На рисунке представлен прогноз возможности сварки разнородных пар металлов по диаграммам состояния:
- X — свариваемые, образующие интерметаллиды;
- S — хорошо свариваемые, образующие твердые растворы;
- C — поддающиеся сварке с образованием сложной микроструктуры;
- D — данных недостаточно, или для сварки необходимы особые меры;
- N — сведения отсутствуют.
В основе необходимости разделения металлических материалов по критерию свариваемости лежит экономическая целесообразность сварочных работ, на которую влияют следующие факторы:
— необходимость выполнить дополнительные технологические операции;
— потребность в использовании специальных сварочных материалов.
Свариваемость, как фактор рынка
Следует отметить, что рынок металлов и сплавов в значительной степени определяется высоким спросом на материалы, использование которых будет максимально экономически эфективным. Таким образом свариваемость является фактором, влияющим на доступность и наличие металлических материалов в свободной продаже.
Но не стоит забывать и о развитии технологий сварки, появлении нового сварочного оборудования, что делает дешевле производство сварочных работ. Хотя и тут же двигателем научно-технического процесса является рыночный спрос на материалы, обладающие выдающимися характеристиками, которые обычно связаны с ухудшением свариваемости.
Свариваемость, как характеристика материала
Понятие свариваемости заключает в себе совокупность характеристик материалов и технологических приемов, которые определяют возможность получить надежное сварное соединение. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется технологией сварки, составом и характеристиками сварочных расходных материалов, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.
Металлические материалы классифицируют в порядке возрастания сложности технологического процесса, который сопутствует сварке. Материалы с хорошей свариваемостью не нуждаются в каких-то особенных мероприятиях при сварке. Если для получения качественных сварных швов требуется целый комплекс мер до, во время и после проведения сварочных работ, то такой материал называют трудносвариваемым.
Что влияет на свариваемость?
Наибольшее влияние на свариваемость оказывают физико-химические и структурно-механические свойства того или иного сплава или металла. Этих параметров очень много, соответственно, под свариваемостью подразумевают комплексную характеристику, которая включает, но не ограничивается следующими особенностями:
— склонность металла к окислению и порообразованию;
— склонность к образованию холодных и горячих трещин.
Склонность металла к окислению и порообразованию характерна и важна для определения свариваемости чистых металлов, а также различных сплавов с другими металлами и неметаллическими элементами. Склонность к образованию трещин связана с процессами, протекающими при высокотемпературной обработке, частным случаем которой явлется электродуговая и другие виды сварки. Этот параметр влияет на свариваемость и чистых металлов, но наиболее значимо отражается на особенностях сварки их сплавов.
Образование оксидов металлов при сварке
Термическое воздействие при сварке создает условия, при которых метал легче реагирует с кислородом из атмосферы, что может привести к образованию оксидов. Оксиды могут неравномерно распределяться в расплавленном металле, вплоть до образования видимых включений. Вследствии различий в физических свойств чистых металлов и их оксидов, механические свойства сварочного шва ухудшаются из-за его неоднородной структуры.
В качестве примера, можно привести трудности, которые возникают при сварке алюминия. Оксидная пленка, которая присутсвует на поверхности алюминия и его сплавов в нормальных условиях, также оказывает значительное влияние на подготовку к проведению сварочных работ с этим материалом.
Поры в сварочном шве
Порообразование является сложным физико-химическим процессом и главным образом связано с наличием расстворенных в металле газов. При сварке достигается температуры, превышающие температуру плавления того или иного металлического материала. Как следствие, расстворимость газов в металле резко возрастает, а при охлаждении происходит обратный процесс – расстворенные газы образуют пузырьки. Кроме поступления из атмосферы, газы могут образовываться при химической реакции между элементами, содержащимися в основном металле и сварочных материалах. Примером такой реакции может быть образование окиси углерода CO из углерода, который содержится в различных марках стали.
Существуют и другие причины образования пор в сварочном шве, не связанные с химическим составом свариваемых материалов: наличие загрязнений в месте сварки, ржавчины, высокая влажность, неправильный подбор режима сварки и др.
Склонность к образованию трещин при сварке
Сложный химический состав сплавов влияет на особенности микрокристаллической структуры, а также – на процессы, происходящие в металлических материалах при сварке и после нее. Сопротивляемость или склонность к возникновению трещин является наиболее важным параметром свариваемости сплавов металлов.
Склонность к образованию трещин может быть определена с помощью эмпирических формул, в которых фигурирует процент содержания тех или иных химических элементов в сплаве (например, показатель Уилкинсона (H.C.S), углеродный эквивалент Се).
Если рассматривать в качестве материала сталь, то в первую очередь обращают внимание на содержание углерода. Этот химический элемент является одним из важнейших и определяет большинство физических характеристик стали. При содержании углерода до 0,25% свариваемость стали хорошая и сварочные работы могут проводиться без каких-либо специальных режимов термообработки. При более высокой концентрации этого элемента, в зоне термического воздействия сварочной дуги образуются структуры, приводящие к появлению трещин.