Spawalność materiałów metalowych odnosi się do zdolności materiałów metalowych do uzyskiwania doskonałych połączeń spawalniczych przy użyciu określonych procesów spawania, w tym metod spawania, materiałów spawalniczych, specyfikacji spawania i spawanych form konstrukcyjnych.Jeśli metal może uzyskać doskonałe połączenia spawalnicze przy użyciu bardziej powszechnych i prostych procesów spawania, uważa się, że ma dobre właściwości spawalnicze.Spawalność materiałów metalowych ogólnie dzieli się na dwa aspekty: spawalność procesową i spawalność aplikacyjną.
Spawalność procesu: odnosi się do możliwości uzyskania doskonałych, wolnych od wad połączeń spawanych w określonych warunkach procesu spawania.Nie jest to nieodłączna właściwość metalu, ale jest oceniana na podstawie określonej metody spawania i zastosowanych konkretnych środków procesowych.Dlatego spawalność procesowa materiałów metalowych jest ściśle związana z procesem spawania.
Spawalność serwisowa: odnosi się do stopnia, w jakim złącze spawane lub cała konstrukcja spełnia parametry użytkowe określone w warunkach technicznych wyrobu.Wydajność zależy od warunków pracy konstrukcji spawanej i wymagań technicznych przedstawionych w projekcie.Zwykle obejmują właściwości mechaniczne, odporność na udarność w niskich temperaturach, odporność na kruche pękanie, pełzanie w wysokiej temperaturze, właściwości zmęczeniowe, trwałość, odporność na korozję i zużycie itp. Na przykład powszechnie stosowane stale nierdzewne S30403 i S31603 mają doskonałą odporność na korozję i 16MnDR i stale niskotemperaturowe 09MnNiDR mają również dobrą odporność na udarność w niskich temperaturach.
Czynniki wpływające na parametry spawania materiałów metalowych
1. Czynniki materialne
Materiały obejmują metale nieszlachetne i materiały spawalnicze.W tych samych warunkach spawania głównymi czynnikami determinującymi spawalność metalu nieszlachetnego są jego właściwości fizyczne i skład chemiczny.
Jeśli chodzi o właściwości fizyczne: czynniki takie jak temperatura topnienia, przewodność cieplna, współczynnik rozszerzalności liniowej, gęstość, pojemność cieplna i inne czynniki metalu mają wpływ na procesy takie jak cykl termiczny, topienie, krystalizacja, zmiana fazowa itp. wpływając w ten sposób na spawalność.Materiały o niskiej przewodności cieplnej, takie jak stal nierdzewna, charakteryzują się dużymi gradientami temperatur, wysokimi naprężeniami szczątkowymi i dużymi odkształceniami podczas spawania.Ponadto, ze względu na długi czas przebywania w wysokiej temperaturze, ziarna w strefie wpływu ciepła rosną, co niekorzystnie wpływa na wydajność złącza.Austenityczna stal nierdzewna ma duży współczynnik rozszerzalności liniowej oraz poważne odkształcenia i naprężenia połączeń.
Pod względem składu chemicznego najważniejszym pierwiastkiem jest węgiel, co oznacza, że zawartość węgla w metalu decyduje o jego spawalności.Większość innych pierwiastków stopowych w stali nie sprzyja spawaniu, ale ich wpływ jest na ogół znacznie mniejszy niż węgiel.Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali wzrasta tendencja do hartowania, maleje plastyczność i podatne są na pęknięcia spawalnicze.Zwykle jako główne wskaźniki oceny spawalności materiałów wykorzystuje się wrażliwość materiałów metalowych na pęknięcia podczas spawania oraz zmiany właściwości mechanicznych obszaru złącza spawanego.Dlatego im wyższa zawartość węgla, tym gorsza spawalność.Stale niskowęglowe i stale niskostopowe o zawartości węgla poniżej 0,25% charakteryzują się doskonałą plastycznością i udarnością, a plastyczność i udarność złączy spawanych po spawaniu są również bardzo dobre.Podczas spawania nie jest wymagane podgrzewanie wstępne i obróbka cieplna po spawaniu, a proces spawania jest łatwy do kontrolowania, dzięki czemu ma dobrą spawalność.
Ponadto stan wytapiania i walcowania, stan obróbki cieplnej, stan organizacyjny itp. stali wpływają w różnym stopniu na spawalność.Spawalność stali można poprawić poprzez rafinację lub rafinację ziaren i kontrolowane procesy walcowania.
Materiały spawalnicze bezpośrednio uczestniczą w szeregu chemicznych reakcji metalurgicznych podczas procesu spawania, które determinują skład, strukturę, właściwości i powstawanie wad metalu spoiny.Jeżeli materiały spawalnicze zostaną niewłaściwie dobrane i nie będą pasować do metalu rodzimego, nie tylko nie zostanie uzyskane złącze spełniające wymagania użytkowe, ale także pojawią się defekty w postaci pęknięć i zmian właściwości konstrukcyjnych.Dlatego też prawidłowy dobór materiałów spawalniczych jest ważnym czynnikiem zapewniającym wysoką jakość połączeń spawanych.
2. Czynniki procesu
Czynniki procesu obejmują metody spawania, parametry procesu spawania, kolejność spawania, podgrzewanie wstępne, nagrzewanie końcowe i obróbkę cieplną po spawaniu itp. Metoda spawania ma duży wpływ na spawalność, głównie w dwóch aspektach: charakterystyki źródła ciepła i warunków ochrony.
Różne metody spawania mają bardzo różne źródła ciepła pod względem mocy, gęstości energii, maksymalnej temperatury nagrzewania itp. Metale spawane przy różnych źródłach ciepła będą wykazywać różne właściwości spawalnicze.Na przykład moc spawania elektrożużlowego jest bardzo wysoka, ale gęstość energii jest bardzo niska, a maksymalna temperatura ogrzewania nie jest wysoka.Nagrzewanie jest powolne podczas spawania, a czas przebywania w wysokiej temperaturze jest długi, co powoduje powstawanie grubych ziaren w strefie wpływu ciepła i znaczne zmniejszenie udarności, którą należy znormalizować.Ulepszyć.Natomiast spawanie wiązką elektronów, spawanie laserowe i inne metody mają niską moc, ale dużą gęstość energii i szybkie nagrzewanie.Czas przebywania w wysokiej temperaturze jest krótki, strefa wpływu ciepła bardzo wąska i nie ma niebezpieczeństwa wzrostu ziaren.
Dostosowanie parametrów procesu spawania i przyjęcie innych środków procesu, takich jak podgrzewanie wstępne, nagrzewanie końcowe, spawanie wielowarstwowe i kontrolowanie temperatury międzywarstwowej, może regulować i kontrolować cykl termiczny spawania, zmieniając w ten sposób spawalność metalu.Jeśli zostaną podjęte środki takie jak wstępne podgrzewanie przed spawaniem lub obróbka cieplna po spawaniu, całkowicie możliwe jest uzyskanie połączeń spawanych bez wad pęknięć, które spełniają wymagania użytkowe.
3. Czynniki strukturalne
Dotyczy to głównie formy projektowej konstrukcji spawanej i połączeń spawanych, np. wpływu takich czynników, jak kształt konstrukcyjny, rozmiar, grubość, kształt rowka złącza, układ spoiny i jej kształt przekroju poprzecznego na spawalność.Jego wpływ odzwierciedla się głównie w przenoszeniu ciepła i stanie siły.Różne grubości płyt, różne formy złączy lub kształty rowków mają różne kierunki i szybkości wymiany ciepła, co będzie miało wpływ na kierunek krystalizacji i wzrost ziaren stopionego jeziorka.Przełącznik konstrukcyjny, grubość blachy i układ spoin określają sztywność i utwierdzenie złącza, co wpływa na stan naprężenia złącza.Zła morfologia kryształów, duża koncentracja naprężeń i nadmierne naprężenia spawalnicze to podstawowe warunki powstawania pęknięć spawalniczych.W projektowaniu zmniejszenie sztywności połączeń, zmniejszenie spoin poprzecznych i zmniejszenie różnych czynników powodujących koncentrację naprężeń są ważnymi środkami poprawiającymi spawalność.
4. Warunki korzystania
Odnosi się do temperatury pracy, warunków obciążenia i medium roboczego w okresie eksploatacji konstrukcji spawanej.Te środowiska i warunki pracy wymagają, aby konstrukcje spawane miały odpowiednią wydajność.Na przykład konstrukcje spawane pracujące w niskich temperaturach muszą charakteryzować się odpornością na kruche pękanie;konstrukcje pracujące w wysokich temperaturach muszą mieć odporność na pełzanie;konstrukcje pracujące pod obciążeniem zmiennym muszą charakteryzować się dobrą wytrzymałością zmęczeniową;konstrukcje pracujące w środowisku kwaśnym, zasadowym lub solnym. Spawany pojemnik powinien charakteryzować się wysoką odpornością na korozję i tak dalej.Krótko mówiąc, im surowsze warunki użytkowania, tym wyższe wymagania jakościowe dla złączy spawanych i tym trudniej zapewnić spawalność materiału.
Identyfikacja i ocena wskaźników spawalności materiałów metalowych
Podczas procesu spawania wyrób ulega spawalniczym procesom termicznym, reakcjom metalurgicznym, a także naprężeniom i odkształceniom spawalniczym, w wyniku czego zmieniają się skład chemiczny, struktura metalograficzna, wielkość i kształt, przez co właściwości użytkowe złącza spawanego często różnią się od właściwości złącza spawanego. materiał bazowy, czasem nawet nie spełnia wymagań użytkowych.W przypadku wielu metali reaktywnych lub ogniotrwałych należy zastosować specjalne metody spawania, takie jak spawanie wiązką elektronów lub spawanie laserowe, aby uzyskać połączenia wysokiej jakości.Im mniej warunków sprzętowych i mniej trudności wymaganych do wykonania dobrego połączenia spawanego z materiału, tym lepsza spawalność materiału;wręcz przeciwnie, jeśli wymagane są skomplikowane i kosztowne metody spawania, specjalne materiały spawalnicze i środki technologiczne, oznacza to, że spawalność materiału jest słaba.
Podczas wytwarzania produktów należy najpierw ocenić spawalność zastosowanych materiałów, aby określić, czy wybrane materiały konstrukcyjne, materiały spawalnicze i metody spawania są odpowiednie.Istnieje wiele metod oceny spawalności materiałów.Każda metoda może wyjaśnić jedynie pewien aspekt spawalności.Dlatego wymagane są badania, aby w pełni określić spawalność.Metody badawcze można podzielić na typu symulacyjnego i typu eksperymentalnego.Pierwsza symuluje charakterystykę ogrzewania i chłodzenia spawania;ten ostatni testuje się w rzeczywistych warunkach spawania.Celem testu jest głównie wykrycie składu chemicznego, struktury metalograficznej, właściwości mechanicznych oraz obecności lub braku wad spawalniczych metalu nieszlachetnego i metalu spoiny, a także określenie wydajności w niskiej temperaturze, wydajności w wysokiej temperaturze, odporności na korozję i odporność na pękanie złącza spawanego.
Charakterystyka spawania powszechnie stosowanych materiałów metalowych
1. Spawanie stali węglowej
(1) Spawanie stali niskowęglowej
Stal niskowęglowa ma niską zawartość węgla, niską zawartość manganu i krzemu.W normalnych okolicznościach nie spowoduje to poważnego hartowania strukturalnego ani hartowania konstrukcji w wyniku spawania.Ten rodzaj stali ma doskonałą plastyczność i udarność, a plastyczność i wytrzymałość połączeń spawanych są również wyjątkowo dobre.Podczas spawania na ogół nie jest wymagane podgrzewanie wstępne ani podgrzewanie końcowe, a w celu uzyskania połączeń spawanych o zadowalającej jakości nie są wymagane specjalne środki procesowe.Dlatego stal niskowęglowa ma doskonałe właściwości spawalnicze i jest stalą o najlepszych właściwościach spawalniczych spośród wszystkich stali..
(2) Spawanie stali średniowęglowej
Stal średniowęglowa ma wyższą zawartość węgla, a jej spawalność jest gorsza niż stali niskowęglowej.Gdy CE jest blisko dolnej granicy (0,25%), spawalność jest dobra.Wraz ze wzrostem zawartości węgla wzrasta tendencja do utwardzania, a w strefie wpływu ciepła łatwo tworzy się struktura martenzytyczna o niskiej plastyczności.Kiedy konstrukcja spawana jest stosunkowo sztywna lub materiały spawalnicze i parametry procesu są niewłaściwie dobrane, istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia pęknięć zimnych.Podczas spawania pierwszej warstwy spoiny wielowarstwowej, ze względu na duży udział metalu rodzimego wtopionego w spoinę, zwiększa się zawartość węgla, siarki i fosforu, co ułatwia powstawanie pęknięć na gorąco.Ponadto wrażliwość aparatów szparkowych wzrasta również, gdy zawartość węgla jest wysoka.
(3) Spawanie stali wysokowęglowej
Stal wysokowęglowa o CE większym niż 0,6% ma wysoką hartowność i jest podatna na wytwarzanie twardego i kruchego martenzytu wysokowęglowego.W spoinach i strefach wpływu ciepła często występują pęknięcia, co utrudnia spawanie.Dlatego ten rodzaj stali na ogół nie jest używany do wykonywania konstrukcji spawanych, ale służy do wykonywania elementów lub części o dużej twardości lub odporności na zużycie.Większość ich spawania ma na celu naprawę uszkodzonych części.Te części i komponenty należy wyżarzać przed naprawą spawalniczą, aby zmniejszyć pęknięcia spawalnicze, a następnie ponownie poddać obróbce cieplnej po spawaniu.
2. Spawanie stali niskostopowych o wysokiej wytrzymałości
Zawartość węgla w niskostopowej stali o wysokiej wytrzymałości na ogół nie przekracza 0,20%, a całkowita zawartość pierwiastków stopowych na ogół nie przekracza 5%.Właśnie dlatego, że niskostopowa stal o wysokiej wytrzymałości zawiera pewną ilość pierwiastków stopowych, jej właściwości spawalnicze różnią się nieco od stali węglowej.Jego właściwości spawalnicze są następujące:
(1) Pęknięcia spawalnicze w złączach spawanych
Krakingowa na zimno niskostopowa stal o wysokiej wytrzymałości zawiera C, Mn, V, Nb i inne pierwiastki wzmacniające stal, dzięki czemu łatwo ulega hartowaniu podczas spawania.Te hartowane struktury są bardzo wrażliwe.Dlatego też, gdy sztywność jest duża lub naprężenie ograniczające jest wysokie, nieprawidłowy proces spawania może łatwo spowodować pęknięcia zimne.Co więcej, tego typu pęknięcia mają pewne opóźnienie i są niezwykle szkodliwe.
Pęknięcia po nagrzaniu (SR) Pęknięcia po nagrzaniu to pęknięcia międzykrystaliczne powstające w obszarze gruboziarnistym w pobliżu linii wtopienia podczas obróbki cieplnej odprężającej po spawaniu lub długotrwałej pracy w wysokiej temperaturze.Powszechnie uważa się, że dzieje się tak na skutek wysokiej temperatury spawania, powodującej, że V, Nb, Cr, Mo i inne węgliki w pobliżu SWC rozpuszczają się w postaci stałej w austenicie.Nie mają czasu na wytrącenie się podczas chłodzenia po spawaniu, ale rozpraszają się i wytrącają podczas PWHT, wzmacniając w ten sposób strukturę krystaliczną.Wewnątrz odkształcenie pełzające podczas relaksacji naprężeń koncentruje się na granicach ziaren.
Połączenia spawane ze stali niskostopowej o wysokiej wytrzymałości na ogół nie są podatne na pęknięcia spowodowane ponownym nagrzewaniem, takie jak 16MnR, 15MnVR itp. Jednakże w przypadku niskostopowych stali o wysokiej wytrzymałości serii Mn-Mo-Nb i Mn-Mo-V, takich jak 07MnCrMoVR, ponieważ Nb, V i Mo to pierwiastki charakteryzujące się dużą wrażliwością na pękanie podczas ponownego nagrzewania, ten rodzaj stali wymaga obróbki podczas obróbki cieplnej po spawaniu.Należy zachować ostrożność, aby uniknąć wrażliwego obszaru temperaturowego pęknięć po ponownym nagrzaniu, aby zapobiec występowaniu pęknięć po nagrzaniu.
(2) Kruchość i mięknięcie złączy spawanych
Kruchość wskutek starzenia odkształceniowego Złącza spawane muszą zostać poddane różnym procesom na zimno (ścinanie na zimno, walcowanie beczek itp.) przed spawaniem.Stal będzie powodować odkształcenia plastyczne.Jeśli obszar zostanie dodatkowo podgrzany do temperatury 200–450°C, nastąpi starzenie naprężeniowe..Kruchość wynikająca ze starzenia odkształceniowego zmniejszy plastyczność stali i zwiększy kruchą temperaturę przejścia, powodując kruche pękanie sprzętu.Obróbka cieplna po spawaniu może wyeliminować starzenie naprężeniowe konstrukcji spawanej i przywrócić jej wytrzymałość.
Kruchość spoin i stref wpływu ciepła Spawanie to nierównomierny proces nagrzewania i chłodzenia, w wyniku którego powstaje nierówna struktura.Temperatura przejścia kruchego spoiny (WM) i strefy wpływu ciepła (HAZ) jest wyższa niż temperatura metalu nieszlachetnego i jest słabym ogniwem złącza.Energia linii spawalniczej ma istotny wpływ na właściwości niskostopowych stali wysokowytrzymałych WM i HAZ.Stal niskostopowa o wysokiej wytrzymałości jest łatwa do hartowania.Jeśli energia linii jest zbyt mała, w strefie HAZ pojawi się martenzyt, który spowoduje pęknięcia.Jeśli energia linii jest zbyt duża, ziarna WM i HAZ staną się grube.Spowoduje, że złącze stanie się kruche.W porównaniu ze stalą walcowaną na gorąco i normalizowaną, stal niskowęglowa hartowana i odpuszczana ma poważniejszą tendencję do kruchości w strefie HAZ spowodowanej nadmierną energią liniową.Dlatego podczas spawania energię linii należy ograniczyć do pewnego zakresu.
Zmiękczanie strefy wpływu ciepła złączy spawanych W wyniku działania ciepła spawania zewnętrzna strefa wpływu ciepła (SWC) stali niskowęglowej hartowanej i odpuszczanej nagrzewa się powyżej temperatury odpuszczania, zwłaszcza obszar w pobliżu Ac1, co spowoduje utworzenie strefy zmiękczania o zmniejszonej wytrzymałości.Zmiękczenie strukturalne w strefie SWC wzrasta wraz ze wzrostem energii linii spawania i temperatury podgrzewania wstępnego, ale generalnie wytrzymałość na rozciąganie w strefie zmiękczonej jest nadal wyższa niż dolna granica wartości standardowej metalu nieszlachetnego, więc strefa wpływu ciepła tego typu stali mięknie. Jeśli jakość wykonania jest prawidłowa, problem nie będzie miał wpływu na działanie złącza.
3. Spawanie stali nierdzewnej
Stal nierdzewną można podzielić na cztery kategorie w zależności od różnych konstrukcji stalowych, a mianowicie austenityczną stal nierdzewną, ferrytyczną stal nierdzewną, martenzytyczną stal nierdzewną i austenityczno-ferrytyczną stal nierdzewną duplex.Poniżej analizujemy głównie właściwości spawalnicze austenitycznej stali nierdzewnej i dwukierunkowej stali nierdzewnej.
(1) Spawanie austenitycznej stali nierdzewnej
Austenityczne stale nierdzewne są łatwiejsze do spawania niż inne stale nierdzewne.W żadnej temperaturze nie nastąpi przemiana fazowa i nie jest wrażliwy na kruchość wodorową.Złącze ze stali austenitycznej ma również dobrą plastyczność i wytrzymałość w stanie spawanym.Głównymi problemami spawania są: pękanie na gorąco, kruchość, korozja międzykrystaliczna i naprężeniowa itp. Ponadto, ze względu na słabą przewodność cieplną i duży współczynnik rozszerzalności liniowej, naprężenia spawalnicze i odkształcenia są duże.Podczas spawania dopływ ciepła spawania powinien być jak najmniejszy, nie powinno dochodzić do podgrzewania wstępnego, a temperatura międzywarstwy powinna być obniżona.Temperatura międzywarstwowa powinna być utrzymywana poniżej 60°C, a złącza spawane powinny być naprzemienne.Aby zmniejszyć dopływ ciepła, nie należy nadmiernie zwiększać prędkości spawania, lecz odpowiednio zmniejszyć prąd spawania.
(2) Spawanie dwustronnej stali nierdzewnej austenityczno-ferrytycznej
Austenityczno-ferrytyczna stal nierdzewna typu duplex to stal nierdzewna typu duplex złożona z dwóch faz: austenitu i ferrytu.Łączy w sobie zalety stali austenitycznej i stali ferrytycznej, dzięki czemu charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, dobrą odpornością na korozję i łatwością spawania.Obecnie istnieją trzy główne typy stali nierdzewnej duplex: Cr18, Cr21 i Cr25.Główne cechy tego rodzaju spawania stali to: niższa tendencja termiczna w porównaniu z austenityczną stalą nierdzewną;mniejsza skłonność do kruchości po spawaniu w porównaniu z czystą ferrytyczną stalą nierdzewną oraz stopień zgrubienia ferrytu w strefie wpływu ciepła spawania jest również niższy, a więc spawalność jest lepsza.
Ponieważ ten rodzaj stali ma dobre właściwości spawalnicze, podczas spawania nie jest wymagane podgrzewanie wstępne i końcowe.Cienkie blachy należy spawać metodą TIG, natomiast średnie i grube blachy można spawać łukowo.Podczas spawania metodą spawania łukowego należy stosować specjalne druty spawalnicze o składzie podobnym do metalu nieszlachetnego lub austenityczne druty spawalnicze o niskiej zawartości węgla.Elektrody stopowe na bazie niklu można również stosować do stali dwufazowej typu Cr25.
Stale dwufazowe mają większą zawartość ferrytu, a nieodłączne tendencje stali ferrytycznych do kruchości, takie jak kruchość w temperaturze 475°C, kruchość wydzieleniowa w fazie σ i gruboziarniste ziarna, nadal istnieją, tylko ze względu na obecność austenitu.Pewną ulgę można uzyskać dzięki efektowi równoważenia, ale nadal trzeba zachować ostrożność podczas spawania.Podczas spawania stali nierdzewnej niezawierającej Ni lub stali duplex o niskiej zawartości Ni występuje tendencja do powstawania ferrytu jednofazowego i gruboziarnistości ziaren w strefie wpływu ciepła.W tym momencie należy zwrócić uwagę na kontrolowanie dopływu ciepła spawania i spróbować zastosować mały prąd, dużą prędkość spawania i spawanie wąskim kanałem.Oraz spawanie wieloprzejściowe, aby zapobiec gruboziarnistości ziaren i ferrytyzacji jednofazowej w strefie wpływu ciepła.Temperatura międzywarstwowa nie powinna być zbyt wysoka.Następne przejście najlepiej spawać po wystygnięciu.
Czas publikacji: 11 września 2023 r