Влияние легирующих элементов и примесей на свариваемость

К легирующим элементам относят: хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, титан, а также марганец и кремний при определенном их содержании.

Хром в низкоуглеродистых сталях содержится в пределах до 0,300, в конструкционных 0,7 - 3,50, в хромистых l2 - 180~0, в хромо- никелевых 9 - 3500. При сварке хром образует карбиды хрома, ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость -в зонах термического влияния; содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.

Никель в низкоуглеродистых сталях имеется в пределах 0,2- 0,3%, в конструкционных 1 - 5%, в легированных 8 - 35%. В некоторым сплавах содержание никеля достигает 85%. Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.

Молибден в стали ограничивается 0,15 - 0,8%. Он увеличивает несущую способность стали при ударных нагрузках и высоких температурах, измельчает зерно. Он способствует образованию трещин в наплавленном металле и зонах термического влияния; при сварке активно окисляется и выгорает.

Ванадии в специальных сталях содержится в пределах 0,2 - 0,8%, в штамповых сталях 1 - 1,5%. Он способствует закаливаемости стали, чем затрудняет сварку, В процессе сварки активно окисляется и выгорает.

Вольфрам в инструментальных и штамповых сталях содержится в пределах от 0,8 до 18%. Вольфрам резко увеличивает твердость стали и ее работоспособность при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.

Титан и ниобий вводят в нержавеющие и жаропрочные стали для повышения коррозионных свойств (0,5 - 1,0%). При сварке нержавеющих сталей типа Х18Н9 ниобий способствует образованию горячих трещин.

Уrлерод - одна нз наиболее важных примесей, определяющая прочность, вязкость, закаливаемость и особенно свариваемость стали. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях в пределах до 0,25% не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость стали резко ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются структуры закалки, приводящие к трещинам. Повышенное содержание углерода в присадочном материале вызывает при сварке пористость металла шва.

Марганец содержится в стали в пределах 0,3 - 0,8%. Процесс сварки марганец не затрудняет. При сварке среднемарганцовистых сталей (1,8 - 2,5% Мn) возникает опасность появления трещин в связи с тем, что марганец способствует увеличению закаливаемости стали. В сталях типа Г13Л с содержанием марганца в пределах 11 - 16% при сварке происходит интенсивное выгорание марганца, для предотвращения которого требуются специальные меры.

Кремний находится в стали в пределах 0,02 - 0,3%. Он не вызывает затруднений при сварке. В специальных сталях при содержании кремния 0,8 - 1,5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Легированные стали разделяются в зависимости от содержания легирующих элементов на: низколегированные (не более 2,5%); легированные (2,5-10%), и высоколегированные (более 10%). Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. Свариваемость стали можно приближенно оценить по количеству легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду, по формуле Международного института сварки:

где С_э – эквивалент углерода, %; C, Mn, Si, Cr и др. – содержание в стали этих элементов, %. При С_э< 0,35 % сталь хорошо сваривается, а при толщине свариваемых элементов до 8 мм хорошо сваривается при C_э > 0,35 %, но требуются предварительный подогрев и также последующая термообработка или другие технологические приемы. Как видно из формулы, увеличение в стали содержания Мn, Сr и V примерно в равной степени влияют на ухудшение свариваемости. Значительно ухудшают свариваемость увеличение содержания фосфора и серы. В меньшей степени влияют на ухудшение свариваемости Ni., Cu. При содержании их равном 0,5% и менее, они не учитываются в формуле.

Установлено, что если С_э меньше 0,4%, то трещины в околошовной зоне не возникают; при С_э =0,4-0,7% необходим предварительный подогрев; если С_э=0,7-1%, нужны предварительный и сопутствующий подогрев. При С_э более 1% сталь не сваривается обычными методами сварки плавлением.

Образование холодных трещин уменьшается путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обуславливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5-4,5%), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). Элементами нейтрализующими действие серы и повышающими стойкость швов против трещин, являются марганец, кислород, титан, хром и особенно ванадий.

При оценке свариваемости стали помимо химического состава учитываются: конструктивная форма изделия, технологические особенности сварки, физические свойства металла, склонность к закаливанию, образованию трещин при сварке и после охлаждения коррозионная стойкость при различных температурах, прочность, пластичность, вязкость и другие характеристики.