Свариваемость стали: группы свариваемости, определение свариваемости по эквиваленту углерода

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.

Понятие свариваемости

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.

Критерии свариваемости

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.

Оборудование для сварки

Вне зависимости от того, о каких свариваемых разнородных сталях идет речь, оборудование для выполнения сварочных работ делится на две группы:

1. Рабочее оборудование, которое включает в себя: источник сварочного тока, силовые кабели питания источника от электрической сети или генераторов; кабели для подведения сварочного тока к свариваемым изделиям и создания сварочной цепи, в случае использования технологий с защитным газом – баллоны с газом или специальные устройства-генераторы, сварочные молотки, щетки по металлу, электроинструмент (болгарки и угловые шлифовальные машинки) для итоговой обработки сварных соединений. Кроме того, в качестве оборудования для сварки следует рассматривать присадочные материалы (сварочная проволока, электроды), а также механизмы для их направления в сварочную зону (машинки для подачи проволоки, электродержатели для электродов).
2. Защитное оборудование. Данный вид оборудования является чаще всего индивидуальным и включает в себя: защитную одежду, прошедшую пропитку с целью огнезащиты, сварочную маску с темным стеклом или самозатемняющуюся маску, краги или перчатки, защитную обувь.

В качестве дополнительного оборудования сварочного поста рассматривается сварочный стол, а также инструменты для закрепления свариваемых деталей в необходимых пространственных положениях.

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.

Сварка труб из стали 20 и 09г2с

Сплавы отличаются невысоким содержанием углерода. Они не закаливаются, не склонны к перегреву, устойчивы к образованию трещин. Для ручного или автоматического скрепления конструкционных слаболегированных веществ 09Г2С и 20 подходит оборудование УОНИ-13.55, Э42, АНО-21, ОЗС-12, МР-3 ЛЮКС. При соблюдении технологии, грамотного подбора сырья и аппаратуры получается прочный участок сварного соединения.

Более подробно технологические указания раскрыты в СТО 00220368-011-2007. Документ содержит требования к материалам, методам металлообработки разнородных соединений из углеродистых, высоко- и низколегированных сталей и сплавов.

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.

Группы свариваемости

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

Формулы углеродного эквивалента сталей и других параметрических выражений для оценки свариваемости

Для оценки свариваемости сталей применяют такую величину, как углеродный эквивалент сталей (Сэкв). При определении углеродного эквивалента учитывается химический состав сталей, т.к. влияние легирующих элементов на свариваемость стали очень большое. Особенно сильно на свариваемость влияет углерод (С). Для определения склонности металла к образованию холодных трещин при сварке, применяют следующие формулы расчёта углеродного эквивалента:

Сэкв=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, % — данная формула принята для расчёта в Европейском стандарте

Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4, % — эта формула для определения углеродного эквивалента стали в стандартах Японии

Cэкв=C+Mn/20+Ni/15+(Cr+Mo+V)/10, % — такая формула углеродного эквивалента предлагается Британским институтом сварки

Однако, как оказалось на практике, для микролегированных сталей с пониженным содержанием углерода эти уравнения не могут охарактеризовать снижение прочности из-за роста зёрен. Немцем Дюреном была выведена формула углеродного эквивалента микролегированных сталей, которая достаточно точно характеризует их склонность к образованию холодных трещин:

Значение углеродного эквивалента позволяет определить, к какой группе свариваемости сталей относится та, или иная марка, кроме того, это значение понядобится, чтобы определить температуру предварительного подогрева при сварке металлов. Определяется она по формуле:

где С — общий эквивалент углерода, который можно вычислить следующим образом:

Сэкв — химический эквивалент углерода, вычисляется по формулам, приведённым выше; Сs — эквивалент углерода, в зависимости от толщины листа, в мм. Вычисляется по формуле:

В итоге, получаем: С=Сэкв*(1+0,005*S)

Кроме углеродного эквивалента для определения и оценки свариваемости сталей существуют несколько параметрических формул, из которых наибольшую популярность получила формула Ито-Бессио:

Где К — коэффициент интенсивности жёсткости, который Ито и Бессио применяли при расчётах на основании данных, которые они получили при оценке свариваемости сталей с У-образной разделкой кромок.

К=Ко*S, где Ко — константа, равная 69; S — толщина листа, мм. Исследования, проведённые позже, показали, что константу Ко=69 можно применять для приблизительных определений величины К в случае, когда свариваются листы большой толщины, до 150 мм включительно.

Рсм — коэффициент, характеризующий снижение прочности вследствие структурного преобразования сплава; Н — количество растворённого водорода в металле, образующего сварной шов, измеряется в мл/100г. В Японских стандартах величина Н=0,64, в Европейских Н=0,93.

Многочисленные измерения показали, что при Рw>0,286, то возникает риск возникновения холодных трещин в сварном соединении.

Если речь идёт об опасности образования горячих трещин в металле сварного шва, то оценить свариваемость стали по этому критерию можно при помощи показателя HCS, вычисляемого по формуле:

Если получившаяся величина HCS>4, то возникает риск образования горячих трещин. Однако, если выполняется сварка высокопрочных сталей большой толщины, то риск возникновения данного дефекта сварного шва возникает уже при показателе HCS>1,6…2.

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.

Формулы углеродного эквивалента сталей и других параметрических выражений для оценки свариваемости

Для оценки свариваемости сталей применяют такую величину, как углеродный эквивалент сталей (Сэкв). При определении углеродного эквивалента учитывается химический состав сталей, т.к. влияние легирующих элементов на свариваемость стали очень большое. Особенно сильно на свариваемость влияет углерод (С). Для определения склонности металла к образованию холодных трещин при сварке, применяют следующие формулы расчёта углеродного эквивалента:

Сэкв=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, % — данная формула принята для расчёта в Европейском стандарте

Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4, % — эта формула для определения углеродного эквивалента стали в стандартах Японии

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.

Способы устранения холодных трещин при сварке

Образование трещин ухудшает поверхность металла и, соответственно, уменьшает прочность готовой конструкции. Предотвратить их появление поможет следующее:

• пересмотр (изменение) конструктивных решений, который позволит снизить жесткость в области сварного узла;
• тщательный контроль за ходом проведения сварки при оптимальном режиме поможет уменьшить содержание диффузионного водорода;
• проведение сварочных работ с соблюдением особых параметров, которые воспрепятствуют охрупчиванию металла и будут содействовать удалению из шва диффузионное водорода.

Из перечисленных способов, снижения вероятности появления холодных трещин при проведении сварочных работ, самый востребованный — последний.

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.

Низкоуглеродистая сталь

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

Выбор оборудования и электродов

Существуют следующие виды сварочных аппаратов:

1. Трансформаторы переменного тока.
2. Выпрямители.
3. Инверторы.

Трансформаторы обладают следующими достоинствами:

1. Низкая стоимость.
2. Простое устройство.
3. Надежность.
4. Долговечность.

Их используют в случаях, когда к качеству соединения не предъявляют высоких требований, поскольку на переменном токе дуга горит хуже и шов получается неровным.

Они тяжелы, дороже стоят и больше теряют в мощности, но обеспечивают высокое качество соединения. Снижаются потери металла, поскольку на постоянном токе он меньше разбрызгивается.

Инверторы наиболее практичны.

Их достоинства:

• малые размеры и вес (примерно 3 кг);
• высокое напряжение холостого хода – 90 В против 50 В у трансформатора;
• дополнительные функции, облегчающие розжиг и поддержание дуги.

По способу сварки аппараты делятся на виды:

1. Ручные. Используют плавящиеся расходники с покрытием.
2. Полуавтоматы и автоматы. Применяют тугоплавкий электрод из вольфрама или графита. Защиту шва от окисления обеспечивают подачей газа (аргона, углекислоты и пр.) или с помощью флюса.

Особенности сварки низколегированных сталей

Сварка конструкционных сталей 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16Г2АФ

Для сварки низколегированных сталей марок 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16Г2АФ и т.п. хорошо подходит ручная дуговая сварка электродами Э50А или Э44А. Но наиболее качественные сварные соединения получаются при сварке электродами УОНИ-13/55 и ДСК-50. Но, лучшие результаты получаются при сварке постоянным током при обратной полярности. При этом, сварку необходимо проводить при пониженных токах, 40-50 А на миллиметр диаметра электрода.

Автоматическую дуговую сварку данных марок сталей выполняют сварочной проволокой Св-08ГА или Св-10ГА под флюсами АН-348-А или ОСЦ-45.

Металлоконструкции из сталей 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16 Г2АФ можно сваривать при температуре окружающей среды не ниже -10°C. Если же температура окружающей среды находится в пределах от -10°C до -25°C, то при сварке необходим предварительный подогрев. Ширина подогрева зоны сварки составляет 100-120 мм по обе стороны шва. Температура предварительного подогрева 100-150°C. При температуре окружающей среды ниже, чем -25°C, сварка вышеуказанных сталей не допустима.

Сварка низколегированных сталей 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д

Оценку свариваемости сталей таких марок, как 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д и т.п. можно дать хорошую (см. таблицу свариваемости сталей), и связано это с тем, что они не подвержены закаливанию, не склонны к перегреву и устойчивы к образованию горячих и холодных трещин в сварном шве и зоне термического влияния. Сварку низколегированных конструкционных сталей данных марок можно выполнять как ручной дуговой сваркой, так и автоматической.

При ручной сварке хорошо подходят электроды марок Э50А и Э55А. При автоматической сварке используют сварочную проволоку марок Св-08ГА, Св-10ГА или Св-10Г2. Для защиты зоны сварки применяют флюсы АН-348-А или ОСЦ-45.

Сварка листов из сталей 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, толщиной менее 40 мм выполняется без разделки кромок. И, при соблюдении технологии и режимов сварки, механические свойства сварочного шва почти не уступают механическим свойствам основного металла. Равнопрочность сварного шва обусловлена переходом легирующих элементов из электродной проволоки в металл сварного шва.

Сварка хромокремнемарганцовистых низколегированных сталей 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА

Сварка низколегированных сталей 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и т.п. затруднена тем, что они склонны к образованию трещин при сварке и к появлению закалочных структур. И чем меньше толщина свариваемых кромок, тем выше риск образования закалочных зон и появления трещин в металле шва и, особенно, околошовной зоне.

Склонность данных сталей к сварным дефектам обусловлена повышенным содержанием углерода в их составе (0,25% и более). Сварку этих сталей можно выполнять сварочной проволокой Св-08 или Св08А, а также электродами данных марок.

Для особоответственных сварных швов рекомендуют применять электроды Св-18ХГСА или Св-18ХМА с защитным покрытием следующих видов: ЦЛ-18-63, ЦК18М, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85, УОНИ-13/НЖ.

При сварке низколегированных хромокремнемарганцовистых сталей, в зависимости от толщины свариваемого металла, рекомендуются следующие режимы сварки:

При сварке металлов, толщиной более 10мм, выполняют многослойную сварку с небольшими промежутками по времени между выполнеием последующих слоёв. В случае, когда свариваются детали разной толщины, сварочный ток выбирают по больше толщине и на неё направляется бОльшая зона дуги.

После сварки рекомендуется провести термообработку для устранении закалочных структур. Для этого изделие нагревают до температуры 650-680 ?С, выдерживают эту температуру по времени, в зависимости от толщины металла (1ч на 25мм толщины) и охлаждают на воздухе, либо в воде.

Сварка низколегированных конструкционных сталей в защитных газах выполняется по режимам для автоматической или полуавтоматической сварки под флюсом. В случае, выполнения сварки в среде углекислого газа, применяют сварочную проволоку марки Св-08Г2С, или Св-10Г2 диаметром 1,2-2мм.

В случае применения электрошлаковой сварки, выбирают сварочную проволоку марки Св-10Г2, которая подходит для любой толщины свариваемых деталей. В качестве защиты применяют флюс АН-8. При таком способе сварки вести сварку можно при любой температуре.

Дополнительные