Сварочные работы в строительстве. Конспект лекций (стр. 3 )

Атомарный азот и кислород интенсивно соединяются с железом и другими элементами в стали, насыщая шов. Атомарный водород легко растворяется в жидкой стали и при ее затвердевании не успевает весь выделиться, оставаясь частично в шве.

При высокой температуре происходит интенсивное испарение и выгорание (окисление) элементов из стали.

Взаимодействие жидкого металла ванны с газами.

КИСЛОРОД, поступая в ванну из воздуха или покрытия и флюсов. интенсивно окисляет железо и другие элементы расплавленного металла. При этом железо окисляется атомарным кислородом:

Fe + O = FeO + Q4;

("15") или молекулярным:

2Fe + O2 = 2FeO + Q5.

Образующаяся в результате реакций закись железа хорошо растворяется в стали до полного насыщения. Ввиду быстроты процесса затвердевания металла шва значительная часть закиси железа не успевает выпасть в осадок и перейти в шлак и остается в шве. Если в стали ВСтЗкп содержание O2 =(0,01-0,02) %, то в металле шва, выполненного металлическим электродом незащищенной дугой его 0,25-0,3 %. Кислород интенсивно окисляет в стали углерод, кремний, марганец и другие элементы. При указанном способе сварки окисляется и переходит в шлак и газы в среднем (10-12) % Fe, (50-60)% С, (40-50)% Mn.

Длина дуги оказывает влияние на степень окисления: чем больше дуга, тем интенсивнее окисление; при меньшей дуге окисление менее интенсивно.

Находясь в виде закиси FеО, кислород является вредной примесью резко снижая механические свойства стали (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Влияние кислорода на механические свойства стали	Рис. 3.4 Влияние азота на механические свойства стали
1 – ; 2 – ; 3 – (; 4 – ак

ВОДОРОД, попадая в сварочную ванну из влаги воздуха, электродных покрытий, ржавчины, органических веществ покрытий, растворяясь в ванне при высокой температуре в атомарном виде, при остывании ванны переходит в молекулярное состояние. Будучи в таком состоянии нерастворимым в стали, водород при кристаллизации ванны выделяется из шва. Выделяясь не полностью, молекулярный водород остается в шве в виде газовых включений и является вредной примесью, образуя пористость и трещины в шве и околошовной зоне.

АЗОТ поступает в ванну из воздуха и при взаимодействии с металлом образует нитриды железа Fe4N, Fe2N, марганца и др. элементов. Нитриды, выделившись из твердого раствора (-железа, насыщают шов в виде тонких включений – игл (в ВСт3
N2 ≤0,001÷0,0008 , а в шве – 0,12÷18%).

Азот является вредной примесью, влияя на механические свойства стали (рис.3.4). Нитриды выделяются из твердого раствора (-железа не только при затвердевании, но и с течением времени, вызывая процесс старения.

Понижение растворимости азота и водорода при понижении температуры затвердевающего металла приводит к выделению их из жидкого металла. Не успев всплыть на поверхность, пузырьки этих газов остаются в шве, образуя пористость. Необходимо стремиться к снижению содержания N и H в атмосфере дуги.

УГЛЕРОД, содержащийся в основном и электродном металле, при окислении в СО (окись) обычно успевает выделиться из жидкого металла до остывания. Однако, при повышенном его содержании в ванне, при недостатке раскислителей, большой скорости сварки, часть окиси углерода не успевает выделиться и остается в шве в виде пор.

Металл шва, выполненного незащищенной дугой, имеет пониженные механические свойства: σв =34-38 кг/мм2; (=3÷8%, ак =0,5÷1,5кгс/мм2, угол загиба – 30÷50 °.

3.2.2 Защита расплавляемого при сварке металла

Для получения высококачественного металла шва и сварного соединения применяют защиту расплавляемого при сварке металла от окружающего воздуха шлаком или защитным газом.

При сварке одновременно с расплавлением основного и электродного металла образуется жидкая фаза неметаллического характера, называемая шлаком. Источники образования шлака - покрытие электродов или флюсы, плавящиеся при сварке, а также окисление металла кислородом в результате реакций при сварке.

При сварке шлаки могут иметь различный химсостав, определяемый составом покрытия или флюса, а также условиями сварки. Обычно шлаки состоят из окислов (SiO2, TiO2, P2O5, Cao, Mno, Feo, Mgo, и др.) и солей различных кислот (СaS, MnS, CaF2 и т. п.). Окислы SiO2, TiO2 и P2O5 - кислые, остальные имеют основной характер. Все шлаки в зависимости от весового соотношения в их составе кислых и основных окислов делятся на кислые и основные. Отношение веса всех кислых окислов данного шлака к весу всех основных окислов называется степенью кислотности шлака. У кислых окислов она больше 1, у основных – меньше 1. Степень кислотности определяет его физические свойства и механизм взаимодействия между шлаком и металлом.

Шлаки в сварочной ванне улучшают свойства наплавленного металла: защищают его от действия воздуха; химическое взаимодействие между шлаком и металлом раскисляет и легирует металл шва, шлак растворяет вредные соединения; увеличивают запас тепла в ванне и замедляет остывание металла. При наличии в шлаке стабилизирующих компонентов улучшается устойчивость горения дуги.

К шлакам предъявляют следующие требования:

("16") 1. Температура плавления шлака должна быть намного ниже температуры плавления металла.

2. Плотность жидкого шлака должна быть ниже плотности расплавленного металла - для обеспечения всплытия шлака в верхнюю часть сварочной ванны.

3. Шлак должен обладать хорошей жидкотекучестыо, т. е. малой вязкостью (для улучшения химической активности).

4. Шлак должен хорошо растворять различные соединения, вредных примесей в нем должно быть минимум.

5. В твердом состоянии шлак должен легко отделяться от наплавленного металла.

Действие газовой защиты более интенсивно, т. к. в этом случае реакции между газами и металлом обладают большей скоростью.

При дуговой сварке покрытыми электродами защита осуществляется газами, образующимися в результате сгорания газообразных компонентов покрытия (крахмал, декстрин, целлюлоза, древесная мука и т. п.), диссоциации мела, мрамора и других углекислых солей покрытия; диссоциации компонентов покрытия, богатых кислородом (Fe2O3, MnO).

При сварке под флюсом источником образования газовой среды является плавиковый шлат СаF2, а также реакции между металлом и флюсом.

При сварке в среде защитных газов (аргоне и гелии, их смеси, сварка в среде СО2 и т. п.) газы по шлангу вводят в зону сварки. В зависимости от способности защитного газа взаимодействовать с металлом в процессе сварки различают: защиту нейтральными газами (инертными – аргон Ar, гелий He и их смеси); защиту активными газами (О2, СО, СО2, Н2 смеси активных газов, пары воды).

В первом случае газы практически не растворяются в металле и химически не взаимодействуют с ним и его примесями. Защита при этом заключается в оттеснении воздуха, содержащего N2 и O2 от зоны сварки.

Активные газы при сварке растворяются в металле и образуют химические соединения. Защитное действие их состоит: в оттеснении воздуха от зоны сварки; в связывании попавших в зону дуги N2 и О2; в восстановлении металлов из окислов.

Несмотря на защиту, в зону дуги будет проникать некоторое количество O2 и N2, поэтому электродные покрытия и флюсы должны обеспечивать удаление кислорода и азота из стали.

3.2.3 Взаимодействие металла сварочной ванны с электродными покрытиями и флюсом

Кроме защиты расплавленного металла от воздуха покрытия и флюсы должны обеспечить раскисление, легирование и рафинирование.

Раскисление – процесс освобождения стали от кислорода - осуществляется несколькими путями :

1) Восстановлением железа из закиси за счет окисления других элементов;

2) Связыванием кислорода элементами-раскислителями;

3) Связыванием закиси железа в нерастворимые в железе силикаты, переходящие в шлак.

Процессы окисления и восстановления происходят при сварке беспрерывно. Первое происходит в передней части ванны (высокая температура), второе – в задней.

Восстанавливается железо за счет окисления других элементов, имеющихся в основном и электродном металле или ванне – C, Si, Mn, Al;

("17") FeО + C = Fe + CО - практически не растворима в стали, всплывает в виде пузырьков; возможно образование пор при этом способе раскисления.

2FeO + Si =2Fe + SiO2 - кремний очень активный раскислитель, SiO2 не растворимо, уходит в шлак.

FeO + Mn = Fe + MnO - мало растворима в железе, но растворяет в себе до 60% закиси FeO, унося его в шлак.

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2O3- могут появиться трещины в горячем состоянии (при раскислении алюминием).

В задней части ванны из жидкого металла интенсивно выделяется ранее растворившийся кислород, который взаимодействует с раскислителями

переходят в шлак

Таким образом, видно, что в ванну требуется введение раскислителей – Si, Mn, Al, C и др.

В передней части ванны при наличии в шлаке MnO и SiO2 необходимой концентрации происходит процесс восстановления железом Mn и Si.

MnO + Fe = FeO+ Mn; SiO2 +2Fe = 2FeO +Si.

При этом Mn и Si переходят в металл, а FeО распределяется между металлом и шлаком.

Удаление закиси FeО из стали производят также с использованием шлака, максимально лишенного FeО. При этом получаются стойкие силикаты, уходящие в шлак

FeО + SiО2 = FeО·SiO2

2FeO + SiO2 =(FeО)2·SiO2

При наличии марганца - раскислителя силикаты могут реагировать с ним, восстанавливая железо

FeО·SiO2 + Mn = MnO·SiO2 + Fe

Силикат марганца остается в шлаке.

Легирование металла шва происходит при сварке наряду с процессом раскисления. Легирование осуществляется для компенсации выгорания некоторых элементов в металле ванны или для ввода в металл элементов, не содержащихся в основном металле. Обычно легирующие элементы вводят в электродную проволоку или в покрытия и флюсы для получения металла шва требуемого химсостава.

При сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей раскислители Мn и Si, имеющиеся в покрытиях и флюсах, являются и легирующими элементами.

В плавленых флюсах для автоматической сварки раскислители и легирующие элементы находятся в виде окислов Mn и Si, которые восстанавливаются из шлака при сварке. Обычно при автоматической сварке кол-во восстановленного Mn и Si достаточно для выполнения указанных функций, хотя легирование этим путем ограничено. Хорошо обеспечивают легирование керамические флюсы, в состав которых вводят и легирующие элементы.

Легирующими элементами при сварке служат : Mn, Si, Ti, Al, C, Cr, Ni, Mo и др.

("18") Рафинирование. Параллельно с раскислением и легированием при сварке происходит рафинирование металла шва, заключающееся в освобождении шва от шлаковых включений и вредных примесей, например FeS, P2O5 и др.

Ввиду наличия слоя расплавленного шлака на поверхности ванны процесс охлаждения металла шва происходит довольно медленно, поэтому из него успевают выделиться шлаковые и газовые включения.

Защита расплавленного металла при помощи электродных покрытий или флюса обеспечивает получение высококачественного сварного шва с небольшим содержанием кислорода и азота. Так, при сварке малоуглеродистой стали электродами с толстым покрытием (УОНИ -13/45) содержание в шве кислорода составляет 0,02-0,03%, азота - 0,02-0,05%.При автоматической сварке под флюсом марки 0СЦ-45 кислорода содержится в шве 0,03-0,05%, азота - 0.002-0,003%.

3.3. Структура и свойства металла сварных соединений

Так как качество сварного соединения зависит не только от химического состава металла шва, но и от его структуры, то следует проследить процесс кристаллизации металла.

Кристаллизация - это процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании. Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических условиях:

1) при быстром концентрированном воздействии источника тепла и охлаждающих стенок ванны; при этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;

2) распределение температуры по малому объему ванны неравномерно;

3) кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

Процесс первичной кристаллизации начинается после прекращения действия дуги на сварочную ванну, в зоне def. Зародышевыми центрами кристаллизации являются подплавленные зерна основного металла - стенки ванны. На них как на своеобразной подкладке начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном отводу тепла, т. е. от стенок вглубь жидкого металла ванны. Однако они мешают росту друг друга в поперечном направлении и приобретают так называемую столбчатую форму (рис.3.5)

Рис. 3.5 Схема роста кристаллов

Рост таких кристаллов способствует лучшему выделению неметаллических включений, как бы выталкиваемых при этом на поверхность. Каждый столбчатый кристалл состоит из группы одинаково ориентированных дендритов, растущих от соответствующего центра роста кристаллизации кристаллов.

В соответствии с теорией периодической кристаллизации (школа акад. ) кристаллы растут с некоторыми остановками, т. е. слоями или волнами. Прерывистость процесса кристаллизации является причиной слоистости шва и мелкочашуйчатости поверхности его (рис.3.6). На неравномерность распределения элементов, химических соединений и других составляющих в металле - ликвацию - влияет коэффициент формы ванны – .

Рис. З.6. Схема столбчатого и слоистого строения металла.

В узких швах () зоны ликвации находятся в центре, поэтому они могут быть сильно ослаблены. В широких швах () условия кристаллизации лучше, зона ликвации находится вверху, что не отражается на прочности шва.

При дальнейшем охлаждении наплавленного металла в твердой фазе происходят процессы вторичной кристаллизации, и металл приобретает вторичную структуру.

Структуру сварных соединений изучают на поперечных и продольных шлифах металлографическими исследованиями, включающими исследование макро - и микроструктуры.

При исследовании макроструктуры определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры и дефекты металла сварного соединения.

При исследовании микроструктуры определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений, особенности отдельных структурных составляющих, наличие включений и трещин и т. д.

Исследования микроструктуры сварного шва малоуглеродистой стали, выполненного электродами с покрытием или под флюсом, показывают, что металл шва имеет мелкозернистую структуру и равномерное распределение зерен феррита (Fe3, C≤0, 07%) и перлита(Fe3C + Fe), свидетельствующее о замедленном охлаждении шва под слоем шлака. В шве отсутствуют кислородные включения и нитриды. В сварных швах стали с повышенным содержанием углерода наблюдается увеличение количества перлита и рост зерен, что связано с увеличением содержания углерода. Такие стали чувствительны к перегреву и закалке, в них имеются участки перегрева с крупными кристаллами – видманштеттова структура. При перегреве снижаются пластичность и вязкость стали, ввиду чего стремятся не допустить перегрева или делают последующую термическую обработку.

Сварное соединение разделяется на три основные зоны с различным микроструктурами: А - зона наплавленного металла; Б - зона термического влияния; В - зона основного металла.

На рис.3.7 схематически изображен сварной шов, а над ним в том же масштабе проведена кривая распределения максимальных температур. Рядом в том же масштабе - левая часть диаграммы состояния Fe—С, где прямой I - I показан состав свариваемого металла по углероду.

Рис. 3.7. Структура сварного соединения А – металл шва; Б – Зона термического влияния (ЗТВ); 1 – участок сплавления (неполного расплавления металла); 2 – участок перегрева; 3 – участок нормализации; 4 – участок неполной перекристаллизации; 5 – участок рекристаллизации; 6 – участок синеломкости

("19") Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, в котором произошли структурные фазовые изменения вследствие нагрева. Она состоит из следующих характерных участков (глубина ее 2-6 мм): 1 - неполного расплавления; 2 - перегрева; 3 - нормализации; 4 - неполной перекристаллизации;5 - рекристаллизации; б - синеломкости.

Рассмотрим структуру этих участков.

Участок неполного расплавления 1 - в виде тонкой переходной полоски от металла шва (0,1-0,4мм) к основному металлу имеет температуры - от Т плавления до ~14300С. Имеет жидкую и твердую фазы, что способствует развитию крупного зерна; структура феррито-перлитная (феррит вокруг перлита).

Участок перегрева 2 лежит в интервале температур С, способствующих росту зерна, характеризуется крупнозернистостью. Феррит окружает укрупнённые перлитные зерна своеобразной каймой. В малоуглеродистой стали этот участок может отсутствовать. С повышением содержания С и легирующих элементов может образоваться видманштеттова структура. Участок перегрева имеет пониженные механические свойства (σт, σв, δ), поэтому влияет на качество соединения.

Участок нормализации 3 лежит в областях металла с температурами от 1100°С до ТАС3(~800°). Здесь зерно аустенита не успевает вырасти ввиду малого времени действия таких температур. Последующая перекристаллизация при охлаждении металла дает мелкую равноосную структуру. Этот участок имеет самые высокие механические свойства.

Участок неполной перекристаллизации 4 наблюдается в области нагрева до температур 880-720°С (ТАС1- ТАС3). Конечная структура металла на этом участке будет состоять из крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных вокруг них колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате перекристаллизации. Механические свойства этого участка хуже предыдущего.

Участок рекристаллизации 5 находится в области нагрева от 720 до 500°С. Структуру этого участка составляют равноосные зерна феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергалась пластической деформации, то на этом участке никаких структурных изменений не будет.

Участок синеломкости 6 нагревается до температур 500-200°С. Он характеризуется снижением пластических свойств без видимых изменений структуры. Явление синеломкости объясняют выделением из твердого раствора субмикроскопических частиц различных примесей, располагающихся по границам зерен. Резких границ между участками зоны термического влияния не существует. Протяженность отдельных участков, а значит и зоны термического влияния, имеет большое значение для оценки качества сварного соединения. Чем меньше эта зона, тем выше качество соединения.

3.4. Шлаковые и газовые включения в сварных швах

Состав шлаковых включений зависит в основном от применяемых электродов и флюсов. При сварке сталей включения возникают от застревания частиц кварца SiO2 и корунда Al2O3, присутствующих в покрытиях и флюсах. Эти включения, взаимодействуя с окислами (MnO, FeO и др.), образуют и более сложные легкоплавкие включения диаметром от нескольких микрон до десятков микрон. Шлаковые включения имеют следующий характер (рис.3.8). При сварке в металле возникает в довольно большом количестве серные включения в виде сульфида железа FeS, повышающего склонность металла шва к появлению трещин при высоких температурах.

Одной из форм неметаллических включений в металле шва являются нитриды, в основном нитриды железа, обладающие высокой твердостью и снижающие пластические свойства метала шва.

Рис.3.8. Характер шлаковых включений.

Величина и количество шлаковых включений зависят от скорости всплытия частиц, их способности к коагуляции (укрупнение частиц под действием молекулярных сил сцепления), их вязкости, плотности и от механического воздействия на жидкий металл.

Посторонние включения в металле отрицательно влияют на свойства металла, делая его неоднородным, способствуют коррозии.

Для предупреждения появления шлака в наплавленном металле принимают такие меры :

-удаление загрязнений, ржавчины, окалины с кромок свариваемых деталей;

-промежуточную зачистку швов от шлака при многослойной сварке;

- замедление остывания металла (режим сварки, шлак), введение в состав покрытий и флюсов веществ, понижающих температуру плавления шлаков и позволяющих образовывать легко удаляемые из металла соединения.

Появление в сварных соединениях пустот и газовой пористости – результат выделения газов из металла.

Газовые поры возникают как в металле шва, так и в зоне взаимной кристаллизации, они имеют различную форму - шарообразную, вытянутую, скопление большого числа разнообразных пор (рис. 3.9). Газы в наплавленном металле могут быть в следующих состояниях: механически включенные (поры и пузыри), в растворе в виде химических соединений (FeO, Fe4N и др.), непосредственно растворенные (H2, CO2 и др.).

Рис.3.9. Внутренние и наружные поры (свищи) при сварке

Главные причины образования пор в металле шва:

("20") - интенсивное выделение газов при кристаллизации металла шва;

-наличие влаги в присадочных материалах и окислов на кромках деталей;

-недостаточная раскисленность;

-относительно высокая концентрация закиси FeO в металле шва (FeO + С = Fe + СО); СО – пузыри;

-наличие в стали значительного количества водорода;

-наличие повышенного давления над поверхностью ванны (уменьшается скорость всплытия пузырей).

Газовые поры и пузыри понижают механические свойства металла шва, создают концентрацию напряжений, повышая склонность к хрупким разрушениям. Более вредными являются крупные поры. Остающиеся в металле газы повышают его хрупкость, твердость и понижают пластичность.

3.5. Трещины при сварке и их классификация

В зависимости от температурного интервала возникновения различают трещины горячие (кристаллизационные) и холодные (внутрикристаллические).

Горячие или кристаллизационные трещины это такие, которые появляются в металле на завершающей стадии кристаллизации в интервале температур °С. При остывании и затвердевании шва в процессе первичной кристаллизации между кристаллами остаются жидкие или полужидкие обогащенные растворенными элементами прослойки с температурой плавления ниже, чем у основного металла. При существовании таких прослоек в момент появления растягивающих напряжений, вызванных неравномерностью нагрева и остывания при сварке, в шве образуются горящие трещины. Они проходят по этим малопрочным прослойкам между кристаллами.

Горячие трещины могут появляться и в околошовной зоне, где при действии высокой температуры по границам растущих зерен выделяются легкоплавкие составляющие и вредные примеси.

Образование горячих трещин зависит от химсостава металла шва, термического цикла сварки, вида соединения и жесткости конструкции, направленности кристаллизации и др. Склонность наплавленного металла к образованию трещин увеличивают сера (FeS; MnS + FeS), углерод, кремний, водород и т. д.

Существует несколько способов определения стойкости стали против образования горячих трещин. Один из способов, применяемый для всех способов дуговой сварки при толщине металла от 8 до 60 мм, состоит в следующем.

Для пробы (испытания) изготовляют образец из двух пластин (рис. 3.10), привариваемых по контуру к плите, и имеющих разделку кромок под сварку контрольного стыкового шва. Заваренный контрольный стыковой шов после остывания осматривают через лупу с целью выявления наружных трещин. После этого удаляют закрепляющие швы и образец разрезают на 4 темплета b =70 мм (при сварке под флюсом) и b = 45 мм - при ручной сварке. Темплеты разрушают по контрольному шву путем изгиба или растяжения и изучают излом на предмет наличия трещин. По наличию или отсутствию трещин дают качественную оценку склонности металла шва к образованию трещин.

Рис. 3.10. Образец для определения стойкости металла шва против образования горячих трещин.

Несколько видоизмененной конструкции подготавливают и исследуют образцы для определения склонности к образованию трещин углового шва или околошовной зоны.

Для качественной и количественной оценки показателя стойкости металла шва против образования горячих трещин применяется методика, разработанная в МВТУ им. Баумана. В канавку закрепленного с помощью концевых отверстий в губках разрывной машины образца наплавляют валик. Когда дуга пройдет среднее сечение, где имеются концентраторы-отверстия Ø 7 мм, начинается растяжение образца со скоростью А. Наличие концентраторов деформаций вызывает также поперечное растяжение металла шва, приближая условия деформации к реально возникающим при сварке (рис. 3.11.).

Рис.3.11. Форма образца для испытания металла на технологическую прочность по методике МВТУ.

При появлении трещин в шве дальнейшая деформация образца способствует их раскрытию до отчетливо видимых размеров. При отсутствии трещин металл шва деформируется пластично до конца испытаний. Меняя скорость растяжения образца при всех прочих равных условиях, можно найти критическую скорость растяжения образца, превышение которой вызывает появление трещин. Эта критическая скорость - Акр принята в качестве показателя сопротивляемости металла шва образованию горячих трещин при сварке. Наличие трещин устанавливают обычно внешним осмотром.

Холодные трещины возникают при низких температурах (ниже 400-300°) в результате структурных превращений в металле шва и околошовной зоны. Эти трещины внутрикристаллические. Их появление связано с фазовыми и структурными превращениями, продуктами которых являются хрупкие структуры типа мартенсита (НБ = 500-600).

Причинами появления холодных трещин являются: концентрация водорода; концентрация углерода и легирующих элементов, вызывающая закалку и местные структурные напряжения; растягивающие напряжения от неравномерного нагрева и остывания; загрязнение металла фосфором; дефекты швов; объемно-напряженное состояние.

("21") Для определения стойкости стали против образования холодных трещин применяют специальные пробы. На образец, изготовленный из испытываемой стали (рис. 3.12), вручную или полуавтоматом наваривают валик. После остывания из образца вырезают темплеты шириной b = 8-10мм, на боковых гранях которых приготовляют микрошлифы. После этого определяют наличие трещин в околошовной зоне, по которым и оценивают стойкость металла против образования трещин. Имеется ряд других проб на стойкость против образования холодных трещин.

Рис.3.12. Образец для определения стойкости металла против образования холодных трещин.

4. Свариваемость строительных сталей

Важным технологическим свойством металлов является их свариваемость, т. е. способность давать качественное при сварке неразъемное соединение с заданными свойствами. Рассмотрим влияние химического состава строительных сталей на их свариваемость. По содержанию углерода углеродистые стали разделяются на малоуглеродистые (С0,25%), среднеуглеродистые (С =0,25÷0,6%) и высокоуглеродистые (С > 0,6%).

Малоуглеродистые стали, применяемые в строительстве, хорошо свариваются. С увеличением содержания углерода свариваемость стали ухудшается, повышается склонность к закалке и образованию трещин в швах и околошовной зоне. Применяют в строительстве и низколегированные стали с содержанием углерода не более 0,23%. Эти стали по свариваемости мало отличаются от малоуглеродистых. При содержании легирующих элементов в количествах, не превышающих соответственно: 0,3%Si;0,8% Mn и 0,8%Cr - не ухудшается свариваемость сталей; при большем их к-ве свариваемость ухудшается. Ухудшают свариваемость сера S, фосфор Р, никель Ni, медь Cu, молибден Mo и ванадий V.

Ориентировочно свариваемость этих сталей определяют по суммарному содержанию легирующих элементов в процентах, приведенных к эквиваленту углерода:

где вместо символа элемента подставляют его процентное содержание в данной марке стали.

Сталь считают хорошо сваривающейся при Сэ≤0,45%. При Сэ>0,45% свариваемость ухудшается, и для получения качественного сварного соединения требуются специальные меры (предварительный подогрев, отжиг после сварки или другой вид термообработки).

При автоматической сварке сталь с Сэ >0,45% иногда хорошо сваривается и без применения специальных мер.

Более точно свариваемость стали определяют по следующим основным показателям, характеризующим ее свойства:

1) структура шва и околошовной зоны, их твердость;

2) стойкость металла шва против образования горячих трещин;

3) стойкость металла шва и околошовной зоны против образования

холодных трещин;

4) прочность, пластичность и вязкость сварных соединений в исходном состоянии, после термообработки и после старения;

5) свойства сварных соединений, обусловленные эксплуатационными требованиями (износостойкость, стойкость против коррозии, хладноломкость, выносливость и пр.)

Из этих показателей определяют те, которые имеют решающее значение для данной конструкции.

Оценка свариваемости специальными испытаниями. Высокая температура нагрева и небольшая скорость охлаждения способствуют перегреву стали и росту зерна. Быстрое охлаждение приводит к образованию закалочной структуры (мартенсита), повышая твердость и ухудшая вязкость и пластичность сварного соединения. При наличии в низколегированной стали50% мартенсита наблюдается резкое увеличение твердости и склонности к образованию трещин. Поэтому подбирают режим сварки так (погонную энергию), чтобы в шве и околошовной зоне было не более 30-50% мартенсита. При оптимальном значении погонной энергии достигаются максимальные величины пластичности и вязкости.

Характерным и приближенным показателем свариваемости является твердость околошовной зоны. При НБ300 сварка может выполняться без предварительного подогрева. В противном случае подогрев необходим.

Для оценки свариваемости стали и подбора оптимального режима сварки существует несколько проб, из которых наиболее распространена валиковая проба по методике МВТУ им. Баумана. На вырезанные из испытуемой стали вдоль проката девять пластин наплавляют валики, применяя четыре-шесть различных погонных энергий сварки (рис.3.13). Далее из пластин изготовляют образцы и определяют ударную вязкость, критическую температуру хрупкости, величину зерна, структуру и твердость околошовной зоны. Эти показатели позволяют судить о свариваемости данной стали. По лучшим показателям определяют рациональный режим сварки. Прочность, пластичность, вязкость и другие свойства определяют механическими испытаниями сварных стандартных образцов (рис.4.1).

Рис. 4.1. Пластина для испытания на свариваемость (валиковая проба по методике МВТУ)

("22") Прочность определяют испытанием на растяжение образцов из наплавленного металла и сварного соединения (а, б, в по рис.4.2);

а)	б)	в)
г)	д)	е)
Рис. 4.2. Образцы для испытания на механическую прочность сварных швов и соединений: а–испытание металла на растяжение; б, в–испытание сварного соединения на растяжение; г–испытание сварного соединения на холодный загиб; е–испытание на ударный загиб

пластичность - испытанием образцов на загиб в холодном состоянии (рис.4.2, г, д), а также относительным удлинением при растяжении; ударную вязкость – испытанием на ударный изгиб (рис. 4.2,е).Эти же показатели определяют после термообработки и старения при различной температуре. Для определения специальных свойств, требуемых условиями эксплуатации, руководствуются ГОСТ или ТУ и соответствующими Правилами.