Свариваемость стали

Сварка — один из методов создания неразъемных металлических конструкций. Прочность шва, образующегося в местах соединения составных частей, зависит от такой характеристики стали, как «свариваемость».

Классификация стали по степени ее свариваемости

Сталь представлена различными группами марок, обладающими своими физико-химическими свойствами. Вследствие этого, у металлических изделий неодинаковый показатель свариваемости. В зависимости от этого параметра железо-углеродистые сплавы подразделяется на четыре категории.

1. Хорошая
   При сварке получается качественный шов. Металл не требует предварительного нагрева для проведения работ, а сами они проходят в обычном режиме и с применением всех известных технологий.
2. Удовлетворительная
   Чтобы создать качественное сварное соединение, стальные изделия необходимо подготовить, то есть разогреть.
3. Ограниченная
   Перед сваркой металлические изделия сначала разогревают, а после их соединения подвергают еще и термической обработке.
4. Плохая
   Такая сталь характеризуется тем, что во время сварки (после нее) на поверхности образуются трещины, а также могут возникать «закалочные» структуры, снижающие прочность и надежность соединения, делающие его хрупким.

Методы расчета углеродного эквивалента

Свойства стали вообще зависят от присутствия в сплаве железа и углерода других металлов. Зная их содержание, с помощью эмпирической формулы не составляет труда рассчитать значение так называемого углеродного эквивалента (Сэ). Эта величина позволяет определить, каких результатов ждать от сварки металлических изделий.

В России для оценки сварных характеристик проката, идущего на создание конструкций, используют формулу, утвержденную ГОСТ ГОСТ 27772-88 :

Сэ=С+(Р/2)+(Сг/5)+(Mn/6)+(Cu/13)+(V/14)+(Si/24)+(Ni/40).

В Европе для расчетов применяется следующая зависимость:

Сэ=С+(Мп/6)+(Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15.

В Японии такая методика определения углеродного эквивалента:

Сэ=С+(Мо/4)+(Сг/5)+(Мп/6)+(Si/24)+(Ni/40),

где С, P, Cr, Mn, Cu, V, Si, Ni, Мо — массовые доли (в %) углерода, фосфора, хрома, марганца, меди, ванадия, кремния, никеля, молибдена.

Сталь считается не склонной к трещинообразованию, если значение углеродного эквивалента «С» меньше 0,45%. В противном случае, когда уже существует вероятность их появления, перед сваркой части, требующие соединения, необходимо прогреть.

Вычисление значения твердости в зоне термического влияния

Следующий параметр, на который следует обратить внимание, — твердость зоны термического влияния (ЗТВ). Так называют участок изделия, который расположен возле образовавшегося шва. В этой области под воздействием температуры происходят фазовые превращения с изменением внутренней структуры металла. Порой это чревато тем, что сталь становится хрупкой.

Твердость металла в этой зоне определяют по методу Виккерса. Если ее значения лежат в диапазоне 350-400 по специальной HV-шкале, то на участке ЗТВ точно находятся продукты распада аустенита (одна из модификаций железа и его сплавов), как раз и инициирующие образование холодных трещин.

Максимальное значение твердости углеродистой и низколегированной стали вычисляют, располагая данными о химическом составе металла, по этой формуле: 

HVmax = 90+1050*С+75*Mn+47*Si+31*Cr+30*Ni,

где С, Mn, Si, Cr, Ni — массовые доли (в процентах) химических элементов.

Определение чувствительности стали к образованию холодных трещин

Холодные трещины образуются после сварки из-за растягивающих остаточных напряжений. Их сила зависит от жесткости получившейся конструкции и толщины шва. Определить ее значение позволяет коэффициент интенсивности жесткости — К. Он характеризует приложенное усилие, которое на 1 мм раскрывает зазор, оказавшийся в сварном соединении шириной так же 1 мм. Подсчитывается он так:

К = Kq*S,

где Kq — это константа, которую принято считать равной 69, S — толщина стального листа (в мм). Важно отметить, что соотношение справедливо только, если толщина листа не превышает 150 мм.

Насколько сталь может быть подвержена образованию холодных трещин, помогает узнать параметрическое уравнение:

Pw=Рш+(Н/60)+0,25*К/105,

где Рш — коэффициент «охрупчивания» (так называют процесс, когда из вязкого состояния металл переходит в хрупкое), Н — количество диффузионного водорода, К — коэффициент интенсивности жесткости. 

Значение Рш находится при решении уравнения Бес-Сио:

Рси=С+5*В+Si/30+ Ni/60+(Mo+V)/15+(Mn+Cu+Cr)/20.

Результаты неоднократно проведенных исследований помогли установить порог значения, при котором проявляется чувствительности стали к образованию холодных трещин. Это случается, если значение Pw превышает 0,286.

Способы устранения холодных трещин при сварке

Образование трещин ухудшает поверхность металла и, соответственно, уменьшает прочность готовой конструкции. Предотвратить их появление поможет следующее:

• пересмотр (изменение) конструктивных решений, который позволит снизить жесткость в области сварного узла;
• тщательный контроль за ходом проведения сварки при оптимальном режиме поможет уменьшить содержание диффузионного водорода;
• проведение сварочных работ с соблюдением особых параметров, которые воспрепятствуют охрупчиванию металла и будут содействовать удалению из шва диффузионное водорода.

Из перечисленных способов, снижения вероятности появления холодных трещин при проведении сварочных работ, самый востребованный — последний.

К оглавлению справочника