Свариваемость металла и технологическая прочность

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:

Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
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.
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.
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.
Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
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.
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:

Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
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:

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.
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.
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.
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:

При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
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:

Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
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.

Читать еще: Технологическая карта на сварочные работы скачать

Свариваемость низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые сплавы хорошо подаются свариванию. При этом можно отметить следующие моменты:

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.
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:

Закалка предусматривает увеличение концентрации углерода в поверхностном слое. Именно поэтому степень свариваемости существенно снижается.
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.

Технологическая прочность при сварке металла в процессе его кристаллизации (горячие трещины)

Технологическая прочность способность металла сопротивляться различным родам воздействия при его технологической обработки.

Под технологической прочностью сварного соединения понимают их способность сопротивляться деформациям без разрушений возникающих под воздействием термо деформационного цикла сварки.

Технологическая прочность при кристаллизации (горячие трещины), в результате фазовых превращений (холодные трещины).

Горячие трещины – хрупкое межкристаллитное разрушение металла шва или около шовной зоны в температурном интервале хрупкости. Основная причина образования горячих трещин – упруго пластическая деформация удлинения возникающая при охлаждении металла (усадка литого металла).

– темп деформации.

Температурный интервал хрупкости зависит от схемы кристаллизации наименьший будет при объемной схеме кристаллизации, наибольший при линейной схеме кристаллизации (при высокой скорости сварки); также зависит от кривой пластичности. Минимальной пластичностью обладает ячеистая, максимальной – дендритная.

Методы определения и склонности металла к образованию горячих трещин.

Разделяют на два типа:

1) Методы качественной оценки (методы проб)

2) Методы количественной оценки (машинный метод)

Методы проб не говорят о том, на сколько склонен тот или иной металл, а говорят только о наличии.

Критерий – критическая скорость разрыва.

Факторы влияющие на склонность металла к образованию горячих трещин.

1) Химический состав металла

2) Схема кристаллизации (тип структуры)

3) Темп деформации

Способ повышения стойкости св-ых соединений против образования горячих трещин.

1) технологическое применение св-х материалов режимов св-ки, способов и технологий обеспечивающих мелкозернистую структуру по возможности равноосную структуру Ме шва без хим-ой неоднородности.

2) Снижение темпа деформаций в темпер-ном интервале хрупкости. Рациональное конструирование сварного узла, многократное перемещение св-ых швов (повыш. к образованию горячих трещин), последовательность св-ых швов, применение соответствующих зажимных приспособлений. жесткую конструкцию н/о избегать и жёстких контуров.

2) Углекислый газ в области высоких температур диссоциирует на СО и О₂. На этот процесс расходуется часть тепловой энергии и дугового разряда

В точке О на оси столба дуги происходят резкое повышение температуры и диссоциация СО С каплями электродного металла, проходящими через дуговой промежуток, будет со прикасаться атмосфера, состоящая из 66,6% СО и 33,3% О₂. По отношению к металлу она окислительная:

Но в то же время большая концентрация СО будет тормозить этот процесс и, кроме того, задерживать окисление углерода стали:

Наличие в атмосфере дуги значительного количества кислорода требует дополнительного легирования сварочной проволоки кремнием (это примерно 1%) и марганцем (около 2%). Поэтому для сварки низкоуглеродистых сталей используют специальные сварочные проволоки (СвО8ГС, СвО8Г2С).

диссоциация паров воды, поступившей из-за повышенной влажности СО₂, тоже будет тормозиться вследствие высокой концентрации кислорода, полученного при диссоциации СО₂:

На участках, удаленных от оси столба дуги, будет происходить рекомбинация молекул СО₂ с большим выделением тепловой энергии, которая раньше расходовалась на диссоциацию газа (около 30% электрической мощности дуги):

Газовая атмосфера на участках, удаленных от оси столба дуги, будет обогащаться СО и водород, образовавшийся при диссоциации паров воды, будет связываться в молекулы Н₂O:

Таким образом, при сварке в струе углекислого газа металл поглощает водород в меньших количествах, чем при других видах сварки.

Чем больше конц. СО в газовой фазе тем меньше окислительная способность о.среды.

svarnoy.info

Архивы

Технологическая свариваемость конструкционных материалов

Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от многих факторов — химической активности металлов, степени легирования, структуры и содержания примесей. Чем химически более активен металл, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой, в первую очередь к окислению, тем выше в этом случае должны быть качество защиты и возможность металлургической обработки при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. При их сварке необходимо защищать от взаимодействия с воздухом не только расплавленный металл, но и прилегающий к сварочной ванне основной металл и остывающий шов с наружной и обратной сторон. Наилучшее качество защиты обеспечивают высокий вакуум и инертный газ высокой частоты. Высокой химической активностью при сварке отличаются и другие цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель и сплавы на их основе. Качество их защиты обеспечивается инертными газами, а также специальными электродными покрытиями и флюсами.

Читать еще: Технологическая карта сварки образец

При сварке сталей и сплавов на основе железа от взаимодействия с воздухом расплавленный металл защищают покрытиями, флюсами и защитными газами.

Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда других легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается. Для сварных конструкций в основном применяют конструкционные низкоуглеродистые, низколегированные, а также легированные стали. Главными трудностями при сварке этих сталей являются, склонность к горячим трещинам, чувствительность к закаливаемости и образованию холодных трещин, обеспечение равнопрочности сварных соединений. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше опасность трещинообразования, труднее обеспечить равномерность свойств в сварном соединении. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали известного химического состава является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле

где содержание углерода и легирующих элементов берется в процентах. В зависимости от эквивалентного содержания углерода и связанной с этим склонности к закалке и образованию трещин стали по свариваемости делят на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся стали (табл. №1).

Свариваемость металла и технологическая прочность

Main Menu

Классификация способов сварки — Технологическая прочность и свариваемость металлов

Технологической прочностью материала называют его способность воспринимать без разрушения напряжения и деформации, возникающие в процессе обработки. При сварке низкая технологическая прочность металла приводит к образованию трещин в металле шва и в зоне термического влияния. Различают два основных вида трещин: горячие и холодные.

Горячие трещины Горячие трещины образуются в процессе первичной кристаллизации, поэтому их называют иногда кристаллизационными трещинами. Выделяющиеся из затвердевающего металла примеси образуют легкоплавкие прослойки между кристаллитами. В то же время при охлаждении металла его объем уменьшается, в нем возникают растягивающие напряжения. Пока прослойки между кристаллитами еще жидкие, под действием этих напряжений кристаллиты легко смещаются относительно друг друга. Но при последующем охлаждении прослойки примесей затвердевают. Их прочность в это время значительно ниже прочности металла кристаллитов, прослойки разрушаются, образуются трещины. Отсюда вытекают три внешних признака горячих трещин, по которым их можно определить при внешнем осмотре сварного шва. Вопервых, горячие трещины всегда располагаются по границам зерен, значит, они не прямолинейные, а извилистые. Во-вторых, они могут образовываться, только если металл хотя бы частично расплавляется, значит, они могут располагаться только в металле шва или около шовной зоны. В-третьих, они образуются при высоких температурах, значит, поверхность металла внутри трещины окисляется на воздухе и в изломе трещины должны быть видны цвета побежалости. Склонность металла сварного соединения к образованию горячих трещин зависит от химического состава металла шва, формы шва и режима сварки, определяющего скорость охлаждения металла. Некоторые из легирующих элементов (например, хром) могут уменьшать, а некоторые (например, никель) — увеличивать склонность металла к горячим трещинам. Для сталей и жаропрочных сплавов влияние основных элементов можно оценить приближенно по отношению эквивалентного содержания хрома Сгэ и никеля Ni3: Сгэ = Сг + Мо + 2А1 + 2Ti + Nb | W | 0,5Та + l,5Si; Ni31 Ni +30С + 12В + Со + 0,5Мп. Здесь суммируются процентные содержания легирующих элементов в данной стали или сплаве. Если Сгэ/ Ni3 > 1, то данный материал не склонен к образованию горячих трещин, и наоборот. . Следовательно, для повышения технологической прочности можно регулировать состав металла шва, выбирая электродный или присадочный металл, содержащий больше легирующих элементов, увеличивающих Сгэ, если это не ухудшит заданные свойства сварного соединения. Форма шва определяет преимущественное расположение ликвационных прослоек между столбчатыми кристаллитами по отношению к растягивающим напряжениям, возникающим при усадке металла, а также величину этих прослоек. Узкий шов с глубоким проплавлением наиболее склонен к образованию горячих трещин. Столбчатые кристаллиты в нем растут навстречу друг другу, образуя в центре шва обширную ликвационную прослойку, которая расположена поперек преимущественного направления напряжений. При увеличении коэффициента формы шва |/ (см. подразд. 1.4.1), при увеличении ширины шва с той же глубиной проплавления кристаллиты располагаются под углом к оси шва и смыкаются только в верхней его части. Ликвационные прослойки невелики и расположены под углом к направлению напряжений. Стойкость такого шва против горячих трещин увеличивается, но при дальнейшем увеличении коэффициента формы шва вновь может снизиться, так как увеличиваются размеры ликвационных прослоек. Оптимальна форма шва с коэффициентом |/ = 3. 7. Уменьшить склонность сварных швов к горячим трещинам можно, уменьшая скорость сварки. При этом уменьшается скорость охлаждения, напряжения в металле нарастают медленнее, металл межкристаллитных прослоек успевает деформироваться без разрушения, трещины не образуются. Тот же эффект можно получить, подогревая детали перед сваркой до температуры 300. 400 °С. Наиболее эффективное средство борьбы с горячими трещинами это создание в сварочной ванне условий для образования мелкозернистой структуры с минимальной химической неоднородностью. Способы создания такой структуры рассмотрены в разд. 1.4.

Холодные трещины Холодные трещины образуются в процессе вторичной кристаллизации при температуре от 200 °С и вплоть до комнатной температуры. При такой температуре в металле уже произошли основные фазовые превращения, металл приобрел присущие ему механические свойства. Если в это время в нем появятся внутренние напряжения, которые, возрастая, превысят предел его прочности, то металл разрушится — образуются трещины. Появление в металле таких критических напряжений объясняется двумя причинами: увеличением объема металла при фазовых превращениях и выделением водорода из твердого металла. Первая причин а связана с разностью удельных объемов образующихся при вторичной кристаллизации фаз. Например, у аустенита он составляет 0,1275 см3/г, а у прочного, но малопластичного мартенсита — 0,1310 см3/г. При сварке закаливающихся сталей исходная твердая фаза — аустенит — при охлаждении почти полностью распадается, превращаясь в другие фазы, в том числе и в мартенсит. Металл при Щ этом увеличивается в объеме, как бы разбухает. Основные превращения Л: происходят при температурах выше 400 °С, горячий металл пластичен, ^ напряжений в нем не возникает. Чем больше скорость охлаждения, тем больше образуется мартенсита, происходит закалка, но в то же время больше остается аустенита, не успевшего распасться при высоких температурах. Его превращение в мартенсит медленно продолжается при низких температурах, при которых металл приобрел высокую прочность, но стал хрупким. Теперь в результате увеличения объема возникают и накапливаются внутренние напряжения, образуются трещины. Вторая причин а возникновения внутренних напряжений связана с различной растворимостью водорода в твердом и жидком металле. В процессе сварки ванна жидкого металла интенсивно растворяет водород. При затвердевании металла в твердой фазе образуется избыток водорода, его атомы выделяются из раствора и, скапливаясь в микропустотах и несплошностях сварного шва, образуют молекулы. Количество водорода в этих несплошностях растет, давление в них увеличивается, в окружающем металле возникают и накапливаются напряжения, образуются трещины. Оба эти процесса протекают медленно, холодные трещины могут образовываться спустя несколько часов или даже дней после сварки. Холодные трещины можно отличить от горячих по внешнему виду. Они образуются при низких температурах, когда межкристаллитные прослойки приобрели достаточную прочность. Поэтому трещины проходят как по границам, так и по телу зерна. Они ровные, не извилистые. Их излом белый, блестящий, окисление его поверхности не происходит. Располагаются холодные трещины как в металле шва, так и в зоне термического влияния, на участках, где происходили фазовые превращения с образованием твердой и хрупкой структуры. Склонность металла сварного соединения к образованию холодных трещин зависит от химического состава свариваемого металла, а также от режима и условий сварки, определяющих скорость охлаждения металла и возможность попадания водорода в сварочную ванну. Легирующие элементы, способствующие возникновению закалочных структур, увеличивают склонность сталей к холодным трещинам. Их совокупное влияние можно определить по эквивалентному содержанию углерода Сэ как сумму их концентраций в данной стали в процентах с учетом коэффициентов влияния: Стойкость против холодных трещин хорошая при Сэ 0,45. Увеличить стойкость сварного соединения против холодных трещин можно, изменяя параметры режима сварки так, чтобы уменьшить скорость охлаждения металла, уменьшая тем самым опасность возникновения хрупкого закаленного участка в зоне термического влияния. Для этого можно выбирать режим сварки с повышенной энергией, увеличивая мощность источника тепла или уменьшая скорость сварки. Применяют подогрев изделия после сварки или сопутствующий подогрев во время сварки, например газовой горелкой, высокочастотным индуктором, либо второй сварочной дугой. Мелкие детали после сварки можно укладывать в ящик с песком. Детали из сталей с плохой стойкостью против холодных трещин подвергают после сварки общей термообработке (отпуску) в печах. Для уменьшения количества водорода в сварочной ванне надо тщательно контролировать и просушивать электроды, газы, флюсы и другие вспомогательные сварочные материалы, а также кромки свариваемых деталей, не допуская попадания влаги в зону сварки. Для предупреждения образования как холодных, так и горячих трещин надо уменьшать жесткость деталей, изменяя их конструкцию. Например, вместо массивных деталей лучше применять тонкостенные, выполненные из листа или профильного проката. Это уменьшит скорость охлаждения и позволит снизить внутренние напряжения, возникающие в металле при сварке за счет свободной деформации нежесткой детали. Свариваемость металлов Одно из важных технологических свойств металлов — это их свариваемость, под которой понимают способность данного металла или сочетания разнородных металлов образовывать сварное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям к изделию. Для разных видов сварки свариваемость одного и того же металла может быть различной. Поскольку требования к сварному изделию различны и многообразны, различными могут быть и показатели свариваемости и способы ее определения. Из их числа можно выделить три основные группы испытаний на свариваемость. Это определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин, определение стойкости сварного соединения к образованию холодных трещин и проверка служебных характеристик сварного соединения. Испытания на определение стойкости металла к образованию горячих трещин производят на специальных установках, в которых сваривают образцы, принудительно деформируя их с различной скоростью во время сварки. О стойкости против трещин судят па критической скорости деформирования, при которой появляются трещины. Более простой способ испытаний — сварка жестких образцов технологической пробы различных конструкций. Примером могут служить тавровая проба с ребрами жесткости и кольцевая проба (рис. 17). Сначала сваривают шов 7, затем шов 2. О сравнительной стойкости испытываемого металла и пригодности режима сварки судят по отсутствию или наличию трещин в шве 2 и по их суммарной длине. Для определения стойкости сварного соединения к образованию холодных трещин также применяют два вида испытаний. Это способы количественной оценки склонности к трещинам путем нагрева и охлаждения образцов с различными скоростями при одновременном их деформировании в специальных машинах и технологические пробы, которые позволяют производить оперативные испытания. Наиболее распространены технологическая крестовая проба и проба Кировского завода (рис. 18). На крестовой пробе в указанной последовательности а накладывают четыре шва.

0 0 голоса

Рейтинг статьи