Свариваемость сталей 

Одним из ключевых показателей, определяющих выбор сталей для производства деталей и элементов металлоконструкций является свариваемость. Она позволяет оценить возможность выполнения сварных соединений, спрогнозировать степень их надежности и долговечности. Рассмотрим понятие свариваемости, от чего она зависит, и как определяется, какие проблемы могут возникать при сваривании сталей разных марок.

Что такое свариваемость сталей

Свариваемость стали ― это характеристика, ее способность формировать прочное и стабильное соединение в области шва. Она определяется в соответствии с положениями ГОСТ 2601.

При оценке свариваемости учитывают такие основные свойства сплава:

• реакция металла на воздействие высокой температуры при проведении сварки;
• предрасположенность стали к увеличению зерна, при котором сохраняются показатели пластичности и прочности;
• особенности изменения металлической структуры в зоне термического воздействия;
• особенности окисляемости и химическая активность свариваемого металла;
• сопротивляемость стали трещинообразованию и образованию пор при сварке и в охлажденном состоянии.

Выделяют свариваемость физическую и технологическую. Под физической свариваемостью способность стали образовывать монолитное устойчивое соединение в зоне сварного шва. Технологической свариваемостью называют способность материала обеспечить качественное сварное соединение, отвечающее требуемым заданным параметрам для эксплуатации.

Свариваемость сталей имеет большое значение в разных отраслях промышленности, производстве металлоконструкций, строительстве, в других сферах, где применяются сварные соединения. Основные направления, на которые она оказывает непосредственное влияние:

• Выбор конструкционных материалов, используемых для изготовления элементов сварных конструкций и деталей.
• Разработка и определение оптимальной технологии сварки при ведении монтажных и сборочных работ.
• Достижение высокого качества сварных соединений с требуемыми прочностными параметрами и специальными свойствами.
• Определение конкретных областей и условий использования определенных марок стали в свариваемых конструкциях и металлоизделиях.

Высокие показатели технологической свариваемости стали также определяют экономическую эффективность сварки.

Факторы, влияющие на свариваемость сталей

Свариваемость стали зависит от комплекса факторов. Основными из них являются:

• Химический состав сплава. Увеличение доли углерода в сплаве повышает его твердость, уменьшает пластичность. Это ухудшает свариваемость, повышает риск трещинообразования при ведении сварочных работ. Также на свариваемость влияют легирующие элементы. Никель, хром, молибден повышают прочностные качества сплава, но ухудшают свариваемость. Введение в состав марганца, наоборот, улучшает свариваемость, предупреждая образование горячих трещин. Фосфор и сера могут значительно ухудшать свариваемость за счет повышения хрупкости сварного шва.
• Структура стали. Суть сварочного процесса связана с преобразованием микроструктуры металла под воздействием высокой температуры. Поэтому первоначальная структура является одним из основных факторов, определяющих свариваемость. Не допускаются мартенситные характеристики шва, поскольку соединение должно обеспечивать достаточную прочность, твердость, пластичность. Низкоуглеродистые стали имеют ферритную, феррито-аустенитную, феррито-перлитную структуру. Среднеуглеродистые марки и среднелегированные стали обладают перлитной структурой. Высоколегированные стали и сплавы со значительным содержанием углерода имеют мартенситную и трооститную структуру, которую необходимо преобразовать в феррито-аустенитную.
• Технологические параметры сварки. На свариваемость стали могут влиять параметры сварочного процесса. В том числе качество соединения непосредственно зависит от температуры и скорости сварки, вида используемых электродов, наличие и состав защитной атмосферы и т.д. Влияние этих технологических параметров важно рассматривать совместно с влиянием состава и структуры сплава.
• Используемые сварные процессы. Сварка может выполняться разными методами, в том числе дуговым, плазменным, лазерным и т.д. Технологию важно выбирать с учетом характеристик свариваемых сплавов и условий ведения работ. Это обеспечит улучшение свариваемости.

Как производится оценка свариваемости

В соответствии с положениями ГОСТ свариваемость оценивается по ряду числовых показателей. На их основе сталь относится к определенной группе по свариваемости.

Проведение расчета свариваемости

Для оценки свариваемости рассчитывают несколько основных показателей, в том числе углеродный эквивалент, твердость в зоне термического влияния, чувствительность к образованию холодных трещин.

Углеродный коэффициент

Углеродный коэффициент ― основной показатель, позволяющий оценить влияние состава стали на ее свариваемость. В соответствии с ГОСТ 27772-88 он рассчитывается по следующей формуле:

Сэ = С + (Р/2) + (Сг/5) + (Mn/6) + (Cu/13) + (V/14) + (Si/24) + (Ni/40).

В Японии применяют следующую формулу:

Сэ = С + (Мо/4) + (Сг/5) + ( Mn/6) + (Si/24) + (Ni/40).

По европейским стандартам этот показатель рассчитывается по формуле:

Сэ = С + (Мп/6) + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni+Cu)/15

где:

• Сэ ― углеродный эквивалент;
• С, P, Cr, Mn, Cu, V, Si, Ni, Мо — массовые процентные доли соответственно углерода, и соответствующих легирующих элементов.

Лучшую свариваемость демонстрируют марки стали с невысоким углеродным коэффициентом ― не более 0,45 %. При его увеличении повышаются риски трещинообразования.

Твердость зоны термического влияния

Еще один важный параметр для оценки свариваемости ― твердость зоны термического влияния ЗТВ). Это участок металлической детали, расположенный непосредственно в области шва. В этой зоне меняется металлическая структура, что может делать материал более хрупким.

Для определения твердости ЗТВ используется метод Виккерса. Значении показателя в диапазоне от 350 до 400 единиц по HV-шкале свидетельствует о повышенном риске трещинообразования.

Чувствительность к образованию холодных трещин

Образование холодных трещин связано с воздействием остаточных растягивающих напряжений. Их уровень зависит от толщины шва и жесткости стали. Оценить ее позволяет коэффициент интенсивности жесткости, рассчитываемый по формуле:

К = Kq*S, где

• Kq ― постоянная величина, равная 69;
• S ― толщина листа стали. Формула справедлива только при толщине до 150 мм.

Для определения склонности стали к образованию холодных трещин используется следующая формула:

Pw = Рш + (Н/60) + 0,25*К/105, где

• Рш — коэффициент, характеризующий переход металла из вязкого в хрупкое состояние, зависит от состава сплава;
• Н — доля диффузионного водорода;
• К — коэффициент интенсивности жесткости.

Чувствительность стали к образованию холодных трещин наступает при значении коэффициента Pw более 0,286.

Классификация свариваемости

Стали в зависимости от характеристик свариваемости классифицируют на четыре категории:

• Хорошо свариваемые. При термической обработке металл сохраняет высокую прочность. Сварной шов выдерживает значительные механические нагрузки. Сварку можно выполнять без предварительного нагрева металла.
• Удовлетворительно свариваемые. При сварке не образуются трещины. Однако в некоторых случаях требуется предварительный нагрев металла и последующая термическая обработка.
• Ограниченно свариваемые. Качественный шов без образования трещин может достигаться только при предварительной и последующей термообработке металла.
• Плохо свариваемые. К этой группе относятся стали, которые не могут быть соединены качественным швом без образования трещин. При сварке необходим постоянный нагрев, однако и это не обеспечивает необходимой прочности шва. Плохо свариваемые стали не используют для сборки ответственных конструкций со сварными соединениями.

Кроме этого, в зависимости от свариваемости стали классифицируют на 4 группы, представленные в таблице:

Марки стали с минимальным содержанием углерода. Такой состав позволяет получать качественные соединения без термообработки.

Особенности сварки разных типов

Стали разных типов по составу и структуре имеют разную свариваемость. Это определяет особенности выполнения сварочных работ с такими металлами.

Углеродистые стали

При сварке углеродистых сталей соединяемые детали при помощи специальных фиксаторов закрепляют так, чтобы обеспечить положение шва «на весу». При большой толщине соединяемых деталей сварка выполняется в несколько подходов. Важным требованием является, чтобы прочность шва и окружающей его зоны была максимально приближена к прочности основного металла.

Особенности сварки зависят от концентрации углерода в составе сплава:

• Низкоуглеродистые стали. Сварка может выполняться любыми способами. Предъявляются минимальные требования к подготовке сварщика.
• Среднеуглеродистые стали. Уровни прочности шва и основного металла могут существенно отличаться. Часто может наблюдаться растрескивание по краям шва. Возможно образование зон повышенной хрупкости. Чтобы устранить эту проблему, сварку рекомендуется проводить электродами из низкоуглеродистой стали.
• Высокоуглеродистые стали. Сварка может быть связана со значительными затруднениями. Это требует особых технологических решений. Например, сваривание может выполняться ацетиленовыми горелками значительной мощности. При этом расход ацетилена достигает 75-90 дм³/ч.

Легированные стали

Легированные стали насыщаются легирующими элементами, такими как никель, хром, кремний, ванадий, марганец, молибден, титан, вольфрам и другие. Легирование в большинстве случаев увеличивает прочность и твердость сплава. Однако при этом ухудшается свариваемость. Увеличиваются внутренние напряжения на швах, что повышает риск образования трещин.

Большинство низколегированных малоуглеродистых сталей свариваются достаточно хорошо. Однако для многих из них есть ограничения по допустимому диапазону тепловых режимов. Для большинства низколегированных сплавов сварочные работы рекомендуется проводить при температуре не ниже -10 °C. При необходимости ведения сварки при более низкой температуре (но не ниже -25 °C) используют предварительный прогрев до температуры 200 °C.

Среднелегированные стали относятся к группе сплавов с удовлетворительной свариваемостью. Для них обязательно применяется предварительный прогрев до температуры 150-200 °C. Для получения устойчивого соединения используют многослойные швы, выполняют закалку и отпуск. Сварку теплоустойчивых сплавов проводят при предварительном нагреве до 300-450 °C.

Высоколегированные стали относятся к IV группе свариваемости. Это требует особого технологического режима ведения сварочных работ. Обязательно применяют прогрев до температуры 100-300 °C в зависимости от микроструктуры металла. Силу тока снижают на 10-20 %, что связано с низкой теплопроводностью таких сплавов. Для работы используют специальные электроды, позволяющие формировать смешанную микроструктур шва, включающую аустенит и феррит.

Нержавеющие стали

В составе нержавеющих сталей присутствуют никель и хром. При их сваривании могут возникать дополнительные сложности. В частности, при нагреве нержавейки до температуры 500 °C увеличивается риск окисления металла в зоне шва. Поэтому для создания надежных соединений рекомендуется использование технологи аргонодуговой сварки или технологи TIG. Эти методы исключают доступ кислорода в рабочую зону, что предотвращает окисление металла.

Аустенитные стали

Аустенитная структура характерна для хромоникелевых сталей. Она придает металлу высокую устойчивость к агрессивным средам и термическому воздействию, но при этом ухудшает свариваемость.

Для сварки аустенитных сталей применяют материалы с малым содержанием углерода. Это предупреждает появление межкристаллической коррозии в зоне шва и предотвращает трещинообразование.

Инструментальные стали

Инструментальные стали обладают повышенной стойкостью к механическим нагрузкам и высокой твердостью. При их сваривании предъявляются повышенные требования к однородности и прочности швов. Для сварки инструментальных сплавов применяют специальные электроды УОНИ-13/НЖ/20Ж13. Сваривание сплавов с повышенным содержанием углерода требует подбора электродов под конкретную марку стали.

Проблемы и дефекты при сварке сталей

При сварке сталей разных типов и марок чаще всего приходится сталкиваться с такими характерными проблемами:

• Трещинообразование. Трещины в зоне шва могут появляться в результате повышенной твердости металла, нарушения режима охлаждения. Для предотвращения трещинообразования применяют предварительный нагрев металла, используют особые добавочные материалы.
• Деформация. Возникает из-за нарушения режима нагрева и охлаждения металла. Для защиты от деформации важно соблюдать технологию сварки. Также применяют дополнительные приспособления для фиксации деталей.
• Уменьшение прочности шва. Чаще всего связано с некорректным выбором технологии и режима сварки. Важно подбирать оптимальные значения напряжения и тока, скорости сварки.
• Снижение коррозионной устойчивости. Обычно возникает при сваривании сталей с аустенитной структурой. Для предотвращения окисления рекомендуется выполнять сварку в среде защитного газа.

Также при сваривании сталей могут образовываться поры. Это связано с загрязнением и присутствием влаги на металле. Поэтому перед сварочными работами необходимо тщательно подготавливать поверхность. Также для защиты от образования пор нужно использовать сухие электроды.

Способы повышения свариваемости

Улучшить свариваемость стали позволяет применение ряда мер, в том числе:

• Использование модифицирующих добавок. Применяют специальные электроды, покрытие которых содержит химические добавки, улучшающие свариваемость.
• Подбор оптимальных параметров сварки. В зависимости от марки свариваемых сталей подбирают значения тока и напряжения, скорости сварки. При необходимости используется защитная атмосфера для предотвращения окисления.
• Предварительный и последующий нагрев металла. Нагревание металла до заданной температуры позволяет снизить напряжения, возникающие в зоне шва и предотвратить образование трещин.

Современные технологии сварки при строгом соблюдении рекомендованных параметров позволяют получать прочные и надежные соединения даже для сложно свариваемых марок стали.