Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.

где Сэ – углеродный эквивалент,

С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.

Классификация сталей по свариваемости

По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:

1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);

2) стали с удовлетворительной свариваемостью (0,25 < Сэ ≤ 0,35% ), сварка которых производится только при температуре окружающей среды не ниже – 5 °С, толщине металла менее 20 мм при отсутствии ветра;

3) ограниченно свариваемые стали (0,35 < Сэ ≤ 0,45 %), при сварке которых необходимы дополнительные технологические мероприятия: предварительный и сопутствующий подогрев до 250 °С в жестком диапазоне режимов сварки

4) трудно свариваемые стали (Сэ > 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно

Методы оценки свариваемости металлов

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.

Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб,
проведение специализированных испытаний сварных соединений
или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные

Влияние химических элементов на свариваемость

Углерод (C)

Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.

Кремний (Si)

Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.

При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.

Марганец (Mn)

Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.

Марганец (Mn)

Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.

Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.

Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.

Сера (S)

Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.

Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.

Фосфор (Р)

Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.

Хром (Cr)

Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.

Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.

Алюминий (Al)

Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.

Титан (Ti)

Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.

Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.

Молибден (Мо)

Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.

Ванадий (V)

Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.

Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.

Вольфрам (W)

Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали.  Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.

Кобальт (Co)

Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.

Никель (Ni)

Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.

Медь (Cu)

Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.

Ниобий (Nb)

Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.