Svařitelnost – jedná se o reakci svařovaných kovů a slitin na proces svařování. Ona definuje technologický straně procesu a provozní vhodnost produktu.
Tavení a krystalizace kovu za podmínek svařování je složitý metalurgický proces, ke kterému dochází při nerovnoměrném ohřevu, přehřívání a ochlazování kovu ve spojích obrobků. Proces je doprovázen strukturálními přeměnami a rekrystalizací kovu. To do značné míry určuje kvalitu a spolehlivost svarového spoje, tzn. soubor získaných vlastností svaru, které určují vhodnost spojů a možnost využití svařované konstrukce v technologii.
Na svařitelnost ocel má velký vliv chemické složení.
Uhlík – jedná se o důležitý prvek chemického složení oceli, určující její svařitelnost, pevnost, houževnatost a prokalitelnost. Oceli obsahující nejvýše 0,25 % uhlíku lze dobře svařovat. Při vyšším obsahu se prudce zhoršuje svařitelnost oceli, protože v zahřáté tepelně ovlivněné zóně se tvoří kalící struktury, které vedou ke vzniku horkých a studených trhlin.
Síra – škodlivá nečistota, která tvoří se železem tavitelné sloučeniny, které se nacházejí podél hranic zrn, což oslabuje spojení mezi nimi s výskytem trhlin v horkém stavu. Tento jev je způsoben červená křehkost kov Proto, aby se zabránilo prasklinám ve svaru, musí být obsah síry ve svařovaných ocelích nižší než 0,045 %.
Fosfor – také škodlivá nečistota. V ocelích způsobuje vzhled křehkých struktur, zejména při nízkých teplotách. Tento proces se nazývá chlad. Obsah fosforu ve svařovaných ocelích a svarech musí být menší než 0 %.
Mangan je prvek chemického složení oceli, který poněkud zvyšuje pevnost a pružnost oceli. Pokud je jeho obsah v ocelích v rozmezí 0,3. 0,8 %, není proces svařování obtížný. Při obsahu manganu vyšším než 1,8 % hrozí nebezpečí křehnutí a prasklin v důsledku prokalitelnosti takové oceli.
Silikon mírně zvyšuje pevnost, pružnost a tvrdost oceli. Když je jeho obsah do 0,2. 0,3 %, svařitelnost se nezhorší. Když je obsah vyšší než 0,8 %, podmínky svařování se zhoršují v důsledku vysoké tekutosti oceli a tvorby žáruvzdorných oxidů křemíku.
Chrome zvyšuje pevnost, pružnost a tvrdost oceli, ale při svařování tvoří karbidy chrómu, které zhoršují korozní odolnost svaru a přilehlé tepelně ovlivněné zóny. Prudce zvyšuje tvrdost kovu v této tepelně ovlivněné zóně a zvyšuje pravděpodobnost vzniku trhlin a podporuje tvorbu žáruvzdorných oxidů, které komplikují proces svařování. V bezniklových ocelích určených ke svařování by obsah chrómu neměl překročit 0,3 %.
Molybden podporuje broušení krystalů (ocelových zrn), zvyšuje pevnost oceli. To je zvláště důležité při rázovém zatížení a vysokých teplotách, ale molybden způsobuje praskliny ve svarovém kovu a v tepelně ovlivněné zóně. Během procesu svařování molybden aktivně oxiduje a vyhoří. V kritických svařovaných konstrukcích by obsah molybdenu neměl překročit 1 %.
Vanad podporuje kalení oceli, čímž ztěžuje svařování; aktivně oxiduje a vyhoří. V kritických svařovaných konstrukcích by obsah vanadu neměl překročit 1 %.
Wolfram zvyšuje tvrdost oceli a její odolnost proti opotřebení při vysokých teplotách (červená odolnost), ale komplikuje proces svařování v důsledku silné oxidace. Wolfram se do složení oceli, která se má svařovat, nezavádí.
Kyslík aktivně oxiduje roztavené železo, vytváří křehké struktury, oxiduje také legující prvky. Roztavený svarový kov musí být chráněn před interakcí se vzdušným kyslíkem. To je jedna z funkcí povlaku elektrody, který při hoření uvolňuje ochranný (oxid uhličitý) plyn. K ochraně před oxidací se svařování kritických konstrukcí vyrobených z nerezových ocelí a neželezných kovů provádí v ochranných plynech, jako je argon a helium.
Vodík. Při svařování se atomy vodíku snadno rozpouštějí v roztaveném kovu a když kov ztuhne, rekombinují se do molekul, které se shromažďují na různých místech ve svaru a tvoří bubliny plynu. Vodík způsobuje poréznost a drobné trhlinky ve svarovém kovu, zvyšuje křehkostь oceli, což snižuje její pevnost a houževnatost. Vodík, podobně jako kyslík, který se může slučovat s roztaveným svarovým kovem, se nachází v okolním vzduchu, vlhkost zůstává v nevysušeném povlaku elektrody, v tavidlech a na povrchu svařovaného kovu ve formě vody, sněhu, námrazy. Vodík je obsažen i v rzi, která může být na svařovacím drátu nebo na hranách obrobků. Ochrana roztaveného svarového kovu před vodíkem se provádí současně s ochranou před kyslíkem.
Kov je nejméně nasycený vodíkem při svařování stejnosměrným proudem obrácené polarity, větší nasycení je při svařování střídavým proudem.
Nikl, obsažené v legovaných ocelích, výrazně zlepšuje jejich svařitelnost: zjemňuje zrno, dodává svaru tažnost a pevnost. Při svařování ocelí obsahujících nikl je nutná spolehlivá ochrana před působením vzdušného kyslíku. Nikl je drahý. Použití niklových ocelí musí být technicky a ekonomicky odůvodněné.
Obsah niklu v ocelích v množství 2-3% výrazně zlepšuje její svařitelnost. V ocelích pro kritické konstrukce, které mají odolat velkému zatížení, se doporučuje obsah niklu do 8-10 %.
Titan, obsažený v legovaných ocelích, zjemňuje zrno, zvyšuje plasticitu svaru a kvalitu spoje. Nerezové oceli pro kritické svařované konstrukce musí obsahovat kromě niklu ještě dalších 4–5 % titanu.
Na svařitelnost oceli taky, ovlivněné způsoby a metodami svařování.
Pro správnou volbu způsobu svařování a režimů, které eliminují výskyt vad, je nutné znát technologickou svařitelnost kovu. Jedná se o jeho reakci na tepelné vlivy v tepelně ovlivněné zóně bez tavení a dále na metalurgické procesy tavení a následné krystalizace kovu. Na základě známého chemického složení oceli lze předvídat její technologickou svařitelnost. Přesnost takových předpovědí však není vždy spolehlivá a můžete se na ně spolehnout při svařování malého počtu nízko kritických výrobků. V případě výroby většího počtu kritických svařovaných konstrukcí je nutné experimentálně stanovit technologickou svařitelnost dávky kovu, ze které budou výrobky vyrobeny. prostředky definice technologické svařitelnosti lze rozdělit do dvou skupin.
první – když je svařitelnost přímo určena svařováním jednoho nebo více vzorků výrobku. Zároveň se dozvídají o tendenci kovu tvrdnout nebo o jeho nedostatku, o pevnosti a tažnosti kovu, o změnách mikrostruktury. Získané výsledky jsou vysoce spolehlivé;
Druhý – skupina metod pro stanovení svařitelnosti je jednodušší a je založena na simulaci svařovacích procesů. V tomto případě jsou změny v kovu určovány nepřímo, například tepelným zpracováním při teplotách blízkých procesu svařování. Úplnost a spolehlivost takových informací je výrazně nižší.
Podle svařitelnosti oceli rozčleněné o čtyři skupiny vyznačující se schopností kovů vytvářet při svařování spoje se stanovenými vlastnostmi – pevné, hermetické, bez křehkosti.
První skupina – dobře svařitelné oceli, které tvoří kvalitní svarové spoje bez použití speciální techniky a ohřevu před a po svařování. Jedná se o nízkouhlíkové, nízko a středně legované oceli. Například z BSt1 do BSt4; z VSt1 do VSt4; z oceli 08 na ocel 25; ocel 15X; 20ХГА, 12ХН4А; 10HSND; 20H23H18T; 12H18N9Т a další požadovaného chemického složení.
Druhá skupina – uspokojivě svařitelné oceli, které pro získání kvalitních svarových spojů vyžadují přísné dodržování svařovacích podmínek, použití speciálního přídavného materiálu, zvláště důkladné očištění svarových hran a v některých případech i předběžné a doprovodné zahřátí na 150 0 C, následné žíhání. Jedná se například o ocel BSt5sp; BSt5Gsp; ocel 30; ocel 35; ocel 20ХНЗА; ocel 12ХА atd.
Třetí skupina – oceli s omezenou svařitelností za normálních podmínek a náchylné k praskání. Obsahují uhlík od 0,35 % do 0,5 %, může se jednat i o vysoce legované oceli. Aby se zabránilo vzniku trhlin, jsou před svařováním zahřáté na 200. 400 0 C s následným žíháním. Například BSt5ps; ocel 40, 45, 50, 35HH.
Čtvrtá skupina – oceli špatně svařitelné, prakticky nesvařitelné kvůli vysokému obsahu uhlíku a legujících prvků vedoucích ke vzniku trhlin. Jedná se například o oceli 60G, 70G, 50ХН, 80С, У7, У10, У13, 9ХС, ХВГ, 3Х2ВФ. Kvalita svarových spojů těchto ocelí je i přes předběžné a následné tepelné zpracování nízká.
Mezi oceli, které jsou neuspokojivě svařitelné, patří také oceli kalené za studena; tažením vyztužená výztuž, jejíž svařování vede k měknutí a zvýšené křehkosti.
Je třeba poznamenat, že svařitelnost betonářské oceli se liší od svařitelnosti plechů a tvarových válcovaných výrobků pro kovové konstrukce. Například výztužné tyče vyrobené z St5 se svařují lépe než ocelový plech stejné jakosti.
Svařitelnost ocelí je vlastnost kovu nebo kombinace kovů vytvářet se zavedenou technologií svařování spoj, který splňuje požadavky určené konstrukcí a provozem výrobku (DSTU 3761.1-98).
Svařitelnost oceli závisí především na obsahu hlavního (po železe) chemického prvku v ní – uhlíku. Dobře se svařují nízkouhlíkové oceli s obsahem C ≤ 0,25 %. Jedná se o oceli pro stavbu kovových konstrukcí. Když se obsah uhlíku zvýší na 0,45 %, svařitelnost oceli se zhoršuje; Vysokouhlíkové oceli – s obsahem uhlíku do 0,9 % – se špatně svařují.
Mnoho chemických prvků používaných při výrobě legovaných ocelí zhoršuje svařitelnost: například mangan Mn, chromCr, molybdenMo, vanadV, křemíkSi, měďCu, stejně jako nečistota – fosforР.
Se zvýšením obsahu uhlíku v oceli, jako chemického prvku nejvíce studovaného pro svůj vliv na různé vlastnosti oceli, se zvyšuje pravděpodobnost heterogenity segregace kovu a uvolňování sulfidových inkluzí podél hranic zrn, které podporují tvorbu trhlin. ; zvyšuje se tendence k tvorbě velmi křehké martenzitické struktury v tepelně ovlivněné zóně (HAZ), zvyšuje se vnitřní pnutí a tendence oceli tvořit trhliny. Legující prvky v oceli působí ve větší či menší míře podobným způsobem.
Přitom při dodržení technologie svařování je svařitelnost mnoha nízkolegovaných konstrukčních ocelí dobrá i bez speciálních technologických opatření. Některé nízkolegované konstrukční oceli jsou uspokojivě svařovány, když se použijí další techniky.
2.3.2. Posouzení svařitelnosti oceli
Posouzení svařitelnosti oceli se provádí s přihlédnutím k řadě nejdůležitějších faktorů, které určují technologické a spotřebitelské vlastnosti válcované oceli, svarových spojů a švů:
– chemické složení kovu;
– rychlost ochlazování kovu během procesu svařování;
– povaha primární krystalizace a následných strukturních přeměn během chlazení;
– tendence kovu svarového spoje vytvářet vytvrzovací struktury;
– tendence svarového spoje vyrobeného z dané oceli vytvářet horké a studené trhliny;
– získání svaru s požadovaným chemickým složením, mechanickými a jinými vlastnostmi.
Za dlouhá desetiletí vývoje svařovací techniky při výrobě stavebních a jiných konstrukcí byl odhalen největší vliv na svařitelnost uhlíkaté sloučeniny v ní a menší vliv ostatních chemických prvků, a proto je jejich vliv přirovnáván k odpovídajícím množství (ekvivalentu) uhlíku.
2.3.2.1 Teoretické posouzení svařitelnosti
Toto posouzení se provádí na základě skutečného chemického složení oceli podle certifikátu výrobce.
Současný standard pro válcovanou ocel pro stavbu ocelových konstrukcí je GOST 27772-88, podle kterého je uhlíkový ekvivalent Cэ, %, určeno vzorcem
kde C, Mn, Si, Cr, Ni, Cu, V, P– hmotnostní podíly uhlíku, manganu, křemíku, chrómu, niklu, mědi, vanadu a fosforu, %.
Podle uhlíkového ekvivalentu a s tím související tendence ke kalení a tvorbě studených trhlin se oceli dělí podle svařitelnosti na svařitelnost:
– dobře svařované bez tvorby tuhnoucích struktur a trhlin v široké škále režimů, tlouštěk a konstrukčních tvarů;
– uspokojivě svařitelný, málo náchylný k tvorbě studených trhlin při správné volbě režimů svařování, v některých případech je vyžadován ohřev;
– oceli s omezenou svařitelností jsou náchylné k praskání, možnost změny odolnosti proti praskání vlivem svařovacích režimů je velmi omezená, je nutný ohřev;
– oceli, které jsou špatně svařitelné, jsou velmi náchylné na kalení a praskání a vyžadují ohřev a speciální svařovací techniky a tepelné zpracování při svařování.
Nejčastěji se tato metoda používá při vývoji technologie svařování při výrobě konstrukcí. Konečné posouzení svařitelnosti lze provést po sérii zkoušek (metalografických, mechanických atd.) provedených na vzorcích (experimentální zkoušky) v souladu s doporučeními GOST, DSTU, DBN, TU atd.
