Свариваемость металлов и сплавов

Свариваемость – техническая характеристика, которая позволяет определить способность различных металлов под воздействием высоких температур создавать прочные соединения, которые впоследствии можно будет эксплуатировать в условиях механических и физических нагрузок.

Чаще всего для сваривания применяются стальные сплавы, способность которых создавать соединения основывается на двух главных показателях – стойкости сварного шва и склонности к образованию холодных либо горячих трещин в процессе работы.

В зависимости от степени свариваемости металлы подразделяются на четыре основных группы. К первой из них относятся типы стали, сварка которых может быть выполнена классическим способом, без предварительного подогрева и накаливания в процессе работы. Однако для снятия механического напряжения по окончании сварки готовое изделие может быть подвергнуто термической обработке.

Во вторую группу входят металлы, которые могут нуждаться в подогреве до начала и в процессе сварки, что позволяет избежать образования трещин.

Третья группа включает в себя металлы, которые при обычной сварке в нормальных условиях обязательно дают трещины. Поэтому перед началом работы их необходимо прогревать, поддерживая заданный температурный режим во время сварки, а по ее окончании подвергать дополнительной термической обработке.

Четвертая группа является самой малочисленной, и в нее входят металлы, которые практически не поддаются сварке, так как при любых попытках соединить между собой два куска одного и того же сплава образуются трещины.

Стоит также отметить, что самой лучшей свариваемостью обладают те виды стали, в которых содержание углерода не превышает 0,3%. Работать с такими сплавами можно абсолютно при любом температурном режиме, так как он не влияет ни на качество шва, ни на возникновение трещин.

 

 

Методы оценки свариваемости

Свариваемость является одной из наиболее важных технологических характеристик, по которой оценивают пригодность металла для изготовления конструкций. Свариваемость материалов рассматривают как собирательное понятие, которое характеризуется двумя параметрами: пригодностью к сварке и надежностью сварного соединения. Под свариваемостью понимают способность металлов и других материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла.

Различают технологическую и эксплуатационную свариваемость. В свою очередь, технологическую свариваемость подразделяют на металлургическую и тепловую. Металлургическая свариваемость характеризует способность материала свариваться различными видами сварки без образования в металле горячих (кристаллизационных) и холодных трещин. При этом под технологической прочностью сварных соединений понимают их способность выдерживать без разрушения различного рода воздействия, которые могут возникать в процессе сварки, остывания и вылеживания сварных конструкций под влиянием сварочных деформаций и напряжений.

Тепловую свариваемость стали оценивают по изменению ее свойств под действием термического цикла сварки. Эксплуатационную свариваемость определяют по соответствию механических свойств конкретных сварных соединений требованиям нормативно-технических документов.

В последнее время, для упрощения оценки свариваемости арматуры НИИЖБ (А. М. Фридман) предложил пятибалльную систему которая предусматривает следующие баллы свариваемости при испытании сварных соединений статическим растяжением: равнопрочность сварных соединений исходному металлу—балл 5;

прочность сварного соединения не ниже нормируемой для исходного материала — балл 4;

прочность не ниже нормируемой для сварных соединений по ГОСТ 10922—75 —балл 3.

Если сварное соединение не обеспечивает минимума требуемых механических свойств, свариваемость арматурной стали оценивается баллом 2, а сварные соединения не допускаются к применению.

 

 

Особенности металлургических процессов при сварке

Процессы расплавления и затвердевания металла, сопровождающиеся изменением его химического состава и кристаллического строения, называются металлургическими.

Сварка также является металлургическим процессом, но отличается от других подобных процессов следующими особенностями: а) происходит при высокой температуре нагрева; б) протекает с большой скоростью; в) характеризуется очень малыми объемами нагретого и расплавленного металла; г) при сварке имеет место быстрый отвод тепла от расплавленного металла сварочной ванны в прилегающие к ней зоны твердого основного металла; д) на расплавленный металл в зоне сварки интенсивно воздействуют окружающие его газы и шлаки; е) в ряде случаев для образования металла шва используется присадочный металл, химический состав которого может значительно отличаться от состава основного металла.

Высокая температура нагрева при сварке значительно ускоряет процессы плавления электродного металла, основного металла, электродного покрытия и флюса. При этом имеет место значительное испарение, разбрызгивание и окисление веществ, участвующих в химических реакциях в зоне сварки.

Молекулы ряда элементов, таких, как кислород, азот, водород, при высоких температурах дуги частично распадаются на атомы (диссоциируют). В атомарном состоянии эти элементы обладают более высокой химической активностью, чем в молекулярном. Вследствие этого окисление элементов, насыщение металла азотом и поглощение водорода в процессе сварки протекает более интенсивно, чем при обычных металлургических процессах.

Малые объемы расплавленного металла в сварочной ванне и интенсивный отвод тепла в окружающий металл, обусловливают кратковременность протекающих химических реакций при

высоких температурах процесса, поэтому не всегда эти реакции могут полностью завершаться. С другой стороны, сильно ускоряются процессы затвердевания и кристаллизации металла шва, что существенно отражается на строении (структуре) твердого металла шва, получаемого после сварки, а также околошовной зоны основного металла.

Химический состав, структура и плотность металла шва зависят от состава основного и присадочного металла, характера и состава газов, окружающих жидкий металл, режима сварки и прочих факторов.

Указанные особенности металлургических процессов при сварке затрудняют получение сварных швов высокого качества, особенно для металлов, чувствительных к быстрому нагреву и охлаждению, легко окисляющихся, склонных к образованию пористости,, закалочных структур, трещин и других дефектов. Для сварки конструкций из таких металлов приходится применять специальную технологию и режимы, особые присадочные металлы, электроды, электродные покрытия, флюсы, в ряде случаев использовать предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующую термическую обработку швов и в некоторых случаях — целых изделий.

 

 

Легирование металла шва

В ряде случаев состав металла шва для обеспечения его качества и эксплуатационных свойств сварных соединений должен отличаться от состава свариваемого металла, в частности по содержанию различных легирующих элементов. В связи с этим наряду с другими видами металлургической обработки металла при сварке часто осуществляется легирование металла шва. Легирование металла при сварке возможно посредством воздействия металлической или шлаковой фаз, а также газов. Основным способом легирования металла шва при сварке является легирование посредством введения в сварочную ванну соответствующих элементов в металлическом состоянии, в частности в виде сплавов. Легирование в этом случае происходит в результате: а) поступления легирующего элемента из расплавляющегося при сварке основного свариваемого металла; б) его поступления из присадочного металла (плавящихся электродной проволоки, электродного стержня при дуговой и электрошлаковой сварках); в) введения легирующего элемента в состав покрытия при сварке штучными электродами или керамического флюса при автоматической сварке под флюсом