Сварка представляет собой комплекс одновременно протекающих процессов. Важнейшие из них включают тепловое воздействие на металл в зоне термического влияния, термодеформационные плавления, металлургическую обработку и кристаллизацию металла в сварочной ванне.
Физическая свариваемость определяет возможность создания прочных сварных соединений, особенно при работе с различными видами металлов.
В процессе сварки металл постоянно охлаждается. Структурные изменения при этом отличаются от распада аустенита при изотермической выдержке. При непрерывном охлаждении инкубационный период увеличивается в 1,5 раза по сравнению с изотермическим. Ускорение охлаждения приводит к уменьшению зерна в зоне термического влияния и повышению её твёрдости. Если скорость охлаждения превышает критическую, образуются закалочные структуры.
Закалочные структуры нежелательны в аппаратостроении из-за их высокой твёрдости, хрупкости и склонности к образованию трещин.
Если скорость охлаждения ниже критической, закалочные структуры не образуются. В зоне термического влияния предпочтительны пластичные структуры, такие как перлит или сорбит, которые хорошо обрабатываются. Достижение качественных соединений связано с регулированием скорости охлаждения для получения желаемых структур.
Подогрев способствует перлитному превращению и предотвращает образование закалочных структур. Он используется в качестве предварительной термической обработки сварных соединений. Регулируя скорость охлаждения, можно добиться нужной твёрдости в зоне термического влияния.
Иногда необходимо увеличить скорость охлаждения для уменьшения зерна и повышения прочностных свойств и ударной вязкости в зоне термического влияния. Для этого применяется метод сопутствующего охлаждения, когда сварное соединение охлаждается водой или воздушной смесью с обратной стороны дуги.
Прочность сварного шва в технологическом процессе
Технологическая прочность определяет устойчивость конструкции в процессе её изготовления. В сварных конструкциях она в основном зависит от прочности сварных швов и является важным показателем свариваемости стали.
Оценка технологической прочности: горячие и холодные трещины
Горячие трещины
Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния. Они возникают в твёрдо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации, а также в твёрдом состоянии при высоких температурах.
Первая причина образования горячих трещин — температурно-временной интервал хрупкости, вызванный образованием жидких и полужидких прослоек, нарушающих металлическую сплошность сварного шва. Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких сульфидов FeS и NiS. В момент пикового напряжения по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла, что приводит к образованию хрупких трещин.
Вторая причина — высокотемпературные деформации, возникающие из-за затруднённой усадки металла шва, изменения формы свариваемых заготовок и релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и последующей термообработки.
Холодные трещины при сварке
Холодные трещины возникают в процессе охлаждения после сварки при температуре около 150 °C или в течение нескольких дней после завершения сварки. Они характеризуются блестящим кристаллическим изломом без признаков высокотемпературного окисления.
Основные факторы, способствующие их образованию:
1. Образование структур закалки: мартенсит и бейнит создают дополнительные напряжения из-за объёмного эффекта.
2. Сварочные растягивающие напряжения.
3. Концентрация диффузионного водорода: водород легко перемещается в незакалённых структурах, но в мартенсите его диффузионная способность снижается, что приводит к накоплению водорода в микропустотах и образованию молекулярного водорода. Это создаёт высокое давление, способствующее образованию трещин. Водород также вызывает охрупчивание металла.
Особенности сварки углеродистых сталей
Углеродистые стали: особенности и применение
Углеродистые стали представляют собой сплавы железа и углерода с содержанием углерода до 2,14%. Углерод существенно влияет на их свойства.
Присутствие других элементов в углеродистых сталях обусловлено несколькими факторами:
1. Технологические аспекты производства: элементы, такие как Mn и Si, способствуют устранению вредных включений закиси железа (FeO) и сульфида железа (FeS). MnS плавится при температуре 1620°C и обладает пластичностью.
2. Невозможность полного удаления: такие элементы, как S, P, N, H, остаются в сплаве.
3. Случайные примеси: Cr, Ni, Cu и другие редкоземельные металлы могут присутствовать в малых количествах.
Углеродистые стали составляют основную массу сплавов железа и углерода, и до 95% оборудования производится из них. В отечественной промышленности наиболее распространены стали с содержанием углерода до 0,22%, реже — от 0,22 до 0,3%.
Структурные и фазовые изменения углеродистых сталей описываются диаграммой состояния Fe-C. В нормализованном состоянии они имеют феррито-перлитную структуру. Основное фазовое изменение заключается в превращении аустенита в перлит.
В зависимости от температуры и скорости охлаждения феррито-цементитная смесь может образовывать перлит, сорбит, бейнит или троостит.
Низколегированные стали с повышенной прочностью
Низколегированные стали содержат до 2% каждого легирующего элемента и до 5% в сумме (Mn, Si, Cr, Ni). Содержание углерода в них не превышает 0,22%, как и в углеродистых сталях. Содержание S и P аналогично качественным сталям.
При сварке кинетика распада аустенита у низколегированных сталей схожа с углеродистыми. При охлаждении на воздухе они приобретают феррито-перлитную структуру, что делает их хорошо свариваемыми.
Однако легирующие элементы снижают критическую скорость охлаждения. При высокой концентрации легирующих элементов и высоких скоростях охлаждения может подавляться перлитное превращение и образовываться промежуточные и закалочные структуры.
С уменьшением погонной энергии сварки и увеличением интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность образования закалочных структур, что увеличивает риск холодных трещин и хрупкого разрушения.
При высоких погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита, что приводит к образованию грубозернистой феррито-перлитной структуры видманштеттового типа с пониженной ударной вязкостью.
Выбор тепловых режимов направлен на предотвращение холодных трещин. Одним из эффективных методов является подогрев, температура которого зависит от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката. Необходимая температура подогрева увеличивается с ростом легированности стали и толщины проката.
Низколегированные жаропрочные перлитные стали
Хромомолибденовые стали, такие как 12МХ, 12ХМ и 15ХМ, предназначены для эксплуатации в температурном диапазоне от -40 до +560°C, с основным применением при температурах +475...+560°C. Эти стали популярны благодаря своей низкой стоимости и высокой технологичности при изготовлении сварных конструкций, отливок и поковок.
На участках, нагретых выше точки Ас(3), возможно образование мартенсита и троостита. Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температур Ас(3) — Т(0), что объясняется процессами отпуска. Протяжённость разупрочненного участка увеличивается при больших значениях погонной энергии сварки.
Мягкая разупрочненная прослойка может стать причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках.
Для устранения разупрочнения применяется последующая термическая обработка с фазовой перекристаллизацией в печах (объёмная термическая обработка).
Образование обезуглероженной (ферритной) прослойки — специфический показатель свариваемости этих сталей. При эксплуатации при температурах 450-600°C происходит миграция углерода из металла шва в основной металл или наоборот, в зависимости от различий в легировании карбидообразующими элементами.
Хромистые стали: свойства и применение
Хром является основным легирующим элементом, который придаёт сталям важные свойства, такие как жаропрочность, жаростойкость (калиностойкость) и коррозионная стойкость. Чем выше содержание хрома, тем больше устойчивость стали к коррозии. Это обусловлено способностью хрома к самопассивированию и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при высоких температурах.
Особенности свариваемости сталей типа 15Х5М
Склонность к закалке усложняет технологический процесс сварки. В зоне термического влияния образуются твёрдые прослойки, которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-400 °C. Для их полного устранения необходимы дополнительные меры. Небольшая скорость распада хромистого аустенита и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещин. Применение закаливающихся на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к механической неоднородности соединений.
Эта неоднородность заключается в различии свойств характерных зон сварного соединения, что является следствием неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно-неравновесных сталей и применения сварочных материалов с различными свойствами для обеспечения технологической прочности.
Современные методы сварки
1. Сварка однородными перлитными электродами: используются электроды, близкие по составу к основному металлу. Это приводит к образованию закалённой структуры в металле шва и зоне термического влияния, создавая широкую твёрдую прослойку.
2. Сварка с применением аустенитных электродов**: аустенитные материалы не склонны к закалке, поэтому твёрдые прослойки образуются только в зоне термического влияния.
Хромистые мартенситно-ферритные стали
Эти стали сочетают в себе свойства хрома и мартенситно-ферритной структуры, обеспечивая высокую прочность и устойчивость к коррозии. Однако их свариваемость требует особого внимания из-за склонности к закалке и образованию твёрдых прослоек в зоне термического влияния.
Термокинетические особенности стали 08Х13
Сталь 08Х13 с содержанием углерода 0,08% имеет термокинетическую диаграмму распада аустенита, включающую две критические области: 600-930 °C, где образуется феррито-карбидная структура, и 120-420 °C, где происходит мартенситное превращение. Количество аустенита, превращающегося в каждом из этих температурных интервалов, зависит от скорости охлаждения. Например, при средней скорости охлаждения 0,025 °C/с аустенит преимущественно превращается в феррит и карбиды, и только 10% аустенита превращается в мартенсит при охлаждении от 420 °C. Увеличение скорости охлаждения до 10 °C/с приводит к переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения (420 °C) и полному его бездиффузионному превращению. Эти изменения в структуре влияют на механические свойства сварных соединений: с увеличением доли мартенсита снижается ударная вязкость.
Увеличение содержания углерода смещает границу мартенситного превращения в область более низких температур. В сталях с содержанием углерода 0,1-0,25% полное мартенситное превращение происходит при охлаждении со скоростью около 1 °C/с.
Свариваемость мартенситно-ферритных сталей
Мартенситно-ферритные стали обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью, что делает их востребованными в различных отраслях промышленности. Однако их свариваемость сопряжена с рядом трудностей, связанных с образованием закалочных структур и твёрдых прослоек в зоне термического влияния. Для улучшения свариваемости таких сталей применяются различные методы, включая предварительный подогрев, использование аустенитных электродов и последующую термическую обработку сварных соединений.
Мартенситно-ферритные стали
Мартенситно-ферритные стали: сложности и методы сварки
Мартенситно-ферритные стали считаются сложными для сварки из-за высокой склонности к закалке в сварных соединениях. Закалка приводит к образованию холодных трещин, вероятность которых зависит от характера распада аустенита при охлаждении. При формировании мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13%-ных хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м². Последующий отпуск при 650-700°C приводит к распаду закалочной структуры и выделению карбидов, что уменьшает тетрагональность мартенсита. После отпуска ударная вязкость возрастает до 1 МДж/м². Для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре большинство марок хромистых сталей имеют повышенное содержание углерода. Это помогает предотвратить охрупчивание стали, но ухудшает свариваемость из-за склонности к холодным трещинам и высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита.
Аустенитные коррозионностойкие стали
Аустенитные коррозионностойкие стали содержат хром (Cr), никель (Ni) и углерод (C). Они хорошо свариваются благодаря однофазной аустенитной кристаллизации без перлитного распада и мартенситного превращения.
Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК). МКК развивается в зоне термического влияния, нагретой до температур 500-800°C. В этом критическом температурном интервале по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома (Cr₄C), что приводит к обеднению приграничных участков зерен хромом, ответственным за коррозионную стойкость стали. Это вызывает межкристаллитную коррозию, которая может привести к хрупким разрушениям конструкций в процессе эксплуатации.
Чтобы повысить стойкость стали против межкристаллитной коррозии, необходимо исключить или ослабить эффект выпадения карбидов, стабилизируя свойства стали.
Аустенитно-ферритные нержавеющие стали
Аустенитно-ферритные нержавеющие стали относятся к хорошо свариваемым материалам. Они устойчивы к образованию горячих трещин и межкристаллитной коррозии.
Аустенитно-ферритные нержавеющие стали: особенности свариваемости
Аустенитно-ферритные стали обладают повышенной склонностью к росту зерна при сварке. Наряду с увеличением размеров ферритных зерен возрастает и общее количество феррита. Быстрое охлаждение фиксирует образовавшуюся структуру. Размеры зерен, количество феррита и ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки, соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву. Соотношение гамма- и альфа-фаз в исходном состоянии сильно зависит от содержания титана (Ti) в стали. Чем выше содержание Ti, тем чувствительней сталь к перегреву. Это приводит к росту зерна и уменьшению количества аустенита, что снижает ударную вязкость металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений. Менее чувствительными к перегреву являются стали, не содержащие титан, такие как 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2.
Особенности сварки разнородных сталей
При сварке разнородных сталей важными факторами являются процессы диффузии и разбавления. Диффузия углерода (C) в сторону высоколегированной стали, содержащей высокие концентрации хрома (Cr) или других карбидообразующих элементов, представляет наибольшую опасность. Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в сварочной ванне. Более легированная сталь разбавляется менее легированной. Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение.
Металлургические процессы при сварке в инертных газах
Сварка сталей обычно осуществляется под флюсом или в среде углекислого газа (CO₂), но в некоторых случаях целесообразно применять аргонодуговую сварку, особенно для упрочнения средне- и высоколегированных сталей.
Низкоуглеродистые низколегированные стали, особенно кипящие, склонны к пористости из-за окисления углерода:
Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO;
Этот процесс происходит за счёт кислорода, накопленного в стали во время её выплавки, но может также возникать из-за примесей в аргоне (Ar) или влажности газа. Чтобы подавить эту реакцию в сварочной ванне, необходимо наличие достаточного количества раскислителей (Si, Mn, Ti). Это достигается использованием сварочных проволок Св08ГС или Св08Г2С. Пористость можно снизить, добавив до 50% кислорода к аргону, что вызывает интенсивное кипение сварочной ванны и способствует удалению газов до начала кристаллизации. Добавка кислорода к аргону также снижает критическое значение сварочного тока, что улучшает качество сварки.
Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. Это обеспечивает плотную структуру шва, а состав шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют близкий состав.
Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали, такие как 12Х18Н10Т, хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродом. При сварке этих сталей обычно не требуются дополнительные мероприятия. Однако аустенитно-мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода, который вызывает охрупчивание и замедленное разрушение в виде холодных трещин.
Заключение
Сварка различных типов сталей требует учета множества факторов, включая их химический состав, структуру и склонность к различным дефектам, таким как пористость и трещины. Для успешного выполнения сварочных работ необходимо тщательно подбирать режимы сварки, типы электродов и защитные газы. Особое внимание следует уделять предотвращению образования закалочных структур и обеспечению необходимой пластичности и прочности сварных соединений.