Свариваемость - способность стали образовывать качественное соединение без трещин и потери свойств; главный ориентир - эквивалент углерода.
Суть
Свариваемость - не отдельная величина вроде σт или KCV, а комплексное технологическое свойство: насколько просто получить соединение, которое по прочности, пластичности и вязкости не уступает основному металлу. Оценивают его по трём признакам - склонности к горячим и холодным трещинам, к охрупчиванию зоны термического влияния (ЗТВ) и к порам.
При сварке металл около шва за секунды нагревается выше критических точек и быстро остывает - фактически проходит закалку без отпуска. У малоуглеродистой стали в ЗТВ образуется феррит с перлитом, и структура остаётся вязкой. У стали с большим содержанием углерода и легирующих там появляется мартенсит: твёрдый, хрупкий и насыщенный водородом - источник холодных трещин через часы и сутки после сварки.
Поэтому главный ориентир свариваемости - эквивалент углерода Cэкв: чем он выше, тем выше закаливаемость ЗТВ и тем строже технология - подогрев, контроль погонной энергии, последующий отпуск. Классическая граница «сваривается без подогрева» - Cэкв ≤ 0,45 %.
От чего зависит
- Углерод. Определяющий фактор: до ~0,25 % C сталь сваривается любыми способами, 0,25-0,45 % - с подогревом и отпуском, выше 0,45 % - сварка затруднена или не рекомендуется.
- Легирующие элементы. Mn, Cr, Mo, Ni, V повышают закаливаемость и входят в Cэкв с разными весами; в низколегированных сталях (09Г2С, 17Г1С) прочность набирают марганцем и кремнием при малом углероде - свариваемость сохраняется.
- Сера и фосфор. Сера образует легкоплавкие сульфиды по границам зёрен - причина горячих трещин; фосфор охрупчивает шов на холоде. Отсюда ограничения S и P в стандартах на сталь.
- Раскисление и газы. Кипящая сталь (кп) при сварке даёт поры и склонна к старению ЗТВ; спокойная (сп) предпочтительнее для ответственных швов - см. степень раскисления.
- Толщина и жёсткость. Толстый металл быстрее отводит тепло, ЗТВ остывает резче, а жёсткое закрепление добавляет напряжений - обе причины ужесточают требования к подогреву.
Как оценивают
Расчётный способ - Cэкв по формуле ГОСТ 19281 (C + Mn/6 + Si/24 + Cr/5 + Ni/40 + Cu/13 + V/14 + P/2) или по формуле МИС (IIW). По значению стали делят на четыре группы:
| Группа | Cэкв, % | Технология |
|---|---|---|
| Хорошо свариваемые | < 0,25 | Без подогрева и последующей ТО, любые способы |
| Удовлетворительно | 0,25-0,35 | Подогрев при отрицательной температуре, толстом металле, жёстком контуре |
| Ограниченно | 0,35-0,45 | Обязательный подогрев, отпуск после сварки |
| Плохо свариваемые | > 0,45 | Подогрев, замедленное охлаждение, ТО; часто заменяют пайкой или механическим соединением |
Экспериментально свариваемость проверяют пробами на трещины (ГОСТ 26388 - холодные, ГОСТ 26389 - горячие), замером твёрдости ЗТВ и механическими испытаниями сварных соединений по ГОСТ 6996: растяжение, изгиб, ударная вязкость KCU/KCV по шву и линии сплавления.
Ключевые числа
| Cэкв, выше которого подогрев обязателен | 0,45 % |
|---|---|
| Ст3сп (ГОСТ 380): C | 0,14-0,22 % - хорошо свариваемая |
| Сталь 20 (ГОСТ 1050): C | 0,17-0,24 % - сваривается без ограничений |
| 09Г2С (ГОСТ 19281): C / Mn | ≤ 0,12 % / 1,3-1,7 % - сваривается без подогрева |
| 17Г1С (ГОСТ 19281): C / Mn | 0,15-0,20 % / 1,15-1,60 % |
| Сталь 45 (ГОСТ 1050): C | 0,42-0,50 % - трудносвариваемая, нужны подогрев и ТО после сварки |
| Сера и фосфор в Ст3сп (ГОСТ 380) | S ≤ 0,050 %, P ≤ 0,040 % |
| Испытания сварных соединений | ГОСТ 6996; трещины - ГОСТ 26388, ГОСТ 26389 |
Где встречается в трубах
Трубные стали подбирают именно по свариваемости: труба почти всегда монтируется сваркой, а электросварная ещё и сваривается при производстве. Поэтому в сортаменте преобладают стали с C ≤ 0,24 % - Ст3, сталь 10 и 20, 09Г2С, 17Г1С, - а среднеуглеродистые марки остаются для деталей, где шов не нужен.
- Продольный и спиральный шов электросварных труб - см. как их производят.
- Технология монтажных стыков, подогрев и контроль шва - в статье сварка труб.
- Марки с хорошей свариваемостью в каталоге: Ст3сп, сталь 20, 09Г2С, 17Г1С.
- Химический состав нормируют технические условия на трубы (ГОСТ 8731, ГОСТ 10705), а Cэкв ≤ 0,46 % прямо задан в ГОСТ 20295 - библиотека стандартов.
- Соседние понятия: углеродистые стали, закалка и отпуск, хладостойкость.
Связанные термины
- Эквивалент углерода (Cэкв)Расчётная величина, приводящая влияние легирующих к «условному углероду»; при Cэкв ≤ 0,45 сталь сваривается без подогрева.
- Углеродистые сталиСтали без специального легирования (Mn до 1 %, Si до 0,4 %); по углероду делятся на низко-, средне- и высокоуглеродистые.
- Степень раскисления: сп, пс, кпСпокойная, полуспокойная и кипящая сталь различаются остаточным кислородом; для сварных конструкций и труб предпочтительна спокойная (сп).
- Закалка и отпускЗакалка фиксирует твёрдый мартенсит быстрым охлаждением, отпуск снимает хрупкость; вместе - «улучшение», дающее высокую прочность с вязкостью.