ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Свариваемость
Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физикохимических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.
Пористость сварного шва ведет к уменьшению его герметичности и ухудшению механических свойств соединения. Поры в шве образуются в результате насыщения расплава газами и выделения газовых пузырьков при кристаллизации шва. Практически все газы хорошо растворимы в жидкой фазе и плохо растворимы (или не растворимы) в твердой фазе. При кристаллизации сварного шва газы выделяются в виде пузырьков, частично не успевают выделиться в атмосферу и остаются в металле в виде пор. Поры образуются вследствие: наличия влаги в электродных покрытиях, флюсах, защитных газах (насыщение шва водородом); окислительных процессах в шве (насыщение шва оксидом углерода); нарушении защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода); большой скорости охлаждения шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).
Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является, склонность к образованию трещин. В процессе кристаллизации появляются горячие трещины. В послесварочный период появляются холодные трещины.
Горячие трещины (рис. 1.8, а) образуются во время кристаллизации шва. В это время металл находится в двухфазном (твердожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твердой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов. Склонность к горячим трещинам обладают сплавы с широким интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей. Холодные трещины (рис. 1.8, б) обычно возникают в зоне термического влияния после завершения кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в период от двух до семи суток после сварки. Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей (если при сварке появляются закалочные структуры, при усиленном росте зерен, при повышенном насыщении металла газами).
Потенциальную склонность низкоуглеродистых сталей к образованию холодных трещин можно оценить по так называемому эквиваленту углерода (Сэкв):
C3Ke=Kc+KSi/24 + Кмп/6 + Kc/5 + KNi/10 + KMc/4 + Ky/14 + 5Kb, где: Kc, KSi, Кмп, Kcn K№, Kmc, Kv, Kb - процентное содержание соответствующего элемента в стали. При Сэкв > 0,4%, сталь считается склонной к образованию холодных трещин.
По свариваемости (ГОСТ 29273-92), стали разделяют на четыре группы: хорошо свариваемые, удовлетворительно свариваемые, ограниченно свариваемые, плохо свариваемые.
Углерод в сталях может находиться в виде цементита (Fe3C), а в чугунах в виде цементита и в свободном состоянии (графит). В сталях количество цементита пропорционально количеству углерода. Цементит повышает сопротивление движению дислокаций, уменьшает пластичность и вязкость сплавов. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести; уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость. Вследствие этого углерод при содержании в стали до 0,25% не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость резко ухудшается, так как в зоне термического влияния образуются закалочные структуры, приводящие к трещинам. Применение средне - и высокоуглеродистых присадочных материалов приводит к пористости шва.
Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость
стали.
Карбидообразующие элементы (элементы, обладающие химическим сродством к углероду и образующим с ним карбиды) способствуют появлению закалочных структур и повышенному риску трещи- нообразования в сварном шве и в околошовной зоне. К карбидообразующим элементам относятся титан, марганец, хром, молибден, ванадий, ниобий.
При содержании хрома до 2% образуется легированный цементит (FeCr)3C. При содержании хрома в пределах 2... 10% образуется специальный карбид (CrFe)7C3. При повышении содержания хрома до
10. 12% образуются сложные карбиды(Сг, Fe)23C6. Эти карбиды ухудшают коррозионную стойкость стали, резко повышают твердость в зоне термического влияния, интенсифицируют образование тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.
Молибден и вольфрам образуют в сталях сложные карбиды: Fe3Mo3C(Fe2Mo2C) и Fe3W3C (Fe2W2C). Молибден измельчает зерно,
способствует образованию трещин в зоне термического влияния. При сварке, молибден активно окисляется и выгорает. Вольфрам способствует появлению закалочных структур и активно окисляется, чем препятствует сварке.
Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности. Марганец при содержании в стали 1,8.. .2,5% способствует появлению закалочных структур, что повышает опасность появления холодных трещин при сварке. При содержании в стали 11. 16%, марганца, он интенсивно выгорает.
Титан и ниобий способствуют образованию горячих трещин.
Ванадий способствует появлению закалочных структур, чем затрудняет сварку. Ванадий при сварке активно окисляется и выгорает.
Элементы, не образующие карбидов, находятся в стали в твердом растворе (в аустените или в феррите). Обычно эти элементы снижают устойчивость карбида железа (цементита), способствуя его распаду на феррит и свободный углерод (графит). Поэтому эти элементы называют графитизирующими. К графитизирующим элементам относятся кремний и никель.
Кремний дегазирует сталь, повышает ее плотность и предел текучести. Кремний при содержании в стали от 0,02 до 0,3% не вызывает ухудшения свариваемости. При содержании и в стали кремния от 0,8 до 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекуче - сти кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.
