Зварюваність металевих матеріалів означає здатність металевих матеріалів отримувати відмінні зварювальні з’єднання за допомогою певних процесів зварювання, включаючи методи зварювання, зварювальні матеріали, специфікації зварювання та форми зварювання.Якщо метал може отримати чудові зварювальні з’єднання за допомогою більш поширених і простих процесів зварювання, вважається, що він має хороші зварювальні характеристики.Зварюваність металевих матеріалів зазвичай поділяється на два аспекти: зварюваність у процесі та зварюваність у застосуванні.
Зварюваність процесу: відноситься до здатності отримувати відмінні зварні з'єднання без дефектів за певних умов процесу зварювання.Це не властива металу властивість, але оцінюється на основі певного методу зварювання та конкретних заходів процесу, що використовуються.Тому технологічна зварюваність металевих матеріалів тісно пов'язана з процесом зварювання.
Сервісна зварюваність: відноситься до ступеня, до якого зварне з'єднання або вся конструкція відповідає експлуатаційним характеристикам, визначеним технічними умовами продукту.Продуктивність залежить від умов роботи зварної конструкції та технічних вимог, висунутих у проекті.Зазвичай включають механічні властивості, стійкість до низькотемпературної в’язкості, стійкість до крихкого руйнування, високотемпературну повзучість, властивості втоми, тривалу міцність, стійкість до корозії та зносостійкість тощо. Наприклад, широко використовувані нержавіючі сталі S30403 та S31603 мають чудову корозійну стійкість, а 16MnDR і низькотемпературні сталі 09MnNiDR також мають гарну міцність при низьких температурах.
Фактори, що впливають на якість зварювання металевих матеріалів
1.Матеріальні фактори
Матеріали включають основний метал і зварювальні матеріали.За однакових умов зварювання основними факторами, що визначають зварюваність основного металу, є його фізичні властивості та хімічний склад.
З точки зору фізичних властивостей: такі фактори, як температура плавлення, теплопровідність, коефіцієнт лінійного розширення, щільність, теплоємність та інші фактори металу, впливають на такі процеси, як термічний цикл, плавлення, кристалізація, фазова зміна тощо. , тим самим впливаючи на зварюваність.Матеріали з низькою теплопровідністю, такі як нержавіюча сталь, мають великі градієнти температури, високу залишкову напругу та велику деформацію під час зварювання.Крім того, через тривалий час перебування при високій температурі зерна в зоні теплового впливу розростаються, що негативно позначається на роботі з’єднання.Аустенітна нержавіюча сталь має великий коефіцієнт лінійного розширення та сильну деформацію та напругу в з’єднанні.
З точки зору хімічного складу, найвпливовішим елементом є вуглець, що означає, що вміст вуглецю в металі визначає його зварюваність.Більшість інших легуючих елементів у сталі не сприяють зварюванню, але їхній вплив, як правило, набагато менший, ніж вплив вуглецю.Зі збільшенням вмісту вуглецю в сталі зростає тенденція до зміцнення, знижується пластичність і з’являється схильність до появи зварювальних тріщин.Зазвичай в якості основних показників для оцінки зварюваності матеріалів використовують чутливість металевих матеріалів до утворення тріщин при зварюванні і зміну механічних властивостей ділянки зварного з'єднання.Тому чим вищий вміст вуглецю, тим гірша зварюваність.Низьковуглецева сталь і низьколегована сталь з вмістом вуглецю менше 0,25% мають відмінну пластичність і ударну в'язкість, а пластичність і ударна в'язкість зварних з'єднань після зварювання також дуже хороші.Під час зварювання не вимагається попереднього нагрівання та термічної обробки після зварювання, а процес зварювання легко контролювати, тому він має хорошу зварюваність.
Крім того, стан плавлення та прокатки, стан термічної обробки, організаційний стан тощо різною мірою впливають на зварюваність.Зварюваність сталі можна покращити шляхом рафінування або рафінування зерен і контрольованих процесів прокатки.
Зварювальні матеріали в процесі зварювання беруть безпосередню участь у ряді хімічних металургійних реакцій, які визначають склад, структуру, властивості та дефектоутворення металу шва.Якщо зварювальні матеріали підібрано неправильно та не відповідають основному металу, не тільки не буде отримано з’єднання, яке відповідає вимогам використання, але також будуть введені такі дефекти, як тріщини та зміни структурних властивостей.Тому правильний підбір зварювальних матеріалів є важливим фактором забезпечення якісних зварних з'єднань.
2. Фактори процесу
Фактори процесу включають методи зварювання, параметри процесу зварювання, послідовність зварювання, попередній нагрів, нагрівання після зварювання та термообробку після зварювання тощо. Метод зварювання має великий вплив на зварюваність, головним чином у двох аспектах: характеристики джерела тепла та умови захисту.
Різні методи зварювання мають дуже різні джерела тепла з точки зору потужності, щільності енергії, максимальної температури нагрівання тощо. Метали, зварювані під різними джерелами тепла, демонструватимуть різні зварювальні властивості.Наприклад, потужність електрошлакового зварювання дуже висока, але щільність енергії дуже мала, а максимальна температура нагріву невисока.Нагрівання під час зварювання відбувається повільно, а час перебування при високій температурі тривалий, що призводить до грубих зерен у зоні термічного впливу та значного зниження ударної в’язкості, яку необхідно нормалізувати.Покращити.Навпаки, електронно-променеве зварювання, лазерне зварювання та інші способи мають малу потужність, але високу щільність енергії та швидкий нагрів.Час перебування при високій температурі короткий, зона теплового впливу дуже вузька, і немає небезпеки росту зерна.
Налаштування параметрів процесу зварювання та застосування інших заходів процесу, таких як попередній нагрів, додатковий нагрів, багатошарове зварювання та контроль міжшарової температури, може регулювати та контролювати термічний цикл зварювання, тим самим змінюючи зварюваність металу.Якщо вжити таких заходів, як попередній нагрів перед зварюванням або термічна обробка після зварювання, цілком можливо отримати зварні з’єднання без дефектів тріщин, які відповідають вимогам щодо експлуатаційних характеристик.
3. Структурні фактори
В основному це стосується конструктивної форми зварної конструкції та зварних з’єднань, наприклад впливу таких факторів, як структурна форма, розмір, товщина, форма канавки з’єднання, розташування зварного шва та форма його поперечного перерізу на зварюваність.Його вплив в основному відображається на теплопередачі та стані сили.Різні товщини пластини, різні форми з’єднань або форми канавок мають різні напрямки та швидкості теплопередачі, що впливатиме на напрямок кристалізації та ріст зерен у розплавленій ванні.Конструктивний перемикач, товщина пластини та розташування зварного шва визначають жорсткість і обмеження з’єднання, що впливає на напружений стан з’єднання.Погана кристалічна морфологія, сильна концентрація напруги та надмірне зварювальне напруження є основними умовами для утворення зварювальних тріщин.Важливими заходами для покращення зварюваності в конструкції є зменшення жорсткості з’єднань, зменшення кількості поперечних зварних швів і зменшення різноманітних факторів, що викликають концентрацію напруги.
4. Умови використання
Він відноситься до робочої температури, умов навантаження і робочого середовища протягом періоду служби зварної конструкції.Ці робочі середовища та умови експлуатації вимагають, щоб зварні конструкції мали відповідні характеристики.Наприклад, зварні конструкції, що працюють при низьких температурах, повинні мати стійкість до крихкого руйнування;конструкції, що працюють при високих температурах, повинні мати опір повзучості;конструкції, що працюють при знакозмінних навантаженнях, повинні мати гарну стійкість до втоми;конструкції, що працюють у кислотних, лужних або сольових середовищах. Зварна ємність повинна мати високу корозійну стійкість тощо.Коротше кажучи, чим суворіші умови використання, тим вищі вимоги до якості зварних з’єднань і тим важче забезпечити зварюваність матеріалу.
Ідентифікація та оцінка показника зварюваності металевих матеріалів
У процесі зварювання виріб зазнає зварювальних термічних процесів, металургійних реакцій, а також зварювальних напруг і деформацій, що призводить до зміни хімічного складу, металографічної структури, розміру та форми, що робить характеристики зварного з’єднання часто відмінними від характеристик зварного з’єднання. основний матеріал, іноді навіть не може відповідати вимогам використання.Для багатьох реактивних або тугоплавких металів для отримання високоякісних з’єднань слід використовувати спеціальні методи зварювання, такі як зварювання електронним променем або лазерне зварювання.Чим менше умов обладнання та менше труднощів, необхідних для створення якісного зварного з’єднання з матеріалу, тим краще зварюваність матеріалу;Навпаки, якщо потрібні складні та дорогі методи зварювання, спеціальні зварювальні матеріали та технологічні заходи, це означає, що зварюваність матеріалу погана.
При виготовленні виробів спочатку необхідно оцінити зварюваність використовуваних матеріалів, щоб визначити, чи підходять обрані конструкційні матеріали, зварювальні матеріали та методи зварювання.Існує багато методів оцінки зварюваності матеріалів.Кожен метод може пояснити лише певний аспект зварюваності.Тому для повного визначення зварюваності необхідні випробування.Методи випробувань можна розділити на імітаційні та експериментальні.Перший імітує характеристики нагріву та охолодження зварювання;останній перевіряє відповідно до фактичних умов зварювання.Зміст випробування в основному полягає у виявленні хімічного складу, металографічної структури, механічних властивостей і наявності або відсутності дефектів зварювання основного металу та металу зварного шва, а також для визначення низькотемпературних характеристик, високотемпературних характеристик, стійкості до корозії та тріщиностійкість зварного з'єднання.
Зварювальні характеристики широко використовуваних металевих матеріалів
1. Зварювання вуглецевої сталі
(1) Зварювання низьковуглецевої сталі
Низьковуглецева сталь має низький вміст вуглецю, марганцю та кремнію.За звичайних обставин це не спричинить серйозного структурного зміцнення або загартування структури через зварювання.Цей вид сталі має відмінну пластичність і ударну в'язкість, а також надзвичайно високі пластичність і міцність її зварних з'єднань.Під час зварювання попередній і додатковий нагрів, як правило, не вимагається, а для отримання зварних з’єднань із задовільною якістю не потрібні спеціальні технологічні заходи.Таким чином, сталь з низьким вмістом вуглецю має чудові зварювальні характеристики та є сталлю з найкращими зварювальними характеристиками серед усіх сталей..
(2) Зварювання середньовуглецевої сталі
Середньовуглецева сталь має більший вміст вуглецю, і її зварюваність гірша, ніж низьковуглецева сталь.Коли CE близький до нижньої межі (0,25%), зварюваність хороша.Зі збільшенням вмісту вуглецю зростає тенденція до зміцнення, і в зоні термічного впливу легко утворюється низькопластична мартенситна структура.Якщо зварювання є відносно жорстким або зварювальні матеріали та параметри процесу підібрані неправильно, ймовірно виникнення холодних тріщин.Під час зварювання першого шару багатошарового зварювання завдяки великій частці основного металу, вплавленого в зварний шов, збільшується вміст вуглецю, сірки та фосфору, що полегшує утворення гарячих тріщин.Крім того, чутливість продихів також підвищується, коли вміст вуглецю високий.
(3) Зварювання високовуглецевої сталі
Високовуглецева сталь із CE понад 0,6% має високу загартовуваність і схильна до утворення твердого та крихкого високовуглецевого мартенситу.Тріщини схильні до появи в зварних швах і в зонах теплового впливу, що ускладнює зварювання.Тому цей тип сталі, як правило, не використовується для виготовлення зварних конструкцій, але використовується для виготовлення компонентів або деталей з високою твердістю або зносостійкістю.Здебільшого вони займаються зварюванням для ремонту пошкоджених деталей.Ці частини та компоненти слід відпалити перед ремонтом зварювання, щоб зменшити зварювальні тріщини, а потім знову піддати термічній обробці після зварювання.
2. Зварювання низьколегованої високоміцної сталі
Вміст вуглецю в низьколегованій високоміцній сталі зазвичай не перевищує 0,20%, а загальний вміст легуючих елементів зазвичай не перевищує 5%.Саме тому, що низьколегована високоміцна сталь містить певну кількість легуючих елементів, її зварювальні характеристики дещо відрізняються від вуглецевої сталі.Його зварювальні характеристики наступні:
(1) Зварювальні тріщини в зварних з'єднаннях
Низьколегована високоміцна сталь холодного розтріскування містить C, Mn, V, Nb та інші елементи, які зміцнюють сталь, тому її легко зміцнювати під час зварювання.Ці зміцнені структури дуже чутливі.Тому, коли жорсткість велика або стримуюча напруга висока, якщо неправильний процес зварювання може легко спричинити холодні тріщини.Більше того, цей вид крек має певну затримку і є вкрай шкідливим.
Тріщини повторного нагріву (SR) Тріщини повторного нагрівання — це міжзернисті тріщини, які виникають у крупнозернистій зоні поблизу лінії сплавлення під час термічної обробки для зняття напруги після зварювання або тривалої роботи при високій температурі.Загальноприйнято вважати, що це відбувається через високу температуру зварювання, що призводить до того, що V, Nb, Cr, Mo та інші карбіди поблизу ЗТВ залишаються твердими, розчиненими в аустеніті.Вони не встигають випадати в осад при охолодженні після зварювання, але розсіюються і випадають в осад при PWHT, зміцнюючи таким чином кристалічну структуру.Усередині деформація повзучості під час релаксації напруги зосереджена на границях зерен.
Зварні з’єднання з низьколегованої високоміцної сталі, як правило, не схильні до тріщин при повторному нагріванні, таких як 16MnR, 15MnVR тощо. Однак для низьколегованих високоміцних сталей серії Mn-Mo-Nb і Mn-Mo-V, таких як 07MnCrMoVR, оскільки Nb, V і Mo є елементами, які мають сильну чутливість до розтріскування при повторному нагріванні, цей тип сталі потребує обробки під час термічної обробки після зварювання.Щоб запобігти виникненню тріщин при повторному нагріванні, слід уникати чутливої до температури зони тріщин при повторному нагріванні.
(2) Крихкість і розм'якшення зварних з'єднань
Крихкість при деформаційному старінні Зварні з'єднання перед зварюванням повинні пройти різні холодні процеси (розрізання заготовок, прокат бочки тощо).Сталь вироблятиме пластичну деформацію.Якщо область додатково нагріється до 200-450°C, відбудеться старіння деформації..Крихкість під час деформаційного старіння зменшує пластичність сталі та підвищує температуру переходу крихкості, що призводить до крихкого руйнування обладнання.Термічна обробка після зварювання може усунути таке деформаційне старіння зварної конструкції та відновити міцність.
Крихкість зварних швів і зон термічного впливу. Зварювання — це нерівномірний процес нагрівання й охолодження, що призводить до неоднорідної структури.Температура крихкого переходу зварного шва (WM) і зони термічного впливу (HAZ) вища, ніж у основного металу, і є слабкою ланкою з’єднання.Енергія лінії зварювання має важливий вплив на властивості низьколегованої високоміцної сталі WM і HAZ.Низьколегована високоміцна сталь легко гартується.Якщо енергія лінії надто мала, мартенсит з’явиться в ЗТВ і спричинить тріщини.Якщо енергія лінії занадто велика, зерна WM і HAZ стануть грубими.Викликає крихкість суглоба.У порівнянні з гарячекатаною та нормалізованою сталлю, низьковуглецева загартована та відпущена сталь має більш серйозну тенденцію до крихкості ЗТВ, спричиненої надмірною лінійною енергією.Тому при зварюванні енергія лінії повинна бути обмежена певним діапазоном.
Розм'якшення зони термічного впливу зварних з'єднань Внаслідок дії тепла зварювання зовнішня частина зони термічного впливу (ЗТВ) низьковуглецевої загартованої та відпущеної сталі нагрівається вище температури відпуску, особливо область біля Ас1, що створить зону розм’якшення зі зниженою міцністю.Структурне розм’якшення в зоні ЗТВ збільшується зі збільшенням енергії зварювальної лінії та температури попереднього нагріву, але, як правило, міцність на розрив у розм’якшеній зоні все ще перевищує нижню межу стандартного значення основного металу, тому зона термічного впливу Цей тип сталі розм’якшується. За умови належної якості виготовлення проблема не вплине на роботу з’єднання.
3. Зварювання нержавіючої сталі
Нержавіючу сталь можна розділити на чотири категорії відповідно до її різної сталевої структури, а саме аустенітну нержавіючу сталь, феритну нержавіючу сталь, мартенситну нержавіючу сталь і аустенітно-феритну дуплексну нержавіючу сталь.Далі в основному аналізуються характеристики зварювання аустенітної нержавіючої сталі та двонаправленої нержавіючої сталі.
(1) Зварювання аустенітної нержавіючої сталі
Аустенітні нержавіючі сталі легше зварювати, ніж інші нержавіючі сталі.Не буде фазового перетворення за будь-якої температури, і він не чутливий до водневої крихкості.З'єднання аустенітної нержавіючої сталі також має хорошу пластичність і міцність у звареному стані.Основними проблемами зварювання є: гаряче розтріскування зварювання, крихкість, міжкристалічна корозія та корозія під напругою тощо. Крім того, через погану теплопровідність та великий коефіцієнт лінійного розширення зварювальна напруга та деформація є великими.При зварюванні підведення зварювального тепла має бути якомога меншим, не повинно бути попереднього підігріву, а температура між шарами повинна бути знижена.Температуру проміжного шару слід контролювати нижче 60°C, а зварні з’єднання слід розташовувати в шаховому порядку.Щоб зменшити надходження тепла, швидкість зварювання не слід надмірно збільшувати, але зварювальний струм слід відповідно зменшити.
(2) Зварювання аустенітно-феритної двосторонньої нержавіючої сталі
Аустенітно-феритна дуплексна нержавіюча сталь - дуплексна нержавіюча сталь, що складається з двох фаз: аустеніту та фериту.Він поєднує в собі переваги аустенітної та феритної сталі, тому має такі характеристики, як висока міцність, хороша стійкість до корозії та легкість зварювання.В даний час існує три основних типи дуплексної нержавіючої сталі: Cr18, Cr21 і Cr25.Основними характеристиками цього типу зварювання сталі є: менша термічна схильність порівняно з аустенітною нержавіючої сталлю;нижча тенденція до крихкості після зварювання порівняно з чистою феритною нержавіючою сталлю, і ступінь укрупнення фериту в зоні термічного впливу зварювання також нижчий, тому зварюваність краща.
Так як цей вид сталі має хороші зварювальні властивості, під час зварювання не потрібні попередній і додатковий нагрів.Тонкі листи слід зварювати TIG, а середні і товсті листи можна зварювати дуговим зварюванням.При зварюванні дуговим зварюванням слід використовувати спеціальні зварювальні прути, близькі за складом до основного металу, або аустенітні зварювальні прути з низьким вмістом вуглецю.Електроди зі сплаву на основі нікелю також можна використовувати для двофазної сталі типу Cr25.
Двофазні сталі мають більшу частку фериту, і притаманні феритним сталям тенденції до крихкості, такі як крихкість при 475°C, крихкість виділення σ-фази та грубе зерно, все ще існують лише через наявність аустеніту.Деяке полегшення можна отримати завдяки балансувальному ефекту, але все одно потрібно бути уважним під час зварювання.При зварюванні дуплексної нержавіючої сталі без нікелю або з низьким вмістом нікелю існує тенденція до однофазного фериту та укрупнення зерна в зоні термічного впливу.У цей час слід звернути увагу на контроль надходження тепла зварювання та намагатися використовувати малий струм, високу швидкість зварювання та зварювання з вузьким каналом.А також багатопрохідне зварювання для запобігання укрупнення зерна та однофазної феритизації в зоні термічного впливу.Температура між шарами не повинна бути занадто високою.Наступний прохід найкраще зварювати після охолодження.
Час публікації: 11 вересня 2023 р