Свариваемость стали: расчет и особенности состава

Понятие и таблица свариваемости стали

Свариваемостью стали принято называть степень, в которой она способна формировать качественное и прочное сварное соединение. Шов при этом должен обеспечивать требуемые эксплуатационные качества готового изделия – металлоконструкции, механизма, трубопровода и т. д. Иначе говоря, прочностные характеристики, плотность металла и другие свойства должны быть максимально близкими к таковым у материала соединяемых деталей.

Свариваемость может быть двух видов: физическая и технологическая. Первая относится к чистым металлам и техническим сплавам, которые образуют химические связи в сварном шве. Технологическая свариваемость – это совокупность характеристик металла в местах соединения, включая околошовную зону, которые должны обеспечивать требуемую надежность и долговечность при эксплуатации.

Различают четыре группы свариваемости стали по совокупности характеристик: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо поддающиеся сварке марки. При сваривании металлических элементов также огромную роль играет квалификация специалиста – у опытного сварщика качество швов всегда лучше, чем у стажера.

Приведенная ниже таблица содержит указание характеристик металла и особенностей режима сварки для наиболее часто применяемых сортов стали:

Пользуясь данными этой таблицы, можно избежать ошибок при подборе режима и способа сваривания для конкретного металла. Дополнительные условия при формировании сварных соединений требуются, как правило, при работе с углеродистыми и средне- или высоколегированными типами стали. Для сварки элементов из низкоуглеродистых и низколегированных марок металла особых ограничений не существует.

Примеси, влияющие на свариваемость стали

В отличие от углеродистых типов стали, которые содержат минимум примесей, легирование существенно меняет картину. Вредные добавки содержат в той или иной степени все стальные сплавы. К числу компонентов, отрицательно влияющих на свариваемость стали, относятся: сера, которая в концентрации выше 0,06 % приводит к образованию горячих трещин, и фосфор, который при объеме выше 0,08 % способствует холодному растрескиванию.

Перечислим легирующие добавки, оказывающие влияние на свариваемость стали:

• Медь. Наличие этого металла в составе стального сплава позитивно сказывается на его способности образовывать сварные соединения. Медные примеси делают материал шва более прочным, повышают его вязкость, пластичность и устойчивость к коррозии.
• Азот. Эта добавка уменьшает температуру в сварочной ванне. Образующийся при сваривании нитрид железа повышает твердость металла, но снижает свариваемость.
• Титан и ниобий. Присутствие в составе стального сплава этих двух элементов повышает свариваемость металла и компенсирует отрицательное воздействие на него других легирующих элементов.
• Вольфрам. Негативно сказывается на способности сплава образовывать сварные соединения, так как способствует повышению его окисляемости.
• Никель. Увеличивает пластичность и прочность стали. Концентрация этой добавки в легированных сталях – от 5 до 35 %.

• Хром. В небольших объемах (до 0,25 %) этот легирующий элемент не оказывает влияния на свариваемость. Только когда процентная доля превышает 1 %, способность к образованию сварных швов начинает падать. Появление тугоплавких оксидов понижает химическую стойкость металла, а в местах повышенной концентрации карбидов он становится чувствительным к коррозии.
• Молибден. Вводят в состав сплава, чтобы повысить пластичность и укрепить его. Однако возможно отрицательное влияние примеси на качество сварных швов.
• Кремний. Не являясь обязательной добавкой, сильно раскисляет стальной сплав и ухудшает свариваемость. Концентрация этого элемента свыше 1,5 % вызывает интенсивное образование тугоплавких оксидов и шлака.
• Марганец. Эта примесь не ухудшает свариваемости стали, но в концентрации более 1 % металл повышает вероятность образования трещин и формирует зоны термического влияния.
• Ванадий. Положительно сказывается на общих характеристиках стальных сплавов, повышая вязкость и пластичность.

С ростом процентной доли добавок свариваемость легированной стали становится все менее прогнозируемой.

Расчет свариваемости стали

Для того чтобы понять, как способность конкретного стального сплава зависит от химического состава, для повышения закаливаемости необходимо учитывать и легирующие добавки. Содержание каждой из них пересчитывается в эквивалентное по воздействию на способность к закаливанию количество углерода с использованием эмпирических коэффициентов. Для суммарного количества в металле углерода и эквивалентных ему легирующих добавок используют термин «углеродный эквивалент».

Формулы для его расчета составлены по ряду методик, дающих возможность определить, как химический состав низколегированной стали отражается на ее свариваемости:

• СЭКВ = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Си/15 (метод МИС);
• СЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод);
• [С]Х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана).

Цифрами здесь указано процентное содержание (в массовых долях) соответствующего химического элемента.

Свариваемость отдельных категорий стали

Углеродистые типы стали

Свариваемость углеродистых марок стали имеет ряд особенностей, поэтому сварочные работы требуют выполнения некоторых условий. К примеру, соединяя два элемента, следует расположить их таким образом, чтобы шов располагался «на весу», используя скобы, струбцины и другие подобные фиксаторы. Для работы с конструкцией нужно применять специальный рабочий стол.

При сварке толстых деталей либо в несколько слоев допустимо прихватывать элементы с лицевой стороны швов. Для того чтобы сформировать качественное соединение, необходимо, чтобы металл шва и околошовной зоны был по прочности максимально близок к прочности материала свариваемых деталей.

Низкоуглеродистые типы стали

Сварка деталей из таких марок стали, содержащих, помимо углерода, легирующие элементы, может осуществляться любыми методами и не требует от сварщика особого мастерства.

Среднеуглеродистые типы стали

Углерод, содержащийся в стали этой группы в довольно высокой концентрации, затрудняет сваривание. Проблема заключается в том, что прочностные характеристики металла соединяемых деталей и сварного шва разнятся. Кроме того, по краям мест соединений часто происходит растрескивание. Также возможно формирование очагов повышенной хрупкости.

От проплавления металл соединяемых деталей можно обезопасить, сделав разделку их кромок.

При сваривании сплава с содержанием углерода, приближающимся к этому показателю у высокоуглеродистых сталей, рекомендуется пользоваться специальным флюсом.

Высокоуглеродистые типы стали

Сварка заготовок из стали с высоким содержанием углерода связана с серьезными проблемами. Для сварочных работ с деталями из таких сплавов приходится прибегать к альтернативным методам.

Один из них заключается в сваривании ацетиленовыми горелками, которые должны обладать мощностью горения, требующей расхода ацетилена от 75 до 90 дм3/ч на 1 мм толщины швов.

Аустенитные типы стали

Стальные сплавы этой группы содержат гранецентрированную высокотемпературную модификацию металла или аустенит. Хромоникелевые виды стали с такой первичной кристаллической структурой применяются для изготовления деталей, эксплуатация которых связана с воздействием агрессивной среды и экстремальной температуры.

Для сварки деталей из аустенитной хромоникелевой стали используют электроды со стержнями из низкоуглеродистого металла, что дает возможность избежать межкристаллической коррозии в околошовной зоне и коррозионных трещин.

Нержавеющая сталь

Для придания стальным сплавам устойчивости к коррозии в их состав вводят хром и никель.

Особенности свариваемости хромированных типов стали приводят к высокому риску окисления металла на кромках соединяемых деталей при высокой (до +500 °С) температуре.

Для того чтобы избежать возможного окисления стали на стыках, прибегают к дуговой сварке неплавящимися электродами в защитной атмосфере аргона или TIG-сварке, которые исключают присутствие кислорода в рабочей зоне.

Инструментальные типы стали

Особая твердость и высокие механические характеристики стальных сплавов этой группы позволяют использовать их для изготовления рабочих частей режущих инструментов, оснастки, штампов и изделий, хорошо держащих кромку при высокой температуре.

Сварные швы в данном случае должны соответствовать очень высоким требованиям. В таких соединениях недопустима концентрация напряжений даже в самых экстремальных условиях эксплуатации.

Сваривание элементов из стальных сплавов этой группы производят специальными электродами, такими как УОНИ-13/НЖ/20Ж13.

Для сварки деталей специального назначения из углеродистой стали применяют электроды, точно подобранные в соответствии с особенностями свариваемости конкретного сплава.

Качество сварных соединений определяет свариваемость различных марок стали. В наше время существует множество различных сплавов, которые хорошо поддаются сварке и обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Для того чтобы получить прочные и долговечные изделия, важно подобрать металл, отвечающий конкретным требованиям.