Свариваемость стали

Способность стали к образованию качественного сварного соединения называют свариваемостью, которая определяется внешними и внутренними факторами. К ним помимо химического .состава относятся технология сварки (режимы), жесткость сварного узла, а также комплекс требований, предъявляемых к сварному соединению условиями эксплуатации.

Свариваемость является качественной характеристикой и для разных сталей не одинакова. Стали подразделяют по свариваемости на четыре группы.

1. Стали с хорошей свариваемостью, при сварке которых качественное сварное соединение получается при обычных режимах всеми видами сварки без предварительного и сопутствующего подогрева. .
2. Стали с удовлетворительной свариваемостью - качественное сварное соединение можно получить только в узком диапазоне режимов с применением дополнительных технологических мероприятий (предварительный подогрев конструкции).
3. Стали с ограниченной свариваемостью, при сварке которых удовлетворительное качество сварных соединений достигается в очень узком диапазоне режимов сварки с обязательным предварительным и сопутствующим подогревом при сварке и последующей после сварки термической обработкой.
4. Стали с плохой свариваемостью, при сварке (или после сварки) которых образуются горячие или холодные трещины даже при применении специальных технологических мероприятий. Признаком плохой свариваемости считается также повышенная склонность металла к образованию закалочных структур в зоне сварки.

Приближенно свариваемость углеродистых и низколегированных сталей можно оценить ло углеродному эквиваленту Сэ, который вычисляют по эмпирическим формулам. Известно несколько таких зависимостей:
СЭ=С +Mn/6 + Si/24 + Сг/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + Р/2,
где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V, Р - массовые доли углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %. Эту зависи1 мость в ГОСТ 27772 - 88 рекомендуют для оценки свариваемости проката для строительных конструкций.

Европейская ассоциация по сварке (МИС) рекомендует зависимость
Сэ = С + Мп/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15, а нормы Японии - зависимость
Сэ = С + Мп/6 + Si/24 + Ni/40 + Сг/5 + Мо/4.

Сталь считают не склонной к образованию холодных трещин при сварке, если С, <0,45 %; при Сэ > 0,45 % в сталях появляется потенциальная возможность возникновения холодных трещин. Если предварительная оценка свариваемости по Сэ указывает на склонность стали к образованию холодных трещин, то, как правило, применяют дополнительные технологические мероприятия, например предварительный подогрев свариваемых элементов.

Другим критерием, указывающим на возможное охрупчивание стали вследствие структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Зона термического влияния (ЗТВ) - участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в пределах которого металл под действием источника нагрева претерпевает фазовые и структурные превращения. Поэтому ЗТВ имеет отличные от основного металла величину зерна и микроструктуру.

Если твердость выше HV 350...400, то в структуре ЗТВ уже присутствует смесь твердых продуктов распада аустенита, которые склонны к образованию холодных трещин.

Для обычных углеродистых и низколегированных сталей возможную максимальную величину твердости в ЗТВ можно вычислить на основе химического состава стали:
HVmax = 90 + 1050 С + 47 Si + 75 Mn + 30 Ni + 31 Cr, где С, Si, Mn, Ni, Cr - массовые доли химических элементов, %. \ 172
На,-образование холодных трещин решающее влияние оказывает воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Эти напряжения зависят от толщины сварного соединения, типа сварного: узла и особенно от жесткости свариваемой части конструкции. Значение этих напряжений может быть выражено с помощью коэффициента интенсивности жесткости К, который представляет собой силу, вызывающую раскрытие на 1 мм зазора в сварном соединении длиной 1 мм (Н/(мм o мм)). Коэффициент интенсивности жесткости равен К = KqS, где Kq = 69 - постоянная; s - толщина листа, мм. Данное значение постоянной можно использовать для приближенных вычислений К стыковых соединений при толщинах листа до 150 мм.

На основании изучения действия всех трех основных факторов, способствующих образованию холодных трещин, получено параметрическое уравнение для оценки чувствительности сталей к образованию холодных трещин, %
Pw = Рш + Н/60+0,25 К/105,
где Рш - коэффициент, характеризующий охрупчивание вследствие структурного превращения и вычисляемый по уравнению Ито - Бес-сио, %:
Рси= С + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + (Mo+V)/15 + 5 В;
H - количество диффузионного водорода в металле сварного шва; К - коэффициент интенсивности жесткости.
Многочисленные исследования показали, что сталь чувствительна к образованию холодных трещин, если Pw > 0,286.

Предотвратить образование холодных трещин можно тремя путями:

• снижением общей жесткости сварного узла или конструкции, ; что обычно требует изменения конструктивных решений;
• снижением содержания диффузионного водорода путем точного контроля и выбора оптимальных режимов сварки;
• применением таких параметров режима сварки, которые исключают охрупчивание в сварном соединении и облегчают диффузионное удаление водорода из сварного шва. Наиболее реальным и часто применяемым является последний из перечисленных способов.