Свариваемость стали: классификация. Группы свариваемости сталей

Сталь – это основной конструкционный материал. Он представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием различных примесей. Все компоненты, входящие в ее состав, оказывают влияние на свойства слитка. Одной из технологических характеристик металлов является способность образовывать качественные сварные соединения.

Факторы, определяющие свариваемость стали

Оценка свариваемости стали производится по значению основного показателя – углеродного эквивалента С_экв. Это условный коэффициент, учитывающий степень влияния содержания карбона и основных легирующих элементов на характеристики шва.

На свариваемость сталей влияют следующие факторы:

1. Содержание углерода.
2. Наличие вредных примесей.
3. Степень легирования.
4. Вид микроструктуры.
5. Условия внешней среды.
6. Толщина металла.

Наиболее информативным параметром является химический состав.

Распределение сталей по группам свариваемости

С учетом всех перечисленных факторов, свариваемость стали имеет различные характеристики.

Классификация сталей по свариваемости.

• Хорошая (при значении С_экв≥0,25%): для низкоуглеродистых стальных деталей; не зависит от толщины изделия, погодных условий, наличия подготовительных работ.
• Удовлетворительная (0,25%≤С_экв≤0,35%): присутствуют ограничения к условиям окружающей среды и диаметру свариваемой конструкции (температура воздуха до -5, в безветренную погоду, толщина до 20 мм).
• Ограниченная (0,35%≤С_экв≤0,45%): для образования качественного шва необходим предыдущий подогрев. Он способствует «плавным» аустенитным преобразованиям, формированию устойчивых структур (ферритно-перлитные, бейнитные).
• Плохая (С_экв≥0,45%): формирование механически стабильного сварного соединения невозможно без предыдущей температурной подготовки кромок металла, а также последующей термической обработки сваренной конструкции. Для образования нужной микроструктуры необходимы дополнительные подогревы и плавные охлаждения.

Группы свариваемости сталей позволяют легко ориентироваться в технологических особенностях сварки конкретных марок железоуглеродистых сплавов.

Термическая обработка

В зависимости от группы свариваемости сталей и соответствующих технологических особенностей, характеристики сварного соединения можно корректировать с помощью последовательных температурных влияний. Выделяют 4 основных способа термообработки: закаливание, отпуск, отжиг и нормализация.

Наиболее распространенными являются закалка и отпуск для твердости и одновременной прочности сварного шва, снятия напряжения, предупреждения трещинообразования. Степень отпуска зависит от материала и желаемых свойств.

Термообработка металлических конструкций при проведении подготовительных работ производится:

• отжигом – для снятия напряжений внутри металла, обеспечения его мягкости и податливости;
• предыдущим подогревом с целью минимизации перепада температур.

Рациональное управление температурными влияниеми позволяет:

• подготовить деталь к работам (снять все внутренние напряжения путем измельчения зерен);
• снизить перепады температур на холодный металл;
• улучшить качество сварного объекта путем термической коррекции микроструктуры.

Корекция свойств путем перепадов температур может носить местный или общий характер. Подогрев кромок осуществляется с помощью газового или электродугового оборудования. Для нагрева всей детали и плавного охлаждения используются специальные печи.

Влияние микроструктуры на свойства

Суть процессов термической обработки основывается на структурных превращениях внутри слитка и их влиянии на затвердевший металл. Так, при нагревании до температуры 727 ˚C он являет собой смешанную зернистую аустенитную структуру. Способ охлаждения определяет варианты превращения:

1. Внутри печи (скорость 1˚С/мин) – образуются перлитные структуры с твердостью около 200 НВ (твердость по Бринеллю).
2. На воздухе (10˚С/мин) – сорбит (феррито-перлитные зерна), твердость 300 НВ.
3. Маслом (100˚С/мин) – троостит (феррито-цементитная микроструктура), 400 НВ.
4. Водой (1000˚С/мин) – мартенсит: твердая (600 НВ), но хрупкая игольчатая структура.

Сварочное соединение должно обладать достаточной твердостью, прочностью, качественными показателями пластичности, поэтому мартенситные характеристики шва не приемлемы. Низкоуглеродистые сплавы обладают ферритной, феррито-перлитной, феррито-аустенитной структурой. Среднеуглеродистые и среднелегированные стали – перлитной. Высокоуглеродистые и высоколегированные – мартенситной или трооститной, которую важно привести к феррито-аустенитному виду.

Сварка низкоуглеродистых сталей

Свариваемость углеродистых сталей определяется количеством карбона и примесей. Они способны выгорать, превращаясь в газообразные формы и придавая низкокачественному шву пористости. Сера и фосфор могут концентрироваться по краям зерен, повышая хрупкость конструкции. Сварка наиболее упрощена, тем не менее, требует индивидуального подхода.

Углеродистая сталь обычного качества подразделяется на три группы: А, Б и В. Сварочные работы проводятся с металлом группы В.

Свариваемость марок стали ВСт1 - ВСт4, в соответствии с ГОСТ 380-94, характеризуется отсутствием ограничений и дополнительных требований. Сварка деталей диаметром до 40 мм происходит без подогрева. Возможные индикаторы в марках: Г – повышенное содержание марганца; кп, пс, сп – «кипящая», «полуспокойная», «спокойная» соответственно.

Низкоуглеродистая качественная сталь представлена марками с обозначением сотых долей углерода, указанием степени раскисления и содержания марганца (ГОСТ 1050-88): сталь 10 (также 10кп, 10пс, 10Г), 15 (также 15кп, 15пс, 15Г), 20 (также 20кп, 20пс, 20Г).

Для обеспечения качественного шва необходимо проводить процесс насыщения сварочной ванны углеродом C и марганцем Mn.

Способы сварочных работ:

1. Ручная дуговая с использованием специальных, изначально прокаленных электродов, диаметром от 2 до 5 мм. Типы: Э38 (для средней прочности), Э42, Э46 (для хорошей прочности до 420 МПа), Э42А, Э46А (для высокой прочности сложных конструкций и их работы в особых условиях). Сваривание стержнями ОММ-5 и УОНИ 13/45 совершается под действием постоянного тока. Работы с помощью электродов ЦМ-7, ОМА-2, СМ-11 проводятся током любой характеристики.
2. Газовая сварка. Чаще всего нежелательна, но возможна. Проводится с использованием присадочной проволоки Св-08, Св-08А, Св-08ГА, Св-08ГС. Тонкий низкоуглеродистый металл (d 8мм) сваривается левым способом, толстый (d 8мм) – правым. Недостатки свойств шва возможно убрать посредством нормализации или отжига.

Сварку низкоуглеродистых сталей выполняют без дополнительного подогрева. Для деталей простой формы ограничения отсутствуют. Объемные и решетчатые конструкции важно защищать от ветра. Сложные объекты желательно сваривать в условиях цеха при температуре не ниже 5˚С.

Таким образом, для марок ВСт1 - ВСт4, сталь 10 - сталь 20 – свариваемость хорошая, практически без ограничений, требующая стандартного индивидуального подбора способа сварки, типа электрода и характеристик тока.

Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные стали

Насыщенность сплава углеродом снижает его способность к образованию хороших соединений. В процессе температурных воздействий дуги или газового пламени сера аккумулируется по краям зерен, приводя к красноломкости, фосфор – к хладноломкости. Чаще всего сваривают материалы, легированные марганцем.

Сюда относятся конструкционные стали обычного качества ВСт4, ВСт5 (ГОСТ 380-94), качественные 25, 25Г, 30, 30Г, 35, 35Г, 40, 45Г (ГОСТт 1050-88) разного металлургического производства.

Суть работы заключается в снижении количества карбона в сварочной ванне, насыщении металла в ней силицием и марганцем, обеспечении оптимальной технологии. При этом важно не допустить чрезмерных потерь углерода, что может привести к дестабилизации механических свойств.

Особенности сварочных работ со сталями среднего и высокого содержания углерода:

1. Изначальный подогрев кромок до 100-200˚С на ширину до 150 мм. Только марки ВСт4 и сталь 25 свариваются без дополнительного нагрева. Для среднеуглеродистых, обладающих удовлетворительной свариваемостью, перед началом выполнения работ производится полноценная нормализация. Для высокоуглеродистых необходим подготовительный отжиг.
2. Дуговая сварка осуществляется покрытыми прокаленными электродами, размером от 3 до 6 мм (ОЗС-2, УОНИ-13/55, АНО-7), под постоянным током. возможна работа в среде флюса или защитных газов (СО₂, аргон).
3. Газовая сварка производится науглероживающим пламенем, левым способом, с предыдущим подогревом до температуры 200˚С, при равномерной низкой мощности подачи ацетилена.
4. Обязательная термическая обработка деталей: закалка и отпуск либо отдельный отпуск с целью минимизации внутренних напряжений, предупреждения образования трещин, смягчения закаленных мартенситных и трооститных структур.
5. Контактная точечная сварка выполняется без ограничения.

Таким образом, средне- и высокоуглеродистые конструкционные стали свариваются практически без ограничений, при внешней температуре не ниже 5˚С. При более низких температурах обязателен изначальный подогрев и высококачественная термическая обработка.

Сварка низколегированных сталей

Легированные стали – это стали, которые во время плавки насыщаются различными металлами с целью получения заданных свойств. Практически все из них положительно влияют на твердость и прочность. Хром и никель входят в состав жаропрочных и нержавеющих сплавов. Ванадий и кремний придают упругость, используются как материал для изготовления пружин и рессор. Молибден, марганец, титан повышают износостойкость, вольфрам – красностойкость. При этом, положительно влияя на свойства деталей, они ухудшают свариваемость стали. Кроме того, повышают степень закаливания и формирования мартенситных структур, внутренние напряжения и риски образования трещин в швах.

Свариваемость легированных сталей определяется также их химическим составом.

Низколегированные малоуглеродистые 2ГС, 14Г2, 15Г, 20Г(гост 4543-71), 15ХСНД, 16Г2АФ (ГОСТ 19281-89) относятся к хорошо свариваемым. В стандартных условиях не требуют дополнительного подогрева и термообработки по завершении процессов. При этом все же некоторые ограничения существуют:

• Узкий диапазон допустимых тепловых режимов.
• Работы проводить при температуре не ниже -10˚С (в условиях более низких атмосферных температур, но не ниже -25˚С, применять предварительный подогрев до 200˚С).

Возможные способы:

• Электродуговая сварка с силой постоянного тока 40 до 50 А, электродами Э55, Э50А, Э44А.
• Автоматическая сварка электрической дугой под флюсом с использованием присадочной проволоки Св-08ГА, Св-10ГА.

Свариваемость стали 09Г2С, 10Г2С1 также хорошая, требования и возможные способы выполнения те же, что и для сплавов 12ГС, 14Г2, 15Г, 20Г, 15ХСНД, 16Г2АФ. Важной характеристикой сплавов 09Г2С, 10Г2С1 является отсутствие необходимости подготовки кромок для деталей диаметром до 4 см.

Сварка среднелегированных сталей

Среднелегированные стали 20ХГСА, 25ХГСА, 35ХГСА (гост 4543-71) производят более значительное сопротивление формированию ненапряженных швов. Они относятся к группе с удовлетворительной свариваемостью. Требуют предварительного подогрева до температур 150-200˚С, выполнения многослойных швов, закалки и отпуска по завершении сварочных работ. Варианты выполнения:

• Сила тока и диаметр электрода при сваривании электрической дугой выбирается строго в зависимости от толщины металла, с учетом того, что более тонкие кромки сильнее подвергаются закалке во время работ. Так при диаметре изделия 2-3 мм значение тока должно быть в пределах 50-90 А. При толщине кромок 7-10 мм сила постоянного тока обратной полярности увеличивается до 200 А с использованием электродов 4-6мм. Используются стержни с целлюлозными или фтористо-кальциевыми защитными покрытиями (Св-18ХГСА, Св-18ХМА).
• При работе в среде защитного газа СО₂ необходимо использовать проволоку Св-08Г2С, Св-10Г2, Св-10ГСМТ, Св-08Х3Г2СМ диаметром до 2 мм.

Часто для этих материалов применяют аргонодуговой способ или сварку под флюсом.

Теплоустойчивые и высокопрочные стали

Сварочные работы с теплоустойчивыми железоуглеродистыми сплавами 12МХ, 12Х1М1Ф, 25Х2М1Ф, 15Х5ВФ необходимо проводить с предварительным подогревом до температур 300-450˚С, с завершающей закалкой и высоким отпуском.

• Электродуговая сварка каскадным способом оформления многослойного шва, с использованием прокаленных покрытых электродов УОНИИ 13/45МХ, ТМЛ-3, ЦЛ-30-63, ЦЛ-39.
• Газовая сварка с подачей ацетилена 100 дм³/мм с использованием присадочных материалов Св-08ХМФА, Св-18ХМА. Соединение труб выполняется с предыдущим газовым подогревом всего стыка.

При сварке среднелегированных высокопрочных материалов 14Х2ГМ, 14Х2ГМРБ важно руководствоваться теми же правилами, что и для теплоустойчивых сталей, с учетом некоторых нюансов:

• Тщательная зачистка кромок и использование прихваток.
• Высокотемпературное прокаливание электрода (до 450˚С).
• Предварительный подогрев до 150˚С для деталей толщиной больше 2 см.
• Медленное охлаждение шва.

Высоколегированные стали

Применение особой технологии необходимо при сваривании высоколегированных сталей. К ним относится огромный диапазон нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сплавов, некоторые из них: 09Х16Н4Б, 15Х12ВНМФ, 10Х13СЮ, 08Х17Н5МЗ, 08Х18Г8Н2Т, 03Х16Н15МЗБ, 15Х17Г14А9. Свариваемость сталей (ГОСТ 5632-72) относится к 4-й группе.

Характеристика свариваемости стали высокоуглеродистой высоколегированной:

1. Необходимо снижение силы тока в среднем на 10-20 % в связи с их низкой теплопроводностью.
2. Сварка должна проводиться с зазором, электродами размером до 2 мм.
3. Снижение содержания фосфора, свинца, серы, сурьми, увеличение численного наличия молибдена, ванадия, вольфрама посредством использования специальных покрытых стержней.
4. Необходимость формирования смешанной микроструктуры шва (аустенит + феррит). Это обеспечивает пластичность наплавленного металла и минимизацию внутренних напряжений.
5. Обязательный подогрев кромок накануне сварочных работ. Температура выбирается в интервале от 100 до 300˚С, в зависимости от микроструктуры конструкций.
6. Выбор покрытых электродов при дуговой сварке определяется типом зерен, свойствами и условиями работы деталей:для аустенитной стали 12Х18Н9: УОНИИ 13/НЖ, ОЗЛ-7, ОЗЛ-14 с покрытиями Св-06Х19Н9Т, Св-02Х19Н9; для мартенситной стали 20Х17Н2: УОНИИ 10Х17Т, АН-В-10 с покрытием Св-08Х17Т; для аустенитно-ферритной стали 12Х21Н5Т: ЦЛ-33 с покрытием Св-08Х11В2МФ.
7. При газовой сварке подача ацетилена должна соответствовать значению 70-75 дм³/мм, используемая присадочная проволока – Св-02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б.
8. Возможны работы под флюсом с использованием НЖ-8.

Свариваемость стали – относительный параметр. Он зависит от химического состава металла, его микроструктуры и физических свойств. При этом способность образовывать качественные соединения может корректироваться с помощью продуманного технологического подхода, специального оборудования и условий выполнения работ.