Свариваемость сталей: показатели и определение

Автор:

Редакция сайта Vtmstol

СОДЕРЖАНИЕ

Свариваемость сталей – это ключевой параметр для оценки пригодности детали к подобной обработке. Различные добавки в металл определяют его устойчивость к высоким температурам, а значит, без оценки свариваемости невозможно будет прогнозировать прочность и долговечность соединения.

С учетом сказанного выделяют несколько групп сталей по их свариваемости. В нашей статье мы расскажем об этой классификации, разберем нюансы работы с различными сталями и поговорим, как можно высчитать этот показатель.

Понятие свариваемости сталей

Под свариваемостью стали подразумевается ее свойство образовывать прочное соединение при проведении сварочных работ. Экспертиза качества полученного результата и готовности изделия к эксплуатации выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ 2601.

Каждый материал имеет собственные характеристики свариваемости.

Понятие свариваемости сталей

Оценив изменение свойств сварного соединения по отношению к основному металлу, можно выяснить степень свариваемости. Наличие множественных вариантов способа сварки и режимов, которые могут быть применены в ходе сварочных работ, говорит о высокой степени свариваемости. Одним из самых податливых с этой точки зрения материалов является малоуглеродистая сталь.

Реакцию металла на тот или иной способ сварки и его способность обеспечить качество сварного соединения, соответствующее необходимым эксплуатационным характеристикам, называется технологической свариваемостью.

Физическая свариваемость – это способность металла или сплава образовывать на границе основного и наплавленного материала прочное монолитное соединение. Данным качеством обладают все однородные металлы. Большая часть разнородных металлов неспособна обеспечить необходимые физико-механические процессы в зоне сплавления, а значит, таким качеством, как физическая свариваемость, не обладает.

К числу свойств металлов, на которые ориентируются при определении критериев свариваемости, относят:

характер реакции на тепловое воздействие, оказываемое на металл в процессе сварки;
его предрасположенность к росту зерна с сохранением прочности и пластичности;
изменение структуры металла в зоне воздействия высоких температур;
степень химической активности свариваемого материала и характер процесса окисляемости;
сопротивляемость к образованию пор и трещин в холодном состоянии и в момент разогрева.

Критерии свариваемости

В составе такого материала, как сталь, может содержаться различное количество кремния, марганца и других химических элементов. От того, в каких пропорциях они распределены, зависит так называемая раскисляемость материала. На основе данного показателя выделяют три вида сталей: кипящая – «кп», полуспокойная – «пс» и спокойная – «сп».

Классификация свариваемости сталей

Классификация сталей по свариваемости формируется с учетом такого показателя, как устойчивость к образованию трещин. В ней выделяют четыре основных варианта:

Хорошая свариваемость – показатель стали, в процессе обработки которой сохраняется ее прочность, а надежный шов способен выдержать серьезное механическое воздействие. Процесс сварки может идти без предварительного подогрева.
Удовлетворительная свариваемость также характеризуется отсутствием трещин, но в некоторых случаях для достижения нужного результата необходим предварительный подогрев и последующая термообработка.
Ограниченно свариваемые стали могут быть соединены без трещин только при условии тщательной предварительной подготовки и последующей термической обработки. Качественный шов удастся получить только в процессе использования специального оборудования.
Плохо свариваемые стали практически не могут быть соединены швами без трещин. Подогрев требуется не только в начале работы, но и на всем ее протяжении. Но даже максимум усилий не может обеспечить прочности швов и монолитности конструкций, поэтому для создания ответственных конструкций такие виды стали не используются.

Классификация свариваемости сталей

Исходя из особенностей присущих каждой группе и характеристик свариваемости стали, любой материал находит свое место в классификации. Так, сталь 20 относится к первой группе, а сталь 45 – к четвертой.

Разница между ними обусловлена следующими обстоятельствами:

Первая группа представлена металлами с минимальной концентрацией углерода. Именно это обеспечивает возможность работы с материалом без предварительного подогрева и заключительной термической обработки и позволяет снять напряжение металла.
Вторая группа также характеризуется отсутствием трещин, но, для того чтобы гарантировать результат, подогрев и термическая обработка материала уже необходимы. В противном случае повышенное напряжение стали может привести к образованию дефектов.
Третья группа предрасположена к образованию трещин, и процесс качественной сварки может быть обеспечен только при условии соблюдения всех особенностей работы с такими материалами.
Четвертая группа – это группа в которую входят стали, предрасположенные к образованию трещин. Проблема не решается ни в ходе предварительного разогрева, ни в результате последующей обработки. Добиться более высоких показателей свариваемости стали из этой группы можно только путем многоступенчатого улучшения.

Также показатели свариваемости могут быть улучшены благодаря азотированию стали или ее закалке.

Для улучшения качества и увеличения скорости работ, вы всегда можете воcпользоваться нашими верстаками собственного производства от компании VTM.

Определение свариваемости сталей

Важнейшим критерием при определении свариваемости материалов является содержание в металле соединений углерода. Для оценки свариваемости стали коэффициент углерода также является основным показателем.

Посчитать его можно по этой формуле:

Сэк = C + Mn / 6 + Cr + Mo / 5 + V + (Ni + Cu) / 15,

где:

Сэк — коэффициент углерода;
С — содержание углерода в %;
Mn — содержание марганца в %;
Cr — содержание хрома в %;
Mo — содержание молибдена в %;
V — содержание ванадия в %;
Ni — содержание никеля в %;
Cu — содержание меди в %.

Данные о коэффициенте Cэк стали позволяют выяснить, к какой группе свариваемости стали можно отнести данный образец. Руководствоваться при этом нужно следующими параметрами:

Группа 1 — сварка без ограничений — Сэк до 0,25 %.
Группа 2 — сварка в ограниченном режиме — Сэк от 0,25 до 0,35 %.
Группа 3 — затруднения в процессе сварки — Сэк от 0,35 до 0,45 %.
Группа 4 — сварка невозможна — Сэк более 0,45 %.

Влияние добавок на свариваемость сталей

Рассмотрим особенности сваривания легированных сталей, содержащих разное количество примесей. Данные для анализа приведены в следующей таблице:

Легирующая примесь	Описание примеси
Углерод (С)	Примесь, от содержания которой зависят такие важные свойства стали, как эластичность и прочность. Показатели свариваемости не будут снижаться даже при наличии в металле 0,25 % углерода. Более высокие значения уже недопустимы, так как это приведет к появлению в металле закалочных структур, которые в результате термического воздействия будут способствовать образованию трещин.
Сера (S) и фосфор (Р)	Сера и фосфор должны содержаться в стали в минимальном количестве и не превышать уровня 0,4–0,5 %. В противном случае результатом их присутствия станет появление красных тещин. Сера придает металлу такое негативное свойство, как красноломкость, а фосфор — хладноломкость.
Кремний (Si)	Уровень содержания этого раскислителя должен быть равен примерно 0,3 %. Это обеспечит сохранение свариваемости. Негативное влияние на это свойство будет оказано в том случае, если доля кремния составит 0,8–1 %. В результате свариваемость стали ухудшится по причине формирования тугоплавких оксидов.
Марганец (Mn)	Для сохранения свойств свариваемости содержание марганца необходимо держать на уровне, не превышающем 1 %. При показателях от 1,8 до 2,5 % в металле начнут образовываться закалочные структуры, наличие которых обеспечит появление трещин.
Хром (Cr)	Содержание хрома зависит от вида материала. В низкоуглеродистых сталях оно фиксируется в пределах 0,3 %, в конструкционных – от 0,7 до 3,5 %, в легированных – от 12 до 18 %, а в хромоникелевых – от 9 до 35 %. Наличие данной примеси провоцирует развитие коррозийных процессов и негативно влияет на результат из-за образования тугоплавких карбидов.
Никель (Ni)	Оптимальное содержание никеля в составе обычной стали соответствует 0,3 %. В легированных сталях показатель выше: для низколегированных это 5 %, а для высоколегированных — 35 %. Наличие примесей никеля не оказывает отрицательного влияния на характеристики стали. Благодаря ему уровень прочности и пластичности металла только повышается.
Ванадий (V)	Примесь ванадия в составе легированных сталей колеблется от 0,2 до 0,8 %. Она также положительно сказывается на степени прокаливаемости и таких свойствах материала, как пластичность и вязкость.
Молибден (Mo)	Количество примеси должно быть менее 0,8 %. Соответствие показателя данной норме положительно сказывается на прочности, но при этом в процессе сварки происходит выгорание данного компонента, и в наплавленном металле появляются нежелательные трещины.
Титан и ниобий (Ti и Nb)	Ниобий также может стать причиной появления трещин, если сварные работы происходят с участием сталей типа 1–18. Но умеренное содержание титана и ниобия в составе антикоррозионных и жаропрочных сталей повышает их устойчивость к негативным факторам внешней среды. Показатель в этом случае не должен быть выше, чем 1 %.
Медь (Cu)	Данный вид примеси не способствует улучшению характеристик свариваемости стали, хотя устойчивость к коррозии у таких материалов выше. Содержание примеси в стали соответствует 0,3 %. Если речь идет о низколегированных материалах, показатели колеблются от 0,15 до 0,5 %. У высоколегированных их значение составляет от 0,8 до 1 %.

Нюансы сварки различных видов стали

Углеродистые стали

Особенности свариваемости углеродистых сталей предполагают специфику выполнения сварочных работ. Так, при соединении деталей очень важно обеспечить особое расположение шва — «на весу». Для этого потребуются приспособления в виде скоб, струбцин и других фиксаторов, с помощью которых свариваемую конструкцию можно будет надежно закрепить на специальном столе.

Нюансы сварки различных видов стали

Если детали имеют существенную толщину и многослойная сварка осуществляется в несколько подходов, с лицевой стороны шва разрешают делать прихватки.

Основная задача мастера – добиться, чтобы прочность металла шва и околошовной области максимально соответствовала прочности остального металла.

Низкоуглеродистые стали

Это вид стали, в составе которой есть не только углерод, но и легирующие добавки, положительно влияющие на показатели ее свариваемости.

Сварка таких материалов может производиться любым способом и доступна даже тем специалистам, квалификация которых пока еще недостаточно высока.

Среднеуглеродистые стали

Содержат большое количество углерода, что осложняет процесс ведения сварочных работ. Возникают трудности, связанные с тем, что металл детали и сварного стыка обладает разными показателями прочности. Также нередко в районе кромок шва появляются трещины и очаги с очевидно выраженной хрупкостью материала.

Упростить задачу можно с помощью применения электродов, изготовленных из материалов с низким содержанием углерода.

Исключить возможность проплавления основного металла в результате повышения тока можно с помощью разделки кромок соединяемых деталей.

Если количество углерода приближено к его содержанию в высокоуглеродистых сталях, рекомендуется использовать специальный флюс.

Высокоуглеродистые стали

При сварке изделий из такого материала возникают ощутимые трудности. Особенности свариваемости данных марок стали вынуждают искать альтернативные способы соединения деталей конструкции.

Это может быть газовая сварка ацетиленом при условии, что мощность пламени горелки будет обеспечивать расход газа в пределах 75–90 дм³/ч на 1 миллиметр толщины шва.

Аустенитные стали

В составе таких материалов содержится аустенит. Это гранецентрированная модификация металла, проявляющая себя при высоких температурах. Его присутствие в хромоникелевых сталях обеспечивает возможность их использования в агрессивных средах и при больших значениях температуры.

Аустенитные стали

Сварка конструкций из аустенитных сталей с легирующими добавками хрома и никеля производится с использованием материалов с низким содержанием углерода. Это позволяет обеспечить отсутствие межкристаллической коррозии в околошовной зоне и избежать коррозионного растрескивания.

Нержавеющая сталь

Антикоррозийные свойства нержавеющие стали приобретают в результате введения в их состав хрома и никеля.

Свариваемость хромированных сталей имеет свои особенности. Так, при повышении температуры до 500 °C появляется вероятность окисления материала на стыках.

Предупредить эту проблему можно, используя аргонодуговую сварку или сварку TIG (ТИГ), технология которых предполагает отсутствие доступа кислорода в зону наложения шва. Это устраняет возможность окисления материала.

Инструментальные стали

Это материалы, обладающие твердостью и особой устойчивостью к механическим воздействиям. Они используются в процессе производства и ремонта слесарных и столярных инструментов и отдельных элементов промышленного оборудования.

К прочности и однородности сварных швов в данном случае применяются очень высокие требования. Они должны обеспечить отсутствие концентрации напряжений при работе.

Качественного результата можно добиться, используя в процессе сварки специальные электроды — УОНИ-13/НЖ/20Ж13.

Если речь идет о сварке углеродистых сталей узконаправленного применения, следует выбирать электроды, подходящие к параметрам свариваемости конкретных марок стали.

Читайте также: «Сварка нержавейки электродом»

Хорошая свариваемость стали — залог успешного результата. Материалов, хорошо поддающихся сварке и демонстрирующих антикоррозийные свойства, довольно много. Выбирайте их в соответствии со стоящими перед вами задачами и создавайте с помощью сварки прочные и надежные конструкции.

Свариваемость сталей

Оцените, пожалуйста, статью

Всего оценок: 5, Средняя: 3