Поняття зварюваності металів
Принципова можливість зварювання двох або декількох твердих тіл пов'язана з їх взаємної розчинність в рідкому стані, оскільки процес дифузії між різними сплавами в твердому або рідкому стані можливий при наявності розчинності одного або декількох елементів, що зварюються сплавів (в твердому або в рідкому стані). Причому повна нерозчинність металів в рідкому стані виключає можливість розчинності їх в твердому стані. Освіта між ними якого-небудь зварного з'єднання стає неможливим без допомоги іншого зв'язує тіла. Очевидно, найкраще зварюються матеріали з необмеженою взаємною розчинністю.
Однак при зварюванні плавленням нерідко матеріали добре зварюються і без всякої взаємної розчинності. Пов'язано це з тим, що в зварювальної ванні утворюється розплав типу механічної суміші, і при кристалізації на зернах кожного з матеріалів, як на підкладці з розплаву, будуть переважно надстраиваться атоми того ж самого матеріалу. В результаті перехід від кожного матеріалу до матеріалу шову не буде різким, а зміна властивостей при переході через шов буде плавним.
У той же час при зварюванні тиском в твердому стані свариваемость таких матеріалів буде поганий. Відсутність взаємної розчинності виключає взаімодіффузію, а при відсутності рідкої ванни немає і перемішування. В результаті стик буде гетерогенної кордоном з невисоким, як правило, комплексом механічних властивостей. Тому якість зварювання повинно залежати в першу чергу від способу дифузійного змішування зварюються тел в рідкому стані, а в кінцевому рахунку - від технологічних прийомів процесу зварювання.
Реакція зварюються на технологічний процес зварювання і можливість отримання зварних з'єднань, які відповідають умовам експлуатації (т. Е. Без тріщин, пор і інших дефектів), називається зварюваністю. Причому свариваемость не є властивістю тіла самого по собі, безвідносно до іншого тіла. Поняття зварюваності двох або декількох тіл включає в себе ставлення їх між собою за здатністю утворювати зварне з'єднання між собою або за допомогою інших тіл.
Критерієм гарної зварюваності є здатність збереження звареним з'єднанням спеціальних фізичних, механічних властивостей - равнопрочності, жаростійкості, корозійної стійкості, антіфрікционності, в'язкості і т. Д.
Зварюваність визначають три групи факторів:
● хімічний склад і структура металу, наявність домішок, ступінь розкислення [20]. підготовчі операції (кування, прокатка, термічна обробка деталей);
● складність форми і жорсткість конструкції, маса і товщина металу, послідовність виконання зварних швів;
● вид зварювання і зварювальні матеріали, режими термічних впливів на основний матеріал.
Зварюваність різних металів і сплавів неоднакова. Зварювані метали повинні мати близькі фізичні, механічні, термічні, хімічні властивості, близькість коефіцієнтів термічного лінійного розширення металів в стику.
При визначенні зварюваності виходять з фізичної сутності зварювання і ставлення до неї металів. Ступінь зварюваності металу вважається вищою, якщо для зварювання можна застосувати різні її способи і різні режими при кожному способі, як, наприклад, у низьковуглецевої сталі.
Єдиного показника зварюваності металів немає. Для якісного зварювання метали повинні мати властивості принципової (фізичної) і технологічної зварюваності.
Принципова, або фізична, зварюваність - це здатність металів в умовах зварювання утворювати з'єднання на основі взаємної кристалізації. Принциповою свариваемостью мають всі однорідні метали. Чи не зварюються метали, що не володіють взаємною розчинністю, вони ніяк не міжатомні зв'язку, а тендітні хімічні сполуки. Наприклад, свинець і мідь утворюють несмешивающиеся пари.
Необхідно також умова схожості металів, наприклад, по атомній вазі, температурі плавлення і ін. За цим причин не зварюються алюміній і вісмут. Мідний сплав і титан, а також сталь і титан не володіють взаємною розчинністю, але завдання їх сполуки вирішена із застосуванням металловставок, наприклад, мідь + тантал + титан; титан + ванадій + сталь. Метал вставки утворює змішуються пари з обома зварюються металами. Але принципового з'єднання ще мало, так як потрібно ще і якість по міцності. При з'єднанні зварюванням змішуються металів, наприклад заліза зі свинцем, міді зі свинцем і ін. Зони сплаву і атомного зчеплення не буде, станеться лише "злипання" металів.
Технологічна зварюваність - сукупність властивостей основного металу, що визначають чутливість його до термічного циклу зварювання і здатність при даній технології зварювання утворювати зварне з'єднання належної якості за міцністю і в'язкості без застосування спеціальних технологічних прийомів (підігріву, відпалу і т. Д.).
Технологічні фактори, що погіршують зварюваність:
● різке відміну матеріалів деталей за властивостями (хімічним складом, теплофізичними параметрами, механічними властивостями);
● освіту при зварюванні оксидів, пористості, газових раковин;
● виникнення значних напружень;
● наявність геометричних дефектів (несплавлення, підрізів, різких переходів товщини вироби і т. П.).
Словосполучення "погана свариваемость" не означає, що погано проходить сам процес зварювання, формування шва. Сенс слів "хороша" і "погана" свариваемость в тому, якою буде експлуатаційна придатність зварного вузла після зварювання.
Найважливішими критеріями зварюваності є стійкість проти утворення гарячих і холодних тріщин і схильність утворювати гартівні структури в ЗТВ як самої ослабленою області в зварному з'єднанні. Внаслідок нагрівання до температури 1100-1400 ° C структура металу в цій зоні грубозерниста зі зниженими механічними властивостями (пластичністю і ударною в'язкістю). Ці властивості тим нижче, чим більше зерно і ширше зона перегріву (як при газовому зварюванні).
Сварка сталей
За зварюваності сталеві матеріали зазвичай поділяють на 4 групи: добре, задовільно, обмежено і погано зварюються (табл. 32). Іноді вводять п'яту: чи не зварювати (даними способом зварювання).
Найбільш істотний вплив на стан ЗТВ і зварюваність надає вуглець, що сприяє утворенню гартівних структур, і легуючі елементи - хром, вольфрам, молібден і ванадій. Останні погіршують зварюваність за рахунок утворення карбідів (службовців концентраторами напружень) і за рахунок зниження критичних швидкостей гарту.
Вуглець до 0,25% майже не впливає на зварюваність. При більшому вмісті значно погіршує її - збільшує твердість і зменшує пластичність, призводить до закаливаемости ЗТВ і до появи тріщин, до збільшення кількості газових пір в процесі окислення при зварюванні.
Марганець при утриманні до 1% не погіршує зварюваність і не ускладнює зварювання. В якості гарного раскислителя він сприяє зменшенню вмісту кисню в сталі. Однак при вмісті більше 2,5% зварюваність погіршується, так як підвищується твердість сталі, з'являються гартівні структури, можуть бути тріщини.
Кремній - до 1% вводиться як раскислитель і не впливає на зварюваність. Але при вмісті кремнію більш 2,5% зварюваність погіршується, так як утворюються тугоплавкі оксиди, що ведуть до появи шлакових включень, підвищуються міцність і твердість, а разом з цим і крихкість.
Хром - до 0,6% не відбивається на зварюваності. При вмісті хрому більше 1% зварюваність погіршується, особливо при підвищенні вмісту вуглецю.
Молібден - в сталях від 0,5 до 3,0% істотно збільшує міцність і ударну в'язкість стали, але погіршує зварюваність, підвищує схильність до утворення тріщин у шві і в ЗТВ.
Титан і ніобій в кількості до 1% вводять в хромисті і хромонікелеві стали для поліпшення зварюваності. У більших кількостях вони можуть погіршити свариваемость. Титан при цьому сприяє утворенню гарячих тріщин.