Что такое свариваемость сталей и как она определяется.

Свариваемостью называется способность металлов образовывать в процессе сварки сварное соединение, металл шва которого обладает механическими свойствами, близкими к основному металлу.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых деталей, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение. На границе соприкосновения соединяемых деталей происходят физико-химические процессы, обусловленные свойствами  соединяемых металлов. Однородные металлы (одного химического состава) обладают одинаковой физической свариваемостью. Разнородные металлы могут не свариться, так как их свойства иногда не обеспечивают протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают физической свариваемостью.

Под технологической сваримостью понимается возможность получения сварного соединения тем или иным способом сварки. При сварке происходит окисление компонентов сплавов. В стали, например, выгорают углерод, кремний, марганец, окисляется железо.

В связи с этим в определение технологической свариваемости входят определение химического состава, структуры и свойств металла шва в зависимости от способа сварки, оценка структуры и механических свойств околошовной стали к образованию трещин, оценка полученного при сварке сварного соединения.

Технологическая свариваемость устанавливает оптимальные режимы и способы сварки, последовательность выполнения сварочных работ. На свариваемость оказывают влияние углерод и легирующие элементы, входящие в состав стали.

О свариваемости стали известного химического состава судят по содержанию углерода. Для этого каждый легирующий элемент оценивают на твердость (закаливаемость) стали по сравнению с влиянием углерода. Эквивалентное содержание углерода может быть определено по формуле (в процентах):

                                 .

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

К первой группе относятся стали, у которых С_экв не более 0,25%. Эти стали при обычных способах сварки не дают трещин. Сварка ведется без подогрева, и после сварки не требуется последующей термообработки, сварные соединения обладают высоким качеством.

Ко второй группе относятся стали, у которых С_экв находится в пределах 0,2-0,35%. Для получения сварных соединений хорошего качества необходимы строгое соблюдение режимов сварки, применение специального присадочного металла, особо тщательная очистка свариваемых кромок и нормальные температурные условия, а в некоторых случаях – предварительный подогрев до 100-150 ⁰С с последующей термообработкой.

К третьей группе относятся стали, у которых С_экв находится в пределах 0,35-0,45%. Стали этой группы при обычных условиях сварки склонны к образованию трещин. Сварка ведется с предварительным подогревом до 250-400 ⁰С с последующим отпуском.

К четвертой группе относятся стали, у которых С_эвк более 0,45%. Такие стали трудно свариваются и склонны к образованию трещин. Сварка выполняется с предварительным подогревом и последующей термообработкой.

Сварка углеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали (с содержанием углерода до 0,25%) имеют хорошую свариваемость. Электроды для сварки этих сталей выбирают с учетом обеспечения равнопрочности основного металла и сварного соединения.

При сварке низкоуглеродистых сталей металл шва отличается от основного металла несколько пониженным содержанием углерода, что незначительно понижает прочность металла шва. При электродуговой сварке увеличение прочности обеспечивается легированием металла шва через проволоку и покрытие, а также за счет увеличения скорости охлаждения. При увеличении скорости охлаждения прочностные свойства металла возрастают, а пластические падают.

В зависимости от степени надежности свариваемого изделия используют электроды типов Э-42, Э-42А, Э-46.

Для сварки изделий из толстых листов и в монтажных условиях пользуются электродами типа Э-46 марки МР-3. Электроды марки МР-3 пригодны для сварки как на переменном, так и на постоянном токе во всех пространственных положениях.  Эти электроды обеспечивают хорошее формирование сварных швов и легкое отделение шлака.

Низкоуглеродистые стали сваривают газовой сваркой без особых затруднений. Сварку ведут нормальным пламенем и, как правило, без флюса.

Наконечник горелки при левом способе сварки выбирают из расчета расхода ацетилена 100-130 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла, а при правом способе – 120-150 дм³/ч на 1 мм толщины металла. Кромки под сварку подготавливают в зависимости от толщины свариваемого изделия.

Диаметр присадочной проволоки подбирают в зависимости от толщины свариваемого металла по следующей формуле:

при левом способе сварки мм;

при правом способе сварки мм;

где d – диаметр присадочной проволоки, мм;

S – толщина свариваемого металла, мм.

Высококвалифицированные сварщики применяют пламя большой мощности, наконечник выбирают из расчета расхода ацетилена 150-200 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла, используя при этом присадочную проволоку большего диаметра. Производительность сварки при этом повышается. Пламя горелки должно быть нормальном. Для неответственных конструкций в качестве присадки применяют сварочную проволоку Св-08 и Св-08А. При сварке этими проволоками часть компонентов, таких, как углерод, кремний и марганец, выгорает, а металл шва приобретает крупнозернистую структуру. Предел прочности такого соединения ниже предела прочности основного металла.

Для получения равнопрочного с основным металлом соединения при сварке ответственных конструкций необходимо применять кремнемарганцовистую сварочную проволоку Св-08Г, Св-О8ГА, Св-10ГА или Св-I4ГС. Во время сварки необходимо следить за тем, чтобы кромки свариваемого металла и конец присадочной проволоки расплавлялись одновременно. Конец присадочной проволоки должен быть погружен в ванночку расплавленного металла, нельзя допускать, чтобы капли расплавленного металла попадали на нерасплавленные кромки основного металла, так как это приводит к непровару, что снижает механические характеристики соединения.

Для того чтобы расплавленный металл не стекал при левом способе сварки, изделие наклоняют на 10-15⁰ против движения горелки. Если конец присадочной проволоки прилипает   к свариваемым кромкам основного металла, это значит, что они недостаточно нагреты.

В процессе сварки необходимо избегать отклонения сварочного пламени от ванны расплавленного металла шва, так как это может привести к окислению металла шва кислородом воздуха.

Сварные швы должны иметь равномерно чешуйчатую поверхность, равномерную по всему шву ширину и высоту наплавленного валика. Переход от основного металла к наплавленному должен быть плавным, без подрезов. В процессе сварки горелкой совершают равномерные и непрерывные колебательные и поступательные движения.

Для уплотнения и повышения пластичности наплавленного металла применяют проковку и последующую термообработку шва. Проковку рекомендуется начинать при температуре светло-красного, а заканчивать при температуре темно-красного каления. Проковка при более низкой температуре может привести к появлению микроскопических трещин в металле шва или околошовной зоне. При сварке ответственных и толстостенных изделий необходима термическая обработка сварных соединений.

В качестве горючего газа при сварке низкоуглеродистой стали используют ацетилен или пропан-бутан. При сварке пропан–бутановым пламенем расстояние от конца ядра пламени до свариваемой поверхности должно составлять 8-10 мм. Пропан-бутан применяется для сварки неответственных деталей.

Среднеуглеродистые стали, содержащие от 0,25 до 0,6% углерода, свариваются хуже, чем низкоуглеродистые стали. Свариваемость среднеуглеродистых сталей ухудшается с увеличением в них содержания углерода. В сварном шве и в околошовной зоне могут образовываться как горячие, так и холодные трещины.

Чтобы избежать образования трещин, стремятся уменьшить количество углерода и долю основного металла в металле шва. Для этого используют электроды с пониженным содержанием углерода, а для сокращения доли основного металла в металле шва применяют сварные соединения с разделкой кромок, и сварку ведут на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла. Для увеличения доли электродного металла рекомендуется использовать электроды с большим коэффициентом наплавки.

Предварительный подогрев до 200-350 ⁰С предотвращает образование закалочных структур в околошовной зоне и повышает содержание углерода в металле шва. Содержание углерода растет незначительно и не приводит к образованию трещин. Однако следует помнить, что чрезмерный подогрев способствует увеличению провара основного металла, а это ведет к повышению содержания углерода в металле шва и, следовательно, к возникновению трещин.

Чтобы избежать образования малопластичных и хрупких закалочных структур в околошовной зоне, следует замедлить остывание свариваемых изделий. Это достигается уменьшением скорости сварки и предварительным подогревом.

Однако перечисленные меры не обеспечивают необходимой пластичности сварного соединения. Улучшение пластических свойств сварных соединений достигается с помощью термообработки.

Для сварки среднеуглеродистых сталей применяют электроды с фтористо-кальциевым покрытием (например, марок УОНИ-13/45 и УОНИ-13/55), которые обеспечивают высокую стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и достаточную прочность сварного соединения. При сварке следует избегать наложения широких валиков. Сварку ведут небольшими участками, короткой дугой. Электроды перемещают в продольном направлении, кратеры заваривают или выводят на технологическую пластину, так как в них могут образовываться трещины.

Сварку среднеуглеродистых сталей выполняют нормальным или слегка науглероживающим пламенем. Наконечник горелки выбирают из расчета расхода ацетилена 75-100 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла, т. е. меньшей мощности, чем при сварке низкоуглеродистых сталей.

Разделка кромок под сварку и диаметр присадочной проволоки такие же, как при сварке низкоуглеродистых сталей. В качестве присадочного металла используют проволоку марок Св-08ГА, Св-10ГА и Св-I2ГС. Для уменьшения перегрева металла применяют левый способ сварки. При толщине металла свыше 3 мм рекомендуется общий подогрев изделия до температуры 250-350 ⁰С или местный подогрев горелками места шва до температуры 600-650 ⁰С.

Для сварки среднеуглеродистых сталей с содержанием углерода, близким к верхнему пределу (0,5-0,6%), целесообразно применять флюсы следующих составов: 100% прокаленной буры; 50% углекислого калия и 50% двууглекислого натрия; 70% борной кислоты и 30% углекислого натрия.

Для повышения механических свойств сварного соединения шов проковывают при температуре 850-900 ⁰С с последующей термообработкой (высокотемпературный отпуск при 600-650 ⁰С).

Высокоуглеродистые стали, содержащие от 0,6 до 2% углерода, свариваются плохо. Сварку рекомендуется выполнять с подогревом до 250-350 ⁰С, а после сварки проковывать шов с последующей нормализацией или отпуском. Приемы сварки высокоуглеродистых сталей те же, что и при сварке среднеуглеродистых сталей. Мощность пламени выбирают из расчета расхода ацетилена 75-90 дм³/ч на 1 мм толщины свариваемого металла. Рекомендуется нормальное или слегка науглероживающее пламя.

Для уменьшения перегрева и времени пребывания сварочной ванны в расплавленном состоянии сварку ведут левым способом. Используют флюсы того же состава, что и для сварки среднеуглеродистых сталей.