содержании же марганца более 1,8% возникает опасность появления хрупкости и трещин, в связи с закаливаемостью такой стали.

Кремний несколько повышает прочность, упругость и твердость стали. При его содержании до 0,2…0,3%, свариваемость не ухудшается. При содержании более 0,8% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Хром повышает прочность, упругость и твердость стали, но при сварке образует карбиды хрома, ухудшающие коррозионную стойкость шва и прилегающую к нему околошовную зону. Он резко повышает твердость металла в этой зоне термического влияния и увеличивает вероятность возникновения трещин, способствует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки. В подлежащих сварке безникелевых сталях содержание хрома не должно превышать 0,3%.

Молибден способствует измельчению кристаллов (зерен стали), повышает прочность стали. Особенно это важно при ударных нагрузках и высоких температурах, но молибден вызывает появление трещин в наплавленном металле и в зоне термического влияния. В процессе сварки молибден активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание молибдена не должно превышать 1%.

Ванадий способствует закаливаемости стали, чем, затрудняет сварку; он активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание ванадия не должно превышать 1%.

Вольфрам увеличивает твердость стали и ее износостойкость при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки ввиду сильного окисления. В состав стали, подлежащей сварке, вольфрам не вводится.

Кислород активно окисляет расплавленное железо, образуя хрупкие структуры, он окисляет и легирующие элементы. Расплавленный металл сварного шва необходимо защищать от взаимодействия с кислородом воздуха. Это является одной из функций электродного покрытия, которое при сгорании выделяет защитный (углекислый) газ. Для защиты от окисления сварку ответственных конструкций из нержавеющих сталей и цветных металлов осуществляют в таких защитных газах, как аргон, гелий.

Водород. При сварке атомы водорода легко растворяются в расплавленном металле, а при затвердевании металла вновь соединяются в молекулы, которые собираются в разных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород вызывает в металле шва пористость и мелкие трещины, он повышает хрупкость стали, снижая ее прочность и вязкость. Водород, как и кислород, который может соединиться с расплавленным металлом шва, находится в окружающем воздухе, влаге, оставшейся в непросушенном электродном покрытии, во флюсах и на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Водород также содержится и в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках заготовок. Защита расплавленного металла шва от водорода осуществляется одновременно с защитой от кислорода.

Наименее насыщается металл водородом при сварке постоянным током обратной полярности, большее насыщение – при сварке переменным током.

Никель, содержащийся в легированных сталях, значительно улучшает их свариваемость: он измельчает зерно, придает шву пластичность и прочность. При сварке никелесодержащих сталей требуется надежная защита их от воздействия кислорода воздуха. Никель дорог. Применение никелевых сталей должно быть технико-экономически обосновано.

Титан, содержащийся в легированных сталях, измельчает зерно, повышает пластичность шва и качество соединения. Нержавеющие стали для ответственных сварных конструкций должны содержать в своем составе помимо никеля, еще 4 -5% титана.

На свариваемость стали также, влияют режимы и способы сварки.

Чтобы правильно выбрать способ и режимы сварки, исключающие возникновение дефектов, необходимо знать технологическую свариваемость металла. Это его реакция на тепловые воздействия в околошовной зоне без расплавления, а также металлургические процессы плавления и последующей кристаллизации металла. По известному химическому составу стали можно прогнозировать, какова ее технологическая свариваемость. Но точность таких прогнозов не всегда надежна и, полагаться на них, можно при сварке небольшого количества малоответственных изделий. В случае изготовления значительного числа ответственных сварных конструкций, необходимо экспериментально определять технологическую свариваемость той партии металла, из которой будут изготовлены изделия. Способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы .

Первая – когда прямым способом устанавливают свариваемость путем сварки одного или нескольких образцов изделия. При этом узнают о склонности металла к закалке или отсутствии таковой, о прочности и пластичности металла, об изменении микроструктуры. Полученные результаты отличаются высокой достоверностью;

Вторая – группа способов определения свариваемости проще и основана на имитации сварочных процессов. При этом косвенным способом, например, термообработкой при температурах, близких к сварочному процессу, определяют изменения в металле. Полнота и достоверность такой информации значительно ниже.

По свариваемости стали подразделяются на четыре группы, характеризующиеся способностью металлов образовывать при сварке соединения с заданными свойствами – прочные, герметичные, без хрупкости.

Первая группа – хорошо свариваемые стали, образующие сварные соединения высокого качества без применения особых приемов и подогрева до и после сварки. Это - низкоуглеродистые, низко- и среднелегированные стали. Например, от БСт1 до БСт4; от ВСт1 до ВСт4; от стали 08 до стали 25; стали 15Х; 20ХГА, 12ХН4А; 10ХСНД; 20Х23Н18Т; 12Х18Н9Т и другие требуемого химического состава.

Вторая группа – стали удовлетворительно свариваемые, которые для получения сварных соединений высокого качества требуют строгого соблюдения режимов сварки, применения специального присадочного материала, особо тщательной очистки свариваемых кромок, а в некоторых случаях – предварительного и сопутствующего подогрева до 150 0 С, последующий отжиг. Например, это стали БСт5сп; БСт5Гсп; сталь 30; сталь 35; сталь 20ХНЗА; сталь 12ХА и др.

Третья группа – стали с ограниченной свариваемостью в обычных условиях и склонные к образованию трещин. Содержат углерод от 0,35% до 0,5%, это могут быть и высоколегированные стали. Во избежание образования трещин их перед сваркой подвергают подогреву до 200…400 0 С с последующим отжигом. Например, БСт5пс; стали 40, 45, 50, 35ХН.

Четвертая группа – стали плохо свариваемые, практически не подлежащие сварке ввиду большого содержания углерода и легирующих элементов, приводящих к образованию трещин. Например, это стали 60Г, 70Г, 50ХН, 80С, У7, У10, У13, 9ХС, ХВГ, 3Х2ВФ. Качество сварных соединений таких сталей низкое, несмотря на предварительную сопутствующую и последующую термообработку.

К неудовлетворительно свариваемым сталям относятся и холодноупрочненные стали; арматура, упрочненная вытяжкой, сварка которой приводит к разупрочнению и повышению хрупкости.

Необходимо отметить, что свариваемость арматурной стали отличается от показателей свариваемости листа, фасонного проката для металлоконструкций. Например, арматурные стержни из Ст5 свариваются лучше, чем листовая сталь той же марки.

Сварка сталей на морозе не допускается.

Сталь - это основной конструкционный материал. Он представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием различных примесей. Все компоненты, входящие в ее состав, оказывают влияние на свойства слитка. Одной из технологических характеристик металлов является способность образовывать качественные сварные соединения.

Факторы, определяющие свариваемость стали

Оценка свариваемости стали производится по значению основного показателя - углеродного эквивалента С экв. Это условный коэффициент, учитывающий степень влияния содержания карбона и основных легирующих элементов на характеристики шва.

На свариваемость сталей влияют следующие факторы:

1. Содержание углерода.
2. Наличие вредных примесей.
3. Степень легирования.
4. Вид микроструктуры.
5. Условия внешней среды.
6. Толщина металла.

Наиболее информативным параметром является химический состав.

Распределение сталей по группам свариваемости

С учетом всех перечисленных факторов, свариваемость стали имеет различные характеристики.

Классификация сталей по свариваемости.

• Хорошая (при значении С экв ≥0,25%): для низкоуглеродистых стальных деталей; не зависит от толщины изделия, погодных условий, наличия подготовительных работ.
• Удовлетворительная (0,25%≤С экв ≤0,35%): присутствуют ограничения к условиям окружающей среды и диаметру свариваемой конструкции (температура воздуха до -5, в безветренную погоду, толщина до 20 мм).
• Ограниченная (0,35%≤С экв ≤0,45%): для образования качественного шва необходим предыдущий подогрев. Он способствует «плавным» аустенитным преобразованиям, формированию устойчивых структур (ферритно-перлитные, бейнитные).
• Плохая (С экв ≥0,45%): формирование механически стабильного сварного соединения невозможно без предыдущей температурной подготовки кромок металла, а также последующей термической обработки сваренной конструкции. Для образования нужной микроструктуры необходимы дополнительные подогревы и плавные охлаждения.

Группы свариваемости сталей позволяют легко ориентироваться в технологических особенностях сварки конкретных марок железоуглеродистых сплавов.

Термическая обработка

В зависимости от группы свариваемости сталей и соответствующих технологических особенностей, характеристики сварного соединения можно корректировать с помощью последовательных температурных влияний. Выделяют 4 основных способа термообработки: закаливание, отпуск, отжиг и нормализация.

Наиболее распространенными являются закалка и отпуск для твердости и одновременной прочности сварного шва, снятия напряжения, предупреждения трещинообразования. Степень отпуска зависит от материала и желаемых свойств.

Термообработка при проведении подготовительных работ производится:

• отжигом - для снятия напряжений внутри металла, обеспечения его мягкости и податливости;
• предыдущим подогревом с целью минимизации перепада температур.

Рациональное управление температурными влияниеми позволяет:

• подготовить деталь к работам (снять все внутренние напряжения путем измельчения зерен);
• снизить перепады температур на холодный металл;
• улучшить качество сварного объекта путем термической коррекции микроструктуры.

Корекция свойств путем перепадов температур может носить местный или общий характер. Подогрев кромок осуществляется с помощью газового или электродугового оборудования. Для нагрева всей детали и плавного охлаждения используются специальные печи.

Влияние микроструктуры на свойства

Суть процессов термической обработки основывается на структурных превращениях внутри слитка и их влиянии на затвердевший металл. Так, при нагревании до температуры 727 ˚C он являет собой смешанную зернистую аустенитную структуру. Способ охлаждения определяет варианты превращения:

1. Внутри печи (скорость 1˚С/мин) - образуются перлитные структуры с твердостью около 200 НВ (твердость по Бринеллю).
2. На воздухе (10˚С/мин) - сорбит (феррито-перлитные зерна), твердость 300 НВ.
3. Маслом (100˚С/мин) - троостит (феррито-цементитная микроструктура), 400 НВ.
4. Водой (1000˚С/мин) - мартенсит: твердая (600 НВ), но хрупкая игольчатая структура.

Должно обладать достаточной твердостью, прочностью, качественными показателями пластичности, поэтому мартенситные характеристики шва не приемлемы. Низкоуглеродистые сплавы обладают ферритной, феррито-перлитной, феррито-аустенитной структурой. Среднеуглеродистые и среднелегированные стали - перлитной. Высокоуглеродистые и высоколегированные - мартенситной или трооститной, которую важно привести к феррито-аустенитному виду.

Сварка низкоуглеродистых сталей

Свариваемость углеродистых сталей определяется количеством карбона и примесей. Они способны выгорать, превращаясь в газообразные формы и придавая низкокачественному шву пористости. Сера и фосфор могут концентрироваться по краям зерен, повышая хрупкость конструкции. Сварка наиболее упрощена, тем не менее, требует индивидуального подхода.

Углеродистая сталь обычного качества подразделяется на три группы: А, Б и В. Сварочные работы проводятся с металлом группы В.

Свариваемость ВСт1 - ВСт4, в соответствии с ГОСТ 380-94, характеризуется отсутствием ограничений и дополнительных требований. Сварка деталей диаметром до 40 мм происходит без подогрева. Возможные индикаторы в марках: Г - повышенное содержание марганца; кп, пс, сп - «кипящая», «полуспокойная», «спокойная» соответственно.

Низкоуглеродистая качественная сталь представлена марками с обозначением сотых долей углерода, указанием степени раскисления и содержания марганца (ГОСТ 1050-88): сталь 10 (также 10кп, 10пс, 10Г), 15 (также 15кп, 15пс, 15Г), 20 (также 20кп, 20пс, 20Г).

Для обеспечения качественного шва необходимо проводить процесс насыщения сварочной ванны углеродом C и марганцем Mn.

Способы сварочных работ:

1. Ручная дуговая с использованием специальных, изначально прокаленных электродов, диаметром от 2 до 5 мм. Типы: Э38 (для средней прочности), Э42, Э46 (для хорошей прочности до 420 МПа), Э42А, Э46А (для высокой прочности сложных конструкций и их работы в особых условиях). Сваривание стержнями ОММ-5 и УОНИ 13/45 совершается под действием постоянного тока. Работы с помощью электродов ЦМ-7, ОМА-2, СМ-11 проводятся током любой характеристики.
2. Газовая сварка. Чаще всего нежелательна, но возможна. Проводится с использованием присадочной проволоки Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-08ГС. Тонкий низкоуглеродистый металл (d 8мм) сваривается левым способом, толстый (d 8мм) - правым. Недостатки свойств шва возможно убрать посредством нормализации или отжига.

Сварку низкоуглеродистых сталей выполняют без дополнительного подогрева. Для деталей простой формы ограничения отсутствуют. Объемные и решетчатые конструкции важно защищать от ветра. Сложные объекты желательно сваривать в условиях цеха при температуре не ниже 5˚С.

Таким образом, для марок ВСт1 - ВСт4, сталь 10 - сталь 20 - свариваемость хорошая, практически без ограничений, требующая стандартного индивидуального подбора способа сварки, типа электрода и характеристик тока.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные стали

Насыщенность сплава углеродом снижает его способность к образованию хороших соединений. В процессе температурных воздействий дуги или газового пламени сера аккумулируется по краям зерен, приводя к красноломкости, фосфор - к хладноломкости. Чаще всего сваривают материалы, легированные марганцем.

Сюда относятся конструкционные стали обычного качества ВСт4, ВСт5 (ГОСТ 380-94), качественные 25, 25Г, 30, 30Г, 35, 35Г, 40, 45Г (ГОСТт 1050-88) разного металлургического производства.

Суть работы заключается в снижении количества карбона в сварочной ванне, насыщении металла в ней силицием и марганцем, обеспечении оптимальной технологии. При этом важно не допустить чрезмерных потерь углерода, что может привести к дестабилизации механических свойств.

Особенности сварочных работ со сталями среднего и высокого содержания углерода:

1. Изначальный подогрев кромок до 100-200˚С на ширину до 150 мм. Только марки ВСт4 и сталь 25 свариваются без дополнительного нагрева. Для среднеуглеродистых, обладающих удовлетворительной свариваемостью, перед началом выполнения работ производится полноценная нормализация. Для высокоуглеродистых необходим подготовительный отжиг.
2. Дуговая сварка осуществляется покрытыми прокаленными электродами, размером от 3 до 6 мм (ОЗС-2, УОНИ-13/55, АНО-7), под постоянным током. возможна работа в среде флюса или защитных газов (СО 2 , аргон).
3. Газовая сварка производится науглероживающим пламенем, левым способом, с предыдущим подогревом до температуры 200˚С, при равномерной низкой мощности подачи ацетилена.
4. Обязательная термическая обработка деталей: закалка и отпуск либо отдельный отпуск с целью минимизации внутренних напряжений, предупреждения образования трещин, смягчения закаленных мартенситных и трооститных структур.
5. Контактная точечная сварка выполняется без ограничения.

Таким образом, средне- и высокоуглеродистые конструкционные стали свариваются практически без ограничений, при внешней температуре не ниже 5˚С. При более низких температурах обязателен изначальный подогрев и высококачественная термическая обработка.

Сварка низколегированных сталей

Легированные стали - это стали, которые во время плавки насыщаются различными металлами с целью получения заданных свойств. Практически все из них положительно влияют на твердость и прочность. Хром и никель входят в состав жаропрочных и нержавеющих сплавов. Ванадий и кремний придают упругость, используются как материал для изготовления пружин и рессор. Молибден, марганец, титан повышают износостойкость, вольфрам - красностойкость. При этом, положительно влияя на свойства деталей, они ухудшают свариваемость стали. Кроме того, повышают степень закаливания и формирования мартенситных структур, внутренние напряжения и риски образования трещин в швах.

Свариваемость легированных сталей определяется также их химическим составом.

Низколегированные малоуглеродистые 2ГС, 14Г2, 15Г, 20Г(гост 4543-71), 15ХСНД, 16Г2АФ (ГОСТ 19281-89) относятся к хорошо свариваемым. В стандартных условиях не требуют дополнительного подогрева и термообработки по завершении процессов. При этом все же некоторые ограничения существуют:

• Узкий диапазон допустимых тепловых режимов.
• Работы проводить при температуре не ниже -10˚С (в условиях более низких атмосферных температур, но не ниже -25˚С, применять предварительный подогрев до 200˚С).

Возможные способы:

• Электродуговая сварка с силой постоянного тока 40 до 50 А, электродами Э55, Э50А, Э44А.
• Автоматическая сварка электрической дугой под флюсом с использованием присадочной проволоки Св-08ГА, Св-10ГА.

Свариваемость также хорошая, требования и возможные способы выполнения те же, что и для сплавов 12ГС, 14Г2, 15Г, 20Г, 15ХСНД, 16Г2АФ. Важной характеристикой сплавов 09Г2С, 10Г2С1 является отсутствие необходимости подготовки кромок для деталей диаметром до 4 см.

Сварка среднелегированных сталей

Среднелегированные 25ХГСА, 35ХГСА (гост 4543-71) производят более значительное сопротивление формированию ненапряженных швов. Они относятся к группе с удовлетворительной свариваемостью. Требуют предварительного подогрева до температур 150-200˚С, выполнения многослойных швов, закалки и отпуска по завершении сварочных работ. Варианты выполнения:

• Сила тока и диаметр электрода при сваривании электрической дугой выбирается строго в зависимости от толщины металла, с учетом того, что более тонкие кромки сильнее подвергаются закалке во время работ. Так при диаметре изделия 2-3 мм значение тока должно быть в пределах 50-90 А. При толщине кромок 7-10 мм сила постоянного тока обратной полярности увеличивается до 200 А с использованием электродов 4-6мм. Используются стержни с целлюлозными или фтористо-кальциевыми защитными покрытиями (Св-18ХГСА, Св-18ХМА).
• При работе в среде защитного газа СО 2 необходимо использовать проволоку Св-08Г2С, Св-10Г2, Св-10ГСМТ, Св-08Х3Г2СМ диаметром до 2 мм.

Часто для этих материалов применяют аргонодуговой способ или сварку под флюсом.

Теплоустойчивые и высокопрочные стали

Сварочные работы с теплоустойчивыми железоуглеродистыми сплавами 12МХ, 12Х1М1Ф, 25Х2М1Ф, 15Х5ВФ необходимо проводить с предварительным подогревом до температур 300-450˚С, с завершающей закалкой и высоким отпуском.

• Электродуговая сварка каскадным способом оформления многослойного шва, с использованием прокаленных покрытых электродов УОНИИ 13/45МХ, ТМЛ-3, ЦЛ-30-63, ЦЛ-39.
• Газовая сварка с подачей ацетилена 100 дм 3 /мм с использованием присадочных материалов Св-08ХМФА, Св-18ХМА. Соединение труб выполняется с предыдущим газовым подогревом всего стыка.

При сварке среднелегированных высокопрочных материалов 14Х2ГМ, 14Х2ГМРБ важно руководствоваться теми же правилами, что и для теплоустойчивых сталей, с учетом некоторых нюансов:

• Тщательная зачистка кромок и использование прихваток.
• Высокотемпературное прокаливание электрода (до 450˚С).
• Предварительный подогрев до 150˚С для деталей толщиной больше 2 см.
• Медленное охлаждение шва.

Высоколегированные стали

Применение особой технологии необходимо при сваривании К ним относится огромный диапазон нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сплавов, некоторые из них: 09Х16Н4Б, 15Х12ВНМФ, 10Х13СЮ, 08Х17Н5МЗ, 08Х18Г8Н2Т, 03Х16Н15МЗБ, 15Х17Г14А9. Свариваемость сталей (ГОСТ 5632-72) относится к 4-й группе.

Характеристика свариваемости стали высокоуглеродистой высоколегированной:

1. Необходимо снижение силы тока в среднем на 10-20 % в связи с их низкой теплопроводностью.
2. Сварка должна проводиться с зазором, электродами размером до 2 мм.
3. Снижение содержания фосфора, свинца, серы, сурьми, увеличение численного наличия молибдена, ванадия, вольфрама посредством использования специальных покрытых стержней.
4. Необходимость формирования смешанной микроструктуры шва (аустенит + феррит). Это обеспечивает пластичность и минимизацию внутренних напряжений.
5. Обязательный подогрев кромок накануне сварочных работ. Температура выбирается в интервале от 100 до 300˚С, в зависимости от микроструктуры конструкций.
6. Выбор покрытых электродов при дуговой сварке определяется типом зерен, свойствами и условиями работы деталей:для аустенитной стали 12Х18Н9: УОНИИ 13/НЖ, ОЗЛ-7, ОЗЛ-14 с покрытиями Св-06Х19Н9Т, Св-02Х19Н9; для мартенситной стали 20Х17Н2: УОНИИ 10Х17Т, АН-В-10 с покрытием Св-08Х17Т; для аустенитно-ферритной стали 12Х21Н5Т: ЦЛ-33 с покрытием Св-08Х11В2МФ.
7. При газовой сварке подача ацетилена должна соответствовать значению 70-75 дм 3 /мм, используемая присадочная проволока - Св-02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б.
8. Возможны работы под флюсом с использованием НЖ-8.

Свариваемость стали - относительный параметр. Он зависит от химического состава металла, его микроструктуры и физических свойств. При этом способность образовывать качественные соединения может корректироваться с помощью продуманного технологического подхода, специального оборудования и условий выполнения работ.