Показатели свариваемости и их оценка

При определении свариваемости исходят из физической сущности сварки и отношения к ней металлов.

Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств – равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционности, прочности, вязкости и т. д. Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова.

Свариваемость характеризуется способностью изменять свойства шва и сварного соединения по сопоставлению со свойствами основного металла, способностью к взаимной кристаллизации.

Степень свариваемости металла считается более высокой, если для сварки можно применить много ее способов и различные режимы при каждом способе, как, например, для низкоуглеродистой стали.

Сварка – это сочетание нескольких одновременно протекающих процессов: взаимная кристаллизация металлов, тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния и кристаллизация шва.

Взаимная кристаллизация, в принципе, всегда возможна, если металлы однородны.

Для качественной сварки металлы должны обладать свойствами принципиальной (физической) свариваемости и технологической свариваемости. Единого показателя свариваемости металлов нет.

Принципиальная, или физическая свариваемость – это способность металлов в условиях сварки образовывать соединение на основе взаимной кристаллизации. Принципиальной свариваемостью обладают все однородные металлы. Не свариваются металлы, не обладающие взаимной растворимостью, пá ры металлов образуют не межатомные связи, а хрупкие химические соединения.

Например, свинец и медь образуют несмешивающиеся пá ры. Необходимо также условие сходимости металлов, например, по атомному весу, температуре плавления и др.

По этим причинам не свариваются алюминий и висмут. Медный сплав и титан, а также сталь и титан не обладают взаимной растворимостью, но задача их соединения решается с применением металловставок, например: медь + тантал + титан; титан + ванадий + сталь. Металл вставки образует смешивающиеся пары с обоими свариваемыми металлами. Но принципиального соединения еще мало, так как нужно еще и качество по прочности. При соединении сваркой несмешивающихся металлов, например, железа со свинцом, меди со свинцом и других, зоны сплавления нет, атомного сцепления не будет, произойдет «слипание» металлов.

Технологическая свариваемость — совокупность свойств основного металла, определяющих чувствительность его к термическому циклу сварки и способность при данной технологии сварки образовывать сварное соединение надлежащего качества по прочности и вязкости без применения специальных технологических приемов (подогрева, отжига и т. д.).

Технологическая свариваемость, в свою очередь, подразделяется на тепловую (отношение металла к тепловому воздействию) и металлургическую технологическую свариваемость, которая учитывает отношение металла к плавлению, металлургической обработке и кристаллизации.

Учитывается как критерий свариваемости окисляемость металла, стойкость к горячим и холодным трещинам. Особого внимания заслуживает участок перегрева в ЗТВ — как самая ослабленная область в сварном соединении.

Она нагревается до температуры 1100…1400 ⁰С, поэтому структура металла в этой зоне крупнозернистая, с пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева (как у газовой сварки).

Оценочным показателем свариваемости металлов служит сопротивляемость к образованию горячих и холодных трещин. Существует много методов оценки свариваемости, применяемых в машиностроении и описанных в литературе, но они распространяются на однородные и, главным образом, стальные материалы. Всеони имеют одну основную цель – оценить свариваемость металлов по стойкости против образования горячих и холодных трещин и склонности образовывать закалочные структуры в зоне термического влияния (ЗТВ). На состояние ЗТВ влияет содержимое химических элементов в стали, особенно углерода.

Для определения свариваемости металлов используются, в основном, два метода: моделирование условий работы сварного соединения, близких к реальным, с изготовлением образцов соединения, и пробы – испытание при сварке либо после сварки, с оценкой свариваемости, технологические пробы и т.д.

Косвенные, количественные методы оценки свариваемости по химическому составу металла. До сих пор не существует достаточно надежной и достоверной единой системы определения свариваемости металлов.

В практической деятельности удобно пользоваться марочниками сталей и сплавов, в которых в разделе технологических свойств на каждую марку сталей приводятся и сведения о свариваемости, способах и условиях сварки.

На практике используются четыре вида испытания металла на свариваемость.

1 Определение стойкости металла шва против образования горячих (кристаллизационных) трещин.

2 Определение стойкости металла околошовной зоны против образования холодных трещин.

3 Испытание стойкости основного металла и металла околошовной зоны и шва, а также всего сварного соединения в целом, против перехода в хрупкое состояние (охрупчивание).

4 Проверка соответствия сварного соединения специальными заданными свойствами служебного характера.

Общее число методов испытаний по этим четырем направлениям достигает более 150. Идея (принцип) метода технологических проб состоит в том, что кристаллизация проходит в состоянии пластин, закрепленных разными конструктивными приемами. При этом склонность к трещинам определяется наглядно. Для исключения ошибки выводы делаются по трем образцам.

Заслуживает внимание еще метод МВТУ им. Баумана, когда сварка стыка выполняется одновременно с медленным растягиванием пластин. Этим выявляется критическая скорость растяжения, при которой появляются горячие трещины, и устанавливается стойкость металла образца в миллиметрах в секунду (мм/с) к образованию горячих трещин.

А в остальных методах напряжение растяжения создается за счет усадки металла. Все другие методы, в основном, моделируют условия работы сварного соединения.

Косвенные методы оценки свариваемости металлов (количественные) заключаются в оценке количества углерода и легирующих элементов в стали, и полученное количество сопоставляется с так называемым эквивалентным содержанием углерода – С_экв, по которому оценивают свариваемость. Формул для определения С_экв до десятка, и достоверность их, в принципе, тоже относительная, так как формулы эти эмпирические, т.е. без вывода. Вот некоторые из них:

1) С_экв = С + Мn/6 + Сr/6 + Si/5 + Cu/7 + Р/2 + Ni/12 + Mo/4 + V/5.

Это более уточненная формула для всех сталей, т.е общепринятая формула;

2) для малоуглеродистых сталей: С_экв = С + Мn/6 + 0, 024S,

где S – толщина свариваемой кромки (наибольшей);

3) для легированных сталей:

С_экв = С + Мn/20 + Ni/15 + (Сr + Mo + V)/10 + 0, 0248S,

где S — толщина металла;

4) для различных сталей:

С_экв = С + Mn/6 + Сr/3 + Ni/15 + V/5;

5) С_экв = С + Мn/6 + (Сr + Мо + V)/5 + (Ni + Cu)/15 — для всех марок сталей.

Во всех формулах ставится количество указанного элемента в процентном содержании, затем выполняется вычисление.

При С_экв < 0, 45 – свариваемость хорошая для легированных сталей.

При С_зкв < 0, 49 – свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.

При С_экв > 0, 45 до 0, 5 – свариваемость удовлетворительная и требуется подогрев.

При С_экв > 0, 5 до 0, 6 – свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.

При С_экв > 0, 6 до 0, 8 – свариваемость плохая.

В общем случае, по свариваемости все стали условно подразделяют на четыре группы.

1 Хорошо сваривающиеся – до 0, 3 % углерода.

2 Удовлетворительно сваривающиеся – до 0, 38 % углерода.

3 Ограниченно сваривающиеся – до 0, 48 % углерода.

4 Плохо сваривающиеся – свыше 0, 48 % углерода.

Как видно, основным критерием этого разделения является количество углерода (не эквивалента углерода). Углерод влияет на склонность к закалочным структурам в околошовной зоне и на образование холодных трещин при наличии таких структур.

Для получения качественного сварного соединения из сталей с плохой свариваемостью необходимо применять различные специальные технологические приемы, например различные виды термообработки (подогрев, отжиг, нормализация, отпуск), как перед сваркой, так и в процессе сварки и после нее.

При оценке на свариваемость сталей учитывают, что:

1 Углерод увеличивает твердость и уменьшает пластичность, приводит к закаливаемости ЗТВ и к появлению трещин, вызывает большое количество газовых пор в процессе окисления при сварке.

2 Марганец – при содержании до 1% не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. Как хороший раскислитель, он способствует уменьшению содержания кислорода в стали.

При содержании марганца более 2, 5% свариваемость ухудшается, так как повышается твердость стали, появляются закалочные структуры, и могут быть трещины.

3 Кремний – до 1% вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. Но при содержании кремния более 2, 5% свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие оксиды, ведущие к появлению шлаковых включений, повышаются прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость.

4 Хром – до 0, 6% не отражается на свариваемости. При содержании более 1 % хрома свариваемость ухудшается иособо при повышении содержания углерода.

5 Никель – в обычных углеродистых сталях никеля до 0, 3%, а в высоколегированных – до 28%. Никель, вместе с прочностью, повышает и пластичность металла и не ухудшает, а даже улучшает свариваемость

6 Молибден – в сталях от 0, 5 до 3% в сильной степени увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость повышением склонности к образованию трещин в шве и переходной зоне.

7 Медь – в сталях до 1% улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость.