Классификация сталей по свариваемости

При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей приведены ниже.

Углерод (С) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание "С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера (S) и фосфор (P) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит к образованию горячих трещин – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4÷0,5%.

Кремний (Si) присутствует в сталях как примесь в к-ве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании "Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании "Si" – до 0,8÷1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов "Si", ухудшающих свариваемость.

Марганец (Mn) при содержании в стали до 1,0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием "Mn" в к-ве 1,8÷2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром (Cr) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7÷3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель (Ni) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является пре­валирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Ванадий (V) в легированных сталях содержится в количестве 0,2÷0,8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.

Молибден (Мо) в сталях ограничивается 0,8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.

Титан и ниобии (Ti и Nb) в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.

Медь (Си) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8÷1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

При оценке влияния химического состава на свариваемость стали, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом. Для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость:

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Сr/5 + Мо/5 + V/5 + Ni/15 + Си/15 (метод МИС);

С_ЭКВ = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Сr/5 + Мо/4 (японский метод);

[С]_Х = С + Мn/9 + Сr/9 + Ni/18 + 7Мо/90 (метод Сефериана),

где цифры указывают содержание в стали в массовых долях процента соотвтствующих элементов.

Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей, однако значение углеродного эквивалента может быть использовано при решении практических вопросов, связанных с разработкой технологии сварки. Достаточно часто расчеты химического углеродного эквивалента для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса выполняются по формуле Сефериана.

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (табл. 1.1).

К первой группеотносят наиболее распространенные марки низкоуглеродистых и легированных сталей ([С]_Х≤0,38), сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки, а также без последующей термообработки. Литые детали с большим объемом наплавленного металла рекомендуется сваривать с промежуточной термообработкой. Для конструкций, работающих в условиях статических нагрузок, термообработку после сварки не производят. Для ответственных конструкций, работающих при динамических нагрузках или высоких температурах, термообработка рекомендуется

Ко второй группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_х=0,39÷0,45), при сварке которых в нормальных условиях производства трещин не образуется. В эту группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать, а также подвергать последующей термообработке. Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Для отливок из стали 30Л обязателен отжиг. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск)

Таблица 1. Классификация сталей по свариваемости.

В случае, когда невозможен последующий отпуск, заваренную деталь подвергают местному нагреву. Термообработка после сварки разная для различных марок сталей. При заварке мелких дефектов стали, содержащей более 0,35% углерода, для улучшения механических свойств и обрабатываемости необходима термическая обработка (отжиг или высокий отпуск по режиму для данной стали).

К третьей группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_Х=0,46÷0,59) перлитного класса, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. Свариваемость этой группы сталей обеспечивается при использовании специальных технологических мероприятий, заключающихся в их предварительной термообработке и подогреве. Кроме того, большинство изделий из этой группы сталей подвергают термообработке после сварки. Для деталей и отливок из проката или поковок, не имеющих особо жестких контуров и жестких узлов, допускается заварка в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск).

Без предварительного подогрева такие стали можно сваривать в случаях, когда соединения не имеют жестких контуров, толщина металла не более 14мм, температура окружающей среды не ниже +5°С и свариваемые соединения имеют вспомогательный характер. Во всех остальных случаях обязателен предварительный подогрев до температуры 200°С.

Термообработка данной группы сталей назначается по режиму, выбираемому для конкретной стали.

К четвертой группе относят углеродистые и легированные стали ([С]_х≥0,60) перлитного класса, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. При сварке этой группы сталей с использованием рациональных технологий не всегда достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому их сварку выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Перед сваркой такая сталь должна быть отожжена. Независимо от толщины и типа соединения сталь необходимо предварительно подогреть до температуры не ниже 200°С. Термообработку изделия после сварки проводят в зависимости от марки стали и ее назначения.

Эксплуатационная надежность и долговечность сварных конструкций из низколегированных теплоустойчивых сталей зависит от предельно допустимой температуры эксплуатации и длительной прочности сварных соединений при этой температуре. Эти показатели определяются системой легирования теплоустойчивых сталей. По системе легирования стали можно разделить на хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые и хромомолибденовольфрамовые (табл. 1.2). В этих сталях значение углеродного эквивалента изменяется в широких пределах и оценка свариваемости сталей по его значению нецелесообразна. Расчет температуры предварительного подогрева выполняется для каждой кон­кретной марки сталей.

Разделение высоколегированных сталей по группам (нержаве­ющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные) в рамках ГОСТ5632-72 выполнено условно в соответствии с их основными служебными характеристиками, так как стали жаропрочные и жаростойкие являются одновременно кислотостойкими в определенных агрессивных средах, а кислотостойкие стали обладают одновременно жаропрочностью и жаростойкостью при определенных температурах.

Остановимся на кратких рекомендациях по технологии сварки высоколегированных сталей, которые, как уже отмечалось, разделяются на четыре группы.

Для хорошо сваривающихся высоколегированных сталей термообработку до и после сварки не проводят. При значительном наклепе металл необходимо закалить от 1050÷1100°С. Тепловой режим сварки нормальный. К этой группе сталей можно отнести ряд кислотостойких и жаропрочных сталей с аустенитной и аустенитно-ферритной структурой.

Для удовлетворительно сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендуется предварительный отпуск при 650÷710°С с охлаждением на воздухе. Тепловой режим сварки нормальный. При отрицательной температуре сварка не допускается. Предварительный подогрев до 150÷200°С необходим при сварке элементов конструкции с толщиной стенки более 10мм. После сварки для снятия напряжений рекомендуется отпуск при 650÷710°С. К этой группе в первую очередь можно отнести большую часть хромистых и некоторых хромоникелевых сталей.

Таблица 2. Марки теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основе.

Для ограниченно сваривающихся высоколегированных сталей термообработка перед сваркой различная (отпуск при 650÷710°С с охлаждением на воздухе или закалка в воде от 1050÷1100°С). При сварке большинства сталей этой группы обязателен предварительный нагрев до 200÷300°С.

После сварки для снятия напряжений и понижения твердости детали сварного соединения подвергают отпуску при 650÷710°С. Для сварки ряда сталей аустенитного класса обязательна закалка в воде от 1050÷1100°С.

Для плохо сваривающихся высоколегированных сталей перед сваркой рекомендован отпуск по определенным режимам для различных сталей.

Для всей группы сталей обязателен предварительный подогрев до 200÷300°С. Сварка стали 110Г13Л в состоянии закалки производится без нагрева. Термообработку после сварки выполняют по специальным инструкциям, в зависимости от марки стали и назначения. Для стали 110Г13Л термообработка не требуется.