Свариваемость широко используемых металлических материалов

1. Что такое свариваемость? Обсудите свариваемость углеродистой стали. Свариваемость — это способность материала свариваться в компоненты, отвечающие заданным проектным требованиям при данных условиях строительства и удовлетворяющие предполагаемым эксплуатационным требованиям. На свариваемость влияют четыре фактора: материал, метод сварки, тип компонента и эксплуатационные требования. Углеродистая сталь — это железоуглеродистый сплав на основе железа, где углерод является основным легирующим элементом, массовая доля которого не превышает 1%. Кроме того, массовые доли марганца и кремния не превышают 1,2% и 0,5% соответственно; эти два элемента не считаются легирующими. Другие элементы, такие как Ni, Cr и Cu, поддерживаются в пределах остаточного содержания и не используются в качестве легирующих элементов. Примеси, такие как S, P, O и N, строго контролируются в зависимости от марки и типа стали. Поэтому свариваемость углеродистой стали в основном зависит от содержания углерода. По мере увеличения содержания углерода свариваемость постепенно ухудшается, при этом низкоуглеродистая сталь демонстрирует наилучшую свариваемость.

| Содержание углерода (%) | Типичная твердость | Типичные области применения | Свариваемость |
|--------------------|------------------|------------------------|-------------|
| Низкоуглеродистая сталь | ≤0,15 | 60 HRB | Специальные листы и профили, тонкие листы, полосы, сварочная проволока | Отличное качество |
| 0,15–0,25 | 90 HRB | Конструкционные профили, пластины, стержни | Хорошее состояние |
| Среднеуглеродистая сталь | 0,25–0,60 | 25 HRC | Детали машин и инструментов | Умеренная твердость (требуется предварительный и последующий нагрев; рекомендуются методы сварки с низким содержанием водорода) |
| Высокоуглеродистая сталь | ≥0,60 | 40 HRC | Пружины, формы, направляющие | Плохое качество (требуется предварительный и последующий нагрев; обязательны сварочные материалы с низким содержанием водорода) |

2. Что такое углеродный эквивалент? Как рассчитывается углеродный эквивалент для углеродистой стали? Углеродный эквивалент определяется как эквивалентное содержание углерода, полученное путем преобразования содержания легирующих элементов (включая углерод) в стали в их соответствующее влияние на закаливаемость. Он служит эталонным показателем для оценки свариваемости стали. Помимо углерода, основными легирующими элементами в углеродистой стали являются Mn и Si. Увеличение их содержания снижает свариваемость, хотя их влияние менее выражено, чем влияние углерода. Международный институт сварки рекомендует следующую формулу углеродного эквивалента:

С увеличением эквивалентного содержания углерода свариваемость стали ухудшается. Когда значение эквивалентного содержания углерода превышает 0,4–0,6%, возрастает вероятность образования холодных трещин, что требует предварительного и последующего нагрева, использования низководородных сварочных материалов во время сварки, а также других технологических мер.

3. Каковы ограничения использования углеродного эквивалента для оценки свариваемости стали? Углеродный эквивалент может дать лишь общую, относительную оценку свариваемости стали в определенных пределах. Это связано с тем, что: (1) Две стали могут иметь одинаковые значения углеродного эквивалента, но разное содержание углерода. Сталь с более высоким содержанием углерода имеет тенденцию к образованию упрочненной микроструктуры во время сварки, что приводит к большей чувствительности к растрескиванию по сравнению с низкоуглеродистой сталью, а следовательно, к худшей свариваемости. Поэтому одинаковые значения углеродного эквивалента не обязательно означают одинаковую свариваемость. (2) Расчет углеродного эквивалента отражает только влияние химического состава на свариваемость и не учитывает скорость охлаждения, которая влияет на формирование микроструктуры. Более быстрое охлаждение способствует образованию мартенситных структур, снижая свариваемость. (3) Факторы, влияющие на микроструктуру сварного шва, такие как пиковая температура и время выдержки при высоких температурах во время сварочного цикла, не включены в формулу углеродного эквивалента. Таким образом, формула углеродного эквивалента дает лишь общую, относительную оценку свариваемости в рамках конкретных типов стали и не может служить точным критерием оценки.

4. Обсудите свариваемость низкоуглеродистой стали. Благодаря низкому содержанию углерода и относительно низкому содержанию Mn и Si, низкоуглеродистая сталь, как правило, не образует сильно закаленных или упрочненных микроструктур во время сварки. После сварки соединение сохраняет хорошую пластичность и ударную вязкость. Обычно не требуется предварительный нагрев, контроль температуры между проходами или послесварочная термообработка. В процессе сварки не требуются специальные технологические меры, что делает низкоуглеродистую сталь легко свариваемой. Однако в некоторых случаях могут возникнуть трудности при сварке: 1) Конвертерная сталь, полученная с использованием старых методов плавки, имеет высокое содержание азота и более высокий уровень примесей, что приводит к повышенной хрупкости при низких температурах и восприимчивости к старению, что снижает качество сварного шва и ухудшает свариваемость. 2) Раскисленная сталь не полностью раскислена, что приводит к относительно высокому содержанию кислорода и неравномерному распределению примесей, таких как фосфор (P), с локальными концентрациями, превышающими допустимые пределы; Это повышает чувствительность к старению и хрупкость при низких температурах, а также склонность к образованию горячих трещин. 3) Использование некачественных сварочных электродов может привести к чрезмерному содержанию углерода и серы в сварочном металле, вызывая образование трещин. Например, при сварке стали Q235-A кислотным электродом на одном заводе высокое содержание углерода в ферромарганцевом покрытии вызвало образование горячих трещин в сварном шве. 4) Некоторые методы сварки могут ухудшить качество сварных соединений низкоуглеродистой стали. Например, сварка под флюсом, из-за высокого подвода тепла, приводит к образованию очень крупных зерен в крупнозернистой зоне зоны термического воздействия, что значительно снижает ударную вязкость. Поэтому после сварки необходимо проводить нормализацию для измельчения зернистой структуры и повышения ударной вязкости. В заключение, низкоуглеродистая сталь относится к числу наиболее свариваемых и легко свариваемых типов стали, и все методы сварки подходят для сварки низкоуглеродистой стали.

5. Как правильно выбрать сварочные материалы при сварке низкоуглеродистой стали?
(1) Выбор электродов для SMAW
Средняя прочность на растяжение широко используемой низкоуглеродистой стали Q235 составляет 417,5 МПа. В соответствии с принципом равной прочности, соответствующий электрод должен быть из серии E43. В следующей таблице показан выбор электродов для ручной дуговой сварки различных марок низкоуглеродистой стали:

| Марка стали | Общие конструкции | Динамические нагрузки, сложные или толстостенные листовые конструкции, сосуды под давлением, компоненты котлов, низкотемпературная сварка |
|-------------|--------------------|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Q235 | E4313, E4303, E4301, E4320, E4311 | E4316, E4315 (E5016, E5015) |
| Q255 | Обычно предварительный нагрев не требуется | Обычно предварительный нагрев не требуется |
| Q275 | E4316, E4315 | E5016, E5015 |
| Толстостенные пластинчатые конструкции, предварительный нагрев выше 150 °C | 08, 10, 15, 20 | E4303, E4301, E4320, E4311 | E4316, E4315 (E5016, E5015) | Обычно предварительный нагрев не требуется |
| 25 | E4316, E4315 | E5016, E5015 | Толстостенные пластинчатые конструкции, предварительный нагрев выше 150 °C |
| 20 г, 22 г | E4303, E4301 | E4316, E4315 (E5016, E5015) | Толстостенные пластинчатые конструкции, предварительный нагрев 100–150 °C |
| 20R | E4303, E4301 | E4316, E4315 (E5016, E5015) | Обычно предварительный нагрев не требуется |

Примечание: В скобках указаны модели электродов, являющиеся приемлемыми заменителями.

(2) Подбор соответствующей проволоки и флюса для сварки под флюсом
При сварке низкоуглеродистой стали под флюсом крайне важно правильно подобрать проволоку и флюс.

(3) Выбор сварочной проволоки CO₂
Обычно используются сплошные проволоки марок H08Mn2Si и H08Mn2SiA, которые обеспечивают несколько более высокую прочность наплавленного металла. К порошковым проволокам относятся YJ502-1, YJ506-2, YJ506-3 и YJ506-4.

(4) Подбор соответствующей проволоки и флюса для электрошлаковой сварки
При электрошлаковой сварке температура расплавленной ванны ниже, чем при сварке под флюсом, поэтому восстановительный эффект кремния и марганца во флюсе слабее. Следовательно, следует выбирать проволоку с более высоким содержанием марганца и кремния. Распространенные комбинации включают проволоку H10Mn2 или H10MnSi в паре с флюсом HJ360, или проволоку H10MnSi в паре с флюсом HJ431.

6. Как сваривать низкоуглеродистую сталь при низких температурах?
При сварке конструкций из низкоуглеродистой стали в суровых зимних условиях быстрое охлаждение сварного шва увеличивает риск образования трещин, особенно в толстых сечениях, где первый проход наиболее подвержен растрескиванию. Для предотвращения этого необходимо принять следующие меры: 1) Предварительный нагрев перед сваркой и строгое поддержание температуры между проходами не ниже температуры предварительного нагрева во время сварки. 2) Использование низководородных или сверхнизководородных сварочных материалов. 3) Увеличение сварочного тока и снижение скорости сварки при прихваточных швах, соответствующее увеличение площади поперечного сечения и длины прихваточных швов, а также предварительный нагрев при необходимости.
4) По возможности, весь сварочный шов следует выполнять за один непрерывный проход, чтобы избежать перерывов.
5) Не зажигайте дугу на основном металле за пределами канавки; полностью заполните кратер при завершении дуги.
6) По возможности избегайте сгибания пластин, корректировки и сборки сварных компонентов в условиях низких температур.