Марки стали для сварки: как влияют на процесс

О чем речь? Марки стали для сварки — классификация материалов, которые отличаются составом, свойствами и областью применения. Эти параметры определяют, насколько легко заготовки будут поддаваться высоким температурам и как будет вести себя шов в процессе эксплуатации.

На что обратить внимание? При выборе подходящего материала важно учитывать тип сварки и требования к прочности. Правильно подобранная марка стали обеспечит надежность соединения и долговечность конструкции.

Что такое свариваемость стали

Свариваемость стали — это характеристика, которая показывает способность материала образовывать в процессе сварки крепкое соединение. ГОСТ 2601 регламентирует качество шва и готовность изделия к дальнейшей эксплуатации.

Благодаря современным методам и режимам работы удалось добиться высокой степени соединения различных веществ. Среди подходящих марок стали для сварки особенно выделяются малоуглеродистые сорта.

Понятие технологической свариваемости металла показывает, как материал реагирует на определенные методы сварки, формируя соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям, предъявляемым к изделию.

В физическом плане под свариваемостью понимают возможность металлов или сплавов образовать стойкое цельное соединение при стыке основного и наплавленного материалов. Все однородные вещества обладают таким свойством, но каждое в степени.

Большинство металлов, встречающихся в природе, не способно образовать крепкую связь в процессе слияния, поэтому у них отсутствует физическая свариваемость.

Фото: Bo Bo / Unsplash

Оценка проводится по следующим параметрам:

• Устойчивость к появлению холодных трещин. В процессе охлаждения могут выявиться дефекты сварного соединения.
• Реакция на тепло. Структурные изменения металла и рост зерен в зоне теплового воздействия и на шве имеют важное значение для оценки эластичности и прочности конечной детали.
• Тенденция к формированию оксидных пленок. Зависит от химической активности металла. За счет окисления в местах нагрева процесс сварки может осложниться.
• Устойчивость к появлению горячих трещин. Имеет важное значение для сплавов и прецизионных типов стали, поскольку велик риск появления внутренних дефектов. Трещины образуются в процессе сварки, а не после остывания готового изделия.
• Склонность к возникновению пор. Может приводить к уменьшению прочности конечного изделия, а также помешать образованию надежного шва с высокой герметичностью.

Выбирая сталь для сваривания, следует обращать внимание не только на ключевые параметры, но и на другие сторонние характеристики. В их числе уровень внутренних деформаций и напряжений, а также качество формируемого в процессе работы шва.

Чтобы оценить свариваемость материалов, создают особые образцы. Используя шаблоны, производят наплавку валиков. Полученные виды подвергают проверке при помощи термического, механического и химического воздействий. Дальше проводят испытания на растяжение, изгиб, оценивая ударную вязкость и изменение твердости, а также выполняют магнитную дефектоскопию.

На основе результатов, полученных в процессе исследований, образцы включают в одну из групп. Всего их четыре:

• Плохая свариваемость. Такие материалы требуют особого подхода. Перед проведением сварки детали стоит довести до температуры +300 °С. После завершения операции потребуется дополнительная термическая обработка. Только так можно минимизировать риск появления горячих и холодных трещин. В этой группе сплавы: 50ХГА, 60С2А, У8А, Ст70.
• Ограниченная свариваемость. Температура прогрева перед началом сварки — от 100 до 150 °С. После окончания работ изделие выносят на улицу до полного остывания. Охлаждение водой невозможно. В эту группу входят стали: 12Х18Н9, 20Х2Н4МА, 30ХГСА, Ст45.

• Удовлетворительная свариваемость. Материалы из этой группы после выполнения сварочных работ остывают на свежем воздухе без риска образования трещин, но при помещении в воду он увеличивается. В этой группе стали: 12ХН3А, 20ХГСА, 30ХМ, СТ35.
• Отличная свариваемость. После остывания всеми возможными способами трещины не появляются. Идеальные сварочные марки стали для сварки: 20880, 20895, 27КХ, 08КП, Ст20.

Степень свариваемости различных марок стали

Свойства металлических материалов обозначаются специальными символами. Выбирая подходящую марку, необходимо учитывать, в каких условиях будет эксплуатироваться деталь, специфику ее конструкции и технологию, используемую для соединения.

Углеродистые

В эту группу включаются стали, основным компонентом которых является железо, дополненное углеродом. Их легко обрабатывать. Они обладают простой структурой.

Материалы из этой группы не склонны к образованию остаточных напряжений и хорошо проводят тепло, поэтому их часто используют в производстве.

Низкоуглеродистые

В данную группу входят стали, в которых углерода не больше 0,25 %. Материалы пластичные, обладают малой твердостью. Хорошо поддаются обработке. Прекрасно подходят для сварки, поскольку риск появления пор и трещин на швах минимальный. Такие стали нашли свое применение в производстве емкостей для хранения под давлением, а также на стройплощадке.

Среднеуглеродистые

Группа представляет собой стали, диапазон содержания углерода в которых составляет от 0,25 % до 0,6 %. Такие материалы обладают сниженной пластичностью, но повышенной прочностью. После проведения сварочных работ шов на такой стали требует дополнительной термической обработки, чтобы минимизировать риск появления внутреннего напряжения.

Такие материалы активно используют при строительстве мостов, автомобилей и сложных силовых металлических конструкций.

Высокоуглеродистые

К этой группе относятся стали с содержанием углерода свыше 0,6 %. Материалы обладают минимальной пластичностью и особой прочностью, что привело к их низкой свариваемости. При работе с высокоуглеродистыми сталями необходимо проводить предварительную термическую обработку, а также уменьшить скорость охлаждения. Из таких материалов делают инструменты и детали, обладающие высокой износостойкостью.

Аустенитные

В составе этих сталей присутствуют хром и никель, что дает им возможность выдерживать большие температуры и противостоять коррозии. После их сварки сохраняется однородная структура. Аустенитные стали используются для изготовления деталей и конструкций, которые будут подвергаться воздействию больших температур или применяться в агрессивной химической среде.

Фото: ArthurHidden / Freepik

Стоит помнить, что карбид хрома, образующийся в процессе сварки, может снизить способность материала противостоять ржавчине.

Нержавеющие

Стали из этой группы имеют повышенное содержание хрома, это дает им возможность хорошо противостоять коррозии. Чтобы избежать появления ржавчины между кристаллами, при работе с такими материалами следует тщательно контролировать температуру. Марки нержавеющей стали для сварки активно используются при производстве машин, пищевого и медицинского оборудования. Для дополнительной защиты шва используют легирование или подачу инертных газов.

Инструментальные

Такие стали обладают высокой износостойкостью и твердостью, что делает их незаменимыми при производстве измерительных и режущих инструментов. Они плохо свариваются, поэтому возникает необходимость предварительного прогрева и медленного остывания.

Могут использоваться как легированные, так и углеродистые стали, содержащие большое количество вольфрама и молибдена.

Влияние легирующих элементов на свариваемость различных марок стали

Металлы, имеющие повышенное содержание легирующих элементов, включая кремний, хром, молибден и другие, требуют особого внимания при проведении сварочных работ. Высок риск образования непроваров, пор или трещин на месте соединения. Чтобы обеспечить надежное сцепление, необходимо знать не только марки электродов для сварки конкретных сортов стали, но и выяснить, как на свариваемость влияет содержание легирующих компонентов.

Изучив, каким образом легирующие элементы влияют на свойства стали, вы будете лучше понимать, как происходит процесс сварки.

Марганец

Одним из основных свойств марганца является возможность раскисления.

Если его содержание в стали не превышает 0,8 %, никаких сложностей в процессе сварки достигнуть не должно. Электроды или проволока применяются в углекислотной среде. Велик риск возникновения холодных трещин при присутствии марганца в стали от 1,8 до 2,5 %.

Высокий показатель этого легирующего компонента в металле приводит к его выгоранию в момент сварки. Для нивелирования данного процесса используются материалы, в составе которых много марганца.

Углерод

Этот компонент имеет важное значение для характеристик стали. Оказывает влияние не только на свариваемость, но и формирует показатели вязкости, прочности и закаливаемости. При содержании углерода до 0,25 % со сваркой проблем не возникает.

Если использовать присадочный материал с большим содержанием углерода, высок риск образования пор.

Вольфрам

Данный компонент повышает твердость стали, а также возможность противостоять воздействию высоких температур. В то же время большое содержание вольфрама провоцирует окисление, существенно затрудняя процесс сварки.

Кремний

Еще один отличный раскислитель. Если кремния в стали не больше 0,03 %, со сваркой трудностей не будет. Содержание легирующего компонента в диапазоне от 0,8 до 1,5 % провоцирует появление оксидов. Они ухудшают свариваемость стали. Если кремния в стали больше, высок риск появления горячих трещин.

Никель

Данный легирующий материал отвечает за ударную вязкость.

Этот показатель обеспечивает устойчивость стали к воздействию низких температур. Никель повышает прочность и пластичность металла, уменьшая зерна. Не влияет на свариваемость. Впрочем, высокая цена на никель вынуждает производителей отказываться от этого легирующего элемента из экономических соображений.

Ванадий

Он увеличивает закаливаемость стали. Негативно влияет на свариваемость материалов, поскольку повышает риск выгорания и появления окислов.

Хром

Основное назначение этой добавки — стойкость стали к коррозии. Однако в процессе сварки образуется карбид хрома, повышая твердость на участке воздействия высоких температур. Появляющиеся окислы плохо плавятся, негативно влияя на показатели свариваемости.

Молибден

Данный компонент снижает фракцию зерна, позволяя стали противостоять ударным нагрузкам и высоким температурам.

Фото: Siwawut Phoophinyo / Unsplash

Впрочем, в процессе сварки молибден повышает риск появления трещин и наплывов металла на шве. Подвержен окислению и выгоранию. Требует дополнительных мер при проведении сварочных работ.

Ниобий

Материал, схожий по своим характеристикам с титаном. Повышает коррозийную стойкость сталей. Высокое содержание ниобия во время сварочных работ может спровоцировать появление горячих трещин.

Часто задаваемые вопросы о марках стали для сварки

Какая свариваемость популярных марок стали?

Согласно ГОСТ 1050-88 стали 10 и 20 входят в 1-ю группу. Детали, изготовленные из них, при проведении сварочных работ не требуют дополнительного прогрева.

Популярные сорта стали 09г2с и Ст3 относятся к 1-й группе (ГОСТ 19281-89 и 380-94 соответственно). При соблюдении технологических требований риск появления трещин на месте шва минимален.

К 3-й группе по ГОСТ 1050-88 относится сталь 45. Для обеспечения прочного соединения детали из этого материала следует перед сваркой прогреть, а после окончания работ подвергнуть термической обработке.

Как определить свариваемость стали?

Именно процент содержания углерода в стали является одним из ключевых критериев для оценки свариваемости материалов. Основной коэффициент рассчитывается по формуле:

Сэк =< C + Mn / 6 + Cr + Mo / 5 + V + (Ni + Cu) / 15

Для расчета в формулу вставляют процентное содержание следующих легирующих компонентов:

• Хрома (Cr).
• Никеля (Ni).
• Молибдена (Mo).
• Марганца (Mn).
• Ванадия (V).
• Меди (Cu).
• Углерода (C).

Используя коэффициент присутствия углерода (Сэк), стали распределяют по группам. Применяется следующая классификация:

• I — Сэк не более 0,25 %. Никаких ограничений по сварке.
• II — Сэк от 0,25 до 0,35 %. Ограниченный режим сварочных работ.
• III — Сэк от 0,35 до 0,45 %. Затруднения сварочного процесса.
• IV — Сэк свыше 0,45 %. Отсутствие возможности сварки.

Как выбирать электроды для сварки различных марок стали?

Перед проведением работ важно правильно выбрать расходные материалы. Необходимо подбирать марки электродов для сварки углеродистых сталей, имеющие высокое содержание водорода. Так вы снизите риск появления трещин после остывания шва.

Расходники с фтористым покрытием лучше применять для сварки высоколегированных и легированных сплавов. С их помощью можно минимизировать риск появления окислов. Проволока с омеднением позволит уменьшить вероятность появления пор и повысит износостойкость самой дуги. Для сохранения антикоррозийных свойств при работе с нержавеющими сталями используют электроды с молибденом, хромом и никелем.

Опытные специалисты прекрасно определяют, какие стали имеют высокую свариваемость, и постоянно используют эти знания в своей работе. На этот показатель влияют не только физические свойства материала, но и химический состав. Выбирая правильную методику сварки и подходящее оборудование, можно обеспечить высокое качество сварного соединения.

Изображение в шапке статьи: EyeEm / Freepik