Свариваемость металла и методы ее оценки

Свариваемость металла и методы ее оценки

Свариваемость — свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Следовательно, свариваемость зависит, с одной стороны, от особенностей материала, технологии сварки и конструктивного оформления соединений, а с другой — от необходимых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Последние определяются техническими требованиями, предъявляемыми к таким конструкциям.

Свариваемость материалов считается достаточной, если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, и недостаточной, если не обеспечивается минимальный уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения. Различают свариваемость физическую и технологическую.

Физическая свариваемость определяет принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений, что особенно важно при сварке разнородных материалов.

Технологическая свариваемость представляет собой реакцию материала на сварочный термодеформационный цикл и металлургическое воздействие сварки, которая оценивается, например, посредством сравнения механических свойств металла сварного соединения с одноименными свойствами основного металла.

При оценке свариваемости учитывают также стойкость металла к образованию трещин и его специальные свойства (коррозионную стойкость, прочность при высоких или низких температурах, сопротивление хрупкому разрушению).

Свариваемость углеродистых сталей определяется, в первую очередь, содержанием в них углерода. Под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность с использованием обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное основному металлу, без трещин в металле шва и снижения пластичности в околошовной зоне. При этом металлы шва и околошовной зоны должны быть стойкими к переходу в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкции и наличии концентраторов напряжений, обусловленных формой сварного узла.

Свариваемость материала оценивается посредством сравнения его свойств со свойствами ранее применявшихся материалов или основного металла. Свариваемость признают удовлетворительной, если результаты испытаний различных свойств сварного соединения соответствует нормативам, установленным техническими условиями на данную продукцию.

Стойкость металла сварного соединения к образованию горячих трещин — это наиболее важный показатель свариваемости, так как при сварке сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации под действием возникающих при затвердевании растягивающих напряжений возможно появление горячих трещин, являющихся весьма серьезным дефектом.

Стойкость металла сварного соединения к образованию холодных трещин — это также очень важный показатель свариваемости, поскольку под действием сварочного нагрева изменяется структура основного металла. При этом в околошовной зоне закаливаемых сплавов в результате фазовых превращений образуются хрупкие структуры типа мартенситных, что может привести к появлению холодных трещин.

Процессы, происходящие в металле сварного соединения, могут вызвать хрупкие разрушения сварной конструкции. Причинами таких разрушений могут быть конструктивные недостатки, наличие макроскопических концентраторов напряжений, дефектов сварных соединений (раковин, пор, шлаковых включений, подрезов по краю швов), микротрещин и полостей.

Склонность металла сварного соединения к хрупкому разрушению — это также достаточно важный показатель свариваемости. Оценивают ее посредством специальных испытаний по сравнению со склонностью к хрупкому разрушению основного металла, зоны термического влияния и металла сварного шва. Считается, что лучшей свариваемостью обладают те металлы, сварные соединения которых не отличаются по склонности к хрупкому разрушению от основного металла.

Методы определения показателей свариваемости материалов подразделяются на прямые — при использовании которых выполняют сварку образцов заданной формы по выбранной технологии, и косвенные — основанные на замене сварочного процесса имитирующим его процессом.

Определение стойкости металла к образованию горячих трещин. Стойкость сварного соединения металла к образования горячих трещин определяют по результатам следующих испытаний:

• машинных испытаний, основанных на принудительном деформировании образцов, подвергнутых сварочному нагреву, в температурном интервале возникновения горячих трещин;
• технологических испытаний, или сварки проб, при проведении которых условия деформирования в температурном интервале образования горячих трещин регулируют выбором формы и размеров образцов, а также последовательности выполнения сварных швов и режимов сварки.

Машинные испытания заключаются в испытаниях образцов, проплавляемых сварочной дугой, на растяжение и изгиб, а образцов, нагреваемых по сварочному циклу, — на растяжение. Для машинных испытаний применяют специальные установки.

Процедура машинных испытаний включает в себя сварку серии образцов с одновременным деформированием шва при разной скорости перемещения активного захвата и определение критической скорости деформирования, вызывающей появление горячих трещин в нескольких образцах.

Технологические испытания основываются на положении о том, что металл, в котором не возникает трещин в искусственно созданных жестких условиях (что достигается выбором форм и размеров специальных технологических проб и типов их закрепления), не должен разрушаться и в реальных изделиях. При сварке кристаллизующийся металл подвергается деформации вследствие усадки шва и формоизменения технологических проб. Специальная конструкция и технология сварки проб обусловливают повышенные темпы высокотемпературной деформации.

Технологические пробы можно условно подразделить на два класса: количественные и качественные.

К количественным относятся технологические пробы, в которых образование горячих трещин можно связать с каким-либо конструктивным параметром (размерами пробы, глубиной или расположением надрезов и др.) или параметром режима сварки (скорость, температура подогрева). Сравнив такие пробы, можно выделить сплавы с меньшим и бо́льшим сопротивлением образованию горячих трещин.

Качественные технологические пробы предусматривают выполнение сварных швов на образцах постоянной формы в строго заданной последовательности и при соблюдении определенных режимов сварки. Сопротивление металла шва образованию горячих трещин оценивают в этом случае по их наличию или отсутствию на поверхности проб и шлифов или в изломах сварных швов. Качественные пробы не позволяют оценить количественно стойкость сплавов к образованию горячих трещин и предназначены лишь для отбраковки плохо сваривающихся сплавов.

Для определения стойкости металла к образованию горячих трещин используют различные виды проб.

Составная тонколистовая проба содержит несколько пластин разной ширины, соединенных с одной стороны прихватками. Сварку производят в направлении расширения пластин. При этом в местах пересечения стыков пластин сварным швом образуются горячие трещины. Показателем стойкости металла шва к образованию горячих трещин служит минимальная (критическая) ширина пластины, при сварке которой горячие трещины не возникают: чем меньше критическая ширина пластины, тем больше стойкость металла шва.

Проба ИМЕТ из тонколистового металла представляет собой пластину с постоянными размерами и надрезом, параллельным ее короткой стороне. Пластину проплавляют вольфрамовым электродом в струе аргона или электронным лучом таким образом, чтобы ось шва проходила через вершину надреза. Вероятность появления трещины от надреза зависит от его положения на пластине: чем больше длина шва до надреза, тем выше стойкость металла шва к образованию горячих трещин.

Проба Хоулдкрофта («рыбья кость») используется для оценки сопротивления металла шва образованию горячих трещин при сварке тонких листов легированных сталей, алюминиевых и магниевых сплавов. Данная проба представляет собой пластину с боковыми прорезями увеличивающейся длины. При испытании выполняют наплавку или проплавляют пластину вольфрамовым электродом в защитном газе. Критерием оценки стойкости металла служит длина горячей трещины.

Крестовидная тонколистовая проба применяется для определения склонности к образованию горячих трещин главным образом алюминиевых и магниевых сплавов. Две прямоугольные пластины сваривают друг с другом четырьмя валиковыми швами в определенных последовательности и направлениях. Критерием наличия склонности к появлению горячих трещин служит отношение длины швов с трещинами к общей длине швов.

Кольцевая сегментная проба для испытания листов большой толщины состоит из четырех заготовок с шлифованными торцевыми поверхностями, свариваемых друг с другом с двух сторон. Размеры такой пробы после сборки составляют 90 × 90 × 25 мм. На ее верхней стороне протачивают кольцевую канавку. При испытании пробу сваривают по канавке по ходу часовой стрелки. После ее охлаждения до температуры ниже 50 °С выполняют замыкающий шов. Горячие трещины образуются в местах стыка заготовок и распространяются вдоль сварного шва. Критерием стойкости металла шва к образованию горячих трещин служит процентное отношение суммарной длины образовавшихся трещин к длине шва.

Пробу с канавками изготовляют из пластин толщиной более

40 мм. При толщине пластины менее 60 мм ее приваривают к жесткой плите по флангам швом с катетом 20 мм, а канавки располагают с шагом 100 мм. При толщине пластины более 60 мм канавки выполняют с двух сторон образца, а пластины сваривают по канавкам с минимальной скоростью. Склонность к образованию горячих трещин в этом случае определяют по отношению суммарной длины образовавшихся трещин или их площади соответственно к длине или площади поперечного сечения шва, а также по коэффициенту периодичности — числу трещин на единице длины шва. При отсутствии горячих трещин в швах, выполненных на рекомендованных для анализа режимах сварки, переходят к сварке более узких образцов либо к сварке с повышенной скоростью.

Способы оценки склонности металла к образованию холодных трещин. Все способы оценки склонности (стойкости, сопротивления) металла сварного соединения к образованию холодных трещин подразделяются следующим образом. По операции оценки различают косвенные и прямые способы, по форме представления показателей — количественные, полуколичественные и качественные, по варианту использования результатов оценки — сравнительные и прикладные.

Косвенные способы позволяют оценить склонность сварного соединения к образованию холодных трещин посредством расчета без непосредственного испытания материалов.

Прямые способы оценки склонности к образованию холодных трещин предусматривают сварку технологических проб и проведение специализированных испытаний сварных соединений или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные.

Количественные способы оценки склонности к образованию холодных трещин обеспечивают получение числового значения показателя, связанного с изменением одного из факторов, обеспечивающих контроль этого процесса.

Качественные способы не обеспечивают количественной оценки склонности к образованию холодных трещин и по существу служат для отбраковки материалов.

Способы оценки, которые могут использоваться только для сопоставления материалов и технологических вариантов сварки в целях выбора лучших из них, относятся к сравнительным.

Способы, позволяющие оценить стойкость реальных сварных конструкций к образованию холодных трещин, относятся к прикладным.

По тем же признакам подразделяются и технологические пробы. Пробы отраслевого назначения, или прикладные, позволяют оценить склонность материалов к образованию холодных трещин в условиях, максимально приближенных к технологическим и климатическим условиям изготовления реальных сварных конструкций.

Проба «Геккен» представляет собой плоский прямоугольный образец толщиной 12 … 40 мм, имеющий в центре продольную прорезь с V-образной разделкой. Этот образец заваривается в свободном состоянии и затем выдерживается в течение 20 ч. Сварку выполняют вручную покрытыми электродами, под флюсом или в защитных газах. При этом трещины образуются в корневой части сварного соединения. Обязательное условие пробы — наличие в корне шва непровара, служащего концентратором напряжений. Количественным показателем стойкости к образованию холодных трещин в этом случае могут служить процентное отношение суммарной длины трещин к длине шва; процентное отношение площади трещин к площади сечения шва, температура подогрева, при которой не образуются трещины.

Крестовая проба состоит из трех пластин, собранных в крестовидное соединение. Все поверхности касания этих пластин предварительно шлифуются для обеспечения хорошего контакта. На пробе выполняют четыре угловых шва длиной 160 мм в определенной последовательности. Температура пробы перед сваркой очередного шва не должна превышать (28 ± 3)°С. Через 48 ч после сварки для снятия напряжений производится двухчасовой отжиг пробы при температуре 595 … 650 °С. Пробу разрезают на поперечные темплеты для изготовления микрошлифов и выявления трещин в околошовной зоне. Результаты испытаний считаются удовлетворительными, если на двух первых темплетах не обнаружено ни одной трещины.

Лихайская модифицированная проба состоит из образцов с прорезями, завариваемыми на разных режимах при различных температурах предварительного подогрева. При этом начало и концы прорезей образцов (по 2 … 3 мм) оставляют незаплавленными. Наличие трещин на поверхности сварного соединения, в корне шва и поперечном сечении выявляют через 24 ч после окончания сварки. Для оценки склонности материала к образованию холодных трещин определяют процентную долю разрушений сварных соединений в зависимости от скорости охлаждения металла с температурой 300 °С или от продолжительности его охлаждения в температурном интервале 800 … 300 °С. Скорость охлаждения, при превышении которой разрушение швов заметно усиливается, принимается в качестве критерия оценки сопротивления материала образованию холодных трещин. Также оценку можно производить и по критическому времени охлаждения материала или по минимальной температуре предварительного нагрева, необходимой для устранения холодных трещин.

Оценка влияния термического цикла сварки на изменение структуры и свойств свариваемых металлов. Предварительную оценку в этом случае выполняют по методикам, предусматривающим нагрев и охлаждение образцов по программе с заданными скоростями и механические испытания на любом этапе термической обработки. Такие испытания позволяют имитировать сварочные термические циклы любого участка сварного соединения и выявлять их воздействие на структуру и свойства металла. Для этой же цели используют и специальные технологические пробы, например валиковую. Для такой пробы на пластины металла толщиной 14 … 30 мм наплавляют валики на режимах с разной погонной энергией. Из пластин вырезают поперечные образцы для определения структуры и твердости, а также для испытаний на ударный и статический изгиб.

Расчетная оценка свариваемости конструкционных сталей по химическому составу выполняется следующим образом. Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от ряда факторов: их химической активности, степени легирования, содержания примесей и особенностей структуры. Чем выше химическая активность металла, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой и в первую очередь к окислению, а следовательно, требуется более эффективная его защита и металлургическая обработка при сварке. Защита расплавленных сталей и сплавов на основе железа от взаимодействия с воздухом обеспечивается с помощью электродных покрытий, флюсов и инертных газов.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод: при увеличении содержания углерода и ряда других легирующих элементов их свариваемость ухудшается.

Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалент углерода, рассчитываемый по формуле

С_экв = С + Мn/6 + Si/24 (1)

в которой содержание углерода и легирующих элементов выражено в процентах.

В зависимости от эквивалента углерода (и связанной с этой величиной склонности материала к закалке и образованию трещин) все конструкционные стали подразделяются на четыре группы соответственно с хорошей, удовлетворительной, ограниченной и плохой свариваемостью.

Стали с С_экв < 0,25 % хорошо свариваются без образования закалочных структур и трещин в широком диапазоне режимов, толщин и конструктивных форм.

Стали с С_экв = 0,25 … 0,35 % свариваются удовлетворительно. Они не склонны к образованию холодных трещин при правильном выборе режимов сварки, однако в ряде случаев необходим их подогрев.

Стали с С_экв = 0,36 … 0,45 % свариваются ограниченно с образованием трещин. Возможность регулирования сопротивления этих сталей образованию трещин посредством изменения режимов сварки ограничена, а следовательно, требуется их подогрев.

Стали с С_экв > 0,45 % плохо свариваются. Они весьма склонны к закалке и возникновению холодных трещин. При сварке необходим их подогрев и применение специальных технологических приемов, а после сварки требуется термическая обработка.

 

Просмотров: 935

Свариваемость сталей: классификация, характеристики, определение

Выделяют довольно большое количество параметров, которые определяют основные свойства металла. Среди них выделяют показатель свариваемости. На сегодняшний день сварка стали проводится крайне часто. Подобный способ соединения металлов и других материалов характеризуется высокой эффективностью, так сварной шов может выдерживать большую нагрузку. При плохом показателе провести подобную работу сложно, в некоторых случаях даже невозможно. Все металлы разделяются на несколько групп, о чем далее поговорим подробнее.

Свариваемость сталей

Основные критерии,  устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

Понятие свариваемости

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
2. Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
3. Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
4. Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
5. Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
6. Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
7. Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
8. Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
9. В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

Критерии свариваемости

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Классификация сталей по свариваемости

Хорошей обрабатываемостью обладают сплавы, в которых при нагреве не образуются трещины. По данной характеристике выделяют четыре основных группы:

1. Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
2. Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
3. Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
4. Плохая податливость сварке не позволяет проводить рассматриваемую обработку, так как после получения шва могут появится трещины. Именно поэтому подобные материалы не могут использоваться для получения ответственных элементов.

Классификация сталей по свариваемости

Каждая группа характеризуется своими определенными особенностями, которые нужно учитывать. Сталь 20 относится к первой группе, в то время как распространенная сталь 45 обладает низкой податливостью к сварке.

Группы свариваемости

Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:

1. Первая группа, которая характеризуется хорошей свариваемостью, может применяться при сварке без предварительного подогрева и последующей термической обработки шва. Отпуск выполняется для снижения напряжения в металле. Как правило, подобное свойство связано с низкой концентрацией углерода.
2. Вторая характеризуется тем, что склонна к образованию трещин и дефектов на швах. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев материала, а также последующую термическую обработку для снижения напряжений.
3. При ограниченном показателе сталь склонна к образованию трещин. Для того чтобы исключить вероятность появления трещин следует материал предварительно разогреть, после сварки в обязательном порядке проводится термообработка.
4. Последняя группа характеризуется тем, что в большинстве случаев на швах образуются трещины. При этом предварительный разогрев структуры не во многом решает проблему. После сварки обязательно проводится многоступенчатое улучшение.

Группы свариваемости

Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси

Как ранее было отмечено, включение в состав большого количества легирующих элементов приводит к изменению основных характеристик. При этом отметим следующие моменты:

1. При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
2. Некоторые химические вещества могут повысить рассматриваемый показатель, другие ухудшить.

Именно поэтому при выборе легированного сплава уделяется внимание не только типу легирующих элементов, но и их концентрации. Принятые стандарты ГОСТ определяют то, что при маркировке могут указывать основные химические вещества и их количество в составе.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Во многом именно углерод определяет основные эксплуатационные характеристики сплава. Слишком высокая концентрация подобного химического вещества приводит к повышению твердости и прочности, но также и хрупкости. Кроме этого, в несколько раз снижается степень свариваемости. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
2. Слишком большое количество углерода в составе приводит к тому, что металл после термического воздействия начинает менять свою структуру, за счет чего появляются трещины.

Стоит учитывать, что проводимая химикотермическая процедура может привести к снижению податливости к рассматриваемому способу соединения. Именно поэтому улучшение сплава проводится после создания конструкции путем обработки шва.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые сплавы хорошо подаются свариванию. При этом можно отметить следующие моменты:

1. В подобных сплава концентрация углерода менее 0,25%. Этот показатель свойственен сплавам, которые имеют повышенную гибкость и относительно невысокую твердость поверхностного слоя. Кроме этого, снижается значение хрупкости. Поэтому низкоуглеродистые стали часто используют при создании листовых заготовок. При добавлении небольшого количество легирующих элементов может быть повышена коррозионная стойкость.
2. Для повышения основных характеристик в состав могут добавлять различные легированные элементы, но в небольшом количестве. Примером можно назвать марганец и никель, а также титан.

Низкоуглеродистая сталь

Как правило, подобные металлы не нужно перед обработкой подвергать подогреву, а после проведения процедура закалка или отпуск выполняется только для при необходимости.

Свариваемость закаленной стали

Распространенной термической обработкой можно назвать закалку. Она предусматривает воздействие высокой температуры, которая может изменить структуру материала. После охлаждения происходит перестроение структуры, за счет чего происходит упрочнение структуры и повышение твердости поверхностного слоя. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Закалка предусматривает увеличение концентрации углерода в поверхностном слое. Именно поэтому степень свариваемости существенно снижается.
2. Подогрев заготовки проводится для того, чтобы упростить проводимую работу. Для этого может использоваться газовая грелка или иной источник тепла.

Закаленная сталь сложна в обработке. Кроме этого, если ранее не проводился отпуск в структуре может быть переизбыток напряжения, что и приводит к появлению трещин.

Повторная обработка швов может не привести к повышению их прочности.

Закаленная сталь

В заключение отметим, что хорошей податливость сварке обладают металлы из различных групп. Примером можно назвать некоторые нержавейки, которые даже после воздействия тепла обладают коррозионной устойчивостью. Именно поэтому для сварочных работ рекомендуется выбирать материал, который характеризуется хорошей обрабатываемостью.

Свариваемость металлов. Сварочные работы. Практический справочник

Свариваемость металлов

Свариваемость – это свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, которое отвечает всем требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия, т. е. она представляет собой способность одно– и разнородных металлов и сплавов давать такое сварное соединение, которое при определенных условиях (нагрузки, температура, воздействие внешней среды и проч.) не будет разрушаться.

Если металлы и сплавы содержат в своем составе элементы, которые отличаются неограниченной взаимной растворимостью, то они хорошо свариваются и не дают соединений, которые негативно влияют на свойства сварного шва. Это можно сказать, например, о таких парах, как железо и хром, железо и ванадий, молибден и тантал, никель и медь, хром и титан и др. Прекрасно свариваются однородные металлы и сплавы, например медь с медью, чугун с чугуном, сталь со сталью и др.

Если металлы (например, свинец и медь) и сплавы в жидком состоянии дают несмешивающиеся слои, т. е. о них нельзя сказать, что им свойственна высокая взаимная растворимость, то их сварка неосуществима. Это означает, что они настолько разнородны, что взаимная кристаллизация невозможна. С трудом свариваются железо и магний, алюминий и висмут и др.

Для облегчения этого процесса в смесь вводятся такие металлы, которые способны взаимно растворяться и с тем, и с другим соединяемым компонентом.

Таким образом, свариваемость металлов и сплавов во многом определяется их химическим составом. В качестве примера рассмотрим железоуглеродистые сплавы, которые в этом плане очень показательны. Свариваемость углеродистой стали определяется содержанием присутствующих в ней примесей. Углерод – один из главных элементов в стали, от которого во многом зависят свойства данного материала в процессе обработки. Это относится и к свариваемости: с повышением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Например, хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, в которых количество углерода не превышает 0,25 %; среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35 % тоже свариваются неплохо. При дальнейшем повышении данного параметра свариваемость сталей заметно ухудшается. Это проявляется в том, что в околошовной зоне образуются закалочные структуры, трещины, а сам шов приобретает пористость.

Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).

Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:

? вид и режим сварки;

? состав присадок и флюса;

? вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).

Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Особенности сварки различных металлов

Сварка – это сложный процесс соединения металлов через высокотемпературный нагрев. Здесь сочетаются законы электричества, теплопроводности, металлургии и химических состояний веществ. Без понимания этих законов могут возникнуть осложнения, которые приведут к разрушению сварного шва.

Чтобы снизить возможные риски, важно знать особенности сварки различных типов металлов. Это сэкономит время при сваривании и пост-обработке изделий, например полировке и шлифовании.

Особенности сваривания углеродистых сталей

Углеродистая сталь состоит из нескольких элементов, различающихся по химическому составу. Ключевым из них является углерод с незначительным добавлением примесей –кремния, фосфора или серы. Именно количество углерода оказывает большое влияние на свариваемость.

По содержанию углерода, которое колеблется в диапазоне от 0,1 до 2,1 %, различают 3 типа углеродистых сталей:

1. Низкоуглеродистые – содержат менее 0,30 % углерода.
2. Среднеуглеродистые – содержат около 0,30 %–0,60 % углерода.
3. Высокоуглеродистые – 0,61%–2,1% углерода.

Низкоуглеродистая высокопластичная сталь обычно является наиболее легко свариваемой при комнатной температуре. Среднеуглеродистая сталь требует предварительного прогрева и последующей термообработки, чтобы не растрескался сварной шов. Для сварки высокоуглеродистой стали потребуется тщательный предварительный нагрев и последующая температурная обработка.

Следует учитывать и скорость охлаждения сварного шва. Углеродистая сталь с большим количеством углерода и другими элементами охлаждается медленнее, чем низкоуглеродистая.

Чтобы в сварной шов не попал водород, из-за которого в металле образуются поры, область сварки необходимо очистить от масел, краски, ржавчины или окалины.

Сварка низкоуглеродистых сталей

При газовой сварке низкоуглеродистых сталей в аргоне используют присадку в виде металлической низкоуглеродистой проволоки, чтобы в сварном шве не было пор

Стали с низким содержанием углерода свариваются лучше всего, причем без применения флюса. Для соединения деталей чаще всего используют ручную дуговую сварку электродами с различными типами покрытия или газовую сварку. Первый метод подходит для деталей толщиной более 5 мм, второй – для небольших тонких деталей менее 5 мм.

Как правило, для дуговой сварки низкоуглеродистых сталей используют электроды с рутиловым или кальциево-фтористорутиловым покрытием с добавлением небольшого количества железного порошка.

В таблице можно посмотреть марки электродов для сваривания рядовых и ответственных конструкций:

Рядовые конструкции	Ответственные конструкции
АНО-6, АНО-3, АНО-4, АНО-5, АНО-6, ОЗС-3, ОММ-5, ЦМ-7	АН-7, АНО-1, ВСП-1, ВСЦ-2, ДСК-50, К-5А, КПЗ-32Р, МР-1, МР-3, ОЗС-2, ОЗС-4, ОЗС-6, ОМА-2, РБУ-5, СМ-5, СМ-11, УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УП-1/45, УП-2/45, УП-1/55, УП-2/55, Э-138/45Н, Э-138/50Н, ЭРС-1, ЭРС-2

Альтернативными методами сварки низкоуглеродистых сталей являются:

• электрошлаковая сварка с использованием флюсов;
• автоматическая и полуавтоматическая сварка;
• сваривание с использованием порошковой проволоки.

После соединения деталей структуру конструкции нужно сделать равномерной. Для этого изделие нагревают до 400 °С и остужают на воздухе.

Сварка среднеуглеродистых сталей

Среднеуглеродистые стали используют в машиностроении для изготовления рельсов, осей и колес вагонов, несущих деталей. Сплавы металлов со средним содержанием углерода хорошо поддаются ковке.

Процесс сварки таких сталей проходит сложнее из-за разницы в прочности сварного шва и соединяемых деталей. Кроме того, вдоль шва могут образовываться трещины и поры. Чтобы стабилизировать баланс прочности, при сварке применяют электроды с низким содержанием углерода:

• АНО-7;
• АНО-8;
• АНО-9;
• ОЗС-2;
• УОНИ-13/55;
• УОНИ-13/65;
• ОЗС-2;
• К-5а.

Перед сваркой детали предварительно прогревают до 400 °С. Величина температуры зависит от толщины деталей и количества углерода в них. Кроме того, в процессе сварки детали постоянно подогревают для ровного распределения температуры. При толщине деталей более 4 мм необходимо предварительно обработать кромки в зависимости от типа соединения.

Детали соединяют сваркой минимум в два прохода. При этом шов нужно вести равномерно, без разрывов. После сварки изделие медленно охлаждают в термостате или с помощью теплоизоляционных материалов.

Для среднеуглеродистых сталей применяют такие типы сварки, как:

1. Ручная дуговая сварка с электродами. Предпочтительнее использовать сварочные материалы типа УОНИ, которые обеспечивают более стойкий сварной шов.
2. Газовая сварка с помощью проволоки с содержанием углерода не более 0,2–0,3 %. Перед сваркой деталь необходимо прогреть до 200–250 °С.
3. Сварка на малом токе с помощью проволоки с применением флюсов АН-348-А или ОСЦ-45. Флюсы насыщают шов кремнием и марганцем для усиления прочности.
4. 4. Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Самые сложные стали для сварки – с высоким содержанием углерода. При соединении деталей образуется высокая концентрация мартенсита – твердого раствора, перенасыщенного углеродом. Мартенсит делает металл хрупким, что приводит к разрыву сварного шва после остывания.

При сварке высокоуглеродистых сталей следует использовать низковольтный электрод. Кроме того, предварительный нагрев металла до 300 °C замедляет процесс охлаждения и предотвращает концентрацию мартенсита. Последующий нагрев также уменьшит напряжение и усилит сварку.

Важно! Не допускается сваривать высокоуглеродистую сталь, если внешняя температура воздуха опустилась ниже 5 °C или на месте сварочных работ «гуляют» сквозняки.

Если все условия соблюдены, высокоуглеродистую сталь сваривают теми же способами, что и среднеуглеродистую. Для сварки можно применять и ацетиленовую горелку с расходом газа от 75 до 90 дм³/ч на 1 миллиметр толщины сварного шва.

Особенности сваривания легированных сталей

В легированной стали содержится хром, марганец, молибден, вольфрам, никель и другие элементы, которые повышают устойчивость к коррозиям, износам и твердость деталей.

По содержанию элементов легированные стали делят на 3 типа:

• Низколегированные, содержащие не более 2,5 % легирующих элементов.
• Среднелегированные, содержащие 2,5 %–10 %.
• Высоколегированные – более 10 % элементов.

Сталь называется по тому элементу, который входит в ее состав, например молибденовая, хромистая или ванадиевая. В зависимости от объема содержания легирующих элементов для каждого типа стали используют определенные особенности сварки.

Сварка низколегированных сталей

Главный показатель свариваемости таких сталей – это сопротивляемость к появлению трещин после остывания металла. Низколегированные стали содержат небольшое количество углерода, никеля, кремния, серы и фосфора, что исключает появление разрывов в процессе сварки.

Для них используют следующие методы:

1. Дуговую сварку с электродами типа Э-70 с фтористо-кальциевым покрытием с низким содержанием водорода. Величину сварочного тока выбирают в зависимости от диаметра электрода, его марки, толщины сварных деталей и типа соединения. Сваривают в один проход без разрывов с постоянным подогревом более 200 °С.
2. Сварку под флюсом при постоянном токе обратной полярности с силой не более 800 А и напряжением дуги не более 40 В. Детали толщиной до 8 мм сваривают в один проход, для деталей с толщиной до 20 мм используют двухстороннюю сварку. Чаще всего для соединений без обработки кромок используют проволоку Св-08ХН2М.
3. Газовую сварку в углекислом газе – характеризуется повышенным выгоранием легирующих элементов. Если для сварки используют углекислый газ, сварщик должен брать проволоку Св-08Г2С, Св-10ХГ2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ или порошковую проволоку. Если используют аргоновую смесь, оптимальным вариантом будет проволока Св-08ХН2ГМЮ.

Сварка среднелегированных сталей

Среднелегированные стали содержат никель, молибден, хром, ванадий и вольфрам и отличаются хорошим сочетанием прочности и пластичности за счет очистки от неметаллических элементов.

Прочность соединения сварных частей зависит от химического состава сварного шва. Баланс достигается за счет уменьшения доли легирующих элементов в сварном материале по сравнению с основным металлом. Крепкий на разрыв шов образуется, когда в него переходят легирующие элементы основного металла.

Для сварки используют низколегированные электроды, не содержащие органических элементов. Во время сварки важно не допустить воздействия на металл влаги или ржавчины, так как содержащийся в них водород снижает прочность сварного шва.

Для сварки среднелегированных сталей чаще всего применяют проволоки:

• Св-08Х20Н9Г7Т;
• Св-08Х21Н10Г6;
• Э-13Х25Н18;
• Э-08Х21Н10Г6;
• ЭА-1Г6.

Основными методами сварки являются:

1. Аргонодуговая сварка. Эффективна для соединения деталей толщиной 3–5 мм с применением неплавящегося электрода для достижения равномерной глубины проплавки.
2. Газовая сварка ацетиленокислородом, которая позволяет добиться качественного и ровного шва.

Сварка высоколегированных сталей

При нагревании выше 500 °С в высоколегированной стали происходит выпадение карбидов хрома, из-за чего теряются антикоррозийные свойства. Чтобы восстановить их, деталь нагревают до 1000–1150 °С и быстро охлаждают

Ключевые характеристики таких сталей, которые влияют на качество сварки, – низкая степень теплопроводности и высокий коэффициент линейного расширения. Первая характеристика влияет на увеличение тепловой концентрации в месте соединения и проплавления металла. Высокое линейное расширение приводит к деформациям деталей и появлению трещин.

При этом высоколегированные стали считаются жаропрочными, хладостойкими и устойчивыми к коррозиям. Одну и ту же марку стали не используют для различных изделий, а значит и подход к сварке будет индивидуальным.

Надежнее всего для сварки использовать электроды с покрытием из молибдена, марганца или вольфрама, это повысит пластические свойства металла и снизит вероятность появления трещин. Перед сваркой металл необходимо подогреть до 200–300 °С и выше для сбалансированного распределения температур. После сварки металл также нужно термически обработать.

Для сварки высоколегированных сталей применяют:

1. Газовую сварку с пламенем мощностью 70–75 дм³ ацетилена/ч на 1 мм толщины металла. Ее используют для тонких деталей в пределах 1–2 мм. Здесь применяют низкоуглеродистую сварочную проволоку Св-02Х19Н9Т или Св-08Х19Н10Б с диаметром близким к толщине сварной детали.
2. Ручную дуговую сварку – больше вариантов в выборе электродов. Чаще всего используют проволоку с фтористокальциевой обмазкой для получения шва нужного химического состава.
3. Сварку под флюсом – для деталей толщиной 3–50 мм. Флюс замешивают на жидком стекле и наносят на кромки деталей. Сваривают после того, как флюс засохнет.

Особенности сваривания меди и медных сплавов

Медь и ее сплавы отличаются высокой теплопроводностью, что затрудняет получение прочного сварного шва. Поэтому такие металлы сваривают с помощью методик высокотемпературного плавления. Чаще всего применяют:

• дуговую сварку в защитных газах;
• ручную дуговую сварку покрытыми электродами;
• механизированную дуговую сварку под флюсом;
• газовую сварку;
• электронно-лучевую сварку.

Сварка в защитных газах

При таком типе сварки с минимальным содержанием примесей получается прочный сварной шов. Чаще всего применяют азот, аргон, гелий и их смеси. В качестве электрода используют неплавящийся вольфрамовый стержень, а для присадки – медную проволоку. Для азотной сварки на присадочную проволоку наносят борный флюс.

Ручная дуговая сварка

Выполняют на постоянном токе обратной полярности. Для медных листов толщиной до 4 мм не требуется разделка кромок, для листов до 10 мм применяют одностороннюю разделку с углом скоса 60–70° и притуплением 1,5–3 мм, для листов более 10 мм – Х-образная разделка.

При дуговой сварке используют электроды «Комсомолец-100», АНЦ/ОЗМ-2, АНЦ/ОЗМ-3, ЗТ и АНЦ-3. Сварку ведут по короткой дуге. Для металла толщиной в 5–8 мм требуется прогрев до 300 °С, при толщине 24 мм – до 800 °С. Для сплавов меди с никелем, бронзой и латунью применяют электроды ММЗ-2, Бр1/ЛИВТ, ЦБ-1 и МН-4.

Механизированная дуговая сварка под флюсом

Машина равномерно подает флюс, так что по окончании сварки получается идеально ровный сварной шов

Металл сваривают с помощью угольного или плавящегося электрода. Для угольного электрода применяют постоянный ток прямой полярности и флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-20. Кромки металла собирают на графитовой подкладке, а поверх стыка кладут присадочный материал, как правило латунь. Таким способом удобно сваривать детали толщиной до 10 мм.

Для сварки с плавящимся электродом используют постоянный ток обратной полярности и флюсы АН-200, АН-348А, ОСЦ-45 и АН-M1. Если при сварке применяют неплавящийся керамический флюс ЖМ-1, дугу нужно запускать при переменном токе.

Этот способ удобен, потому что не требует предварительного прогрева металла. Для сварки чистой меди используют проволоку диаметром 1,4–5 мм из меди МБ, M1 или бронзы БрКМц 3-1, БрОЦ 4-3.

Для сварки латуни используют флюсы АН-20, ФЦ-10, МАТИ-53, бронзовые БрКМцЗ-1, БрОЦ4-3 и латунные ЛК80-3 проволоки.

Газовая сварка

Чаще всего применяют ацетиленокислородную сварку, с помощью которой достигается сверхвысокая температура пламени. Для газовой сварки используют флюсы с содержанием бора. Флюс наносят слоем в 10–12 мм на кромки и присадочную медную проволоку М1 или М2. Для сварки латуни рекомендуется брать проволоку ЛК80-3 из кремнистой латуни.

Электронно-лучевая сварка

Такой тип сварки эффективен в производстве медных изделий высокой чистоты, так как не допускается выпадение и осадок примесей. Альтернативным типом соединения деталей является плазменная сварка, которой «сшивают» металл толщиной до 60 мм. При сварке используют слой флюса или порошковую проволоку.

Особенности сваривания алюминия и алюминиевых сплавов

Главная особенность сварки алюминия и его сплавов – активная реакция металла с кислородом, при которой образуется оксид алюминия Al₂O₃ с повышенной температурой плавления в 2050 °С. При этом температура плавления чистого алюминия – всего 658 °С. Оксид остается в сварном шве и разрушает его структуру.

Второй ключевой момент – разрушаемость алюминия при температуре в пределах 600 °С. Важно учесть, что у алюминия нет переходного состояния и при сильном нагреве он становится жидким.

Эти проблемы решаются следующими путями:

1. При сварке применяют флюсы и электроды со специальными покрытиями, которые растворяют Al₂O₃. После сварки остатки электродов и флюсов необходимо тщательно удалить с деталей.
2. Для присадки используют проволоку из алюминия с 5-процентным содержанием кремния.
3. Детали толщиной в 6–7 мм сваривают одним проходом без обработки кромок. Для сварки деталей толщиной более 7 мм на кромках делают скос до 60 градусов.
4. Для сварки используют стальные подкладки, которые удерживают тепло в нужных точках.
5. Алюминиевые детали толщиной более 20 мм предварительно прогревают до 400 °С.
6. Начинают сварку при сильном постоянном токе обратной полярности, постепенно снижая его на 15 %.

Как правило, алюминий и его сплавы соединяют аргонно-дуговой сваркой. Для деталей толщиной до 10 мм используют неплавящиеся вольфрамовые или углеродные электроды, а для более толстых – плавящиеся стержни.

Алюминиевые сплавы представлены в 4 категориях:

• алюминиево-марганцевые;
• алюминиево-магниевые;
• алюминиево-медные;
• алюминиево-кремниевые.

Первый тип отличается повышенной прочностью и устойчивостью к коррозиям. Эти характеристики улучшаются, если использовать сплав алюминия и 5–6 % магния. Прочность дюралюминиевых сплавов повышается при закалке.

Алюминиевые детали толщиной до 4 мм сваривают через прямой стык без скоса кромок. При соединении необходимо оставить зазор не более 0,5 мм. Для более толстых деталей на кромках делают V-образный скос под 35 градусов.

Внахлест детали лучше не сваривать, так как между кромками будет затекать флюс, который вызовет коррозию металла. Перед сваркой кромки нужно обезжирить и очистить от оксида алюминия металлической щеткой или ортофосфорной кислотой.

Можно ли сваривать алюминий со сталью при изготовлении металлических изделий? Да, но нужно учитывать, что при сварке образуются хрупкие соединения, которые разрушают структуру стального шва. Проблему решают двумя путями:

1. Используют биметаллические переходные вставки из алюминия и других металлов. При этом применяют сварку взрывом, прокатку, давление подогревом. Таким образом каждый тип металла приваривается к себе подобному.
2. Используют алюминиевое покрытие стали с помощью погружения в расплавленный металл или припайку алюминия на стальную деталь. Кроме того, сталь можно покрыть припоем из серебра, а при сваривании использовать присадки из алюминиевых сплавов.

Особенности сваривания титана и титановых сплавов

Титан и его сплавы сваривают по специальным технологиям, так как данный металл ведет себя весьма специфично при различных температурах

Титан – металл с высокой температурой плавления – около 1600 °С. Считается одним из самых сложных металлов для сварки, так как в чистом виде активно реагирует с кислородом и азотом при нагревании до 400 °С. Поэтому зону сварки необходимо изолировать от воздействия атмосферного воздуха.

Для соединения титановых деталей нужна очень быстрая сварка без постепенного повышения температуры. Поэтому самым распространенным способом соединения титана и его сплавов является аргонная сварка на постоянном токе малой величины. Для нее не нужны электроды и флюсы, что исключает попадание в сварной шов посторонних соединений.

Титан и титановые сплавы сваривают в 2 этапа:

1. Подготовка. Сварщик зачищает поверхность титановых деталей, удаляет различные оксиды. Детали обрабатывает соляной кислотой или фтором при температуре 60 °С. От попадания воздуха детали защищают медными или стальными прокладками.
2. Сварка. В аргонную горелку вставляют вольфрамовый электрод. При появлении дуги образуется сварочная ванна с температурой до 6000 °С. Аргон обеспечивает дополнительную защиту от кислорода и азота.

При соблюдении всех требований у сварщика получается ровный и аккуратный сварной шов, который не требует дополнительной обработки.

В заключение стоит отметить, что для сваривания различных типов сталей требуется соответствующая квалификация сварщика. Например, начинающий сварщик легко справится со сваркой алюминия или низкоуглеродистых сталей. А вот сварить титан и его сплавы под силу опытному мастеру, который досконально знает все особенности процесса.

Свариваемость металлов или сплавов | Теория сварочных процессов

При выборе материала для изготовления сварной конструкции конструктор в первую очередь базируется на свариваемости того или иного металла или сплава. Свариваемость является определяющим показателем и для инженера-технолога при разработке им технологии сварки заданной конструкции.

В соответствии с действующим стандартом на сварочную терминологию свариваемость это – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Следовательно, под свариваемостью металла (или сочетания металлов) следует понимать отношение металла (или двух свариваемых металлов) к совокупности физико-химических процессов, определяющих возможность получения сварного соединения без дефектов с требуемыми механическими и специальными свойствами. Другими словами, под свариваемостью понимают способность металла (сочетания металлов) образовывать в процессе сварки соединения, не уступающие по своим свойствам свариваемым материалам.

При рассмотрении свариваемости конкретного материала обычно решают следующие вопросы:

– какие дефекты возникают при сварке данного материала?

– какие причины их возникновения?

– какие меры нужно предпринять для их устранения?

В общем случае свариваемость материала есть комплексное свойство и оно тем выше, чем проще технология сварки, чем большее количество способов сварки может быть использовано для соединения материала, чем шире область параметров режимов, обеспе­чивающих заданные требования к свойствам соединения, чем шире но­менклатура изделий, для которых могут быть использованы сварные соединения из данного материала.

Как и всякое комплексное свойство, свариваемость определяется химическим составом и физическими свойствами материала.

К факторам, наиболее сильно влияющим на свариваемость, сле­дует отнести:

– химический состав материала, который определяет его металлургическую активность, температурный интервал кристаллизации, фазовый состав и структурные превращения на этапе нагрева и охлаждения;

– теплофизические свойства, которые определяют скорость процессов превращений, происходящих в материалах под воздействием сварочного цикла;

– механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов, без разрушения;

– специальные физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния.

Чем хуже свариваемость материала, тем сложнее технология сварки, тем больше мероприятий необходимо применять для получения качественного сварного соединения.

При сварке деталей из одного и того же материала процессы растворения, взаимной диффузии, образования твердых и жидких растворов, т.е. взаимной кристаллизации металла ничем не ограничены. Более сложная ситуация может возникать при сварке разнородных металлов. В этом случае предварительно приходится рассматривать физическую (или принципиальную) свариваемость свариваемых материалов.Если рассматривается возможность получения качественного сварного соединения деталей из одного и того же металла (или сплава), то в этом случае анализируется технологическая свариваемость данного материала.

Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надёжности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.

Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газов, от конструктивных особенностей свариваемого изделия (его жесткость, наличие остаточных напряжений, концентраторов и т.д.) и условий его последующей эксплуатации.

Основные критерии технологической свариваемости следующие:

– окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

– сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

– сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

– чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

– чувствительность к образованию пор;

– соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям – прочности, пластичности, выносливости, ползучести, вязкости, жаростойкости и жаропрочности, коррозионной стойкости и др.

Следовательно, под хорошей свариваемостью сталей понимают возможность получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом, без трещин и снижения пластичности как в металле шва, так и в околошовной зоне при обычной технологии сварки, без применения специальных приемов (например, предварительного подогрева). При этом все зоны сварного соединения должны обладать стойкостью против перехода в хрупкое состояние при рабочих температурах наравне с основным металлом.

Если рассматривается свариваемость легированных сталей, предназначенных, например, для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях контакта с агрессивной средой, то кроме вышеперечисленных требовании, необходимо, чтобы металл шва в зоне термического влияния обладал также и высокой коррозионной стойкостью. Лишь при обеспечении всех перечисленных требований, предъявляемых к сварному соединению при сварке по обычной технологии, данная сталь будет обладать хорошей свариваемостью.

Чем сложнее условия работы конструкции, тем большее число свойств должно учитываться при определении свариваемости.

Таким образом, разница между металлами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние для получения сварных соединений с комплексом свойств, отвечающих условиям эксплуатации, должны свариваться по более сложной технологии, например, с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термообработкой сварных изделий, в некоторых случаях в специальных камерах с контролируемой атмосферой или в вакууме, иногда с предварительной наплавкой кромок и термообработкой перед сваркой и т.д.

Значительное усложнение технологии изготовления того или иного изделия в некоторых случаях заставляет отказываться от данного материала и изыскивать другой, применение которого упростит технологию сварки при обеспечении требуемых свойств сварной конструкции.

Удовлетворительная свариваемость должна обеспечивать соответствие сварного соединения определенным технологическим требованиям. Поскольку такие требования весьма разнообразны, различными могут быть и показатели, применяемые для оценки свариваемости. В связи с этим существует ряд испытаний для оценки свариваемости. Из них наиболее часто применяются такие:

1)      определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин;

2)      определение стойкости металла шва и околошовной зоны к образованию холодных трещин;

3)      в сопоставлении с основным металлом определение стойкости металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние;

4)      проверка служебных характеристик металла шва и сварного соединения (механических свойств, стойкости против коррозии, износостойкости и т.д.).

Мерой количественной оценки свариваемости металлов служат численные значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании и нормативного значений определяемого свойства сварного соединения (или его участка).

Если необходимо обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла, то в качестве нормативного значения определяемого свойства сварного соединения принимают нормативное значение одноименного свойства основного металла в соответствующем состоянии – исходном или после термической обработки. При невозможности обеспечить одинаковые свойства соединения и основного металла нормативные значения ряда свойств сварного соединения устанавливают на основе опыта эксплуатации сварных конструкций или по результатам специальных испытаний. Такие испытания должны учитывать конструктивные особенности данных сварных соединений и моделировать условия их эксплуатации.

В необходимую и достаточную совокупность показателей для оценки свариваемости металла следует включать те из них, которые в наибольшей степени обеспечивают технологическую и эксплуатационную надёжность заданных конструкций при изготовлении их из данного металла выбранным способом сварки.

Если хотя бы один показатель свариваемости не удовлетворяет предъявленным требованиям, металл считают обладающим плохой (неудовлетворительной) свариваемостью при выбранном способе и технологии сварки.

В зависимости от назначения испытания для оценки свариваемости металлов подразделяют на следующие группы.

Испытания исследовательские. В процессе этих испытаний исследуют основной металл и разные участки сварных соединений, полученных при различиях режимах и способах сварки. Условия испытаний должны соответствовать условиям эксплуатации сварных соединений. Результаты испытаний используют при разработке оптимального состава сплавов и основ рациональной технологии их производства, обеспечивающих получение металла с требуемыми свойствами и свариваемостью, а также при выборе способов и разработке технологии сварки типовых соединений. На основе результатов этих испытаний устанавливают:

а) нормативные значения свойств сварного соединения и отдельных его зон и участков;

б) пределы допускаемых при сварке параметров термического цикла, необходимые для расчетного определения режимов сварки;

в) типы и марки электродов, сварочной проволоки и прутков, флюсов, защитных газов и других сварочных материалов, обеспечивающих наиболее высокий уровень свойств сварных соединений;

г) методы испытаний данного материала, необходимые и достаточные для оценки его свариваемости применительно к типовым условиям эксплуатации сварных соединений.

Испытания технологические. Это ведомственные или межведомственные испытания, проводимые в научно-исследовательских лабораториях при разработке рациональной технологии сварки типовых конструкций определенного назначения с целью оценки пригодности металла данной марки для этих конструкций и установления ведомственных нормалей на свойства сварных соединений. Испытания этой группы выполняют по утвержденным нормалям и типовым программам ведомств-изготовителей сварных изделий. Кроме лабораторных стандартных образцов в этих испытаниях применяют натурные образцы сварных узлов и конструкций или их модели.

Испытания контрольные. Проводятся заводом-поставщиком металла для определения действительных значений свойств отдельных участков сварного соединения в целях подтверждения его кондиционности, а также заводом-потребителем в целях проверки соответствия показателей свариваемости металла требованиям технических условий на его поставку.

Примерную оценку технологической свариваемости сталей в части возможности образования холодных и горячих трещин при сварке можно сделать по известному химическому составу свариваемого металла .

 

Сварка разнородных металлов и сплавов, показатели свариваемости различных металлов

Автор perminoviv На чтение 6 мин. Опубликовано 20.04.2017

Свариваемость металлов – это способность металлов разных видов или их сплавов образовывать соединения, соответствующие техническо-эксплуатационным требованиям при установленной технологии сварки.

Возможность сваривать разносоставные стали и другие металлы между собой позволяет объединять лучшие качества различных материалов. Такой подход значительно повышает функциональность изделий, но требует особых условий, в которых возможна сварка разнородных металлов и сплавов.

Соответствующие технологии разработаны, чтобы решать проблемы, связанные с различными свойствами соединяемых металлов (температура плавления, теплоотдача, глубина проплавления, образование оксидной пленки).

• Варианты свариваемых пар разнородных металлов
• Сварка разнородных металлов и сплавов, используемые присадочные материалы

Группы сплавов, наиболее часто применяемые при разнородном сваривании

• Сплавы на основе железа (Fe), которые, в свою очередь, подразделяются на подгруппы:
  • Углеродистые стали
  • Низкоуглеродистые легированные стали
  • Инструментальные пружинные стали
  • Нержавеющие стали
  • Чугуны 

• Никельные сплавы (Ni)
  • Чистый никель
  • Монель
  • Никонель
  • Нимоник
  • Хастелой 

• Медные сплавы (Cu)
  • Чистая медь
  • Латуни
  • Оловянные бронзы
  • Алюминиевые бронзы
  • Кремниевые бронзы
  • Никельно-медные 

• Алюминиевые сплавы (Al) 

• Магниевые сплавы (Mg) 

• Титановые сплавы (Ti) 

• Кобальтовые сплавы (Co) 

Наиболее распространенные пары соединяемых материалов, которые встречаются в промышленности 

• Сплавы на основе Fe + Al, алюминиевые сплавы 

• Сплавы на основе Fe + Cu, медные сплавы 

• Сплавы на основе Fe + Ti 

• Сплавы на основе Fe + Mb 

• Сплавы на основе Fe + Nb 

Для большинства представленных вариантов сварки разнородных металлов и сплавов характерны большие отличия в температуре плавки, физико-тепловых свойствах, показателях расширения материалов.

Множество факторов определяют качественное состояние сварного шва, когда необходимо соединить материалы с отличающимися характеристиками. Образования оксидной пленки, разная температура плавки, взаимодействие при нагревании с газом и другие трудности, которые возникают при сваривании. Особенно капризный в отношении посторонних примесей алюминий и походные от него сплавы.

Сваривание алюминия и его сплавов со сталями  

Процесс сваривания затрудняется активным возникновением оксидной пленки, которая мгновенно покрывает поверхность этого металла. 

Разделка сварочных фасок производится под углом 70˚. Шов с таким углом обладает наибольшей надежностью. Перед свариванием кромки тщательно зачищают при помощи пескоструя или другим механическим путем для покрытия активирующим слоем. Самым распространенным и экономичным покрытием является оцинкование. 

• При гальваническом оцинковании оптимальная толщина слоя 30-40 мкм 
• При термическом оцинковании – 60-90 мкм 

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся вольфрамовым электродом 

Присадочный материал – алюминиевый пруток АД1 с включениями кремния. 

Технология процесса сваривания

 Зажигание дуги производится с присадочного прутка для начала образования валика, благодаря стекающему алюминию. Необходимо свариваемые заготовки расположить в пространстве так, чтобы алюминий при расплавлении натекал на черный металл. При необходимости сварочные валики накладываются в несколько слоев. Главное не допустить перегрев стальной детали, что приведет к выгоранию активирующего слоя раньше времени. Сваривание производится по очередности с обеих сторон. 

Режим скорости сварки алюминия должен повышаться к концу процесса. Такой метод вырабатывается сварщиком для сохранения активирующего покрытия. 

Сваривание меди и ее сплавов со сталями

В этом типе соединений примечательно влияние количества углерода на качество сварного шва. Чем его меньше, тем прочней и качественней выходит взаимопроникновение в области смешивания. Благотворно на свариваемость влияют марганец (Mg) и кремний (Si).

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся вольфрамовым электродом, ручная дуговая – плавящимся электродом, плазменное наплавление с использованием в качестве присадки токоподводящей проволоки.

Материалы для присадки – при сваривании чистой меди и бронзы БрАМц, БрКМц; для латуни Л90, 09Г2; при флюсовой сварке проволока марки М и БрКМц; для сваривания в атмосфере защитных газов МНЖ, БрКМц, БрАМц.

Флюсы — АН-26; ОСЦ-45

Технология сварочного процесса – быстрое динамическое расширение меди вследствие нагрева образовывает множество мелких микротрещин в стали в области (и около) сплавления. Для получения швов с оптимальными свойствами рекомендуется присадочный материал с вместительностью железа не более 10%.

 При сварке нужно следить, чтобы было минимальное проплавление стали. При сваривании дуга должна быть смещена в сторону цветной заготовки.

Сваривание титана со сталью

Образование ломких интерметаллических областей не позволяет добиться качественных сварочных швов при прямом сваривании. Для получения качественных соединений применяются промежуточные вставки.

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся вольфрамовым электродом

Технология сварочного процесса – наилучшие прочностно-пластичные показатели соединений дало применение БрБ2 (промежуточных вставок) из обработанной температурой бронзы и технического тантала. Для достижения особого качества швов сварка производится в специальных боксах с контролируемым микроклиматом.

Сваривание меди с алюминием

Образование ломких областей и другие различающиеся свойства этих цветных металлов значительно затрудняют процесс сваривания.

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся электродом по флюсу

Технология сварочного процесса – после очищения медь проходит оцинковку для формирования активирующего слоя не более 60 мкм. В целом процесс схож со свариванием алюминия и стали, при котором смещение сварочной дуги происходит в сторону металла с большей температурой плавления. Для повышения свойств шва применяется 5 % легирование кремнием.

Сваривание алюминия с титаном

В этом случае появляются затруднения с возникновением интерметаллической зоны, приводящей к хрупкости стыка.

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся электродом

Материал для присадки – алюминиевая проволока AB00

Технология процесса сварки – тщательно зачищенные кромки с разделанными фасками алитируют (аллюминизируют при нагреве 800 – 830˚С). Сваривание производят обычным методом для алюминиевых сплавов, смещая дугу в сторону более тугоплавкого материала. 

Сваривание меди и ее сплавов с титаном 

Образование хрупких зон предотвращается использованием промежуточных вставок из сплавов титана.

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся вольфрамовым электродом 

Технология процесса сварки – для вставок используются сплавы титана с включением легирующих добавок молибдена или ниобия типа ВТ15. Структуры кристаллических решеток таких вставок схожи с кристаллической структурой меди. Методы сваривания те же самые, что применяются при сварке меди и ее сплавов. 

Сваривание ниобия, тантала и молибдена со сплавами цветных металлов и сталями 

Поскольку эти элементы используются в качестве вставок для соединения – они имеют высокие показатели свариваемости. 

Тип сварки – аргонно-дуговая, неплавящимся вольфрамовым электродом 

Технология процесса сварки – возможность типов сварных соединений этих элементов указана выше на примере вставок для соединения. При соединении тантала и меди в качестве присадки используется БрБ2 (бериллиевая бронза). Для сварки зачастую применяются боксы с регулируемым микроклиматом. 

Естественно, что перечислены далеко не все способы. Указаны наиболее широко используемые технологии сварки разнородных материалов. Например, существует высокотехнологическая электронно-лучевая сварка, производящаяся в специальных вакуумных камерах направленным потоком электронов. Но такой способ возможен исключительно в рамках профильных предприятий.

Свариваемость металлов. Сварочные работы. Практический справочник

Свариваемость металлов

Свариваемость – это свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, которое отвечает всем требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия, т. е. она представляет собой способность одно– и разнородных металлов и сплавов давать такое сварное соединение, которое при определенных условиях (нагрузки, температура, воздействие внешней среды и пр.) не будет разрушаться.

Если металлы и сплавы содержат в своем составе элементы, которые отличаются неограниченной взаимной растворимостью, то они хорошо свариваются и не дают соединений, которые негативно влияют на свойства сварного шва. Это можно сказать, например, о таких парах, как железо и хром, железо и ванадий, молибден и тантал, никель и медь, хром и титан и др. Прекрасно свариваются однородные металлы и сплавы, например медь с медью, чугун с чугуном, сталь со сталью и др.

Если металлы (например, свинец и медь) и сплавы в жидком состоянии дают несмешивающиеся слои, т. е. о них нельзя сказать, что им свойственна высокая взаимная растворимость, то их сварка неосуществима. Это означает, что они настолько разнородны, что взаимная кристаллизация невозможна. С трудом свариваются железо и магний, алюминий и висмут и др. Для облегчения этого процесса в смесь вводятся такие металлы, которые способны взаимно растворяться и с тем, и с другим соединяемым компонентом.

Таким образом, свариваемость металлов и сплавов во многом определяется их химическим составом. В качестве примера рассмотрим железоуглеродистые сплавы, которые в этом плане очень показательны. Свариваемость углеродистой стали определяется содержанием присутствующих в ней примесей. Углерод – один из главных элементов в стали, от которого во многом зависят свойства данного материала в процессе обработки. Это относится и к свариваемости: с повышением содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Например, хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, в которых количество углерода не превышает 0,25 %; среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35 % тоже свариваются неплохо. При дальнейшем повышении данного параметра свариваемость сталей заметно ухудшается. Это проявляется в том, что в околошовной зоне образуются закалочные структуры, трещины, а сам шов приобретает пористость.

Чтобы сварное соединение получилось качественным, необходимо прибегать к различным технологическим приемам, об одном из которых уже упоминалось ранее (о введении легирующих компонентов).

Помимо свойств основного металла, для свариваемости имеют значение и другие факторы, а именно:

– вид и режим сварки;

– состав присадок и флюса;

– вид защитного газа (например, для углеродистой стали азот в качестве газовой среды не подходит, поскольку он растворится в металле и вызовет его старение; для меди и цинка такая среда, напротив, благоприятна, так как азот практически не растворяется в легкоплавких металлах).

Для определения свариваемости металлов и сплавов разработано более 150 способов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке