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 [1, 3, 6, 9, 11, 12], 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.

Эксплуатационные показатели изделий со сварной конструкцией регламентируются требованиями нормативно-технической документации. Это может быть показатель или комплекс показателей в зависимости от назначения и условий эксплуатации изделий. Если эксплуатационные показатели изделий находятся в заданных техническими требованиями пределах, то конструкционный материал поддается сварке или обладает свариваемостью. Если не обеспечивается нижний предел технических требований хотя бы по одному эксплуатационному показателю, то материал не поддается сварке, не обладает свариваемостью.

Следует отметить, что при таком комплексном подходе свариваемость одного и того же материала может быть оценена различно в зависимости от назначения изделия:

• сварное соединение, полученное одним и тем же видом сварки, может быть признано в одном случае пригодным, а в другом — непригодным для эксплуатации;

• конструкционный материал, не способный к образованию сварного соединения одним видом сварки, можно сваривать другим;

• конструкция сварного соединения и расположение его на изделии выбраны таким образом, что образование сварного соединения исключено, в результате чего данный материал или вид сварки может быть признан непригодным.

Учитывая, что стандартное определение свариваемости носит прикладной характер и отражает функциональное назначение изделий со сварной конструкцией в условиях эксплуатации, целесообразно ввести в употребление новый термин — функциональная свариваемость, по аналогии с функциональной взаимозаменяемостью. Как известно, функциональная взаимозаменяемость находит широкое применение в машиностроении и предусматривает взаимозаменяемость изделий с сохранением их заданных эксплуатационных показателей в необходимых пределах и в течение заданного времени [4].

Определение функциональной свариваемости практически полностью совпадает по сути с определением свариваемости по ГОСТ 29273–92 — функциональная свариваемость — свойство металлов и сплавов образовывать при соответствующей технологии сварки соединения с металлической целостностью, отвечающие требованиям нормативно-технической документации на эксплуатационные показатели конкретного изделия со сварной конструкцией.

Под конкретным изделием следует понимать изделие с заданными эксплуатационными показателями, функциональным назначением, типом конструкции, условиями эксплуатации. Металлическая целостность сварных соединений предусматривает отсутствие в них горячих и холодных трещин, пор и других дефектов сварки, нарушающих эту целостность.

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 [8].

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.

На основании анализа более 200 бинарных диаграмм состояния для 23 широко известных конструкционных металлов в работе [8] составлен прогноз физической свариваемости различных металлов между собой (рис. 4.1). Этот прогноз может быть использован для выбора пар металлов, обладающих физической свариваемостью, а также для выбора легирующих элементов для сплавов.

Физическую свариваемость разнородных металлов можно также прогнозировать по значениям их атомных радиусов и электроотрицательности. Взаимная растворимость элементов определяется подобием кристаллических решеток растворителя и растворяемого компонента, разницей в атомных радиусах компонентов и значениях электроотрицательности.

Для определения пределов растворимости строят диаграммы растворимости в координатах «атомный радиус элемента — электроотрицательность» [8]. На этих диаграммах строят два вспомогательных эллипса: внутренний — с большой осью размером ± 0,2 единицы электроотрицательности и малой осью размером ± 8 % разницы в атомных радиусах и внешний — с большой осью ± 0,4 единицы электроотрицательности и малой осью ± 15 % разницы в атомных радиусах (рис. 4.2). В пределах малого эллипса находятся металлы, образующие неограниченные твердые растворы с данным металлом-растворителем. Между малым и большим эллипсами располагаются металлы с ограниченной растворимостью в металле-матрице. За пределами большого эллипса валентный и размерный факторы неблагоприятны для образования твердых растворов, т. е. для образования сварного соединения.

Рис. 4.1. Прогноз возможности сварки разнородных металлов по диаграммам состояния:
X — свариваемые пары, образующие интерметаллические соединения; S — хорошо свариваемые пары,
образующие твердые растворы; C — поддающиеся сварке пары, отличающиеся образованием сложной
микроструктуры; D — данных недостаточно, для сварки необходимы особые меры; N — сведения отсутствуют

Исключение из описанной полуэмпирической теории растворимости составляют системы тугоплавких металлов: вольфрам—хром, ванадий—хром и другие, в которых может наблюдаться образование промежуточных фаз, хотя их кристаллические решетки подобны, а их электроотрицательность благоприятна для образования твердых растворов.

Физическая свариваемость является необходимым, но недостаточным условием существования функциональной свариваемости. Например, в период промышленного внедрения титановых сплавов, обладающих физической свариваемостью между собой, возникли проблемы технологического обеспечения функциональной свариваемости, связанные с образованием при сварке в поверхностных слоях газонасыщенного (альфированного) слоя.

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 [6, 10]. 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.

Рис. 4.2. Влияние атомного радиуса и электроотрицательности на растворимость различных легирующих
элементов в твердом состоянии в железе (а) и в ниобии (б)

Как правило, известная технологическая свариваемость различных материалов является банком данных для функциональной свариваемости. На основании анализа технологической свариваемости выбранного конструкционного материала выбирают необходимые данные для обеспечения функциональной свариваемости: вид и режимы сварки, сварочные расходуемые материалы и др.

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.

Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств сварных соединений и устранения в них дефектов проводят специальные технологические мероприятия:

• используют термический цикл сварки, устраняющий образование закалочных структур (предварительный и сопутствующий подогревы, сварка короткими участками и др.);

• с целью уменьшения содержания водорода в металле сварного соединения улучшают защиту металла сварочной ванны, выполняют тщательную подготовку поверхности свариваемых кромок и сварочных материалов, используют флюсы и электродные покрытия с низким содержанием водорода и др.;

• производят термическую обработку сварного соединения непосредственно после сварки (нормализация, закалка с отпуском и др.);

• применяют технологические приемы, снижающие остаточные напряжения (сварка каскадом, использование приспособлений, создающих напряжения сжатия и др.)

В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней технологической свариваемости: хорошую, удовлетворительную, ограниченную и плохую. Первоначально такое деление технологической свариваемости относилось к сталям, а в дальнейшем распространилось на другие металлы и сплавы [17].

В основе классификации сталей по технологической свариваемости обычно лежит эквивалент углерода, от значения которого устанавливают ту или иную степень свариваемости с необходимыми технологическими мероприятиями по ее обеспечению. Такая классификация сталей, применяемых в объектах котлонадзора, приведена в табл. 4.1 [3].

Значение эквивалента углерода С_Э определялось по формуле:

При расчете эквивалента углерода массовые доли химических элементов выражают в процентах.

Стандартная классификация материалов по технологической свариваемости отсутствует, поэтому в некоторых случаях эту классификацию проводят на различное число степеней свариваемости (рис. 4.3, 4.4) [12].

При различных видах сварки степень технологической свариваемости может определяться специфическими особенностями, присущими данному виду сварки. Например, при ультразвуковой сварке металлов с кубической гранецентрированной, кубической объемноцентрированной и гексагональной решетками свариваемость ухудшается в пропорции 24 : 8 : 6. Это обусловлено тем, что металлы с разной кристаллической структурой обладают неодинаковой способностью проводить ультразвуковые колебания. Мерой количественной оценки свариваемости металлов и сплавов служат числовые значения показателей свариваемости, каждый из которых представляет выраженный в абсолютных или относительных величинах результат сравнения полученного при испытании или расчете значения с нормативным значением определяемого свойства сварного соединения.

Число показателей свариваемости может быть различно в зависимости от совокупности характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений.

Практически пользуются набором основных показателей, типовых для каждого вида материалов и условий эксплуатации изготовленных из них сварных конструкций.