Сущность свариваемости и ее разновидности

Свариваемость — это комплексная технологическая характеристика металлических материалов, зависящая от многих факторов.

Основное общее определение свариваемости установлено ГОСТ 29273–92:

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, когда свариваемые детали отвечали техническим требованиям как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют».

Несмотря на различное толкование свариваемости в научно-технической, учебной и справочной литературе, за основу следует принять вышеуказанное определение свариваемости, которое соответствует международному стандарту ИСО 581–80.

Исходя из этого определения следует, что свариваемость зависит от четырех переменных: материала, технологического процесса, типа конструкции и ее функционального назначения. В зависимости от комбинации этих переменных ГОСТ 29273–92 предусматривает возможность частного определения свариваемости в каждом конкретном случае.

В современной сварочной терминологии различают физическую свариваемость и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость определяется физико-химическими свойствами соединяемых металлов и характеризует принципиальную возможность получения сварных соединений, в основном, из разнородных металлов .

Физическая свариваемость является необходимым условием существования функциональной свариваемости.

С физико-химической точки зрения, наилучшей свариваемостью обладают чистые металлы и сплавы, компоненты которых обладают неограниченной взаимной растворимостью, как в жидком, так и в твердом состоянии, то есть образующих непрерывный ряд жидких и твердых растворов. Практически не поддаются сварке плавлением металлы и сплавы, которые не могут взаимно растворяться в жидком состоянии, например, железо и магний, свинец и медь, железо и свинец и др. При расплавлении таких пар металлов образуются несмешивающиеся слои, которые при последующем охлаждении кристаллизуются самостоятельно, а после затвердевания могут быть сравнительно легко отделены друг от друга.

Характер взаимодействия компонентов в твердом и жидком состояниях определяют обычно по равновесным диаграммам состояния. Однако, надо иметь в виду, что построение равновесных диаграмм состояния предусматривает чрезвычайно замедленные нагрев и охлаждение, протекающие иногда в течение сотни часов. Действительные условия процесса сварки существенно отличаются от равновесных, поэтому определение свариваемости по диаграммам состояния отражает лишь принципиальную возможность получения сварного соединения.

Достаточным условием для обеспечения функциональной свариваемости является технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость — это комплексная характеристика металлов и сплавов, отражающая их реакцию на процесс сварки и определяющая относительную техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям их последующей эксплуатации . Понятие технологической свариваемости часто используют на практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий. Чем больше применимых к данному металлу видов сварки и шире для каждого вида сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость.

Технологическая свариваемость зависит от различных взаимосвязанных факторов. Их можно разбить на три группы: фактор материала, конструктивный фактор и технологический фактор.

Фактор материала является важнейшим среди этих групп. На технологическую свариваемость существенное влияние оказывают следующие свойства основного металла:

· химический состав, который определяет температурный интервал кристаллизации; фазовый состав, а также фазовые и структурные превращения на этапах нагрева и охлаждения;

· теплофизические свойства, определяющие область и степень завершенности процессов превращений, которые протекают в материале под воздействием сварочного цикла;

· физико-химические свойства, которые определяют активность физико-химических реакций в сварочной ванне и зоне термического влияния;

· механические свойства, которые определяют способность материала воспринимать механические воздействия (напряжения), возникающие за счет неравномерности нагрева и охлаждения, жесткости конструкций и других факторов без разрушения.

Конструктивный фактор обусловлен типом сварной конструкции. Тип конструкции определяет форму и взаимное расположение свариваемых элементов, их массу и толщину, тип сварного соединения, форму подготовки кромок под сварку, последовательность выполнения сварных соединений, жесткость сварной конструкции, напряженное состояние элементов этой конструкции перед монтажом, пространственное положение сварки и др.

Технологический фактор определяет свариваемость металлов в зависимости от вида и режима сварки, состава используемых электродов, сварочной проволоки, флюса, защитных газов, температуры окружающей среды, характера подготовки деталей под сварку и др.

По сравнению с другими технологическими процессами получения изделий сварочный процесс имеет специфические особенности, которые оказывают более сильное влияние на свойства обрабатываемого материала. К ним относятся особенности термического воздействия, протекания металлургических процессов и механического воздействия.

Особенностями термического воздействия являются:

· неравномерный нагрев (градиент температуры при сварке в зависимости от вида сварки изменяется от сотен градусов до нескольких тысяч градусов на миллиметр);

· высокие температуры нагрева в зоне действия источника тепла, достигающие температуры кипения материала, например при лазерной сварке;

· большие скорости нагрева и охлаждения (от десятков до тысяч градусов в секунду).

· Металлургические процессы, протекающие в сварочной ванне, также имеют свои особенности:

· большая поверхность расплавленного металла по отношению к его объему (0,5–100 мм^–1); это определяет существенное влияние реакций, протекающих на поверхности сварочной ванны, на изменение свойств металла во всем объеме сварного шва;

· относительно малая масса расплавленного металла (от нескольких килограммов при электрошлаковой сварке до сотых долей грамма при сварке микродеталей);

· активность химических и физических процессов взаимодействия расплавленного металла с окружающей средой и сварочными материалами, обусловленная в значительной степени высокой температурой.

К особенностям механического воздействия относят:

· возникновение в сварных соединениях напряжений, достигающих во многих случаях предела текучести;

· воздействие на сварное соединение остаточных напряжений, существовавших в конструкции до сварки.

Рассмотренный комплекс факторов, влияющих на свариваемость, обуславливает нежелательные последствия:

· резкое отличие химического состава, механических свойств и структуры металла шва от химического состава, структуры и свойств основного металла;

· изменение структуры и свойств основного металла в зоне термического влияния;

· возникновение в сварных конструкциях значительных напряжений, приводящих в ряде случаев к образованию трещин;

· образование в процессе сварки тугоплавких, трудно удаляемых оксидов, затрудняющих протекание процесса, загрязняющих металл шва и понижающих его качество;

· образование пористости и газовых раковин в наплавленном металле, нарушающих плотность и прочность сварного соединения.