Свариваемость сталей

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие «свариваемость». Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобно физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).

Усложнение технологии и применение специальных сварочных материалов делает изготовление сварных конструкций из этих материалов во многих случаях экономически нецелесообразным. По мере усовершенствования существующих и разработки новых сварочных процессов и сварочных материалов сокращается количество металлов и сплавов, изготовление сварных конструкций из которых не обеспечивает необходимой работоспособности и экономически нецелесообразно.

Более всего на свариваемость оказывают влияние химический состав сплава, фазовая структура и ее изменения в процессе нагрева и охлаждения, физико-химические и механические свойства и др.

В связи с тем, что параметров, характеризующих основной и присадочный (электродный) материалы, очень много, то свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую:

• чувствительность металла к окислению и порообразованию;
• соответствие свойств сварного соединения условиям эксплуатации;
• реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин
• и т.д.

Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость образованию трещин.

Горячие трещины чаще всего возникают при ослаблении деформационной способности металла из-за появления в структуре легкоплавких хрупких эвтектик, дефектов кристаллического строения, внутренних и внешних напряжений.

Вероятность появления при сварке или наплавке горячих трещин можно определить по показателю Уилкинсона (H.C.S):

H.C.S. = 1000∙C∙(S + P + Si/25 + Ni/100)/(3∙Mn + Cr + Mo + V)

Условием появления горячих трещин является Н.С.S. > 2. Так, например, при обычной сварке низколегированной стали трещины начинают возникать при Н.С.S. = 4.

Также склонность стали к образованию горячих трещин может быть охарактеризована по критерию Р_гт:

Р_гт=  230∙С + 190∙S + 75∙P — 1

Оценку сопротивляемости стали трещинам при термической обработке (ТТО) может быть осуществлена по параметру ΔG:

ΔG =  Cr + 3,3∙Mo + 8,1∙V — 2

При ΔG> 0 сталь не склонна давать трещины при повторном нагреве в процессе термической обработке.

Холодные трещины чаще всего возникают из-за закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.

Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, которым можно пользоваться как показателем, характеризующим свариваемость, при предварительной оценке последней. Для этой цели имеется ряд уравнений.

С_э = С +Mn/6 + Si/24 + Сr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + Р/2,

где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р — массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %. Эту зависимость в ГОСТ 27772 — 88 рекомендуют для оценки свариваемости проката для строительных конструкций.

Европейская ассоциация по сварке (МИС) рекомендует зависимость

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

а нормы Японии — зависимость

С_э = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4.

В России наиболее распространенным и приемлемым для сталей, используемых на подвижном составе, является следующее:

С_э = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Са/15 + Cu/13 + P/2

В табл. 1 приведена классификация сталей по свариваемости в соответствии с величиной С_э и меры по предотвращению или уменьшению вероятности появления трещин.

Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости

Если оценка свариваемости по показателю С_э указывает на склонность стали к появлению холодных трещин, то необходимо предусмотреть предварительный подогрев детали. Температуру подогрева (Т, °С) можно определить по формуле

Т = 350∙(С_об — 0,25)^0,5

где С_об — общий углеродный эквивалент, %.

С_об = С_э∙(1 + 0,005∙δ)

где δ — толщина металла свариваемой детали, мм.

Температура сопутствующего сварке или наплавке подогрева зависит от материала изделия и колеблется в среднем от 250 до 400° С.

Другим критерием, указывающим на возможное охрупчивание стали вследствие структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Зона термического влияния (ЗТВ) — участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого металл под действием источника нагрева претерпевает фазовые и структурные превращения. Поэтому ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и микроструктуру.

Если твердость выше HV 350…400, то в структуре ЗТВ уже присутствует смесь твердых продуктов распада аустенита, которые склонны к образованию холодных трещин.

Для обычных углеродистых и низколегированных сталей возможную максимальную величину твердости в ЗТВ можно вычислить на основе химического состава стали:

HV_max = 90 + 1050∙С + 47∙Si +75∙Mn + 30∙Ni + 31∙Cr,

где С, Si, Mn, Ni, Cr — массовые доли химических элементов, %.

На образование холодных трещин решающее влияние оказывает воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Эти напряжения зависят от толщины сварного соединения, типа сварного узла и особенно от жесткости свариваемой части конструкции. Значение этих напряжений может быть выражено с помощью коэффициента интенсивности жесткости К, который представляет собой силу, вызывающую раскрытие на 1 мм зазора в сварном соединении длиной 1 мм [Н/(мм∙мм)]. Коэффициент интенсивности жесткости равен

К = K_q∙S,

где K_q= 69 — постоянная; s — толщина листа, мм.

Данное значение постоянной можно использовать для приближенных вычислений К стыковых соединений при толщинах листа до 150 мм.

На основании изучения действия всех трех основных факторов (состав, газонасыщенность, особенности конструкции), способствующих образованию холодных трещин, был выявлен критерий для оценки чувствительности сталей к образованию подобных трещин — кpитеpий тpещинообpазования (P_с):

P_с = P_cm + Н/60 + 0,25∙К/105,

где H -количество диффузионного водорода в металле сварного шва; К — коэффициент интенсивности жесткости; Р_см — коэффициент, характеризующий охрупчивание вследствие структурного превращения и вычисляемый по уравнению Ито — Бессио, %:

P_cm = С + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + (Mo + V)/15 + 5∙В;

Многочисленные исследования показали, что сталь чувствительна к образованию холодных трещин, если P_с > 0,286.

В зависимости от марки основного металла и условий эксплуатации конструкции изменяется и совокупность показателей, определяющих понятие свариваемости. Так, под хорошей свариваемостью низкоуглеродистой стали, предназначенной для изготовления конструкций, работающих при статических нагрузках, понимают возможность при обычной технологии получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом, без трещин в металле шва и без снижения пластичности в околошовной зоне. Металл шва и околошовной зоны в рассматриваемом случае должен быть стойким против перехода в хрупкое состояние при температуре эксплуатации конструкций и при концентрации напряжений, обусловленной формой узла.

При сварке легированных сталей, применяемых для изготовления химической аппаратуры, под свариваемостью кроме указанных выше показателей подразумевают также стойкость против образования трещин и закалочных структур в околошовной зоне и обеспечение специальных свойств (коррозионной стойкости, прочности при высоких или низких температурах). При наплавке деталей, работающих на истирание, особое значение приобретает стойкость металла шва против эрозии, т. е. постепенного разрушения его вследствие механического износа.

При анализе свариваемости не следует упускать из виду тот факт, что от воздействия значительных температур происходит разупрочнение термически упрочненных сталей. Таким образом, перед разработкой технологии сварки или наплавки следует определить свариваемость основного, присадочного металла и металла шва; вероятность появления трещин; разупрочнение сплава и назначить необходимые мероприятия для уменьшения или исключения нежелательных явлений.

На основании анализа более 200 бинарных диаграмм состояния для 23 широко известных конструкционных металлов был составлен прогноз физической свариваемости различных металлов между собой (рис. 1). Этот прогноз может быть использован для выбора пар металлов, обладающих физической свариваемостью, а также для выбора легирующих элементов для сплавов. Однако по-нашему мнению, чтобы составить представление о физической свариваемости пары металлов более удобно и правильно пользоваться введенным Чалмерсом понятием коэффициента аккомодации.

Физическую свариваемость разнородных металлов можно также прогнозировать по значениям их атомных радиусов и электроотрицательности. Взаимная растворимость элементов определяется подобием кристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, разницей в атомных радиусах компонентов и значениях электроотрицательности.

Для определения пределов растворимости строят диаграммы растворимости в координатах «атомный радиус элемента — электроотрицательность». На этих диаграммах строят два вспомогательных эллипса: внутренний — с большой осью размером ± 0,2 единицы электроотрицательности и малой осью размером ± 8 % разницы в атомных радиусах и внешний — с большой осью ± 0,4 единицы электроотрицательности и малой осью ± 15 % разницы в атомных радиусах (рис. 2). В пределах малого эллипса находятся металлы, образующие неограниченные твердые растворы с данным металлом-растворителем. Между малым и большим эллипсами располагаются металлы с ограниченной растворимостью в металле-матрице. За пределами большого эллипса валентный и размерный факторы неблагоприятны для образования твердых растворов, т. е. для образования сварного соединения.

Рис. 1. Прогноз возможности сварки разнородных металлов по диаграммам состояния:

Исключение из описанной полуэмпирической теории растворимости составляют системы тугоплавких металлов: вольфрам-хром, ванадий-хром и другие, в которых может наблюдаться образование промежуточных фаз, хотя их кристаллические решетки подобны, а их электроотрицательность благоприятна для образования твердых растворов.

Физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием существования функциональной свариваемости. Например, в период промышленного внедрения титановых сплавов, обладающих физической свариваемостью между собой, возникли проблемы технологического обеспечения функциональной свариваемости, связанные с образованием при сварке в поверхностных слоях газонасыщенного (альфированного) слоя.

Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическаz свариваемость.

Технологическая свариваемость — это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации. Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Рис. 2. Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимость различных легирующих элементов в твердом состоянии в железе (а) и в ниобии (б)

Как правило, известная технологическая свариваемость различных материалов является банком данных для функциональной свариваемости. На основании анализа технологической свариваемости выбранного конструкционного материала выбирают необходимые данные для обеспечения функциональной свариваемости: вид и режимы сварки, сварочные расходуемые материалы и др.

Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.

Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:

• химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;
• теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;
• физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;
• механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.

Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.

Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.

По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.

Особенностями термического воздействия являются:

• неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);
• высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;
• большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).
• Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:
• большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5-100 мм^-1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;
• относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);
• активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.

К особенностям механического воздействия относят:

• возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;
• воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.

Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:

• резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;
• изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;
• возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;
• образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;
• образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.

Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств сварных соединений и устранения в них дефектов проводят специальные технологические мероприятия:

• используют термический цикл сварки, устраняющий образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками и др.);
• с целью уменьшения содержания водорода в металле сварного соединения улучшают защиту металла сварочной ванны, выполняют тщательную подготовку поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, используют флюсы и электродные покрытия с низким содержанием водорода и др.;
• производят термическую обработку сварного соединения непосредственно после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.);
• применяют технологические приемы, снижающие остаточные напряжения (сварка каскадом, использование приспособлений, создающих напряжения сжатия и др.)