Электротехника
Что значит ограниченно свариваемая сталь. Свариваемость стали, углеродный эквивалент, показатель свариваемости, параметр эквивалентного легирования. Сварка сталей и сплавов

Что значит ограниченно свариваемая сталь. Свариваемость стали, углеродный эквивалент, показатель свариваемости, параметр эквивалентного легирования. Сварка сталей и сплавов

Свариваемость - комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.

Три группы факторов, определяющих свариваемость:

1.Химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей.

2.Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.

3.Технологический фактор: вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы:«Как изменяются свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа - хорошо сваривающиеся; вторая группа - удовлетворительно сваривающиеся; третья группа - ограниченно сваривающиеся; четвертая группа - плохо сваривающиеся.

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей,- склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т. е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают обработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Сварочные преобразователи: устройство, регулировка

Сварочного тока, технические характеристики, схемы

Включения.

Для ручной дуговой сварки и сварки на автоматах, снабженных авторегуляторами напряжения, автоматически воздействующими на скорость подачи электродной проволоки, требуются источники питания с падающими внешними характеристиками. Для питания автоматов и полуавтоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, в том числе для сварки в углекислом газе и порошковой проволокой СП-2, необходимы генераторы с жесткими внешними характеристиками. Поскольку на заводах и монтажных площадках механизированные методы сварки используются в сочетании с ручной дуговой сваркой, требуются универсальные источники, обеспечивающие как падающие, так и жесткие внешние характеристики. Для этой цели разработана конструкция универсального сварочного преобразователя ПСУ-300, генератор которого имеет одну обмотку возбуждения. Внешние характеристики в этом генераторе создаются с помощью триода ПТ, включенного в цепь обмотки возбуждения ОВ, и обратной связи по току нагрузки (рис. 108). Он является четырех полюсным генератором постоянного тока нормального исполнения, его обмотка возбуждения ОВ размещена на четырех главных полюсах и питается от устройства управления, размещенного на корпусе преобразователя.

Рис. 108. Упрощенная электрическая схема универсального преобразователя ПСУ-300

Сварочная цепь и цепь обмотки возбуждения связаны между собой стабилизирующим трансформатором Тр, предназначенным для обеспечения динамических свойств генератора.
Величину сварочного тока регулируют реостатом – регулятором ДП, установленным на передней стенке управления. По мере роста сварочного тока сопротивление триода возрастает, ток возбуждения уменьшается, уменьшается и эдс генератора, т. е. характеристика получается падающей. При переключении цепей управления внешняя характеристика становится жесткой. Основные технические данные универсальных преобразователей даны в табл. 32.

32. Основные технические данные универсальных преобразователей

Выполнить практическое задание (устно):

3. Подготовка, сборка, прихватка и сварка трёх полос металла длиной 80 см, толщиной 16 мм (изготовление швеллера).

Ответить на теоретические вопросы.

К рассматриваемой группе относятся стали, содержащие углерода в пределах 0,25-0,50% и с суммарным легированием до 4%. Они относятся к высокопрочным сталям. При соответствующей термической обработке временное сопротивление сталей может составлять от 80 до 150 кгс/мм 2 . Примеры марок стали - 35Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 50Г2, 30ХГТ, 30ХГНА, З0ХГСА и др. По чувствительности к термодеформационному циклу сварки к этой же группе можно отнести углеродистые стали (ст30, 35, 40, 50) и теплоустойчивые стали (молибденовое, хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые (20М, 20ХМ, З8ХМЮА, 25Х1М1 и др.).

Для снижения скорости охлаждения в ЗТВ в интервале температур распада аустенита (800-500 °С) с целью получения в ней равновесных структур, обладающих некоторым запасом пластичности, применяется предварительный подогрев свариваемого изделия.

Вторым нежелательным эффектом воздействия сварочного термического цикла на низколегированную сталь с повышенным содержанием углерода является рост зерна на участках ЗТВ, где металл длительное время пребывал при температурах выше 1200°С. Поэтому выбор температуры подогрева стали проводить с учетом склонности стали к росту зерна. Во многих сталях при всех скоростях охлаждения в околошовной зоне образуется мартенситная структура в таком количестве, при котором пластичность металла будет низкой. Уменьшение скорости охлаждения ниже некоторого предела, не предупреждая образования мартенсита, приведет к значительному росту зерна, вызывающему резкое снижение пластичности. Следовательно, чрезмерно высокий подогрев не только не принесет пользы, а наоборот, может вызвать заметное ухудшение свойств (прежде всего ударной вязкости) металла ЗТВ. Поэтому температура подогрева в этом случае должна быть такой, которая гарантировала бы отсутствие трещин, а улучшение структуры производить строго регламентированной последующей термообработкой.

При разработке технологического процесса сварки сталей данного класса необходимо знать диапазон скоростей охлаждения металла ЗТВ (ω охл), в котором не возникают трещины и получается удовлетворительное сочетание механических свойств. Сварка на режимах, при которых ω охл околошовной зоны выше верхнего предела, вызывает резкое снижение пластичности металла ЗТВ за счет ее закалки. Режимы, приводящие к слишком малой скорости охлаждения (ниже нижнего предела) снижают пластичность и вязкость вследствие чрезмерного роста зерна.

Для многих сталей известен диапазон скоростей охлаждения,
гарантирующих качественное сварное соединение.

Например 35ХГСА (2,5-6 °С при Т = 500°С); 40Х=2,5-3,7; 45ХМА-0,7*

З0Г 3,0 -7,0 З0ХМ - 8* * - время после окончания сварки
25ХН2 2^0-3,7 З5ХВФА 1,0-5,0 до проведения термообработки
25НЗ 0,8 -11,0 * жестко регламентировано.

Таким образом, при расчете параметров режима сварки закаливающихся сталей необходимо рассчитать режим свирки по условиям получения швов заданных геометрических размеров и формы; рассчитать действительную скорость охлаждения ω охл металла ЗТВ (в зависимости от условия проведения сварки) и результаты расчета сравнить с данными о допустимых скоростях охлаждения для данной стали; если действительная скорость охлаждения металла ЗТВ при сварке на принятом режиме окажется выше верхнего предела допустимых скоростей, то необходимо рассчитать температуру предварительного подогрева или применить некоторые технологические приемы заполнения разделки кромок (двухдуговая сварка раздвинутыми дугами, каскадом, горкой и др.). Если сталь склонна к значительному росту зерна, а действительная скорость охлаждения металла ЗТВ по расчету оказалась меньше нижнего предела допустимых, следует увеличить число слоев в шве, и сварить их длинными швами. При выборе новых режимов следует определить действительные скорости охлаждения.

В том случае, если отсутствуют сведения по допускаемой скорости охлаждения ОШЗ при сварке стали, можно пользоваться диаграммой изотермического распада аустенита для приближенного определения допустимой скорости охлаждения в субкритическом интервале температур (если отсутствуют специальные диаграммы анизотермического превращения для данной стали).

Пользуясь диаграммой изотермического распада, можно приближенно рассчитать скорость охлаждение в субкритическом интервале температур, обеспечивающую полное или частичное отсутствие закалки металла в околошовной зоне.

где Т 1 - температура, соответствующая точке Ас 1 (начала распада аустенита.);

Т m - температура min устойчивости аустенита (определяется по изотермической диаграмме);

t min - min продолжительность полного изотермического, распада аустенита, с

55 - поправка на непрерывность процесса охлаждения.

коэффициент 3 учитывает поправку на непрерывность охлаждения и и замедление распада аустенита из-за роста зерна.

Для определения скорости охлаждения и время пребывания металла околошовной зоны в определенном интервале температур можно пользоваться зависимостями, приведенными по курсу ТСП.

Для приближенной оценки необходимости и температуры подогрева перед сваркой можно пользоваться так называемым полным эквивалентом углерода С э, определяемый по формуле:

С э = (С+Mn/6 + Si/24 + Ni/10 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 + 5B) (1 + 0,005d) (2.2)

после определения полного эквивалента углерода рассчитывают температуру предварительного подогрева.

Т П = 350 (2.3)

Для получения сварных соединений, обладающих высокой работоспособностью, после сварки, как правило, необходима термообработка для восстановления свойств 0ШЗ.

Стали являются самыми широко применяемыми конструкционными материалами. При строительстве мостов, зданий и многих других строительных конструкций сталь необходимо сваривать. Конструкционная прочность стальной конструкции зависит не только от прочности стали, но также и от прочности сварных швов. Вот почему свариваемость стали всегда является очень важным вопросом.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Многие низкоуглеродистые стали легко свариваются. Сварка среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей представляет собой более трудную задачу, так при сварке зоне термического влияния сварки может образовываться мартенсит, что приведет к значительному снижению вязкости сварного шва.

Для повышения свариваемости сталей предпринимают различные меры, такие как подогрев материала или минимизация поглощения сталью водорода. Поглощение сталью водорода делает сталь более хрупкой.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

В низкоуглеродистых сталях прочность сварных участков является более высокой, чем у основного металла. Это связано с тем, что при охлаждении зоны термического влияния сварки в ней образуется мелкодисперсная перлитная структура. Кроме того, остаточный аустенит вдоль границ перлитных зерен сдерживает кристаллизацию и поэтому способствует сохранению мелкого зерна, что также дает вклад в повышение прочности сварного участка.

Превращения стали в зоне сварного шва

В ходе сварки сталь вблизи сварного шва разогревается выше критической температуры А 1 и образуется аустенит (рисунок а). При охлаждении аустенит в этой нагретой зоне превращается в новую структуру, тип которой зависит от скорости охлаждения и диаграммы термокинетического превращения стали.

Обыкновенная низкоуглеродистая сталь имеет настолько низкую закаливаемость, что при обычных скоростях охлаждения на воздухе мартенсит почти никогда не образуется (рисунок б).

Легированную же сталь перед сваркой специально подогревают, чтобы снизить скорость охлаждения сварного шва или подвергают сварное соединение дополнительной термической обработке для отпуска образовавшегося мартенсита (рисунок в).

Рисунок – Превращения стали в зоне термического влияния сварки:
а) структура стали при максимальной температуре нагрева в зоне сварки;
б) структура стали с низкой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения;
в) структура стали с высокой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения.

Свариваемость закаленной стали

Свариваемость стали , которая перед сваркой подвергалась закалке и отпуску, имеет два рода проблем. Во-первых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагревается выше температуры А 1 , может при охлаждении образовывать мартенсит. Во-вторых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагрелся ниже температуры А 1 , может подвергнуться чрезмерному отпуску. По-хорошему, сталь в закаленном и отпущенном состоянии сваривать нельзя.

Свариваемость сталей

Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы:

К группе 1 относят стали, сварка которых может быть выполнена без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Но применение термообработки не исключается для снятия внутренних напряжений.

К группе 2 относят преимущественно стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещины не образуются, а также стали, которые для предотвращения трещин нуждаются в предварительном нагреве, стали, которые необходимо подвергать предварительной и последующей термообработке.

К группе 3 относят стали, склонные к образованию трещин в обычных условиях сварки. Их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Большинство сталей этой группы термически обрабатывают и после сварки.

К группе 4 относят стали, наиболее трудно сваривающиеся и склонные к образованию трещин. Сваривают обязательно с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

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.

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.

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.

Большинство низколегированных конструкционных сталей обладает удовлетворительной свариваемостью. Ввиду возросшего значения сварки конструкционная низколегированная сталь новых марок, как правило, отличается удовлетворительной свариваемостью. Если же испытания пробных партий стали показывают недостаточно удовлетворительную свариваемость, то обычно для улучшения свариваемости изготовители корректируют состав стали. В некоторых случаях требуется небольшой предварительный подогрев стали до 100-200 °С, реже приходится прибегать к последующей термообработке. Для предварительной грубой качественной оценки свариваемости низколегированных сталей иногда прибегают к подсчету эквивалента углерода по химическому составу стали по следующей эмпирической формуле:

где символы элементов означают процентное содержание их в стали. При эквиваленте углерода меньше 0,45 свариваемость стали может считаться удовлетворительной, если же эквивалент углерода больше 0,45, то необходимо принимать специальные меры, например, проводить предварительный подогрев и последующую термообработку. Метод оценки свариваемости по эквиваленту углерода является ориентировочным и далеко не всегда дает верные результаты.

По структуре низколегированные стали относятся обычно к перлитному классу, большое разнообразие химического состава низколегированных сталей весьма затрудняет получение одинакового состава наплавленного и основного металлов при сварке плавлением, что требует большого разнообразия присадочных материалов. Поэтому, за исключением некоторых особых случаев, когда требуется соответствие химического состава основного и наплавленного металлов (например, получение устойчивости против коррозии, крипоустойчивости и т. п.), обычно ограничиваются получением необходимых механических свойств наплавленного металла, не принимая во внимание его химический состав. Это позволяет при сварке многих сортов сталей пользоваться немногими видами присадочных материалов, что является существенным практическим преимуществом. Например, электродами УОНИ-13 успешно свариваются десятки марок углеродистых и низколегированных сталей. В сварных конструкциях низколегированные стали обычно предпочитают углеродистым той же прочности. Для установления необходимости небольшого предварительного подогрева и последующего отпуска часто принимают во внимание максимальную твердость металла зоны влияния. Если твердость не превышает НВ 200-250, то подогрев и отпуск не требуются, при твердости НВ 250-300 подогрев или отпуск желательны, при твердости выше НВ 300-350 – обязательны.

Из высоколегированных сталей обладают хорошей свариваемостью и находят широкое применение в сварных конструкциях стали аустенитного класса. Наиболее широко применяются хромоникелевые аустенитные стали, например общеизвестная нержавеющая сталь 18-8 (18% Сr и 8% Ni). Хромоникелевые аустенитные стали применяются как нержавеющие, а при более высоком легировании, например при содержании 25% Сr и 20% Ni, они являются и жароупорными сталями. Содержание углерода в хромоникелевых аустенитных сталях должно быть минимальным, не превышающим 0,10-0,15%, иначе возможно выпадение карбидов хрома, резко снижающее ценные свойства аустенитной стали.

Для частей машин, работающих на истирание, например для щек камнедробилок, а также для рельсовых крестовин, применяется обычно в форме отливок сравнительно дешевая марганцовистая аустенитная сталь, содержащая 13-14% Мn и 1-1,3% С.

Сварка аустенитных сталей должна, как правило, сохранить структуру аустенита в сварном соединении и связанные с аустенитом ценные свойства: высокое сопротивление коррозии, высокую пластичность и т. д. Распад аустенита сопровождается выпадением карбидов, образуемых освобождающимся из раствора избыточным углеродом. Распаду аустенита способствуют нагрев металла до температур ниже точки аустенитного превращения, уменьшение содержания аустенитообразующих элементов, повышение содержания углерода в низкоуглсродистых аустенитных сталях, загрязнение металла примесями и т. д. Поэтому при сварке аустенитных сталей следует сокращать до минимума продолжительность нагрева и количество вводимого тепла и применять возможно более интенсивный отвод тепла от места сварки – посредством медных подкладок, водяного охлаждения и т. д.

Аустенитная сталь, предназначенная для изготовления сварных изделий, должна быть высшего качества, с минимальным количеством загрязнений. Поскольку распад хромоникелевого аустенита вызывается образованием и выпадением карбидов хрома, стойкость аустенита может быть повышена введением в металл карбидообразователей более сильных, чем хром. Для этой цели оказались пригодными титан и ниобий, в особенности первый элемент, к тому же не являющийся дефицитным. Титан весьма прочно связывает освобождающийся углерод, не позволяя образовываться карбидам хрома, и тем самым предотвращает распад аустенита. Для сварки рекомендуется применять аустенитную сталь с небольшим содержанием титана. Хорошей свариваемостью отличается, например, нержавеющая аустенитная хромоникелевая сталь X18Н9T типа 18-8 с небольшим количеством титана (не свыше 0,8%).

Более строгие требования, естественно, предъявляются к присадочному металлу, который должен быть аустенитным, желательно с некоторым избытком легирующих элементов, с учетом возможного их выгорания при сварке и со стабилизирующими добавками – титаном или ниобием. ГОСТ 2240-60 предусматривает аустенитную присадочную проволоку для сварки нержавеющих и жароупорных сталей. Аустенитная присадочная проволока иногда применяется и для сварки сталей мартенситного класса. Дефицитность и высокая стоимость аустенитной хромоникелевой проволоки заставляют разрабатывать более дешевые заменители.

Стали мартенситного класса, отличающиеся высокой прочностью и твердостью, находят применение как инструментальные стали, как броневые и т. д. Сварка их связана с известными трудностями. Стали легко и глубоко закаливаются, поэтому после сварки обычно необходима последующая термообработка, заключающаяся в низком или высоком отпуске. Часто необходим также предварительный подогрев изделия. Существенное значение может иметь предшествующая термообработка изделия перед сваркой; желательно по возможности равномерное мелкодисперсное распределение структурных составляющих. При сварке плавлением часто отказываются от сходства наплавленного и основного металла не только по химическому составу, но и по механическим свойствам, стремясь в первую очередь обеспечить повышенную пластичность наплавленного металла и устранить образование в нем трещин. Для этой цели при дуговой сварке довольно часто применяют, например, электроды из аустенитной стали.

Стали карбидного класса применяют главным образом как инструментальные, и на практике чаще приходится иметь дело не со сваркой, а с наплавкой этих сталей при изготовлении и восстановлении металлорежущего инструмента, штампов и т. п. Предварительный подогрев и последующая термообработка для этих сталей по большей части обязательны. Для дуговой сварки и наплавки применяются электродные стержни легированных сталей, близких по свойствам к основному металлу, а также стержни низкоуглеродистой стали с легирующими покрытиями, содержащими соответствующие ферросплавы. По окончании сварки или наплавки обычно производится термообработка, состоящая из закалки и отжига.

Стали ферритного класса отличаются тем, что в них совершенно подавлено или ослаблено образование аустенита при высоких температурах за счет введения больших количеств стабилизаторов феррита. Существенное практическое значение имеют хромистые ферритные стали с содержанием 16-30% Сr и не свыше 0,1-0,2% С, отличающиеся кислотоупорностью и исключительной жаростойкостью. Стали могут быть сварены с присадочным металлом того же состава или аустенитным. Обязателен предварительный подогрев; по окончании сварки производится продолжительный отжиг в течение нескольких часов, за которым следует быстрое охлаждение.

Литература

Сварка, резка и пайка металлов / К.К. Хренов. М., Машиностроение, 1970, 408 с.
Справочник конструктора–машиностроителя. Т.3 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение. 2000. 859 с.
Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
Инструментальные стали. Справочник / Л.А. Позняк. М., Металлургия, 1977, 168 с.

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

хорошая свариваемость
удовлетворительная свариваемость
ограниченная свариваемость
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.

Классификация сталей. Принципы классификации .

По назначению: конструкционные, пружинные, инструментальные, котельные, судовые и тд.

по свойствам: кислотостойкие, жаростойкие, теплоустойчивые, быстрорежущие и тд,

биметаллические материалы и методы их получения

по химическому составу: по содержанию углерода (до 0,25; 0,25…0,45; свыше0,45…или свыше 0,5%С.; по раскисленности(к, пс, с, Табл.1); по методам контроля(только х/с; х/с и свойства; обьем контроля свойств); по содержанию легирующих элементов(н/л Σ≤5% и ≤2% каждого; с/л 5…10% и в/л > 10%);сплавы

по способу выплавки: электро-(дуговые, плазменные, шлаковые), в индукционных печах (втч, вакуумные), конверторные, бессемеровские, мартеновские

по способу переработки: холодно- или горячекатаные, литые, кованные

по свариваемости

Химический состав стали ГОСТ 380 по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерода	марганца
	Не более 0,23
			Не более 0,05


			Не более 0,05


			Не более 0,05


			Не более 0,15

			Не более 0,05




			Не более 0,15
			Не более 0,15

Кое что о металлах.

Маркировка сталей:

Например: Ст 3псВ3, Сталь 20,

Сталь 15 Х1М1ФА

*– только в высоколегированных сталях, не в конце.

Основной легирующий элемент – углерод

Бронзы например Бр.АЖМц10-3-1,5(алюминий,железо,марганец); Бр.КМц3-1; МНЖКТ5-1-0,2-0,2(медь, никель,железо,кремний,титан)

Понятие свариваемости.

Под физической свариваемостью понимают совокупность таких свойств металлов и сплавов, как способность их к взаимной растворимости и диффузии в твердом и жидком состояниях, совместной кристаллизации расплавленных основного и присадочного металлов.

Технологическая свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на процесс сварки и определяющей его относительную техническую пригодность для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям последующей их эксплуатации. Чем больше количество применимых к данному металлу способов сварки и шире для каждого способа сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость. Определение понятия свариваемости приведено в ГОСТ 29273-92.

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям , как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.»

Качественные оценки свариваемости сталей получили широкое распространение в производственной практике как оценки степени свариваемости:

I – хорошая свариваемость – когда в заданных (достаточно широких) технологических (режимы) и конструктивных (способ) условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений;

II – удовлетворительная свариваемость – когда она обеспечивается выбором рационального режима сварки и его соблюдением в процессе изготовления изделия;

III – ограниченная свариваемость – когда необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменять способ сварки;

IV – плохая свариваемость – когда даже при всех принятых специальных технологических мероприятиях не достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений.

При оценке свариваемости главным образом при помощи проб определяют три характеристики: – стойкость против кристаллизационных трещин; – отсутствие трещин в околошовной зоне; – отсутствие перехода металла ЗТВ в хрупкое состояние. Для выс. лег. сталей еще и потеря коррозионной стойкости.

Таким образом при оценке свариваемости должны учитываться во взаимосвязи: – свойства материалов; – тип, габариты и назначение конструкции; – технология сварки.

Испытания на свариваемость.

Методы испытания стойкости к горячим трещинам (образцы переменной жесткости)

Методы испытания стойкости шва и околошовной зоны к появлению холодных трещин (образцы повышенной жесткости).

Методы испытания всех зон на переход в хрупкое состояние (мех. испытания, структурный анализ).

Испытания на стойкость к потере технологических свойств (коррозионных, механических, износостойкости и др).

Факторы влияющие на переход металла в хрупкое состояние:

Внутренние:

– соединения фосфора

– укрупнения зерна

– нитриды (азот)

– гидриды и флокины (водород)

– выпадение охрупчивающих фаз (интерметаллиды)

– концентраторы напряжений

– динамическое нагружение

– низкие температуры.

Основные свойства материалов (металлов) влияющие на их свариваемость.

Физические:

Одно, двух или многофазная структура (например Tiα или α + β, сталь А или А + Ф)

Наличие фазовых переходов в твердом состоянии (полиморфизм)

Температуры фазовых переходов (в т ч – плавления)

Температуры плавления возможных (наиболее частых) химических соединений металла

Растворимость газов в твердой и жидкой фазах

Коэффициент линейного расширения (18-8)

Пластичность в различных диапазонах температур

Вязкость жидкого металла и ее зависимость от температуры (чугун, титан)

Теплопроводность

Плотность

Способность поглощать или отражать фотоны (при лазерной сварке)

Магнитные свойства.(например, в сталях при ЭЛС или магнитное дутье при РДС, пермаллой)

Химические:

Химическая активность при различных температурах

Экзо или эндо- термические реакции

Влияние пассивационных пленок

Склонность к образованию карбидов, боридов и др.

Токсичность (цинк, свинец, бериллий)

Технологические:

Склонность к образованию горячих трещин

Вероятность образования хрупких структур (в т ч закаливаемость)

Склонность к росту зерна

Состояние поставки (история): литье, нагортовка, термообработка, горячая ковка и т. д.

Загрязненность примесями

Дефектность (поры, расслоения, включения) α

Состояние поверхности

Толщина и геометрические формы

Соответствие чертежу

(Все эти факторы применительно к каждому материалу инженер сварщик должен знать и учитывать)

Основные факторы определяющие свариваемость конструкционных материалов.

Свариваемость сталей : определяется содержанием углерода, других легирующих и толщиной.

Низкоуглеродистые стали (Рис.14) с содержанием углерода С0,20 % свариваются без ограничений, С = 0,21…0,25% иS100 мм – требуется подогрев 100…150 о С.

Почему нужен подогрев? Для уменьшения напряжений нужно уменьшать погонную энергию, но при этом растет скорость охлаждения и вероятность появления трещин.

Низколегированные конструкционные стали: 15ГС, 16ГН, 09Г2С и др. приS30 мм свариваются также, как и низкоуглеродистые. ПриS> 30 мм подогрев 100…150 о С.

Низколегированные теплоустойчивые стали (хромо-молибденовые) см таблицу (Рис.14), требуют предварительного подогрева и последующей термической обработки.

Среднелегированные стали повышенной прочности варятся только с подогревом и последующей термической обработкой. Для оценки температуры предварительного подогрева используются эмпирические уравнения влияния легирующих элементов на склонность к хрупкому разрушению. У разных авторов могут различаться набор элементов и коэффициенты при них, но принцип построения сохраняется. В частности по Д. Сефериану с учетом толщины стали:

Т предв. подогр.= 350 ,

С э = С% + 1/9(Mn% + Cr%) + 1/18Ni% + 1/13Mo%.

S– толщина стенки, мм

В случае невозможности подогрева и ТО всей конструкции применяют предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием сварочных материалов не склонных к образованию трещин.

Высоколегированные стали в зависимости от класса могут по-разному воспринимать цикл сварки.

Большое количество легирующих элементов может приводить к химической и, как следствие, структурной неоднородности.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов склонны к закалке и требуют подогрева.

Стали легированные азотом могут образовывать хрупкие трещины в ЗТВ.

Стали аустенитного класса склонны к горячим трещинам. Избежать их можно, добавив в металл шва 5…10% ферритной фазы. Рассчитать требуемый хим состав металла шва позволяет диаграмма Шефлера (Рис. 15).

Важным для высоколегированных сталей является не допустить в процессе сварки потери эксплуатационных свойств (прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и тд).

Особенностями высоколегированных хромо-никелевых сталей являются:

– низкая теплопроводность

– большой коэффициент линейного расширения (≈в 1,5 раза больше, чем углеродистых сталей)

– большая вязкость жидкого металла.

Разнородные стали

Свариваемость соединений из сталей относящихся к разным структурным классам связана, в основном, с тремя факторами:

– Существенное различие коэффициентов линейного расширения

– Образование хрупких структур в шве в процессе перемешивания

– Развитие структурной неоднородности (как правило, в зоне сплавления) в следствие, в том числе, диффузии углерода в строну металла с большей предельной растворимостью.

(Процесс диффузии углерода в сталях (при сварке, термообработке и эксплуатации) начинается с 350 о С и наиболее интенсивно идет в интервале 550…800 о С.)

– Возникшие напряжения в сварных соединениях разнородных сталей нельзя снять (или уменьшить) термообработкой.

Алюминий и его сплавы .

Сварка чистого Alпроизводится редко в основном в электротехнической промышленности где используется холодная сварка давлением.

Alсплавы делятся на две большие группы: термоупрочняемые и деформируемые т.е. упрочняемые наклепом (нагортовкой, деформацией). Общие для всех сплавов проблемы свариваемости следующие:

На поверхности металла всегда имеется плотная тугоплавкая пленка Al 2 О 3 , с температурой плавления 2050 о С, при Т пл Al= 660 о С. Пленка препятствует растеканию и смачиванию жидкого металла и образует острые чешуйчатые оксидные включения.

Высокая жидкотекучесть и резкое падение прочности твердого металла при высоких температурах (вблизи Т пл) приводит к возможности проливания сварочной ванны.

Большая величина коэф. линейного расширения и низкий модуль упругости определяют высокую опасность деформирования конструкции.

Высокая растворимость газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и очень низкая в твердом металле приводит к выделению 90…95% газа в момент кристаллизации, что приводит к интенсивной пористости.

Грубая столбчатая кристаллическая структура шва способствует развитию структурной неоднородности и наряду с П2 появлению горячих трещин особенно у сплавов типа АМг и АМц. (Al-Mg; Al-Mn)

При сварке деформируемух сплавов происходит существенная потеря прочности в зоне рекристаллизации (АМг и АМц).

Термо упрочняемые сплавы системы Al-Zn-MgилиAl-Cu-Mg(дюрали), или сплавы с большим содержаниеSi≥5% (силумины) склонны к охрупчиванию и появлению холодных трещин через некоторое время после сварки.

Технологические приемы применяемые при сварке: качественная очистка места сварки (травление, механическая очистка); подформовка стыка; переменный ток или обратная полярность; правильный выбор присадочного материала.

Титан и его сплавы .

Химически активный конструкционный материал – горит в чистом азоте.

Ручная дуговая
Газовая сварка.

Возможные способы:

Среднелегированные стали

Медленное охлаждение шва.

Высоколегированные стали

[~DETAIL_TEXT] =>

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 Сэкв. Это условный коэффициент, учитывающий степень влияния содержания карбона и основных легирующих элементов на характеристики шва.

На свариваемость сталей влияют следующие факторы:

Наличие вредных примесей.

Степень легирования.

Вид микроструктуры.

Условия внешней среды.

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 Сэкв≥0,25%): для низкоуглеродистых стальных деталей; не зависит от толщины изделия, погодных условий, наличия подготовительных работ .
Удовлетворительная (0,25%≤Сэкв≤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%≤Сэкв≤0,45%): для образования качественного шва необходим предыдущий подогрев. Он способствует «плавным» аустенитным преобразованиям, формированию устойчивых структур (ферритно-перлитные, бейнитные).
Плохая (Сэкв≥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.

По структуре низколегированные стали относятся обычно к перлитному классу. Большое разнообразие химического состава низколегированных сталей весьма затрудняет получение одинакового состава наплавленного и основного металлов при сварке плавлением, что требует большого разнообразия присадочных материалов. Поэтому, за исключением некоторых особых случаев, когда требуется соответствие химического состава основного и наплавленного металлов (например, получение устойчивости против коррозии, крипоустойчивости и т. п.), обычно ограничиваются получением необходимых механических свойств наплавленного металла, не принимая во внимание его химический состав. Это позволяет при сварке многих сортов сталей пользоваться немногими видами присадочных материалов, что является существенным практическим преимуществом. Например, электродами УОНИ -13 успешно свариваются десятки марок углеродистых и низколегированных сталей. В сварных конструкциях низколегированные стали обычно предпочитают углеродистым той же прочности. Для установления необходимости небольшого предварительного подогрева и последующего отпуска часто принимают во внимание максимальную твердость металла зоны влияния. Если твердость не превышает НВ 200-250, то подогрев и отпуск не требуются, при твердости НВ 250-300 подогрев или отпуск желательны, при твердости выше НВ 300-350 - обязательны.

Из высоколегированных сталей обладают хорошей свариваемостью и находят широкое применение в сварных конструкциях стали аустенитного класса. Наиболее широко применяются хромо-никелевые аустенитные стали, например общеизвестная нержавеющая сталь 18-8 (18% Сг и 8% Ni). Хромоникелевые аустенитные стали применяются как нержавеющие, а при более высоком легировании, например при содержании 25% Сг и 20% Ni, они являются и жароупорными сталями. Содержание углерода в хро-моникелевых аустенитных сталях должно быть минимальным, не превышающим 0,10-0,15%, иначе возможно выпадение карбидов хрома, резко снижающее ценные свойства аустенитной стали.

Сварка аустенитных сталей должна, как правило, сохранить структуру аустепита в сварном соединении и связанные с ценные свойства: высокое сопротивление коррозии, высокую пластичность и т. д. Распад аустенита сопровождается выпадением карбидов, образуемых освобождающимся из раствора избыточным углеродом. Распаду аустенита способствуют нагрев металла до температур ниже точки аустенитного превращения, уменьшение содержания аустенитообразующих элементов, повышение содержания углерода в низкоуглеродистых аустенитных сталях, загрязнение металла примесями и т. д. Поэтому при сварке аустенитных сталей следует сокращать до минимума продолжительность нагрева и количество вводимого тепла и применять возможно более интенсивный отвод тепла от места сварки - посредством медных подкладок, водяного охлаждения и т. д.

Аустенитная сталь, предназначенная для изготовления сварных изделий, должна быть высшего качества, с минимальным количеством загрязнений. Поскольку распад хромоникелевого аустенита вызывается образованием и выпадением карбидов хрома, стойкость аустенита может быть повышена введением в металл карбидообразователей более сильных, чем хром. Для этой цели оказались пригодными титан и ниобий, в особенности первый элемент, к тому же не являющийся дефицитным. Титан весьма прочно связывает освобождающийся углерод, не позволяя образовываться карбидам хрома, и тем самым предотвращает распад аустенита. Для сварки рекомендуется применять аустенитную сталь с небольшим содержанием титана. Хорошей свариваемостью отличается, например, нержавеющая аустенитная хромо-никелевая сталь Х18Н9Т типа 18-8 с небольшим количеством титана (не свыше 0,8%).

Более строгие требования, естественно, предъявляются к присадочному металлу, который должен быть аустенитным, желательно с некоторым избытком легирующих элементов, с учетом возможного их выгорания при сварке и со стабилизирующими добавками - титаном или ниобием. ГОСТ 2246-60 предусматривает аустенитную присадочную проволоку для сварки нержавеющих и жароупорных сталей. Аустенитная присадочная проволока иногда применяется и для сварки сталей мартенсигного класса. Дефицитность и высокая стоимость аустенитной хромоникелевой проволоки заставляют разрабатывать более дешевые заменители.

Стали ферритного класса отличаются тем, что в них совершенно подавлено или ослаблено образование аустенита при высоких температурах за счет введения больших количеств стабилизаторов феррита. Существенное практическое значение имеют хромистые ферригные стали с содержанием 16-30% Сг и не свыше 0,1-0,2% С, отличающиеся кислотоупорностью и исключительной жаростойкостью. Стали могут быть сварены с присадочным металлом того же состава или аустенитным. Обязателен предварительный подогрев; по окончании сварки производится продолжительный отжиг в течение нескольких часов, за которым следует быстрое охлаждение.

Для автоматической дуговой сварки легированных сталей открывает новые возможности применение керамических флюсов.

Свариваемость сталей зависит от степени легирования, структуры и содержания примесей. Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда других легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается. Для сварки конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные, а также среднелегированные стали.

Главными трудностями при сварке этих сталей являются:
- чувствительность к закаливаемости и образованию холодных трещин;
- склонность к образованию- горячих трещин;
- обеспечение равнопрочности сварного соединения.

В зависимости от эквивалентного содержания углерода и связанной с этим склонности к закалке и образованию холодных трещин стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся стали.

Свариваемостью называется способность стали образовывать сварное соединение без дефектов, имеющее физические и механические свойства, близкие к свойствам основного металла. Под свариваемостью понимается отношение стали к конкретному способу и режиму сварки.

Под сварным соединением понимается металл шва и околошовная зона основного металла. Околошовной зоной называется узкий участок основного металла вдоль шва, который в процессе сварки не расплавлялся, но подвергался воздействию высоких температур. У некоторых сталей на участке околошовной зоны при нагреве до критической температуры (723°С) и выше происходят структурные фазовые превращения (изменение формы и размеров зерен). Это явление называется вторичной кристаллизацией. Участок околошовной зоны таких сталей, на котором произошла вто-р^чная кристаллизация, называется зоной термического влияния. При ручной дуговой сварке покрытыми электродами ширина зоны термического влияния мсжет составлять 3-6 мм. В металле шва могут возникнуть дефекты - трещины и поры. На участке зоны термического влияния также могут появляться трещины.

Оценка степени свариваемости. Степень свариваемости данной стали тем выше, чем больше способов сварки может быть к ней применено и чем шире пределы режимов каждого способа.

Свариваемость сталей оценивают по следующим, наиболее характерным показателям:
1) Стойкость металла шва против образования горячих трешки;
2) Стойкость сварного соединения против образования холодных трещин;
3) Структура шва и околошовной зоны, их твердость;
4) Прочность, пластичность и вязкость сварного соединения;
5) Свойства сварного соединения, обусловленные эксплуатационными требованиями (жаростойкость, стойкость против химической коррозии и т. д.).

Из перечисленных показателей в каждом конкретном случае определяют не все, а только те, которые имеют решающее значение для данной конструкции. В зависимости от условий эксплуатации могут определяться другие показатели свариваемости. Но во всех случаях основным показателем свариваемости сталей является стойкость сварного соединения против образования горячих и холодных трещин.

Горячие и холодные трещины. Трещины являются самым серьезным дефектом сварки, часто приводящим к неисправимому браку. Различают трещины горячие и холодные.

Горячие трещины возникают в сварных соединениях при температурах свыше 1000°С в период кристаллизации. В большинстве случаев они возникают по границам зерен металла.

Причины образования горячих трещин:
а) неправильное, жесткое закрепление свариваемых деталей, в результате чего в металле появляются растягивающие усилия;
б) уменьшение объема металла при затвердевании, вызывающее образование усадочных раковин и возникновение внутренних остаточных напряжений.

С увеличением содержания в стали элементов, образующих химические соединения с низкой температурой плавления (сера, хром, молибден), вероятность образования горячих трещин увеличивается.

Холодные трещины возникают в сварных соединениях при температурах ниже 1000°С в процессе остывания до окружающей температуры, а также появляются в условиях эксплуатации. Они возникают, как правило, по кристаллам (зернам).

Образование холодных трещин при сварке вызывается резкими изменениями механических свойств, характером напряженного состояния в процессе структурных превращений (вторичная кристаллизация).

Причины образования холодных трещин:
а) повышенное содержание в стали углерода и легирующих элементов, вызывающих закалку и местные структурные напряжения;
б) растягивающие напряжения, вызванные неравномерным нагревом и остыванием при сварке.

Загрязнение основного металла фосфором и насыщение металла шва водородом в процессе сварки увеличивают склонность к образованию холодных трещин.

Влияние химического состава сталей на свариваемость. На свариваемость сталей решающее влияние оказывает химический состав. От него зависят физические свойства стали и структура, которые могут измениться под влиянием нагрева и охлаждения в процессе сварки.

Повышенное содержание в стали углерода, марганца (Г), кремния (С), хрома (X), ванадия (Ф), вольфрама (В) улучшает эксплуатационные характеристики сталей, но затрудняет сварку конструкций из таких сталей.

Присутствие в стали меди (Д), титана (Т), ниобия (Б) повышает эксплуатационные характеристики сталей и одновременно положительно отражается на свариваемости таких сталей.

Никель (Н) на свариваемость сталей не влияет. Его присутствие повышает прочность, пластичность стали, способствует получению мелкозернистой структуры ее.

Классификация сталей по степени свариваемости. По степени свариваемости все стали условно делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.

Хорошо сваривающиеся стали свариваются любыми способами без применения сложной технологии. К этой группе относятся малоуглеродистые стали с нормальным содержанием марганца, кремния, хрома и низколегированные стали с содержанием углерода до 0,2%. Такие стали свариваются в общем случае без предварительного подогрева. Сварка при отрицательных температурах, особенно конструкций из толстого металла, требует иногда предварительного подогрева до температуры 100-160 °С. Необходимость предварительного подогрева устанавливается в каждом конкретном случае. Примером таких сталей служат: углеродистые обыкновенного качества (Ст 2пе, Ст 2сп, Ст Зпс, Ст Зсп, Ст 4пс, Ст 4сп); углеродистые качественные конструкционные (10, 15, 20); низколегированные конструкционные (09Г2С, 09Г2, 10Г2С1, 12ГС, 16ГС, 14ХГС, 10ХСНД).

Удовлетворительно сваривающиеся стали требуют строгого соблюдения режима сварки, тщательной очистки свариваемых кромок, нормальных температурных условий (температура выше нуля, отсутствие ветра). К этой группе относятся среднеуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,35% и низколегированные стали с содержанием углерода до 0,3%- Такие стали требуют предварительного подогрева до температуры 150-250°С при сварке в условиях отрицательных температур. Некоторые из таких сталей в зависимости от условий эксплуатации и ответственности конструкции после сварки требуют последующей термической обработки (отжиг, высокий отпуск). Примером таких сталей служат углеродистые обыкновенного качества (Ст 5пс, Ст 5сп, Ст 5Гпс); углеродистые качественные конструкционные (30, 35); низколегированные конструкционные (15ХСНД, 25Г2С, 20ХГ2С).

Ограниченно сваривающиеся стали склонны к образованию трещин при сварке в обычных нормальных условиях. Такие стали свариваются с предварительным подогревом до температуры 250- 350°С. К этой группе относятся среднеуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,5%, низколегированные стали с повышенным содержанием легирующих элементов, некоторые легированные стали. После сварки таких сталей рекомендуется отжиг или высокий отпуск, а при сварке ответственных конструкций отжиг и отпуск обязательны. Примеры таких сталей: углеродистые обыкновенного качества (Ст бпс); углеродистые качественные конструкционные (40, 45, 50); низколегированные и легированные конструкционные (ЗО-.ХМА, 30 ХГС, 35 ХМ, 35 ХГСА).

Плохо сваривающиеся стали образуют трещины при с-варке в обычных условиях. Такие стали сваривают определенными способностями с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 300-450 °С и последующей термообработкой. К этой группе относятся углеродистые стали с содержанием углерода свыше, 0,5%, низколегированные стали с повышенным содержанием марганца, кремния, большинство легированных специальных сталей. Примером таких сталей служат: углеродистые качественные конструкционные (60, 65, 70); низколегированные и легированные конструкционные (40Г2, 50Г2, 40ХГ, 40ХГР, 40ХФА, 40ХС).

Определение степени свариваемости. Знание показателей свариваемости различных сталей облегчает выбор ориентировочной технологии сварки, которая обязательно проверяется на образцах (технологических пробах).

Для определения степени свариваемости сталей разработано много различных практических способов в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям и условиям их эксплуатации.

Одним из распространенных способов определения свариваемости является технологическая проба по методу Кировского завода (г. Ленинград). Из испытуемой стали изготавливается пластина 130X130X12 мм. В ней делается выточка диаметром 80 мм, в которой наплавляется по диаметру валик. Нижняя часть пластины (донышко с наплавленным валиком) охлаждается воздухом, водой или подогревается. После наплавки валика пластину выдерживают двое суток, затем разрезают, шлифуют и протравливают кислотой для выявления трещин.

Если при охлаждении водой пластина не дает трещин, то сталь считается хорошо сваривающейся.

Удовлетворительно сваривающаяся сталь дает трещины при охлаждении водой и не дает трещин при охлаждении на воздуха.

Рис. 1. Технологическая проба Кировского завода

Рис. 2. Технологическая проба МВТУ

Если пластина дает трещины при охлаждении на воздухе и не дает трещин при предварительном подогреве до 150 °С, то сталь считается ограниченно сваривающейся.

Технологическая листовая проба МВТУ дает качественную оценку сопротивляемости шва образованию горячих трещин. Пластины различной ширины соединяются прихватками. На пластины наплавляется валик в направлении от узких пластин к более широким. Трещины образуются в местах пересечения стыка пластин наплавленным валиком. Показателем стойкости является наименьшая ширина пластины, при которой горячие трещины не образуются.

Характерным приближенные показателем свариваемости стали является твердость околошовной зоны. Если твердость не превышает 300 единиц по Бринеллю, значит, сварку такой стали можно вести без подогрева. При большей величине твердости требуется предварительный подогрев основного металла.

При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости.

Влияние основных легирующих примесей на приведены ниже.

Углерод (С) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание "С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера (S) и фосфор (P) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит к – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4-0,5%.

Кремний (Si) присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании "Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании "Si" – до 0,8-1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов "Si", ухудшающих свариваемость стали.

Марганец (Mn) при содержании в стали до 1,0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием "Mn" в количестве 1,8-2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром (Cr) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Ванадий (V) в легированных сталях содержится в количестве 0,2-0,8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.

Молибден (Мо) в сталях ограничивается 0,8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.

Титан и ниобии (Ti и Nb) в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.

Медь (Си) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8-1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

При оценке влияния химического состава на , кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. Для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость:

СЭКВ = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Си/15 (метод МИС);

СЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод);

[С]Х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),

где цифры указывают содержание в стали в массовых долях процента соотвтствующих элементов.

Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эквивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана.

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (табл. 1.1).

К первой группе относят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]Х≤0,38), сварка которых может быть выполнена по обычной технологии , т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного металла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой. Для конструкций, работающих в условиях статических нагрузок, термообработку после сварки не производят. Для ответственных конструкций, работающих при динамических нагрузках или высоких температурах, термообработка рекомендуется

Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]х=0,39-0,45), при сварке которых в нормальных условиях производства трещин не образуется. В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Для отливок из стали 30Л обязателен отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск)

Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости .

Группа свариваемости		Марка стали
Хорошо сваривающиеся		Низкоуглеродистые Ст1-Ст4 (кп, пс, сп)
		08-25 (кп, пс)


Хорошо сваривающиеся		15К, 16К, 18К, 20К, 22К
		А, А32, А36, А40, В, Д, Д32, Д36, Д40, Е, Е32, Е36, Е40

		15Л, 20Л, 25Л
		Низколегированные 15Г, 20Г, 25Г, 10Г2, 12ХН, 12ХН2, 15Н2М, 15Х, 15ХА, 20Х, 15ХФ, 20Н2М
		09Г2, 09Г2С, 09Г2Д, 10Г2Б, 10Г2БД, 12ГС, 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 10Г2С1,09Г2СД, 10Г2С1Д, ЮХСНД, ЮХНДП, 14Г2АФ, 14Г2АФД, 15ГФД, 15ХСНД
		08ГДНФЛ, 12ДН2ФЛ, 13ХДНФТЛ
Удовлетворительно сваривающиеся


		Легированные 16ХГ, 18ХГТ, 14ХГН, 19ХГН, 20ХГСА, 20ХГР, 20ХН, 20ХНР, 12ХН3А, 20ХН2М
		15Г2АФДпс, 16Г2АФД, 15Г2СФ, 15Г2СФД

		18Г2С, 25Г2С
		20ГЛ, 20ГСЛ, 20ФЛ, 20Г1ФЛ, 20ДХЛ, 12ДХН1МФЛ
Ограниченно сваривающиеся		Углеродистые Ст5 (пс, сп), Ст5Гпс


		Легированные 25ХГСА, 29ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 20ХН4А, 25ХГМ, 35Г, 35Г2, 35Х, 40Х, 33ХС, 38ХС, 30ХГТ, 30ХРА, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХГСА, 25ХГНМТ, 30ХГНЗА, 20Х2Н4А

		35ГЛ, 32Х06Л, 45ФЛ, 40ХЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ХГСНДМЛ, 30ХГСФЛ, 23ХГС2МФЛ
Плохо сваривающиеся		Углеродистые 50, 55

		Легированные 50Г, 45Г2, 50Г2, 45Х, 40ХС, 50ХГ, 50ХГА, 50ХН, 55С2, 55С2А, 30ХГСН2А и др.



		30ХНМЛ, 25Х2Г2ФЛ

ДСТУ 2651-94 (ГОСТ 380-94). * В Украине отменен.

В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь подвергают местному нагреву. Термообработка после сварки разная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов стали, содержащей более 0,35% углерода, для улучшения механических свойств и обрабатываемости необходима термическая обработка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали).

К третьей группе относят углеродистые и легированные стали ([С]Х=0,46-0,59) перлитного класса, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. Свариваемость сталей этой группы обеспечивается при использовании специальных технологических мероприятий, заключающихся в их предварительной термообработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для деталей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск).

Без предварительного подогрева такие стали можно сваривать в случаях, когда соединения не имеют жестких контуров, толщина металла не более 14мм, температура окружающей среды не ниже +5°С и свариваемые соединения имеют вспомогательный характер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный подогрев до температуры 200°С.

Термообработка данной группы сталей назначается по режиму, выбираемому для конкретной стали.

К четвертой группе относят углеродистые и легированные стали ([С]х≥0,60) перлитного класса, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. При сварке этой группы сталей с использованием рациональных технологий не всегда достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Перед сваркой такая сталь должна быть отожжена. Независимо от толщины и типа соединения сталь необходимо предварительно подогреть до температуры не ниже 200°С. Термообработку изделия после сварки проводят в зависимости от марки стали и ее назначения.

Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конструкций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показатели определяются системой легирования теплоустойчивых сталей. По системе легирования стали можно разделить на хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые (табл. 1.2). В этих сталях значение углеродного эквивалента изменяется в широких пределах и оценка свариваемости сталей по его значению нецелесообразна. Расчет температуры предварительного подогрева выполняется для каждой конкретной марки сталей.

Разделение высоколегированных сталей по группам (нержавеющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жаростойкие являются одновременно кислотостойкими в определенных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одновременно жаропрочностью и жаростойкостью при определенных температурах.

Для хорошо сваривающихся высоколегированных сталей термообработку до и после сварки не проводят. При значительном наклепе металл необходимо закалить от 1050-1100°С. Тепловой нормальный. К этой группе сталей можно отнести ряд кислотостойких и жаропрочных сталей с аустенитной и аустенитно-ферритной структурой.

Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650-710°С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150-200°С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10мм. После сварки для снятия напряжений рекомендуется отпуск при 650-710°С. К этой группе в первую очередь можно отнести большую часть и некоторых хромоникелевых сталей.

Таблица 2. Марки теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основе.

	ГОСТ или ТУ	Марка стали
Перлитный или мартенситный		Теплоустойчивые хромомолибденовые 15ХМ, 20ХМ, 30ХМ, 30ХМА, 35ХМ, 38ХМ, 38Х2МЮА

	ГОСТ20072-74	12МХ, 15Х5М, 15X5
		12ХМ, 10Х2М, 10Х2М-ВД

	ТУ5.961-11.151-80
		Теплоустойчивые хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые 40ХМФА, 30ХЗМФ
	ГОСТ20072-74	20Х1М1Ф1БР, 12Х1МФ, 25Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20Х1М1Ф1ТР, 18ХЗМВ, 20ХЗИВФ, 15Х5ВФ
	ТУ14-1-1529-76	15Х1М1Ф ТУ14-1-3238-81, 35ХМФА
		12Х2МФА, 18Х2МФА, 25Х2МФА
	ТУ14-1-1703-76
	ТУ5.961-11151-80	20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ
Ферритный, мартенситно-ферритный и мартенситный		Высокохромистые нержавеющие 08X13, 12X13, 20X13, 30X13, 40X13, 25Х13Н2

		Высокохромистые кислотостойкие и жаростойкие 12X17, 08X17Т, 09Х16Н4Б, 30Х13Н7С2, 08Х18Т1, 15Х18СЮ, 15Х25Т, 15X28, 14Х17Н2, 20Х17Н2, 10Х13СЮ, 40Х9С2, 40Х10С2М
	ТУ 14-1-2889-80
	ТУ14-1-1958-77
	ТУ14-1-2533-78
		Высокохромистые жаростойкие 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 20Х12ВНМФ, 11Х11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ, 13Х14НЗВ2ФР, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР

Аустенитный и аустенитно-ферритный		Кислотостойкие 04Х18Н10, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 12Х18Н10Б, 03Х18Н11, 08Х18Н12Б, 03Х17Н14М2, Э8Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х13МЗТ, 08Х17Н15МЗТ, 08Х18Н12Т, 08Х10Н20Т2, 10Х14Г14НЗ, 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15, 15Х17АГ14, 07Х21Г7АН5, 03Х21Н21М4ГБ, 12Х17Г9АН4, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ
Аустенитный и аустенитно-ферритный	ТУ108.11.595-87
Аустенитно-мартенситный		07Х16Н6, 09Х17Н7Ю, 09Х17Н7ЮТ, 08Х17Н5МЗ, 08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю, 20Х13Н4Г9

Ферритно-аустенитный		Высокопрочные кислотостойкие 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т.08Х21Н6
Ферритно-аустенитный	ТУ14-1-1958-77	10Х25Н6АТМФ
Ферритно-аустенитный		12Х25Н5ТМФЛ
Ферритно-аустенитный	ТУ14-1-1541-75	03Х23Н6, 03Х22Н6М2
Аустенитный		Жаростойкие 20Х23Н13, 10Х23Н18, 20Х23Н18, 08Х20Н14С2, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2, 45Х22Н4МЗ, 55Х20Г9АН4
		ХН38ВТ, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН78Т
Аустенитный		Жаропрочные 10Х11Н20ТЗР, 10Х11Н23ТЗМР, 08Х16Н13М2Б, 09Х16Н15МЗБ, 08Х15Н24В4ТР, 31Х19Н9МВБТ, 10Х11Н20ТЗР, 37Х12Н8Г8МФБ, 45Х14Н14В2М, 09Х14Н19В2БР, 09Х14Н19В2БР1, 40Х15Н7Г7Ф2МС, 09Х14Н16Б
Сплавы на железоникелевой и никелевой основе		ХН35ВТ, ХН35ВТЮ, ХН32Т, ХН38ВТ, ХН80ТБЮ, ХН67МВТЮ

Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650-710°С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050-1100°С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200-300°С.

После сварки для снятия напряжений и понижения твердости детали подвергают отпуску при 650-710°С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050-1100°С.

Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей.

Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200-300°С. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки производится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям, в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется.