Влияние углерода на свариваемость стали - GazSnabStroy.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Влияние углерода на свариваемость стали

Свариваемость стали

Под свариваемостью понимается способность стали данного химического состава давать при сварке тем или иным способом высококачественное сварное соединение без трещин, пор и прочих дефектов. От химического состава стали зависит ее структура и физические свойства, которые могут изменяться под влиянием нагрева и охлаждения металла при сварке. На свариваемость стали влияет содержание в ней углерода и легирующих элементов. Для предварительного суждения о свариваемости стали известного химического состава можно подсчитывать эквивалентное содержание углерода, пользуясь формулой

По признаку свариваемости все стали можно условно разделить на четыре группы:

1. Хорошо сваривающиеся у которыхэкв не более 0,25. Эти стали не дают трещин при сварке обычным способом, т. е. без предварительного и сопутствующего подогрева и последующей термообработки.

2. Удовлетворительно сваривающиеся, у которых Сэкв в пределах 0,25—0,35; они допускают сварку без появления трещин, только в нормальных производственных условиях, т. е. при окружающей температуре выше 0°С, отсутствии ветра и пр.

К этой же группе относят стали, нуждающиеся в предварительном подогреве или предварительной и последующей термообработке для предупреждения образования трещин при сварке в условиях, отличающихся от нормальных (при температуре ниже 0° С, ветре и др).

3. Ограниченно сваривающиеся, у которых Сэкв в пределах 0,35—0,45; они склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При сварке таких сталей необходима предварительная термообработка и подогрев. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки.

4. Плохо сваривающиеся, у которых Сэкв выше 0,45; такие стали склонны к образованию трещин при сварке.

Их можно соединять только с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Для металла небольшой толщины предельное значение Сэкв можно повысить до 0,55. Температура предварительного подогрева для низколегированных сталей в зависимости от величины Сэкв принимается следующей:

Предварительный подогрев замедляет охлаждение и предохраняет от появления холодных трещин при сварке.

Свариваемость стали определяют также различными пробами. С помощью проб устанавливают, не появляется ли при сварке данной стали хрупких структур в металле шва и околошовной зоне, способствующих образованию трещин.

Наиболее простой является технологическая проба, при которой к листу из испытуемой стали приваривают втавр односторонним угловым швом прямоугольную пластину (рис. 127, а). После остывания на спокойном воздухе пластину сбивают молотком, разрушая шов со стороны его вершины. Если будут обнаружены следы ранее образовавшихся трещин или разрушений в виде вырывов основного металла вблизи шва, то сталь является ограниченно сваривающейся и требует предварительного подогрева и последующей термообработки.

Склонность к образованию холодных трещин более толстой стали можно проверять пробой по способу Кировского завода (рис. 127, б, виг). В середине квадратного (130×130 мм) образца делается выточка диаметром 80 мм. Толщина а оставшейся части образца равняется 2, 4, 6 мм. В выточку наплавляют один или два валика (см. рис. 127, виг), охлаждая донышко снаружи воздухом или водой. Если при наплавке валика и охлаждении водой образец не дает трещин, сталь считается хорошо сваривающейся. Если трещины появляются при охлаждении водой, но не возникают при охлаждении на воздухе, то сталь считается удовлетворительно сваривающейся. Сталь считается ограниченно сваривающейся, если

образец дает трещины и при охлаждении на воздухе. Такую сталь нужно сваривать с предварительным подогревом до 100—150° С.

Плохо сваривающейся считается сталь, образец которой дает трещины даже при предварительном подогреве до 100—150° С. Такая сталь требует при сварке предварительного подогрева до 300° С и выше.

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.06.01 Обновлено: 2020.03.04

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Свариваемость сталей

Говоря о свариваемости сталей, под этой характеристикой понимают способность материала в процессе сварки давать качественный сварной шов высокой прочности, не имеющий пор, каверн, трещин, посторонних включений и других дефектов. Существует специальный марочник сталей и сплавов. Собранные в этом справочнике материалы соответствуют действующим стандартам и имеют определённую маркировку. По этой маркировке можно точно определить их сорт и химический состав, узнать количественное содержание различных примесей.

Прямая зависимость

В процессе сварки в зоне наложения соединительного шва происходит нагрев металла выше критической температуре. В результате образуется аустенит – так называют высокотемпературную гранецентрированную модификацию железа и его сплавов. Остывая, аустенит превращается в новую структуру, параметры которой зависят от скорости охлаждения и происходящих в материале термокинетических изменений. Непосредственное влияние на эти изменения оказывает химический состав стали. Это означает, что для правильного выбора технологии и создания качественного сварного соединения необходимо заранее знать характеристики свариваемости. Ведь при использовании сталей марки 15Г или 20Н2М приходится использовать другие технологии, чем при работе со сталями марки 35 или 45.

Польза и вред

Входящие в состав стали вещества можно условно разделить на две основные группы.

  • Полезные, улучшающие её конструктивные качества или усиливающие определённые свойства. На самом деле, их полезность достаточно условна, поскольку во многом зависит от процентного содержания.
  • Вредные, снижающие прочностные характеристики материала и серьёзно усложняющие процесс его обработки. Их присутствие даже в незначительном количестве приводит только к ухудшению характеристик стали.

Наличие тех или иных веществ обуславливается как химическим составом, использованным в процессе плавки руды, так и применением легирующих добавок, сознательно добавляемых при изготовлении материала.

Влияние, оказываемое различными веществами на свариваемость стали

Действующими стандартами нормируется содержание следующих химических элементов:

  • Углерода (C). Расположенное в периодической таблице химических элементов под номером 6, это вещество оказывает значимое влияние на такие характеристики стали, как вязкость, прочность и закаливаемость. Со сваркой не будет проблем, если содержание углерода не превышает 0,25%. В противном случае в зоне сварного соединения резко усиливаются термические влияния, приводящие к образованию различных дефектов, вроде горячих и холодных трещин, каверн и т. п.
  • Серы ( S ). Шестнадцатый элемент периодической таблицы считается однозначно вредным. Она охотно образует с железом легкоплавкие соединения, располагающиеся по границам зёрен основного металла. Это приводит к ослаблению связи между ними. В горячем состоянии в материале образуются трещины. Подобное явление принято называть красноломкостью металла. Избежать его удаётся, если содержание серы ниже 0,045%.
  • Фосфор (P). Расположенный в таблице под номером 15, этот элемент, как и его соседка, сера, вреден для стали. Он ответственен за образование внутри материала хрупких структур. Это качество принято называть хладноломкостью, поскольку особенно сильно оно даёт знать о себе при низких температурах.
  • Марганец (Mn), №25. В определённых пределах повышает упругость и прочность стали. Находясь в пределах 0,3 – 0,8% от общего количественного состава, не оказывает влияния на процесс сварки. Но если его содержание превысит 1,8%, то материал начнёт закаливаться, и избежать образования трещин и излишней хрупкости шва не удастся.
  • Кремний (Si), №14. Так же, как и марганец, несколько увеличивает характеристики упругости и прочности. Если его общее количество остаётся в пределах 0,2 – 0,3%, проблем не возникает. Но результатом значительного, свыше 0,8%, станет образование его тугоплавких сплавов, повысится жидкотекучесть стали. Это приведёт к проблемам при наложении сварных швов.
  • Хром (Cr), №24. Он придаёт стали не только высокую коррозионную стойкость, но также делает её прочной, упругой и твёрдой. Тем не менее, его содержание свыше 0,3% создаёт проблемы, поскольку в этом случае активно способствует образованию тугоплавких окислов и трещин, образующихся в результате резкого увеличения твёрдости материала в зоне термического нагрева. Из-за образования карбидов хрома в околошовной зоне коррозионная стойкость металла резко снижается.
  • Молибден (Mo) №42. Делает кристаллы стали (зёрна) мельче, существенно повышая её прочность, стойкость к высоким температурам и ударным нагрузкам. Но в процессе сварки молибден активно выгорает и окисляется, способствуя появлению трещин. Особенно заметно это становится, когда его содержание превышает 1%.
  • Ванадий (V), №23. Даже в малых количествах повышает закаливаемость стали, но тем самым создаёт проблемы при наложении сварных швов. При нагреве этот металл окисляется и выгорает. Это означает, что его присутствие в количестве более 1% для ответственных свариваемых деталей недопустимо.
  • Вольфрам (W), №74. Отвечает за такие качества, как износостойкость, особенно при высоких температурах – такое свойство принято называть красностойкостью – и твёрдость. Но поскольку при наложении шва сильно окисляется, в свариваемых сталях его присутствие вовсе не допустимо.
  • Никель (Ni), №28. Это друг сварщика. Он измельчает кристаллы металла, в результате чего шов становится более прочным и пластичным. Даже при его добавлении порядка 2 – 3% от общего состава даёт ощутимый результат. Для деталей, работающих под высокими нагрузками, рекомендовано использовать материалы, в которые добавлен никель в количестве 8 – 10 %. Но при сварке таких сталей приходится использовать различные технологические ухищрения, ограничивая поступление в зону нагрева кислорода. К тому же никель дорог, а это значит, что его использование должно быть экономически оправданным.
  • Титан (Ti), №22. Он улучшает те же, что и никель, характеристики, и столь же требователен к технологическим особенностям процесса. Однако, несмотря на значительную стоимость, в особо ответственные детали добавляют и тот и другой металл, стараясь довести содержание титана до 4 – 5%.
Читайте также:  Какая кристаллическая решетка у металлов

Внешние враги

А ещё существуют химические вещества, не входящие в состав стали, но, тем не менее, оказывающие непосредственное влияние на её свариваемость.

  • Кислород (O), №8. Его присутствие должно быть сведено к минимуму, а от воздействия кислорода приходится защищать зону сварки даже в том случае, когда он поступает туда вместе с атмосферным воздухом. Ведь это вещество – активный окислитель, ответственный за образование хрупких структур в расплавленном железе. Чтобы этого не случилось, к месту сварки подают углекислый газ, образующийся в процессе сгорания покрывающего электрод вещества или находящийся под давлением в специальных баллонах. При работе с нержавеющими сталями и цветными металлами этого оказывается недостаточно. В этом случае в качестве защиты приходится использовать благородные газы, такие как гелий или аргон.
  • Водород (H), №1. Не входя в состав стали, он попадает к месту сварки из окружающего воздуха, оказывая разрушительное воздействие на структуру шва. Он вызывает пористость металла, снижает его прочность, становится причиной образования мелких трещин. Защищаются от него так же, как и от кислорода.

Зная марку стали заранее, удаётся сразу определиться с выбором процесса сварки. Но если по каким-то причинам эта информация отсутствует или существует сомнение в её достоверности остаётся только один путь – проведение натурных экспериментов, в ходе которых может быть подобрана оптимальная технология. Но если нет желания заниматься экспериментами, стоит заранее позаботиться о наличие справочной информации и документальных подтверждениях состава материала.

Деление по параметрам

При классификации сталей по свариваемости принято разделять их на четыре основные группы. Эти группы характеризуются способностью металлов к образованию сварных соединений с определёнными свойствами.

  • Первая группа. В неё входят низкоуглеродистые низко- и среднелегированные стали, вроде 11ЮА или 09Г2. Хорошо свариваясь, они образуют соединения высокого качества без применения особых технологических приёмов.
  • Вторая группа. Сюда относят стали удовлетворительной свариваемости, такие как 30Л или 20Г2С. Они требуют тщательной очистки соединяемых кромок, использования и строгого соблюдения специальных технологических процессов.
  • Третья группа. В неё попали склонные к образованию трещин и плохо свариваемые в обычных условиях стали. Как правило, это связано с высоким содержанием в них углерода, или большим количеством легирующих добавок. Чтобы обеспечить удовлетворительные характеристики шва, их требуется предварительно подогревать до температуры порядка 400 – 500 градусов Цельсия, а после окончания сварки проводить процедуру отжига. Как ни тяжело для многих это осознавать, но именно в эту группу входят популярные в машиностроении стали марок 30, 35 и 45.
  • Четвёртая группа. Она содержит плохо свариваемые или практически не подлежащие сварке сорта стали. Из-за насыщенности углеродом и легирующими добавками, в местах соединения они образуют трещины, избавиться от которых полностью не помогают даже технологические ухищрения.

Первая среди равных

Разумеется, на конечный результат оказывают влияние и другие факторы, которые нельзя игнорировать.

  • Толщина металла и общие габариты детали, поскольку с их возрастанием увеличиваются необходимые для выполнения работ энергозатраты.
  • Температурные и климатические условия, в которых производится сварка. Ведь на сильном морозе или при значительных скачках влажности получить шов хорошего качества не получится.
  • Характеристики оборудования, задействованного при проведении работ.

Но всё это придётся уже потом, когда известна свариваемость стали.

Если в домашних условиях при изготовлении не слишком ответственных деталей некоторыми параметрами можно пренебречь, то в серьёзном производстве такой подход недопустим. Обеспечить стабильные характеристики сварных соединений удастся лишь в том случае, если заранее разработать и правильно соблюдать технологический процесс. Ведь пролёты мостов и фюзеляжи самолётов, каркасы зданий и детали станков должны обладать расчетной прочностью. Это значит, что при их создании придётся учитывать свариваемость сталей и сплавов, для каждого материала выстраивая свою технологическую цепочку и точно понимая, чем отличаются стали 35 и 45.

Понятие свариваемости сталей, группы и классификации

Свариваемость металлов – это реакция на процесс проведения сварки. Определяет режимы сварки, пригодность изготовленного изделия к дальнейшей эксплуатации. Подробно рассматриваем факторы, влияющие на свариваемость. Таблица групп металлов.

При изготовлении самолетов, кораблей (космических, морских, речных), автомобилей, строительстве сооружений разного назначения, производстве продукции машиностроительной, пищевой, энергетической и других отраслей промышленности, в ЖКХ используют металлические конструкции, которые свариваются разными способами. Они изготавливаются из углеродистых и легированных марок сталей, чугуна, меди, титана, алюминиевых сплавов и т. д. Каждый раз способ сварки металла конкретной марки и технология проведения выбираются в индивидуальном порядке. В первую очередь смотрят на химический состав, который производитель металлопроката и сортамента обязательно указывает в сопроводительной документации к каждой партии товара. Это позволило отнести любую из почти 700 марок сталей к той или иной группе по свариваемости.

Определение свариваемости и ее категории

Свариваемость сталей – способность получать при выбранном оборудовании и технологии проведения процесса качественное соединение частей изделия, соответствующее требованиям эксплуатации конечного продукта. Проще говоря, место соединения должно максимально приближаться к прочностным характеристикам свариваемой марки стали. Различают два вида свариваемости: физическую и технологическую. В первом случае получают соединение с химической связью, что характерно для чистых металлов и технических сплавов. Технологический вид свариваемости заключается в характеристике места соединения стальных заготовок после выполнения сварочного процесса. Шов и околошовная зона должны соответствовать свойствам, которые предъявляются к изделию, и быть надежными в течение всего срока эксплуатации.

На свариваемость оказывают влияние такие факторы:

  • количество углерода, легирующих элементов и вредных примесей, имеющихся в марке стали в %;
  • чувствительность металла к нагреву;
  • химическая активность;
  • склонность к окислительным процессам.

Совокупность факторов позволила марки сталей по свариваемости разделить на 4 группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо подлежащие сварочному процессу. Влияние оказывает и квалификация сварщика. Если человек – дилетант, то качество соединения будет очень низким.

Вид качественно выполненного сварного шва при соединении труб из высоколегированной стали:

Группа по свариваемостиСодержание углерода в %,Содержание легирующих элементов в %ГОСТМарка сталиОсобенности проведения сварочного процесса
I (хорошо)не более 0,2не более 2,5380-94Ст1 ÷ Ст4 (сп, кп, пс)Выполняется по технологии, не требующей дополнительных мероприятий на соответствующих толщине металла режимах
803-8110ЮА, 18 ЮА
977-8815Л, 20Л, 25Л, 08ГДНФЛ, 2ДН2ФЛ, 13ХДНФТЛ
1050-8808 ÷ 25 (пс, кп)
4041-7125пс, 08Ю
4543-7115Г ÷ 25Г, 10Г2, 16Х, 20Х, 12ХН, 15 ХА, 15 ХФ
II (удовлетвори-
тельно)
0,2 ÷ 0,352,5 ÷ 10380-94Ст5 (пс, сп)При сваривании необходимо:
– готовить кромки;
– придерживаться режима сварки;
– применять соответствующие флюсы и присадочные материалы. В некоторых случаях осуществлять подогрев до температуры 100 ÷ 200 0С с последующей термообработкой
977-8820ГЛ,20ГСЛ, 20ФЛ, 20Г1ФЛ, 20ДХЛ, 12ДХН1МФЛ
1050-8830
10702-7820Г2С
19281-8915Г2АФДпс, 16Г2АФД, 15Г2СФ, 15Г2СФД
III (ограниченно)0,35 ÷ 0, 452,5 ÷ 10977-8835Л 40Л, 45Л,35ГЛ, 32Х06Л, 45ФЛ, 40ХЛ, 35ХГСЛ, 35НГМЛ, 20ХГСНДМЛ, 30ХГСФЛ, 23ХГС2МФЛКачество обеспечивается предварительным нагревом заготовок до температуры не выше 250 0С и проведением термической обработки после соединения по режиму, соответствующему марке стали
1050-8835, 40, 45
4543-7125ХГСА, 29ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, 20ХН4А, 25ХГМ, 35Г, 35Г2, 35Х, 40Х, 33ХС, 38ХС, 30ХГТ, 30ХРА, 30ХГС, 30ХГСА, 35ХГСА, 25ХГНМТ, 30ХГНЗА, 20Х2Н4А
11268-7612Х2НВФА
IV (плохо)выше 0,45выше 10977-8850Л, 55Л, 30ХНМЛ, 25Х2Г2ФЛСварку выполняют с термообработкой до начала осуществления сварочного процесса, подогревом в процессе соединения и термообработкой после окончания сварки
1055-8850, 55
1435-77У7 ÷ У13А
4543-7150Г, 45Г2, 50Г2, 45Х, 40ХС, 50ХГ, 50ХГА, 50ХН, 55С2, 55С2А, 30ХГСН2А и др.
5950-20009Х, 9X1
10702-7838ХГНМ

Таблица свариваемости позволяет, если известна марка металла, сразу отнести его к конкретной группе и исходя из этого грамотно подобрать режим и способ осуществления соединения. Низкоуглеродистые и низколегированные стали свариваются любыми видами сварки без каких-либо ограничений, остальные марки требуют дополнительных мероприятий, которые позволят выполнить соединение соответствующего качества.

Внимание! Сварка при температуре ниже -5 °C не должна выполняться: качество соединения будет невысоким.

Факторы, оказывающие влияние на процесс сварки

Содержание углерода в марке стали – это очень важный фактор. Без проблем соединяются металлы с содержанием элемента не выше 0,2%, при более высоком показателе качество ухудшается. В околошовной зоне возникают трещины как горячие, так и холодные.

Содержание серы в количествах, превышающих 0,045%, ведет к такому явлению, как красноломкость, т. е. возникновение горячих трещин.

Вредной примесью является и фосфор. Если его количество превышает 0,4%, то не избежать такого дефекта, как хладноломкость, т. е. охрупчивание структуры.

Содержание марганца в стали в количествах более 1,8% затрудняет сварку. Место соединения становится хрупким, и в нем возникают трещины из-за закалочных процессов.

Хром в повышенных количествах ухудшает коррозионную стойкость шовного соединения, особенно у сталей, которые не содержат никеля. Количество хрома ограничивается верхним пределом – 0,3%.

Стали с количеством кремния до 0,8% свариваются хорошо, при превышении этой величины текучесть увеличивается и свариваемость ухудшается.

Сталь, особенно при сварке ответственных конструкций, необходимо защищать от вредных компонентов, находящихся в воздухе: кислорода и водорода. Они приводят к возникновению трещин и пор в сварном шве. Защитит место соединения от окисления при соединении слой флюса или защитный газ.

Режим и способ ведения также оказывают влияние на свариваемость металлов. Особенно когда марка стали неизвестна. В этом случае ее определяют экспериментально. Для этого сначала сваривают образцы из тех заготовок, из которых будет в дальнейшем изготавливаться конструкция или изделие, и отрабатывают режим проведения сварочного процесса.

Просим поделиться опытом тех, кто соединял высоколегированные и высокоуглеродистые стали, стали с высокой технологической пластичностью, а также алюминиевые сплавы и получал качественное соединение. Заранее благодарны за предоставление ценной информации, которая многим пригодится.

Влияние химических элементов на свариваемость стали

Все рассматриваемые стали относятся к свариваемым.

Однако свойства сварных соединений изделий из этих сталей, по сравнению с аналогичными свойствами основного металла, могут быть хуже. Это связано, главным образом, с химическим составом стали, а также с условиями нагрева и охлаждения основного металла при сварке. Кроме того, свариваемость стали сильно зависит от напряженного состояния элементов после сварки. В настоящем разделе рассмотрено влияние на свариваемость химического состава стали и ее микроструктуры.

Рассмотрим лишь самые общие представления о влиянии элементов на свариваемость строительной стали, сложившиеся на основе результатов исследований авторов.

Как отмечалось выше, в строительной малоуглеродистой стали содержание углерода, как правило, не превышает 0,22 %. Такое содержание углерода само по себе не вызывает осложнений при сварке в широком диапазоне тепловлокений.

При сварке же низколегированных сталей углерод при повышенном содержании в сочетании с другими элементами, входящими в состав стали, может отрицательно воздействовать на ее свариваемость.

Вредные примеси в стали — фосфор и сера — при повышенном содержании могут также ухудшать ее свариваемость.

Однако при современных способах производства стали содержание Р и S в металле относительно невелико, и при сварке эти элементы вызывают затруднения лишь в редких случаях.

На свариваемость определенное влияние также могут оказывать кислород и азот. Последний, как известно, может явиться причиной старения стали в зоне термического влияния на участке, нагреваемом до температур 300 . 500° С, а также может явиться причиной старения металла шва. Однако, если в стали присутствуют сильные нитридо- и карбонитридообразующие элементы Аl и Ti (вводимые как при раскислении, так и в целях легирования) и т. п., азот связывается достаточно полно и не ухудшает ее свариваемость. С другой стороны увеличение содержания нитридов алюминия в металле шва может привести к повышению критической температуры хрупкости.

Кислород в металле шва может явиться причиной образования пор, а также хладноломкости металла шва.

Водород как в стали, так и в сварочной ванне одинаково нежелателен, в первом случае он является причиной флокенов, во втором, диффундируя из шва в металл околошовного участка, повышает его склонность к хрупкому разрушению и способствует образованию холодных трещин.

Разме: наследственного зерна при нагреве влияет на рост зерна на участке перегрева. Крупное наследственное зерно предопределяет рост зерна околошовного участка, что приводит к охрупчиванию металла.

Марганец способствует росту аустенитного зерна, повышая склонность стали на околошовном участке к закалке. Вследствие этого с увеличением содержания марганца с 0 до 1,5 % твердость стали на околошовном участке, даже при сравнительно низком содержании углерода, резко возрастает. Вместе с тем, чтобы не проявилось вредное влияние марганца, отношение Mn/С должно быть не более четырех.

Кроме положительного влияния на основной металл, марганец играет большую роль при раскислении и легировании металла шва, а также, в известной мере, предупреждает образование кристаллизационных трещин. Марганец в металле шва нейтрализует вредное влияние серы, образуя сульфид марганца (MnS). С увеличением содержания марганца склонность металла к образованию трещин при повышении содержания серы (до определенного уровня) не возрастает. Это наиболее эффективно проявляется при содержании углерода 0,10-0,14%.

Кремний является сильным раскислителем, однако он повышает температуры критического интервала хрупкости и склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин (при сварке спокойных сталей это проявляется незначительно). Кремний охрупчивает металл околошовной зоны, но слабее марганца, что отражено в формуле углеродного эквивалента.

Введение хрома в низколегированную сталь повышает ее закаливаемость в ЗТВ, однако при содержании его до 0,8 % в основном металле этот эффект практически не сказывается.

Результаты исследований показали положительное влияние титана на пластичность основного металла и ЗТВ при содержании до 0,05 %, а при содержании титана более 0,05 % металл околошовного участка при сварке имеет повышеную хрупкость.

Ванадийсодержащие стали характеризуются удовлетворительной свариваемостью. В связи с тем, что ванадий является карбидообразующим элементом, он улучшает свариваемость малоуглеродистой стали, благодаря выделению тугоплавких и труднорастворимых в аустените карбидов или карбонитридов. При сварке такой стали ее твердость (закаливаемость) в околошовной зоне ниже, чем у аналогичной стали, не содержащей ванадия.

При связывании свободного углерода в карбиды его содержание в твердом растворе уменьшается. Вследствие этого при высоких температурах в зоне сварки и соответствующих скоростях охлаждения не происходит превращений, способствующих образованию закалочных структур.

Поэтому ванадий и титан при их суммарном содержании до 0,15 % не оказывают заметного влияния на склонность металла околошовной зоны к образованию холодных трещин.

Молибден в стали способствует ее закаливаемости, повышая твердость металла в ЗТВ. Вместе с тем марганцовистые стали с 0,33 % Мо на околошовном участке ЗТВ не склонны к образованию холодных трещин при использовании электродов с основным покрытием.

Таким образом, большинство из перечисленных элементов охрупчивают металл околошовной зоны. При оценке влияния того или иного элемента на повышение твердости стали следует учитывать степень его влияния на снижение температуры мартенситного превращения.

Температуру в большей степени снижает углерод и в меньшей — кремний. Снижая содержание углерода и добавляя элементы, обладающие значительно меньшей, чем углерод, способностью понижать Мн, получают стали, обладающие высокими механическими свойствами в исходном состоянии и удовлетворительной свариваемостью.

Совместное влияние всех элементов входящих в состав стали, с учетом степени воздействия каждого из них на поведение металла в ЗТВ при сварке часто оценивают по углеродному эквиваленту Сэ или Рсм.

Особенности сварки различных видов сталей

Для улучшения свойств и характеристик сталей, в их состав вводят различные добавки. Изменяя кристаллическую решетку материала, добавки влияют не только на прочность или коррозионную стойкость материала, но и на способность к свариванию. Для некоторых сплавов сварка проходит очень легко, но есть материалы, требующие особого подхода.

Углеродистые

Одной из самых распространенных добавок при производстве стали, безусловно, является углерод. Согласно ГОСТ 380-2005, в зависимости от его количества в составе сталей, последние могут быть:

  • низкоуглеродистыми, с содержанием углерода не более 0,25% от объема;
  • среднеуглеродистыми, содержащие углерод в количестве 0,25%-0,6%;
  • высокоуглеродистые, в которых содержится от 0,6% до 2,07% углерода от объема материала.

Сварка углеродистых сталей характеризуется рядом особенностей, позволяющих получить качественный однородный шов.

При соединении деталей из углеродистых сталей, их располагают так, чтобы шов оказался «на весу». Для этого детали на столе для сварки надежно фиксируют при помощи приспособлений для сборки – струбцин, скоб, тисков.

В начале и конце шва устанавливают специальные планки из того же материала, что и свариваемые детали. Начало и окончание процесса сварки происходит на этих планках. Таким образом, шов по всей длине получается однородным, обладающим стабильными свойствами и имеющим точные заданные характеристики.

Закрепив детали и разгонные планки в нужном положении, проводят прихватки металла по длине шва. Предпочтительно делать прихватки с обратной стороны шва.

Если толщина свариваемых деталей велика и планируется производить многослойную сварку в несколько проходов, прихватки допускается производить с лицевой стороны шва.

При многослойной сварке, каждый предыдущий слой осматривают на наличие трещин и непроваров. При их обнаружении металл шва срезают, разделывают кромки, и процесс повторяют.

Главное требование при сваривании заключается в том, что прочность металла шва и околошовной области не должна уступать прочности металла деталей.

Низкоуглеродистые

Малоуглеродистая сталь, имеющая в своем составе, помимо углерода еще и легирующие добавки сваривается, как правило, с применением любой из сварочных технологий.

Работа не требует высокой квалификации сварщика. Такие материалы относятся к числу хорошо свариваемых сталей. Поэтому здесь может с успехом применяться обычная дуговая сварка.

Особенностями сварки низкоуглеродистых сталей является пониженное содержание углерода в металле шва и увеличенное количество легирующих добавок, поэтому возможно некоторое упрочнение металла шва по отношению к металлу деталей.

Еще одной проблемой, которую следует учитывать, является повышенная хрупкость шва при выполнении многослойной сварки.

Для выполнения соединений низкоуглеродистых сталей применяются электроды с рутиловым и кальциево-фтористорутиловым покрытием. Профессиональные сварщики используют электроды, в обмазку которых добавляют немного порошка железа. Из электродов, выпускаемых промышленностью, для сварки подходят следующие марки: УОНИ-13/85, ЦЛ-14, ЦЛ-18-63.

Стали с малым количеством углерода легко сваривать, применяя ацетилен. При этом даже можно обойтись без использования флюса, а газ расходуется в небольшом объеме.

Для получения качественного стыка, обладающего прочностью, не меньшей, чем основной металл, применяют кремнемарганцевую сварочную проволоку. По окончании работы со швом пламя не гасят и не снимают его со стыка деталей, а плавно отклоняют, давая шву остыть.

Если убрать пламя сразу, то без флюса материал шва, будучи разогретым, окислится. Чтобы придать шву лучшие прочностные свойства, металл шва, как правило, проковывают и подвергают термической обработке.

Среднеуглеродистые

Из-за большого количества углерода соединение таких деталей осложняется. В результатах работы это выражается в том, что металл детали и сварного стыка может быть различной прочности. Помимо этого вблизи кромок шва могут образовываться трещины и очаги с ярко выраженной хрупкостью материала.

Чтобы избежать указанных недостатков, применяют электроды, в составе материала которых содержится низкое количество углерода.

При повышении тока, необходимом для разогрева соединяемых деталей, возможно проплавление основного металла. Чтобы исключить подобные случаи, производится разделка кромок соединяемых деталей.

Еще одним мероприятием по повышению качества соединения является предварительный разогрев и постоянный подогрев деталей в процессе. При сваривании сталей полуавтоматом для повышения качества шва лучше осуществлять движения электродом не поперек, а вдоль стыка деталей и использовать короткую дугу. Для работы применяют электроды марок УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5а.

При использовании ацетилена для сварки среднеуглеродистых сталей добиваются такого пламени горелки, при котором расход газа составит 75-100 дм³/ч. Для изделий, имеющих толщину 3 миллиметра и более, применяется общий подогрев до 250-300 °C или местный до 600-650 °C.

После сварки шов проковывают и подвергают термической обработке. Для сварки изделий из металла с количеством углерода, близким по содержанию к высокоуглеродистым сталям, используют специальный флюс.

Высокоуглеродистые

Стали с высоким содержанием углерода очень плохо поддаются сварке. Для соединения деталей из таких материалов применяются другие альтернативные способы.

Сварка высокоуглеродистых сталей, стойких к коррозии, осуществляется только при проведении ремонтных работ.

В этом случае применяется предварительный прогрев области шва до 250-300 °C и последующая термообработка шва. Совершенно не допускается производить сварочные работы с высокоуглеродистыми сталями при температуре воздуха ниже 5 °C или при наличии на месте сварочных работ сквозняков.

При соблюдении всех условий, сварка высокоуглеродистых сталей производится теми же приемами, что и среднеуглеродистых.

Допускается газовая сварка ацетиленом. Мощность пламени горелки должна обеспечивать расход газа в пределах 75-90 дм³/ч на 1 миллиметр толщины шва.

Для предотвращения окисления, используются флюсы, составы которых аналогичны флюсам, используемым при сварке среднеуглеродистых сталей. После газовой сварки осуществляется проковка шва с последующим отпуском.

Аустенитные

Аустенитными сталями называют материалы, в составе которых присутствует высокотемпературная фаза железа – аустенит. Они входят, например, в группу хромоникелевых сталей, которые могут работать в различных агрессивных средах и при очень больших значениях температур.

Главной особенностью при сварке коррозионностойкой стали, является необходимость обеспечения стойкости к межкристаллической коррозии в околошовной зоне.

Проблема заключается в том, что даже при предварительном подогреве стали, по границам нагрева из кристаллической решетки выпадают карбиды хрома. В результате уменьшения количества этого элемента в составе материала, при повторном нагреве на границах появляются коррозионные растрескивания.

На практике может понадобиться создание конструкций с использованием аустенитных сталей с хромоникелевыми легирующими добавками, которые будут работать в условиях высоких температур. Для сварки таких конструкций нужно выбирать материалы, в которых содержание углерода возможно низкое.

Если необходимо, чтобы процентное содержание углерода было выше, и при этом конструкции из стали выполняли свое назначение в условиях агрессивных сред и высоких температур, нужно выбирать легирующую добавку, близкую по свойствам к углероду.

В качестве такой добавки может использоваться титан, цирконий, тантал, ванадий, вольфрам. Эти элементы связывают углерод, который выделяется из стали в процессе последующего нагрева, и препятствуют обеднению околошовных участков в процессе сварки.

Нержавейка

Чаще всего нержавеющие стали, используемые в промышленности, получают свои антикоррозийные свойства посредством введения легирующих добавок – хрома и никеля.

При сварке хромированных деталей необходимо учитывать, что при высокой температуре (более 500 °C), возможно окисление стыка деталей.

Чтобы избежать этого применяют аргонодуговую сварку, или TIG-сварку (ТИГ). Такая технология предусматривает осуществление сварочных операций без доступа воздуха непосредственно к зоне сварки. Соответственно отсутствие кислорода, наличие которого в воздухе обязательно, устраняет предпосылки к окислению материала.

Ограничение доступа воздуха осуществляется путем введения в зону сварки аргона, инертного газа, который будучи тяжелее воздуха, вытесняет его. Иногда такой способ называют сваркой стали аргоном. На самом деле сталь либо просто сваривается между собой дугой, либо с помощью присадочного материала.

Для аргонодуговой сварки требуется специальное оборудование. Работы ведутся неплавящимися вольфрамовыми электродами, требования к которым определяются ГОСТ 10052-75.

Вторая проблема заключается в следующем. Нержавеющие стали имеют высокий коэффициент температурного расширения, и при сварке листовой стали, когда стык имеет большую длину в сравнении с линейными размерами детали, в процессе остывания возможно искривление сварочного шва.

Проблема решается путем выставления зазоров между листами и применением прихваток, фиксирующих детали в нужном положении.

Инструментальные

Инструментальная сталь относится к числу твердых, стойких к механическим воздействиям материалов. Из нее изготавливают слесарные, столярные инструменты, части оборудования для различных отраслей промышленности.

Рабочие органы инструментов – сверла, резцы, назначение которых воздействовать на материалы с целью их обработки, очевидно должны быть прочнее и тверже обрабатываемых материалов. Достигаются такие свойства путем включения в состав большого количества углерода и легирующих добавок – никеля, хрома, молибдена.

Сварка инструментальной стали применяется при ремонте оборудования, инструментов. В этом случае к сварочным швам предъявляются высокие требования: стыки должны быть однородными с остальной частью материала, а их прочность не должна отличаться во избежание возникновения концентрации напряжений при работе.

Чтобы обеспечить соблюдение таких требований необходимо применять специальные электроды. В большинстве случаев это могут быть УОНИ-13/НЖ/20Ж13.

При сварке специальных углеродистых сталей, применение которых узконаправлено, используются электроды, разработанные для определенных марок.

При правильном определении характеристик материала, типа сварки и режимов, при использовании электродов соответствующих марок, сварочные швы будут обладать высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Влияние углерода на свариваемость стали

Поговорим о газовой сварке углеродистых сталей.

Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом, с содержанием углерода до 2%. По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные (с содержанием углерода в сотых долях процента) и инструментальные (с содержанием углерода в десятых долях процента). На производстве в основном работают с низкоуглеродистыми сталями.

Углеродистые стали делятся на:

  • низкоуглеродистые стали (содержание углерода до 0,25%);
  • среднеуглеродистые стали (содержание углерода от 0,25% до 0,6%);
  • высокоуглеродистые стали (содержание углерода 0,6% – 1,7%).

Низкоуглеродистые стали

Данные стали имеют хорошую свариваемость ацетиленокислородным пламенем без применения флюса. Чем меньше содержание углерода в свариваемом металле, тем лучше будет происходить процесс сварки. В металлах с увеличенным содержанием углерода появляется вероятность образования хрупких структур, а также пористости металла шва. Улучшение структуры достигается путем проковки металла шва при температуре красного каления и медленным охлаждением. Когда сварное соединение должно работать на растяжение, изгиб и удар, это способ является особенно существенным. Для того, что бы устранить пористость металла шва нужно использовать присадочный металл с пониженным содержанием углерода (по отношению к основному металлу). В основном газовую сварку применяют для сварки тонколистового металла толщиной до 5 мм. Для больших толщин металла, сварку наиболее правильно проводить способами дуговой сварки плавлением. Так же и сваркой плавящимся электродом в среде углекислого газа. Пропан-бутан, природный газ и другие (газы-заменители ацетилена), возможны их использование для сварки металла из низкоуглеродистой стали, которые не подлежат сдаче Госгортехнадзору, так как зона термического влияния увеличивается примерно на 30%, в сравнении со сваркой ацетиленокислородным пламенем, так же снижаются механические свойства сварного соединения.

Среднеуглеродистые стали

У данных сталей присутствует свойство закаливаться после нагрева и быстрого охлаждения. Например, стали с содержанием углерода более 0,4% выгоднее сваривать дуговой сваркой плавлением, так же нельзя исключать возможность сварки ацетиленокислородным пламенем. Чтобы получить добротное сварное соединение сварочный процесс следует делать с максимальной скоростью, с предварительной и последующей термообработкой. Для газовой сварки сталей данного класса, следует применять присадочную проволоку с раскислителями (марганцем и кремнием), это делается для того, чтобы избежать выгорания углерода и образования пористости шва.

Высокоуглеродистые стали

Данные стали плохо свариваются газовой сваркой из-за сильного выгорания углерода и образования закалочных структур. Металла шва обычно содержит газовые раковины и включения. Сваривание изделия дуговой сваркой обеспечит значительно лучшие результаты.

Свариваемость углеродистых сталей газовым пламенем

Тип сталиСодержание углерода в сплаве, %Назначение и область примененияОценка свариваемости
Низкоуглеродистые стали0,06-0,15Котельная сталь, резервуары, цельнотянутые трубыХорошая свариваемость, шов не закаливается
Низкоуглеродистые стали0,15-0,25Литая сталь, трубы, котлы, приводные валы, бочки и т.д.Хорошая свариваемость, шов слегка закаливается, но не обрабатывается режущим инструментом
Среднеуглеродистые стали0,25-0,45Оси, шатуны, шестерни и другие детали машиныУдовлетворительная свариваемость. Качественное сварное соединение при предварительном нагреве и последующей термообработке
Среднеуглеродистые стали0,45-0,6Инструмент, молоты, шестерни и т.д.Удовлетворительная свариваемость при использовании специального флюса и термообработки
Высокоуглеродистые стали0,6-1,7Пуансоны, штампы, рельсы, крестовины и т.д.Плохая свариваемость. Рекомендуется пайка или наплавка

Основные параметры и режимы газовой сварки низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector