Свариваемость стали

СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Понятие о свариваемости металлов

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 металла к тепловому воздействию сварки, к образованию пор, соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям. 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, 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.

Оценка свариваемости металлов

В зависимости от свойств свариваемого металла, требований, предъявляемых к сварному соединению, оценку свариваемости можно проводить 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.

Технологическая и физическая свариваемость

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

Свариваемость металла зависит от его химических ифизических свойств, кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и других факторов.

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.

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 С0,35%, 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% Мпа) 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 сталей 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 – Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, 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 – Ст6, 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 Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5 применяют при изготовлении строи­тельных конструкций, арматуры, горячекатаных и сварных труб с прямым и спиральным швами. Из стали Ст3 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 степень 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 металлографических 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 и 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 металл 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, учитывающему химический со­став свариваемого металла;

Классификация стали по степени свариваемости

Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида сталей: кипящая - «кп», полуспокойная - «пс» и спокойная - «сп».

Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполномраскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение между кипящей и спокойной.

Все эти свойства учитывают при выборе технологических приемов сварки, способов формирования сварочного шва, параметров теплового воздействия и т.д.Для сварных конструкций лучше всего использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие высокой степенью свариваемости. Наибольшее влияние на качество сварного соединения оказывает углерод.

Классификация сталей по свариваемости

Примечание: Стали, относящиеся к хорошим, имеют содержание углерода менее 0,25%. Они хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов сварки.

Стали, относящиеся к удовлетворительным, имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильно подобранных режимах сварки дают качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.

Ограниченно свариваемые стали имеют содержание углерода от 0,36 до 0,45% и склонны к образованию трещин. Сварка требует обязательного подогрева. Плохо свариваемые стали содержат углерод в количестве более 0,45%. При их сварке требуются специальные технологические процессы.

Легирование стали одним или несколькими легирующими элементами придает ей определенные физико-механические свойства. Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости и первостепенная роль в этом принадлежит углероду.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение же при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно у термоупрочненных сталей, вызывает определенные трудности. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны становятся участками деформационного старения. Это в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин. В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали имеют высокую чувствительность к термическому циклу сварки. Их околошовная зона оказывается резко закаленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.

При сварке высоколегированных хромистых 08X13, 08Х17Т и некоторых других сталей существуют отличительные особенности:

• высокий порог хладноломкости стали, находящийся обычно в области положительных температур;

• склонность к значительномуохрупчиванию в околошовной зоне;

• низкая пластичность и вязкость металла шва, выполненного сварочными материалами аналогичного со сталью химического состава;

• невозможность устранить охрупчивание термообработкой.

Сварку таких сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением погонной энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопротивляемость сварного соединения локальным повреждениям и межкристаллической коррозии. В процессе сварки возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений. После сварки в ряде случаев требуется термообработка.

Окисляемость металла под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты сварочного шва, применяемого при сварке. Чем выше химическая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие. Поэтому при сварке этих металлов недостаточно применение флюсов и защитных покрытий, так как в защите нуждаются не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффективной защитой в данном случае служит сварка в вакууме или в среде инертного газа высокой чистоты.

Сварка остальных цветных металлов (меди, алюминия, магния, никеля и их сплавов) тоже требует высокой защиты, которую обеспечивают инертные газы, флюсы и специальные электродные покрытия. Для сварки сталей и сплавов на основе железа в качестве защитных средств используют флюсы и электродные покрытия.