Сварочные работы. Практическое пособие

Наиболее существенное влияние на состояние ЗТВ и свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы – хром, вольфрам, молибден и ванадий. Последние ухудшают свариваемость за счет образования карбидов (служащих концентраторами напряжений) и за счет понижения критических скоростей закалки.

Углерод до 0,25 % почти не оказывает влияния на свариваемость. При большем содержании значительно ухудшает ее – увеличивает твердость и уменьшает пластичность, приводит к закаливаемости ЗТВ и к появлению трещин, к увеличению количества газовых пор в процессе окисления при сварке.

Марганец при содержании до 1 % не ухудшает свариваемость и не затрудняет сварку. В качестве хорошего раскислителя он способствует уменьшению содержания кислорода в стали. Однако при содержании более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как повышается твердость стали, появляются закалочные структуры, могут быть трещины.

Кремний – до 1 % вводится как раскислитель и не влияет на свариваемость. Но при содержании кремния более 2,5 % свариваемость ухудшается, так как образуются тугоплавкие оксиды, ведущие к появлению шлаковых включений, повышаются прочность и твердость, а вместе с этим и хрупкость.

Хром – до 0,6 % не отражается на свариваемости. При содержании хрома более 1 % свариваемость ухудшается, особенно при повышении содержания углерода.

Никель – в обычных углеродистых сталях содержание никеля составляет до 0,3 %, а в высоколегирующих – до 28 %. Никель, вместе с прочностью, увеличивает пластичность как исходной стали, так и шва, и не ухудшает, а даже улучшает свариваемость.

Молибден – в сталях от 0,5 до 3,0 % существенно увеличивает прочность и ударную вязкость стали, но ухудшает свариваемость, повышает склонность к образованию трещин в шве и в ЗТВ.

Медь – содержание ее в сталях до 1 % улучшает свариваемость, повышает их прочность, пластические свойства, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Титан и ниобий в количестве до 1 % вводят в хромистые и хромоникелевые стали для улучшения свариваемости. В бóльших количествах они могут ухудшить свариваемость. Титан при этом способствует образованию горячих трещин.

Трещинообразование при сварке

Отсутствие холодных или горячих трещин при сварке является основной характеристикой свариваемости. Трещины, образующиеся при температурах выше 800–900 °C, называются горячими, а при температурах ниже 300 °C – холодными.

Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, присутствия атомов водорода и остаточных растягивающих напряжений. Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали. Для этого используют эмпирические формулы, из которых наиболее распространенная[21] имеет вид:

Сэкв = С + Mn/6 + (Cr+V+Mo)/5 + (Ni+Cu)/15,

где С, Мn, Cr, V, Mo, Ni, Сu – массовые доли углерода, марганца, кремния, ванадия, молибдена, никеля и меди, %.

При Сэкв ≤ 0,45 – свариваемость хорошая для легированных сталей.

При Сэкв ≤ 0,49 – свариваемость хорошая для низкоуглеродистых сталей.

При Сэкв > 0,45 до 0,5 – свариваемость удовлетворительная, но сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры Т = 350(Собщ – 0,25)^½, где Собщ – общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины S свариваемых деталей: Собщ = Сэкв(1 + 0,005S).

При Сэкв > 0,5 до 0,6 – свариваемость ограниченная, требуются подогрев и отжиг, или нормализация.

При Сэкв > 0,6 до 0,8 – свариваемость плохая.

Пример. Допустим, нужно определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Для этого понадобится справочник по маркам сталей. Для стали 40ХН содержание С = 0,36–0,44; Mn = 0,5–0,8; Cr = 0,45–0,75; Ni = 1–1,4; Cu ≤ 0,3; ванадий и молибден не содержатся.

Для расчета возьмем средние значения химических элементов в этой стали.

Сэкв=0,4+0,65/6+0,6/5+1,4/15 ≈ 0,72 > 0,45. Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать.

Собщ = 0,72(1+0,005 × 5) ≈ 0,74. Таким образом, детали нужно нагреть перед сваркой до температуры Т=350(0,74–0,25)^½ ≈ 245 °C.

Формул для определения Сэкв существует около десятка, и достоверность их, в принципе, весьма относительная, так как формулы эти эмпирические, т. е. без вывода. Вот некоторые из них:

1. Рекомендованная ГОСТ 27772–88 формула для всех сталей:

Сэкв = С+ Mn/6 + Si/24 + Cr /5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2.

2. Уточненная формула для всех сталей:

Сэкв = С + Мn/6 + Сr/6 + Si/5 + Cu/7 + Р/2 + Ni/12 + Mo/4 + V/5.