Оценка свариваемости сталей и выбор способа сварки

          1 ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ И ВЫБОР СПОСОБА СВАРКИ

 

Внедрение в промышленность сталей новых марок и сплавов с  высокими свойствами затруднено из-за сложности обеспечения технологической  прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений. Как правило, при прочих равных условиях повышение эксплуатационной прочности металла сварных конструкций сопровождается снижением показателей технологической прочности при сварке. Поэтому разработка эффективного технологического процесса сварки может быть осуществлена только с учетом комплекса сведений, характеризующих как технологическую, так и эксплуатационную прочность, то есть с учетом сведений о свариваемости данной стали, сплава.

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Различают физическую и технологическую свариваемость:

- физическая свариваемость – свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью (такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами);

- технологическая свариваемость – технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.

Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической  решетки, степени легирования, наличия  примесей и других факторов. Основные показатели (критерии) свариваемости металлов и их сплавов:

- окисляемость металла  при сварочном нагреве, зависящая  от его химической активности;

- чувствительность металла  к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменением в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных  и пластических свойств;

- сопротивляемость образованию  горячих трещин;

- сопротивляемость образованию  холодных трещин при сварке;

- чувствительность к образованию пор;

- соответствие свойств  сварного соединения заданным  эксплуатационным требованиям, к таким свойствам относят: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионную стойкость и др.

Кроме перечисленных  основных показателей свариваемости, имеются еще показатели, от которых  зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий.

Применяемые на практике методы оценки свариваемости используются для проверки свойств основного  металла и выяснения пригодности  данной технологии сварки или сварочных материалов (электродов, сварочной проволоки, флюсов, защитных газов) для изготовления конструкции, соответствующей требованиям эксплуатации.

Все испытания, проводимые для определения показателей  свариваемости, условно делят на две основные группы. К первой группе относятся испытания, применяемые  при разработке новых марок стали, новых способов сварки и сварочных материалов, новых типов конструкций и при выборе марки стали, которая при данной технологии обеспечивает возможность получения качественной конструкции. Эту группу испытаний проводят, как правило, исследовательские организации в лабораторных условиях. Ко второй группе относятся испытания, проводимые при проверке соответствия сертификату уже изученной марки стали или данного сварочного материала и при проверке пригодности изученной марки стали для изготовления новых конструкций.

Методы определения  показателей свариваемости можно  разделить на прямые, при которых оценку производят путем сварки образцов заданной конструкции на специальных установках либо пробах (образцах), и на косвенные, при которых сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытаний являются предварительными и пригодными для приближенной оценки свариваемости сталей.

В данной работе для определения свариваемости  необходимо использовать косвенные  методы оценки сопротивляемости сталей образованию горячих и холодных трещин. В случае если сталь имеет склонность к возникновению горячих либо холодных трещин, необходимо, используя справочную литературу [1, 3, 21, 23, 27] или другие источники, подобрать мероприятия по снижению вероятности образования трещин (предварительный подогрев, последующая термообработка, температура нагрева, время выдержки и т.д.).

 

 

1.1 Косвенные методы оценки сопротивляемости сталей образованию горячих трещин

 

Косвенные методы определяют сопротивляемость сплавов образованию горячих трещин по диаграммам состояния, количеству ферритной фазы в аустенитных швах в соответствии с диаграммой Шеффлера, эквиваленту углерода для сталей и по другим условным показателям.

Одним из косвенных методов  оценки является расчетно-статистический метод, основанный на использовании параметрических уравнений и применимый только для сплавов определенного состава. Недостаток этого метода сводится к невозможности учета неравномерного распределения примесей, а также отклонений по технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы.

Таблица 1.1 - Расчетно-статистические показатели склонности сталей к горячим трещинам

Параметрические уравнения	Вид оценки	Область применения
	< 4 – несклонная < 2 – несклонная	для сталей с dВ< 700 МПа для сталей с dВ>700 Мпа
	< 10 – стойкая ³ 30 – склонная	NB – микролегированные стали
	>1 – стойкая <1 – склонная	Cr-Ni – аустенитные стали
L=299C+8Ni+142Nb- -5,5(%d-Fe)2-105	L>0 – склонная	Аустенитно-ферритные стали

 

 

1.2 Расчетные методы оценки склонности сталей к образованию              холодных трещин

 

Расчетные методы относятся  к косвенным методам оценки и  предполагают два основных методических подхода к решению задачи. Первый подход использует параметрические уравнения, полученные статистической обработкой экспериментальных данных. Эти уравнения связывают выходные параметры (показатель склонности к образованию трещин, температуру подогрева и др.) с входными параметрами, включающими в себя химический состав металла, режим сварки и другие, без учета физических процессов в металле при сварке, обусловливающих образование холодных трещин. В этой связи применение их ограничено областью, в пределах которой изменялись входные параметры при проведении экспериментов. Этот подход часто не учитывает всего многообразия факторов, оказывающих влияние на образование трещин.

Второй подход предусматривает  анализ физических процессов в металлах при сварке, которые обусловливают образование трещин. В этом случае используют физические модели процесса разрушения при образовании трещин, законы металлофизики, учитывают характеристики и константы материалов. Эти методы более универсальны по сравнению с первыми и позволяют учитывать ряд металлургических, технологических и геометрических факторов. Расчеты выполняются с использованием ЭВМ.

Для пересчета содержания каждого  элемента в эквивалентное количество углерода на основании статистической обработки экспериментальных данных устанавливаются соответствующие коэффициенты, значения которых зависят от системы и уровня легирования стали. В настоящее время известно более тридцати уравнений для расчета углеродного эквивалента. Степень применяемости этих уравнений различна. Следует отметить, что область применения оценки склонности сталей к образованию холодных трещин с помощью эквивалента углерода регламентируется редко, что затрудняет выбор формул и значительно снижает эффективность метода.

Одной из наиболее распространенных формул для подсчета углеродного эквивалента считают формулу вида [3]

          (1.1)

При пользовании этой формулой содержание меди учитывается при Сu³0,5%, а фосфора при Р > 0,05 %.

В случае если С_э > 0,45...0,55 %, в зависимости от толщины металла, рекомендуется применять предварительный подогрев. При сварке низколегированных сталей повышенной прочности низководородистыми электродами, как правило, с основным покрытием по специальной технологии (многопроходная сварка, обеспечивающая прогрев предыдущего слоя при наложении последующего по всему сечению до температур выше Ас ₃) критическое значение углеродного эквивалента может быть увеличено до 0,70 %.

В работе [4] приводится формула с другими коэффициентами:

            (1.2)

Стали, у которых С_э ³ 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин, так как в этом случае становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может вызвать образование трещин.

Приведенные формулы  для расчета углеродного эквивалента  не учитывают толщину металла  и содержание в нем водорода. Толщина  металла оказывает влияние, как на термический цикл, так и на уровень сварочных напряжений, влияние водорода рассмотрено ранее. Это обстоятельство в значительной мере снижает объективность оценки.

Красовский А.И. [8] приводит несколько иную формулу, учитывающую влияние толщины металла и рекомендованную странами СЭВ:

,          (1.3)

где S - толщина металла, мм.

Согласно рекомендациям  по использованию этой формулы для  ответственных сварных конструкций может быть применена сталь с содержанием углерода не более 0,22 % и C_э ≤ 0,50 %.

Пользуясь формулой (1.3) и учитывая данные таблицы 1.2, устанавливают степень сложности технологии сварки углеродистых и низколегированных сталей феррито-перлитного класса, обеспечивающую отсутствие трещин в околошовной зоне сварного соединения.

При сварке изделий небольшой  массы, или в условиях малой интенсивности отвода тепла указанная в таблице степень сложности технологии выполнения сварных соединений может быть снижена путем применения соответствующих повышенных режимов сварки.

 

Таблица 1.2 - Классификация сталей по свариваемости

Группа сталей	Свариваемость	Эквивалент Сэ, %	Технологические меры
			Подогрев		Термообработка
			перед сваркой	во время сварки	перед сваркой	после сварки
1	Хорошая	< 0,25	-	-	-	Желательна
2	Удовлетворительная	0,25…0,35	Необходим	-	Желательна	Необходима
3	Ограниченная	0,35…0,45	Необходим	Желательна	Необходима	Необходима
4	Плохая	> 0,45	Необходим	Необходим	Необходима	Необходима

 

Если оценка свариваемости по показателю Сэ указывает на склонность стали к появлению холодных трещин, то необходимо предусмотреть подогрев детали. Температуру подогрева, ° С, можно определить пользуясь справочной литературой [1, 3, 21], либо методикой Д.Сефериана, который для расчета эквивалента углерода связывает последний не только с химическим составом стали, но и с толщиной свариваемого металла. Им же предложена расчетная формула для определения температуры предварительного подогрева. Вся методика оценки разработана на основе обобщения экспериментальных данных по сварке различных марок сталей.

Согласно этой методике сначала  рассчитывается значение эквивалента  углерода без учета толщины металла по формуле

                                             (1.4)

Влияние толщины свариваемого металла учитывается поправкой

                                                (1.5)

Полный эквивалент углерода определяется выражением

                                        (1.6)

Температура предварительного подогрева определяется по формуле

                                            (1.7)

Значение С_э определяется по формуле

                           (1.8)

Предельное содержание химических элементов в стали не должно превышать следующих значений: 0,5% C; 1,6% Mn; 1% Cr; 3,5% Ni; 0,6% Mo; 1% Cu.

 

 

 

 

 

1.3 Выбор способа сварки с учетом свариваемости стали

Существующая в настоящее  время сварочная техника и  уровень развития сварочного производства позволяют сваривать разнообразные металлы и сплавы различной толщины, различных составов и сочетаний.

Во многих случаях  одна и та же сварная конструкция или отдельно взятое сварное соединение могут быть изготовлены или выполнены различными способами сварки. Выбор способа сварки в каждом конкретном случае должен производиться с учетом ряда факторов, главными из которых являются свойства металла, его толщина, габариты конструкции, технико-экономические показатели технологического варианта применительно к данной конструкции.

Свойства свариваемого материала во многих случаях играют важную роль при выборе способа сварки. Так, если конструкция изготавливается  из химически активных металлов, то качественные сварные соединения легче получить при сварке в вакууме, например, электронным лучом. Вакуум, являясь своего рода защитной средой, практически исключает возможность дополнительного насыщения металла сварочной ванны газами. Более того, он может способствовать дегазации металла.