Spawalność stali: klasyfikacja. Grupy spawalności stali

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Głównym materiałem konstrukcyjnym jest stal. Jest to stop żelazowo-węglowy zawierający różne zanieczyszczenia. Wszystkie składniki zawarte w jego składzie wpływają na właściwości wlewka. Jedną z cech technologicznych metali jest możliwość tworzenia wysokiej jakości połączeń spawanych.

Czynniki określające spawalność stali

Ocena spawalności stali jest dokonywana na podstawie wartości wskaźnika głównego - równoważnika węgla С_{equiv. Jest to współczynnik warunkowy, który uwzględnia stopień wpływu zawartości węgla i głównych pierwiastków stopowych na charakterystykę spoiny.}

Na spawalność stali wpływają następujące czynniki:

1. Zawartość węgla.
2. Obecność szkodliwych zanieczyszczeń.
3. Stopień dopingu.
4. Widok mikrostruktury.
5. Warunki środowiskowe.
6. Grubość metalu.

Najbardziej informacyjnym parametrem jest skład chemiczny.

Podział stali według grup spawalności

Z zastrzeżeniemwszystkie te czynniki sprawiają, że spawalność stali ma różne właściwości.

Klasyfikacja stali według spawalności.

• Dobra (gdy С_{eq≧0, 25%): dla części ze stali niskowęglowej; nie zależy od grubości produktu, warunków atmosferycznych, dostępności prac przygotowawczych.}
• Zadowalający (0,25%≦С_{eq≦0,35%): istnieją ograniczenia dotyczące warunków środowiskowych i średnicy spawanej konstrukcji (temperatura powietrza do -5, w spokoju pogoda, grubość do 20 mm).}
• Ograniczone (0,35%≦C_{eq≦0,45%): Wstępne ogrzewanie jest wymagane w celu utworzenia wysokiej jakości szwu. Sprzyja „płynnym” przemianom austenitycznym, tworzeniu stabilnych struktur (ferrytyczno-perlitycznych, bainitycznych).}
• Zły (С_{eq≧0, 45%): utworzenie stabilnego mechanicznie połączenia spawanego jest niemożliwe bez wcześniejszego przygotowania krawędzi metalowych na temperaturę, a także późniejszej obróbki cieplnej spawanej konstrukcji. Aby uzyskać pożądaną mikrostrukturę, wymagane jest dodatkowe ogrzewanie i płynne chłodzenie.}

Grupy spawalności stali ułatwiają poruszanie się po funkcjach technologicznych spawania określonych gatunków stopów żelazo-węgiel.

Obróbka cieplna

W zależności od grupy spawalności stali i odpowiednich cech technologicznych, charakterystykę złącza spawanego można regulować za pomocą kolejnych efektów temperaturowych. Istnieją 4 główne metody obróbki cieplnej: hartowanie, odpuszczanie,wyżarzanie i normalizowanie.

Najczęstsze to hartowanie i odpuszczanie w celu uzyskania twardości i jednoczesnej wytrzymałości spoiny, odprężenia, zapobiegania pęknięciom. Stopień odpuszczania zależy od materiału i pożądanych właściwości.

Obróbka cieplna konstrukcji metalowych podczas prac przygotowawczych jest przeprowadzana:

• wyżarzanie - aby złagodzić naprężenia wewnątrz metalu, zapewniając jego miękkość i giętkość;
• podgrzewany w celu zminimalizowania różnicy temperatur.

Racjonalne zarządzanie wpływami temperatury umożliwia:

• przygotuj część do pracy (zwolnij wszystkie naprężenia wewnętrzne poprzez szlifowanie ziaren);
• zmniejszyć różnice temperatur na zimnym metalu;
• popraw jakość spawanego obiektu poprzez termiczną korektę mikrostruktury.

Korekta właściwości przez różnice temperatur może być lokalna lub ogólna. Ogrzewanie krawędzi odbywa się za pomocą sprzętu łukowego gazowego lub elektrycznego. Do nagrzania całej części i jej płynnego schłodzenia wykorzystywane są specjalne piece.

Wpływ mikrostruktury na właściwości

Istota procesów obróbki cieplnej opiera się na przemianach strukturalnych wewnątrz wlewka i ich wpływie na zakrzepły metal. Tak więc po podgrzaniu do temperatury 727 ˚C jest to mieszana ziarnista struktura austenityczna. Metoda chłodzenia określa opcje transformacji:

1. Wewnątrz piekarnika (prędkość 1˚C/min) - tworzą się struktury perlitowe o twardości około 200 HB (twardość Brinella).
2. Wł.powietrze (10˚С/min) – sorbitol (ziarna ferrytowo-perlitowe), twardość 300 HB.
3. Olej (100˚C/min) – troostite (mikrostruktura ferrytowo-cementytowa), 400 HB.
4. Woda (1000˚C/min) – martenzyt: twarda (600 HB), ale krucha struktura igiełkowa.

Złącze spawane musi mieć wystarczającą twardość, wytrzymałość, wskaźniki jakości plastyczności, więc martenzytyczne właściwości szwu są niedopuszczalne. Stopy niskowęglowe mają strukturę ferrytyczną, ferrytyczno-perlityczną, ferrytyczno-austenityczną. Stale średniowęglowe i średniostopowe - perlityczne. Wysokowęglowy i wysokostopowy - martenzytyczny lub troostyt, co jest ważne, aby doprowadzić do formy ferrytyczno-austenitycznej.

Spawanie stali miękkiej

Spawalność stali węglowych zależy od ilości węgla i zanieczyszczeń. Są zdolne do wypalania się, zamieniania w formy gazowe i nadawania szwowi niskiej jakości porowatości. Siarka i fosfor mogą być skoncentrowane na krawędziach ziaren, zwiększając kruchość struktury. Spawanie jest najbardziej uproszczone, jednak wymaga indywidualnego podejścia.

Zwykłej jakości stal węglowa dzieli się na trzy grupy: A, B i C. Prace spawalnicze wykonywane są z użyciem metalu z grupy C.

Spawalność gatunków stali VST1 - VST4, zgodnie z GOST 380-94, charakteryzuje się brakiem ograniczeń i dodatkowych wymagań. Spawanie części o średnicy do 40 mm odbywa się bez nagrzewania. Możliwe wskaźniki w klasach: G - wysoka zawartość manganu; kp, ps, cn - „wrzący”, „półspokojny”, „spokojny”odpowiednio.

Stal niskowęglowa jest reprezentowana przez gatunki z oznaczeniem setnych części węgla, wskazującymi stopień odtlenienia i zawartość manganu (GOST 1050-88): stal 10 (również 10kp, 10ps, 10G), 15 (także 15kp, 15ps, 15G), 20 (również 20kp, 20ps, 20G).

Aby zapewnić jakość spoiny, konieczne jest przeprowadzenie procesu nasycania jeziorka spawalniczego węglem C i manganem Mn.

Metody spawania:

1. Ręczny łuk przy użyciu specjalnych, wstępnie kalcynowanych elektrod o średnicy od 2 do 5 mm. Typy: E38 (dla średniej wytrzymałości), E42, E46 (dla dobrej wytrzymałości do 420 MPa), E42A, E46A (dla wysokiej wytrzymałości złożonych konstrukcji i ich pracy w specjalnych warunkach). Spawanie prętami OMM-5 i UONI 13/45 odbywa się pod działaniem prądu stałego. Praca z elektrodami TsM-7, OMA-2, SM-11 odbywa się z prądem o dowolnej charakterystyce.
2. Spawanie gazowe. Najczęściej niepożądane, ale możliwe. Wykonuje się go za pomocą drutu spawalniczego Sv-08, Sv-08A, Sv-08GA, Sv-08GS. Cienki metal niskowęglowy (d 8mm) jest spawany w lewo, gruby (d 8mm) - we właściwy sposób. Braki we właściwościach szwu można usunąć poprzez normalizację lub wyżarzanie.

Spawanie stali niskowęglowych odbywa się bez dodatkowego nagrzewania. W przypadku szczegółów prostego formularza nie ma ograniczeń. Ważne jest, aby chronić konstrukcje wolumetryczne i kratowe przed wiatrem. Pożądane jest spawanie złożonych przedmiotów w warsztacie w temperaturze nie niższej niż 5˚С.

Tak więc dla gatunków VST1 - VST4, stal 10 - stal 20 - spawalność jest dobra, praktyczniebez ograniczeń, wymagające standardowego indywidualnego doboru metody spawania, rodzaju elektrody i charakterystyki prądowej.

Stale konstrukcyjne średnio- i wysokowęglowe

Nasycenie stopu węglem zmniejsza jego zdolność do tworzenia dobrych związków. W procesie termicznych efektów łuku lub płomienia gazowego siarka gromadzi się wzdłuż krawędzi ziaren, prowadząc do kruchości czerwonej, a fosforu do kruchości na zimno. Najczęściej spawane są materiały stopowe z manganem.

Dotyczy to stali konstrukcyjnych zwykłej jakości VSt4, VSt5 (GOST 380-94), wysokiej jakości 25, 25G, 30, 30G, 35, 35G, 40, 45G (GOST 1050-88) o różnej produkcji metalurgicznej.

Istotą pracy jest zmniejszenie ilości węgla w jeziorku spawalniczym, nasycenie znajdującego się w nim metalu krzemem i manganem oraz zapewnienie optymalnej technologii. Jednocześnie ważne jest zapobieganie nadmiernym stratom węgla, które mogą prowadzić do destabilizacji właściwości mechanicznych.

Cechy spawania stali średnio- i wysokowęglowych:

1. Wstępne nagrzewanie krawędzi do 100-200˚С dla szerokości do 150 mm. Tylko gatunki Vst4 i stal 25 są spawane bez dodatkowego ogrzewania. W przypadku stali średniowęglowych o zadowalającej spawalności, pełną normalizację przeprowadza się przed rozpoczęciem prac. W przypadku stali wysokowęglowych wymagane jest wstępne wyżarzanie.
2. Spawanie łukowe odbywa się za pomocą otulonych elektrod kalcynowanych o wielkości od 3 do 6 mm (OZS-2, UONI-13/55, ANO-7), pod napięciem stałym. możliwość pracy wtopnik lub gazy osłonowe (CO_{2, argon).}
3. Spawanie gazowe odbywa się płomieniem nawęglania, metodą lewostronną, z podgrzaniem do temperatury 200˚C, przy równomiernym dopływie acetylenu o małej mocy.
4. Obowiązkowa obróbka cieplna części: hartowanie i odpuszczanie lub oddzielne odpuszczanie w celu zminimalizowania naprężeń wewnętrznych, zapobiegania pękaniu, zmiękczenia utwardzonych struktur martenzytycznych i troostytu.
5. Dotykowe zgrzewanie punktowe jest wykonywane bez ograniczeń.

Tak więc, średnio- i wysokowęglowe stale konstrukcyjne są spawane praktycznie bez ograniczeń, w temperaturze zewnętrznej co najmniej 5˚С. W niższych temperaturach wstępne podgrzewanie i wysokiej jakości obróbka cieplna są obowiązkowe.

Spawanie stali niskostopowych

Stale stopowe to stale nasycane różnymi metalami podczas topienia w celu uzyskania pożądanych właściwości. Niemal wszystkie mają pozytywny wpływ na twardość i wytrzymałość. Chrom i nikiel są częścią stopów żaroodpornych i nierdzewnych. Wanad i krzem nadają elastyczność, są wykorzystywane jako materiał do produkcji sprężyn i sprężyn. Molibden, mangan, tytan zwiększają odporność na ścieranie, wolfram - twardość czerwona. Jednocześnie pozytywnie wpływając na właściwości części, pogarszają spawalność stali. Ponadto wzrasta stopień utwardzenia i powstawania struktur martenzytycznych, naprężenia wewnętrzne oraz ryzyko pękania szwów.

Spawalność stali stopowych zależy również od ichskład chemiczny.

Stale niskostopowe niskowęglowe 2GS, 14G2, 15G, 20G (GOST 4543-71), 15HSND, 16G2AF (GOST 19281-89) są dobrze spawane. W standardowych warunkach nie wymagają dodatkowego podgrzewania i obróbki cieplnej na końcu procesów. Jednak nadal istnieją pewne ograniczenia:

• Wąski zakres dopuszczalnych warunków termicznych.
• Prace powinny być prowadzone w temperaturze nie niższej niż -10˚С (w warunkach niższych temperatur atmosferycznych, ale nie niższych niż -25˚С należy zastosować podgrzewanie do 200˚С).

Możliwe sposoby:

• Spawanie łukiem elektrycznym prądem stałym od 40 do 50 A, elektrody E55, E50A, E44A.
• Automatyczne spawanie łukiem krytym przy użyciu drutu spawalniczego Sv-08GA, Sv-10GA.

Spawalność stali 09G2S, 10G2S1 jest również dobra, wymagania i możliwe sposoby wykonania są takie same jak dla stopów 12GS, 14G2, 15G, 20G, 15KhSND, 16G2AF. Ważną cechą stopów 09G2S, 10G2S1 jest brak konieczności przygotowania krawędzi pod części o średnicy do 4 cm.

Spawanie stali średniostopowych

Stale średniostopowe 20KhGSA, 25KhGSA, 35KhGSA (GOST 4543-71) zapewniają większą odporność na powstawanie luźnych szwów. Należą do grupy o zadowalającej spawalności. Wymagają podgrzania do temperatury 150-200˚С, spoin wielowarstwowych, hartowania i odpuszczania po zakończeniu spawania. Opcje:

• Średnica prądu i elektrody podczas spawania łukiem elektrycznymdobiera się ściśle w zależności od grubości metalu, biorąc pod uwagę fakt, że cieńsze krawędzie są bardziej utwardzane podczas pracy. Tak więc przy średnicy produktu 2-3 mm wartość prądu powinna mieścić się w zakresie 50-90 A. Przy grubości krawędzi 7-10 mm prąd stały o odwrotnej polaryzacji wzrasta do 200 A przy użyciu elektrod 4-6 mm. Stosowane są pręty z powłokami ochronnymi z celulozy lub fluorku wapnia (Sv-18KhGSA, Sv-18KhMA).
• Podczas pracy w środowisku gazu ochronnego CO_{2 konieczne jest użycie drutu Sv-08G2S, Sv-10G2, Sv-10GSMT, Sv-08Kh3G2SM o średnicy do do 2 mm.}

Metoda łuku argonowego lub spawanie łukiem krytym są często stosowane w przypadku tych materiałów.

Stale żaroodporne i o wysokiej wytrzymałości

Spawanie żaroodpornymi stopami żelazowo-węglowymi 12MX, 12X1M1F, 25X2M1F, 15X5VF musi być przeprowadzane z podgrzaniem do temperatury 300-450˚С, z końcowym hartowaniem i wysokim odpuszczaniem.

• Spawanie łukiem elektrycznym w sposób kaskadowy w celu zaprojektowania spoiny wielowarstwowej przy użyciu kalcynowanych elektrod otulonych UONII 13/45MH, TML-3, TsL-30-63, TsL-39.
• Spawanie gazowe z zasilaniem acetylenem 100 dm3/mm przy użyciu materiałów wypełniających Sv-08KhMFA, Sv-18KhMA. Połączenie rur odbywa się z uprzednim ogrzewaniem gazowym całego złącza.

Podczas spawania materiałów średniostopowych o wysokiej wytrzymałości 14Kh2GM, 14Kh2GMRB ważne jest przestrzeganie tych samych zasad, co w przypadku stali żaroodpornych, z uwzględnieniem kilku niuansów:

• Dokładne czyszczeniekrawędzie i użycie pinezek.
• Wyżarzanie elektrody w wysokiej temperaturze (do 450˚C).
• Rozgrzej wstępnie do 150˚C dla części o grubości powyżej 2 cm.
• Powolne chłodzenie szwów.

Stale wysokostopowe

Przy spawaniu stali wysokostopowych konieczne jest zastosowanie specjalnej technologii. Obejmują one szeroką gamę stopów nierdzewnych, żaroodpornych i żaroodpornych, niektóre z nich: 09Kh16N4B, 15Kh12VNMF, 10Kh13SYu, 08Kh17N5MZ, 08Kh18G8N2T, 03Kh16N15MZB, 15Kh17G14A9. Spawalność stali (GOST 5632-72) należy do czwartej grupy.

Charakterystyka spawalności wysokowęglowej stali wysokostopowej:

1. Konieczne jest zmniejszenie natężenia prądu średnio o 10-20% ze względu na ich niską przewodność cieplną.
2. Spawanie powinno odbywać się z przerwą, elektrody o wielkości do 2 mm.
3. Zmniejsz zawartość fosforu, ołowiu, siarki, antymonu, zwiększ zawartość molibdenu, wanadu, wolframu dzięki zastosowaniu specjalnych powlekanych prętów.
4. Konieczność utworzenia mieszanej mikrostruktury spoiny (austenit + ferryt). Zapewnia to ciągliwość osadzanego metalu i minimalizację naprężeń wewnętrznych.
5. Obowiązkowe ogrzewanie krawędzi w przeddzień spawania. Temperaturę wybiera się w zakresie od 100 do 300˚С, w zależności od mikrostruktury struktur.
6. Wybór elektrod otulonych w spawaniu łukowym determinowany jest przez rodzaj ziaren, właściwości i warunki pracy części: dla stali austenitycznej 12X18H9: UONII 13 / NZh, OZL-7, OZL-14 z Sv-06Kh19N9T powłoki,Sv-02X19H9; dla stali martenzytycznej 20Kh17N2: UONII 10Kh17T, AN-V-10 pokryty Sv-08Kh17T; dla stali austenityczno-ferrytycznej 12Kh21N5T: TsL-33 pokryty Sv-08Kh11V2MF.
7. Podczas spawania gazowego dopływ acetylenu powinien odpowiadać wartości 70-75 dm3/mm, używany drut spawalniczy to Sv-02Kh19N9T, Sv-08Kh19N10B.
8. Operacje łukiem krytym są możliwe przy użyciu NZh-8.

Spawalność stali jest parametrem względnym. Zależy to od składu chemicznego metalu, jego mikrostruktury i właściwości fizycznych. Jednocześnie możliwość tworzenia wysokiej jakości połączeń można regulować za pomocą przemyślanego podejścia technologicznego, specjalnego sprzętu i warunków pracy.