Свариваемость сталей, чугунов и цветных металлов

Содержание страницы

1. Классификация и свариваемость углеродистых сталей
2. Маркировка и свариваемость легированных сталей
3. Маркировка и свариваемость чугунов
4. Маркировка и свариваемость цветных металлов и сплавов
5. Специфика сварки композитных и разнородных материалов
Интересные факты из мира сварки
FAQ: Часто задаваемые вопросы по свариваемости
Заключение

Выбор оптимального способа сварки, подбор электродных и присадочных материалов, а также разработка комплексной технологии изготовления сварной металлоконструкции — это многогранная инженерная задача. Ее успешное решение невозможно без глубокого понимания свойств основного материала. Помимо базовых данных, таких как марка, точный химический состав и механические характеристики (прочность, пластичность), ключевым параметром, определяющим успех всего проекта, является свариваемость. Этот термин описывает способность металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее всем эксплуатационным требованиям.

Свариваемость — это комплексная характеристика, зависящая от множества факторов: химического состава, металлургической чистоты, термической обработки и толщины свариваемых элементов. Недооценка этого параметра может привести к образованию дефектов (трещин, пор, непроваров), снижению прочности соединения и, как следствие, к преждевременному выходу из строя всей конструкции. В данном материале мы проведем детальный разбор маркировки и свариваемости основных групп конструкционных материалов, используемых в современной промышленности.

Сварка сталей

1. Классификация и свариваемость углеродистых сталей

Углеродистые стали являются наиболее распространенным материалом в строительстве и машиностроении благодаря своей доступности и универсальности. Их свариваемость напрямую зависит от содержания углерода и степени раскисления.

1.1. Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистую сталь обыкновенного качества производят в соответствии с нормативами ГОСТ 380-2005. Этот стандарт определяет следующие марки: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Расшифровка маркировки несет в себе ключевую информацию о свойствах стали:

«Ст» — обозначает «сталь».
Цифры (0-6) — условный номер марки, коррелирующий с химическим составом и механическими свойствами. С увеличением номера растет содержание углерода и, соответственно, прочность, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость.
Буква «Г» — указывает на повышенное содержание марганца (Mn) при его массовой доле 0,80 % и более. Марганец повышает прочность и износостойкость стали.
Буквы «кп», «пс», «сп» — отражают степень раскисления стали, то есть процесс удаления из жидкого металла кислорода, который является вредной примесью.
- «кп» (кипящая) — раскисляется только марганцем. При застывании из-за выделения оксида углерода (CO) сталь «кипит» в изложнице. Характеризуется неоднородной структурой, но низкой стоимостью. Склонна к старению.
- «пс» (полуспокойная) — промежуточная степень раскисления, достигается введением марганца и кремния. Обладает более сбалансированными свойствами.
- «сп» (спокойная) — полностью раскислена марганцем, кремнием и алюминием. Застывает без газовыделения, имеет плотную и однородную структуру. Обладает наилучшим качеством и свариваемостью.

Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в таблице 1. Для всех марок, кроме Ст0, массовая доля хрома (Cr), никеля (Ni) и меди (Cu) ограничивается 0,30 % каждого элемента. Содержание вредных примесей, серы (S) и фосфора (P), также строго регламентировано: не более 0,050 % и 0,040 % соответственно. Стали марок от Ст1 до Ст3 всех степеней раскисления выпускаются с гарантированной свариваемостью, что делает их основным материалом для большинства сварных конструкций.

Таблица 1. Нормируемый химический состав углеродистой стали обыкновенного качества (по ГОСТ 380-2005)

Марка стали	Массовая доля химических элементов, %
Марка стали	C (Углерод)	Mn (Марганец)	Si (Кремний)
Ст0	не более 0,23	—	—
Ст1кп	0,06…0,12	0,25…0,50	не более 0,05
Ст1пс	0,06…0,12	0,25…0,50	0,05…0,15
Ст1сп	0,06…0,12	0,25…0,50	0,15…0,30
Ст2кп	0,09…0,15	0,25…0,50	не более 0,05
Ст2пс	0,09…0,15	0,25…0,50	0,05…0,15
Ст2сп	0,09…0,15	0,25…0,50	0,15…0,30
Ст3кп	0,14…0,22	0,30…0,60	не более 0,05
Ст3пс	0,14…0,22	0,40…0,65	0,05…0,15
Ст3сп	0,14…0,22	0,40…0,65	0,15…0,30
Ст3Гпс	0,14…0,22	0,80…1,10	не более 0,15
Ст3Гсп	0,14…0,20	0,80…1,10	0,15…0,30
Ст4кп	0,18…0,27	0,40…0,70	не более 0,05
Ст4пс	0,18…0,27	0,40…0,70	0,05…0,15
Ст4сп	0,18…0,27	0,40…0,70	0,15…0,30
Ст5пс	0,28…0,37	0,50…0,80	0,05…0,15
Ст5сп	0,28…0,37	0,50…0,80	0,15…0,30
Ст5Гпс	0,22…0,30	0,80…1,20	не более 0,15
Ст6пс	0,38…0,49	0,50…0,80	0,05…0,15
Ст6сп	0,38…0,49	0,50…0,80	0,15…0,30

1.2. Качественная углеродистая конструкционная сталь

Качественная углеродистая конструкционная сталь отличается от стали обыкновенного качества более жесткими требованиями к химическому составу, особенно по содержанию вредных примесей (серы и фосфора), и более стабильными механическими свойствами. Маркировка таких сталей напрямую указывает на содержание углерода: двузначное число обозначает его среднюю массовую долю в сотых долях процента. Например, в стали 45 содержится в среднем 0,45 % углерода (C). Стали с содержанием углерода до 0,25 % (например, Сталь 20) обладают хорошей свариваемостью. С повышением содержания углерода свариваемость ухудшается из-за риска образования хрупких закалочных структур (мартенсита) в зоне термического влияния (ЗТВ).

В обозначении качественных сталей также указывается степень раскисления: отсутствие индекса после цифр означает спокойную сталь (например, Сталь 45). Для кипящих и полуспокойных добавляются индексы «кп» и «пс» (например, Сталь 20кп).

1.3. Оценка свариваемости через углеродный эквивалент

Для комплексной оценки влияния химического состава на свариваемость, особенно для сталей с содержанием углерода выше 0,25% и низколегированных сталей, используется понятие углеродного эквивалента (C_э). Он учитывает суммарное влияние углерода и легирующих элементов на склонность стали к закалке и образованию холодных трещин. Формула, рекомендованная Международным институтом сварки (IIW):

C_э = %C + %Mn/6 + (%Cr + %Mo + %V)/5 + (%Ni + %Cu)/15

На основе значения C_э можно предварительно оценить технологические требования к сварке:

C_э ≤ 0,25%: Сталь отлично сваривается без ограничений.
0,25% < C_э ≤ 0,35%: Удовлетворительная свариваемость. Могут потребоваться электроды с низким содержанием водорода.
0,35% < C_э ≤ 0,45%: Ограниченная свариваемость. Необходим предварительный подогрев до 100-200 °C и использование прокаленных электродов.
C_э > 0,45%: Плохая свариваемость. Требуются высокий предварительный подогрев (200-400 °C), последующая термообработка и строгий контроль технологии.

1.4. Специализированные углеродистые стали

Стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматные): Содержат повышенное количество серы (S) или свинца (Pb) для улучшения ломкости стружки при обработке на станках. Маркируются буквой «А» в начале (А12, А20) или «АС» для свинецсодержащих (АС14). Эти стали имеют плохую свариваемость из-за высокого содержания серы, способствующей образованию горячих трещин.
Углеродистая инструментальная сталь: Маркируется буквой «У» и цифрой, обозначающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У10). Буква «А» в конце (У8А) означает высокое качество (меньше примесей), «Г» — повышенное содержание марганца. Из-за высокого содержания углерода (0,7-1,3%) эти стали обладают очень плохой свариваемостью и свариваются только в исключительных случаях со сложной технологией.
Стали для отливок (литейные): Маркируются аналогично качественным конструкционным сталям, но с добавлением буквы «Л» в конце (25Л, 45Л). Их свариваемость, как правило, хуже, чем у деформируемых (прокатных) сталей аналогичного состава из-за более крупнозернистой и неоднородной литой структуры.

1.5. Группы технологической свариваемости

Все стали условно разделяют на четыре группы по технологической свариваемости, что помогает инженеру выбрать правильный подход к процессу.

Таблица 2. Группы технологической свариваемости сталей

Группа	Оценка свариваемости	Характеристика и технологические требования
І	Хорошая	Обеспечивает получение качественных сварных соединений без необходимости в специальных технологических операциях (подогрев, термообработка).
ІІ	Удовлетворительная	Для получения надежных соединений требуется строгое соблюдение режимов сварки, применение специальных присадочных материалов, а в некоторых случаях — предварительный подогрев и/или последующая термообработка.
ІІІ	Ограниченная	Получение качественного сварного соединения требует обязательного применения сложных технологических операций: предварительного и сопутствующего подогрева, последующей многоступенчатой термообработки, проковки швов и т.д.
IV	Плохая	Сварные швы крайне склонны к образованию трещин. Сварка требует высокого подогрева, а последующая термообработка является обязательной. Стали этой группы, как правило, не используются для изготовления сварных конструкций, сварка применяется преимущественно для ремонта.

Конкретные рекомендации по выбору способа сварки для различных марок углеродистых сталей приведены в таблице 3.

Таблица 3. Свариваемость и механические свойства углеродистых сталей

Марка	σ_в, МПа	δ, %	Группа свариваемости		*Рекомендуемые способы сварки²**
Марка	*не менее¹**		Сварка плавлением	Контактная сварка	*Рекомендуемые способы сварки²**
Ст0	304	20	I	I	Р, ПФ, ПЗ, ЭШ, К , Г
Ст1	304	31	I	I	Р³, ПФ³, П3*³, ЭШ, К, Г
Ст2, Ст2Г	323	29	I	I	То же
Ст3, Ст3Г	362	23	I	I	»
Ст5, Ст5Г	450	17	II	І	Р⁴, ПФ⁴, ПЗ*⁴, ЭШ, К
Ст6, Ст6Г	588	12	ІІ	—	Р⁴, ПФ⁴, ПЗ*⁴, ЭШ
08, 08кп	330	33	І	І	Р, ПФ. ПЗ, К , Г
10, 10кп	340	31	I	І	То же
15, 15кп	380	27	І	І	»
20, 20кп	420	25	I	І	»
25	460	23	І	І	»
30	490	21	ІІ	І	Р, ПФ, ПЗ, ЭШ, К , Г*⁴
35	530	20	II	І	Р⁴, ПФ⁴, ПЗ⁴, ЭШ, К, Г⁴
40	570	19	ІІ	І	То же
45	600	16	III	ІІ	Р⁵, К, Г⁴
50	620	14	ІІІ	II	То же
55	645	13	IV	ІІІ	К⁶, Г⁴
60	675	12	IV	III	К*⁶
75	1080	7	IV	III	К*⁶
85	1127	6	IV	III	К*⁶
У7, У7А	—	—	IV	III	К*⁶
У8, У8А	—	—	IV	III	К*⁶
У10, У10А	—	—	IV	III	К*⁶
У12, У12А	—	—	IV	III	К*⁶
15Л	400	24	І	—	Р, ПЗ, ЭШ, Г
20Л	420	22	I	—	То же
25Л	450	19	II	—	Р⁴, ПЗ⁴, ЭШ, Г
30Л	480	17	II	—	То же
35Л	500	15	ІІ	—	»
40Л	530	14	III	—	Р⁵, Г⁴
45Л	550	12	III	—	Р⁵, Г⁴
50Л	580	11	III	—	Р*⁵
55Л	600	10	III	—	—

*1 После нормализации.

*2 Обозначения способов сварки: Р — ручная дуговая покрытым электродом (РД/MMA), ПЗ — полуавтоматическая плавящимся электродом в защитном газе (MIG/MAG), НЗ — аргонодуговая неплавящимся электродом (TIG), ПФ — автоматическая под флюсом (SAW), ЭШ — электрошлаковая (ЭШС), К — контактная, Г — газовая.

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

*4 Рекомендуются подогрев и последующая термообработка.

*5 Необходимы предварительный подогрев и последующая термообработка.

*6 С последующей термообработкой.

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

2. Маркировка и свариваемость легированных сталей

Легированные стали содержат специальные элементы (хром, никель, молибден и др.), вводимые для придания им особых свойств: повышенной прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности. Основные группы: низколегированная (ГОСТ 19282-73), легированная конструкционная (ГОСТ 4543-2016), теплоустойчивая (ГОСТ 20072-74) и высоколегированные стали (ГОСТ 5632-2014).

Маркировка этих сталей унифицирована и информативна:

Первые две цифры — среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 30ХГСА содержит ~0,30% С). Если первая цифра 0, то содержание углерода менее 0,10%.
Буквы — условные обозначения легирующих элементов.
Цифра после буквы — примерное содержание легирующего элемента в процентах (если цифры нет, содержание около 1%).
Буква «А» в конце марки — сталь высококачественная (с пониженным содержанием S и P).

Таблица 4. Условные обозначения легирующих элементов

Элемент

Азот (N)

Ниобий (Nb)

Вольфрам (W)

Марганец (Mn)

Медь (Cu)

Селен (Se)

Кобальт (Co)

Молибден (Mo)

Никель (Ni)

Фосфор (P)

Бор (B)

Кремний (Si)

Титан (Ti)

Ванадий (V)

Хром (Cr)

Цирконий (Zr)

Алюминий (Al)

Обозначение

А*

*Обозначение азота (А) ставится в середине марки, а не в конце.

Легирующие элементы значительно влияют на свариваемость, в основном ухудшая ее за счет повышения прокаливаемости и склонности к образованию хрупких структур. Поэтому для сварки таких сталей часто требуются предварительный подогрев, специальные сварочные материалы и обязательная последующая термообработка для снятия напряжений и получения требуемой структуры шва.

сварной шов

Для сталей, полученных методами специальной металлургии для повышения их чистоты, в конце маркировки через дефис добавляются обозначения:

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

Например, марка 03Х11Н8М2Ф-ВИ означает сталь с 0,03% C, 11% Cr, 8% Ni, 2% Mo, ~1% V, полученную вакуумно-индукционной выплавкой.

Рекомендации по свариваемости и выбору технологий для легированных сталей представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5. Технологическая свариваемость низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

Марка	Группа свариваемости	*Рекомендуемые способы сварки¹**
09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 10ХСНД, 15ХСНД, 16ГС	І	Р, ПФ, ПЗ, ЭШ, Г
14ХГС	І	Р, ПФ, ПЗ, Г
15Г2СФ, 15Г2СФД, 14Г2АФ, 15Г2АФДпс, 18Г2АФДпс, 12Г2СМФ, 12ГН2МФАЮ, 12ХГН2МФБАЮ	ІІ	Р, ПФ, ПЗ, ЭШ
15Х, 20Х	І	Р, ПЗ*², Г
35Х	ІІ	Р*³, ЭШ
40Х, 45Х, 50Х, 50Г, 45Г2	ІІІ	Р^4,5, К
20Г	І	Р, ПФ, К, Г
30Г, 40Г	ІІ	Р⁶ , ПФ⁶
10Г2	І	Р, ПФ, ЭШ, К
18ХГТ	І	Р, К
30ХГТ	ІІ	Р^3,6, К
35ХМ	ІІ	Р⁴,⁵, ПФ^4,⁵, ЭШ*⁵
30ХМ, 30ХМА	ІІ	Р^3,5, ПФ^3,5, ПЗ^3,5
15ХМ	І	Р^3,6, ПФ^3,6 , К, Г^4,5
20ХМ	ІІ	Р^3,6 , ПФ^3,6, Г^4,5
40ХФА	ІІІ	Р^4,5, К
40ХН	ІІІ	Р^4,5, ПФ^4,5, ЭШ*⁵
45ХН, 45ХН2МФА	ІІІ	Р^4,5
12ХН2, 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А	ІІ	Р, ПФ
30ХНЗА	ІІІ	Р^4,5, ЭШ*⁵
20Х2Н4А	ІІІ	Р^4,5, ПФ^4,5, ЭШ*⁵
30ХГС, 30ХГСА	ІІ	Р⁶, ПФ⁶, ПЗ⁶, ЭШ⁶, К
35ХГСА	ІІ	Р⁶, ПФ⁶, ПЗ*⁶
38ХГН, 40Х2НМА, 40Х2Н2МА	ІІІ	Р^4,5
18Х2Н4МА	ІІІ	Р^4,5, ПФ^4,5, ЭШ*⁵
40ХФА	ІІІ	Р^4,5, К*⁵
38ХГН, 30ХГСН2А, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА	ІІІ	Р^4,5
34ХН1М, 34ХНЗМА	ІІ	Р^4,5, ЭШ*⁵

*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 6. Свариваемость теплоустойчивых и высоколегированных сталей и сплавов

Марка	Группа свариваемости	*Рекомендуемые способы сварки¹**
12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т	І	Р², НЗ², ПФ², ЭШ², К
04Х18Н10, 03ХН23МДТ	І	Р
15Х12ВНМФ, 40Х10С2М	III	Р*³
15Х11МФ	ІІ	Р*³
08X13, 12X13	ІІ	Р^4,2, ПФ^4,2, ПЗ^4,2, К
14Х17Н2, 20Х23Н13	ІІ	Р
12X17, 15Х25Т	ІІІ	Р², НЗ²
ХН35ВТ, 31Х19Н9МВБТ	ІІІ	Р*⁵
12МХ	І	Р⁴, ПФ⁴, ЭШ
12Х1МФ	ІІ	Р⁴, ПФ⁴
20X13	II	Р³, Н3³, К^3,⁵
07Х16Н6, 09Х15Н8Ю	ІІ	Р*⁵
ХН78ВТ, ХН75М6ТЮ	І	Р, НЗ, К
ХН56МТЮ	ІІ	НЗ

1 Обозначения способов сварки см. в табл. 3.
2 Рекомендуется термообработка.
3 Необходимы подогрев и последующая термообработка.
4 Рекомендуется подогрев.
5 Необходима термообработка.

2.1. Технологические операции для улучшения свариваемости сталей

Как видно из таблиц, для сталей с удовлетворительной, ограниченной и плохой свариваемостью требуются специальные технологические приемы, ключевыми из которых являются предварительный подогрев и последующая термическая обработка.

Предварительный подогрев решает несколько задач: снижает скорость охлаждения сварного соединения, предотвращая образование хрупких закалочных структур; способствует удалению диффузионного водорода из металла шва, снижая риск водородного охрупчивания и холодных трещин; уменьшает величину остаточных сварочных напряжений. Температура подогрева зависит от углеродного эквивалента и толщины свариваемого металла.

Таблица 7. Рекомендуемые режимы подогрева сталей перед сваркой

Тип стали	Температура подогрева, °С
Низкоуглеродистая (до 0,25% С)	100…150 (при сварке толщин более 20 мм или при отрицательной температуре окружающей среды)
Среднеуглеродистая (0,25…0,45% С)	150…300
Высокоуглеродистая (>0,45% C)	300…450
Низколегированная	150…250
Легированная конструкционная	До 400
Теплоустойчивая	250…400
Коррозионно-стойкая мартенситного и ферритного класса	До 400
Жаропрочная аустенитная	Без подогрева (подогрев может спровоцировать нежелательные структурные изменения)

Последующая термическая обработка (PWHT) применяется для снятия пиковых остаточных напряжений, которые могут достигать предела текучести материала, и для получения более равновесной и стабильной структуры металла шва и зоны термического влияния. Основным видом термообработки является высокий отпуск.

Таблица 8. Ориентировочные режимы термообработки сталей после сварки

Тип стали	Рекомендуемый режим термообработки
Углеродистая	Высокий отпуск при 620…660 °С для снятия напряжений и стабилизации структуры. В особых случаях (например, после ЭШС) — нормализация при 910…940 °С с последующим отпуском.
Низколегированная повышенной прочности	Высокий отпуск при 650…700 °С для снятия напряжений и выравнивания механических свойств.
Легированная конструкционная	Режим (отпуск или закалка с отпуском) зависит от конечных требований, предъявляемых к механическим свойствам сварной конструкции.
Теплоустойчивая (15ХМ, 12Х1МФ)	Высокий отпуск при 710…740 °С.
Жаропрочная и коррозионно-стойкая	Для сталей аустенитного класса: стабилизирующий отжиг при 850…920 °С. Для сталей мартенситного или ферритного класса — отпуск при 720…800 °С.

Особую сложность представляет сварка дисперсионно-твердеющих жаропрочных сплавов. Сварка деталей в упрочненном (состаренном) состоянии недопустима, так как приводит к гарантированному растрескиванию.

Таблица 9. Особенности термообработки и свариваемости жаропрочных сплавов

Состояние деталей перед сваркой и после нее	Результат и склонность к образованию трещин
Детали перед сваркой упрочнены старением.	Сварка в таком состоянии категорически запрещена. Это приведет к массивному растрескиванию в ЗТВ.
Детали перед сваркой термообработаны на твердый раствор (закалены).	Оптимальное состояние для сварки. Детали свариваются без трещин при соблюдении технологии.
После сварки детали сразу подвергаются упрочняющему старению.	Недопустимо. Приведет к растрескиванию. Перед старением сварное изделие должно пройти повторную закалку на твердый раствор, и только затем — старение.

3. Маркировка и свариваемость чугунов

Чугун — это сплав железа с углеродом (содержание С > 2,14%). Из-за высокого содержания углерода и кремния, чугуны обладают очень плохой свариваемостью. Сварка применяется в основном для исправления дефектов литья и для ремонта деталей.

Основные проблемы при сварке чугуна:

Образование хрупких структур: Из-за высокой скорости охлаждения в ЗТВ образуется структура хрупкого «белого чугуна» (цементита), что приводит к появлению трещин.
Высокие внутренние напряжения: Низкая пластичность чугуна не позволяет ему релаксировать термические напряжения, что также ведет к трещинам.
Пористость: Обильное газообразование при сварке приводит к пористости шва.

Маркируют чугуны по механическим свойствам: СЧ 20 (серый чугун с пределом прочности 20 кгс/мм² или 200 МПа), КЧ 35-10 (ковкий чугун), ВЧ 60-1,5 (высокопрочный чугун с шаровидным графитом). Для сварки чугуна применяют специальные методы: сварку с высоким подогревом («горячая» сварка), сварку без подогрева («холодная» сварка) с использованием специальных электродов на никелевой или медно-никелевой основе, которые образуют пластичный шов.

4. Маркировка и свариваемость цветных металлов и сплавов

Физико-химические свойства цветных металлов (высокая теплопроводность, низкая температура плавления, сильное окисление) кардинально отличают их от сталей и требуют особого подхода к сварке.

4.1. Медь и ее сплавы (латуни, бронзы)

Медь (М00б, М1б по ГОСТ 859-2014): Основные трудности — очень высокая теплопроводность, требующая мощных источников тепла и подогрева, и склонность к «водородной болезни». Кислород, растворенный в меди, реагирует с водородом, образуя водяной пар, который разрывает металл изнутри.
Латуни (сплавы меди с цинком, Л63): Главная проблема — низкая температура кипения цинка (907 °C). При сварке цинк интенсивно испаряется, что приводит к пористости шва, изменению его состава и образованию токсичных паров оксида цинка.
Бронзы (сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и др.): Свариваемость сильно зависит от состава. Оловянистые бронзы склонны к образованию горячих трещин из-за широкого интервала кристаллизации. Алюминиевые бронзы образуют на поверхности прочную тугоплавкую пленку оксида алюминия Al₂O₃, затрудняющую сварку. Наилучшей свариваемостью обладают кремнистые бронзы (БрКМц3-1).

4.2. Никель и его сплавы

Никель (НП1, НП2 по ГОСТ 492-2006) и его сплавы (монель, нихром) чувствительны к вредным примесям, особенно к сере и фосфору, которые образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, вызывая горячие трещины. Содержание S и P не должно превышать тысячных долей процента. Также характерна высокая чувствительность к растворенным газам.

4.3. Алюминий и его сплавы

Алюминий (АД0, АД1) и его сплавы (АМг, АМц, Д16) по ГОСТ 4784-97 и литейные (АК, АЛ) по ГОСТ 1583-93 представляют особую сложность при сварке.

Ключевые проблемы и их решения:

Прочная тугоплавкая оксидная пленка (Al₂O₃): T_пл ≈ 2050 °C, в то время как у алюминия T_пл ≈ 660 °C. Пленка препятствует сплавлению. Для ее разрушения применяют:
- Механическую и химическую зачистку перед сваркой.
- Сварку на переменном токе (AC TIG) или на постоянном токе обратной полярности (DC+ MIG), где происходит «катодное распыление» оксида.
- Использование флюсов при газовой сварке.
Высокая теплопроводность: Требует высокой концентрации энергии и предварительного подогрева для толщин более 10-15 мм.
Водородная пористость: Растворимость водорода в жидком алюминии в десятки раз выше, чем в твердом. При кристаллизации водород выделяется, образуя поры. Источники водорода — влага на поверхности, в защитном газе, в обмазке электродов.

4.4. Титан и его сплавы

Титан (ВТ1-00) и его сплавы (ВТ6, ОТ4) по ГОСТ 19807-91 обладают уникальным сочетанием прочности, легкости и коррозионной стойкости. Однако при сварке он чрезвычайно химически активен.

При температуре выше 400 °C титан активно поглощает кислород, азот и водород из воздуха, что приводит к резкому охрупчиванию шва. Поэтому ключевое требование — надежная защита не только сварочной ванны, но и всех нагретых участков шва до их остывания ниже 400 °C. Это достигается использованием аргона высокой чистоты, специальных газовых линз, а также дополнительной защиты (trailing shields) и поддува аргона с обратной стороны шва. Качество защиты контролируется по цвету шва: серебристый или светло-соломенный цвет свидетельствуют о качественной защите, а синий, фиолетовый или серый — о недопустимом насыщении газами.

4.5. Магниевые сплавы

Сплавы магния (МА2, МЛ3) — самые легкие конструкционные материалы. Их сварка схожа со сваркой алюминия (проблема с оксидной пленкой MgO), но осложняется еще большей химической активностью и пожароопасностью. Сварка выполняется преимущественно аргонодуговым методом на переменном токе.

Таблица 10. Свариваемость цветных конструкционных металлов и сплавов

Марка металла или сплава	Группа свариваемости	*Рекомендуемые способы сварки¹**
М0, М1, М2, БрМц5	ІІ	Г², Р², ПЗ, НЗ, ПФ, ЭШ, К, Т
Л63, ЛЦ63А6Ж3Мц2	ІІ	Г², Р³, ПЗ, НЗ, ПФ, К, Т
БрАЖ9-4, БрАМц9-2	ІІ	Р*³, ПЗ, НЗ, ПФ, Г, К
БрКМц 3-1	ІІ	Р, НЗ, Г*³
БрОЦС 5-5-5	ІІІ	Р⁴, Г³, НЗ, ПФ*³, ПЗ
МНЖ 5-1, МНЖМц 30-1-1	І	Г, Р, НЗ, ПЗ, ПФ
НП1, НП2, Х20Н80, НМЖМц28-2,5-1,5	І	Г, Р, ПФ, НЗ, ЭШ, К
С0, С1, С2 (Свинец)	І	Г⁴, Р⁴, НЗ*⁴, Т
ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5	І	ПЗ, НЗ, ПФ, ЭШ, К, Т, ЭЛ
ОТ4, ВТ20, ВТ6	ІІ	НЗ, К, Т, ЭЛ
АД0, АД1, АМц, АМг3, АМг6	ІІ	Р³, ПЗ³, НЗ³, ПФ, ЭШ, К, ЭЛ, Т, Г⁶
Д16, АК12, АЛ25	ІІІ	Р⁶, НЗ⁶, ПЗ
МА1, МА3, МЛ3, МЛ8	ІІ	НЗ⁶, ПЗ⁶, К, Г*³
Композитные материалы	ІІІ	НЗ⁵, ПЗ⁵, Т*⁵
Алюминий + медь	ІІ	НЗ*⁵, Т
Алюминий + титан	ІІ	НЗ, Т, К
Титан + медь	ІІ	НЗ, Т

*1 Г — газовая, Р — ручная дуговая, ПЗ — полуавтоматическая в защитных газах (MIG/MAG), НЗ — аргонодуговая неплавящимся электродом (TIG), ПФ — под флюсом, ЭШ — электрошлаковая, К — контактная, ЭЛ — электронно-лучевая, Т — в твердой фазе (сварка трением, диффузионная).

*2 Необходим подогрев и проковка. *3 Необходим подогрев. *4 Рекомендуется проковка. *5 Через третий металл или биметаллическую вставку. *6 Необходим подогрев и термическая обработка.

5. Специфика сварки композитных и разнородных материалов

5.1. Композитные материалы (КМ)

Композиты, состоящие из металлической матрицы (Al, Ti, Mg) и упрочняющих волокон (бор, углерод, сталь), представляют собой самую сложную задачу для сварки плавлением. Разница в температурах плавления матрицы (600-1700 °C) и волокон (1500-2500 °C) приводит к разрушению упрочнителя и образованию хрупких интерметаллидов на границе их взаимодействия. Предпочтительными методами являются низкотемпературные процессы: диффузионная сварка, сварка трением с перемешиванием, пайка.

5.2. Разнородные сварные соединения

При сварке разнородных металлов (например, сталь + медь, алюминий + сталь) главной проблемой является их ограниченная взаимная растворимость и образование хрупких интерметаллидных прослоек на границе сплавления. Такие соединения часто разрушаются самопроизвольно при охлаждении. Для их выполнения используют специальные технологии: сварку через биметаллические вставки, применение специальных присадочных материалов, методы сварки в твердой фазе.

Таблица 11. Сравнительный анализ ключевых проблем при сварке различных групп металлов

Характеристика / Проблема	Углеродистые и низколегированные стали	Алюминиевые сплавы	Титановые сплавы	Медные сплавы
Основная сложность	Риск образования закалочных структур (мартенсита) и холодных трещин.	Прочная тугоплавкая оксидная пленка Al₂O₃ и водородная пористость.	Высокая химическая активность при нагреве, насыщение газами атмосферы.	Очень высокая теплопроводность, испарение легирующих элементов (Zn).
Ключевое технологическое решение	Контроль тепловложения, предварительный подогрев, последующая термообработка.	Механическая и химическая очистка, сварка на переменном токе (TIG), защита от влаги.	Идеальная защита инертным газом всей зоны нагрева до остывания.	Использование высококонцентрированных источников тепла, предварительный подогрев.
Типичные дефекты	Холодные трещины, непровары, шлаковые включения.	Пористость, оксидные включения, кристаллизационные трещины.	Газовая пористость, охрупчивание шва и ЗТВ, трещины.	Поры, горячие трещины, неполное сплавление.

Интересные факты из мира сварки

Сварка в космосе: Первые эксперименты по сварке в условиях невесомости и вакуума были проведены советскими космонавтами на корабле «Союз-6» в 1969 году. Использовались электронно-лучевая, дуговая и плазменная сварка.
Подводная сварка: Существует два типа подводной сварки — «мокрая», когда сварщик работает непосредственно в воде, и «сухая», когда вокруг места сварки создается герметичная камера (кессон), из которой откачивается вода.
Сварка трением с перемешиванием (Friction Stir Welding): Это революционный метод соединения металлов в твердой фазе, изобретенный в 1991 году. Вращающийся инструмент «перемешивает» металл кромок, создавая прочный шов без расплавления, что идеально подходит для алюминиевых и других трудносвариваемых сплавов.

FAQ: Часто задаваемые вопросы по свариваемости

В чем главное отличие свариваемости стали Ст3сп от Ст3кп?: Сталь Ст3сп («спокойная») полностью раскислена, имеет однородную плотную структуру и минимальное количество неметаллических включений. Ст3кп («кипящая») содержит больше растворенного кислорода, что при сварке может приводить к пористости. Поэтому Ст3сп имеет лучшую и более стабильную свариваемость.
Почему нельзя сваривать обычную конструкционную сталь с нержавеющей сталью обычным электродом по стали?: При сплавлении в сварочной ванне хром из нержавеющей стали соединяется с углеродом из конструкционной, образуя хрупкие карбиды хрома. Кроме того, разница в коэффициентах теплового расширения приведет к высоким напряжениям. Для таких соединений используют специальные переходные электроды (типа Э-11Х15Н25М6АГ2 или 309L), которые создают буферный слой с аустенитной структурой, компенсирующий различия в свойствах металлов.
Что такое «горячие» и «холодные» трещины?: Горячие (кристаллизационные) трещины образуются в процессе кристаллизации сварочной ванны при высоких температурах. Их основная причина — наличие легкоплавких эвтектик (например, с серой и фосфором), которые затвердевают в последнюю очередь и не могут противостоять усадочным напряжениям. Холодные трещины появляются после остывания шва (иногда через несколько часов или дней) при температуре ниже 150-200 °C. Их возникновение связано с тремя факторами: наличие хрупких закалочных структур (мартенсита), высокие остаточные напряжения и присутствие диффузионного водорода.
Как определить марку стали, если нет документов?: Точно определить марку можно только с помощью спектрального анализа. Приблизительно оценить содержание углерода можно по «пробе на искру» при обработке абразивным кругом: чем больше углерода, тем короче и «пышнее» пучок искр с большим количеством «звездочек».

Заключение

Понимание свариваемости является фундаментальным для любого инженера-конструктора или технолога-сварщика. Правильная идентификация марки материала, знание его химического состава и предрасположенности к образованию дефектов позволяют грамотно выбрать технологию сварки, назначить необходимые подготовительные и заключительные операции (подогрев, термообработку) и, в конечном итоге, гарантировать надежность и долговечность сварной конструкции. Как показывает представленный анализ, универсального подхода не существует: каждый металл, от простой углеродистой стали до сложного жаропрочного сплава, требует индивидуального, научно обоснованного подхода.

Нормативная база

ГОСТ 380-2005 «Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки».
ГОСТ 19281-2014 «Прокат повышенной прочности. Общие технические условия».
ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия».
ГОСТ 5632-2014 «Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки».
ГОСТ 859-2014 «Медь. Марки».
ГОСТ 15527-2004 «Сплавы медно-цинковые (латуни), обрабатываемые давлением. Марки».
ГОСТ 19807-91 «Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки».
ГОСТ 4784-97 «Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки».
ГОСТ 1583-93 «Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия».

Список литературы

Николаев Г.А. «Сварные конструкции. Технология изготовления». М.: Высшая школа, 1983.
Рыбаков А.А. «Технология и оборудование сварки плавлением». М.: Машиностроение, 2004.
Фролов В.В. «Теория сварочных процессов». М.: Высшая школа, 1988.
Шоршоров М.Х. «Металловедение сварки». М.: Машиностроение, 1965.

Об авторе
Недавние публикации

Александр Лавриненко

Ведущий инженер-технолог и эксперт по производственной оптимизации в Современные технологии производства

Александр Лавриненко — инженер-технолог с более чем 25-летним опытом в машиностроении, энергетике, строительстве и автоматизации производства. Получил степень магистра в области металлургии в МГТУ, специализируясь на современных методах обработки металлов и аддитивных технологиях.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.

Александр Лавриненко недавно публиковал (посмотреть все)