К какой группе свойств относится свариваемость

Выделяют довольно большое количество параметров, которые определяют основные свойства металла. Среди них выделяют показатель свариваемости. На сегодняшний день сварка стали проводится крайне часто. Подобный способ соединения металлов и других материалов характеризуется высокой эффективностью, так сварной шов может выдерживать большую нагрузку. При плохом показателе провести подобную работу сложно, в некоторых случаях даже невозможно. Все металлы разделяются на несколько групп, о чем далее поговорим подробнее.

Основные критерии,  устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
2. Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
3. Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
4. Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
5. Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
6. Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
7. Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
8. Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
9. В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Классификация сталей по свариваемости

Хорошей обрабатываемостью обладают сплавы, в которых при нагреве не образуются трещины. По данной характеристике выделяют четыре основных группы:

1. Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
2. Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
3. Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
4. Плохая податливость сварке не позволяет проводить рассматриваемую обработку, так как после получения шва могут появится трещины. Именно поэтому подобные материалы не могут использоваться для получения ответственных элементов.

Каждая группа характеризуется своими определенными особенностями, которые нужно учитывать. Сталь 20 относится к первой группе, в то время как распространенная сталь 45 обладает низкой податливостью к сварке.

Группы свариваемости

Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:

1. Первая группа, которая характеризуется хорошей свариваемостью, может применяться при сварке без предварительного подогрева и последующей термической обработки шва. Отпуск выполняется для снижения напряжения в металле. Как правило, подобное свойство связано с низкой концентрацией углерода.
2. Вторая характеризуется тем, что склонна к образованию трещин и дефектов на швах. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев материала, а также последующую термическую обработку для снижения напряжений.
3. При ограниченном показателе сталь склонна к образованию трещин. Для того чтобы исключить вероятность появления трещин следует материал предварительно разогреть, после сварки в обязательном порядке проводится термообработка.
4. Последняя группа характеризуется тем, что в большинстве случаев на швах образуются трещины. При этом предварительный разогрев структуры не во многом решает проблему. После сварки обязательно проводится многоступенчатое улучшение.

Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.

Как влияют на свариваемость легирующие примеси

Как ранее было отмечено, включение в состав большого количества легирующих элементов приводит к изменению основных характеристик. При этом отметим следующие моменты:

1. При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
2. Некоторые химические вещества могут повысить рассматриваемый показатель, другие ухудшить.

Именно поэтому при выборе легированного сплава уделяется внимание не только типу легирующих элементов, но и их концентрации. Принятые стандарты ГОСТ определяют то, что при маркировке могут указывать основные химические вещества и их количество в составе.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Во многом именно углерод определяет основные эксплуатационные характеристики сплава. Слишком высокая концентрация подобного химического вещества приводит к повышению твердости и прочности, но также и хрупкости. Кроме этого, в несколько раз снижается степень свариваемости. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
2. Слишком большое количество углерода в составе приводит к тому, что металл после термического воздействия начинает менять свою структуру, за счет чего появляются трещины.

Стоит учитывать, что проводимая химикотермическая процедура может привести к снижению податливости к рассматриваемому способу соединения. Именно поэтому улучшение сплава проводится после создания конструкции путем обработки шва.

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые сплавы хорошо подаются свариванию. При этом можно отметить следующие моменты:

1. В подобных сплава концентрация углерода менее 0,25%. Этот показатель свойственен сплавам, которые имеют повышенную гибкость и относительно невысокую твердость поверхностного слоя. Кроме этого, снижается значение хрупкости. Поэтому низкоуглеродистые стали часто используют при создании листовых заготовок. При добавлении небольшого количество легирующих элементов может быть повышена коррозионная стойкость.
2. Для повышения основных характеристик в состав могут добавлять различные легированные элементы, но в небольшом количестве. Примером можно назвать марганец и никель, а также титан.

Как правило, подобные металлы не нужно перед обработкой подвергать подогреву, а после проведения процедура закалка или отпуск выполняется только для при необходимости.

Свариваемость закаленной стали

Распространенной термической обработкой можно назвать закалку. Она предусматривает воздействие высокой температуры, которая может изменить структуру материала. После охлаждения происходит перестроение структуры, за счет чего происходит упрочнение структуры и повышение твердости поверхностного слоя. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

1. Закалка предусматривает увеличение концентрации углерода в поверхностном слое. Именно поэтому степень свариваемости существенно снижается.
2. Подогрев заготовки проводится для того, чтобы упростить проводимую работу. Для этого может использоваться газовая грелка или иной источник тепла.

Закаленная сталь сложна в обработке. Кроме этого, если ранее не проводился отпуск в структуре может быть переизбыток напряжения, что и приводит к появлению трещин.

Повторная обработка швов может не привести к повышению их прочности.

В заключение отметим, что хорошей податливость сварке обладают металлы из различных групп. Примером можно назвать некоторые нержавейки, которые даже после воздействия тепла обладают коррозионной устойчивостью. Именно поэтому для сварочных работ рекомендуется выбирать материал, который характеризуется хорошей обрабатываемостью.

Сталь – это основной конструкционный материал. Он представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием различных примесей. Все компоненты, входящие в ее состав, оказывают влияние на свойства слитка. Одной из технологических характеристик металлов является способность образовывать качественные сварные соединения.

Факторы, определяющие свариваемость стали

Оценка свариваемости стали производится по значению основного показателя – углеродного эквивалента Сэкв. Это условный коэффициент, учитывающий степень влияния содержания карбона и основных легирующих элементов на характеристики шва.

На свариваемость сталей влияют следующие факторы:

1. Содержание углерода.
2. Наличие вредных примесей.
3. Степень легирования.
4. Вид микроструктуры.
5. Условия внешней среды.
6. Толщина металла.

Наиболее информативным параметром является химический состав.

Распределение сталей по группам свариваемости

С учетом всех перечисленных факторов, свариваемость стали имеет различные характеристики.

Классификация сталей по свариваемости.

• Хорошая (при значении Сэкв≥0,25%): для низкоуглеродистых стальных деталей; не зависит от толщины изделия, погодных условий, наличия подготовительных работ.
• Удовлетворительная (0,25%≤Сэкв≤0,35%): присутствуют ограничения к условиям окружающей среды и диаметру свариваемой конструкции (температура воздуха до -5, в безветренную погоду, толщина до 20 мм).
• Ограниченная (0,35%≤Сэкв≤0,45%): для образования качественного шва необходим предыдущий подогрев. Он способствует «плавным» аустенитным преобразованиям, формированию устойчивых структур (ферритно-перлитные, бейнитные).
• Плохая (Сэкв≥0,45%): формирование механически стабильного сварного соединения невозможно без предыдущей температурной подготовки кромок металла, а также последующей термической обработки сваренной конструкции. Для образования нужной микроструктуры необходимы дополнительные подогревы и плавные охлаждения.

Группы свариваемости сталей позволяют легко ориентироваться в технологических особенностях сварки конкретных марок железоуглеродистых сплавов.

Термическая обработка

В зависимости от группы свариваемости сталей и соответствующих технологических особенностей, характеристики сварного соединения можно корректировать с помощью последовательных температурных влияний. Выделяют 4 основных способа термообработки: закаливание, отпуск, отжиг и нормализация.

Наиболее распространенными являются закалка и отпуск для твердости и одновременной прочности сварного шва, снятия напряжения, предупреждения трещинообразования. Степень отпуска зависит от материала и желаемых свойств.

Термообработка металлических конструкций при проведении подготовительных работ производится:

• отжигом – для снятия напряжений внутри металла, обеспечения его мягкости и податливости;
• предыдущим подогревом с целью минимизации перепада температур.

Рациональное управление температурными влияниеми позволяет:

• подготовить деталь к работам (снять все внутренние напряжения путем измельчения зерен);
• снизить перепады температур на холодный металл;
• улучшить качество сварного объекта путем термической коррекции микроструктуры.

Корекция свойств путем перепадов температур может носить местный или общий характер. Подогрев кромок осуществляется с помощью газового или электродугового оборудования. Для нагрева всей детали и плавного охлаждения используются специальные печи.

Влияние микроструктуры на свойства

Суть процессов термической обработки основывается на структурных превращениях внутри слитка и их влиянии на затвердевший металл. Так, при нагревании до температуры 727 ˚C он являет собой смешанную зернистую аустенитную структуру. Способ охлаждения определяет варианты превращения:

1. Внутри печи (скорость 1˚С/мин) – образуются перлитные структуры с твердостью около 200 НВ (твердость по Бринеллю).
2. На воздухе (10˚С/мин) – сорбит (феррито-перлитные зерна), твердость 300 НВ.
3. Маслом (100˚С/мин) – троостит (феррито-цементитная микроструктура), 400 НВ.
4. Водой (1000˚С/мин) – мартенсит: твердая (600 НВ), но хрупкая игольчатая структура.

Сварочное соединение должно обладать достаточной твердостью, прочностью, качественными показателями пластичности, поэтому мартенситные характеристики шва не приемлемы. Низкоуглеродистые сплавы обладают ферритной, феррито-перлитной, феррито-аустенитной структурой. Среднеуглеродистые и среднелегированные стали – перлитной. Высокоуглеродистые и высоколегированные – мартенситной или трооститной, которую важно привести к феррито-аустенитному виду.

Сварка низкоуглеродистых сталей

Свариваемость углеродистых сталей определяется количеством карбона и примесей. Они способны выгорать, превращаясь в газообразные формы и придавая низкокачественному шву пористости. Сера и фосфор могут концентрироваться по краям зерен, повышая хрупкость конструкции. Сварка наиболее упрощена, тем не менее, требует индивидуального подхода.

Углеродистая сталь обычного качества подразделяется на три группы: А, Б и В. Сварочные работы проводятся с металлом группы В.

Свариваемость марок стали ВСт1 — ВСт4, в соответствии с ГОСТ 380-94, характеризуется отсутствием ограничений и дополнительных требований. Сварка деталей диаметром до 40 мм происходит без подогрева. Возможные индикаторы в марках: Г – повышенное содержание марганца; кп, пс, сп – «кипящая», «полуспокойная», «спокойная» соответственно.

Низкоуглеродистая качественная сталь представлена марками с обозначением сотых долей углерода, указанием степени раскисления и содержания марганца (ГОСТ 1050-88): сталь 10 (также 10кп, 10пс, 10Г), 15 (также 15кп, 15пс, 15Г), 20 (также 20кп, 20пс, 20Г).

Для обеспечения качественного шва необходимо проводить процесс насыщения сварочной ванны углеродом C и марганцем Mn.

Способы сварочных работ:

1. Ручная дуговая с использованием специальных, изначально прокаленных электродов, диаметром от 2 до 5 мм. Типы: Э38 (для средней прочности), Э42, Э46 (для хорошей прочности до 420 МПа), Э42А, Э46А (для высокой прочности сложных конструкций и их работы в особых условиях). Сваривание стержнями ОММ-5 и УОНИ 13/45 совершается под действием постоянного тока. Работы с помощью электродов ЦМ-7, ОМА-2, СМ-11 проводятся током любой характеристики.
2. Газовая сварка. Чаще всего нежелательна, но возможна. Проводится с использованием присадочной проволоки Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-08ГС. Тонкий низкоуглеродистый металл (d 8мм) сваривается левым способом, толстый (d 8мм) – правым. Недостатки свойств шва возможно убрать посредством нормализации или отжига.

Сварку низкоуглеродистых сталей выполняют без дополнительного подогрева. Для деталей простой формы ограничения отсутствуют. Объемные и решетчатые конструкции важно защищать от ветра. Сложные объекты желательно сваривать в условиях цеха при температуре не ниже 5˚С.

Таким образом, для марок ВСт1 — ВСт4, сталь 10 — сталь 20 – свариваемость хорошая, практически без ограничений, требующая стандартного индивидуального подбора способа сварки, типа электрода и характеристик тока.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные стали

Насыщенность сплава углеродом снижает его способность к образованию хороших соединений. В процессе температурных воздействий дуги или газового пламени сера аккумулируется по краям зерен, приводя к красноломкости, фосфор – к хладноломкости. Чаще всего сваривают материалы, легированные марганцем.

Сюда относятся конструкционные стали обычного качества ВСт4, ВСт5 (ГОСТ 380-94), качественные 25, 25Г, 30, 30Г, 35, 35Г, 40, 45Г (ГОСТт 1050-88) разного металлургического производства.

Суть работы заключается в снижении количества карбона в сварочной ванне, насыщении металла в ней силицием и марганцем, обеспечении оптимальной технологии. При этом важно не допустить чрезмерных потерь углерода, что может привести к дестабилизации механических свойств.

Особенности сварочных работ со сталями среднего и высокого содержания углерода:

1. Изначальный подогрев кромок до 100-200˚С на ширину до 150 мм. Только марки ВСт4 и сталь 25 свариваются без дополнительного нагрева. Для среднеуглеродистых, обладающих удовлетворительной свариваемостью, перед началом выполнения работ производится полноценная нормализация. Для высокоуглеродистых необходим подготовительный отжиг.
2. Дуговая сварка осуществляется покрытыми прокаленными электродами, размером от 3 до 6 мм (ОЗС-2, УОНИ-13/55, АНО-7), под постоянным током. возможна работа в среде флюса или защитных газов (СО2, аргон).
3. Газовая сварка производится науглероживающим пламенем, левым способом, с предыдущим подогревом до температуры 200˚С, при равномерной низкой мощности подачи ацетилена.
4. Обязательная термическая обработка деталей: закалка и отпуск либо отдельный отпуск с целью минимизации внутренних напряжений, предупреждения образования трещин, смягчения закаленных мартенситных и трооститных структур.
5. Контактная точечная сварка выполняется без ограничения.

Таким образом, средне- и высокоуглеродистые конструкционные стали свариваются практически без ограничений, при внешней температуре не ниже 5˚С. При более низких температурах обязателен изначальный подогрев и высококачественная термическая обработка.

Сварка низколегированных сталей

Легированные стали – это стали, которые во время плавки насыщаются различными металлами с целью получения заданных свойств. Практически все из них положительно влияют на твердость и прочность. Хром и никель входят в состав жаропрочных и нержавеющих сплавов. Ванадий и кремний придают упругость, используются как материал для изготовления пружин и рессор. Молибден, марганец, титан повышают износостойкость, вольфрам – красностойкость. При этом, положительно влияя на свойства деталей, они ухудшают свариваемость стали. Кроме того, повышают степень закаливания и формирования мартенситных структур, внутренние напряжения и риски образования трещин в швах.

Свариваемость легированных сталей определяется также их химическим составом.

Низколегированные малоуглеродистые 2ГС, 14Г2, 15Г, 20Г(гост 4543-71), 15ХСНД, 16Г2АФ (ГОСТ 19281-89) относятся к хорошо свариваемым. В стандартных условиях не требуют дополнительного подогрева и термообработки по завершении процессов. При этом все же некоторые ограничения существуют:

• Узкий диапазон допустимых тепловых режимов.
• Работы проводить при температуре не ниже -10˚С (в условиях более низких атмосферных температур, но не ниже -25˚С, применять предварительный подогрев до 200˚С).

Возможные способы:

• Электродуговая сварка с силой постоянного тока 40 до 50 А, электродами Э55, Э50А, Э44А.
• Автоматическая сварка электрической дугой под флюсом с использованием присадочной проволоки Св-08ГА, Св-10ГА.

Свариваемость стали 09Г2С, 10Г2С1 также хорошая, требования и возможные способы выполнения те же, что и для сплавов 12ГС, 14Г2, 15Г, 20Г, 15ХСНД, 16Г2АФ. Важной характеристикой сплавов 09Г2С, 10Г2С1 является отсутствие необходимости подготовки кромок для деталей диаметром до 4 см.

Сварка среднелегированных сталей

Среднелегированные стали 20ХГСА, 25ХГСА, 35ХГСА (гост 4543-71) производят более значительное сопротивление формированию ненапряженных швов. Они относятся к группе с удовлетворительной свариваемостью. Требуют предварительного подогрева до температур 150-200˚С, выполнения многослойных швов, закалки и отпуска по завершении сварочных работ. Варианты выполнения:

• Сила тока и диаметр электрода при сваривании электрической дугой выбирается строго в зависимости от толщины металла, с учетом того, что более тонкие кромки сильнее подвергаются закалке во время работ. Так при диаметре изделия 2-3 мм значение тока должно быть в пределах 50-90 А. При толщине кромок 7-10 мм сила постоянного тока обратной полярности увеличивается до 200 А с использованием электродов 4-6мм. Используются стержни с целлюлозными или фтористо-кальциевыми защитными покрытиями (Св-18ХГСА, Св-18ХМА).
• При работе в среде защитного газа СО2 необходимо использовать проволоку Св-08Г2С, Св-10Г2, Св-10ГСМТ, Св-08Х3Г2СМ диаметром до 2 мм.

Часто для этих материалов применяют аргонодуговой способ или сварку под флюсом.

Теплоустойчивые и высокопрочные стали

Сварочные работы с теплоустойчивыми железоуглеродистыми сплавами 12МХ, 12Х1М1Ф, 25Х2М1Ф, 15Х5ВФ необходимо проводить с предварительным подогревом до температур 300-450˚С, с завершающей закалкой и высоким отпуском.

• Электродуговая сварка каскадным способом оформления многослойного шва, с использованием прокаленных покрытых электродов УОНИИ 13/45МХ, ТМЛ-3, ЦЛ-30-63, ЦЛ-39.
• Газовая сварка с подачей ацетилена 100 дм3/мм с использованием присадочных материалов Св-08ХМФА, Св-18ХМА. Соединение труб выполняется с предыдущим газовым подогревом всего стыка.

При сварке среднелегированных высокопрочных материалов 14Х2ГМ, 14Х2ГМРБ важно руководствоваться теми же правилами, что и для теплоустойчивых сталей, с учетом некоторых нюансов:

• Тщательная зачистка кромок и использование прихваток.
• Высокотемпературное прокаливание электрода (до 450˚С).
• Предварительный подогрев до 150˚С для деталей толщиной больше 2 см.
• Медленное охлаждение шва.

Высоколегированные стали

Применение особой технологии необходимо при сваривании высоколегированных сталей. К ним относится огромный диапазон нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сплавов, некоторые из них: 09Х16Н4Б, 15Х12ВНМФ, 10Х13СЮ, 08Х17Н5МЗ, 08Х18Г8Н2Т, 03Х16Н15МЗБ, 15Х17Г14А9. Свариваемость сталей (ГОСТ 5632-72) относится к 4-й группе.

Характеристика свариваемости стали высокоуглеродистой высоколегированной:

1. Необходимо снижение силы тока в среднем на 10-20 % в связи с их низкой теплопроводностью.
2. Сварка должна проводиться с зазором, электродами размером до 2 мм.
3. Снижение содержания фосфора, свинца, серы, сурьми, увеличение численного наличия молибдена, ванадия, вольфрама посредством использования специальных покрытых стержней.
4. Необходимость формирования смешанной микроструктуры шва (аустенит + феррит). Это обеспечивает пластичность наплавленного металла и минимизацию внутренних напряжений.
5. Обязательный подогрев кромок накануне сварочных работ. Температура выбирается в интервале от 100 до 300˚С, в зависимости от микроструктуры конструкций.
6. Выбор покрытых электродов при дуговой сварке определяется типом зерен, свойствами и условиями работы деталей:для аустенитной стали 12Х18Н9: УОНИИ 13/НЖ, ОЗЛ-7, ОЗЛ-14 с покрытиями Св-06Х19Н9Т, Св-02Х19Н9; для мартенситной стали 20Х17Н2: УОНИИ 10Х17Т, АН-В-10 с покрытием Св-08Х17Т; для аустенитно-ферритной стали 12Х21Н5Т: ЦЛ-33 с покрытием Св-08Х11В2МФ.
7. При газовой сварке подача ацетилена должна соответствовать значению 70-75 дм3/мм, используемая присадочная проволока – Св-02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б.
8. Возможны работы под флюсом с использованием НЖ-8.

Свариваемость стали – относительный параметр. Он зависит от химического состава металла, его микроструктуры и физических свойств. При этом способность образовывать качественные соединения может корректироваться с помощью продуманного технологического подхода, специального оборудования и условий выполнения работ.