Свариваемость металлических материалов означает способность металлических материалов получать превосходные сварные соединения при использовании определенных процессов сварки, включая методы сварки, сварочные материалы, характеристики сварки и формы сварочных конструкций.Если металл может получить превосходные сварочные соединения с использованием более распространенных и простых процессов сварки, считается, что он имеет хорошие сварочные характеристики.Свариваемость металлических материалов обычно разделяют на два аспекта: свариваемость в процессе и свариваемость при применении.
Свариваемость процесса: относится к способности получать превосходные, бездефектные сварные соединения при определенных условиях сварочного процесса.Это свойство не является неотъемлемым свойством металла, а оценивается на основе определенного метода сварки и конкретных используемых технологических мер.Поэтому технологическая свариваемость металлических материалов тесно связана с процессом сварки.
Сервисная свариваемость: обозначает степень соответствия сварного соединения или всей конструкции эксплуатационным характеристикам, установленным техническими условиями на продукцию.Производительность зависит от условий работы сварной конструкции и технических требований, заложенных в проекте.Обычно включают в себя механические свойства, ударную вязкость при низких температурах, стойкость к хрупкому разрушению, ползучесть при высоких температурах, усталостные свойства, долговечность, коррозионную стойкость и износостойкость и т. д. Например, обычно используемые нержавеющие стали S30403 и S31603 обладают превосходной коррозионной стойкостью, а 16MnDR Низкотемпературные стали 09МнНиДР также обладают хорошей низкотемпературной вязкостью.
Факторы, влияющие на качество сварки металлических материалов
1. Существенные факторы
Материалы включают в себя основной металл и сварочные материалы.При одних и тех же условиях сварки основными факторами, определяющими свариваемость основного металла, являются его физические свойства и химический состав.
С точки зрения физических свойств: такие факторы, как температура плавления, теплопроводность, коэффициент линейного расширения, плотность, теплоемкость и другие факторы металла, оказывают влияние на такие процессы, как термический цикл, плавление, кристаллизация, фазовый переход и т. д. , тем самым влияя на свариваемость.Материалы с низкой теплопроводностью, такие как нержавеющая сталь, имеют большие температурные градиенты, высокие остаточные напряжения и большую деформацию при сварке.Кроме того, из-за длительного времени пребывания при высокой температуре зерна в зоне термического влияния разрастаются, что отрицательно сказывается на работоспособности соединения.Аустенитная нержавеющая сталь имеет большой коэффициент линейного расширения и сильную деформацию соединений и напряжения.
С точки зрения химического состава наиболее влиятельным элементом является углерод, а это означает, что содержание углерода в металле определяет его свариваемость.Большинство других легирующих элементов стали не способствуют сварке, но их влияние обычно гораздо меньше, чем влияние углерода.С увеличением содержания углерода в стали увеличивается склонность к закалке, снижается пластичность и появляется склонность к образованию сварочных трещин.Обычно в качестве основных показателей оценки свариваемости материалов используют чувствительность металлических материалов к трещинам при сварке и изменение механических свойств зоны сварного соединения.Следовательно, чем выше содержание углерода, тем хуже свариваемость.Низкоуглеродистая и низколегированная сталь с содержанием углерода менее 0,25% обладают отличной пластичностью и ударной вязкостью, а также очень хорошей пластичностью и ударной вязкостью сварных соединений после сварки.Во время сварки не требуются предварительный нагрев и термообработка после сварки, а процесс сварки легко контролировать, что обеспечивает хорошую свариваемость.
Кроме того, состояние выплавки и прокатки, состояние термообработки, организационное состояние и т. д. стали в разной степени влияют на свариваемость.Свариваемость стали можно улучшить за счет измельчения или измельчения зерен и контролируемых процессов прокатки.
Сварочные материалы непосредственно участвуют в ряде химико-металлургических реакций в процессе сварки, определяющих состав, структуру, свойства и дефектообразование металла шва.Если сварочные материалы выбраны неправильно и не соответствуют основному металлу, не только не будет получено соединение, отвечающее требованиям использования, но также возникнут такие дефекты, как трещины и изменения структурных свойств.Поэтому правильный выбор сварочных материалов является важным фактором обеспечения качественных сварных соединений.
2. Факторы процесса
К технологическим факторам относятся методы сварки, параметры сварочного процесса, последовательность сварки, предварительный нагрев, последующий нагрев и послесварочная термообработка и т. д. Способ сварки оказывает большое влияние на свариваемость, главным образом, в двух аспектах: характеристики источника тепла и условия защиты.
Различные методы сварки имеют очень разные источники тепла с точки зрения мощности, плотности энергии, максимальной температуры нагрева и т. д. Металлы, сваренные под разными источниками тепла, будут иметь разные сварочные свойства.Например, мощность электрошлаковой сварки очень высока, но плотность энергии очень мала, а максимальная температура нагрева невысока.Во время сварки нагрев медленный, а время пребывания при высокой температуре длительное, что приводит к образованию крупных зерен в зоне термического влияния и значительному снижению ударной вязкости, которую необходимо нормировать.Улучшить.Напротив, электронно-лучевая сварка, лазерная сварка и другие методы имеют низкую мощность, но высокую плотность энергии и быстрый нагрев.Время пребывания при высокой температуре короткое, зона термического воздействия очень узкая, и нет опасности роста зерна.
Регулируя параметры процесса сварки и принимая другие технологические меры, такие как предварительный нагрев, последующий нагрев, многослойная сварка и контроль межслойной температуры, можно регулировать и контролировать термический цикл сварки, тем самым изменяя свариваемость металла.Если принять такие меры, как предварительный подогрев перед сваркой или термическая обработка после сварки, вполне возможно получить сварные соединения без трещинных дефектов, отвечающие эксплуатационным требованиям.
3. Структурные факторы
В основном это относится к расчетной форме сварной конструкции и сварных соединений, например, к влиянию таких факторов, как форма конструкции, размер, толщина, форма канавки соединения, расположение сварного шва и форма его поперечного сечения на свариваемость.Его влияние главным образом отражается на передаче тепла и силовом состоянии.Пластины разной толщины, разные формы соединений или формы канавок имеют разные направления и скорости теплопередачи, что влияет на направление кристаллизации и рост зерен ванны расплава.Структурный сдвиг, толщина пластины и расположение сварных швов определяют жесткость и прочность соединения, что влияет на напряженное состояние соединения.Плохая морфология кристаллов, сильная концентрация напряжений и чрезмерное сварочное напряжение являются основными условиями образования сварочных трещин.При проектировании важными мерами по улучшению свариваемости являются снижение жесткости соединений, уменьшение поперечных сварных швов и уменьшение различных факторов, вызывающих концентрацию напряжений.
4. Условия использования
Речь идет о рабочей температуре, условиях нагрузки и рабочей среде в течение срока службы сварной конструкции.Данные рабочие среды и условия эксплуатации требуют от сварных конструкций соответствующих эксплуатационных характеристик.Например, сварные конструкции, работающие при низких температурах, должны обладать стойкостью к хрупкому разрушению;конструкции, работающие при высоких температурах, должны обладать сопротивлением ползучести;конструкции, работающие под знакопеременными нагрузками, должны обладать хорошей усталостной стойкостью;конструкции, работающие в кислотных, щелочных или солевых средах. Сварная емкость должна обладать высокой коррозионной стойкостью и т. д.Короче говоря, чем тяжелее условия эксплуатации, тем выше требования к качеству сварных соединений и тем сложнее обеспечить свариваемость материала.
Идентификация и оценка показателя свариваемости металлических материалов
В процессе сварки изделие подвергается сварочным термическим процессам, металлургическим реакциям, а также сварочным напряжениям и деформациям, в результате чего изменяются химический состав, металлографическая структура, размеры и форма, из-за чего характеристики сварного соединения часто отличаются от характеристик сварного соединения. базовый материал, иногда даже не может удовлетворить требования использования.Для многих химически активных или тугоплавких металлов для получения высококачественных соединений следует использовать специальные методы сварки, такие как электронно-лучевая сварка или лазерная сварка.Чем меньше условий оборудования и меньшая сложность требуется для выполнения хорошего сварного соединения из материала, тем лучше свариваемость материала;наоборот, если требуются сложные и дорогостоящие методы сварки, специальные сварочные материалы и технологические мероприятия, это означает, что свариваемость материала плохая.
При изготовлении изделий в первую очередь необходимо оценить свариваемость используемых материалов для определения целесообразности выбранных конструкционных материалов, сварочных материалов и способов сварки.Существует множество методов оценки свариваемости материалов.Каждый метод может объяснить только определенный аспект свариваемости.Поэтому для полного определения свариваемости необходимы испытания.Методы испытаний можно разделить на имитационные и экспериментальные.Первый имитирует характеристики нагрева и охлаждения при сварке;последние испытания проводятся в соответствии с реальными условиями сварки.Содержание испытаний в основном направлено на определение химического состава, металлографической структуры, механических свойств, а также наличия или отсутствия дефектов сварки основного металла и металла сварного шва, а также на определение низкотемпературных характеристик, высокотемпературных характеристик, коррозионной стойкости и трещиностойкость сварного соединения.
Сварочные характеристики часто используемых металлических материалов
1. Сварка углеродистой стали.
(1) Сварка низкоуглеродистой стали
Низкоуглеродистая сталь имеет низкое содержание углерода, низкое содержание марганца и кремния.При нормальных обстоятельствах это не приведет к серьезному структурному упрочнению или закалке конструкции из-за сварки.Эта сталь обладает превосходной пластичностью и ударной вязкостью, а пластичность и вязкость ее сварных соединений также чрезвычайно хороши.При сварке, как правило, не требуются предварительный и последующий подогрев, а также не требуются специальные технологические мероприятия для получения сварных соединений удовлетворительного качества.Таким образом, низкоуглеродистая сталь обладает превосходными сварочными характеристиками и является сталью с лучшими сварочными характеристиками среди всех сталей..
(2) Сварка среднеуглеродистой стали
Среднеуглеродистая сталь имеет более высокое содержание углерода и ее свариваемость хуже, чем у низкоуглеродистой стали.Когда CE близок к нижнему пределу (0,25%), свариваемость хорошая.С увеличением содержания углерода склонность к упрочнению возрастает, и в зоне термического влияния легко образуется малопластичная мартенситная структура.Если сварная конструкция относительно жесткая или неправильно выбраны сварочные материалы и параметры процесса, вероятно появление холодных трещин.При наваривании первого слоя многослойной сварки из-за большой доли основного металла, вплавленного в шов, увеличивается содержание углерода, серы и фосфора, что позволяет легко образовать горячие трещины.Кроме того, чувствительность устьиц также увеличивается при высоком содержании углерода.
(3) Сварка высокоуглеродистой стали
Высокоуглеродистая сталь с содержанием CE более 0,6% обладает высокой прокаливаемостью и склонна к образованию твердого и хрупкого высокоуглеродистого мартенсита.В сварных швах и зонах термического влияния часто возникают трещины, что затрудняет сварку.Поэтому этот тип стали, как правило, не используется для изготовления сварных конструкций, а используется для изготовления деталей или деталей с высокой твердостью или износостойкостью.Большая часть их сварки предназначена для ремонта поврежденных деталей.Эти детали и компоненты следует отжигать перед сварочным ремонтом, чтобы уменьшить сварочные трещины, а затем снова подвергать термообработке после сварки.
2. Сварка низколегированной высокопрочной стали.
Содержание углерода в низколегированной высокопрочной стали обычно не превышает 0,20%, а общее количество легирующих элементов обычно не превышает 5%.Именно потому, что низколегированная высокопрочная сталь содержит определенное количество легирующих элементов, ее сварочные характеристики несколько отличаются от свойств углеродистой стали.Его сварочные характеристики следующие:
(1) Заварочные трещины в сварных соединениях
Низколегированная высокопрочная сталь с холодными трещинами содержит C, Mn, V, Nb и другие элементы, упрочняющие сталь, поэтому ее легко закаливать при сварке.Эти закаленные структуры очень чувствительны.Поэтому, когда жесткость велика или сдерживающее напряжение велико, неправильный процесс сварки может легко вызвать холодные трещины.Более того, этот тип трещин имеет определенную задержку и крайне вреден.
Трещины повторного нагрева (SR) Трещины повторного нагрева представляют собой межкристаллитные трещины, возникающие в крупнозернистой области вблизи линии сплавления во время послесварочной термообработки для снятия напряжений или длительной высокотемпературной эксплуатации.Обычно считается, что это происходит из-за высокой температуры сварки, вызывающей растворение V, Nb, Cr, Mo и других карбидов вблизи ЗТВ в аустените.Они не успевают выделиться при охлаждении после сварки, а диспергируются и выделяются в процессе термообработки, тем самым укрепляя кристаллическую структуру.Внутри деформация ползучести при релаксации напряжений концентрируется на границах зерен.
Сварные соединения низколегированных высокопрочных сталей, как правило, не склонны к перегреву трещин, таких как 16МнР, 15МнВР и др. Однако для серий Mn-Mo-Nb и Mn-Mo-V низколегированных высокопрочных сталей, таких как 07MnCrMoVR, поскольку Nb, V и Mo являются элементами, которые сильно чувствительны к растрескиванию при повторном нагревании, этот тип стали необходимо обрабатывать во время послесварочной термообработки.Следует проявлять осторожность, чтобы избежать чувствительной температурной зоны трещин при повторном нагреве, чтобы предотвратить возникновение трещин при повторном нагреве.
(2) Охрупчивание и размягчение сварных соединений.
Охрупчивание из-за деформационного старения. Сварные соединения перед сваркой должны подвергаться различным холодным процессам (резка заготовок, прокатка бочек и т. д.).Сталь будет производить пластическую деформацию.Если область дополнительно нагреть до 200–450°C, произойдет деформационное старение..Охрупчивание из-за деформационного старения снижает пластичность стали и повышает температуру хрупкого перехода, что приводит к хрупкому разрушению оборудования.Послесварочная термообработка позволяет устранить такое деформационное старение сварной конструкции и восстановить ударную вязкость.
Охрупчивание сварных швов и зон термического влияния Сварка представляет собой неравномерный процесс нагрева и охлаждения, в результате которого образуется неровная структура.Температура хрупкого перехода сварного шва (WM) и зоны термического влияния (ЗТВ) выше, чем у основного металла, и является слабым звеном соединения.Энергия сварочной линии оказывает важное влияние на свойства низколегированных высокопрочных сталей СШ и ЗТВ.Низколегированная высокопрочная сталь легко закаляется.Если энергия линии слишком мала, в ЗТВ появится мартенсит и возникнут трещины.Если энергия линии слишком велика, зерна WM и HAZ станут крупными.Приведет к тому, что сустав станет хрупким.По сравнению с горячекатаной и нормализованной сталью, низкоуглеродистая закаленная и отпущенная сталь имеет более серьезную склонность к охрупчиванию ЗТВ, вызванному чрезмерной линейной энергией.Поэтому при сварке энергию линии следует ограничивать определенным диапазоном.
Размягчение зоны термического влияния сварных соединений. За счет действия сварочной теплоты наружная часть зоны термического влияния (ЗТВ) низкоуглеродистой закаленной и отпущенной стали нагревается выше температуры отпуска, особенно область вблизи Ас1, что создаст зону размягчения с пониженной прочностью.Структурное размягчение в зоне ЗТВ увеличивается с увеличением энергии сварочной линии и температуры предварительного подогрева, но в целом предел прочности в размягченной зоне все еще выше нижнего предела нормативного значения основного металла, поэтому зона термического влияния сталь этого типа размягчается. При правильном изготовлении проблема не повлияет на работу соединения.
3. Сварка нержавеющей стали.
Нержавеющую сталь можно разделить на четыре категории в зависимости от ее различных стальных структур, а именно: аустенитную нержавеющую сталь, ферритную нержавеющую сталь, мартенситную нержавеющую сталь и аустенитно-ферритную дуплексную нержавеющую сталь.Ниже в основном анализируются сварочные характеристики аустенитной нержавеющей стали и двунаправленной нержавеющей стали.
(1) Сварка аустенитной нержавеющей стали
Аустенитные нержавеющие стали легче сваривать, чем другие нержавеющие стали.Фазовое превращение отсутствует при любой температуре, и он не чувствителен к водородному охрупчиванию.Соединение из аустенитной нержавеющей стали также имеет хорошую пластичность и вязкость в сварном состоянии.Основными проблемами сварки являются: горячее растрескивание при сварке, охрупчивание, межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением и т. д. Кроме того, из-за плохой теплопроводности и большого коэффициента линейного расширения большие сварочные напряжения и деформации.При сварке подвод сварочного тепла должен быть как можно меньшим, предварительный подогрев не должен осуществляться, а межслоевая температура должна быть снижена.Межслойную температуру следует контролировать не ниже 60°С, а сварные соединения располагать в шахматном порядке.Для снижения тепловложения не следует чрезмерно увеличивать скорость сварки, а следует соответствующим образом снизить сварочный ток.
(2) Двусторонняя сварка аустенитно-ферритной нержавеющей стали.
Аустенитно-ферритная дуплексная нержавеющая сталь представляет собой дуплексную нержавеющую сталь, состоящую из двух фаз: аустенита и феррита.Он сочетает в себе преимущества аустенитной и ферритной стали, поэтому обладает характеристиками высокой прочности, хорошей коррозионной стойкости и легкой сварки.В настоящее время существует три основных типа дуплексной нержавеющей стали: Cr18, Cr21 и Cr25.Основными характеристиками этого типа сварки стали являются: меньшая термическая склонность по сравнению с аустенитной нержавеющей сталью;более низкая склонность к охрупчиванию после сварки по сравнению с чистой ферритной нержавеющей сталью, а степень огрубления феррита в зоне термического влияния сварки также ниже, поэтому свариваемость лучше.
Поскольку этот тип стали обладает хорошими сварочными свойствами, при сварке не требуется предварительный и последующий подогрев.Тонкие пластины следует сваривать методом TIG, а средние и толстые пластины можно сваривать дуговой сваркой.При сварке дуговой сваркой следует применять специальные сварочные прутки, аналогичные по составу основному металлу, или аустенитные сварочные прутки с низким содержанием углерода.Электроды из сплава на основе никеля также можно использовать для двухфазной стали типа Cr25.
Двухфазные стали содержат большую долю феррита, а присущие ферритным сталям тенденции к охрупчиванию, такие как хрупкость при 475°C, дисперсионная хрупкость σ-фазы и крупные зерна, все еще существуют только из-за присутствия аустенита.Некоторое облегчение можно получить за счет эффекта балансировки, но при сварке все равно нужно быть внимательным.При сварке дуплексной нержавеющей стали, не содержащей или с низким содержанием никеля, наблюдается тенденция к образованию однофазного феррита и укрупнению зерна в зоне термического влияния.В это время следует уделять внимание контролю подвода тепла при сварке и стараться использовать малый ток, высокую скорость сварки и сварку с узким каналом.А многопроходная сварка для предотвращения укрупнения зерна и однофазной ферритизации в зоне термического влияния.Межслойная температура не должна быть слишком высокой.Следующий проход лучше всего сваривать после остывания.
Время публикации: 11 сентября 2023 г.