От чего зависит свариваемость металлов


Свариваемость металлов или сплавов | Теория сварочных процессов

При выборе материала для изготовления сварной конструкции конструктор в первую очередь базируется на свариваемости того или иного металла или сплава. Свариваемость является определяющим показателем и для инженера-технолога при разработке им технологии сварки заданной конструкции.

В соответствии с действующим стандартом на сварочную терминологию свариваемость это – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Следовательно, под свариваемостью металла (или сочетания металлов) следует понимать отношение металла (или двух свариваемых металлов) к совокупности физико-химических процессов, определяющих возможность получения сварного соединения без дефектов с требуемыми механическими и специальными свойствами. Другими словами, под свариваемостью понимают способность металла (сочетания металлов) образовывать в процессе сварки соединения, не уступающие по своим свойствам свариваемым материалам.

При рассмотрении свариваемости конкретного материала обычно решают следующие вопросы:

– какие дефекты возникают при сварке данного материала?

– какие причины их возникновения?

– какие меры нужно предпринять для их устранения?

В общем случае свариваемость материала есть комплексное свойство и оно тем выше, чем проще технология сварки, чем большее количество способов сварки может быть использовано для соединения материала, чем шире область параметров режимов, обеспе­чивающих заданные требования к свойствам соединения, чем шире но­менклатура изделий, для которых могут быть использованы сварные соединения из данного материала.

Как и всякое комплексное свойство, свариваемость определяется химическим составом и физическими свойствами материала.

К факторам, наиболее сильно влияющим на свариваемость, сле­дует отнести:

– химический состав материала, который определяет его металлургическую активность, температурный интервал кристаллизации, фазовый состав и структурные превращения на этапе нагрева и охлаждения;

– теплофизические свойства, которые определяют скорость процессов превращений, происходящих в материалах под воздействием сварочного цикла;

– механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов, без разрушения;

– специальные физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций, протекающих в сварочной ванне и зоне термического влияния.

Чем хуже свариваемость материала, тем сложнее технология сварки, тем больше мероприятий необходимо применять для получения качественного сварного соединения.

При сварке деталей из одного и того же материала процессы растворения, взаимной диффузии, образования твердых и жидких растворов, т.е. взаимной кристаллизации металла ничем не ограничены. Более сложная ситуация может возникать при сварке разнородных металлов. В этом случае предварительно приходится рассматривать физическую (или принципиальную) свариваемость свариваемых материалов.Если рассматривается возможность получения качественного сварного соединения деталей из одного и того же металла (или сплава), то в этом случае анализируется технологическая свариваемость данного материала.

Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надёжности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.

Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, свойств присадочного металла, применяемых флюсов, электродных покрытий и защитных газов, от конструктивных особенностей свариваемого изделия (его жесткость, наличие остаточных напряжений, концентраторов и т.д.) и условий его последующей эксплуатации.

Основные критерии технологической свариваемости следующие:

– окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

– сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

– сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

– чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

– чувствительность к образованию пор;

– соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям – прочности, пластичности, выносливости, ползучести, вязкости, жаростойкости и жаропрочности, коррозионной стойкости и др.

Следовательно, под хорошей свариваемостью сталей понимают возможность получения сварных соединений, равнопрочных с основным металлом, без трещин и снижения пластичности как в металле шва, так и в околошовной зоне при обычной технологии сварки, без применения специальных приемов (например, предварительного подогрева). При этом все зоны сварного соединения должны обладать стойкостью против перехода в хрупкое состояние при рабочих температурах наравне с основным металлом.

Если рассматривается свариваемость легированных сталей, предназначенных, например, для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях контакта с агрессивной средой, то кроме вышеперечисленных требовании, необходимо, чтобы металл шва в зоне термического влияния обладал также и высокой коррозионной стойкостью. Лишь при обеспечении всех перечисленных требований, предъявляемых к сварному соединению при сварке по обычной технологии, данная сталь будет обладать хорошей свариваемостью.

Чем сложнее условия работы конструкции, тем большее число свойств должно учитываться при определении свариваемости.

Таким образом, разница между металлами, обладающими хорошей или плохой свариваемостью, состоит в том, что последние для получения сварных соединений с комплексом свойств, отвечающих условиям эксплуатации, должны свариваться по более сложной технологии, например, с предварительным и сопутствующим подогревом, с обязательной последующей термообработкой сварных изделий, в некоторых случаях в специальных камерах с контролируемой атмосферой или в вакууме, иногда с предварительной наплавкой кромок и термообработкой перед сваркой и т.д.

Значительное усложнение технологии изготовления того или иного изделия в некоторых случаях заставляет отказываться от данного материала и изыскивать другой, применение которого упростит технологию сварки при обеспечении требуемых свойств сварной конструкции.

Удовлетворительная свариваемость должна обеспечивать соответствие сварного соединения определенным технологическим требованиям. Поскольку такие требования весьма разнообразны, различными могут быть и показатели, применяемые для оценки свариваемости. В связи с этим существует ряд испытаний для оценки свариваемости. Из них наиболее часто применяются такие:

1)      определение стойкости металла шва к образованию горячих трещин;

2)      определение стойкости металла шва и околошовной зоны к образованию холодных трещин;

3)      в сопоставлении с основным металлом определение стойкости металла шва, околошовной зоны и сварного соединения в целом против перехода в хрупкое состояние;

4)      проверка служебных характеристик металла шва и сварного соединения (механических свойств, стойкости против коррозии, износостойкости и т.д.).

Мерой количественной оценки свариваемости металлов служат численные значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании и нормативного значений определяемого свойства сварного соединения (или его участка).

Если необходимо обеспечить равнопрочность сварного соединения и основного металла, то в качестве нормативного значения определяемого свойства сварного соединения принимают нормативное значение одноименного свойства основного металла в соответствующем состоянии – исходном или после термической обработки. При невозможности обеспечить одинаковые свойства соединения и основного металла нормативные значения ряда свойств сварного соединения устанавливают на основе опыта эксплуатации сварных конструкций или по результатам специальных испытаний. Такие испытания должны учитывать конструктивные особенности данных сварных соединений и моделировать условия их эксплуатации.

В необходимую и достаточную совокупность показателей для оценки свариваемости металла следует включать те из них, которые в наибольшей степени обеспечивают технологическую и эксплуатационную надёжность заданных конструкций при изготовлении их из данного металла выбранным способом сварки.

Если хотя бы один показатель свариваемости не удовлетворяет предъявленным требованиям, металл считают обладающим плохой (неудовлетворительной) свариваемостью при выбранном способе и технологии сварки.

В зависимости от назначения испытания для оценки свариваемости металлов подразделяют на следующие группы.

Испытания исследовательские. В процессе этих испытаний исследуют основной металл и разные участки сварных соединений, полученных при различиях режимах и способах сварки. Условия испытаний должны соответствовать условиям эксплуатации сварных соединений. Результаты испытаний используют при разработке оптимального состава сплавов и основ рациональной технологии их производства, обеспечивающих получение металла с требуемыми свойствами и свариваемостью, а также при выборе способов и разработке технологии сварки типовых соединений. На основе результатов этих испытаний устанавливают:

а) нормативные значения свойств сварного соединения и отдельных его зон и участков;

б) пределы допускаемых при сварке параметров термического цикла, необходимые для расчетного определения режимов сварки;

в) типы и марки электродов, сварочной проволоки и прутков, флюсов, защитных газов и других сварочных материалов, обеспечивающих наиболее высокий уровень свойств сварных соединений;

г) методы испытаний данного материала, необходимые и достаточные для оценки его свариваемости применительно к типовым условиям эксплуатации сварных соединений.

Испытания технологические. Это ведомственные или межведомственные испытания, проводимые в научно-исследовательских лабораториях при разработке рациональной технологии сварки типовых конструкций определенного назначения с целью оценки пригодности металла данной марки для этих конструкций и установления ведомственных нормалей на свойства сварных соединений. Испытания этой группы выполняют по утвержденным нормалям и типовым программам ведомств-изготовителей сварных изделий. Кроме лабораторных стандартных образцов в этих испытаниях применяют натурные образцы сварных узлов и конструкций или их модели.

Испытания контрольные. Проводятся заводом-поставщиком металла для определения действительных значений свойств отдельных участков сварного соединения в целях подтверждения его кондиционности, а также заводом-потребителем в целях проверки соответствия показателей свариваемости металла требованиям технических условий на его поставку.

Примерную оценку технологической свариваемости сталей в части возможности образования холодных и горячих трещин при сварке можно сделать по известному химическому составу свариваемого металла .

 

Сложный вопрос свариваемости

Металлургия сварки - это наука, но она далека от совершенства.

Я упоминаю об этом здесь, потому что моя январская / февральская колонка вызвала ряд критических, если не резких, электронных писем, касающихся всего, от опечатки на Рисунке 3 до моего обобщения точной и требовательной науки о металлургии.

Ученые были в ярости, доктора - в ярости. Меня раздирали, унижали, даже ругали - все за обобщение такой точной науки, как металлургия.

Эта колонка не является углубленным курсом по металлургии для магистров. Это столбец - 1000 слов каждые пару месяцев, предназначенный для помощи сварщикам при сварке. У меня нет ни времени, ни места, ни желания углубляться. Я обобщаю, потому что это служит цели. Я не пытаюсь помочь проектировщику, инженеру-инженеру или ученому… кому угодно.

Эта колонка предназначена для предоставления сварщикам информации, которая поможет им решить общие проблемы металлургической сварки и произвести качественный продукт.Показательный пример: четыре разных человека категорически указали на мое невежество по поводу конкретного пункта в колонке. Затем они просмотрели несколько абзацев, чтобы с головой погрузиться в серьезные мелочи, просто чтобы доказать, что то, что я написал, было неправильным. К сожалению, эти четверо ученых также доказали, что ошибались друг друга.

Другими словами, хотя каждый из них высказал возражение по поводу одного и того же пункта в моей колонке, и каждый поднял этот вопрос на глубину, намного превышающую все, что могло бы оказаться ценным для сварщика , им не только удалось опровергнуть мое утверждение, они противоречили заявления друг друга.Были ли какие-то из них правильными? Конечно; до известной степени все они были. И я тоже.

Дело не в «правильности» вопроса. Точно так же, как из каждого правила есть исключения, часто существует глубина деталей, которая в конечном итоге может доказать ошибочность «обобщения». Насколько это актуально для сварщиков в целом? Обычно нет. И уж точно не в случае с моей колонкой за январь / февраль. Я стою у этой колонны, каждое слово.

Для ясности, я регулярно использую пять разных ссылок для разработки копии в каждом выпуске. Это необходимо из-за невероятного количества разногласий и противоречий в практическом применении, убеждениях и теориях. Если я следую наброскам одной книги или у меня есть копия, похожая на другую, это часто происходит из-за простой проблемы: если что-то написано настолько ясно, насколько это возможно, это уже невозможно сделать более ясным. (Как однажды сказал А. Эйнштейн: «Все должно быть как можно проще, но не проще».) Я отказываюсь усложнять концепцию или даже предложение, потому что кто-то другой нашел самый ясный способ сказать это первым.

Я регулярно использую следующие ссылки:

  1. G.E. Linnert, Welding Metallulgery Vol. 1 (Майами: Американское сварочное общество, 1994).
  2. Г.Э. Linnert, Welding Metallulgery Vol. 2 (Майами: Американское сварочное общество, 1965).
  3. Роберт Э. Рид-Хилл и Реза Аббашьян, Принципы физической металлургии , 3-е изд. (Серия Pws Kent in Engineering) (Нью-Йорк: Общество обучения Томпсона, 1997).
  4. Тед Б. Джефферсон, Энциклопедия сварки Джефферсона (Майами: Американское общество сварки, 1997).
  5. Уильям Галвери-младший и Фрэнк Марлоу, Основы сварки: вопросы и ответы (Нью-Йорк: Industrial Press Inc., 2001).
  6. Теперь перейдем к колонке этого номера о свариваемости.

    Свариваемость? Что это должно с этим делать?

    Ненавижу этот вопрос. Я обычно слышу это после того, как объясняю Джо Хотроду, почему он не должен строить свой качающийся рычаг, опоры двигателя или рычаги A из высокотехнологичного сплава, который его зять «позаимствовал» на работе.И все это связано со свариваемостью.

    Свариваемость - непростой вопрос. Согласно Американскому сварочному обществу, свариваемость определяется как «способность материала свариваться в заданных условиях производства в конкретную, подходящим образом спроектированную структуру и удовлетворительно работать в предполагаемых условиях эксплуатации».

    Исходя из этого определения, свариваемость металла может во многом зависеть от способности сварщика следовать указаниям. Например, свариваемость стали ASTM A514 является удовлетворительной при соблюдении надлежащей процедуры .Это включает предварительный нагрев основного металла с использованием процедуры сварки с низким содержанием водорода и недопущение превышения допустимого тепловложения.

    Очевидно, что дизайн и применение будут влиять на характеристики конструкции, и они не имеют прямого отношения к свариваемости. Но параметры процедуры есть. А что напрямую влияет на процедуру сварки? Химический состав основного металла , который также является основным фактором, влияющим на свариваемость.

    У каждого свариваемого металла есть пределы процедуры: диапазон, в котором должна выполняться процедура сварки.Пределы могут применяться, например, в отношении подводимого тепла, воздействия водорода или требований к предварительному или последующему нагреву. Пределы - это почти как набор правил для успешной сварки данного металла. Оставайтесь в этих пределах - следуйте правилам - и ваш сварной шов сделает свою работу. Выйдите за эти пределы, и у вас наверняка возникнут проблемы. .

    Так что же обеспечивает хорошую свариваемость металла? Широкий диапазон лимитов. Поэтому, если пределы металла малы или узки, он плохо сваривается. И когда диапазон чрезвычайно мал или пределы чрезвычайно узки, металл часто считается несвариваемым, хотя в некоторых отраслях промышленности этот же несвариваемый металл может свариваться каждый день.Конечно, он сварен под строгим контролем, строгим контролем, тщательными процедурами проверки и очень узким диапазоном приемки.

    И если вы задаетесь вопросом, почему они прошли через все это, обычно это происходит потому, что сварка - это либо единственный, либо, по крайней мере, лучший и наиболее экономичный способ удовлетворить потребности конечного продукта.

    Итак, как узнать, как правильно работать с несвариваемым металлом или металлом с плохой свариваемостью? Как правило, если разработчик или инженер не указывает процедуру в спецификации процедуры сварки (WPS), лучше всего проконсультироваться с поставщиком.Есть также ряд книг и других публикаций, которые могут указать вам правильное направление. Или вы можете связаться с организацией, разработавшей стандарт для этого материала.

    В следующей паре столбцов будет рассмотрена свариваемость некоторых распространенных и не очень распространенных основных металлов, включая различные стали, алюминиевые и магниевые сплавы, титановые сплавы и сплавы на основе никеля.

    Свариваемость плоских углеродистых сталей

    К счастью для большинства из нас, несвариваемые или плохо свариваемые материалы являются скорее исключением, чем правилом.Однако некоторые простые углеродистые стали могут иметь плохую свариваемость, поскольку с увеличением содержания углерода свариваемость снижается.

    Промышленная сталь

    обычно классифицируется как углеродистая , низколегированная или высоколегированная . Обычные углеродистые стали могут быть дополнительно классифицированы как низкоуглеродистые - , средние - или высокие - углеродистые.

    Большинство простых углеродистых сталей - это преимущественно железо с минимальным содержанием кремния, марганца, серы и фосфора.Они также обычно содержат менее 1 процента углерода. Да, некоторые другие сплавы и остаточные элементы могут иметь небольшое влияние на свариваемость, но по большей части на свариваемость простой углеродистой стали больше всего влияет содержание углерода.

    Низкоуглеродистые стали обладают отличной свариваемостью; среднеуглеродистые стали обладают хорошей свариваемостью; а высокоуглеродистые стали плохо свариваются. Рассматривая свариваемость, помните, что это означает и что влияет на эту систему классификации.Речь идет о том, насколько широки процедурные ограничения, сколько у вас есть места, чтобы колебаться в пределах этих ограничений и при этом производить качественный сварной шов. Чем уже пределы, тем ниже свариваемость.

    Также будьте осторожны, чтобы не путать низкоуглеродистую сталь с низколегированной сталью . Низкое содержание углерода означает отличную свариваемость. С другой стороны, низколегированный сплав может иметь свариваемость от хорошей до отличной, а может и не иметь. Все зависит от добавленных сплавов.

    В то время как большинство низколегированных сталей имеют менее 0.25 процентов углерода и часто менее 0,15 процента, в них действительно добавлены другие сплавы для повышения их прочности при комнатной температуре, а также множество других характеристик, таких как ударная вязкость и даже коррозионная стойкость.

    К низкоуглеродистым сталям чаще всего добавляют никель, хром, молибден, марганец и кремний. Эти элементы также влияют на реакцию стали на термическую обработку и увеличивают ее склонность к растрескиванию во время или после сварки. Следовательно, обычно необходим процесс сварки с низким содержанием водорода, а также может потребоваться предварительный нагрев.Калькуляторы предварительного нагрева или уравнение, приведенное в журнале Metallurgy Matters, июль / август 2004 г., стр. 38, поможет вам определить, какие параметры требуются.

    В следующий раз мы продолжим обсуждение низколегированных сталей и рассмотрим несколько конкретных промышленных сплавов. В будущем мы рассмотрим испытания на свариваемость, а также кратко рассмотрим влияние пайки и пайки на металлургию.

.

сварка | Типы и определение

Сварка , техника, используемая для соединения металлических деталей, обычно путем нагрева. Этот метод был открыт во время попыток придать железу полезные формы. Сварные клинки были разработаны в 1-м тысячелетии нашей эры, самые известные из которых были произведены арабскими оружейниками в Дамаске, Сирия. В то время был известен процесс науглероживания железа с получением твердой стали, но получаемая сталь была очень хрупкой.Техника сварки, которая включала прослойку относительно мягкого и вязкого железа с высокоуглеродистым материалом с последующей ковкой с молотком, позволила получить прочное и жесткое лезвие.

дуговая сварка

дуговая сварка в среде защитного металла.

ВМС США

В наше время усовершенствование технологий производства чугуна, особенно внедрение чугуна, ограничивало сварку кузнецами и ювелирами. Другие методы соединения, такие как крепление болтами или заклепками, широко применялись в новых изделиях, от мостов и железнодорожных двигателей до кухонной утвари.

Современные процессы сварки плавлением являются результатом необходимости получения непрерывного соединения на больших стальных листах. Было показано, что клепка имеет недостатки, особенно для закрытых контейнеров, таких как бойлер. Газовая сварка, дуговая сварка и контактная сварка появились в конце XIX века. Первая реальная попытка широкого внедрения сварочных процессов была предпринята во время Первой мировой войны. К 1916 году кислородно-ацетиленовый процесс был хорошо развит, и применяемые тогда методы сварки используются до сих пор.С тех пор основные улучшения коснулись оборудования и безопасности. В этот период также была внедрена дуговая сварка с использованием плавящегося электрода, но изначально использовавшаяся неизолированная проволока приводила к хрупким сварным швам. Решение было найдено, обернув оголенный провод асбестом и переплетенным алюминиевым проводом. Современный электрод, представленный в 1907 году, состоит из неизолированной проволоки со сложным покрытием из минералов и металлов. Дуговая сварка не использовалась повсеместно до Второй мировой войны, когда острая необходимость в быстрых средствах строительства для судоходства, электростанций, транспорта и сооружений стимулировала необходимые разработки.

Сварка сопротивлением, изобретенная в 1877 году Элиху Томсоном, была принята задолго до дуговой сварки для точечного и шовного соединения листов. Стыковая сварка для изготовления цепей и соединения стержней и стержней была разработана в 1920-х годах. В 1940-х годах был введен процесс вольфрам-инертный газ с использованием неплавящегося вольфрамового электрода для выполнения сварных швов плавлением. В 1948 году в новом процессе с защитой от газа использовался проволочный электрод, который расходился во время сварки. Совсем недавно были разработаны электронно-лучевая сварка, лазерная сварка и несколько твердофазных процессов, таких как диффузионная сварка, сварка трением и ультразвуковое соединение.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской. Подпишитесь сегодня

Основные принципы сварки

Сварной шов можно определить как слияние металлов, образованное нагревом до подходящей температуры с приложением давления или без него, а также с использованием или без использования присадочного материала.

При сварке плавлением источник тепла выделяет достаточно тепла для создания и поддержания ванны расплава металла необходимого размера. Тепло может поступать от электричества или от газового пламени.Сварку сопротивлением можно рассматривать как сварку плавлением, потому что образуется расплавленный металл.

Твердофазные процессы позволяют получать сварные швы без плавления основного материала и без добавления присадочного металла. Всегда используется давление и обычно подается немного тепла. Теплота трения возникает при ультразвуковом и трении соединения, а нагрев печи обычно используется при диффузионном соединении.

Электрическая дуга, используемая при сварке, представляет собой сильноточный низковольтный разряд, обычно в диапазоне 10–2000 ампер при 10–50 вольт.Столб дуги сложен, но, в общем, состоит из катода, который испускает электроны, газовой плазмы для проведения тока и области анода, которая становится сравнительно более горячей, чем катод, из-за бомбардировки электронами. Обычно используется дуга постоянного тока (DC), но могут использоваться дуги переменного тока (AC).

Общее количество энергии, потребляемой во всех сварочных процессах, превышает то, что требуется для создания соединения, потому что не все выделяемое тепло можно эффективно использовать. Эффективность варьируется от 60 до 90 процентов, в зависимости от процесса; некоторые специальные процессы сильно отклоняются от этой цифры.Тепло теряется из-за проводимости через основной металл и излучения в окружающую среду.

Большинство металлов при нагревании вступают в реакцию с атмосферой или другими близлежащими металлами. Эти реакции могут быть чрезвычайно пагубными для свойств сварного соединения. Например, большинство металлов быстро окисляются при расплавлении. Слой оксида может препятствовать надлежащему соединению металла. Покрытые оксидом капли расплавленного металла захватываются сварным швом и делают соединение хрупким. Некоторые ценные материалы, добавленные для достижения определенных свойств, настолько быстро реагируют на воздействие воздуха, что осажденный металл не имеет того же состава, что и изначально.Эти проблемы привели к использованию флюсов и инертной атмосферы.

При сварке плавлением флюс играет защитную роль, облегчая контролируемую реакцию металла, а затем предотвращая окисление, образуя слой над расплавленным материалом. Флюсы могут быть активными и помогают в процессе или неактивными и просто защищать поверхности во время соединения.

Инертная атмосфера играет такую ​​же защитную роль, как и флюсы. При сварке металлической дугой в среде защитного газа и вольфрамовой дугой в среде защитного газа инертный газ - обычно аргон - течет из кольцевого пространства, окружающего горелку, непрерывным потоком, вытесняя воздух вокруг дуги.Газ не вступает в химическую реакцию с металлом, а просто защищает его от контакта с кислородом воздуха.

Металлургия соединения металлов важна для функциональных возможностей соединения. Дуговая сварка иллюстрирует все основные характеристики соединения. В результате прохождения сварочной дуги образуются три зоны: (1) металл шва или зона плавления, (2) зона термического влияния и (3) неповрежденная зона. Металл сварного шва - это та часть соединения, которая была расплавлена ​​во время сварки.Зона термического влияния - это область, прилегающая к металлу шва, который не был сварен, но претерпел изменение микроструктуры или механических свойств из-за высокой температуры сварки. Неповрежденный материал - это то, что не было достаточно нагрето, чтобы изменить его свойства.

Состав сварочного металла и условия, при которых он замерзает (затвердевает), значительно влияют на способность соединения соответствовать эксплуатационным требованиям. При дуговой сварке металл шва состоит из присадочного материала и основного металла, который расплавился.После прохождения дуги происходит быстрое охлаждение металла шва. Однопроходный сварной шов имеет литейную структуру со столбчатыми зернами, проходящими от края ванны расплава до центра сварного шва. При многопроходной сварке эта литая структура может быть модифицирована в зависимости от конкретного свариваемого металла.

Основной металл, прилегающий к сварному шву, или зона термического влияния, подвергается ряду температурных циклов, и его изменение в структуре напрямую связано с максимальной температурой в любой заданной точке, временем воздействия и охлаждением. тарифы.Типы основного металла слишком многочисленны, чтобы обсуждать здесь, но их можно сгруппировать в три класса: (1) материалы, не подверженные воздействию тепла сварки, (2) материалы, упрочненные в результате структурных изменений, (3) материалы, упрочненные процессами осаждения.

Сварка вызывает напряжения в материалах. Эти силы вызваны сжатием металла сварного шва и расширением, а затем сжатием зоны термического влияния. Не нагретый металл накладывает ограничения на вышеуказанное, и, поскольку преобладает усадка, металл сварного шва не может свободно сжиматься, и в соединении создается напряжение.Это обычно называется остаточным напряжением, и для некоторых критических применений оно должно быть снято термической обработкой всего изделия. Остаточное напряжение неизбежно во всех сварных конструкциях, и, если его не контролировать, произойдет искривление или деформация сварного соединения. Контроль осуществляется методами сварки, приспособлениями и приспособлениями, процедурами изготовления и окончательной термообработкой.

Существует большое разнообразие сварочных процессов. Некоторые из наиболее важных обсуждаются ниже.

.

Металлургия для сварщиков

Металлургия влияет на то, как вы подходите к применению каждый день, а также на оборудование и присадочный металл, которые вы используете. Как только вы узнаете свариваемость материала и то, как он реагирует на нагрев и охлаждение, у вас будет больше шансов на успешное завершение работы.

Словарь Вебстера определяет металлургию в широком смысле как «науку и технологию металлов». Но с практической точки зрения металлургия влияет на ваш подход к сварке, используемое оборудование и присадочный металл, а также на проблемы, с которыми вы сталкиваетесь в процессе сварки.Неудивительно, что металлургические свойства куска металла - его механическая прочность и химический состав - также определяют, насколько хорошо он может быть сварен. От уровня углерода и серы до прочности на разрыв и того, как данный материал обрабатывается или реагирует на нагрев и охлаждение, - каждый элемент влияет на успех или неудачу сварочного процесса.

При сварке любого материала ваша цель - противостоять изменению его микроструктуры и сохранить его механические и химические свойства.Для этого каждый сварщик должен учитывать эти ключевые металлургические вопросы перед тем, как приступить к работе.

1. Можно ли сваривать?

Очень важно знать как можно больше о материале, прежде чем зажигать дугу. Спросите себя, поддается ли он сварке? Свариваемость означает способность двух частей материала свариваться вместе и при этом сохранять требуемые механические и химические свойства для применения. Некоторые условия могут повлиять на свариваемость материала, и есть несколько вещей, которые вы должны уметь делать, чтобы обеспечить успешную работу.

Определите материал. Иногда бывает трудно определить свариваемость материалов. Вам может потребоваться сварить деталь, не зная, из какого она материала. Или вы можете получить деталь от клиента, который не указал эту информацию. Перед тем, как приступить к процессу сварки, рекомендуются химические испытания и искровые испытания для определения металлургии материала.

Понимание специальных требований к сварке . Не все материалы поддаются сварке, а некоторые требуют особых мер предосторожности до, во время или после процесса.Например, такие материалы, как ресульфурированная сталь, имеют высокий уровень углерода, серы и фосфора, что делает их чрезвычайно трудными для сварки, поскольку они очень подвержены растрескиванию. Многие типы хромомолибденовой стали (серии 4000, 4100 и 4300) также имеют более высокий уровень углерода и хрома, чем углеродистые стали, и также склонны к растрескиванию, если вы не соблюдаете надлежащие процедуры сварки. Сюда входит выбор подходящего присадочного металла и использование при необходимости предварительного нагрева и термообработки после сварки (PWHT).

Оценить дизайн и подготовку стыков. В некоторых случаях конструкция стыка может повлиять на доступ к стыку, что, в свою очередь, влияет на свариваемость материала, ограничивая возможность выполнения чистого сварного шва с надлежащим проплавлением. На свариваемость также может повлиять подготовка шва. Например, материалы, подвергнутые строжке угольной дугой, могут накапливать остаточный углерод на поверхности, что может привести к растрескиванию. Или кусок материала, который был подвергнут механической обработке, может содержать остаточную обрабатывающую жидкость, которая может образовывать пористость.Краска, масло и смазка также могут повлиять на свариваемость материала, поэтому материал всегда следует тщательно очищать перед сваркой.

Учитывая эти возможные условия, вы должны сделать соответствующие приспособления, чтобы гарантировать, что сварка все еще может быть выполнена успешно. Правильная очистка материалов и выполнение надлежащих процедур сварки могут помочь решить проблемы свариваемости. Точно так же важен выбор присадочных металлов, которые не подвержены растрескиванию и обладают хорошей пластичностью или прочностью (в зависимости от требований данного материала).

2. Управление теплом

Подвод тепла во время сварки может отрицательно сказаться на механических свойствах материала. Когда сварное соединение создается с чрезмерно низким тепловложением, оно быстро рассеивает тепло, вызывая внутренние напряжения как в сварном шве, так и в основном материале. Подобные напряжения могут привести к разрыву двух частей материала после охлаждения. Обе ситуации, по отдельности или в сочетании, могут привести к растрескиванию.

Подобное растрескивание довольно часто встречается в хромомолибденовых сталях с высоким содержанием хрома и углерода, например в материалах серии 4000; однако это может происходить в большинстве материалов любого типа.

Высокая погонная энергия также может приводить к деформации, которая обычно возникает в тонких материалах и материалах, которые сильно ограничены из-за особой конструкции сварного узла. Локализованное тепловложение в сварном шве вызывает изменение формы материала при охлаждении. Вы можете решить эту проблему, зажимая деталь и предварительно изгибая ее в противоположном направлении, или контролируя последовательность валиков. Ряд небольших бусинок стрингера также может помочь свести к минимуму деформацию, поскольку он снижает количество тепла, попадающего в сварную деталь.В некоторых материалах, таких как закаленная и отпущенная сталь, высокое тепловложение может привести к размягчению и ослаблению материала.

Предварительный нагрев является ключевым фактором в управлении подводом тепла и предотвращении быстрого охлаждения. Всегда следуйте правильным рекомендациям по PWHT для вашего приложения.

По всем этим причинам для вас очень важно следить за тем, сколько тепла вы вкладываете в сварное соединение во время процесса сварки, и соответственно контролировать его. Уравнение, которое вы можете использовать для определения тепловложения:

Ампер × Вольт × 60 / Скорость движения (в дюймах в минуту) = Килоджоули на дюйм.

Вы также можете использовать эффект закалки, чтобы улучшить микроструктуру зерен сварного шва и придать ему хорошую прочность. Чтобы создать закаленный валик, добавьте от двух до трех дополнительных валиков сварного шва поверх сварной детали, что приведет к тому, что дополнительное тепло попадет в валик внизу, тем самым закаляя его.

Другой вариант - предварительный нагрев. Нагревание материала до заданной температуры перед сваркой может помочь снизить остаточные напряжения в материале и предотвратить его слишком быстрое охлаждение, которое вызывает изменения микроструктуры материала, которые приводят к растрескиванию, деформации и размягчению.Мониторинг и управление температурой между проходами многопроходных сварных швов также важны, как и выполнение процедур медленного охлаждения.

3. Предотвращение быстрого охлаждения

В сочетании с регулированием тепловложения вам также необходимо контролировать скорость охлаждения сварного шва. Неконтролируемое охлаждение может вызвать множество проблем как внутри сварного шва, так и в основном материале. При быстром охлаждении в микроструктуре металла образуются более мелкие зерна, а при медленном охлаждении - более крупные и крупные зерна.Чрезмерно высокая или низкая скорость охлаждения снижает трещиностойкость металлов.

Быстрое охлаждение чаще всего происходит в тандеме с условиями низкого тепловложения, как обсуждалось ранее, но оно может происходить и без них. Например, если вы сварите толстый кусок материала без предварительного нагрева, он станет большим радиатором. Несмотря на то, что он может не сильно нагреваться, он отводит тепло по завершении сварки, что вызывает быстрое охлаждение материала.

Быстрое охлаждение может привести к деформации, повышению твердости и снижению пластичности.В некоторых случаях он также может вызывать водородное растрескивание, которое часто называют холодным растрескиванием или растрескиванием в зоне термического влияния (HAZ). Этот тип дефекта начинается в основном металле и по мере его развития переходит в поперечный шов. Это результат как остаточных напряжений, так и присутствия диффундирующего водорода в сварном шве, а также изменений микроструктуры материала.

Чтобы предотвратить быстрое охлаждение, предварительно нагрейте основной металл и контролируйте температуру между проходами при многопроходной сварке.Предварительный нагрев дает дополнительное преимущество, позволяя дуге легче проникать в сварное соединение. Вы также можете выполнить PWHT, выдерживая готовый сварной шов при заданной температуре в течение определенного периода времени с помощью такого процесса, как индукционный или печной нагрев. PWHT помогает снять остаточные напряжения и выводит из сварного соединения диффундирующий водород, чтобы минимизировать вероятность растрескивания.

4. Подходящие присадочные металлы

Выбор подходящего присадочного металла может сыграть роль в преодолении проблем, связанных с химическими и механическими свойствами материала.Как правило, в большинстве случаев требуется, чтобы присадочный металл «соответствовал» пределу прочности на растяжение или предел текучести материала-основы. Соответствие слов цитируется здесь, потому что две сильные стороны могут быть неточными.

В некоторых случаях может быть желательно «не соответствовать» прочности присадочного металла основному материалу. Недостаточное согласование может быть полезным, поскольку оно помогает повысить ударную вязкость и пластичность и может помочь минимизировать остаточные напряжения в сварной детали.

Хотя существуют дополнительные металлургические аспекты, о которых вам следует знать, основными из них являются определение свариваемости, контроль нагрева, предотвращение быстрого охлаждения и соответствие присадочного металла.Чтобы предотвратить изменение микроструктуры сварного шва и материалов, которые он скрепляет, всегда помните о предписанных процедурах и знайте, какой тип материала вы свариваете, прежде чем начинать любой процесс.

.

PPT - WELDABILITY PowerPoint Presentation, free download

  • WELDABILITY Свариваемость материала означает его способность свариваться. Многие металлы и термопласты можно сваривать, но некоторые сваривать легче, чем другие. Это сильно влияет на качество сварки и является важным фактором при выборе используемого процесса сварки. Свариваемость - это просто мера того, насколько легко сделать сварной шов в конкретном материале без трещин. Если легко избежать растрескивания, материал считается «свариваемым».Однако для того, чтобы сварной шов был действительно успешным, необходимо, чтобы он имел адекватные механические свойства и был в состоянии выдерживать ухудшение характеристик при эксплуатации (например, коррозионное повреждение).

  • Таким образом, свариваемость - это мера того, насколько легко: • Получение сварных швов без трещин • Достижение соответствующих механических свойств • Получение сварных швов, устойчивых к ухудшению эксплуатационных характеристик. • Свариваемость не является фиксированным параметром для данного материала, но будет зависеть от деталей соединения, требований к обслуживанию, а также имеющихся сварочных процессов и оборудования.• Эта вариабельность свариваемости проиллюстрирована на следующих примерах:

  • Пример 1 Какая из этих двух сталей C-Mn наиболее свариваема? • Ответ явно зависит от того, какой тип растрескивания вызывает наибольшее беспокойство: • Угловой шов с низким сцеплением на толстой стали - водородная трещина, сталь 1 более свариваема • Ограниченный сварной шов MIG с высоким разбавлением - трещина затвердевания, сталь 2 более свариваема • Полное проплавление сильно ограничено Т-стык - пластинчатый разрыв, сталь 2 свариваемая.

  • Пример 2 Какой из этих материалов наиболее свариваем? (сварка трубы с довольно тонкими стенками (~ 3 мм)) Технически чистый титан Аустенитная нержавеющая сталь 316 L Дуплексная нержавеющая сталь с 22% Cr 6% Mo, высоколегированная аустенитная нержавеющая сталь • Ответ будет зависеть от личного опыта и имеющихся возможностей. • Специалист по титану знает, что это один из самых простых свариваемых материалов, но он хорошо знаком с очень хорошими продувками с обратной стороны и с использованием заднего экрана.• Специалист по аустенитной нержавеющей стали посчитал бы такой уровень контроля очень трудным. Он знает, что нужно следить за растрескиванием при затвердевании, тщательно проверяет характеристики проникновения каждой отливки и не считает, что это представляет значительный риск. • Эксперт по дуплексным нержавеющим сталям скажет вам, что сваривать их намного проще, чем аустенитную нержавеющую сталь, потому что отсутствует реальный риск образования трещин при затвердевании и меньше проблем с переменным проваром. Но сейчас вам вообще нужен наполнитель.• Высоколегированная аустенитная сталь похожа на дуплекс, но при использовании наполнителя на основе никеля существует риск микротрещин.

  • Пример 3 • Рассмотрим пример 2, но теперь добавим, что сварной шов будет работать в кислотной, хлоридсодержащей среде при температуре около 30 ° C. Если бы проблема заключалась исключительно в отсутствии трещин, то дуплекс и титан были бы на равных, а высоколегированный аустенитный материал был бы наименее свариваемым из-за риска образования трещин при затвердевании.Однако теперь дуплексная нержавеющая сталь становится все более серьезной проблемой, поскольку возникает необходимость работать в довольно узком диапазоне тепловложения. Пройти квалификационные испытания, включающие коррозионные испытания дуплексных нержавеющих сталей, может быть сложно. • Пример 4 • Рассмотрим примеры 2 и 3, но теперь добавим требование прочности. Теперь титан не так поддается сварке, поскольку необходимо почти идеальное экранирование, чтобы избежать ухудшения вязкости.

  • Пример 5 Сваривается ли AISI 4130? Диапазон состава для AISI 4130: • Невозможно ответить на этот вопрос, не зная о предполагаемом обслуживании.Ответ был бы другим для компонента шестерни, работающего в теплой масляной ванне, и части устьевого оборудования для транспортировки высокосернистого газа.

  • Свариваемость материалов - Стали • При дуговой сварке металл шва должен иметь механические свойства, соответствующие основному металлу, поэтому сварщик должен избегать образования дефектов в сварном шве. Дефекты в основном вызваны: • плохой сваркой; • недостаточные меры по адаптации материала или сварочного процесса; • высокая нагрузка на деталь.• Относительно хорошо известны методы, позволяющие избежать дефектов, таких как отсутствие плавления и включения шлака, возникающих в результате плохой сварочной техники. Однако сварщик должен знать, что сам материал может быть подвержен образованию дефектов, вызванных процессом сварки. • В разделе «Материалы» раздела «Рабочие знания для сварщиков» приведены инструкции по свариваемости материалов и меры предосторожности, которые необходимо принять во избежание дефектов.

  • Типы материалов С точки зрения свариваемости широко используемые материалы можно разделить на следующие типы: • Стали • Нержавеющие стали • Алюминий и его сплавы • Никель и его сплавы • Медь и его сплавы • Титан и его сплавы • Чугун • Процессы сварки плавлением можно использовать для сварки большинства сплавов из этих материалов в широком диапазоне толщин.• Когда образуются дефекты, они будут располагаться либо в металле сварного шва, либо в основном материале, непосредственно прилегающем к сварному шву, так называемая зона термического влияния (HAZ). • Поскольку химический состав металла шва определяет риск появления дефектов, выбор присадочного металла может иметь решающее значение не только для достижения надлежащих механических свойств и коррозионной стойкости, но и для получения прочного сварного шва. • Дефекты в зоне термического влияния возникают из-за неблагоприятного воздействия тепла, выделяемого во время сварки, и их можно избежать только при строгом соблюдении процедуры сварки.

  • Дефекты сварных швов • Обычно используемые стали считаются легко свариваемыми и подвержены риску из-за несовершенства: • пористости; • растрескивание при затвердевании; • водородный крекинг; • повторный нагрев крекинга. • разрыв пластин • Использование современных сталей и расходных материалов снижает вероятность возникновения подобных дефектов.

  • Слайд 3 из 24

  • Слайд 4 из 24

  • Слайд 5 из 24

  • Слайд 6 из 24

  • 00

  • Слайд 8 из 24

  • Слайд 9 из 24

  • Слайд 10 из 24

  • Слайд 11 из 24 06

    7

  • Слайд 13 из 24

  • Слайд 14 из 24

  • Слайд 15 из 24

  • Слайд 16 из 24

  • Слайд 18 из 24

  • Слайд 19 из 24

  • Слайд 20 из 24

  • Слайд 21 из 24

  • Слайд 22 из 24

  • Слайд 23 из 24

  • Слайд 24 из 24

  • Сварка

    и

    Нержавеющая сталь
    от Джона К.Липпольд (автор), Дамиан Дж. Котецки (автор)

  • Новые разработки в области усовершенствованной сварки • Под редакцией Н. Ахмеда, CSIRO, Австралия • - обсуждает изменения в передовых методах сварки - рассматривает новые технологии - исследует механические и Примеры структурной инженерии • обобщает некоторые из наиболее важных из них и их применения в машиностроении и строительстве. начинается с обзора достижений в области газовой дуговой сварки металлическим электродом, порошковой проволокой и газовой вольфрамовой дуговой сварки.• В ряде глав обсуждаются разработки в области лазерной сварки, включая лазерную сварку и лазерную сварку Nd: YAG. • Также анализируются другие новые методы, такие как электронно-лучевая сварка, сварка взрывом и ультразвуковая сварка. • Книга завершается обзором текущих исследований по вопросам здоровья и безопасности. Это стандартное руководство для сварочного сообщества US $ 275,00

  • Содержание • Дуговая сварка металлическим электродом • Сварка трубчатой ​​порошковой проволокой • Дуговая сварка вольфрамовым электродом • Лазерная сварка • Лазерная сварка Nd: YAG • Новые разработки в лазерной сварке • Электронно-лучевая сварка • Развитие технологий сварки взрывом • Ультразвуковая сварка металлов • Охрана труда и безопасность

  • .

    Смотрите также