Свариваемость металлов (реферат)
Общие понятия о свариваемости
Процесс сварки – это комплекс нескольких одновременно протекающих процессов, основными из которых являются: тепловое воздействие на металл в околошовных участках, плавление, металлургические процессы, кристаллизация металла шва и взаимная кристаллизация металлов в зоне сплавления. Под свариваемостью, следовательно, необходимо понимать отношение металлов к этим основным процессам.
Свариваемость металлов рассматривают с технологической и с физической точек зрения.
Тепловое воздействие на металл в околошовных участках и процесс плавления определяются способом сварки, его режимами.
Отношение металла к конкретному способу сварки и режиму принято считать технологической свариваемостью. Физическая свариваемость определяется процессами, протекающими в зоне сплавления свариваемых металлов, в результате которых образуется неразъемное сварное соединение.
Сближение частиц и создание условий для их взаимодействия осуществляется выбранным способом сварки, а протекание соответствующих физико-химических процессов определяется свойствами соединяемых металлов. Эти свойства металлов определяют их физическую свариваемость.
Свариваемые металлы могут иметь как одинаковые, так и различные химический состав и свойства. В первом случае это однородные сточки зрения химического состава и свойств металлы, во втором случае – разнородные.
Все однородные металлы обладают физической свариваемостью.
Свойства разнородных металлов иногда не в состоянии обеспечить протекание необходимых физико-химических процессов в зоне сплавления, поэтому эти металлы не обладают физической свариваемостью.
Влияние легирующих элементов и примесей
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 0,3%, в конструкционных 0,7-3,5%, в хромистых 12-18%, в хромоникелевых 9-35%. При сварке хром образует карбиды хрома, ухудшающие коррозийную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термического влияния; содействует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки.
Никельв низкоуглеродистых сталях имеется в пределах 0,2-0,3%, в конструкционных 1-5%, в легированных 8-35%. В некоторых сплавах содержание никеля достигает 85%. Никель увеличивает пластические и прочностные свойства, 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 в зонах термического влияния; при сварке активно окисляется и выгорает.
Ванадий 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 её работоспособность при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки, так как сильно окисляется.
Титан и ниобий вводят в нержавеющие и жаропрочные стали для повышения коррозийных свойств (0,5-1,0%). При сварке нержавеющих сталей типа Х18Н9 ниобий способствует образованию горячих трещин.
Углерод – одна из 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% Mn) 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.
Технические факторы, влияющие на свариваемость
Такие особенности сварки, как высокая температура нагрева, малый объем сварочной ванны, специфичность атмосферы над сварочной ванной, а также форма и конструкция свариваемых деталей, в ряде случаев обусловливают нежелательные последствия:
- резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;
- изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;
- возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, способствующих в ряде случаев образованию трещин;
- образование в процессе сварки тугоплавких, трудноудаляемых окислов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;
- образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.
При различных способах сварки наблюдается заметное окисление компонентов сплавов. В стали, например, выгорает углерод, кремний, марганец, окисляется железо. В связи с этим в определение технологической свариваемости входят:
- определение химического состава, структуры и свойств металла шва в зависимости от способа сварки;
- оценка структуры и механических свойств околошовной зоны;
- оценка склонности сталей к образованию тещин;
- оценка получаемых при сварке окислов металлов и плотности сварного соединения.
Существующие способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы.
Первая группа – прямые способы, когда свариваемость определяется сваркой образцов определенной формы.
Вторая группа – косвенные способы, когда сварочный процесс заменяют другими процессами, характер воздействия которых на металл имитирует влияние сварочного процесса, например термическая обработка при температурах, близких к температурам сварочного процесса.
Первая группа способов дает прямой ответ не вопрос о предпочтительности того или иного способа сварки, о трудностях, возникающих при сварке выбранным способом, о рациональном режиме сварки и т.п.
Вторая группа способов, имитирующих сварочные процессы, не может дать прямого ответа на все вопросы, связанные с практическим осуществлением сварки. Косвенные способы рассматривают только как предварительные лабораторные испытания.
Классификация сталей по свариваемости.
Краткие рекомендации по технологии сварки
По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа – хорошо сваривающиеся; вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся; третья группа – ограниченно сваривающиеся; четвертая группа – плохо сваривающиеся.
Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, – склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.
К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.
Ко второй группе относятся в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.
К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию тещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергаются обработке после сварки.
К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.