Понятие о свариваемости

Процесс сварки представляет со­бой сочетание нескольких одновремен­но протекающих процессов, которые определяют качество получаемого сварного соединения. К этим процес­сам относятся: нагрев металла околошовных участков, плавление, кристаллизация основного металла или взаим­ная кристаллизация основного и при­садочного (или электродного) метал­лов. Протекание этих процессов опре­деляется в основном свойствами сва­риваемых металлов. Однако такие факторы, как слишком высокая тем­пература, очень большие скорости охлаждения, необоснованный выбор присадочного металла и режима свар­ки, могут значительно снизить качест­во сварного соединения. При разно­родных металлах процесс взаимной кристаллизации может не произойти, вследствие чего сварка таких металлов не может быть осуществлена.

• Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной техноло­гии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструк­цией и эксплуатацией изделия.

Большое влияние на свариваемость металлов и сплавов оказывает их хи­мический состав. Это особенно наглядно видно на примере железоуглеродис­тых сплавов. Свариваемость углеро­дистой стали изменяется в зависи­мости от содержания основных при­месей.

1. Углерод является наиболее важным элементом в составе стали, определяющим почти все основные свойства стали в процессе обработки, в том числе и свариваемость. Низкоуглеродистые стали (С<0,25%) свари­ваются хорошо. Среднеуглеродистые стали (С <0,35%) также сваривают­ся хорошо. Стали с содержанием С >0,35% свариваются хуже. С уве­личением содержания углерода в ста­ли свариваемость ухудшается. В околошовных зонах появляются закалоч­ные структуры и трещины, а шов по­лучается пористым. Поэтому для получения качественного сварного со­единения возникает необходимость применять различные технологиче­ские приемы.
2. Марганец не затрудняет сварку стали при содержании его 0,3…0,8%. Однако при повышенном содержании марганца (1,8…2,5%) прочность, твердость и закаливае­мость стали возрастают, и это способствует образованию трещин. При сварке высоко марганцовистых сталей (11 … 16% Мn) происходит выгорание марганца, поэтому его восполняют, используя электродные покрытия и флюсы с повышенным содержанием марганца.
3. Кремний содержится в обычной углеродистой стали в преде­лах 0,02… 0,3% и существенного влияния на свариваемость не оказы­вает. При повышенном содержании (0,8… 1,5% ) кремний затрудняет вварку, так как придает стали жидкотекучесть и образует тугоплавкие ок­сиды и шлаки.
4. Сера является самой вредной примесью стали. Содержание серы в стали допускается не более 0,05%. Сера образует в металле сульфид железа, который имеет более низкую температуру плавления, чем сталь, и плохо растворяется в рас­плавленной стали. При кристаллиза­ции частицы сульфида железа распо­лагаются между кристаллами металла шва и способствуют образованию го­рячих трещин.
5. Фосфор является также вредной примесью. Фосфор ухудшает свариваемость стали, так как образу­ет хрупкий фосфид железа, придаю­щий стали хладноломкость. Содержа­ние фосфора в стали не превышает 0,05%.

Свариваемость стали принято оце­нивать по следующим показателям: склонность металла шва к образованию горячих и холодых трещин; склонность к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур; фи­зико-механические свойства сварного соединения; соответствие специаль­ных свойств (жаропрочность, изно­состойкость и др.) сварного сое­динения техническим условиям.

Свариваемость определяют двумя основными методами, разработанными МВТУ им. Баумана (валиковая про­ба) и Кировским (г. Ленинград) заводом. Валиковая проба заключает­ся в следующем: изготовляют образ­цы, на которые наплавляют по одно­му валику при различной погонной энергии от 419 • 10³ до 838 • 10⁴ Дж/м. Обработанные и протравлен­ные образцы подвергают макро- и микроисследованиям, а затем механи­ческим испытаниям на загиб и ударную вязкость. Результаты исследова­ния позволяют не только оценить свариваемость стали по многим пока­зателям, но и установить оптималь­ные режимы сварки.

По методу, разработанному Ки­ровским заводом, исследование про­водят на образцах из толстолистовой стали. Пластины размером 130 х 130 мм имеют в середине выточки диамет­ром 90 мм, при этом оставшиеся донышки у выточек должны иметь толщину 2, 4 и 6 мм. В выточки по диаметру наплавляют валик и в про­цессе наплавки пластины охлаждают с наружной стороны проточной водой или струей воздуха. Стали считаются сваривающимися хорошо, если трещи­ны отсутствуют; удовлетворительно, если трещины образуются при охлаж­дении водой, но отсутствуют при ох­лаждении воздухом; ограниченно, ес­ли сталь для предупреждения образо­вания трещин требует предваритель­ного подогрева до 100…150° С и охлаждения на воздухе. Плохо свари­вающиеся стали требуют предвари­тельного подогрева до 300° С и выше.

Углеродистые стали по сваривае­мости можно условно подразделить на следующие группы:

1. хорошо сваривающиеся стали: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 (ГОСТ 380-71), 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050—74);
2. удовлетворительно сваривающиеся стали: Ст5 (ГОСТ 380-71), 30, 35 (ГОСТ 1050—74);
3. ограниченно сваривающиеся стали: Ст6, Ст7 (ГОСТ 380—71), 40, 45, 50 (ГОСТ 1050 -74);
4. плохо свариваю­щиеся стали: 60Г, 65Г, 70Г, 65, 70, 75, 80, 85 (ГОСТ 1050—74).

В сварных строительных конст­рукциях используются главным обра­зом стали первой группы. Стали СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4 применяют, при изготовлении различных строительных конструкций, арматуры железобетонных изделий, горячекатаных и свар­ных труб с прямым и спиральным швом; из стали СтЗ изготовляют бункера, резервуары, газгольдеры, конструкции доменного комплекса, балки различных перекрытий; стали 10, 15, 20, 25 используют для из­готовления горячекатаных труб. Эти стали хорошо поддаются сварке и об­разуют сварной шов без хрупких структур и пористости.