Свариваемость определяют три группы факторов:
● химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления[20], подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);
● сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;
● вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.
Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке.
При определении свариваемости исходят из физической сущности сварки и отношения к ней металлов. Степень свариваемости металла считается более высокой, если для сварки можно применить различные ее способы и различные режимы при каждом способе, как, например, у низкоуглеродистой стали.
Единого показателя свариваемости металлов нет. Для качественной сварки металлы должны обладать свойствами принципиальной (физической) и технологической свариваемости.
Принципиальная, или физическая, свариваемость – это способность металлов в условиях сварки образовывать соединение на основе взаимной кристаллизации. Принципиальной свариваемостью обладают все однородные металлы. Не свариваются металлы, не обладающие взаимной растворимостью, они образуют не межатомные связи, а хрупкие химические соединения. Например, свинец и медь образуют несмешивающиеся пары.
Необходимо также условие сходности металлов, например, по атомному весу, температуре плавления и др. По этим причинам не свариваются алюминий и висмут. Медный сплав и титан, а также сталь и титан не обладают взаимной растворимостью, но задача их соединения решена с применением металловставок, например, медь + тантал + титан; титан + ванадий + сталь. Металл вставки образует смешивающиеся пары с обоими свариваемыми металлами. Но принципиального соединения еще мало, так как нужно еще и качество по прочности. При соединении сваркой несмешивающихся металлов, например железа со свинцом, меди со свинцом и др., зоны сплавления и атомного сцепления не будет, произойдет лишь «слипание» металлов.
Технологическая свариваемость – совокупность свойств основного металла, определяющих чувствительность его к термическому циклу сварки и способность при данной технологии сварки образовывать сварное соединение надлежащего качества по прочности и вязкости без применения специальных технологических приемов (подогрева, отжига и т. д.).
Технологические факторы, ухудшающие свариваемость:
● резкое отличие материалов деталей по свойствам (химическому составу, теплофизическим параметрам, механическим свойствам);
● образование при сварке оксидов, пористости, газовых раковин;
● возникновение значительных напряжений;
● наличие геометрических дефектов (несплавлений, подрезов, резких переходов толщин изделия и т. п.).
Словосочетание «плохая свариваемость» не означает, что плохо проходит сам процесс сварки, формирование шва. Смысл слов «хорошая» и «плохая» свариваемость в том, какой будет эксплуатационная пригодность сварного узла после сварки.
Важнейшими критериями свариваемости являются стойкость против образования горячих и холодных трещин и склонность образовывать закалочные структуры в ЗТВ как самой ослабленной области в сварном соединении. Вследствие нагрева до температуры 1100–1400 °C структура металла в этой зоне крупнозернистая с пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева (как при газовой сварке).
По свариваемости стальные материалы обычно подразделяют на 4 группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся (табл. 32). Иногда вводят пятую: не сваривающиеся (данным способом сварки).
Наиболее существенное влияние на состояние ЗТВ и свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы – хром, вольфрам, молибден и ванадий. Последние ухудшают свариваемость за счет образования карбидов (служащих концентраторами напряжений) и за счет понижения критических скоростей закалки.
Углерод до 0,25 % почти не оказывает влияния на свариваемость. При большем содержании значительно ухудшает ее – увеличивает твердость и уменьшает пластичность, приводит к закаливаемости ЗТВ и к появлению трещин, к увеличению количества газовых пор в процессе окисления при сварке.
Марганец при содержании до 1 % не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. В качестве хорошего раскислителя он способствует уменьшению содержания кислорода в стали. Однако при содержании более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как повышается твердость стали, появляются закалочные структуры, могут быть трещины.
Кремний – до 1 % вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. Но при содержании кремния более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие оксиды, ведущие к появлению шлаковых включений, повышаются прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость.
Хром – до 0,6 % не отражается на свариваемости. При содержании хрома более 1 % свариваемость ухудшается, особенно при повышении содержания углерода.
Никель – в обычных углеродистых сталях содержание никеля составляет до 0,3 %, а в высоколегирующих – до 28 %. Никель, вместе с прочностью, увеличивает пластичность как исходной стали, так и шва, и не ухудшает, а даже улучшает свариваемость.
Молибден – в сталях от 0,5 до 3,0 % существенно увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость, повышает склонность к образованию трещин в шве и в ЗТВ.
Медь – содержание ее в сталях до 1 % улучшает свариваемость, повышает их прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость.
Титан и ниобий в количестве до 1 % вводят в хромистые и хромоникелевые стали для улучшения свариваемости. В бóльших количествах они могут ухудшить свариваемость. Титан при этом способствует образованию горячих трещин.
Трещинообразование при сварке
Отсутствие холодных или горячих трещин при сварке является основной характеристикой свариваемости. Трещины, образующиеся при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.
Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная[21] имеет вид:
Сэкв = С + Mn/6 + (Cr+V+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15,
где С, Мn, Cr, V, Mo, Ni, Сu – массовые доли углерода, марганца, кремния, ванадия, молибдена, никеля и меди, %.
При Сэкв ≤ 0,45 – свариваемость хорошая для легированных сталей.
При Сэкв ≤ 0,49 – свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.
При Сэкв > 0,45 до 0,5 – свариваемость удовлетворительная, но сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры Т = 350(Собщ – 0,25)½, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины S свариваемых деталей: Собщ = Сэкв(1 + 0,005S).
При Сэкв > 0,5 до 0,6 – свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.
При Сэкв > 0,6 до 0,8 – свариваемость плохая.
Пример. Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.
Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36–0,44; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45–0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.
Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.
Сэкв=0,4+0,65/6+0,6/5+1,4/15 ≈ 0,72 > 0,45. Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать.
Собщ = 0,72(1+0,005 × 5) ≈ 0,74. Таким образом, детали нужно нагреть перед сваркой до температуры Т=350(0,74–0,25)½ ≈ 245 °C.
Формул для определения Сэкв существует около десятка, и достоверность их, в принципе, весьма относительная, так как формулы эти эмпирические, т. е. без вывода. Вот некоторые из них:
1. Рекомендованная ГОСТ 27772–88 формула для всех сталей:
Сэкв = С+ Mn/6 + Si/24 + Cr /5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2.
2. Уточненная формула для всех сталей:
