Заваряемостта на металните материали се отнася до способността на металните материали да получават отлични заваръчни съединения, използвайки определени процеси на заваряване, включително методи на заваряване, материали за заваряване, спецификации на заваряване и структурни форми на заваряване.Ако даден метал може да получи отлични заваръчни съединения, използвайки по-обикновени и прости процеси на заваряване, се счита, че той има добри заваръчни характеристики.Заваряемостта на метални материали обикновено се разделя на два аспекта: процес на заваряване и заваряемост при приложение.
Процес на заваряване: отнася се до способността за получаване на отлични заварени съединения без дефекти при определени условия на процеса на заваряване.Това не е присъщо свойство на метала, но се оценява въз основа на определен метод на заваряване и използваните специфични мерки за процеса.Следователно процесът на заваряване на метални материали е тясно свързан с процеса на заваряване.
Сервизна заваряемост: отнася се до степента, до която завареното съединение или цялата конструкция отговаря на експлоатационните характеристики, определени от техническите условия на продукта.Производителността зависи от работните условия на заварената конструкция и техническите изисквания, посочени в проекта.Обикновено включват механични свойства, устойчивост на ниска температура, устойчивост на крехко счупване, пълзене при висока температура, свойства на умора, трайна якост, устойчивост на корозия и устойчивост на износване и др. Например често използваните неръждаеми стомани S30403 и S31603 имат отлична устойчивост на корозия и 16MnDR и 09MnNiDR нискотемпературни стомани също имат добра устойчивост на ниска температура.
Фактори, влияещи върху ефективността на заваряване на метални материали
1.Материални фактори
Материалите включват неблагородни метали и материали за заваряване.При същите условия на заваряване основните фактори, които определят заваряемостта на основния метал, са неговите физични свойства и химичен състав.
По отношение на физичните свойства: фактори като точка на топене, топлопроводимост, коефициент на линейно разширение, плътност, топлинен капацитет и други фактори на метала оказват влияние върху процеси като термичен цикъл, топене, кристализация, фазова промяна и др. , като по този начин засяга заваряемостта.Материали с ниска топлопроводимост като неръждаема стомана имат големи температурни градиенти, високо остатъчно напрежение и голяма деформация по време на заваряване.Освен това, поради дългото време на престой при висока температура, зърната в зоната на топлинно въздействие нарастват, което е вредно за работата на съединението.Аустенитната неръждаема стомана има голям коефициент на линейно разширение и сериозна деформация и напрежение на ставите.
По отношение на химичния състав най-влиятелният елемент е въглеродът, което означава, че съдържанието на въглерод в метала определя неговата заваряемост.Повечето от другите легиращи елементи в стоманата не са благоприятни за заваряване, но тяхното въздействие като цяло е много по-малко от това на въглерода.Тъй като съдържанието на въглерод в стоманата се увеличава, тенденцията за втвърдяване се увеличава, пластичността намалява и са склонни да се появят пукнатини при заваряване.Обикновено чувствителността на металните материали към пукнатини по време на заваряване и промените в механичните свойства на зоната на заварените съединения се използват като основни показатели за оценка на заваряемостта на материалите.Следователно, колкото по-високо е съдържанието на въглерод, толкова по-лоша е заваряемостта.Стоманата с ниско съдържание на въглерод и нисколегираната стомана със съдържание на въглерод по-малко от 0,25% имат отлична пластичност и якост на удар, а пластичността и якостта на удар на заварените съединения след заваряване също са много добри.По време на заваряването не се изисква предварително нагряване и топлинна обработка след заваряване, а процесът на заваряване е лесен за контрол, така че има добра заваряемост.
В допълнение, състоянието на топене и валцуване, състоянието на топлинна обработка, организационното състояние и т.н. на стоманата влияят на заваряемостта в различна степен.Заваряемостта на стоманата може да се подобри чрез рафиниране или рафиниране на зърна и контролирани процеси на валцуване.
Заваръчните материали директно участват в поредица от химични металургични реакции по време на процеса на заваряване, които определят състава, структурата, свойствата и образуването на дефекти на заваръчния метал.Ако заваръчните материали са избрани неправилно и не съответстват на основния метал, не само няма да се получи съединение, което отговаря на изискванията за употреба, но също така ще се внесат дефекти като пукнатини и промени в структурните свойства.Ето защо правилният избор на заваръчни материали е важен фактор за осигуряване на висококачествени заварени съединения.
2. Процесни фактори
Факторите на процеса включват методи на заваряване, параметри на процеса на заваряване, последователност на заваряване, предварително нагряване, последващо нагряване и топлинна обработка след заваряване и др. Методът на заваряване има голямо влияние върху заваряемостта, главно в два аспекта: характеристики на източника на топлина и условия на защита.
Различните методи на заваряване имат много различни източници на топлина по отношение на мощност, енергийна плътност, максимална температура на нагряване и т.н. Металите, заварени при различни източници на топлина, ще показват различни заваръчни свойства.Например мощността на електрошлаковото заваряване е много висока, но енергийната плътност е много ниска и максималната температура на нагряване не е висока.Нагряването е бавно по време на заваряване и времето за престой при висока температура е дълго, което води до едри зърна в засегнатата от топлина зона и значително намаляване на ударната якост, която трябва да се нормализира.Да подобря.За разлика от тях, заваряването с електронен лъч, лазерното заваряване и други методи имат ниска мощност, но висока енергийна плътност и бързо нагряване.Времето за престой при висока температура е кратко, засегнатата от топлина зона е много тясна и няма опасност от растеж на зърното.
Регулирането на параметрите на процеса на заваряване и приемането на други мерки на процеса като предварително загряване, последващо загряване, многослойно заваряване и контролиране на температурата на междинния слой може да регулира и контролира термичния цикъл на заваряване, като по този начин променя заваряемостта на метала.Ако се вземат мерки като предварително загряване преди заваряване или термична обработка след заваряване, е напълно възможно да се получат заварени съединения без дефекти на пукнатини, които отговарят на изискванията за експлоатационни характеристики.
3. Структурни фактори
Основно се отнася до проектната форма на заварената конструкция и заварените съединения, като влиянието на фактори като структурна форма, размер, дебелина, форма на жлеб на съединението, оформление на заваръчния шев и формата на напречното му сечение върху заваряемостта.Неговото влияние се отразява главно в преноса на топлина и състоянието на сила.Различните дебелини на плочата, различните форми на фуги или форми на жлебове имат различни посоки и скорости на скоростта на пренос на топлина, което ще повлияе на посоката на кристализация и растежа на зърната на разтопената вана.Структурният превключвател, дебелината на плочата и разположението на заваръчните шевове определят твърдостта и задържането на съединението, което влияе върху състоянието на напрежение на съединението.Лошата кристална морфология, силната концентрация на напрежението и прекомерното напрежение при заваряване са основните условия за образуване на заваръчни пукнатини.При проектирането намаляването на твърдостта на съединението, намаляването на напречните заварки и намаляването на различни фактори, причиняващи концентрация на напрежение, са всички важни мерки за подобряване на заваряемостта.
4. Условия за ползване
Отнася се за работната температура, условията на натоварване и работната среда по време на експлоатационния период на заварената конструкция.Тези работни среди и работни условия изискват заварените конструкции да имат съответните характеристики.Например, заварените конструкции, работещи при ниски температури, трябва да имат устойчивост на крехко счупване;конструкциите, работещи при високи температури, трябва да имат устойчивост на пълзене;конструкциите, работещи при променливи натоварвания, трябва да имат добра устойчивост на умора;конструкции, работещи в киселинна, алкална или солна среда. Завареният контейнер трябва да има висока устойчивост на корозия и т.н.Накратко, колкото по-тежки са условията на използване, толкова по-високи са изискванията за качество на заварените съединения и толкова по-трудно е да се осигури заваряемостта на материала.
Идентификация и оценка на показателя за заваряемост на метални материали
По време на процеса на заваряване продуктът претърпява термични процеси на заваряване, металургични реакции, както и напрежение и деформация при заваряване, което води до промени в химичния състав, металографската структура, размера и формата, което прави работата на заварената връзка често различна от тази на основен материал, понякога дори не може да отговори на изискванията за употреба.За много реактивни или огнеупорни метали трябва да се използват специални методи за заваряване, като заваряване с електронен лъч или лазерно заваряване, за да се получат висококачествени съединения.Колкото по-малко условия за оборудване и по-малко трудности са необходими, за да се направи добра заварена връзка от материал, толкова по-добра е заваряемостта на материала;напротив, ако са необходими сложни и скъпи методи на заваряване, специални заваръчни материали и мерки за процеса, това означава, че материалът Заваряемостта е лоша.
При производството на продукти първо трябва да се оцени заваряемостта на използваните материали, за да се определи дали избраните структурни материали, заваръчните материали и методите на заваряване са подходящи.Има много методи за оценка на заваряемостта на материалите.Всеки метод може да обясни само определен аспект на заваряемостта.Следователно са необходими тестове за пълно определяне на заваряемостта.Методите за изпитване могат да бъдат разделени на симулационен и експериментален тип.Първият симулира характеристиките на нагряване и охлаждане при заваряване;последният тества според действителните условия на заваряване.Съдържанието на теста е главно за откриване на химичния състав, металографската структура, механичните свойства и наличието или отсъствието на дефекти при заваряване на основния метал и заваръчния метал и за определяне на характеристиките при ниска температура, ефективността при висока температура, устойчивостта на корозия и устойчивост на пукнатини на заварената връзка.
Характеристики на заваряване на често използвани метални материали
1. Заваряване на въглеродна стомана
(1) Заваряване на нисковъглеродна стомана
Ниско въглеродната стомана има ниско съдържание на въглерод, ниско съдържание на манган и силиций.При нормални обстоятелства това няма да причини сериозно структурно втвърдяване или закаляване на структурата поради заваряване.Този вид стомана има отлична пластичност и якост на удар, а пластичността и якостта на заварените й съединения също са изключително добри.Обикновено не се изисква предварително и последващо нагряване по време на заваряване и не се изискват специални технологични мерки за получаване на заварени съединения със задоволително качество.Следователно нисковъглеродната стомана има отлична заваръчна производителност и е стоманата с най-добра заваръчна производителност сред всички стомани..
(2) Заваряване на средно въглеродна стомана
Средно въглеродната стомана има по-високо съдържание на въглерод и нейната заваряемост е по-лоша от нисковъглеродната стомана.Когато CE е близо до долната граница (0,25%), заваряемостта е добра.С увеличаването на съдържанието на въглерод тенденцията към втвърдяване се увеличава и лесно се генерира нископластична мартензитна структура в засегнатата от топлина зона.Когато заварката е сравнително твърда или заваръчните материали и параметрите на процеса са неправилно избрани, има вероятност да се появят студени пукнатини.При заваряване на първия слой на многослойно заваряване, поради големия дял на основния метал, разтопен в заваръчния шев, съдържанието на въглерод, съдържанието на сяра и фосфор се увеличава, което улеснява получаването на горещи пукнатини.В допълнение, чувствителността на устицата също се увеличава, когато съдържанието на въглерод е високо.
(3) Заваряване на високовъглеродна стомана
Високовъглеродната стомана с CE над 0,6% има висока закаляемост и е склонна да произвежда твърд и крехък високовъглероден мартензит.Пукнатини са склонни да се появят в заваръчните шевове и зоните, засегнати от топлина, което прави заваряването трудно.Поради това този тип стомана обикновено не се използва за направата на заварени конструкции, но се използва за изработка на компоненти или части с висока твърдост или устойчивост на износване.По-голямата част от заваряването им е за ремонт на повредени части.Тези части и компоненти трябва да бъдат закалени преди заваръчен ремонт, за да се намалят заваръчните пукнатини, и след това отново термично обработени след заваряване.
2. Заваряване на нисколегирана високоякостна стомана
Съдържанието на въглерод в нисколегирана стомана с висока якост обикновено не надвишава 0,20%, а общото съдържание на легиращи елементи обикновено не надвишава 5%.Именно защото нисколегираната високоякостна стомана съдържа определено количество легиращи елементи, нейните заваръчни характеристики са малко по-различни от тези на въглеродната стомана.Характеристиките му при заваряване са както следва:
(1) Заваръчни пукнатини в заварени съединения
Студено крекираната нисколегирана стомана с висока якост съдържа C, Mn, V, Nb и други елементи, които укрепват стоманата, така че лесно се закалява по време на заваряване.Тези втвърдени структури са много чувствителни.Следователно, когато твърдостта е голяма или ограничаващото напрежение е високо, ако неправилният процес на заваряване може лесно да причини студени пукнатини.Освен това този тип крек има известно забавяне и е изключително вреден.
Пукнатини при повторно нагряване (SR) Пукнатините при повторно нагряване са междукристални пукнатини, които се появяват в едрозърнестата зона близо до линията на топене по време на термична обработка за освобождаване на напрежението след заваряване или продължителна работа при висока температура.Обикновено се смята, че това се дължи на високата температура на заваряване, причиняваща V, Nb, Cr, Mo и други карбиди в близост до HAZ да бъдат твърди, разтворени в аустенита.Те нямат време да се утаят по време на охлаждане след заваряване, но се диспергират и утаяват по време на PWHT, като по този начин укрепват кристалната структура.Вътре, деформацията на пълзене по време на релаксация на напрежението е концентрирана в границите на зърната.
Заварените съединения от нисколегирана стомана с висока якост обикновено не са склонни към пукнатини при повторно нагряване, като 16MnR, 15MnVR и т.н. Въпреки това, за сериите Mn-Mo-Nb и Mn-Mo-V нисколегирани стомани с висока якост, като напр. 07MnCrMoVR, тъй като Nb, V и Mo са елементи, които имат силна чувствителност към напукване при повторно нагряване, този тип стомана трябва да се третира по време на топлинна обработка след заваряване.Трябва да се внимава да се избягва чувствителната температурна зона на пукнатините при повторно нагряване, за да се предотврати появата на пукнатини при повторно нагряване.
(2) Крехкост и размекване на заварени съединения
Крехкост при деформация при стареене Заварените съединения трябва да бъдат подложени на различни студени процеси (срязване на заготовки, валцоване и др.) преди заваряване.Стоманата ще предизвика пластична деформация.Ако зоната се нагрее допълнително до 200 до 450°C, ще настъпи деформационно стареене..Деформационната крехкост при стареене ще намали пластичността на стоманата и ще повиши температурата на крехък преход, което ще доведе до крехко счупване на оборудването.Термичната обработка след заваряване може да елиминира такова стареене при деформация на заварената конструкция и да възстанови здравината.
Крехкост на заваръчните шевове и засегнатите от топлина зони Заваряването е процес на неравномерно нагряване и охлаждане, което води до неравномерна структура.Температурата на крехък преход на заваръчния шев (WM) и зоната на топлинно въздействие (HAZ) е по-висока от тази на основния метал и е слабото звено в съединението.Енергията на заваръчната линия има важно влияние върху свойствата на нисколегирана стомана с висока якост WM и HAZ.Нисколегираната стомана с висока якост се закалява лесно.Ако линейната енергия е твърде малка, мартензитът ще се появи в HAZ и ще причини пукнатини.Ако линейната енергия е твърде голяма, зърната на WM и HAZ ще станат груби.Ще доведе до чупливост на ставата.В сравнение с горещо валцуваната и нормализирана стомана, нисковъглеродната охладена и темперирана стомана има по-сериозна тенденция към крехкост в HAZ, причинена от прекомерна линейна енергия.Следователно при заваряване линейната енергия трябва да бъде ограничена до определен диапазон.
Омекотяване на зоната на топлинно въздействие на заварени съединения Поради действието на топлината на заваряване, външната страна на зоната на топлинно въздействие (HAZ) на нисковъглеродна закалена и темперирана стомана се нагрява над температурата на темпериране, особено зоната близо до Ac1, което ще произведе зона на омекване с намалена якост.Структурното омекване в зоната на HAZ се увеличава с увеличаването на енергията на заваръчната линия и температурата на предварително нагряване, но като цяло якостта на опън в омекотената зона все още е по-висока от долната граница на стандартната стойност на основния метал, така че засегнатата от топлина зона от този тип стомана омекотява. Докато изработката е правилна, проблемът няма да повлияе на работата на съединението.
3. Заваряване на неръждаема стомана
Неръждаемата стомана може да бъде разделена на четири категории според различните стоманени структури, а именно аустенитна неръждаема стомана, феритна неръждаема стомана, мартензитна неръждаема стомана и аустенитно-феритна дуплексна неръждаема стомана.Следното основно анализира характеристиките на заваряване на аустенитна неръждаема стомана и двупосочна неръждаема стомана.
(1) Заваряване на аустенитна неръждаема стомана
Аустенитните неръждаеми стомани се заваряват по-лесно от другите неръждаеми стомани.Няма да има фазова трансформация при никоя температура и не е чувствителен към водородна крехкост.Съединението от аустенитна неръждаема стомана също има добра пластичност и издръжливост в заварено състояние.Основните проблеми на заваряването са: горещо напукване при заваряване, крехкост, междукристална корозия и корозия под напрежение и др. В допълнение, поради лошата топлопроводимост и големия коефициент на линейно разширение, напрежението при заваряване и деформацията са големи.При заваряване входящата топлина при заваряване трябва да бъде възможно най-малка и не трябва да има предварително нагряване, а температурата на междинния слой трябва да бъде намалена.Температурата на междинния слой трябва да се контролира под 60°C, а заваръчните фуги трябва да са разположени шахматно.За да се намали входящата топлина, скоростта на заваряване не трябва да се увеличава прекомерно, но заваръчният ток трябва да бъде съответно намален.
(2) Заваряване на аустенитно-феритна двупосочна неръждаема стомана
Аустенитно-феритна дуплексна неръждаема стомана е дуплексна неръждаема стомана, съставена от две фази: аустенит и ферит.Той съчетава предимствата на аустенитната стомана и феритната стомана, така че има характеристиките на висока якост, добра устойчивост на корозия и лесно заваряване.В момента има три основни вида дуплексна неръждаема стомана: Cr18, Cr21 и Cr25.Основните характеристики на този тип заваряване на стомана са: по-ниска термична склонност в сравнение с аустенитната неръждаема стомана;по-ниска склонност към крехкост след заваряване в сравнение с чистата феритна неръждаема стомана и степента на огрубяване на ферита в засегнатата от заваряване топлинна зона също е по-ниска, така че заваряемостта е по-добра.
Тъй като този тип стомана има добри заваръчни свойства, не се изисква предварително и последващо нагряване по време на заваряване.Тънките плочи трябва да се заваряват чрез TIG, а средните и дебелите плочи могат да се заваряват чрез електродъгово заваряване.При заваряване чрез електродъгово заваряване трябва да се използват специални заваръчни пръти с подобен състав на основния метал или аустенитни заваръчни пръти с ниско съдържание на въглерод.Електродите от никелова сплав могат да се използват и за двуфазна стомана тип Cr25.
Двуфазните стомани имат по-голям дял ферит и присъщите тенденции на крехкост на феритните стомани, като крехкост при 475°C, крехкост при утаяване на σ фаза и едри зърна, все още съществуват само поради наличието на аустенит.Може да се получи известно облекчение чрез балансиращия ефект, но все пак трябва да обърнете внимание при заваряване.При заваряване на дуплексна неръждаема стомана без Ni или с ниско съдържание на Ni има тенденция за еднофазен ферит и загрубяване на зърното в зоната на топлинно въздействие.По това време трябва да се обърне внимание на контролирането на входящата топлина при заваряване и да се опитате да използвате малък ток, висока скорост на заваряване и заваряване с тесен канал.И многопроходно заваряване за предотвратяване на огрубяване на зърната и еднофазна феритизация в засегнатата от топлина зона.Температурата между слоевете не трябва да бъде твърде висока.Най-добре е да заварявате следващия проход след охлаждане.
Време на публикуване: 11 септември 2023 г