Свариваемость - одно из главных технологических требований, предъявляемых к строительным сталям, поскольку большинство металлоконструкций являются сварными . Одним из важнейших технологических показателей свариваемости является углеродный эквивалент, далее CE (от англ. Carbon Equivalent
). Нужен он для того, чтобы оценить совместное влияние на свариваемость содержащихся в стали углерода и др. элементов, сведя их в одно значение — CE. Более высокое содержание в стали C, и таких элементов как Mn, Cr, Si, Mo, V, Cu и Ni снижают способность стали к сварке, потому как увеличивают склонность металла шва к закалке при его охлаждении: если после сварки металл шва закалится, то в результате получим различные свойства основного металла и металла сварного шва, который будет менее пластичным и более склонным к хрупкому разрушению. Поэтому часто для обеспечения хорошего качества сварного шва сталей с высоким значением CE требуется подогрев шва до или после сварки, либо и то и другое.
Существует несколько формул для оценки CE:
| Формула | Примечание | |
| 0 | СE = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 | Приведена в |
| 1 | CE =C + Mn/6 | Приведена в п. 9.3 ГОСТ 535-2005 |
| 2 | CE = C + Mn/6 +Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2 | Приведена в п.4.3 ГОСТ 19281-89 |
| 3 | CE = C + (Mn+Si)/6 +(Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 | Рекомендована Американским обществом сварщиков (American Welding Society) для конструкционных сталей . |
| 4 | CE = C + Mn/6 +(Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 | Формула Деардена и О-Нила. Была принята на вооружение Международным институтом сварки (International Institute of Welding) . Формула нашла широкое применение для углеродистых и марганцовистых сталей. Также приведена в п. 7.2.3 EN 10025-1:2004. |
| 5 | CE = C + Mn/6 +(Cr+Mo+Zr)/10 + Ti/2 + Cb/3 + V/7 +UTS/900 + h/20 | Формула для оценки CE у высокопрочных микролегированных (HSLA) сталей |
- При расчете по ф. (1) свариваемость считается удовлетворительной при CE <=0,45
- При расчете по формуле (2) существует подразделение для сталей различного класса прочности:
свариваемость считается удовлетворительной при CE<=0.49 для стали класса прочности 390, и при CE<=0.50 для стали класса прочности 440 - Расчет по ф. (3). По мнению Американского общества сварщиков для CE более 0,4 в зоне термического влияния шва уже существует риск растрескивания. Соответственно, свариваемость удовлетворительная при CE <=0,4
- При расчете по ф. (4) свариваемость стали в зависимости от CE может быть определена как
< 0.35 — отличная
0.36–0.40 — очень хорошая
0.41–0.45 — хорошая
0.46–0.50 — средняя
>0.50 — плохая
- При расчете по ф. 5 значение CE <=0,3 считается оптимальным для обеспечения свариваемости. Чем-то это отдаленно напоминает ГОСТ 19281 (см. ф. 2 и примечание после таблицы), но все-таки конкретики здесь побольше.
Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1985. 408 с. [см. стр. 121]
ГОСТ 535-2005, п. 4.4
ГОСТ 19281-89 п. 2.2.4
Bruneau Michel; Uang, Chia-Ming; Whittaker, Andrew Stuart. Ductile design of steel structures, 1998, McGraw-Hill Professional, 485 p [см. стр. 31].
J.F. Lancaster Metallurgy of welding — Sixth Edition. Abington Publishing. 1999 pp. 464
Ginzburg, Vladimir B.; Ballas, Robert (2000), Flat rolling fundamentals, CRC Press, pp. 141–142
Включает в себя такие показатели, как:
1. Склонность стали к образованию холодных и в металле сварного шва или .
2. Склонность к образованию закалочных структур и изменению структуры металла в зоне термического влияния. В этой области происходит сильное укрупнение зёрен, и, как следствие, снижение прочности.
3. Физико-механические характеристики сварного соединения
4. Соответствие специальных показателей сварного соединения (таких как жаропрочность, износостойкость и др.) заданным требованиям.
Формулы углеродного эквивалента сталей и других параметрических выражений для оценки свариваемости
Для оценки свариваемости сталей применяют такую величину, как углеродный эквивалент сталей (Сэкв). При определении углеродного эквивалента учитывается химический состав сталей, т.к. очень большое. Особенно сильно на свариваемость влияет углерод (С). Для определения склонности металла к , применяют следующие формулы расчёта углеродного эквивалента:
Сэкв=С+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15, % - данная формула принята для расчёта в Европейском стандарте
Сэкв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4, % - эта формула для определения углеродного эквивалента стали в стандартах Японии
Cэкв=C+Mn/20+Ni/15+(Cr+Mo+V)/10, % - такая формула углеродного эквивалента предлагается Британским институтом сварки
Однако, как оказалось на практике, для микролегированных сталей с пониженным содержанием углерода эти уравнения не могут охарактеризовать снижение прочности из-за роста зёрен. Немцем Дюреном была выведена формула углеродного эквивалента микролегированных сталей, которая достаточно точно характеризует их склонность к образованию холодных трещин:
Сэкв=С+Si/25+(Mn+Cu)/16+Cr/20+Ni/20+Mo/40+V/15, %
Значение углеродного эквивалента позволяет определить, к какой относится та, или иная марка, кроме того, это значение понядобится, чтобы определить температуру предварительного подогрева при . Определяется она по формуле:
где С - общий эквивалент углерода, который можно вычислить следующим образом:
С=Сэкв+Сs,
Сэкв - химический эквивалент углерода, вычисляется по формулам, приведённым
выше;
Сs - эквивалент углерода, в зависимости от толщины листа, в мм. Вычисляется
по формуле:
Cs=0,005*S*Сэкв.
В итоге, получаем: С=Сэкв*(1+0,005*S)
Кроме углеродного эквивалента для определения и оценки свариваемости сталей существуют несколько параметрических формул, из которых наибольшую популярность получила формула Ито-Бессио:
Рсм=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/15+5B, %
Pw=Pcм+Н/60+К/(40*104), %
Где К - коэффициент интенсивности жёсткости, который Ито и Бессио применяли при расчётах на основании данных, которые они получили при оценке свариваемости сталей с У-образной разделкой кромок.
К=Ко*S, где Ко - константа, равная 69; S - толщина листа, мм. Исследования, проведённые позже, показали, что константу Ко=69 можно применять для приблизительных определений величины К в случае, когда свариваются листы большой толщины, до 150 мм включительно.
Рсм - коэффициент, характеризующий снижение прочности вследствие структурного
преобразования сплава;
Н - количество растворённого водорода в металле, образующего сварной шов, измеряется
в мл/100г. В Японских стандартах величина Н=0,64, в Европейских Н=0,93.
Многочисленные измерения показали, что при Рw>0,286, то возникает риск возникновения холодных трещин в сварном соединении.
Если речь идёт об опасности образования горячих трещин в металле сварного шва, то оценить свариваемость стали по этому критерию можно при помощи показателя HCS, вычисляемого по формуле:
HCS=(C**1000)/(3Mn+Cr+Mo+V)
Если получившаяся величина HCS>4, то возникает риск образования горячих трещин. Однако, если выполняется большой толщины, то риск возникновения данного возникает уже при показателе HCS>1,6…2.
Основной способ оценки теоретической свариваемости сталей
На практике одним из основных и, зачастую, трудноопределимым дефектом сварного шва являются холодные трещины. Поэтому, наиболее популярной оценкой свариваемости стали, является определение углеродного эквивалента Сэкв по вышеуказанным формулам.
Исходя из получившейся величины, можно условно разделить стали на 4 группы свариваемости.
Чугуны являются тройными сплавами железо-углерод-кремний. Основными видами чугунов являются:
— ;
— ;
— высокопрочные чугуны
с шаровидным графитом;
— ковкие чугуны.
Углерод и кремний в чугунах
Углерод находится в основном в виде графита в серых и ковких чугунах, а также в высокопрочных чугунах с шаровидным графитом. В белых чугунах углерод присутствует в виде цементита Fe 3 C.
На тип и форму углеродной фазы в чугунах влияет содержание кремния. Увеличение содержания кремния делает более трудным образование цементита и, тем самым, способствует формированию графита в серых, ковких и высокопрочных чугунах.
Углеродный эквивалент для чугунов
При работе с чугунами часто применяют понятие углеродного эквивалента. Для чугунов углеродный эквивалент СЕ имеет следующий вид:
Рисунок ниже дает графическое представление о соотношении содержания углерода и кремния в различных типах чугунов.
Рисунок 1 – Интервалы содержания углерода и кремния
для различных типов чугунов и кремнийсодержащих сталей
Заметим, что пунктирная линия вверху рисунка показывает состав любого вида чугуна, для которого СЕ = 4,3 %. Пунктирная линия внизу рисунка отражает соотношение СЕ = 2,0 % — она отделяет кремнийсодержащие стали от чугунов.
Для ясности рассмотрим железоуглеродистый сплав – чугун, в котором вообще отсутствует кремний. Тогда этот сплав содержит только железо+углерод и его расположение на графике будет ограничено содержанием углерода 4,3 %. По на рисунке 2 видно, что этот состав является в точности эвтектическим составом для сплавов железо-цементит и очень близок к эвтектическому составу сплавов железо-графит.
Рисунок – Комбинированная фазовая диаграмма железо-графит и железо-цементит
Верхняя пунктирная линия на рисунке 1 является хорошей интерпретацией изменения эвтектического состава с увеличением содержания кремния железоуглеродистых сплавах. Вообще, если чугун имеет состав, который близок к эвтектическому, доля в них аустенитных дендридов будет очень небольшой. Это значит, что когда углеродный эквивалент СЕ в чугунах падает намного ниже 4,3 %, то объемная доля твердой фазы в виде дендридов возрастает. Аналогично, когда углеродный эквивалент СЕ приближается к 4,3 %, то возрастает доля эвтектической смеси – или аустенит + графит в серых чугунах, или аустенит + цементит в белых чугунах.
Свариваемость
Свариваемость стали:
Сталь конструкционной марки 30Г
Рис. 11. Форма проплавления
Рис. 12. Структурные составляющие
Рис. 15. Трещиностойкость
Вывод
Рассмотрев три расчета на свариваемость стали 30Г,работающей в одинаковых условиях после каждого способа сварки. Можно сделать вывод, что наилучший способ сварки для данной стали,является сварка в среде защитных газов(СО 2)с послесварочным нагревом 400 0 C в течении 2 часов.При этой сварке мы получаем наилучшую структуру металла шва, сварочное напряжение, и наименьшую вероятность образования трещин.
Заключение
В данном курсовом проекте был рассмотрен косвенный метод оценки свариваемости металла через программу “Свариваемость легированных сталей”. А так же сделан вывод, что для стали 30Г наиболее лучшим способом сварки является сварка в среде защитных газов (СО 2).
Список литературы, использованной при выполнении
Курсового проекта
1. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов по специальности «Оборудование и технология сварочного производства» / В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под редакцией В.В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. 559с.
2. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах. / Редкол.: Г.А. Николаев (пред.) и др. М: Машиностроение, 1978-79.
3. Марочник сталей и сплавов / /В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под общей редакцией Б.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
Свариваемость
Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки неразъёмное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физическая свариваемость – свойство материалов давать монолитное соединение с химической связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.
Технологическая свариваемость – технологическая характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.
Свариваемость металла зависит от его химических и физических свойств, кристаллической решётки, степени легирования, наличия примесей и других факторов.
Назовём основные показатели свариваемости металлов и их сплавов:
Окисляемость при сварочном нагреве, зависящая от химической активности металла;
Чувствительность к тепловому воздействию сварки, которая характеризуется склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве и зоне термического влияния, изменениям прочностных и пластических свойств;
Сопротивляемость образованию горячих трещин;
Сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке;
Чувствительность к образованию пор;
Соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным требованиям.
Кроме перечисленных основных показателей свариваемости имеются ещё показатели, от которых зависит качество сварных соединений. К ним относят качество формирования сварного шва, величину собственных напряжений, величину деформаций и коробления свариваемых материалов и изделий.
Окисляемость металла при сварке определяется химическими свойствами свариваемого материала. Чем химически активнее металл, тем больше его склонность к окислению и тем выше должно быть качество защиты при сварке. Это особенно наглядно видно на примере железоуглеродистых сплавов. Как известно, сталь в основном состоит из железа с неизменной примесью углерода.
Свариваемость стали принято оценивать по следующим показателям:
Склонности металла шва к образованию горячих и холодных трещин;
Склонности к изменению структуры в околошовной зоне и к образованию закалочных структур;
Физико-механическим качествам сварочного соединения;
Соответствию специальных свойств сварного соединения техническим условиям.
Технология сварки (вид сварки, сварочные материалы, техника сварки) выбирается в зависимости от основного показателя свариваемости (или сочетаний нескольких показателей) для каждого конкретного материала.
По содержанию углерода стали разделяются на: низкоуглеродистые (до 0,25% С); среднеуглеродистые (0,25-0,4% С); высокоуглеродистые (0,46-0,9% С). Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, широко применяемые для строительных конструкций. Сварка среднеуглеродистых сталей возможна при условии соблюдения особой технологии, включающей, как правило, предварительный подогрев и последующую термообработку, устраняющие закалку соединения.. Ручная дуговая сварка высокоуглеродистых сталей не рекомендуется. Она возможна только при соблюдении технологии, которая, однако, не всегда обеспечивает получение соединения, равнопрочного основному металлу.
Кроме углерода в стали и шве содержатся Mn и Si, попадающие в металл в процессе раскисления. Для повышения прочностных характеристик и приобретения особых свойств стали (коррозионной стойкости, жаропрочности и т.п.) применяют легирование металла различными полезными элементами, которые, улучшая его свойства, вместе с тем ухудшают его свариваемость. Легированные стали разделяются в зависимости от содержания легирующих элементов на: низколегированные (не более 2,5%); легированные (2,5-10%) и высоколегированные (более 10%). Свариваемость стали можно приближенно определить по количеству легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду, по формуле:
Cэ = C+Mn/6+Si/24+Cr/5+Ni/10+Mo/4+V/5+Cu/13+P/2 ,
где Сэ – эквивалент углерода, %;
C, Mn, Si и др. – содержание в стали этих элементов, %.
Свариваемость стали 30Г - ЭтоСталь конструкционная легированная . Такой вид стали применяют для улучшаемых деталей, к которой предъявляются требования невысокой прочности: тяги, оси, цилиндры, диски, болты, гайки, винты и другие. Конструкционные лигированые стали типа 30Г поставляют в виде сортового проката по ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88. В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А. Например, сталь 30Г (0,30 %). Она обладает высокой прочностью (σ в = 640…780 МПа, σ 0,2 = 440…540 МПа) и относительно низкой пластичностью (δ = 6…20 %, ψ = 45 %). Может применяться при температуре -80 о С (Толщина стенки не более 100 мм).
Сталь 30Г сваривается ограниченно. Способы сварки РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуем подогрев и последующую термообработку. КТС без ограничений.
Свариваемость стали:
Сталь конструкционной марки 30Г сваривается ограниченно. С увеличением углерода в стали зона термического влияния и шов закаливаются, увеличивается твердость, сварные соединения становятся более хрупкими и склонными к образованию трещин.
Удовлетворительные стали имеют содержание углерода от 0,25 до 0,35%. Они мало склонны к образованию трещин и при правильных режимах сварки получается качественный шов. Для улучшения качества сварки часто применяют подогрев.
Способы расчета свариваемости
Определение углеродного эквивалента
Для оценки свариваемости сталей применяют такую величину, как углеродный эквивалент (Сэкв). При определении углеродного эквивалента учитывается химический состав сталей, так как влияние легирующих элементов на свариваемость стали очень большое. Особенно сильно на свариваемость влияет углерод (С). Для определения склонности металла к образованию холодных трещин при сварке, применяют следующую формулу расчёта углеродного эквивалента (данная формула принята для расчёта в Европейском стандарте):
Cэкв = C + + + , %
где С, Мn, Cr, Ni, Сu, V, Mo - массовые доли углерода, марганца, хрома, никеля, меди, ванадия и молибдена. Стали, у которых Сэкв? 0,45%, считаются не склонными к образованию холодных трещин при сварке. При Сэкв > 0,45% стали становятся склонными к трещинам.
Определение углеродного эквивалента стали 14Г2АФ
Cэкв = C + + + = 0,14+ + + = 0,44%
Так, как углеродный эквивалент меньше 0,45%, то данная марка стали не склонна к образованию холодных трещин при сварке. Никаких дополнительных мероприятий по подготовке ведения сварочных работ не нужно.
Особенности технологии сварки низколегированной конструкционной стали 18Г2АФсп
Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций.
По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь склонна к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. При повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит -- бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки.
При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в мягкой ферритной основе. Однако при увеличении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения резко ухудшаются. Дополнительное легирование стали марганцем, кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства низколегированных сталей ограничивается более узкими (по значению погонной энергии) пределами, чем при сварке низкоуглеродистой стали.
Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается в основном за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.
Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей несколько ниже, чем низкоуглеродистых, в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается снижением содержания в шве углерода, серы и некоторых других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбором соответствующей технологии сварки (последовательность выполнения швов, обеспечение благоприятной формы провара) и рациональной конструкции изделия.
Технология сварки под флюсом.
В большинстве случаев применяют те же сварочные материалы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей (18Г2АФпс): плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45 (однодуговая сварка), АН-60 (многодуговая сварка с повышенной скоростью), а также сварочные проволоки Св-08ГА и Св-10Г2. Для сварки микролегированных сталей, например 15Г2АФ, в ряде случаев применяют низкокремнистый флюс АН-22 в сочетании с проволоками Св-08ХМ и Св-ЮНМА. Однако при этом швы менее стойки против кристаллизационных трещин, вследствие чего сварку рекомендуется выполнять с предварительным подогревом. Технология сварки низколегированной стали под флюсом мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали.
Для обеспечения пластических свойств металла углового шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла сечение шва следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Иногда сварку выполняют двумя дугами в раздельные ванны. Многослойные швы на толстом металле также рекомендуется выполнять двумя дугами, а при сварке одной дугой перед наложением первого слоя производить подогрев основного металла до температуры 150--200°С. Опытным путем установлена зависимость между толщиной основного металла и сечением шва или слоя
Металл швов, сваренных под флюсом, благодаря значительной доле участия основного металла и достаточному содержанию легирующих элементов обладает более высокой стойкостью против коррозии в морской воде, чем металл швов, сваренных покрытыми электродами обычного состава.
Для уменьшения скорости охлаждения металла шва следует применять стыковые и бортовые соединения, так как при тавровых и нахлесточных соединениях скорость охлаждения выше. Рекомендуется избегать соединений, имеющих швы замкнутого (жесткого контура), если же необходимы такие соединения, то их сваривают короткими участками, обеспечивая подогрев и замедленное охлаждение.
Сварку стыковых соединений металла толщиной до 6 мм и валиковых швов с катетом до 7 мм выполняют в один слой (однопроходную), что уменьшает скорость охлаждения. Более толстый металл сваривают в несколько слоев длинными участками. Каждый слой должен иметь толщину 0,8--1,2 диаметра электрода. Сверху шва накладывают отжигающий валик, края которого должны располагаться на расстоянии 2--3 мм от границы проплавления основного металла. Отжигающий валик накладывают при температуре предыдущего слоя около 200°С. Для металла толщиной до 40--45 мм применяют многослойную сварку способом "горки" или "каскада". Длину участков (300--350 мм) выбирают с таким расчетом, чтобы предыдущий слой не успевал охладиться ниже 200°С при наложении следующего слоя.
Сварку конструкционных низкоуглеродистых сталей производят электродами с фтористокальциевыми покрытиями марок УОНИ-13/45; УОНИ-13/55; УОНИ-13/85; ОЗС-2; ЦУ-1; ДСК-50, ЦЛ-18; НИАТ-5 и другими, дающими более плотный и вязкий наплавленный металл, менее склонный к старению. Электроды с руднокислыми покрытиями (ОММ-5, ЦМ-7 и др.) применять при сварке ответственных конструкций из низколегированных сталей не рекомендуется.
Низколегированные конструкционные стали лучше типа 18Г2АФпс сваривать электродами типа Э42А, так как металл шва получает дополнительное легирование за счет элементов расплавляемого основного металла и временное сопротивление его повышается до 50 кгс/мм2; при этом металл шва сохраняет высокую пластичность. Сварка электродами типа Э60А дает более прочный, но менее пластичный металл шва вследствие более высокого содержания в нем углерода.