Влияние углерода на свариваемость стали

Свариваемость сталей

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.

Классификация сталей по свариваемости

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.

Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей

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.

Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов

Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов

При сварке металлов, имеющих различные легирующие элементы (Молибден, Кремний, Хром и др.) могут возникать различные проблемы, влияющие непосредственно на качество полученного сварного соединения (трещины, поры, непровары и т.д.). Для того, чтобы избежать трудностей и проблем, необходимо очень хорошо знать, как влияет тот или иной легирующий элемент на свариваемость изделия.

Знание влияния легирующих элементов на свариваемость различных сталей поспособствует лучшему пониманию процессов сварки.

Углерод
Один из самых значительных химических элементов в сталях.
Содержание углерода в сталях влияет на прочность, закаливаемость, вязкость, свариваемость.
У низкоуглеродистых сталей (углерода менее 0,25%) свариваемость практически не ухудшается.
При увеличении содержания углерода свариваемость резко ухудшается, так как в зонах ЗТВ (зонах термического влияния) возникает большое количество закалочных структур, которые вызывают трещины.

При высоком содержании углерода в присадочном материале увеличивается вероятность образования пор.

Марганец
Марганец является хорошим раскислителем. Электроды или проволоку необходимо применять при сварке в среде СО2. При содержании марганца в металле до 0,8 %, процесс сварки не усложняется. При увеличении содержания стали в металле (1,8%-2,5%) появляется опасность возникновения ХТ (холодных трещин), т.к. марганец способствует появлению хрупких структур (закалочных). При повышенном содержании марганца (11-16%) во время сварки происходит интенсивное выгорание данного вещества. Следовательно, необходимо применять специальные меры, например, использовать сварочные материалы с бОльшим содержанием марганца.

Кремний
Так же как и марганец является хорошим раскислителем. При малом количестве кремний (до 0,03%) на свариваемость не влияет. При содержании кремния 0,8-1,5% свариваемость ухудшается из-за повышенной жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния. При повышенном содержании кремния, из-за увеличенной жидкотекучести особенно опасно появление горячих трещин.

Хром
Содержание хрома в сталях способствует увеличению коррозионной стойкости. Но, при сварке сталей образуются карбиды хрома, которые увеличивают твердость в ЗТВ (зоне термического влияния). Также образуются тугоплавкие окислы, которые затрудняют процесс сварки, а значит ухудшают свариваемость.

Никель
Содержание никеля в сталях способствует увеличению ударной вязкости, которая особенно важная при работе сталей при низких температурах. Также никель способствует увеличению пластичности, прочности стали и измельчению зерна. При этом свариваемость стали не ухудшается. Но, из-за высокой цены данного легирующего элемента, применение ограничено экономическими соображениями.

Молибден
Содержание молибдена в сталях увеличивает несущую способность при высоких температурах и ударных нагрузках, измельчает зерно.
С другой стороны, молибден способствует образованию трещин в ЗТВ и наплавленном металле шва.
Во время сварке окисляется и выгорает. Следовательно, необходимо использовать специальные меры.

Вольфрам
Содержание вольфрама в сталях резко увеличивает твердость стали и ее работоспособность при высоких температурах (красностойкость).
С другой стороны, вольфрам затрудняет процесс сварки и активно окисляется.

Ванадий
Содержание ванадия в сталях резко увеличивает закаливаемость стали. Из-за закаливаемости, а также из-за окисления ванадия и его выгорания, ухудшается свариваемость сталей.

Титан
Использование титана как легирующий элемент обусловлено его высокой коррозионной стойкостью.

Ниобий
Использование ниобия, аналогично титану, обусловлено его высокой коррозионной стойкостью. При сварке сталей ниобий способствует образованию горячих трещин.

Влияние химического состава на свариваемость арматурной стали

Арматурой принято называть металлические и неметаллические стержни различного сечения и формы, а также канаты и пряди, используемые для армирования железобетонных конструкций.

Арматурный каркас, благодаря своей рифлёной поверхности, надёжно удерживает бетон. За счёт этого объекты, построенные по технологии монолитного бетонирования, отличаются прочностью. К таковым относятся не только здания гражданского и промышленного назначения, но и стратегически важные объекты, такие как дамбы, мосты, плотины, здания аэропортов. Наиболее распространенной арматурой на сегодняшний день является А500С — это класс горячекатаной термомеханически упрочненной арматурной стали, изготавливаемой по СТО АСЧМ 7-93 или ГОСТ Р 52544-2006.

Первые пробные партии арматуры А500С были изготовлены на Западно-Сибирском комбинате в 1993 году. Новая марка стали изготавливалась по СТО АСЧМ 7-93 (стандарт ассоциации предприятий и организаций по стандартизации продукции чёрной металлургии — «Черметстандарт») и не имела аналогов по ГОСТ 5781-82. По мере накопления положительного опыта арматура А500С стала применяться наряду и взамен арматуры класса А3 (А400).

В 2006 году появился государственный стандарт (ГОСТ Р 52544) на термомеханически упрочненную арматурную сталь класса А500С (горячекатаную) и В500С (холоднокатаную).

Арматура А500С имеет ряд преимуществ перед арматурой А400. Арматура А500С изготавливается из дешевой (по сравнению с арматурой А3) углеродистой стали без использования легирующих элементов, что позволило снизить стоимость такой арматуры.

За счёт термомеханического упрочнения арматура А500С имеет повышенный предел текучести не менее 500 Н/мм2, что увеличивает прочность и гибкость одновременно.

Арматура А500С обладает повышенной по сравнению с арматурой А3 (А400) свариваемостью, что позволяет использовать дуговую сварку.

Арматура А500С имеет химический состав, определяемый содержанием углерода в стали не более 0,22 % и углеродным эквивалентом не более 0,5 %.

Производство арматуры А500С происходит из стали марок Ст3СП, Ст3ПС и Ст3ГПС. Нормированный показатель текучести для такой стали превышает 500 МПа, согласно СТО АСЧМ 7-93.

Арматура, термически упрочненная имеет куда более совершенные показатели пластичности и хладостойкости, чем марка 35ГС. Минимизация использования, а лучше полный отказ от использования стали 35ГС как увеличит прочность и надежность конструкций, так и обеспечит безопасность при строительстве.

Характеристики стали Ст3СП, Ст3ПС обеспечивают хорошую свариваемость.

Пожалуй, наиболее значимое преимущество использования арматуры А500С – это допуск на сварку с помощью электродуговых сварочных устройств. Именно буква «С» в обозначении класса арматуры говорит о возможности её сваривания.

Свариваемость стали зависит от ее химического состава и в первую очередь от содержания в ней углерода. По содержанию углерода стали разделяют на следующие группы: малоуглеродистые, содержащие от 0,05 до 0,25% углерода; среднеуглеродистые, содержащие от 0,25 до 0,6% углерода; высокоуглеродистые, содержащие свыше 0,6% углерода.

Малоуглеродистые, а также среднеуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,35% свариваются очень хорошо. Чем выше содержание углерода, тем хуже сваривается сталь обычным методом. При содержании углерода свыше 0,35% сталь склонна давать трещины при сварке и требует применения подогрева и спе­циальных приемов сварки.

Марганец увеличивает прочность и твердость стали, а так­же ее склонность к закалке. Содержание марганца в малоуглеродистой стали обычно колеблется в пределах от 0,35 до 0,8%. Если марганца содержится более 1%, то при сварке образуются тугоплавкие шлаки, которые в виде включений иногда остаются в наплавленном металле.

В некоторых специальных сталях содержание марганца повышают до 1,8—2,5%; при таком содержании марганец увеличивает закаливаемость стали и может вызывать образование трещин при сварке. Высокомарганцовистые стали содержат 11—16% марганца.

Кремний содержится в мало и среднеуглеродистой стали в пределах от 0,03 до 0,04% и вводится в нее как раскислитель. Он способствует равномерному распределению отдельных химических элементов в металле шва. При содержании кремния более 0,5% образуются тугоплавкие шлаки, затрудняющие сварку. При содержании кремния от 0,8 до 1,5% сталь становится более упругой, однако при увеличении содержания кремния свыше 1,6% пластичность стали уменьшается, повышается ее твердость и хрупкость.

Сера является крайне вредной примесью в стали и оказывает резко отрицательное влияние на ее свариваемость, вызывая образование горячих трещин. Содержание серы в стали не должно превышать 0,04—0,05%.

Фосфор также является вредной примесью в стали, так как образует фосфористое железо, более хрупкое, чем сталь. Содержание в стали фосфора в пределах 0,1—0,2% делает ее хрупкой при обычной температуре (хладноломкой), поэтому содержание фосфора не должно превышать 0,04—0,05%. Чем выше содержание углерода в стали, тем заметнее вредное влияние фосфора.

Хром, молибден, никель, ванадий, вольфрам, титан и ниобий являются примесями, вводимыми в состав легированных сталей для придания им специальных свойств.

Так как химический состав арматурной стали в соответствии с ГОСТ Р 52544-2006 имеет довольно широкие пределы, что в свою очередь влияет на свариваемость арматуры и повышенное образование дефектов (шлаковые включения, поры, трещины).

Поэтому необходимо контролировать не только физико-механические свойства, но и химический состав арматуры, поступающей на строительные площадки, особенно при изготовлении арматурных каркасов с применением электродуговой сварки при выполнении стыковки арматуры и крепления ее к раме пространственного каркаса.

Для проверки физико-механических свойств и химического состава арматурной стали специалистами отдела обследований и экспертиз несущих и ограждающих конструкций и испытательного лабораторного центра в рамках государственного задания проводится работа 1.9.5 «Оценка соответствия класса арматурной стали требованиям технических регламентов и проектной документации». В рамках данной работы проводится отбор проб арматуры, применяемой при устройстве арматурного каркаса, выбранного для проведения работы, с последующим изготовлением необходимого количества образцов для испытания. По результатам которого оформляется заключение с выводом о соответствии (не соответствии) применяемой арматуры требованиям технических регламентов и проектной документации.

Таким образом, при соблюдении технологии ведения сварочных работ и наличии должного строительного и операционного контроля, качество сварных соединений как правило соответствует или имеет не существенные отклонения от норм технических регламентов и нормативной документации, но в тоже время следует обратить особое внимание на сварные соединения в которых применяется арматурная сталь с повышенным содержанием кремния и марганца (не выходящих за пределы, установленные ГОСТ 52544-2006).

Отдела обследований и экспертиз несущих и ограждающих конструкций

Если вы нашли ошибку: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Свариваемость сталей

Понятие о свариваемости

Свариваемостью называется свойство металла (или другого материала) образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия (ГОСТ 2601).

Свариваемость различных металлов и их сплавов существенно отличается.

Степень свариваемости оценивают изменением свойств сварного соединения по отношению к основному металлу. Степень свариваемости сплава тем выше, чем больше способов сварки и режимов при каждом способе можно применить. Примером хорошей свариваемости является малоуглеродистая сталь.

Под технологической свариваемостью понимают отношение металла к конкретному способу сварки и режиму.

Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, по завершении которых образуется неразъемное сварное соединение. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов зачастую препятствуют протеканию необходимых физико-механических процессов в зоне сплавления. В этом случае металлы не обладают физической свариваемостью.

Свариваемость сталей

Влияние элементов, содержащихся в сталях, на их свариваемость

Углерод. Малоуглеродистые стали хорошо свариваются всеми видами сварки. С увеличением содержания углерода в стали повышается твердость и снижается пластичность. Металл в сварном соединении закаливается, и образуются трещины. В результате интенсивного окисления углерода при сварке образуется значительное количество газовых пор.

Марганец. В количестве 0,3…0,8 % марганец не ухудшает свариваемость стали. Является хорошим раскислителем и способствует уменьшению содержания кислорода в стали. При содержании марганца 1,5…2,5 % свариваемость ухудшается и возможно появление трещин из-за увеличения твердости стали и образования закалочных структур.

Кремний. Содержание кремния в углеродистых сталях незначительно (0,03…0,35 %). Кремний вводят как раскислитель, и при содержании до 1 % он не влияет на свариваемость. С увеличением содержания кремния более 1 % свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие окислы, которые приводят к появлению шлаковых включений. Металл сварного шва имеет повышенные прочность, твердость и хрупкость.

Хром. В углеродистых сталях содержание хрома не превышает 0,25 % и в таком количестве его влияние на свариваемость не значительно. Конструкционные стали типа 15Х, 20Х, 30Х, 40Х содержат от 0,7 до 1,1 % хрома. При таком содержании хрома твердость увеличивается, а свариваемость ухудшается, особенно с увеличением содержания углерода. Стали, содержащие значительное количество хрома (Х5, 1X13, Х17) имеют самую плохую свариваемость. При сварке образуются тугоплавкие окислы, снижается химическая стойкость стали и образуются закалочные структуры.

Никель. Никель повышает прочность и пластичность металла сварного соединения и не ухудшает свариваемость.

Молибден. В теплоустойчивых сталях содержание молибдена составляет 0,2…0,8 %, а в специальных сталях, предназначенных для работы при высоких температурах, увеличивается до 2…3 %. Молибден значительно повышает прочность и ударную вязкость стали, но вызывает склонность к образованию трещин, как в самом шве, так и в переходной зоне.

Ванадий. Ванадий повышает прочность сталей. Содержание его в инструментальных и штамповых сталях достигает 1,5 %. Ванадий ухудшает свариваемость, так как способен сильно окисляться и при сварке необходимо вводить в зону плавления активные раскислители.

Вольфрам. Содержание вольфрама в специальных (инструментальных и штамповых) сталях составляет до 2 %. Стали с содержанием вольфрама имеют значительную твердость и прочность при высоких температурах. Вольфрам ухудшает свариваемость, сильно окисляется и поэтому сварка требует особых приемов.

Титан и ниобий. Титан и ниобий улучшают свариваемость стали. При сварке высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей углерод взаимодействует с хромом и образуются карбиды хрома. Это приводит к уменьшению содержания хрома по границам зерен, образованию межкристаллитной коррозии и разрушению сварных швов. При введении в стали титана или ниобия в количестве 0,5…1 % происходит их взаимодействие с углеродом, что препятствует образованию карбидов хрома.

Медь. В сталях, используемых для ответственных конструкций, содержание меди составляет 0,3…0,8 %. Медь улучшает свариваемость, повышает прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость сталей.

Сера. Повышенное содержание серы приводит при сварке к образованию горячих трещин. Наибольшее допускаемое содержание серы до 0,06 %.

Фосфор. Повышенное содержание фосфора ухудшает свариваемость, так как вызывает при сварке появление холодных трещин. Допускается содержание фосфора в углеродистых сталях не более 0,08 %.

Кислород. Кислород ухудшает свариваемость стали, снижая ее механические свойства – прочность, пластичность, ударную вязкость.

Азот. Азот из окружающего воздуха при охлаждении сварочной ванны образует нитриды железа, которые повышают прочность и твердость стали и значительно снижают пластичность.

Водород. Водород попадает в сварочную ванну из влаги и коррозии на поверхности металла, скапливается в отдельных местах сварного шва, образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.

Классификация сталей по свариваемости

Свариваемость сталей оценивается такими признаками как склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.

Количественной характеристикой свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода С_эк, которое определяют по формуле

С_эк = С + (Мn/6) + [(Cr + Mo +V)/5 + (Ni + Cu)/15] ,

где С – содержание углерода, %;

Мn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – содержание легирующих элементов (марганец, хром, молибден, ванадий, никель, медь), %.

Наибольшее влияние на свариваемость стали оказывает количество содержащегося в ней углерода и легирующих компонентов.

Стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся стали, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся и плохо сваривающиеся стали.

К первой группе относятся стали, сварку которых выполняют по обычной технологии без подогрева. Возможно применение термообработки для снятия внутренних напряжений.

Ко второй группе относятся стали, у которых при сварке в нормальных условиях, как правило, трещин не образуется. Для сварки сталей этой группы имеются ограничения по толщине свариваемого изделия и температуре окружающей среды.

К третьей группе относятся стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают термообработке после сварки.

К четвертой группе относятся стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

В табл. 1 приведена свариваемость и условия сварки сталей различных видов и марок.

Таблица 1. Свариваемость сталей и условия сварки