Свариваемость. 
Технология конструкционных материалов. 
Сварочное производство

Под свариваемостью понимают способность материалов образовывать сварное соединение. Многие сплавы обладают пониженной свариваемостью, которая проявляется в ухудшении механических свойств ЗТВ и образовании сварочных дефектов (трещины, закалочные структуры, пористость и др.). Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость определяется свойствами соединяемых металлов, оказывающими влияние на протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Технологическая свариваемость определяет возможность применения конкретного способа сварки и качество сварного шва.

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.

Пористость сварного шва вызывает снижение его герметичности и ухудшение механических свойств соединения. Поры в шве образуются вследствие насыщения расплава газами при неполном выделении газовых пузырьков в процессе кристаллизации шва. Почти все газы хорошо растворимы в жидкой фазе и плохо растворимы (или нерастворимы) в твердой.

Насыщение расплавленного металла газами связано с наличием влаги в электродных покрытиях, флюсах и защитных газах (результат — насыщение шва водородом), протеканием окислительных процессов в шве (насыщение шва оксидом углерода), повреждением защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода) и чрезмерно быстрым охлаждением шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является их склонность к образованию трещин.

Горячие трещины (рис. I.8, а) образуются при кристаллизации шва, когда металл находится в двухфазном (твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций рас;

Рис. 1.8. Горячие (а) и холодные (б) трещины в сварных соединениях:

/ — основной металл; 2 — зона термического влияния; 3 — столбчатые кристаллы, 4 — жидкая прослойка при завершении кристаллизации; 5 — трещины тяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов.

Склонностью к образованию горячих трещин обладают сплавы с широким температурным интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей.

Холодные трещины (рис. 1.8, б) обычно возникают в ЗТВ по завершении кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в течение 2…7 сут после сварки.

Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей при образовании в процессе сварки закалочных структур, интенсивном росте зерен и повышенном содержании газов в расплавленном металле.

Склонность низкоуглеродистых сталей к образованию холодных трещин можно оценить по так называемому эквиваленту углерода, %, рассчитываемому по формуле.

где К_с, K_Sh К_Мп> K_Cr, К_Мо9 Kv, К_ъ — процентное содержание соответствующего элемента в стали.

При С_эк«> 0,4% сталь считается склонной к образованию холодных трещин.

По свариваемости стали подразделяют (ГОСТ 29 273—92) на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.

Углерод может находиться в сталях в виде цементита (Fe₃C), а в чугунах — в виде цементита и в свободном состоянии (графит). В сталях количество цементита пропорционально содержанию углерода. Цементит повышает сопротивление движению дислокаций, уменьшает пластичность и вязкость сплавов.

С увеличением содержания углерода в сталях их твердость, пределы прочности и текучести возрастают, а относительное удлинение, ударная вязкость и трешиностойкость уменьшаются. Вследствие этого углерод при его содержании в сталях до 0,25% не ухудшает их свариваемости. При более высоком содержании углерода свариваемость резко ухудшается, так как в ЗТВ формируются закалочные структуры, приводящие к появлению трещин.

Применение среднеи высокоуглеродистых присадочных материалов вызывает образование пор в материале шва.

Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали. Карбидообразующие элементы, обладающие повышенным химическим сродством к углероду, способствуют появлению закалочных структур и трещин в сварном шве и околошовной зоне. К таким элементам относятся хром, молибден, вольфрам, марганец, титан, ниобий и ванадий.

При содержании хрома до 2% образуется легированный цементит (FeCr)₃C. При содержании хрома в пределах 2… 10% формируется специальный карбид (CrFe)₇C₃. При повышении содержания хрома до 10… 12% образуются сложные карбиды (Сг, Fe)₂₃C₆. Они снижают коррозионную стойкость стали, существенно повышают ее твердость в ЗТВ и интенсифицируют формирование тугоплавких оксидов, затрудняющих сварку.

Молибден и вольфрам образуют в сталях сложные карбиды — Fe₃Mo₃C (Fc₂Mo₂C) и Fe₃W₃C (Fe₂W₂C). Молибден измельчает зерна и способствует возникновению трещин в ЗТВ. При сварке молибден активно окисляется и выгорает. Вольфрам способствует появлению закалочных структур и активно окисляется, тем самым препятствуя сварке.

Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности, а при его содержании в стали 1,8…2,5% способствует образованию закалочных структур, что увеличивает вероятность появления холодных трещин. При содержании в стали 11… 16% марганца он интенсивно выгорает.

Титан и ниобий повышают склонность стали к образованию горячих трещин.

Ванадий способствует появлению закалочных структур, чем затрудняет сварку. При сварке он активно окисляется и выгорает.

Элементы, не образующие карбидов, находятся в стали в твердом растворе (аустенит или феррит). Обычно эти элементы снижают устойчивость карбида железа (цементита), способствуя его распаду на феррит и свободный углерод (графит), и поэтому называются графитизирующими. К таким элементам относятся кремний и никель.

Кремний дегазирует сталь, повышает ее плотность и предел текучести. Кремний при его содержании в стали 0,02…0,3% не вызывает ухудшения свариваемости. При содержании кремния в стали в пределах 0,8… 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния.

Никель улучшает пластические и прочностные свойства стали, а также измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.