Свариваемость металлов

Дата: 2015-02-25 20:44
 

Реакция свариваемых материалов на технологический процесс сварки и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации, называется свариваемостью. Свариваемость определяют три группы факторов:

— химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления (1), подготовительные операции (ковка, прокатка, термообработка деталей);

— сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов;

— вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

1. Раскисление — процесс удаления из расплавленных металлов растворенного в них кислорода, ухудшающего механические свойства металла.

Наиболее существенное влияние на свариваемость оказывает углерод, способствующий образованию закалочных структур, и легирующие элементы (хром, вольфрам, молибден), способствующие возникновению карбидов.

Основной характеристикой свариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке. Трещины, возникающие при температурах выше 800—900 °С, называются горячими, а при температурах ниже 300 °С — холодными.

Холодные трещины образуются под влиянием закалочных явлений, 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 имеет вид:

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

При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин. При Сэкв> 0,45 сталь склонна к образованию холодных трещин и необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры
                                1/2
Т = 350 (Собщ — 0,25)     ,

где Собщ — общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

Со6щ = Сэкв (1 + 0,005h).

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.


                  0,65      0,6      1,4
Сэкв = 0,4 + —— + —— + —— прибл. = 0,72 > 0,45.
                     6        5        15

Следовательно, детали перед сваркой необходимо нагревать:

Со6щ = 0,72 (1 + 0,005 х 5) прибл. = 0,74.

Таким образом, деталь нужно нагреть перед сваркой до температуры
                                1/2
Т = 350 (0,74 — 0,25)     прибл. = 245 °С.

Определение марки стали довольно точно можно произвести по пучку искр, образующемуся при ее обработке на наждачном круге. Форма и длина нитей искр, цвет искр, форма пучка различны для разных марок стали:

— малоуглеродистая сталь — непрерывные соломенно-желтые нити искр с небольшим количеством звездочек на концах нитей;

— углеродистая сталь (с содержанием углерода около 0,5 %) — пучок светло-желтых нитей искр со звездочками;

— инструментальная сталь У7—У10 — расходящийся пучок светло-желтых нитей с большим количеством звездочек;

— инструментальная сталь У12, У13 — плотный и короткий пучок искр с очень большим количеством «разветвленных» звездочек;

— инструментальная сталь с содержанием хрома — плотный пучок темно-красных нитей искр с большим количеством желтых звездочек; звездочки сильно «разветвленные»;

— быстрорежущая сталь с содержанием хрома и вольфрама — пучок прерывистых темно-красных нитей искр, на концах которых более светлые звездочки каплеобразной формы;

— пружинная сталь с содержанием кремния — широкий пучок темно-желтых искр с более светлыми звездочками на концах нитей;

— быстрорежущая сталь с содержанием кобальта — широкий пучок темно-желтых нитей искр без звездочек.

В процессе кристаллизации металла шва в зоне термического влияния могут возникать горячие трещины. Они проходят по границам кристаллитов и вызывают межкристаллитное разрушение. Чувствительность сварного соединения к образованию горячих трещин (HCS) устанавливают по формуле:
                                                      103
            C x (S + P + Si/25 + Ni/100)
HCS = ——————————————.
                 3Mn + Cr + Мо + V

При HCS < 4 горячие трещины не образуются. Для высокопрочных сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6—2.

По свариваемости все стали можно условно разделить на четыре группы: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая (табл. 2) (1).

1. Справочные материалы (таблицы) размещены в разделе «Приложения» в конце книги.