Характеристика свариваемости металлов и сплавов

Приведем наиболее характерные особенности свариваемости для целых групп однотипных с этой точки зрения сплавов.

Стали. Конструкционные стали по химическому составу подразделяют на углеродистые (обыкновенного качества и качественные) и легированные (низко-, среднеи высоколегированные).

Углеродистые стали. Кроме углерода в сталях содержатся примеси: марганец, кремний, сера, фосфор, кислород, азот, водород. Если два первых элемента относятся к полезным, то все остальные ухудшают свариваемость, и их количество в сталях стремятся уменьшить. Именно меньшим содержанием примесей и более узким допуском по содержанию углерода в пределах конкретной марки стали качественная углеродистая сталь отличается от обыкновенной.

Низкоуглеродистые стали (СтЗ, стали 10, 15, 20 и др.) обладают хорошей свариваемостью. Исключением является сварка деталей больших толщин при пониженных температурах.

Увеличение содержания углерода в среднеуглеродистых сталях способствует нс только появлению закалочных структур, но и усилению ликвации серы в шве и обогащению ею межкристаллических прослоек, что может привести к образованию горячих трещин. Поэтому срсднсуглсродистыс стали относятся к сталям с ограниченной свариваемостью.

Высокоуглеродистые стали также имеют ограниченную свариваемость. Они обладают еще большей чувствительностью к нагреву при сварке, чем среднеуглеродистые, и склонны как к закалке, гак и к перегреву металла. При сварке изделий из высокоуглеродистых сталей необходимы подогрев и последующая термообработка. Из-за сложности сварки эти стали в сварных конструкциях применяют довольпо редко.

При сварке углеродистых сталей уменьшения склонности к образованию горячих трещин добиваются снижением содержания углерода в наплавленном металле благодаря применению сварочной проволоки с меньшим содержанием углерода по сравнению с основным металлом. Одновременно шов легируют марганцем и кремнием, которые обеспечивают сохранение необходимых механических свойств металла шва. Кроме того, присутствие марганца связывает серу в соединение MnS, в котором сера находится в виде твердого раствора. Температура плавления такого раствора выше 1454 К, поэтому в шве снижается количество легкоплавких примесей, способствующих образованию горячих трещин. Для сварки углеродистых сталей можно рекомендовать ручную дуговую сварку покрытыми электродами, сварку самозащитной порошковой проволокой, под флюсом, сварку в атмосфере защитных газов (аргона, аргона с добавлением кислорода или углекислого газа), электрошлаковую, газовую и контактную сварку.

Низколегированные стали (конструкционные и теплоустойчивые). К ним относятся стали, в которых содержание одного легирующего элемента не превышает 2%, а суммарное содержание всех легирующих элементов — 2,5—5%.

Так как повышение содержания углерода в сталях ухудшает их свариваемость, то в низколегированных сталях, применяемых в сварных конструкциях, количество углерода ограничивают до 0,23%. Этим достигается хорошая или удовлетворительная свариваемость сталей. Влияние легирующих элементов учитывается различным образом, в том числе определением эквивалентного содержания углерода С_;) на основании эмпирических зависимостей. Одна из таких зависимостей для подсчета С, выглядит следующим образом:

При С_э > 0,45 сварка сталей может сопровождаться образованием трещин, и поэтому необходимо применять меры, предупреждающие их возникновение, в том числе снижение содержания углерода в шве (нс более 0,15%).

Низколегированные стали по сравнению с углеродистыми более чувствительны к сварочному нагреву. Они склонны к образованию закалочных структур, перегреву, разупрочнению. При сварке этих сталей, особенно больших толщин, рекомендуются предварительный подогрев и последующая термическая обработка, в том числе высокотемпературный отпуск.

Низколегированные стали обладают меньшей склонностью к образованию пор из-за выделения в металле при сварке оксида углерода, так как в металле содержится достаточное количество раскислителей.

Для сварки низколегированных, особенно теплоустойчивых, сталей рекомендуется сварка в защитных газах (сварка в углекислом газе, аргоне, аргоне с добавкой углекислого газа). Для повышения производительности сварки и улучшения свойств сварного соединения применяют порошковые проволоки. При единичном производстве, сварке коротких швов и т. п. широко применяется ручная сварка покрытыми электродами.

Сварка под флюсом низколегированных теплоустойчивых сталей осуществляется проволокой с повышенным содержанием легирующих элементов. Для сварки низколегированных сталей больших толщин применяется электрошлаковая сварка.

Технология контактной сварки низколегированных сталей примерно такая же, как и углеродистых. При образовании закалочных структур рекомендуется производить двухили трехимпульсную точечную сварку. Принципиальных ограничений для сварки низколегированных сталей другими методами нет.

Среднелегированные стали. Содержание одного легирующего элемента в этих сталях 2—5%, а суммарное содержание всех элементов — 5—10%. Указанные стали относятся к перлитному (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХГСА и др.) или мартенситному (30ХГ2Н2СВМА, 30Х2НМФА и др.) классу. В целом свариваемость срсднслегированных сталей оценивается как ограниченная. При сварке приходится учитывать их повышенную чувствительность к сварочному нагреву, склонность к образованию горячих и холодных трещин. Вероятность образования трещин возрастает по мере повышения требований к прочности шва, особенно в том случае, если ставится задача достижения равнопрочности его с основным металлом.

Основными методами сварки среднелегированных сталей являются сварка в углекислом газе, аргоне (в том числе при сварке плавящимся электродом с добавлением 5—10% кислорода или углекислого газа), сварка под флюсом, ручная сварка покрытыми электродами, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная сварка.

Аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом часто производится с поперечным колебанием дуги или в импульсном режиме, что улучшает структуру шва и околошовпой зоны.

Высоколегированные стали. К ним относятся стали с суммарным содержанием легирующих элементов более 10%. Высоколегированные стали могут быть ферритного, аустенитного и мартенситного классов, а также переходных классов: аустенитно-ферритного, аустенитно-мартенситного и мартенситно-ферритного. По основному легирующему элементу принято указанные стали делить на высокохромистые, хромопикелевые, хромоникелемарганцевые и др.

Высокохромистые стали в зависимости от содержания углерода и хрома могут быть мартенситного (12X13, 14Х17Н2 идр.), ферритно-мартенситного (08X13, 14Х12В2МФ идр.), ферритного (12X17, 15Х25Т, 08Х17Т и др.) класса.

Свариваемость сталей мартенситного класса ограничена главным образом возможностью образования при сварке хрупких структур в шве и околошовиой зоне, а также горячих и холодных трещин.

При сварке приходится учитывать более высокую теплопроводность этих сталей, что ускоряет теплоотвод от шва и способствует увеличению скорости охлаждения и, следовательно, может привести к образованию холодных трещин. Этому же способствует мартенситный распад при пониженных температурах, что исключает процесс самоотпуска, делает сварное соединение малопластичным.

Существенным недостатком хромистых сталей мартенситного класса является их разупрочнение под влиянием сварочного нагрева. Восстановить первоначальные свойства указанных сталей можно только трудоемкой двойной термообработкой — нормализацией с отпуском. Для сварки сталей мартенситного класса рекомендуется дуговая, электронно-лучевая, лазерная и контактная сварка.

Склонность к образованию хрупких структур требует особых условий при контактной сварке сталей мартенситного класса. Она производится на машинах, обеспечивающих трсхимпульсную подачу тока: подогрев — сварка — отпуск.

Стали с повышенным содержанием хрома при сварке могут окисляться и образовывать тугоплавкий оксид хрома, который в ряде случаев препятствует хорошему формированию обратной стороны шва. Этого можно избежать, защищая шов от окисления сваркой на подкладках, плотно прилегающих к шву, с подачей снизу аргона или нанесением специальных флюсов на свариваемые кромки с обратной стороны шва.

Детали малой толщины из сталей ферритного или ферритномартенситного класса свариваются удовлетворительно, однако при сварке деталей больших толщин наблюдаются значительное увеличение зерен и снижение механических свойств. В таких случаях для восстановления механических свойств металла следует применять предварительный подогрев и термическую обработку после сварки.

Стремление ограничить увеличение зерен при сварочном нагреве приводит к выбору таких методов сварки, которые обеспечивают минимальное тепловложение: дуговая, контактная, электроннолучевая и т. п. Термическая обработка в основном направлена на повышение стойкости сварных соединений к межкристаллической коррозии.

Хромоникелевые стали — это коррозионно-стойкие жаропрочные стали с высоким содержанием хрома и никеля (стали 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12, 20Х13Н18 и др.). При их сварке могут образовываться горячие трещины, поэтому для улучшения свариваемости сталей типа X18119 в шов вводят легирующие добавки для измельчения зерен или создания в шве двухфазной аустенитно-ферритной структуры. Другой особенностью сварки сталей аустенитного класса является ухудшение их антикоррозионных свойств под влиянием нагрева. Это происходит в интервале температур 450—850°С, когда резко возрастает скорость диффузии углерода в межкристаллитные прослойки и начинается обеднение границ зерен свободным хромом в результате образования карбидов хрома.

Быстрее всего металл теряет стойкость против межкристаллитной коррозии при нагреве в интервале температур 730—750°С. При работе с такими сталями в агрессивной среде в околошовной зоне наблюдаются случаи межкристаллитной коррозии и растрескивание металла под напряжением. Для предупреждения межкристаллитной коррозии целесообразно добавлять в сталь в небольших количествах титан или ниобий. Эти элементы химически более активны по отношению к углероду и образуют с ним карбиды, высвобождая тем самым хром (стали 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б). Рекомендуется также снижать количество углерода в стали и сварочной проволоке. Так, высокой стойкостью против межкристалл итной коррозии обладает сталь 00Х18Н10, однако эта и подобные ей стали имеют высокую стоимость.

Повысить стойкость против межкристалл итной коррозии можно выдержкой после сварки изделия при 850—900°С в течение 2—3 ч с последующим ускоренным охлаждением, что приводит к восстановлению содержания хрома в межкристаллитных прослойках, а также подбором соответствующих режимов сварки.

Свариваемость двухфазных хромоникелевых сталей переходных классов по сравнению с однофазными выше, особенно сопротивляемость образованию трещин и межкристаллитиой коррозии. Мартенситно-стареющие коррозионностойкие стали (08Х15Н5Д2Т и др.) могут в зоне сварного соединения иметь ослабленные участки в отношении величины ударной вязкости и стойкости против коррозии. Антикоррозионные свойства сварных соединений восстанавливаются после полной термической обработки. Рекомендуется для этих же целей отпуск перед сваркой при 600—650°С. Для предотвращения старения металла в зоне сварного соединения в процессе эксплуатации конструкции и последующего снижения его пластических свойств применяют термообработку после сварки (при 600—650°С). Хромоникелевые стали сваривают практически всеми методами. Режимы стремятся подбирать так, чтобы сварка происходила при малых значениях погонной энергии. Успешно сваривают хромоникелевые стали контактной сваркой.

Алюминиевые и магниевые сплавы. Алюминиевые и магниевые сплавы делятся на деформируемые и литейные, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. К свариваемым алюминиевым сплавам относятся сплавы АД, АД1, АМц, АМгЗ, АМг5 В, АМгб, АВ, АД31, АДЗЗ, АД35, Д20, В АД 1, В92Ц и др. Среди магниевых сплавов, получивших наибольшее распространение в конструкциях, следует отметить сплавы MAI, МА2, МА2−1, МА8, MAI 1, МА13 и др.

Особенностью сплавов алюминия и магния является наличие на их поверхности плотной пленки оксидов, которые имеют более высокую температуру плавления и большую удельную плотность, чем основной металл. Так, температура плавления А1₂0₃ равна 2050 °C, a MgO — 2800 °C. Это приводит к тому, что при сварке пленки оксидов препятствуют сплавлению кромок. Для осуществления нормального процесса сварки необходимо удалять оксиды с поверхности кромок до (механическая зачистка, специальное травление) и в процессе сварки.

Наиболее широко применяется сварка сплавов алюминия и магния в инертных газах (аргон, гелий) вольфрамовым или плавящимся электродами. Оксидная пленка в этом случае разрушается под воздействием дуги.

В жидком состоянии алюминий и магний активно растворяют водород. При охлаждении и затвердевании растворимость водорода резко снижается, вследствие чего могут возникнуть поры. Основным источником водорода является взаимодействие влаги, содержащейся в оксидной пленке, с металлом. Для алюминия, например, оно происходит следующим образом:

Наиболее распространенным способом борьбы с водородом в алюминиевых и магниевых сплавах является удаление слоя оксидной пленки на поверхности металла и сварочной проволоки и запасов в ней влаги, снижение концентрации растворенного в металле водорода.

При сварке алюминиевых и магниевых сплавов возможно образование горячих трещин из-за вредного воздействия на пластичность и прочность металла эвтектики, влияние которой усугубляет процессы дендритной ликвации. Для устранения возникновения горячих трещин применяют присадочную проволоку с добавками элементов, улучшающих структуру шва (Zr, Ti, В), а также производят сварку с активным воздействием на кристаллизацию металла, перемешивая его, например, в сварочной ванне внешним магнитным полем.

В результате воздействия сварочного нагрева происходит увеличение зерен в околошовной зоне у металлов, не упрочняемых термической обработкой, — снятие эффекта нагартовки. Более существенное влияние на механические свойства оказывает нагрев при сварке термообрабатываемых сплавов. Отрицательной особенностью таких сплавов является образование горячих трещин в зоне оплавления зерен. Ширина зоны оплавления существенно зависит от метода сварки.

При проектировании сварных конструкций из алюминиевых и магниевых сплавов необходимо учитывать также сложность их сварки на весу с полным проплавлением; большой коэффициент линейного расширения, что вызывает существенные деформации; высокую теплои электропроводность, приводящую к необходимости увеличения мощности источника энергии для их сварки. Алюминиевые и магниевые сплавы сваривают прежде всего аргоно-дуговой сваркой, в ряде случаев — электронно-лучевой сваркой, холодной сваркой, сваркой ультразвуком, взрывом и трением, особенно при соединении деталей из этих сплавов с другими металлами.

Сварка титановых сплавов. При сварке титановых сплавов существует вероятность появления холодных трещин из-за наличия в металле водорода, образующего хрупкие нестабильные гидриды, и появления метастабильной co-фазы, вызывающей изменение объема металла и образование внутренних напряжений. Длительное воздействие внутренних напряжений может привести к возникновению трещин. Для устранения возможности образования трещин проводят комплекс мер, повышающих чистоту металла по водороду: травление проволоки и деталей, вакуумный отжиг, механическую зачистку, обезжиривание. Для снятия внутренних напряжений сварные узлы после сварки подвергают отжигу при 650—750°С. Хрупкий, газоиасыщенный наружный слой деталей и узлов, проходивших обработку, связанную с нагревом на воздухе, снимают с помощью пескоструйной обработки и травления.

Наиболее распространенными методами сварки титановых сплавов является сварка аргоно-дуговая, электронно-лучевая, плазменная, автоматическая под слоем специальных бескислородных флюсов, элсктрошлаковая с применением этих же флюсов, контактная и термодиффузионная в вакууме. Все эти методы обеспечивают хорошую защиту металла от взаимодействия с атмосферой. Повышенная активность титана по отношению к газам при температурах > 400 °C требует защиты не только расплавленного металла, но и той части шва, которая нагрета до высокой температуры. При аргоно-дуговой сварке это достигается благодаря использованию хвостовика у сопла горелки, в который подается аргон, и специальных подкладок, позволяющих защитить аргоном обратную сторону шва. Более радикальным способом защиты является сварка в камерах с контролируемой атмосферой, когда деталь защищается равномерно со всех сторон. При электрошлаковой и автоматической сварке иод флюсом нагретые участки сварных соединений, не закрытые шлаком, защищают аргоном.

Сварка химически активных тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, цирконий, тантал, ниобий и др.). Особенности сварки тугоплавких активных металлов обусловлены следующим.

1. Высокой температурой их плавления. Если железо имеет температуру плавления 1539 °C, титан — 1725 °C, ниобий — 1950 °C, то молибден плавится при 2610 °C, тантал — при 2996 °C, а вольфрам — при 3410 °C.

• 2. Высокой химической активностью, но отношению к кислороду и азоту, которая существенно возрастает с увеличением температуры. В то же время даже небольшое содержание примесей способно отрицательно влиять на пластичность тугоплавких металлов, вызывает их хладноломкость и склонность к горячим трещинам.
• 3. Чувствительностью тугоплавких металлов к нагреву, который снижает механические свойства вследствие собирательной рекристаллизации.

Учитывая, что сварка тугоплавких химически активных металлов требует хорошей защиты от воздействия атмосферы и применения концентрированного источника нагрева, наиболее рациональными способами их сварки является сварка электронно-лучевая, термодиффузионная в вакууме, плазменная и дуговая в камерах с атмосферой аргона или гелия. В некоторых случаях, особенно для металлов малых толщин, применимы лазерная сварка, контактная и сварка трением.

Сварка разнородных металлов. Сварка разнородных металлов друг с другом, а также металлов с неметаллами (полупроводниками, керамикой) представляет собой сложный процесс, однако она имеет большое значение для производства.

При сварке плавлением важной характеристикой свариваемых разнородных металлов является предел их взаимной растворимости. При определенных условиях могут образовываться хрупкие интсрметачлические соединения, в результате чего возникают трещины и резко ухудшается пластичность сварного соединения. Поэтому, например, практически невозможна сварка плавлением непосредственно титана со сталью. В подобных случаях сварку плавлением стремятся осуществить в результате:

• • соединения металлов с преимущественным расплавлением одного из них и ограничением доли участия второго мстачла в наплавленном металле (сварка в твердо-жидком состоянии);
• • применения промежуточных металлов, свариваемость которых с каждым из соединяемых разнородных метачлов хорошая;
• • использования биметаллических вставок из свариваемых между собой материалов (такая вставка может быть получена при совместной прокатке, штамповке, прессовании, сварке трением или взрывом, иногда с последующей прокаткой или штамповкой; биметачлическую вставку обычными способами сваривают с каждым из метачлов, плохо свариваемых непосредственно друг с другом, но удовлетворительно свариваемых с металлом вставки).

Дополнительные трудности возникают при большой разнице в теплофизических свойствах: температуре плавления, теплопроводности, коэффициенте линейного расширения свариваемых материалов, что приводит к неравномерному оплавлению одной из кромок соединяемых деталей, возникновению значительных, но величине сварочных напряжений, а иногда — к образованию трещин.

Эти трудности в меньшей степени сказываются при сварке разнородных металлов давлением (термодиффузионная сварка в вакууме, холодная сварка, сварка ультразвуком, трением и взрывом) или плавлением, если используются сварочные источники с высокой концентрацией тепловой энергии — электронно-лучевая сварка в вакууме, сварка лазером. При сварке разнородных материалов, особенно обладающих низкой пластичностью, например керамики с металлом, часто применяется предварительный подогрев детали с последующим медленным ее охлаждением.