Что влияет на свариваемость металла

Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей часто имеет решающее значение. Конечно, на свариваемость сталей влияет и толщина свариваемых металлов и вид сварки и температура окружающей среды и чёткое соблюдение технологии сварки.

Даже плохо свариваемые стали можно успехом сваривать, если обеспечить нужную интенсивность нагрева, и охлаждения. А также, провести термообработку до и после сварки. И, наоборот, стали, сваривающиеся без ограничений, можно сварить с множеством дефектов в сварном шве.

Но, хотя факторов, влияющих на свариваемость сталей несколько, именно химический состав стали играет главную роль. Потому что и технология сварки и применяемый вид сварки зависят, в большинстве случаев, от химического состава свариваемой стали.

Как влияют основные легирующие элементы и примеси на свариваемость сталей

Не все легирующие элементы влияют на свариваемость сталей отрицательно. Какие-то элементы могут оказывать положительное влияние на свариваемость, а, какие-то, при небольшом содержании, вовсе не оказывают заметного влияния на процесс сварки металлов.

Влияние углерода на свариваемость стали

Углерод является наиболее распространённым и важных компонентом в составе углеродистых и других сталях. Углерод, во многом, определяет свойства стали при её обработке и сварке, и, во многом, определяет группу свариваемости стали. Сварка низкоуглеродистых сталей, с содержанием углерода до 0,25% происходит без ограничений. Среднеуглеродистые стали, с содержанием углерода свыше 0,25% и до 0,35% свариваются удовлетворительно. Стали, содержащие в своём составе углерода более 0,35%, свариваются ограничено, а высокоуглеродистые стали с содержанием углерода более 0,45% относятся к трудносвариваемой группе сталей.

Влияние серы на свариваемость сталей

Сера является вредной примесью в стали и содержание её с составе стали не допускается более, чем 0,05%. Сера, вступая во взаимодействие с железом, образует сернистое железо Fe2S3 которое имеет температуру плавления более низкую, чем у стали, и является трудно растворимым в расплавленной стали.

В процессе кристаллизации стали, сернистое железо кристаллизуется между кристаллами металла сварного шва. Это приводит к возникновению горячих трещин.

Влияние фосфора на свариваемость сталей

Фосфор, также как и сера, является вредной примесью в составе сталей и его содержание не допускается более, чем 0,05%. Фосфор, соединяясь с железом, образует фосфористое железо, которое обладает высокой хрупкостью и придаёт стали хладноломкость.

Влияние кремния на свариваемость

Обычно, содержание кремния в стали составляет от 0,02% до 0,3%. При таком содержании заметного влияния на свариваемость стали легирование кремнием не оказывает.

Если содержание кремния в составе стали повышенное и составляет 0,8-1,5%, то процесс варки затрудняется, т.к. кремний повышает жидкотекучесть стали и, взаимодействуя с металлом, образует тугоплавкие химические соединения.

Влияние марганца на свариваемость сталей

Обычно, содержание марганца в стали колеблется в пределах 0,3-0,8%. Считается, что при содержании до 1,5-2% марганец не оказывает существенного влиянии на свариваемость. При повышенном содержании марганца (свыше 2%), механические свойства стали (прочность, твёрдость, склонность к закалке) возрастают, а это приводит к риску образования холодных трещин при сварке.

При сварке сталей, с высоким содержанием марганца (более 11%), происходит его выгорание. В этом случае необходимо восполнять марганец через электродное покрытие, флюсы или другими способами.

Влияние хрома на свариваемость

Содержание хрома с составе сталей обычно находится в пределах до 0,3%. При содержании хрома в стали менее 1% сильного влияния на свариваемость он не оказывает. Однако, при повышенном содержании хрома он снижает свариваемость стали из-за образования тугоплавких оксидов Cr2O3. Кроме того, в зоне термического влияния резко повышается твёрдость из-за образования карбидов хрома Cr2С3. Также хром способствует появлению закалочных структур.

Влияние никеля на свариваемость

Обычно, содержание никеля в составе стали не превышает 0,3%, однако, в легированных сталях его содержание может достигать 35%. Никель способствует измельчению зёрен метала, улучшает пластичность стали и её прочность и оказывает положительное влияние на свариваемость, особенно, если в составе стали повышенное содержание хрома. Поэтому, стали, с высоким содержанием хрома, часто легируют никелем.

Влияние молибдена на свариваемость

Молибден часто присутствует в составе теплоустойчивых сталей с содержанием 0,15-0,8%. В сталях, которые эксплуатируются в условиях высоких температур и ударных нагрузок, его содержание может достигать 5% и более.

Молибден способствует измельчению зёрен металла, повышает прочность и ударную вязкость. Однако, оказывает отрицательное влияние на свариваемость, т.к. способствует образованию трещин в металле сварного шва и в зоне термического влияния. При сварке молибден быстро выгорает, поэтому, необходимы меры, препятствующие его выгоранию в процессе сварки.

Влияние ванадия на свариваемость

Содержание ванадия в сталях обычно находится в пределах 0,2-1,5%. Ванадий увеличивает механические свойства стали (прочность, ударную вязкость, упругость) и снижает свариваемость, т.к. является причиной появления закалочных структур в металле сварного шва и в зоне термического влияния.

Влияние вольфрама на свариваемость

Вольфрам содержится в сталях в пределах 0,8-18%. Он увеличивает твёрдость, и теплостойкость стали, снижая, при этом, её свариваемость. При сварке вольфрам легко окисляется и выгорает.

Влияние титана и ниобия на свариваемость

Титаном и ниобием легируют нержавеющие и жаропрочные стали и их содержание, обычно, находится в пределах 0,5-1%. Титан и ниобий хорошо образуют карбиды, поэтому, препятствуют образованию твёрдых карбидов хрома. При сварке нержавеющих сталей ниобий повышает риск образования горячих трещин. Титан отрицательного влияния на свариваемость не оказывает.

Читайте также:  Устройство сварочной маски хамелеон

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.

Содержание никеля в сталях в количестве 2-3% значительно улучшает ее свариваемость. В сталях для ответственных конструкций, предназначенных для восприятия больших нагрузок, рекомендуется содержание никеля до 8-10%.

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.

Читайте также:  Лебедка из камазовской трещетки с электроприводом

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.

Установки для автоматической сварки продольных швов обечаек — в наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.

Сварочные экраны и защитные шторки — в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!

Свариваемость сталей — это собирательное понятие. Обобщенно под свариваемостью понимают возможность получения на данной стали сварного соединения с высокими свойствами, не уступающими свойствам основного свариваемого металла и высокого качества — отсутствия различного рода сварочных дефектов (пор, трещин, шлаковин и др.). Чем лучше свариваемость стали, тем шире технологический диапазон разных видов сварки этой стали и тем проще сам процесс. Плохо свариваемая сталь тоже может быть сварена, однако для этого должны быть приняты специальные технологические меры для избежания сварочных дефектов и получения хороших свойств сварного соединения.

Ухудшение свариваемости стали вызывает образование горячих трещин при сварке, холодных трещин в сварных соединениях, сильный рост зерна в околошовной зоне, с образованием в зоне теплового влияния мартенсита или бейнита полностью или частично с высокой хрупкостью, значительно превышающей хрупкость свариваемой стали, образование разупрочненных участков в зоне теплового влияния, возникновение в зоне нагрева участков, склонных к дисперсионному упрочнению, либо сразу после сварки, либо со временем, возникновение высоких остаточных напряжений и деформаций.

Возможность получения качественного сварного соединения с надлежащими свойствами зависит не только от состава свариваемой стали, но и от технологии и условий сварки, толщины свариваемого металла, конструкции объекта и др. Даже трудно свариваемая сталь, склонная к образованию закалочных структур и холодных трещин при сварке, может быть с успехом сварена с получением сварного соединения, удовлетворяющего всем требованиям, если обеспечить при сварке необходимую скорость нагрева и главное замедленное охлаждение или (и) провести термообработку сварного соединения сразу после сварки. Некоторые стали (например, высокохромистые ферритные) очень плохо свариваются дуговой сваркой, но хорошо свариваются контактной сваркой. Поэтому рассматривать влияние легирующих элементов на свариваемость сталей необходимо применительно к одному виду сварки — например, дуговой сварке ручной или автоматической с плавящимся электродом и одинаковыми прочими условиями.

Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Однако пределы содержания различных легирующих элементов в стали, с которых начинается активное ухудшение свариваемости для разных элементов, различны. Кроме того, эти пределы зависят и от уровня легирования стали другими элементами. Лучше всего сваривается сталь с низким содержанием углерода. Повышение содержания углерода в нелегированной стали до 0,15% С несколько улучшает свариваемость за счет того, что при этом ограничивается рост зерна феррита. В нелегированной и низколегированной стали содержание углерода до 0,25% несущественно ухудшает свариваемость. Заметное ухудшение свариваемости наступает при повышении содержания углерода сверх 0,3%. Особенно плохо свариваются стали с содержанием 0,5% С и более Для сварки таких сталей нужны специальные технологические меры, обеспечивающие получение качественного сварного соединения.

Читайте также:  Обзор шлифовальных машинок по дереву

Отрицательное влияние углерода на свариваемость связано с повышением склонности стали к образованию горячих и холодных трещин, с повышением хрупкости металла в зонах теплового влияния (элементы неравновесных структур). Повышение содержания углерода в стали увеличивает объемные изменения при охлаждении, приводящем к образованию неравновесных структур. Влияние легирующих элементов на свариваемость может быть различным в низколегированных и высоколегированных сталях. Низколегированные стали с небольшим содержанием углерода (0,15—0,25%) составляют основную массу сталей для сварных конструкций и изделий, поэтому влияние легирующих элементов на свариваемость лучше всего рассмотреть для них.

Кремний, вводимый в низколегированные стали в количествах до 1,7%, особо вредного влияния на свариваемость не оказывает. Некоторое отрицательное влияние кремния может быть связано с тем, что он упрочняет феррит и способствует неоднородности в распределении углерода. Поэтому в зонах теплового влияния сталей с кремнием более заметно влияние увеличения скорости нагрева на повышение степени неоднородности аустенита и неоднородность свойств после охлаждения. Кроме того, кремний образует устойчивые окисные пленки, что может отрицательно повлиять на свариваемость.

Влияние марганца на свариваемость связано с содержанием углерода в стали — чем выше содержание углерода в стали, тем отрицательнее влияние марганца на свариваемость. При содержании в сталях 0,1% С хорошей можно признать свариваемость сталей, содержащих до 2,5% Мn. При более высоком содержании углерода (0,25%) хорошую свариваемость сохраняют стали при меньшем содержании марганца (1,7—1,8%). Влияние марганца на свариваемость связано главным образом с повышением склонности к появлению элементов закалочных структур в зоне теплового влияния, повышением хрупкости в этих участках и вероятностью появления холодных трещин. Увеличение склонности к образованию структур закалки увеличивает также эффект изменения объема в зоне теплового влияния после сварки.

Влияние хрома на свариваемость также связано с содержанием в стали углерода. В стали с 0,1—0,12% С содержание до 3% Cr сохраняет хорошую свариваемость стали. При содержании 5% Сr сталь сваривается удовлетворительно. При повышении содержания углерода (до 0,25%) содержание хрома до 2% сохраняет у стали достаточно хорошую свариваемость. При большем содержании хрома свариваемость стали значительно ухудшается.

Влияние хрома на ухудшение свариваемости связано с несколькими факторами Хром, как и марганец, повышает склонность к закаливаемости стали в зоне теплового влияния сварки, но в несколько меньшей степени Карбиды, содержащие хром, более трудно растворимы, чем Fe3C или (Fe, Мn)3С, и поэтому при сварочном нагреве аустенит в зоне теплового влияния (ЗТВ) будет менее однородным, чем в нелегированной или марганцовистой стали. При высоком содержании хрома сильно возрастает неоднородность свойств в ЗТВ, появляются участки с низкотемпературным мартенситом и повышается склонность к образованию холодных трещин. Увеличивается объемный эффект превращения аустенита и снижается теплопроводность стали. И то и другое приводит к повышению уровня остаточных напряжений в сварном соединении.

Никель при содержании до 1 % в стали, содержащей до 0,2% С, существенно свариваемость не ухудшает. При повышении содержания никеля свариваемость ухудшается, но до 1,5% Ni остается удовлетворительной. При более высоком содержании никеля либо должно быть снижено содержание углерода в стали либо приняты специальные технологические меры для обеспечения надлежащего качества сварных соединений. Отрицательное влияние никеля на свариваемость связано с повышением устойчивости аустенита и увеличением в продуктах его распада в ЗТВ после сварки мартенсита и бейнита. Кроме того, никель увеличивает растворимость в стали водорода и благоприятствует тем самым повышению склонности к холодным трещинам при сварке. Плохо влияют на свариваемость элементы, дающие в стали устойчивые карбиды. Молибден и вольфрам без значительного ухудшения свариваемости вводят в низкоуглеродистую сталь в количествах до 0,5%. Ванадий и ниобий ухудшают свариваемость при содержании более 0,2%. По-видимому, влияние активных карбидообразователей на свариваемость низколегированных, низкоуглеродистых сталей связано с трудностями растворения устойчивых карбидов при нагреве, трудностями гомогенизации аустенита и вследствие этого с образованием в ЗТВ участков с хрупкими неравновесными структурами. Труднорастворимые карбиды ванадия, ниобия и титана влияют также на процесс кристаллизации сварочной ванны.

Схематически влияние легирующих элементов в низкоуглеродистой низколегированной стали на условный показатель свариваемости представлено на рис. 84. За единицу условно принята свариваемость нелегированной стали с 0,2% С.

Что влияет на свариваемость металла

Международный институт сварки (МИС) для оценки свариваемости низколегированных сталей (документ IX-535—67) рекомендует пользоваться так называемым показателем эквивалента углерода С,

Cэ = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (15)

Символы различных элементов означают содержание данного элемента в процентах. Признаком хорошей свариваемости считается величина Cэ ≤ 0,4. Признавая рациональность такого подхода к оценке влияния состава стали на свариваемость, в ряде работ уточнены коэффициенты, соответствующие различным легирующим элементам. Однако использование формулы (15) для оценки свариваемости имеет и свои недостатки, связанные с недоучетом ряда факторов, также влияющих на свариваемость (например, толщина металла, способ и условия сварки и др.).

Источник: Л.С. Лившиц. "Металловедение для сварщиков". Москва. Машиностроение, 1979.