Материалы для сварных конструкций и их свариваемость

Перед тем как выбрать способ сварки, электродные материалы и разработать технологию сварки металлоконструкции, необходимо иметь четкое представление не только о марке материала, его химическом составе и механических свойствах, но и такой важной характеристике, как его свариваемость.

1. Маркировка и свариваемость углеродистых сталей

Углеродистую сталь обыкновенного качества по ГОСТ 380-2005 изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп,Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы «Ст» обозначают «сталь», цифры — условный номер марки в зависимости от химического состава, буква «Г» — марганец при его массовой доле в стали 0,80 % и более, буквы «кп», «пс», «сп» — степень раскисления стали: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в табл. 1.

Массовая доля хрома (Cr), никеля (Ni), меди (Cu) в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,30 % каждого. В стали марки Ст0 массовая доля Cr, Ni, Cu не нормируется. Массовая доля серы (S) в стали всех марок, кроме Ст0, должна быть не более 0,050 %, фосфора (P) — не более 0,040 %. В стали марки Ст0 массовая доля S должна быть не более 0,060 %, F — не более 0,070 %. Стали марок Ст1, Ст2, Ст3 всех категорий и степеней раскисления как с нормальным, так и с повышенным содержанием марганца (Mn), выпускаются с гарантированной свариваемостью.

Качественная углеродистая конструкционная сталь маркируется по номинальному содержанию углерода. Наименование марки — его содержание в сотых процента, например в стали 45 содержится 0,45 % С. Допустимое отклонение 0,03—0,04 % С. Стали с номинальным содержанием до 0,20 % С включительно могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Остальные стали — только спокойные.

Таблица 1. Нормируемый химический состав стали

В обозначении кипящих и полуспокойных сталей после цифр ставят буквы «кп» или «пс». Если букв нет — сталь спокойная. По требованиям, предъявляемым к механическим свойствам, качественная сталь делится на пять категорий. Она может изготовляться без термообработки, термообработанной (шифр — Т) и нагартованной (шифр — Н). Нагартованной выпускают только калиброванную сталь и серебрянку. По назначению сталь делится на подгруппы: а — для горячей обработки давлением, б — для холодной механической обработки, в — для холодного волочения. Например: сталь 35-2-а, т. е. сталь с 0,35 % С, 2-й категории, подгруппы а, нетермообработанная.

В качественных конструкционных сталях жестче ограничения по содержанию вредных примесей, чем в сталях обыкновенного качества.

Стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали) содержат либо 0,15—0,30 % S или свинца (Рb), либо около 0,1 % S и до 0,1 % селена (Se). Маркируют их аналогично качественным сталям, но перед цифрами содержания углерода ставят буквы А для сернистых или АС для свинецсодержащих сталей. Если сталь содержит селен, то в конце марки ставится буква Е. Примеры марок: А12, А20, АС14, А35Е.

Углеродистую инструментальную сталь выпускают 16 марок: У7, У7А, У8, У8А, У9, У9А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А, У8Г, У8ГА. Буква «У» означает — сталь углеродистая инструментальная, цифры — содержание углерода в десятых долях процента, буква «Г» — сталь с повышенным содержанием марганца (около 0,5 %). Буква «А» означает, что сталь высококачественная, т. е. более чистая по сере, фосфору и содержанию случайных примесей.

Стали для отливок маркируют по содержанию углерода так же, как качественные конструкционные, но в конце марки добавляют букву «Л». Например, сталь 45Л.

Они характеризуются худшей свариваемостью по сравнению с аналогичными по составу конструкционными сталями, полученными прокаткой. В целом же относительно технологической свариваемости можно судить по данным табл. 2.

Таблица 2. Группы технологической свариваемости сталей

С учетом этого фактора нужно следовать рекомендациям относительно использования тех или иных способов сварки согласно табл. 3.

Таблица 3. Технологическая свариваемость и прочность при растяжении углеродистых сталей

*1 После нормализации.

*2 Обозначения способов сварки: Р — ручная дуговая, ПЗ — плавящимся электродом в защитном газе, НЗ — неплавящимся электродом в защитном газе, ПФ — под флюсом, ЭШ — электрошлаковая, К — контактная, Г — газовая.

*3 Для толщины более 36 мм рекомендуются подогрев и последующая термообработка.

*4 Рекомендуются подогрев и последующая термообработка.

*5 Необходимы подогрев и последующая термообработка.

*6 С последующей термообработкой.

Примечание. Обозначения: σ_в — предел прочности; δ — относительное удлинение.

2. Маркировка и свариваемость легированных сталей

Основную массу легированных сталей составляют низколегированная (ГОСТ 19281-89), легированная конструкционная (ГОСТ 4543-71), теплоустойчивая (ГОСТ 20072-74) и высоколегированные стали и жаростойкие и жаропрочные железоникелевые сплавы (ГОСТ 5632-72). Маркировка всех перечисленных сталей однотипная. Первые две цифры — содержание углерода в сотых долях процента; буквы — условные обозначения легирующих элементов; цифра после буквы — примерное содержание легирующего элемента, причем единица и меньшие значения не ставятся. Буква «А» в конце марки означает, что сталь высококачественная, т. е. с пониженным содержанием серы и фосфора.

Условные обозначения легирующих элементов следующие:

*Обозначение азота ставится в середине марки.

Все легированные стали спокойные. В зависимости от набора регламентированных характеристик низколегированные стали делятся на 15 категорий. Для всех категорий регламентирован химический состав. Могут быть регламентированы также механические свойства при растяжении, изгибе в холодном состоянии и ударная вязкость при комнатной температуре, после механического старения и при следующих отрицательных температурах, °С: –20, –40, –50, –60, –70. Прочностные характеристики дифференцированы в зависимости от вида и толщины проката и марки стали.

Стали и сплавы, полученные специальными методами, дополнительно обозначают через дефис в конце наименования марки буквами:

• ВД — вакуумно-дуговой переплав;
• Ш — электрошлаковый переплав;
• ВИ — вакуумно-индукционная выплавка.

Например, марка 03Х18Н12-ВИ означает, что в стали содержится 0,03 % С, 18 % Сr, 12 % Ni и она получена в вакуумной индукционной печи. Рекомендации по использованию подходящих способов сварки легированных сталей и сплавов приведены в табл. 4. и 5.

Таблица 4. Технологическая свариваемость низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

*1 Обозначения способов сварки см. в табл. 3.

*2 При сварке жестких конструкций рекомендуется подогрев.

*3 Рекомендуется подогрев.

*4 Необходим подогрев.

*5 Необходима термообработка.

*6 Рекомендуется термообработка.

Таблица 5. Технологическая свариваемость некоторых теплоустойчивых, высоколегированных, коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов

1 Обозначения способов сварки см. в табл. 3.

2 Рекомендуется термообработка.

3 Необходимы подогрев и последующая термообработка.

4 Рекомендуется подогрев.

5 Необходима термообработка.

Анализируя эти данные, можно сказать, что некоторые стали для улучшения свариваемости требуют предварительного подогрева.

Температура предварительного подогрева обычно находится в пределах 150 — 400^*оС, ее величина зависит от содержания углерода, легирующих элементов и от толщины изделия (табл. 6).

Таблица 6. Режим подогрева сталей перед сваркой

Подогрев осуществляется в печах, токами промышленной частоты и газопламенными горелками. Температура контролируется с помощью термопар, термоиндикаторных красок по ТУ 133-67, ТУ 6-09-1739-73, ТУ 6-10- 1131-71 или карандашей по ТУ6-10-1110-71.

Погрешность измерений около ±10 %.

Улучшения качества сварного соединения можно добиться путем термической обработки после окончания сварочных работ (табл. 7), хотя при сварке жаропрочных сплавов трудности намного возрастают (табл. 8).

Таблица 7. Ориентировочные параметры режима термообработки сталей после сварки

Таблица 8. Термообработка и свариваемость деталей из жаропрочных сплавов

3. Маркировка и свариваемость чугунов

Специально из чугунов сварные конструкции не изготавливают, но сварка часто используется для ликвидации дефектов литья, а также при ремонте повреждений чугунных деталей, выявленных в процессе их эксплуатации.

Чугуны для отливок подразделяют на серые, ковкие и высокопрочные в зависимости от формы включений графита и условий его образования. Маркируют их по механическим свойствам. Примеры марок: СЧ 20, КЧ 35-10, ВЧ 60-1,5. Буквы — шифр вида чугуна: СЧ — серый, КЧ — ковкий, ВЧ — высокопрочный, т. е. с шаровидным графитом. Числа после букв — гарантируемые временное сопротивление, кгс/мм², и относительное удлинение, % (у серых чугунов удлинение но регламентируют). Свариваемость всех чугунов очень плохая.

4. Маркировка и свариваемость цветных металлов

По своим физико-химическим свойствам цветные металлы и их сплавы в значительной мере отличаются от сталей, что необходимо учитывать при выборе сварочных материалов, способа, технологии и техники сварки.

Медь и ее сплавы маркируются по ГОСТ 859-2001 в зависимости от степени чистоты, причем с повышением цифрового индекса металла количество примесей возрастает. Например, бескослородная медь марки М00б состоит на 99,99 % (Cu+Ag), а М1б — на 99,95 % (Cu+Ag). Наиболее вредной примесью в меди является кислород, содержание которого для изготовления конструкций обычного назначения не должно превышать 0,03 %, ответственного назначения — 0,01 %, особо ответственного назначения — 0,003 %. При реакции кислорода с медью образуется закись меди, создающая с медью эвтектику, снижающую стойкость против горячих трещин. Таким же образом проявляют себя висмут, сурьма и свинец, их количество не должно превышать соответственно 0,003, 0,005, 0,03 %. Водород является причиной пористости, так как вследствие быстрой кристаллизации он

не успевает выделиться из сварочной ванны. Кроме того, он может вступать в реакцию с кислородом закиси меди с созданием водяного пара, не способного диффундировать и диссоциировать, и вследствие большого давления легко разрушает медь. Это явление носит название «водородной болезни» меди. Высокая теплопроводность и коэффициент линейного расширения вынуждают использовать концентрированные источники нагрева, предварительный и сопутствующий подогрев и принимать меры по уменьшению деформации сварной конструкции.

Латуни. Это сплавы меди с цинком. Благодаря высоким механическим и технологическим свойствам они являются наиболее распространенными из медных сплавов. При содержании цинка до 39 % — это однофазные α-латуни, при большем — двухфазные α+β и β-латуни. В соответстии с ГОСТ 15527-2004 латуни, обрабатываемые давлением, маркируются, например Л63 (63 % Cu, остальное — Zn). Из них изготовляют листы, трубы, полосы. Для изготовления фасонных изделий (арматуры, гребных винтов, отводов) используют более сложные по составу литейные сплавы по ГОСТ 17711-93, например ЛЦ40Мц3Ж (Cu 55 %, Mn 3 %, Fe 1 %, Zn — остальное), ЛЦ23А6Ж3Мц2 (66 % Cu, 6 % Al, 3 % Fe, 2 % Mn, Zn — остальное). При сварке латуней возникают дополнительные трудности, как, например, повышенное испарение цинка (до 25 %) из-за его низкой температуры кипения, что служит причиной пористости и изменения фазового состава сплава. Кроме того, образуется ядовитое соединение ZnO2. Предварительный подогрев, увеличение скорости сварки, дополнительное введение в сварочную ванну кремния уменьшают это вредное явление.

Бронзы — это любые медные сплавы, кроме латуней, маркируются теми же буквами, что и латуни. Так, бронзы безоловянистые, обрабатываемые давлением по ГОСТ 18175-78 маркируются, например, БрКМц 3-1 (3 % Si, 1 % Mn, Cu — остальное); БрОЦС 4-4-4 (4 % Sn, 4 % Zn, 3 % Pb, Cu — остальное), БрАЖ 9-4 (9 % Al, 4 % Fe, Cu — остальное), а безоловянистые литейные согласно ГОСТ 493-79 маркируются, например, БрА9Мц2Л (8,0…9,5 % Аl, 1,5…2,5 % Mn, Cu — остальное). Наилучшей свариваемостью обладает кремнисто-марганцевая бронза, она же часто используется в качестве присадки для сварки меди и ее сплавов. Изделия из оловянистых бронз, обрабатываемых давлением, изготавливаются согласно ГОСТ 5017-2006 и маркируются так: БрОФ8,0-0,3 (7,5…8,5 % Sn, 0,25…0,35 % P, 0,1…0,2 % Ni, Cu — остальное), а такие же литейные бронзы изготавливаются по ГОСТ 613-79 и маркируются так: Бр03Ц12С5 (2,0…3,5 % Sn, 8,0…15,0 % Zn, 3,0…6,0 % Pb, Cu — остальное).

При сварке оловянисто-цинково-свинцовистых бронз нельзя избежать образования пор и трещин вследствие насыщения металла шва газами и значительно большего, чем у других медных сплавов, интервала температур ликвидус-солидус.

При сварке алюминиевых бронз нужно бороться с образованием оксидной пленки Al2O3, которая засоряет сварочную ванну и является причиной появления пор и трещин.

Никель и его сплавы. Полуфабрикатный никель маркируется по ГОСТ 492-2006 как НП: металл марки НП-1 содержит 99,9 % (Ni+Co), НП-4 — 99,0 % (Ni+Co).

Наиболее распространенными свариваемыми никелевыми сплавами являются монель-металл НМЖМц 28-2,5-1,5 (Cu 28 %, Fe 2,5 %, Mn 1,5 %, Ni+Co — остальное) и сплавы сопротивления — нихромы по ГОСТ 12766.1-90, например, марки Х20Н80Н (Cr 20…23 % , Si 0,4…1,5 % , Ni — остальное). Свариваемость никеля и его сплавов затруднена вследствие их большой чувствительности к вредным примесям (Fe, S, Bi, Pb, P, Zn) и растворенным газам (О2, Н2, СО). Последние не успевают выделиться из сварочной ванны, создавая поры и трещины («водородная болезнь»). Причиной кристаллизационных трещин является создание низкотемпературных эвтектик Ni-NiS, Ni-NiP. Поэтому содержание серы и фосфора в основном металле не должно превышать 0,001 и 0,005 % соответственно. Сплавы никеля — монельметалл и нихром имеют большие, по сравнению с никелем, литейную усадку, электрическое сопротивление и меньшую теплопроводность. При сварке нихромов проявляется склонность к образованию оксидной пленки Cr2O3, затрудняющей формирование шва.

Свинец используется только в качестве облицовочного материала, которым плакируют стальные, бетонные и даже деревянные емкости. Маркируется по ГОСТ 3778-98: С000 (99,99 % Pb), С3 (99,9 % Pb). Вредной примесью, ухудшающей свариваемость, является сурьма, охрупчивающая сварной шов; ее содержание не должно превышать 0,005 %.

Титан и его сплавы. Наиболее распространенными являются чистый титан марок ВТ1-00, ВТ1-0 и его легированные сплавы, например ВТ5 (5 % Al, 0,8 % Mo, Ti — остальное), ОТ4-0 (1 % Al, 1 % Mo, Ti — остальное), ВТ6 (6 % Al, 5 % V, Ti — остальное) по ГОСТ 19807-91. Вредными примесями в них являются кислород, азот и водород, способствующие охрупчиванию, поэтому их содержание не должно превышать 0,15 % и 0,015 % соответственно, а содержание углерода не должно превышать 0,1 %. При нагреве свыше 400 °С титан активно реагирует с газами, поэтому приходится защищать не только плавильное пространство, но и охлаждающиеся участки сварного шва и его корень до температуры 400…500 °С. Причиной пористости является водород, а холодные трещины возникают вследствие образования и последующего распада химического соединения — гидрида титана. Свариваемость титановых сплавов гораздо хуже, чем у чистого титана.

Алюминий и его сплавы. Деформируемый алюминий и его сплавы маркируются по ГОСТ 4784-97: АД0 (не менее 99,5 % Al), АД1 (не менее 99,3 % Al), АМг3 (3,5 % Mg, 0,5 % Mn, 0,6 % Si, Al — остальное), Д16П (4 % Cu, 1,5 % Mg, 0,6 % Mn, Al — остальное), литейные сплавы по ГОСТ 1583-93 АК13 (12 % Si, 0,35 % Mn, 0,2 % Mg, Al — остальное), AK9M2 (9 % Si, 0,35 % Mn, 1,5 % Cu, 0,5 % Mg, Al — остальное).

Основные трудности при сварке алюминия и его сплавов связаны с необходимостью разрушения оксидной пленки Al 2O3, которая не растворяется в жидком алюминии, имеет высокую температуру плавления (примерно 2050 °С по сравнению с температурой плавления алюминия 660 °С) и засоряет сварочную ванну. Борьба с ней ведется как мерами предварительной подготовки поверхности под сварку (механическим удалением оксидной пленки и травлением в растворе щелочи), так и во время сварки за счет ведения процесса на постоянном токе обратной полярности и на переменном токе, а также путем обработки сварочной ванны специальными флюсами из фтористых и хлористых солей щелочно-земельных металлов.

Пористость сварных швов связана со скачкообразным падением растворимости водорода при переходе металла из жидкого в твердое состояние. Для облегчения выхода газовых пузырей применяют предварительный и сопутствующий подогрев. Кристаллизационные трещины образуются за счет совместного действия кремния и железа, содержание которых надо контролировать.

Высокая теплопроводность и коэффициент линейного расширения предполагают использование высококонцентрированного источника нагрева и специальных приемов по уменьшению деформации свариваемых конструкций.

Магниевые сплавы. Вследствие малой прочности и низкой коррозионной стойкости чистый магний для изготовления сварных конструкций не используется. Обрабатываемые сплавы с алюминием, марганцем, цинком маркируются по ГОСТ 14957-76 МА2 (3,0…4,0 % Al, 0,15…0,5 % Mn, 0,2… 0,8 % Zn, Mg — остальное); литейные сплавы маркируются по ГОСТ 2856-79 так: МЛ3 (2,5…3,5 % Al , 0,15…0,5 % Mn, 0,5…1,5 % Zn, Mg — остальное). Основная трудность при сварке — образование оксидной пленки MgО, борьба с ней осуществляется за счет сварки на переменном токе, когда она разрушается в моменты обратной полярности.

Композитные материалы. Композитные материалы (КМ) позволяют реализовать комплекс полезных свойств — высокую прочность и жесткость при растяжении и сжатии, в сочетании с длительной прочностью при низком удельном весе. Эти материалы состоят из металлической матрицы (алюминия, магния, титана, меди, кобальта), упрочненной непрерывными или короткими волокнами и нитеобразными кристаллами. Матричный сплав передает нагрузку на несущие волокнами, перераспределяет ее и препятствует распространению трещин через сечение детали, формирует волокна и защищает их от внешнего воздействия. Среди металлических КМ наибольшее распространение получили алюминиевые и магниевые сплавы, армированные борными волокнами, марок ВКА-1, ВКА-2, ВКМ-1, углеродными волокнами марки ВКУ-1, стальными проволоками марок КАС-1, КАС-1а и т. д.

Специфика КМ создает трудности как при непосредственной их сварке, так и при их сварке с однородными металлами в составе сварной конструкции. Разница в температурах плавления матрицы и упрочнителя (600… 1700 ºС и 1500…2500 ºС соответственно) приводит к нарушению целостности последнего, возможности протекания химических реакций, вследствие чего происходит насыщение газами сварного шва и образование хрупких интерметаллидных соединений. Большая разница в коэффициентах теплоемкости, теплопроводности и линейного расширения способствует образованию значительных температурных напряжений, а нарушение беспрерывности волокон по всей площади в направлении поперечном основной оси напряжений приводит к потере механических свойств КМ.

Применение накладок или соединений внахлестку снижает механические характеристики и увеличивает вес сварной конструкции. Поэтому следует выбирать способы, обеспечивающие минимальное тепловложение в зону сварки, применять присадочные материалы или промежуточные прокладки с легирующими добавками, которые ограничивают растворение упрочняющего компонента, образование хрупких соединений и т.п.

Разнородные сварные соединения из цветных металлов. Вследствие ограниченной взаимной растворимости в твердом состоянии (за исключением системы Cu–Ni) при сварке образуются хрупкие интерметаллидные соединения, выделяющиеся на границе сплавления в виде диффузионной прослойки различной толщины. Это приводит к самопроизвольному разрушению сварного соединения под действием термических напряжений при охлаждении сварного шва. Поэтому лучше всего такие соединения свариваются в твердофазном состоянии, а при сварке плавлением применяют способ сварко-пайки, при котором мощность источника нагрева направляется в сторону более теплопроводного металла, а более тугоплавкий металл, защищается от расплавления с помощью специального охлаждающего устройства.

Таблица 9. Технологическая свариваемость цветных конструкционных металлов и сплавов

*1 Г — газовая, Р — ручная дуговая графитовым или покрытым электродом, ПЗ — плавящимся электродом в защитных газах, НЗ — неплавящимся электродом в защитном газе, ПФ — под флюсом, ЭШ — электрошлаковая, К — контактная, ЭЛ — электроннолучевая, Т — в твердой фазе.

*2 Необходим подогрев и проковка.

*3 Необходим подогрев.

*4 Рекомендуется проковка.

*5 Через третий металл или биметалл.

*6 Необходим подогрев и термическая обработка.

Сведения, приведенные в табл. 9, свидетельствуют об удовлетворительной свариваемости рассмотренных цветных металлов и сплавов и доступности многих способов сварки для их практического воплощения.