Влияние легирующих элементов на свариваемость стали

Углерод (С) — одна из основных примесей, определяющих сва­риваемость стали. Содержание углерода в обычных конструк­ционных сталях до 0,25 % не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость стали резко ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются структуры закал­ки, приводящие к трещинам. Повышенное содержание углерода в присадочном материале вызывает при сварке пористость ме­талла шва.

Марганец (Мп) не ухудшает свариваемости стали, если его со­держание не превышает 0,3... 0,8 %. В сред немарганцовистых (1,8...2,5 %) сталях марганец повышает их закаливаемость и склонность к образованию трещин при сварке.

Кремний (Si) не влияет на свариваемость стали, если его со­держание не превышает 0,3 %. В обычных углеродистых ста­лях содержится не более 0,2...0,3 % кремния, в специальных сталях содержание кремния достигает 0,8...1,5 %. В таких коли­чествах кремний затрудняет сварку из-за высокой жидкотекуче­сти стали, легкой ее окисляемости и образования тугоплавких оксидов.

Хром (Сг) содержится в низкоуглеродистых сталях в количе­стве 0,2...0,3 %, в конструкционных — 0,7...3,5, в хромистых — 12...18, в хромоникелевых — 9...35 %. Он затрудняет сварку, так как усиливает окисление металла, образует химические со­единения с углеродом (карбиды хрома), ухудшающие коррози­онную стойкость стали и резко повышающие твердость металла в зонах термического влияния. Хром также содействует образо­ванию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) в низкоуглеродистых сталях содержится в ко­личестве до 0,2...0,3 %, в конструкционных — 1...5, в легиро­ванных — 8...35 %. В некоторых сплавах содержание никеля достигает 85 %. Он увеличивает пластические и прочностные 9войсТва стали, измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.

Молибден (Мо) в сталях содержится в количестве 0,15...0,8 %. Он измельчает зерно, затрудняет сварку, вызывает образование трещин в наплавленном металле и зонах термического влияния, сильно окисляется и выгорает при сварке.

Содержание в стали 0,8...1,8 % вольфрама (W) резко увели­чивает ее твердость и работоспособность при высоких темпера­турах. Он сильно окисляется при сварке, требует хорошей защиты от кислорода, затрудняет сварку.

Ванадий (V) обычно содержится в сталях в количестве 0,2... 0,8 %, в штамповых сталях — 1...1.5 %. Он улучшает закали­ваемость стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки актив­но окисляется и выгорает.

Титан (Ti) и ниобий (Nb) содержатся в коррозионно-стойких сталях в количестве до 1 %, не усложняют сварочный процесс и не ухудшают свариваемость стали.

Медь (Си) в специальных сталях имеется в количестве 0,3... 0,8 %. Она улучшает ряд свойств стали (прочность, пластич­ность, ударную вязкость, коррозионную стойкость) и не ухуд­шает ее свариваемость.

Сера (S) в количествах, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление Горячих трещин.

Фосфор (Р) в концентрациях, превышающих предельно до­пустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление холодных трещин.

Кислород (О) содержится в сплаве в виде оксида железа, ухуд­шает свариваемость стали, снижая ее механические свойства.

Азот (N) образует с железом химические соединения (нитри­ды) в металле сварочной ванны при ее охлаждении, что снижает пластичность стали.

Водород (Н) является вредной примесью. Скапливаясь в от­дельных местах сварного шва, он образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.

Свариваемость стали можно приближенно определить по коли­честву легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду:

„ „ Мп Si Cr Ni Мо V Си Р

С_э =С +------- + — + —+—+—+— + — + —,

6 24 5 10 4 5 13 2

где С_э — эквивалент углерода, %; С, Мп, Si, Cr, Ni, Мо, V, Си, Р — содержание в стали легирующих элементов, %.

Легирующие элементы в различной степени влияют на свари­ваемость сталей. Поэтому их воздействие сравнивают с влиянием углерода — приводят к эквиваленту углерода. Чтобы опреде­лить С_э, в формулу вместо символов подставляется процентное содержание легирующих элементов. При С_э< 0,35 % сталь хо­рошо сваривается. Если толщина свариваемых элементов менее 8 мм, то сталь хорошо сваривается при С_э< 0,5 %. При большей толщине металла или при С, > 0,35 % требуется предваритель­ный подогрев, другие технологические методы сварки или по­следующая термообработка.

Как видно из приведенной выше формулы, увеличение в стали содержания кремния, никеля, меди в меньшей степени влияет на ухудшение свариваемости. Ухудшают свариваемость стали увеличение содержания марганца, хрома, молибдена, ванадия. Значительно ухудшает свариваемость увеличение содержания фосфора (более 0,05 %). Наличие фосфора в количестве 0,05 % и менее в формуле не учитывается.

При суммарном содержании в стали примесей марганца, крем­ния, хрома и никеля меньше 1 % сталь хорошо сваривается, если содержание углерода не превышает 0,25 %, удовлетворительно — 0,25...0,35; ограниченно — 0,35...0,45 и плохо — свыше 0,45 % углерода.

Если суммарное содержание указанных примесей составляет 1...3 %, сталь сваривается хорошо при содержании до 0,20 % углерода, удовлетворительно — при 0,2...0,3, ограниченно — при 0,3...0,4 и плохо — при содержании более 0,4 % углерода.

При суммарном содержании указанных примесей в стали свы­ше 3 % сталь хорошо сваривается, если количество углерода не превышает 0,18 %, удовлетворительно — 0,18...0,28, ограничен­но — 0,28...0,38 и плохо, если в стали более 0,38 % углерода.

Формула эквивалентного углерода в сталях получена опыт­ным путем и не всегда отражает точную картину взаимодействия различных элементов в сварочной ванне и изменения структуры при охлаждении металла шва. Поэтому для определения свари­ваемости обычно сваривают специальные образцы, исследуют микроструктуру наплавленного металла и т.д.

Особую сложность представляет сварка металлов, разли­чающихся своими свойствами. Разные температуры плавления, склонность к образованию хрупких соединений и другие причи­ны вынуждают разрабатывать специальные приемы сварки, осо­бые сварочные материалы.

Для оценки свариваемости металла берут, например, две пластины и сваривают их на нескольких режимах. Затем изго­товляют образцы и определяют ударную вязкость, критическую температуру хрупкости, зернистость, твердость наплавленного металла и зоны термического влияния.

При оценке свариваемости стали помимо химического состава учитываются: форма сварной конструкции, толщина металла и его механические свойства, количество и расположение швов в конструкции, технологические особенности сварки и другие характеристики.