Что понимают под физической свариваемостью металла
Свариваемость металлов или сплавов
При выборе материала для изготовления сварной конструкции конструктор в первую очередь базируется на свариваемости того или иного металла или сплава. Свариваемость является определяющим показателем и для инженера-технолога при разработке им технологии сварки заданной конструкции.
В соответствии с действующим стандартом на сварочную терминологию свариваемость это – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Следовательно, под свариваемостью металла (или сочетания металлов) следует понимать отношение металла (или двух свариваемых металлов) к совокупности физико-химических процессов, определяющих возможность получения сварного соединения без дефектов с требуемыми механическими и специальными свойствами. Другими словами, под свариваемостью понимают способность металла (сочетания металлов) образовывать в процессе сварки соединения, не уступающие по своим свойствам свариваемым материалам.
При рассмотрении свариваемости конкретного материала обычно решают следующие вопросы:
– какие дефекты возникают при сварке данного материала?
– какие причины их возникновения?
– какие меры нужно предпринять для их устранения?
В общем случае свариваемость материала есть комплексное свойство и оно тем выше, чем проще технология сварки, чем большее количество способов сварки может быть использовано для соединения материала, чем шире область параметров режимов, обеспечивающих заданные требования к свойствам соединения, чем шире номенклатура изделий, для которых могут быть использованы сварные соединения из данного материала.
Как и всякое комплексное свойство, свариваемость определяется химическим составом и физическими свойствами материала.
К факторам, наиболее сильно влияющим на свариваемость, следует отнести:
– химический состав материала, который определяет его металлургическую активность, температурный интервал кристаллизации, фазовый состав и структурные превращения на этапе нагрева и охлаждения;
– теплофизические свойства, которые определяют скорость процессов превращений, происходящих в материалах под воздействием сварочного цикла;
– механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов, без разрушения;
– специальные физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния.
Чем хуже свариваемость материала, тем сложнее технология сварки, тем больше мероприятий необходимо применять для получения качественного сварного соединения.
При сварке деталей из одного и того же материала процессы растворения, взаимной диффузии, образования твердых и жидких растворов, т.е. взаимной кристаллизации металла ничем не ограничены. Более сложная ситуация может возникать при сварке разнородных металлов. В этом случае предварительно приходится рассматривать физическую (или принципиальную) свариваемость свариваемых материалов.Если рассматривается возможность получения качественного сварного соединения деталей из одного и того же металла (или сплава), то в этом случае анализируется технологическая свариваемость данного материала.
Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надёжности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.
Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газов, от конструктивных особенностей свариваемого изделия (его жесткость, наличие остаточных напряжений, концентраторов и т.д.) и условий его последующей эксплуатации.
Основные критерии технологической свариваемости следующие:
– окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;
– сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;
– сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;
– чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;
– чувствительность к образованию пор;
– соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям – прочности, пластичности, выносливости, ползучести, вязкости, жаростойкости и жаропрочности, коррозионной стойкости и др.
Следовательно, под хорошей свариваемостью сталей понимают возможность получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом, без трещин и снижения пластичности как в металле шва, так и в околошовной зоне при обычной технологии сварки, без применения специальных приемов (например, предварительного подогрева). При этом все зоны сварного соединения должны обладать стойкостью против перехода в хрупкое состояние при рабочих температурах наравне с основным металлом.
Если рассматривается свариваемость легированных сталей, предназначенных, например, для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях контакта с агрессивной средой, то кроме вышеперечисленных требовании, необходимо, чтобы металл шва в зоне термического влияния обладал также и высокой коррозионной стойкостью. Лишь при обеспечении всех перечисленных требований, предъявляемых к сварному соединению при сварке по обычной технологии, данная сталь будет обладать хорошей свариваемостью.
Чем сложнее условия работы конструкции, тем большее число свойств должно учитываться при определении свариваемости.
Таким образом, разница между металлами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние для получения сварных соединений с комплексом свойств, отвечающих условиям эксплуатации, должны свариваться по более сложной технологии, например, с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термообработкой сварных изделий, в некоторых случаях в специальных камерах с контролируемой атмосферой или в вакууме, иногда с предварительной наплавкой кромок и термообработкой перед сваркой и т.д.
Значительное усложнение технологии изготовления того или иного изделия в некоторых случаях заставляет отказываться от данного материала и изыскивать другой, применение которого упростит технологию сварки при обеспечении требуемых свойств сварной конструкции.
Удовлетворительная свариваемость должна обеспечивать соответствие сварного соединения определенным технологическим требованиям. Поскольку такие требования весьма разнообразны, различными могут быть и показатели, применяемые для оценки свариваемости. В связи с этим существует ряд испытаний для оценки свариваемости. Из них наиболее часто применяются такие:
1) определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин;
2) определение стойкости металла шва и околошовной зоны к образованию холодных трещин;
3) в сопоставлении с основным металлом определение стойкости металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние;
4) проверка служебных характеристик металла шва и сварного соединения (механических свойств, стойкости против коррозии, износостойкости и т.д.).
Мерой количественной оценки свариваемости металлов служат численные значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании и нормативного значений определяемого свойства сварного соединения (или его участка).
Если необходимо обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла, то в качестве нормативного значения определяемого свойства сварного соединения принимают нормативное значение одноименного свойства основного металла в соответствующем состоянии – исходном или после термической обработки. При невозможности обеспечить одинаковые свойства соединения и основного металла нормативные значения ряда свойств сварного соединения устанавливают на основе опыта эксплуатации сварных конструкций или по результатам специальных испытаний. Такие испытания должны учитывать конструктивные особенности данных сварных соединений и моделировать условия их эксплуатации.
В необходимую и достаточную совокупность показателей для оценки свариваемости металла следует включать те из них, которые в наибольшей степени обеспечивают технологическую и эксплуатационную надёжность заданных конструкций при изготовлении их из данного металла выбранным способом сварки.
Если хотя бы один показатель свариваемости не удовлетворяет предъявленным требованиям, металл считают обладающим плохой (неудовлетворительной) свариваемостью при выбранном способе и технологии сварки.
В зависимости от назначения испытания для оценки свариваемости металлов подразделяют на следующие группы.
Испытания исследовательские. В процессе этих испытаний исследуют основной металл и разные участки сварных соединений, полученных при различиях режимах и способах сварки. Условия испытаний должны соответствовать условиям эксплуатации сварных соединений. Результаты испытаний используют при разработке оптимального состава сплавов и основ рациональной технологии их производства, обеспечивающих получение металла с требуемыми свойствами и свариваемостью, а также при выборе способов и разработке технологии сварки типовых соединений. На основе результатов этих испытаний устанавливают:
а) нормативные значения свойств сварного соединения и отдельных его зон и участков;
б) пределы допускаемых при сварке параметров термического цикла, необходимые для расчетного определения режимов сварки;
в) типы и марки электродов, сварочной проволоки и прутков, флюсов, защитных газов и других сварочных материалов, обеспечивающих наиболее высокий уровень свойств сварных соединений;
г) методы испытаний данного материала, необходимые и достаточные для оценки его свариваемости применительно к типовым условиям эксплуатации сварных соединений.
Испытания технологические. Это ведомственные или межведомственные испытания, проводимые в научно-исследовательских лабораториях при разработке рациональной технологии сварки типовых конструкций определенного назначения с целью оценки пригодности металла данной марки для этих конструкций и установления ведомственных нормалей на свойства сварных соединений. Испытания этой группы выполняют по утвержденным нормалям и типовым программам ведомств-изготовителей сварных изделий. Кроме лабораторных стандартных образцов в этих испытаниях применяют натурные образцы сварных узлов и конструкций или их модели.
Испытания контрольные. Проводятся заводом-поставщиком металла для определения действительных значений свойств отдельных участков сварного соединения в целях подтверждения его кондиционности, а также заводом-потребителем в целях проверки соответствия показателей свариваемости металла требованиям технических условий на его поставку.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Физическая свариваемость
Физическая свариваемость характеризует принципиальную возможность получения монолитных сварных соединений и главным образом относится к разнородным металлам. [3]
Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне плавления свариваемых материалов. [4]
Отношение металла к конкретному способу сварки и режиму принято считать технологической свариваемостью. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение. [9]
Под свариваемостью понимается свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне плавления свариваемых материалов. [10]
В сварочной практике различают свариваемость физическую и технологическую. Под физической свариваемостью понимают принципиальную возможность получения неразъемных сварных соединений, что особенно важно для разнородных металлов и сплавов, склонных к образованию трещин при сварке. Технологическая свариваемость отражает реакцию материала на тепловое, силовое и металлургическое воздействие сварки. [11]
Различают физическую и технологическую свариваемость. Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. [12]
Понятие о свариваемости материалов
Свариваемость это свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, конструкции и эксплуатации изделия.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физическая свариваемость – свойство материалов образовывать монолитное соединение с межатомной связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.
Технологическая свариваемость это характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.
Технологическая свариваемость зависит от физических и химических свойств материала, его кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и пр.
Основные критерии технологической свариваемости являются:
— окисляемость металла при сварочном нагреве
— сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин
— чувствительность металла к тепловому воздействию, характеризующаяся склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств
— чувствительность к преобразованию
— соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным свойствам
— обеспечение качества формирования сварного шва
— удовлетворение требованиям минимальных (допустимых) напряжений и деформаций.
Свариваемость сталей зависит от степени легирования, структуры содержания примесей. Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда лигирующих элементов свариваемость сталей ухудшается.
Чем выше содержание углерода в стали, тем выше опасность образования холодных и горячих трещин. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле Сефериана [1]
, (1)
На количественное значение эквивалента углерода для каждой группы свариваемости существенное влияние оказывает толщина свариваемой стали, определяемая размерным эквивалентом углерода.
Размерный эквивалент углерода Ср равен
где S – толщина свариваемой стали в мм, 0,005 – коэффициент толщины, определенный экспериментально.
Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода, легированные Cr, Mn, Ni и другими элементами склонны при сварке к образованию в зоне термического влияния неравновесной мартенситной структуры, интенсивность образования которой возрастает с увеличением содержания углерода и легирующих элементов. На образование закалочных структур в околошовной зоне влияют также выбранные режимы сварки, так как они определяют температуру нагрева и скорость охлаждения. Для снижения интенсивности образования мартенситных прослоек в зоне термического влияния, которые могут привести к образованию холодных трещин требуется применение специальных технологических мер. Наиболее эффективными из которых является снижение скорости охлаждения околошовной зоны путем предварительного подогрева. При выборе температуры предварительного подогрева закаливающихся сталей следует учитывать, что недостаточный подогрев приводит к повышению вероятности появления холодных трещин, а излишне высокий снижает пластичность и особенно ударную вязкость стали вследствие чрезмерного роста зерен аустенита (Ас3 + 100°С).
Определение необходимой температуры предварительного подогрева производится с учетом полного эквивалента углерода
Температура предварительного подогрева ровна
Тп = 350 
, (4)
где 350 – температура в градусах Цельсия, принятая как наиболее характерная для конструкционных и теплоустойчивых сталей;
[C] –полный эквивалент углерода;
0,25 – определенное содержание углерода, при котором углеродистые стали не закаливаются и не возникает трещин в зоне термического влияния сварного соединения.
В некоторых случаях размерный коэффициент не учитывают. При этом эквивалент углерода определяют по выраженению [2].
. (5)
Температура предварительного подогрева в этом случае определяется по графику (рис.1).
 |
Рис.1 Зависимость температуры предварительного подогрева от эквивалента углерода в стали
Свариваемость сталей: что это, таблица классификаций и групп
Понятие о свариваемости
Свариваемостью называется свойство металла (или другого материала) образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия (ГОСТ 2601).
Свариваемость различных металлов и их сплавов существенно отличается.
Степень свариваемости оценивают изменением свойств сварного соединения по отношению к основному металлу. Степень свариваемости сплава тем выше, чем больше способов сварки и режимов при каждом способе можно применить. Примером хорошей свариваемости является малоуглеродистая сталь.
Под технологической свариваемостью понимают отношение металла к конкретному способу сварки и режиму.
Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, по завершении которых образуется неразъемное сварное соединение. Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Свойства разнородных металлов зачастую препятствуют протеканию необходимых физико-механических процессов в зоне сплавления. В этом случае металлы не обладают физической свариваемостью.
Критерии свариваемости сталей
При определении критериев свариваемости металлов и их сплавов ориентируются на следующие их свойства:
Большое влияние на качество сталей оказывает так называемая их раскисляемость, которая характеризуется содержанием марганца, кремния и некоторых других элементов и равномерностью их распределения. По этому параметру различают три вида стал ей: кипящая – «кп», полуспокойная – «пс» и спокойная – «сп».
Кипящая сталь отличается большой неравномерностью распределения вредных примесей (особенно серы и фосфора) по толщине проката и получается при неполном раскислении металла марганцем. Характерной особенностью этого вида сталей является склонность к старению и образование кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне, что приводит к переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.
Спокойная сталь получается при равномерном распределении примесей, поэтому она менее склонна к старению и меньше реагирует на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь занимает промежуточное значение между кипящей и спокойной.
Все эти свойства учитывают при выборе технологических приемов сварки, способов формирования сварочного шва, параметров теплового воздействия и т.д. В качестве примера приведем свариваемость сталей, как наиболее распространенных конструктивных материалов.
Для сварных конструкций лучше всего использовать низкоуглеродистые и низколегированные стали, обладающие высокой степенью свариваемости. Наибольшее влияние на качество сварного соединения оказывает углерод. Увеличение содержания углерода и ряда других легирующих элементов снижает свариваемость сталей, ухудшая качество шва. Сварные соединения высокоуглеродистых и высоколегированных сталей отличаются повышенным содержанием трещин и выполняются по специальной технологии.
Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами плавления. Получение же при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно у термоупрочненных сталей, вызывает определенные трудности. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих швов эти зоны становятся участками деформационного старения. Это в конечном итоге приводит к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к появлению холодных трещин. В среднелегированных сталях увеличивается склонность к закалке, в связи с чем такие стали имеют высокую чувствительность к термическому циклу сварки. Их околошовная зона оказывается резко закаленной, а следовательно, и непластичной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Поэтому с целью снижения скорости охлаждения околошовной зоны при сварке этих сталей необходим предварительный подогрев свариваемого изделия.
При сварке высоколегированных хромистых 08X13, 08Х17Т и некоторых других сталей существуют отличительные особенности:
Сварку таких сталей необходимо выполнять с минимальным тепловложением, так как с увеличением погонной энергии возрастает склонность зон сварного соединения к росту зерен, появлению микротрещин и падению пластичности. При этом снижается сопро-тивляемость сварного соединения локальным повреждениям и межкристаллической коррозии. В процессе сварки возникает опасность коробления и появляется повышенный уровень остаточных напряжений. После сварки в ряде случаев требуется термообработка.
Окисляемость металла под термическим действием сварочной дуги определяется его химической активностью. От этого напрямую зависит степень защиты сварочного шва, применяемого при сварке. Чем выше химическая активность металла, тем качественнее должна быть защита. Наибольшей химической активностью отличаются титан, ниобий, цирконий, вольфрам, молибден, тантал и некоторые другие. Поэтому при сварке этих металлов недостаточно применение флюсов и защитных покрытий, так как в защите нуждаются не только сварочный шов, но и прилегающая к нему область. Самой эффективной защитой в данном случае служит сварка в вакууме или в среде инертного газа высокой чистоты.
Влияние легированных примесей на сваривание стали
Сталь для сварочных конструкций может применять различная, но стоит учитывать, что ее свариваемость зависит в первую очередь от наличия в ее составе легированных примесей. Именно химический состав оказывает основное влияние на данный процесс.
Ниже в таблице приведены основные легирующие примеси, которые влияют на степень свариваемости различных видов стали.
Влияние основных элементов на свариваемость сталей
Углерод, если его в стали менее 0,25%, свариваемость не ухудшает, а при большем его содержании свариваемость ухудшается, поскольку в зоне термического воздействия образуются закаленные структуры, что имеет следствием образование трещин. Если повышенное содержание углерода отмечается в присадочном материале, это приводит к пористости шва.
Марганец при его содержании не более 0,8% свариваемость не ухудшает, но при превышении этого показателя велики риски появления трещин из-за того, что этот элемент способствует закаленности стали.
Кремний в пределах 0,02–0,35% никак не воздействует на качество сваривания, а при содержании от 0,8 до 1,5% существенно затрудняет сварку по причине повышенной жидкотекучести и образования тугоплавких оксидов кремния.
Ванадий способствует закаленности стали, что усложняет процесс сварки. При сваривании ванадий, активно окисляясь, выгорает.
Вольфрам повышает прочность стали и усложняет сварку по причине сильного окисления.
Никель повышает пластичность и мощность, при этом не ухудшая свариваемость стали.
Молибден при сварке активно окисляется и выгорает, способствуя образованию трещин.
Хром, образующий тугоплавкие карбиды, значительно затрудняет сварку.
Ниобий и титан в процессе сварки соединяются с углеродом и препятствуют образованию карбида хрома, способствуя улучшению свариваемости.
Медь улучшает свариваемость, повышая прочность и пластичность стали, делая ее более устойчивой к коррозии.
Кислород работает на снижение пластичности и прочности стали, ухудшая ее свариваемость.
Азот обладает способностью создавать нитриды, то есть химические соединения с железом, которые повышают твердость и прочность, существенно снижая показатели пластичности стали.
Водород негативно сказывается на свариваемости, поскольку он накапливается в шве, вызывая образование пор и мелких трещин.
Фосфор – вредная добавка, повышающая твердость стали и делающая ее более хрупкой, что приводит к образованию холодных трещин.
Сера крайне нежелательна, поскольку она способствует быстрому образованию горячих трещин. При превышении содержания серы свариваемость резко ухудшается.
Факторы, определяющие свертываемость стали
Степень сваривания стали для изготовления сварных конструкций может зависеть от следующих факторов:
Классификация сталей по свариваемости
Сварка стали 45, 40, 20 и других марок в зависимости от важных качеств металлической основы может иметь различные характеристики.
В зависимости от степени свариваемости сталь разделяют на несколько групп:
Распределение сталей по группам свариваемости
С учетом всех перечисленных факторов, свариваемость стали имеет различные характеристики.
Классификация сталей по свариваемости.
Группы свариваемости сталей позволяют легко ориентироваться в технологических особенностях сварки конкретных марок железоуглеродистых сплавов.
Прямая зависимость
В процессе сварки в зоне наложения соединительного шва происходит нагрев металла выше критической температуре. В результате образуется аустенит – так называют высокотемпературную гранецентрированную модификацию железа и его сплавов. Остывая, аустенит превращается в новую структуру, параметры которой зависят от скорости охлаждения и происходящих в материале термокинетических изменений. Непосредственное влияние на эти изменения оказывает химический состав стали. Это означает, что для правильного выбора технологии и создания качественного сварного соединения необходимо заранее знать характеристики свариваемости. Ведь при использовании сталей марки 15Г или 20Н2М приходится использовать другие технологии, чем при работе со сталями марки 35 или 45.
Формула определения свариваемости стали
Если известен химический состав стали, можно определить ее свариваемость по эквивалентному содержанию углерода. Для этого используют формулу:
С экв. = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10.
Цифры в этой формуле – это постоянные величины, а символы каждого из химических элементов обозначают максимальное включение его в сталь определенной марки, выражаемое в процентах.
Эквивалентное содержание углерода, полученное по этой формуле, является указанием на свариваемость сталей, которые можно условно разделить на четыре группы:
О хорошей свариваемости низкоуглеродистых сталей можно судить по прочному сварному соединению с основным металлом без трещин и снижения пластичности в околошовной зоне.
Свариваемость легированных сталей оценивается по возможности получения соединений, устойчивых к образованию трещин и закаленных структур, а также по снижению прочности, коррозии и так далее.
Однородные металлы свариваются гораздо легче, чем разнородные. Металл шва и металл зоны термического воздействия являются неоднородными. Признак неудовлетворительной свариваемости – склонность к образованию трещин, категорически недопустимых в сварных соединениях.
Характеристикой свариваемости термически упроченных сталей является склонность к снижению прочности в зоне термического воздействия при температуре 400-720º C, в зависимости от температуры отпуска стали при ее изготовлении на заводе. Таким образом, изготовление прочной сварной конструкции возможно только при условии детального изучения и учета свариваемости стали.
Группы свариваемости
Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:
Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.
Требования к сварке сталей с содержанием углерода
Высокие качество, прочность и долговечность соединений достигаются при соблюдении следующих условий:
Параметры процесса термообработки зависят от состава стали.
Сваривать возможно абсолютно все марки стали.
Возможные трудности при сваривании
В ходе работ исполнитель может столкнуться с такими проблемами:
Процесс сваривания зависит, главным образом, от содержания в стали углерода.
На количество углерода в шве влияет:
Отсюда следует, что предотвратить появление растрескивания помогут такие меры:
Как подготовиться к сварке
Перед выполнением работ необходимо:
Последняя операция нужна для удаления влаги из обмазки. Без этого шов не получает защиты от окисления и насыщается водородом.
Описание стали 45
Конструкционная сталь 45 применяется в промышленности: станкостроении, на производстве автомобилей и прочей техники, инструментов. Отличается хорошими характеристиками: высокой ударной прочностью, пластичностью, устойчивостью к различным нагрузкам – статическим и динамическим. Стандарт проката: ГОСТ 1050-88. Группа свариваемости: третья. Применяемые сплавы-заменители: 40Х, 50, 50Г2. Отличается также следующими характеристиками:
Число 45 указывает на повышенное содержание углерода в сплаве – 0,45%. Это осложняет процесс сварки деталей: может приводить к появлению горячих (во время нагрева) и холодных (после остывания) трещин.
Допустимое содержание элементов:
Чаще всего поставляется в виде листов или полос разной толщины. Рекомендуется разрезать при помощи плазменной резки, что позволит избежать перегрева кромок, или механическими способами.
Технология сварки
До проведения работ необходимо прогреть детали до 150-200 градусов по Цельсию. После этого выполняются сварочные работы. Затем готовое изделие должно медленно остывать. Такой способ уменьшает вероятность образования трещин.
Сварочные работы производятся с применением покрытых электродов Есаб ОК 68.81, УОНИ 13/55, Lb-52U, при помощи полуавтоматической сварки в углекислом газе проволокой ESAB OK Autrod 312 и ESAB OK Autrod 16.95 или в среде аргона.
По окончании работы рекомендуется поместить деталь в печь и прогревать при температуре 400-450 градусов по Цельсию (процесс нормализации) около 1 часа.
После полного остывания изделия необходимо выполнить испытания в зависимости от назначения конструкции: на разрыв, кручение, ударные нагрузки или изгиб. Если создаются ответственные металлоконструкции, то для проверки рекомендуется обращаться в специализированные организации, которые проводят тесты готовых соединений.
Ручная дуговая сварка осуществляется в соответствии с ГОСТ 5264-80, где указаны типы применяемых соединений и конструктивные элементы с информацией об их размерах.
Как получить надежное соединение. Сварка с другими металлами
Поскольку сталь 45 при сварке подвержена появлению трещин, рекомендуется либо проводить тщательную проверку швов, либо дублировать соединения при помощи болтов, шпилек или заклепок.
Если изделие предполагается сваривать с иными сплавами, то рекомендуется создать образец. После анализа результата можно разработать оптимальную технологию.
Виды и технологии сварки углеродистых сталей
Одним из основных критериев для достижения оптимального качества шва является максимальное приближение его физико-химических характеристик к показателям основного сплава. Равнопрочность и однокомпонентность свариваемой стали и присадочных компонентов позволяют получать максимально прочные соединения.
Поскольку качество свариваемости понижается с повышением процента содержания углерода, то основные марки сталей можно разделить на две группы:
Для преодоления проблем, возникающих при сваривании стали, были разработаны технологии сварки, позволяющие создавать необходимые условия. Ниже предоставлены основные направления разработок по этой теме.
Этот способ предполагает использование электрической дуги для нагрева металла до жидкого состояния. Технология возникла более 100 лет назад и за этот период заняла доминирующее место, почти полностью вытеснив некоторые виды соединений, например, склепывание.
Применение высокотемпературной сварочной дуги значительно сужает необходимую зону прогрева, что сохраняет качество соединяемых деталей. Стабильность горения и быстрота прогрева электрической дуги позволили создать ряд направлений в разработке сварочного оборудования.
Сварка происходит вследствие горения дуги между кончиком электрода и деталью, при этом электрод плавится, заполняя сварочную ванну. Для предотвращения окисления расплавленного металла, электроды покрываются обмазкой, которая при оплавлении покрывает шов защитным слоем шлака. После остывания шлак удаляется отстукиванием.
Сварочные аппараты такого типа успешно работают как от сети 220 Вт, так и от 380 Вт. Низкие требования и компактные размеры современных сварочных аппаратов позволяют их применять от самых труднодоступных мест, на высотных объектах, до применения в быту.
Тип сварочной дуги может быть как постоянным, так и переменным. Аппараты постоянного сварочного тока обладают большим функционалом вследствие более высоких характеристик сварочной дуги.
Для разных типов свариваемого металла применяются электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Главным критерием для подбора марки электродов является образование равнопрочного сварочного шва, без внутренних трещин и хрупких интерметаллических зон.
Для произведения дуговой сварки углеродистых сталей с удовлетворительной свариваемостью, целесообразно применять постоянный сварочный ток.
MMA сварка на данный момент является самым распространенным и часто применяемым видом сварки вообще.
Нагрев металла при таком способе происходит вследствие горения дуги между вольфрамовым электродом и деталью. Заполнение металлом сварочной ванны происходит благодаря подаче присадочной проволоки непосредственно в зону плавления.
Горелка сварочного аппарата такого типа подает аргон в зону нагрева. Этот инертный газ не только защищает расплавленный металл от окисления, но благодаря ионизирующим способностям приводит к стабильному горению дуги.
Повышенные параметры сварочных характеристик позволяют производить работы, требующие особой прочности и аккуратности. TIG сварка особенно оправдана при использовании для соединения легированных инструментальных сталей.
Сваривание происходит вследствие горения дуги между подаваемой проволокой и деталью. Проволока подается в автоматическом режиме и является заполнением для сварочной ванны. Горелка устроена таким образом, чтобы подавать защитный или инертный газ в зону плавления.
Полуавтоматическая сварка благодаря высокой производительности и аккуратности сварочных швов прочно заняла свое место в промышленности.
Дуга на кончике вольфрамового электрода ионизирует поток атомов аргона, что образует плазменный факел, плавящий металл. Благодаря эффекту плазмы происходит более глубокое проплавление стали, увеличивается качество и прочность швов.
Оборудование для газо-плазменной сварки обычно производится в промышленном формате. Зачастую, это полностью автоматические комплексы, контролируемые исключительно при помощи программного обеспечения.
Благодаря этой технологии появилась возможность сваривать толстый металл за один проход, что значительно улучшает качество сварочного шва.
Разогрев металла происходит из-за прохождения электрической дуги через токопроводящий шлак (флюс). В слой шлака вживлены металлические электроды, которые при расплавлении шлака, перенимают токопроводимость на себя, гася тем самым дугу. Последующее бездуговое нагревание происходит исключительно из-за сопротивления металла электрическому току.
Сваривание производят обычно в направлении снизу вверх, ограничивая место сварки медными охлаждаемыми ползунами. Такой способ весьма удобен для заполнения толстых швов нелинейной конфигурации.
Плавление металла производится высокотемпературным факелом сжигаемого горючего газа в среде чистого кислорода. Смешение газов происходит в специальной газопламенной горелке, которая оснащена рукоятками управления интенсивности подачи горючей смеси.
Сварочная ванна заполняется металлом благодаря присадочной проволоке, которая подается в зону плавления.
Для газовой сварки далеко не каждый горючий газ будет приемлемым. Например, пропан имеет примеси, которые окисляют расплавленный метал, шов получается рыхлым и бесформенным.
Технология газовой сварки углеродистых сталей подразумевает использование традиционного ацетилена или более новомодного МАФа.
Недостатком газосварки является ее низкая производительность, повышенные трудозатраты, дороговизна расходных компонентов. Развитие различных технологий электросварки постепенно вытеснило газосварку из повсеместного использования.
Перечисленный ряд способов сварки является наиболее популярным, но далеко не полным. Эта отрасль постоянно развивается. Существуют термитная, электролизерная, лазерная, химическая сварки. Даже способ сваривания трением нашел свое место в определенных отраслях производства. Среднеуглеродистые и низкоуглеродистые марки сталей в обозримом будущем вряд ли утратят свою популярность, скорее наоборот. Так что, развитие перспективных технологий сварки еще надолго останется востребованной отраслью.
Области применения метода ручной дуговой сварки
Ручная дуговая сварка с использованием штучных электродов применяется очень широко практически во всех отраслях промышленности, в бытовых условиях, в некоторых случаях – в сельском хозяйстве (в первую очередь, при осуществлении ремонтных работ имеющейся техники и используемых металлоконструкций).
Оборудование, которое в настоящее время используется для ручной дуговой сварки, стало более надежным и простым в результате развития электротехнической промышленности, и такое его совершенствование сделало возможным выполнять сварочные работы тем людям, которые обладают минимальными знаниями о сварке.
Однако, несмотря на относительную простоту данного метода в сравнении с другими методами осуществления сварки, следует понимать, что качество создаваемого шва напрямую зависит от того, какие подобраны материалы и насколько тщательно сварщик произвел предварительную подготовку деталей, подлежащих свариванию.
Особенности и требования, предъявляемые к стали 40Х
Вся выпускаемая металлопродукция, и сталь 40Х в том числе, должна соответствовать требованиям государственных стандартов.
ГОСТ 4543 от 2016 года определяет состав и требуемые эксплуатационные качества материала.
Для каждого вида изделий из этой стали существуют свои ГОСТы, которые регламентируют особенности всего выпускаемого ассортимента.
Сталепрокатная промышленность выпускает из марки стали 40Х три вида заготовок: круг, шестигранник и лист.
Технология сварного соединения изделий
Шаг 1. Подготовка металлических деталей:
Шаг 2. Подготовка кромок металла под сварку. Этот пункт особенно актуален при работе с толстыми заготовками (более 3 мм):
Шаг 3. Подготовка инструментов и оборудования:
Шаг 4. Прогрев деталей до начала сваривания.
Сталь 40Х является чувствительной к перепадам температур и образованию трещин из-за этого. Прогревать деталь нужно газовой горелкой перед любым видом сварки.
Шаг 5. Точечно прихватить соединяемые части.
Чтобы избежать деформации или сдвига свариваемых деталей, практично сделать точечный прихват по всей длине планируемого сварного шва.
Шаг 6. Сварочный процесс выбранным методом.
Шаг 7. Прогрев сваренных деталей.
После сваривания прогрев нужен для снятия напряжения в деталях и выпаривания остатков водорода. Эта процедура особенно важна при контактно-точечной сварке.
Способы сварки стали 40Х
Самым качественным и распространенным способом сваривания этого сорта металла, является сварка стали 40х аргоном. Электродуговой аппарат обеспечивает достаточно высокое напряжение для плавления, а газ защищает от воздействия посторонних вещей, которые приводят к браку. В данном случае подбирается присадочный материал той же марки, что и заготовка. Также возможно варить газом с помощью ацетилена. Это более простой, но менее надежный метод. Он может не подойти для слишком толстых слоев листов, так что может потребоваться дополнительная подготовка металла под сварку. Наиболее простым способом, уступающим в надежности предыдущим, является обыкновенная ручная сварка специальными электродами.
Низколегированные стали
От низколегированных сплавов требуется пластичность, хорошая свариваемость, высокая устойчивость к деформации. Наилучшие свойства такие стали приобретают после закаливания. В некоторых видах такие свойства достигаются низким содержанием углерода. Также для улучшения свойств добавляются дополнительные присадки, например, хром, кремний.
Такие виды металла отлично свариваются, имеют низкую степень ломкости при холоде ниже сорока градусов. Основным минусом низколегированного сплава считается слабая вибрационная устойчивость.
Сварные соединения сталей хорошо сопротивляются холодным трещинам и деформационному разрушения. Для сварки низколегированных сплавов используются специальные электроды, имеющие слабое водородное фтористо-кальциевое напыление. Технология сварки легированных сталей подразумевает быструю сварку определенных участков, чтобы не допустить охлаждение шва ниже температуры предварительного нагрева.
Сварка низколегированных сталей под флюсом проводится при помощи постоянного тока, который имеет обратную полярность. При сварке металлов в углекислом газе в качестве электродов используется порошковая проволока. Таким образом достигается большая прочность и холодоустойчивость, особенно швам изделия.
Низколегированные металлы не стоит варить газом, так как это серьезно ухудшает качество изделия — при выгорании легирующих элементов соединения склоны к коррозии и механическим разрушениям.