Свариваемость сталей
Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва.
По свариваемости стали подразделяют на четыре группы:
К группе 1 относят стали, сварка которых может быть выполнена без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Но применение термообработки не исключается для снятия внутренних напряжений.
К группе 2 относят преимущественно стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещины не образуются, а также стали, которые для предотвращения трещин нуждаются в предварительном нагреве, стали, которые необходимо подвергать предварительной и последующей термообработке.
К группе 3 относят стали, склонные к образованию трещин в обычных условиях сварки. Их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Большинство сталей этой группы термически обрабатывают и после сварки.
К группе 4 относят стали, наиболее трудно сваривающиеся и склонные к образованию трещин. Сваривают обязательно с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.
Низкоуглеродистые стали отличаются хорошей свариваемостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если содержание их превышает норму. Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем за норму, если они образуют местные скопления, например вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в низкоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причем последняя, особенно склонна к ликвации с образованием местных скоплений.
Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать также засоренность металла газами и неметаллическими включениями. Засоренность металла вредными примесями зависит от способа его производства, и о ней частично можно судить по маркировке металла: сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная – лучше, чем кипящая. При изготовлении ответственных сварных изделий указанные отличия в свариваемости низкоуглеродистых сталей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла.
Углеродистые стали, содержащие более 0,25% углерода, обладают пониженной свариваемостью по сравнению с низкоуглеродистыми, причем свариваемость постепенно снижается по мере повышения содержания углерода. Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведет к получению твердых хрупких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин. С повышением содержания углерода растет склонность металла к перегреву в зоне сварки. Увеличенное содержание углерода усиливает процесс его выгорания с образованием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавленного металла.
При содержании свыше 0,4-0,5% углерода сварка стали становится одной из сложных задач сварочной техники. Углеродистые стали вообще обладают пониженной свариваемостью и, если это возможно, рекомендуется заменять их низколегированными конструкционными сталями, которые дают ту же прочность при значительно меньшем содержании углерода за счет других легирующих элементов. При сварке углеродистых сталей плавлением обычно не придерживаются соответствия химического состава присадочного и основного металлов, стремясь получить наплавленный металл равнопрочным с основным за счет легирования марганцем, кремнием и др. при пониженном содержании углерода.
Сварка углеродистых сталей часто выполняется с предварительным подогревом и последующей термообработкой, причем, если возможно, во многих случаях стремятся совместить термообработку с процессом сварки, например, с газовой сваркой мелких деталей, с газопрессовой, точечной, со стыковой контактной сваркой и т. д.
Большинство низколегированных конструкционных сталей обладает удовлетворительной свариваемостью. Ввиду возросшего значения сварки конструкционная низколегированная сталь новых марок, как правило, отличается удовлетворительной свариваемостью. Если же испытания пробных партий стали показывают недостаточно удовлетворительную свариваемость, то обычно для улучшения свариваемости изготовители корректируют состав стали. В некоторых случаях требуется небольшой предварительный подогрев стали до 100-200 °С, реже приходится прибегать к последующей термообработке. Для предварительной грубой качественной оценки свариваемости низколегированных сталей иногда прибегают к подсчету эквивалента углерода по химическому составу стали по следующей эмпирической формуле:
где символы элементов означают процентное содержание их в стали. При эквиваленте углерода меньше 0,45 свариваемость стали может считаться удовлетворительной, если же эквивалент углерода больше 0,45, то необходимо принимать специальные меры, например, проводить предварительный подогрев и последующую термообработку. Метод оценки свариваемости по эквиваленту углерода является ориентировочным и далеко не всегда дает верные результаты.
По структуре низколегированные стали относятся обычно к перлитному классу, большое разнообразие химического состава низколегированных сталей весьма затрудняет получение одинакового состава наплавленного и основного металлов при сварке плавлением, что требует большого разнообразия присадочных материалов. Поэтому, за исключением некоторых особых случаев, когда требуется соответствие химического состава основного и наплавленного металлов (например, получение устойчивости против коррозии, крипоустойчивости и т. п.), обычно ограничиваются получением необходимых механических свойств наплавленного металла, не принимая во внимание его химический состав. Это позволяет при сварке многих сортов сталей пользоваться немногими видами присадочных материалов, что является существенным практическим преимуществом. Например, электродами УОНИ-13 успешно свариваются десятки марок углеродистых и низколегированных сталей. В сварных конструкциях низколегированные стали обычно предпочитают углеродистым той же прочности. Для установления необходимости небольшого предварительного подогрева и последующего отпуска часто принимают во внимание максимальную твердость металла зоны влияния. Если твердость не превышает НВ 200-250, то подогрев и отпуск не требуются, при твердости НВ 250-300 подогрев или отпуск желательны, при твердости выше НВ 300-350 – обязательны.
Из высоколегированных сталей обладают хорошей свариваемостью и находят широкое применение в сварных конструкциях стали аустенитного класса. Наиболее широко применяются хромоникелевые аустенитные стали, например общеизвестная нержавеющая сталь 18-8 (18% Сr и 8% Ni). Хромоникелевые аустенитные стали применяются как нержавеющие, а при более высоком легировании, например при содержании 25% Сr и 20% Ni, они являются и жароупорными сталями. Содержание углерода в хромоникелевых аустенитных сталях должно быть минимальным, не превышающим 0,10-0,15%, иначе возможно выпадение карбидов хрома, резко снижающее ценные свойства аустенитной стали.
Для частей машин, работающих на истирание, например для щек камнедробилок, а также для рельсовых крестовин, применяется обычно в форме отливок сравнительно дешевая марганцовистая аустенитная сталь, содержащая 13-14% Мn и 1-1,3% С.
Сварка аустенитных сталей должна, как правило, сохранить структуру аустенита в сварном соединении и связанные с аустенитом ценные свойства: высокое сопротивление коррозии, высокую пластичность и т. д. Распад аустенита сопровождается выпадением карбидов, образуемых освобождающимся из раствора избыточным углеродом. Распаду аустенита способствуют нагрев металла до температур ниже точки аустенитного превращения, уменьшение содержания аустенитообразующих элементов, повышение содержания углерода в низкоуглсродистых аустенитных сталях, загрязнение металла примесями и т. д. Поэтому при сварке аустенитных сталей следует сокращать до минимума продолжительность нагрева и количество вводимого тепла и применять возможно более интенсивный отвод тепла от места сварки – посредством медных подкладок, водяного охлаждения и т. д.
Аустенитная сталь, предназначенная для изготовления сварных изделий, должна быть высшего качества, с минимальным количеством загрязнений. Поскольку распад хромоникелевого аустенита вызывается образованием и выпадением карбидов хрома, стойкость аустенита может быть повышена введением в металл карбидообразователей более сильных, чем хром. Для этой цели оказались пригодными титан и ниобий, в особенности первый элемент, к тому же не являющийся дефицитным. Титан весьма прочно связывает освобождающийся углерод, не позволяя образовываться карбидам хрома, и тем самым предотвращает распад аустенита. Для сварки рекомендуется применять аустенитную сталь с небольшим содержанием титана. Хорошей свариваемостью отличается, например, нержавеющая аустенитная хромоникелевая сталь X18Н9T типа 18-8 с небольшим количеством титана (не свыше 0,8%).
Более строгие требования, естественно, предъявляются к присадочному металлу, который должен быть аустенитным, желательно с некоторым избытком легирующих элементов, с учетом возможного их выгорания при сварке и со стабилизирующими добавками – титаном или ниобием. ГОСТ 2240-60 предусматривает аустенитную присадочную проволоку для сварки нержавеющих и жароупорных сталей. Аустенитная присадочная проволока иногда применяется и для сварки сталей мартенситного класса. Дефицитность и высокая стоимость аустенитной хромоникелевой проволоки заставляют разрабатывать более дешевые заменители.
Стали мартенситного класса, отличающиеся высокой прочностью и твердостью, находят применение как инструментальные стали, как броневые и т. д. Сварка их связана с известными трудностями. Стали легко и глубоко закаливаются, поэтому после сварки обычно необходима последующая термообработка, заключающаяся в низком или высоком отпуске. Часто необходим также предварительный подогрев изделия. Существенное значение может иметь предшествующая термообработка изделия перед сваркой; желательно по возможности равномерное мелкодисперсное распределение структурных составляющих. При сварке плавлением часто отказываются от сходства наплавленного и основного металла не только по химическому составу, но и по механическим свойствам, стремясь в первую очередь обеспечить повышенную пластичность наплавленного металла и устранить образование в нем трещин. Для этой цели при дуговой сварке довольно часто применяют, например, электроды из аустенитной стали.
Стали карбидного класса применяют главным образом как инструментальные, и на практике чаще приходится иметь дело не со сваркой, а с наплавкой этих сталей при изготовлении и восстановлении металлорежущего инструмента, штампов и т. п. Предварительный подогрев и последующая термообработка для этих сталей по большей части обязательны. Для дуговой сварки и наплавки применяются электродные стержни легированных сталей, близких по свойствам к основному металлу, а также стержни низкоуглеродистой стали с легирующими покрытиями, содержащими соответствующие ферросплавы. По окончании сварки или наплавки обычно производится термообработка, состоящая из закалки и отжига.
Стали ферритного класса отличаются тем, что в них совершенно подавлено или ослаблено образование аустенита при высоких температурах за счет введения больших количеств стабилизаторов феррита. Существенное практическое значение имеют хромистые ферритные стали с содержанием 16-30% Сr и не свыше 0,1-0,2% С, отличающиеся кислотоупорностью и исключительной жаростойкостью. Стали могут быть сварены с присадочным металлом того же состава или аустенитным. Обязателен предварительный подогрев; по окончании сварки производится продолжительный отжиг в течение нескольких часов, за которым следует быстрое охлаждение.
Литература
- Сварка, резка и пайка металлов / К.К. Хренов. М., Машиностроение, 1970, 408 с.
- Справочник конструктора–машиностроителя. Т.3 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение. 2000. 859 с.
- Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
- Инструментальные стали. Справочник / Л.А. Позняк. М., Металлургия, 1977, 168 с.
Свариваемость стали
СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Ромашкин А.Н.
Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие "свариваемость". Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобно физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.
В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).
Усложнение технологии и применение специальных сварочных материалов делает изготовление сварных конструкций из этих материалов во многих случаях экономически нецелесообразным. По мере усовершенствования существующих и разработки новых сварочных процессов и сварочных материалов сокращается количество металлов и сплавов, изготовление сварных конструкций из которых не обеспечивает необходимой работоспособности и экономически нецелесообразно.
Более всего на свариваемость оказывают влияние химический состав сплава, фазовая структура и ее изменения в процессе нагрева и охлаждения, физико-химические и механические свойства и др.
В связи с тем, что параметров, характеризующих основной и присадочный (электродный) материалы, очень много, то свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую:
- чувствительность металла к окислению и порообразованию;
- соответствие свойств сварного соединения условиям эксплуатации;
- реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин
- и т.д.
Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость образованию трещин.
Горячие трещины чаще всего возникают при ослаблении деформационной способности металла из-за появления в структуре легкоплавких хрупких эвтектик, дефектов кристаллического строения, внутренних и внешних напряжений.
Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин можно определить по показателю Уилкинсона (H.C.S):
H.C.S. = 1000∙C∙(S + P + Si/25 + Ni/100)/(3∙Mn + Cr + Mo + V)
Условием появления горячих трещин является Н.С.S. > 2. Так, например, при обычной сварке низколегированной стали трещины начинают возникать при Н.С.S. = 4.
Также склонность стали к образованию горячих трещин может быть охарактеризована по критерию Р гт:
Р гт = 230∙С + 190∙S + 75∙P - 1
Оценку сопротивляемости стали трещинам при термической обработке (ТТО) может быть осуществлена по параметру ΔG:
ΔG = Cr + 3,3∙Mo + 8,1∙V - 2
При ΔG > 0 сталь не склонна давать трещины при повторном нагреве в процессе термической обработке.
Холодные трещины чаще всего возникают из-за закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.
Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, которым можно пользоваться как показателем, характеризующим свариваемость, при предварительной оценке последней. Для этой цели имеется ряд уравнений.
С э = С +Mn/6 + Si/24 + Сr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + Р/2,
где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %. Эту зависимость в ГОСТ 27772 - 88 рекомендуют для оценки свариваемости проката для строительных конструкций.
С э = С + Мn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15,
а нормы Японии - зависимость
С э = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4.
В России наиболее распространенным и приемлемым для сталей, используемых на подвижном составе, является следующее:
С э = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Са/15 + Cu/13 + P/2
В табл. 1 приведена классификация сталей по свариваемости в соответствии с величиной С э и меры по предотвращению или уменьшению вероятности появления трещин.
Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости
| Группа сталей | Свариваемость | Эквивалент С э, % | Технологические меры | |||
| подогрев | термообработка | |||||
| перед сваркой | во время сварки | перед сваркой | после сварки | |||
| 1 | Хорошая | < 0,2 | - | - | - | Желательна |
| 2 | Удовлетворит. | 0,2 - 0,35 | Необходим | - | Желательна | Необходима |
| 3 | Ограниченная | 0,35 - 0,45 | Необходим | Желателен | Необходима | Необходима |
| 4 | Плохая | > 0,45 | Необходим | Необходим | Необходима | Необходима |
Если оценка свариваемости по показателю С э указывает на склонность стали к появлению холодных трещин, то необходимо предусмотреть предварительный подогрев детали. Температуру подогрева (Т, °С) можно определить по формуле
Т = 350∙(С об - 0,25) 0,5
где С об - общий углеродный эквивалент, %.
С об = С э ∙(1 + 0,005∙δ)
где δ - толщина металла свариваемой детали, мм.
Температура сопутствующего сварке или наплавке подогрева зависит от материала изделия и колеблется в среднем от 250 до 400° С.
Другим критерием, указывающим на возможное охрупчивание стали вследствие структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Зона термического влияния (ЗТВ) - участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого металл под действием источника нагрева претерпевает фазовые и структурные превращения. Поэтому ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и микроструктуру.
Если твердость выше HV 350...400, то в структуре ЗТВ уже присутствует смесь твердых продуктов распада аустенита, которые склонны к образованию холодных трещин.
Для обычных углеродистых и низколегированных сталей возможную максимальную величину твердости в ЗТВ можно вычислить на основе химического состава стали:
HV max = 90 + 1050∙С + 47∙Si + 75∙Mn + 30∙Ni + 31∙Cr,
где С, Si, Mn, Ni, Cr - массовые доли химических элементов, %.
На образование холодных трещин решающее влияние оказывает воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Эти напряжения зависят от толщины сварного соединения, типа сварного узла и особенно от жесткости свариваемой части конструкции. Значение этих напряжений может быть выражено с помощью коэффициента интенсивности жесткости К, который представляет собой силу, вызывающую раскрытие на 1 мм зазора в сварном соединении длиной 1 мм [Н/(мм∙мм)]. Коэффициент интенсивности жесткости равен
где K q = 69 - постоянная; s - толщина листа, мм.
Данное значение постоянной можно использовать для приближенных вычислений К стыковых соединений при толщинах листа до 150 мм.
На основании изучения действия всех трех основных факторов (состав, газонасыщенность, особенности конструкции), способствующих образованию холодных трещин, был выявлен критерий для оценки чувствительности сталей к образованию подобных трещин - кpитеpий тpещинообpазования (P с):
P с = P cm + Н/60 + 0,25∙К/105,
где H - количество диффузионного водорода в металле сварного шва; К - коэффициент интенсивности жесткости; Р см - коэффициент, характеризующий охрупчивание вследствие структурного превращения и вычисляемый по уравнению Ито - Бессио, %:
P cm = С + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + (Mo + V)/15 + 5∙В;
Многочисленные исследования показали, что сталь чувствительна к образованию холодных трещин, если P с > 0,286.
В зависимости от марки основного металла и условий эксплуатации конструкции изменяется и совокупность показателей, определяющих понятие свариваемости. Так, под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и при концентрации напряжений, обусловленной формой узла.
При сварке легированных сталей, применяемых для изготовления химической аппаратуры, под свариваемостью кроме указанных выше показателей подразумевают также стойкость против образования трещин и закалочных структур в околошовной зоне и обеспечение специальных свойств (коррозионной стойкости, прочности при высоких или низких температурах). При наплавке деталей, работающих на истирание, особое значение приобретает стойкость металла шва против эрозии, т. е. постепенного разрушения его вследствие механического износа.
При анализе свариваемости не следует упускать из виду тот факт, что от воздействия значительных температур происходит разупрочнение термически упрочненных сталей. Таким образом, перед разработкой технологии сварки или наплавки следует определить свариваемость основного, присадочного металла и металла шва; вероятность появления трещин; разупрочнение сплава и назначить необходимые мероприятия для уменьшения или исключения нежелательных явлений.
На основании анализа более 200 бинарных диаграмм состояния для 23 широко известных конструкционных металлов был составлен прогноз физической свариваемости различных металлов между собой (рис. 1). Этот прогноз может быть использован для выбора пар металлов, обладающих физической свариваемостью, а также для выбора легирующих элементов для сплавов. Однако по-нашему мнению, чтобы составить представление о физической свариваемости пары металлов более удобно и правильно пользоваться введенным Чалмерсом понятием коэффициента аккомодации .
Физическую свариваемость разнородных металлов можно также прогнозировать по значениям их атомных радиусов и электроотрицательности. Взаимная растворимость элементов определяется подобием кристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, разницей в атомных радиусах компонентов и значениях электроотрицательности.
Для определения пределов растворимости строят диаграммы растворимости в координатах "атомный радиус элемента - электроотрицательность". На этих диаграммах строят два вспомогательных эллипса: внутренний - с большой осью размером ± 0,2 единицы электроотрицательности и малой осью размером ± 8 % разницы в атомных радиусах и внешний - с большой осью ± 0,4 единицы электроотрицательности и малой осью ± 15 % разницы в атомных радиусах (рис. 2). В пределах малого эллипса находятся металлы, образующие неограниченные твердые растворы с данным металлом-растворителем. Между малым и большим эллипсами располагаются металлы с ограниченной растворимостью в металле-матрице. За пределами большого эллипса валентный и размерный факторы неблагоприятны для образования твердых растворов, т. е. для образования сварного соединения.
| Ag | C | S | X | C | D | C | C | D | X | C | D | N | C | C | S | D | C | D | C | D | D | X | |
| Al | S | X | C | X | X | X | C | X | C | X | X | X | X | C | X | N | C | X | X | X | X | X | |
| Au | S | X | X | X | C | D | S | C | X | X | C | N | S | X | S | N | X | N | X | D | N | X | |
| Be | X | C | X | N | X | X | X | X | X | X | X | X | X | N | X | X | D | D | X | X | X | X | |
| Cd | C | X | X | N | D | D | X | D | S | D | N | N | D | C | X | N | C | N | X | N | N | D | |
| Co | D | X | C | X | D | C | C | C | X | C | X | X | S | C | S | S | X | X | X | X | X | X | |
| Cr | C | X | D | X | D | C | C | C | X | C | S | X | C | C | C | S | C | X | S | D | S | X | |
| Cu | C | C | S | X | X | C | C | C | X | S | D | D | S | C | S | D | C | D | X | D | D | X | |
| Fe | D | X | C | X | D | C | C | C | D | C | C | X | C | C | S | X | X | X | X | S | X | X | |
| Mg | X | C | X | X | S | X | X | X | D | X | D | N | X | X | X | N | X | N | D | N | D | D | |
| Mn | C | X | X | X | D | C | C | S | C | X | D | X | C | C | X | N | X | X | X | X | D | X | |
| Mo | D | X | C | X | N | X | S | D | C | D | D | S | X | D | D | X | D | S | S | S | S | X | |
| Nb | N | X | N | X | N | X | X | D | X | N | X | S | X | N | X | X | X | D | S | S | D | S | |
| Ni | C | X | S | X | D | S | C | S | C | X | C | X | X | C | S | D | X | X | X | X | X | X | |
| Pb | C | C | X | N | C | C | C | C | C | X | C | D | N | C | X | N | C | N | X | N | D | X | |
| Pt | S | X | S | X | X | S | C | S | S | X | X | D | X | S | X | C | X | X | X | X | X | X | |
| Re | D | N | N | X | N | S | S | D | X | N | N | X | X | D | N | C | D | D | X | D | X | X | |
| Sn | C | C | X | D | C | X | C | C | X | X | X | D | X | X | C | X | D | X | X | X | D | X | |
| Ta | D | X | N | D | N | X | X | D | X | N | X | S | D | X | N | X | D | X | S | D | D | X | |
| Ti | C | X | X | X | X | X | S | X | X | D | X | S | S | X | X | X | X | X | S | S | C | S | |
| V | D | X | D | X | N | X | D | D | S | N | X | S | S | X | N | X | D | X | D | S | D | X | |
| W | D | X | N | X | N | X | S | D | X | D | D | S | D | X | D | X | X | D | D | C | D | X | |
| Zr | X | X | X | X | D | X | X | X | X | D | X | X | S | X | X | X | X | X | X | S | X | X |
Рис. 1.
Прогноз возможности сварки разнородных металлов по диаграммам состояния:
X - свариваемые пары, образующие интерметаллические соединения; S - хорошо свариваемые пары, образующие твердые растворы; C - поддающиеся сварке пары, отличающиеся образованием сложной микроструктуры; D - данных недостаточно, для сварки необходимы особые меры; N - сведения отсутствуют
Исключение из описанной полуэмпирической теории растворимости составляют системы тугоплавких металлов: вольфрам-хром, ванадий-хром и другие, в которых может наблюдаться образование промежуточных фаз, хотя их кристаллические решетки подобны, а их электроотрицательность благоприятна для образования твердых растворов.
Физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием существования функциональной свариваемости. Например, в период промышленного внедрения титановых сплавов, обладающих физической свариваемостью между собой, возникли проблемы технологического обеспечения функциональной свариваемости, связанные с образованием при сварке в поверхностных слоях газонасыщенного (альфированного) слоя.
Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическая свариваемость.
Технологическая свариваемость - это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации. Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.
Рис. 2. Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимость различных легирующих элементов в твердом состоянии в железе (а) и в ниобии (б)
Как правило, известная технологическая свариваемость различных материалов является банком данных для функциональной свариваемости. На основании анализа технологической свариваемости выбранного конструкционного материала выбирают необходимые данные для обеспечения функциональной свариваемости: вид и режимы сварки, сварочные расходуемые материалы и др.
Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.
Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:
химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;
теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;
физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;
механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.
Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.
Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.
По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.
Особенностями термического воздействия являются:
неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);
высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;
большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).
Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:
большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5-100 мм -1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;
относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);
активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.
К особенностям механического воздействия относят:
возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;
воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.
Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:
резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;
изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;
возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;
образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;
образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.
Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств сварных соединений и устранения в них дефектов проводят специальные технологические мероприятия:
используют термический цикл сварки, устраняющий образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками и др.);
с целью уменьшения содержания водорода в металле сварного соединения улучшают защиту металла сварочной ванны, выполняют тщательную подготовку поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, используют флюсы и электродные покрытия с низким содержанием водорода и др.;
производят термическую обработку сварного соединения непосредственно после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.);
применяют технологические приемы, снижающие остаточные напряжения (сварка каскадом, использование приспособлений, создающих напряжения сжатия и др.)
Стали являются самыми широко применяемыми конструкционными материалами. При строительстве мостов, зданий и многих других строительных конструкций сталь необходимо сваривать. Конструкционная прочность стальной конструкции зависит не только от прочности стали, но также и от прочности сварных швов. Вот почему свариваемость стали всегда является очень важным вопросом.
Влияние содержания углерода на свариваемость стали
Многие низкоуглеродистые стали легко свариваются. Сварка среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей представляет собой более трудную задачу, так при сварке зоне термического влияния сварки может образовываться мартенсит, что приведет к значительному снижению вязкости сварного шва.
Для повышения свариваемости сталей предпринимают различные меры, такие как подогрев материала или минимизация поглощения сталью водорода. Поглощение сталью водорода делает сталь более хрупкой.
Свариваемость низкоуглеродистых сталей
В низкоуглеродистых сталях прочность сварных участков является более высокой, чем у основного металла. Это связано с тем, что при охлаждении зоны термического влияния сварки в ней образуется мелкодисперсная перлитная структура. Кроме того, остаточный аустенит вдоль границ перлитных зерен сдерживает кристаллизацию и поэтому способствует сохранению мелкого зерна, что также дает вклад в повышение прочности сварного участка.
Превращения стали в зоне сварного шва
В ходе сварки сталь вблизи сварного шва разогревается выше критической температуры А 1 и образуется аустенит (рисунок а). При охлаждении аустенит в этой нагретой зоне превращается в новую структуру, тип которой зависит от скорости охлаждения и диаграммы термокинетического превращения стали.
Обыкновенная низкоуглеродистая сталь имеет настолько низкую закаливаемость, что при обычных скоростях охлаждения на воздухе мартенсит почти никогда не образуется (рисунок б).
Легированную же сталь перед сваркой специально подогревают, чтобы снизить скорость охлаждения сварного шва или подвергают сварное соединение дополнительной термической обработке для отпуска образовавшегося мартенсита (рисунок в).
Рисунок – Превращения стали в зоне термического влияния сварки:
а) структура стали при максимальной температуре нагрева в зоне сварки;
б) структура стали с низкой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения;
в) структура стали с высокой закаливаемостью в зоне сварки после охлаждения.
Свариваемость закаленной стали
Свариваемость стали , которая перед сваркой подвергалась закалке и отпуску, имеет два рода проблем. Во-первых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагревается выше температуры А 1 , может при охлаждении образовывать мартенсит. Во-вторых, участок зоны термического влияния сварного шва, который нагрелся ниже температуры А 1 , может подвергнуться чрезмерному отпуску. По-хорошему, сталь в закаленном и отпущенном состоянии сваривать нельзя.
Свариваемость сталей
| ГОСТ | Марки стали | Заменитель | Свариваемость |
|---|---|---|---|
| 380-94 | Ст0 | Сваривается без ограничений | |
| Ст2кп Ст2пс Ст2сп |
Ст2сп Ст2пс |
||
| Ст3кп | Ст3пс | Сваривается без ограничений. Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| Ст3пс Ст3сп |
Ст3сп Ст3пс |
Сваривается без ограничений. Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| Ст3Гпс | Ст3пс Сталь 18Гпс |
Сваривается без ограничений. Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| Ст4кп | |||
| Ст4пс | Ст4сп | Сваривается ограниченно | |
| Ст5пс Ст5сп |
Ст6сп Ст4сп |
||
| Ст6пс | Сваривается ограниченно. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | ||
| Ст6сп | Ст5сп | Сваривается ограниченно. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 801-78 | ШХ15 | Стали: ШХ9, ШХ12, ШХ15СГ | Способ сварки КТС |
| ШХ15СГ | Стали: ХВГ, ШХ15, 9ХС, ХВСГ | Способ сварки КТС | |
| ШХ4 | Способ сварки КТС | ||
| 1050-88 | 08 | Сталь 10 | |
| 08кп 08пс |
Сталь 08 | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 10 | Стали: 08, 15, 08кп | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 10кп 10пс |
Стали: 08кп, 15кп, 10 | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 15 | Стали: 10, 20 | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 15кп 15пс |
Стали: 10кп, 20кп | Сваривается без ограничений | |
| 18кп | Сваривается без ограничений | ||
| 20 | Сталь: 15, 20 | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 20кп 20пс |
Сталь: 15кп | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 25 | Сталь: 20, 30 | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 30 | Стали: 25, 35 | Сваривается ограниченно. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 35 | Стали: 30, 40, 35Г | Сваривается ограниченно. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 40 | Стали: 35, 45, 40Г | Сваривается ограниченно. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 45 | Стали: 40Х, 50, 50Г2 | ||
| 50 | Стали: 45, 50Г, 50Г2, 55 | Трудносвариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 55 | Стали: 50, 60, 50Г | ||
| 58 (55пп) | Стали: 30ХГТ, 20ХГНТР, 20ХН2М, 12ХНЗА, 18ХГТ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 1414-75 | А20 | Сталь А12 | Не применяется для сварных конструкций |
| А30 А40Г |
Сталь: А40Г | Не применяется для сварных конструкций | |
| 1435-90 | У7, У7А | Сталь: У8 | Не применяется для сварных конструкций |
| У8, У8А | Сталь: У7, У7А У10, У10А | Не применяется для сварных конструкций | |
| У9, У9А | Стали: У7, У7А, У8, У8А | Не применяется для сварных конструкций | |
| У10, У10А | Стали: У10, У10А | Не применяется для сварных конструкций | |
| 4543-71 | 15Х | Сталь: 20Х | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки |
| 20Х | Сталь: 15Х, 20ХН, 18ХГТ | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 30Х | Сталь: 35Х | Ограниченно сваривается | |
| 35Х | Сталь: 40Х | Ограниченно сваривается | |
| 38ХА | Сталь: 40Х, 35Х | Трудно-свариваемая | |
| 40Х | Сталь: 45Х, 35ХА, 40ХС | ||
| 45Х | Сталь: 40Х, 45Х, 50ХН | Трудно-свариваемая, необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 50Х | Сталь: 40Х, 45Х, 50ХН | Трудно-свариваемая, необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 15Г 20Г |
Сталь: 20Г, 20, 30Г | Хорошо свариваемая | |
| 30Г | Сталь: 35, 40Г | ||
| 35Г | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | ||
| 40Г | Стали: 45, 40Х | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 45Г | Стали: 40Г, 50Г | ||
| 50Г | Стали: 40Г, 50 | Трудно-свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 10Г2 | Сталь: 09Г2 | Сваривается без ограничений. | |
| 35Г2 | Сталь: 40Х | ||
| 40Г2 | Сталь: 45Г2, 60Г | Трудно-свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 45Г2 | Сталь: 50Г2 | Трудно-свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 50Г2 | Сталь: 45Г2, 60Г | Не применяется для сварных конструкций | |
| 47ГТ | Сталь: 40ХГРТ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 18ХГТ 25 |
Сталь: 30ХГТ, 25ХГТ, 12ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН2М, 20ХГР | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 20ХГР | Сталь: 20ХН3А, 20ХН24, 18Х1Т, 12ХН2, 12ХН3А | Сваривается без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки | |
| 25Х1Т | Сталь: 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ | Требуется последующая термообработка | |
| 30ХГТ | Сталь: 18ХГТ, 20ХН2М, 25ХГТ, 12Х2Н4А | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 33ХС | Трудно-свариваемая | ||
| 38ХС 40ХС |
Сталь: 40ХС, 38ХС, 35ХГТ | Трудно-свариваемая | |
| 15ХФ | Сталь: 20ХФ | Сваривается без ограничений (способ КТС) | |
| 40ХФА | Сталь: 40Х, 65Г, 50ХФА, 30Х3МФ | Трудно-свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 15ХМ | Сваривается без ограничений. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | ||
| 30ХМ 30ХМА |
Сталь: 35ХМ, 35ХРА | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 35ХМ | Сталь: 40Х, 40ХН, 30ХН, 35ХГСА | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 38ХН | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | ||
| 20ХН | Сталь: 15ХГ, 20ХНР, 18ХГТ | Ограниченно свариваемая | |
| 40ХН | Сталь: 45ХН, 50ХН, 38ХГН, 40Х, 35ХГФ, 40ХНР, 40ХНМ, 30ХГВТ | ||
| 45ХН | Сталь: 40ХН | Трудно-свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | |
| 50ХН | Сталь: 40ХН, 60ХГ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 20ХНР | Сталь: 20ХН | ||
| 12ХН2 | Сталь: 20хнр, 20ХГНР, 12ХН3А, 18ХГТ, 20ХГР | термообработка. | |
| 12ХН3А | Сталь: 12ХН2, 20ХН3А, 25ХГТ, 12Х2НА, 20ХНР | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 20ХН3А | Сталь: 20ХГНР, 20ХНГ, 38ХА, 20ХГР | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 12Х2Н4А | Сталь: 20ХГНР, 12ХН2, 20ХГР, 12ХН3А, 20Х2Н4А | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 20Х2Н4А | Сталь: 20ХГНР, 20ХГНТР | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. |
|
| 30ХН3А | Сталь: 30Х2ГН2, 34ХН2М | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. |
|
| 20ХГСА | Сталь: 30ХГСА | Сваривается без ограничений | |
| 25ХГСА | Сталь: 20ХГСА | Сваривается без ограничений | |
| 30ХГС, 30ХН2МА |
Сталь: 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 35ХГСА | Ограниченно свариваемая. Требуется подогрев и последующая термообработка. | |
| 38Х2Н2МА | Не применяется для сварных работ | ||
| 40ХН2МА | Сталь: 40ХГТ, 40ХГР, 30Х3МФ, 45ХН2МФА | ||
| 40Х2Н2МА | Сталь: 38Х2Н2МА | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 38ХН3МА | Сталь: 38ХН3ВА | Не применяется для сварных конструкций | |
| 18Х2Н4МА | Сталь: 20Х2Н4А | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 30ХГСА | Сталь: 40ХФА, 35ХМ, 40ХН, 25ХГСА, 35ХГСА | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 35ХГСА | Сталь: 30ХГС, 30ХГСА, 30ХГТ, 35ХМ | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 30ХГСН2А | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | ||
| 38ХГН | Сталь: 38ХГНМ | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 20ХГНР | Сталь: 20ХН3А | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 20ХН2М | Сталь: 20ХГР, 15ХР, 20ХНР, 20ХГНР | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 30ХН2МФА | Сталь: 30ХН2ВФА | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 36Х2Н2МФА | Трудно-свариваемая | ||
| 38ХН3МФА | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 45ХН2МФА | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | ||
| 20ХН4ФА | Сталь: 18Х2Н4МА | Не применяется для сварных конструкций | |
| 38Х2МЮА | Сталь: 38Х2ЮА, 38ХВФЮ, 38Х2Ю, 20Х3МВФ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 5520-79 | 16К 18К |
Сваривается без ограничений | |
| 20К | Сваривается без ограничений | ||
| 22К | Ограниченно свариваемая. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка | ||
| 5632-72 | 40Х9С2 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 40Х10С2М | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | ||
| 08Х13 12Х13 20Х13 25Х13Н2 |
Сталь: 12Х13, 12Х18Н9Т Сталь: 20Х13 Сталь: 12Х13, 14Х17Н2 |
Ограниченно свариваемая. Подогрев и термообработка применяются в зависимости от метода сварки, вида и назначения конструкций | |
| 30Х13 40Х13 |
Не применяется для сварных конструкций | ||
| 10Х14АГ16 | Сталь: 12Х18Н9, 08Х18Н10, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т | Сваривается без ограничений | |
| 12Х17 | Сталь: 12Х18Н9Т | Не рекомендуется для сварных конструкций. Трудно-свариваемая | |
| 08Х17Т, 08Х18Т1 |
Сталь: 12Х17, 08Х18Т1, 08Х17Т | Ограниченно свариваемая | |
| 95Х18 | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 15Х25Т | Сталь: 12Х18Н10Т | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 15Х28 | Сталь: 15Х25Т, 20Х23Н18 | Трудно-свариваемая. Необходим подогрев и последующая термообработка | |
| 20Х23Н13 | Ограниченно свариваемая | ||
| 20Х23Н18 | Сталь: 10Х25Т, 20Х23Н13 | Ограниченно свариваемая | |
| 10Х23Н10 | Ограниченно свариваемая | ||
| 20Х25Н20С | Ограниченно свариваемая | ||
| 15Х12ВНМФ | Трудно-свариваемая | ||
| 20Х12ВНМФ | Сталь: 15Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ | Трудно-свариваемая | |
| 37Х12Н8Г2МФБ | Ограниченно свариваемая | ||
| 13Х11Н2В2МФ | Ограниченно свариваемая | ||
| 45Х14Н14В2М | Трудно-свариваемая | ||
| 40Х15Н7Г7Ф2МС | Трудно-свариваемая | ||
| 08Х17Н13М21 | Сталь: 10Х17Н13М21 | Хорошо свариваемая | |
| 10Х17Н3М2Т | Хорошо свариваемая | ||
| 31Х19Н9МВБТ | Трудно-свариваемая | ||
| 10Х14Г14Н4Т | Сталь: 20Х13Н4Г9, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т | Сваривается удовлетворительно | |
| 14Х17Н2 | Сталь: 20Х17Н2 | Хорошо свариваемая | |
| 12Х18Н9 17Х18Н9 |
Сталь: 20Х13Н4Г9, 10Х14Г14Н4Т, 20Х13Н4Г9 |
Сваривается без ограничений | |
| 08Х18Н10 08Х18Н10Т 12Х18Н9Т 12Х18Н10Т |
Сталь: 12Х18Н10Т, Сталь: 15Х25Т, 08Х18Г8Н2Т, 10Х14Г14Н4Т, 08Х17Т |
Сваривается без ограничений | |
| 12Х18Н12Т | Сталь: 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т | Ограниченно сваривается | |
| 08Х18Г8Н2Т | Сталь: 12Х18Н9 | Сваривается без ограничений | |
| 20Х20Н14С2 | Сваривается без ограничений | ||
| 12Х25Н16Г7АР | Сваривается без ограничений | ||
| 08Х22Н6Т | Сталь: 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т | Сваривается без ограничений | |
| 06ХН28МДТ | Сплав: 03ХН28МДТ | Сваривается без ограничений | |
| ХН35ВТ | Трудно-свариваемая | ||
| ХН35ВТЮ | Трудно-свариваемая | ||
| ХН70Ю | Ограниченно сваривается | ||
| ХН70ВМЮТ | Трудно-свариваемая | ||
| ХН70ВМТЮФ | Трудно-свариваемая | ||
| ХН77ТЮР | Трудно-свариваемая | ||
| ХН78Т | Сплав: ХН38Т, Сталь: 12Х25Н16Г7АР, 20Х23Н18 | Трудно-свариваемая | |
| ХН80ТБЮ | Трудно-свариваемая | ||
| 5781-82 | 20ХГ2Ц | Сваривается без ограничений | |
| 35ГС 25Г2С |
Сталь: Ст5сп, Ст6, Ст5пс | Сваривается без ограничений | |
| 5950-73 | ХВ4Ф | Не применяется для сварных конструкций | |
| 9Х1 | Сталь: 9х2 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 9ХС | Сталь: ХВГ | Не применяется для сварных конструкций | |
| ХВГ | Сталь: 9ХС, 9ХВГ, ШХ15СГ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 9ХВГ | Сталь: ХВГ | Не применяется для сварных конструкций | |
| Х6ВФ | Сталь: Х12Ф1, Х12М, 9Х5Ф | Не применяется для сварных конструкций | |
| Х12, Х12ВМФ | Сталь: Х12МФ | Не применяется для сварных конструкций | |
| Х12МФ Х12Ф1 |
Сталь: Х6ВФ, Х12Ф1, Х12ВМФ Сталь: Х6ВФ, Х6ВФМ |
Не применяется для сварных конструкций | |
| 7ХГ2ВМФ | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 7Х3 8Х3 |
Сталь: 8Х3 Сталь: 7Х3 |
Не применяется для сварных конструкций | |
| 5ХНМ | Сталь: 5ХНВ, 5ХГМ, 4ХМФС, 5ХНВС, 4Х5В2ФС | Не применяется для сварных конструкций | |
| 5ХГМ | Сталь: 5ХНМ, 5ХНВ, 6ХВС, 5ХНС, 5ХНСВ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 4ЗМФС | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 4Х5МФС | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 4ХМФ1С | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 3Х3МХФ | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 6ХС | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 4ХВ2С | Сталь: 4Х5В2ФС, 4Х3В2М2 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 5ХВ2СФ 6ХВ2С |
Сталь: 6ХВ2С Сталь: 6ХЗФС |
Не применяется для сварных конструкций | |
| 6ХВГ | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 9045-80 | 08Ю | Сваривается без ограничений | |
| 14959-79 | 65 70 |
Сталь: 60, 70 65Г |
Не применяется для сварных конструкций |
| 75 | Сталь: 70, 80, 85 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 85 | Сталь: 70, 75, 80 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 60Г | Сталь: 65Г | Не применяется для сварных конструкций | |
| 65Г | Сталь: 70, У8А, 70Г, 60С2А, 9ХС, 50ХФА, 60С2, 55С2 | Не применяется для сварных конструкций | |
| 55С2 | Сталь: 50С2, 60С2, 35Х2АФ | Не применяется для сварных конструкций | |
| 60С2 60С2А |
Сталь: 55С2, 50ХФА, 60С2Н2А, 60С2Г, 50ХФА |
Не применяется для сварных конструкций | |
| 70С3А | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 55ХГР | Не применяется для сварных конструкций | ||
| 50ХФА | Сталь: 60С2А, 50ХГФА, 9ХС | Не применяется для сварных конструкций | |
| 60С2ХА | Сталь: 60С2ХФА, 60С2Н2А | Не применяется для сварных конструкций | |
| 60С2ХФА | Сталь: 60С2А, 60С2ХА, 9ХС, 60С2ВА | Не применяется для сварных конструкций | |
| 65С2ВА | Сталь: 60С2А, 60С2ХА | Не применяется для сварных конструкций | |
| 60С2Н2А | Сталь: 60С2А, 60С2ХА | Не применяется для сварных конструкций | |
| 19265-73 | Р18 | ||
| Р6М5К5 | При стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х свариваемость хорошая | ||
| Р9М4К8 | При стыковой электросварке со сталью 45 и 40Х свариваемость хорошая | ||
| 19281-89 | 09Г2 | Сталь: 09Г2С, 10Г2 | Сваривается без ограничений |
| 14Г2 | Сталь: 15ХСНД | Ограниченно свариваемая | |
| 12ГС | Сталь: 15ГС | Сваривается без ограничений | |
| 16ГС | Сталь: 17ГС | Сваривается без ограничений | |
| 17ГС | Сталь: 16ГС | Сваривается без ограничений | |
| 17Г1С | Сталь: 17ГС | Сваривается без ограничений | |
| 09Г2С | Сталь: 10Г2С, 09Г2 | Сваривается без ограничений | |
| 10Г2С1 | Сталь: 10Г2С1Д | Сваривается без ограничений | |
| 10Г2БД | Сталь: 10Г2Б | Сваривается без ограничений | |
| 15Г2СФД | Сваривается без ограничений | ||
| 14Г2АФ | Сталь: 16Г2АФ | Сваривается без ограничений | |
| 16Г2АФ | Сталь: 14Г2АФ | Сваривается без ограничений | |
| 18Г2ФАпс | Сталь: 15Г2ФАДпс, 16Г2АФ, 10ХСНД, 15ХСНД | Сваривается без ограничений | |
| 14ХГС | Сталь: 15ХСНД, 16ГС | Сваривается без ограничений | |
| 15Г2АФДпс | Сталь: 16Г2АФ, 18Г2АФпс, 10ХСНД | Сваривается без ограничений | |
| 10ХСНД | Сталь: 16Г2АФ | Сваривается без ограничений | |
| 10ХНДП | Сваривается без ограничений | ||
| 15ХСНД | Сталь: 16Г2АФ, 14ХГС, 16ГС | Сваривается без ограничений | |
| 20072-72 | 12МХ | ||
| 12Х1МФ | Сваривается без ограничений. Рекомендуется подогрев и последующая термическая обработка | ||
| 25Х1МФ | Сваривается без ограничений. Рекомендуется подогрев и последующая термическая обработка | ||
| 20Х3МВФ | Сваривается без ограничений. Рекомендуется подогрев и последующая термическая | ||
| 15Х5М | Сваривается без ограничений. Рекомендуется подогрев и последующая термическая обработка |
Литература
- ГОСТ 380-94 Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки
- ГОСТ 801-78 Сталь подшипниковая. Технические условия
- ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия
- ГОСТ 1414-75 Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия
- ГОСТ 1435-90 Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия
- ГОСТ 4543-71 Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия
- ГОСТ 5520-79 Прокат листовой из углеродистой, низколегированной и легированной стали для котлов и сосудов, работающих под давлением. Технические условия
- ГОСТ 5632-72 Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки
- ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия
- ГОСТ 5950-73 Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия
- ГОСТ 9045-93 Прокат тонколистовой холоднокатаный из низкоуглеродистой качественной стали для холодной штамповки. Технические условия
- ГОСТ 14959-79 Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия
- ГОСТ 19265-73 Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия
- ГОСТ 19281-89 Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия
- ГОСТ 20072-74 Сталь теплоустойчивая
- Сварка, резка и пайка металлов / К.К. Хренов. М., Машиностроение, 1970, 408 с.
- Справочник конструктора–машиностроителя. Т.3 / В.И. Анурьев. М.: Машиностроение. 2000. 859 с.
- Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.
- Инструментальные стали. Справочник / Л.А. Позняк. М., Металлургия, 1977, 168 с.
Свариваемость – это реакция свариваемых металлов и сплавов на процесс сварки. Она определяет технологическую сторону процесса и эксплуатационную пригодность изделия.
Расплавление и кристаллизация металла в условиях сварки представляют собой сложный металлургический процесс, протекающий при неравномерном нагреве, перегреве и охлаждении металла в местах соединения заготовок. Процесс сопровождается структурными превращениями и перекристаллизацией металла. Это во многом определяет качество и надежность сварного соединения, т.е. совокупность приобретаемых свойств шва, которые обусловливают пригодность соединений и возможность использования сварной конструкции в технике.
На свариваемость стали большое влияние оказывает ее химический состав .
Углерод – это важный элемент химического состава стали, определяющий ее свариваемость, прочность, вязкость, закаливаемость. Хорошо свариваются стали, содержащие не более 0,25% углерода. При более высоком его содержании, свариваемость стали, резко ухудшается, так как в нагретой околошовной зоне - термического влияния, образуются структуры закалки, приводящие к возникновению горячих и холодных трещин.
Сера – вредная примесь, образующая легкоплавкие соединения с железом, которые располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними с возникновением трещин в горячем состоянии. Это явление вызывается красноломкостью металла. Поэтому во избежание трещин в сварном шве содержание серы в свариваемых сталях должно быть менее 0,045%.
Фосфор – тоже вредная примесь. В сталях он вызывает появление хрупких структур, особенно при отрицательных температурах. Этот процесс называется хладноломкостью . Содержание фосфора в свариваемых сталях и сварных швах должно быть менее 0, 04%.
Марганец – это элемент химического состава стали, несколько повышающий прочность и упругость стали. При его содержании в сталях в пределах 0,3…0,8% процесс сварки не затрудняется. При содержании же марганца более 1,8% возникает опасность появления хрупкости и трещин, в связи с закаливаемостью такой стали.
Кремний несколько повышает прочность, упругость и твердость стали. При его содержании до 0,2…0,3%, свариваемость не ухудшается. При содержании более 0,8% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести стали и образования тугоплавких окислов кремния.
Хром повышает прочность, упругость и твердость стали, но при сварке образует карбиды хрома, ухудшающие коррозионную стойкость шва и прилегающую к нему околошовную зону. Он резко повышает твердость металла в этой зоне термического влияния и увеличивает вероятность возникновения трещин, способствует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки. В подлежащих сварке безникелевых сталях содержание хрома не должно превышать 0,3%.
Молибден способствует измельчению кристаллов (зерен стали), повышает прочность стали. Особенно это важно при ударных нагрузках и высоких температурах, но молибден вызывает появление трещин в наплавленном металле и в зоне термического влияния. В процессе сварки молибден активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание молибдена не должно превышать 1%.
Ванадий способствует закаливаемости стали, чем, затрудняет сварку; он активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание ванадия не должно превышать 1%.
Вольфрам увеличивает твердость стали и ее износостойкость при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки ввиду сильного окисления. В состав стали, подлежащей сварке, вольфрам не вводится.
Кислород активно окисляет расплавленное железо, образуя хрупкие структуры, он окисляет и легирующие элементы. Расплавленный металл сварного шва необходимо защищать от взаимодействия с кислородом воздуха. Это является одной из функций электродного покрытия, которое при сгорании выделяет защитный (углекислый) газ. Для защиты от окисления сварку ответственных конструкций из нержавеющих сталей и цветных металлов осуществляют в таких защитных газах, как аргон, гелий.
Водород. При сварке атомы водорода легко растворяются в расплавленном металле, а при затвердевании металла вновь соединяются в молекулы, которые собираются в разных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород вызывает в металле шва пористость и мелкие трещины, он повышает хрупкость стали, снижая ее прочность и вязкость. Водород, как и кислород, который может соединиться с расплавленным металлом шва, находится в окружающем воздухе, влаге, оставшейся в непросушенном электродном покрытии, во флюсах и на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Водород также содержится и в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках заготовок. Защита расплавленного металла шва от водорода осуществляется одновременно с защитой от кислорода.
Наименее насыщается металл водородом при сварке постоянным током обратной полярности, большее насыщение – при сварке переменным током.
Никель, содержащийся в легированных сталях, значительно улучшает их свариваемость: он измельчает зерно, придает шву пластичность и прочность. При сварке никелесодержащих сталей требуется надежная защита их от воздействия кислорода воздуха. Никель дорог. Применение никелевых сталей должно быть технико-экономически обосновано.
Титан, содержащийся в легированных сталях, измельчает зерно, повышает пластичность шва и качество соединения. Нержавеющие стали для ответственных сварных конструкций должны содержать в своем составе помимо никеля, еще 4 -5% титана.
На свариваемость стали также, влияют режимы и способы сварки.
Чтобы правильно выбрать способ и режимы сварки, исключающие возникновение дефектов, необходимо знать технологическую свариваемость металла. Это его реакция на тепловые воздействия в околошовной зоне без расплавления, а также металлургические процессы плавления и последующей кристаллизации металла. По известному химическому составу стали можно прогнозировать, какова ее технологическая свариваемость. Но точность таких прогнозов не всегда надежна и, полагаться на них, можно при сварке небольшого количества малоответственных изделий. В случае изготовления значительного числа ответственных сварных конструкций, необходимо экспериментально определять технологическую свариваемость той партии металла, из которой будут изготовлены изделия. Способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы .
Первая – когда прямым способом устанавливают свариваемость путем сварки одного или нескольких образцов изделия. При этом узнают о склонности металла к закалке или отсутствии таковой, о прочности и пластичности металла, об изменении микроструктуры. Полученные результаты отличаются высокой достоверностью;
Вторая – группа способов определения свариваемости проще и основана на имитации сварочных процессов. При этом косвенным способом, например, термообработкой при температурах, близких к сварочному процессу, определяют изменения в металле. Полнота и достоверность такой информации значительно ниже.
По свариваемости стали подразделяются на четыре группы, характеризующиеся способностью металлов образовывать при сварке соединения с заданными свойствами – прочные, герметичные, без хрупкости.
Первая группа – хорошо свариваемые стали, образующие сварные соединения высокого качества без применения особых приемов и подогрева до и после сварки. Это - низкоуглеродистые, низко- и среднелегированные стали. Например, от БСт1 до БСт4; от ВСт1 до ВСт4; от стали 08 до стали 25; стали 15Х; 20ХГА, 12ХН4А; 10ХСНД; 20Х23Н18Т; 12Х18Н9Т и другие требуемого химического состава.
Вторая группа – стали удовлетворительно свариваемые, которые для получения сварных соединений высокого качества требуют строгого соблюдения режимов сварки, применения специального присадочного материала, особо тщательной очистки свариваемых кромок, а в некоторых случаях – предварительного и сопутствующего подогрева до 150 0 С, последующий отжиг. Например, это стали БСт5сп; БСт5Гсп; сталь 30; сталь 35; сталь 20ХНЗА; сталь 12ХА и др.
Третья группа – стали с ограниченной свариваемостью в обычных условиях и склонные к образованию трещин. Содержат углерод от 0,35% до 0,5%, это могут быть и высоколегированные стали. Во избежание образования трещин их перед сваркой подвергают подогреву до 200…400 0 С с последующим отжигом. Например, БСт5пс; стали 40, 45, 50, 35ХН.
Четвертая группа – стали плохо свариваемые, практически не подлежащие сварке ввиду большого содержания углерода и легирующих элементов, приводящих к образованию трещин. Например, это стали 60Г, 70Г, 50ХН, 80С, У7, У10, У13, 9ХС, ХВГ, 3Х2ВФ. Качество сварных соединений таких сталей низкое, несмотря на предварительную сопутствующую и последующую термообработку.
К неудовлетворительно свариваемым сталям относятся и холодноупрочненные стали; арматура, упрочненная вытяжкой, сварка которой приводит к разупрочнению и повышению хрупкости.
Необходимо отметить, что свариваемость арматурной стали отличается от показателей свариваемости листа, фасонного проката для металлоконструкций. Например, арматурные стержни из Ст5 свариваются лучше, чем листовая сталь той же марки.
Сварка сталей на морозе не допускается.
