Особенности сварки сталей

Стали – это сплавы, у которых основным компонентом является железо. Стали подразделяются на углеродистые и легированные.

Чем больше в сталях содержится углерода и легирующих компонентов, тем хуже их свариваемость.

. Классификация сталей по свариваемости

Группа свариваемости	Сталь
	Углеродистая	Конструкционная легированная
Хорошая	Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, 0,8; сталь 10,20, 12кп, 16кп, 20кп	15Г, 20Г, 15ХМ, 10 ХСНД 10ХГСНД, 15ХГСНД
Удовлетворительная	Ст5; сталь 30, 35	12ХН2, 14Х2МР, 20ХН, 20ХГСА, 25ХГСА, 30ХМ
Ограниченная	Ст6, сталь 40, 45, 50	35Г, 40Г, 45Х, 30ХГСА, 40ХМФА, 30ХГСМ
Плохая	Сталь 65, 70, 80, У7, У8, У9, У10	50Г, 8X3, 45ХНЗМФА 8X3, 5ХНТ

 

  Конструкционные углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом.

Помимо углерода в состав сплава входят:

- полезные элементы марганец ~ 0,3 – 0,8, кремний ~ 0,07 – 0,4;

- вредные примеси: сера, фосфор, кислород, азот, водород.

На свариваемость также влияет толщина свариваемых элементов. С увеличением толщины увеличивается скорость охлаждения, и, как результат, повышается вероятность образования холодных трещин.

Углерод – увеличивает вероятность образования трещин:

- горячих трещин – ТИХ в системе Fe-S-C шире, температура плавления эвтектики Fe+FeS+Fe₃C ниже;

- холодных трещин – повышение вероятности образования малопластичного мартенсита.

Сера – повышает вероятность образование горячих трещин.

Образование по границам зерен легкоплавкой эвтектики Fe + FeS (Тпл = 988ºС), 

Фосфор – растворяясь в феррите резко снижает пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние – хладноломкость (увеличение содержания Р на 0,01% повышает порог хладноломкости на 25ºС).

Группа свариваемости

Низкоуглеродистые стали – относятся к группе хорошо свариваемых материалов, некоторые затруднения вызывает возможность образования горячих трещин в металле шва.

Среднеуглеродистые стали (содержание углерода до 0,5%) – относятся к группе удовлетворительно свариваемым материалам, основная трудность – образование холодных трещин.

Среднеуглеродистые (содержание углерода свыше 0,5%) и высокоуглеродистые стали – относятся к группе плохо свариваемых материалов, в сварных конструкциях применять не рекомендуется.

Для предотвращения образования горячих трещин:

- S      ограничение содержания серы:

                  - связывание ее в нерастворимые в металле соединения: MnS и CaS

                                                                                                         (CaO +FeS = CaS +FeO);

                  - выбор материала с низким содержанием серы (Ст3   сталь20)

                    Св 08 (0,04% S и Р), Св08А (0,03% S и Р) Св08АА (0,02% S и Р);

- С   снижение в металле шва концентрации углерода:

                  - выбор сварочного материала с низким содержанием углерода - Св08Г2С

                   (заданные механические свойства получают за счет легирования Mn и Si);

- ∂ε/∂Т    уменьшение темпа деформаций за счет применения подогрева;

Влияние подогрева на образование горячих трещин.

- сварка на оптимальных режимах.

Цель – получение объемной схемы кристаллизации (малые скорости сварки)

Для предотвращения образования холодных трещин:

- регулирование структуры – подогрев 250-300ºС;

- мероприятия по снижению концентрации Н₂;

- уменьшение уровня остаточных напряжений σост (применение послесварочного высокго отпуска 650 ºС).

Легированные стали

   Легированные стали по количеству легирующих компонентов подразделяются на:

- низколегированные;

- среднелегированные;

- высоколегированные.

   В зависимости от концентрации углерода:

Машиностроительные только - низкоуглеродистые и среднеуглеродистые,

специальные – высокоуглеродистые: ШХ15 – подшипниковая сталь (С ~ 1%), износостойкая сталь - 110Г13 (С ~ 1,1%)

Справка: конструкционные легированные стали - стали легированные одним или несколькими элементами при суммарном их содержании 2,5-10%, предназначенные для работы при температурах до 500ºС

Низколегированные стали

Конструкционные легированные стали типа 10ХСНД – относятся к группе хорошо свариваемых сталей (возможные дефекты ГТ, ХТ)

Свойства низколегированных конструкционных сталей регулируются изменением содержания углерода и легирующих элементов. С увеличением содержания углерода свариваемость сталей ухудшается в связи с увеличением вероятности образования ГТ и ХТ. Повышение вероятности образования ГТ обусловлено склонность углерода к ликвации, а ХТ - снижением температуры мартенситного превращения и способствует формированию малопластичного мартенсита.

-   С   снижение в металле шва концентрации углерода до 0,15%:

         предотвращение образования горячих и холодных трещин (заданные свойства

         получают дополнительным легированием);

- подогрев ( при толщине более 30мм. подогрев до 150-200°С)

- оптимальные режимы сварки (замедленные скорости охлаждения) - дляпредотвращения образования закалочных структур накладываются определенные ограничения на режимы сварки (обеспечение минимальной скорости охлаждения).

Теплоустойчивая стали типа 12Х1МФ - относятся к группе удовлетворительно свариваемых сталей (возможные дефекты ГТ, ХТ).

- предотвращение горячих трещин осуществляется ограничением в металле шва содержание углерода до 0,07 – 0,12 % (применяют электроды с низким содержанием углерода - электроды Э-09Х1МФ);

- предотвращение холодных трещин: сварка с подогревом (при толщине более 6 мм).

     С увеличение содержания углерода и степени легирования температура подогрева

      увеличивается (12МХ         Тп = 200-250ºС, 20ХМФ        Тп = 350-450ºС);

- с целью получения оптимальных свойств целесообразно применять полную термическую обработку после сварки: нормализация + высокотемпературный отпуск