Под свариваемостью понимается комплексная технологическая характеристика металлов и сплавов, определяющая влияние процесса сварки на свойства свариваемых материалов и их техническую пригодность для выполнения сварных соединений с заданными свойствами. Свариваемость зависит от многих факторов, и степень ее у различных материалов различна.
Степень свариваемости показывает, насколько изменяются свойства материала при сварке и выполнимо ли сварное соединение при данных условиях. Для оценки свариваемости существует ряд показателей свариваемости, которые определяются методом сравнивания соответствующих показателей свариваемого материала и сварного соединения и измеряется в %. Например, показатель свариваемости по временному сопротивлению разрыву, по ударной вязкости и т. д.
Обычно свариваемость оценивают по совокупности характеристик, которые определяются в соответствии с конкретными требованиями, предъявляемыми к сварной конструкции. Как правило, к указанным характеристикам относят испытания:
на сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин (на технологическую прочность), статическую прочность, ударный изгиб, усталостную прочность и прочность при низких температурах, на длительную прочность при высоких температурах, а также другие испытания.
Технологическая прочность сварных соединений представляет собой их способность без разрушений выдерживать различного рода воздействия, которые могут возникнуть в процессе сварки, остывания или вылеживания сварных конструкций, под влиянием сварочных деформаций и напряжений.
Основной критерий технологической прочности сварных соединений, определяющий эксплуатационную их надежность - сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин. К горячим относятся трещины, образующиеся в сварном соединении (сварном шве), в процессе кристаллизации металла после или в процессе сварки либо при работе сварных конструкций в условиях высоких температур вследствие вязкопластичных деформаций. Холодные трещины образуются в сварном соединении в твердом состоянии, как правило, под влиянием фазовых превращений в сталях после окончания сварки по истечению достаточно продолжительного времени (до нескольких суток).
Рассмотрим механизм образования горячих трещин. Зависимость пластичности металла от температуры. Так при повышении температуры пластичность высокая, однако, при достижении металлом температуры, при которой начинается оплавление зерен пластичность резко падает, достигая при этом 0,1-0,5 % первоначальной. Низкий уровень пластичности сохраняется вплоть до достижения температуры плавления. Интервал температур между точками солидуса и ликвидуса, для которого пластичность находится на низком уровне, называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). Явление ТИХ характерно как для процесса плавления, так и процесса кристаллизации при охлаждении сварного соединения (шва) в процессе сварки. Поэтому, если в процессе сварки на сварное соединение действуют усилия, приводящие к деформации удлинения (в первую очередь температурные) и превышающие уровень пластичности, то в сварном шве или вблизи линии сплавления могут образовываться продольные или поперечные горячие трещины.
Схема, объясняющая механизм образования горячей трещины в стыковом шве. При сварке встык двух достаточно узких пластин происходит температурная деформация значительной величины, пластины изгибаются в разные стороны, зазор между ними увеличивается, рядом со сварочной ванной создается значительное удлинение металла, в результате чего в шве образовывается продольная горячая трещина.
Чем меньше пластичность металла в температурном интервале хрупкости, чем шире этот интервал и чем больше скорость изменения деформации от температуры, тем больше вероятность образования горячих трещин.
Поскольку величина ТИХ и степень снижения пластичности в нем для каждого металла свои, образование горячих трещин в конечном итоге зависит от состава и свойств основного металла и металла шва, а также от конструктивных особенностей сварного соединения и выбранной технологии сварки, включая сборочно-сварочные приспособления и оснастку. Для повышения технологической прочности сварных соединений путем уменьшения возможности образования горячих трещин необходимо повысить пластичность металла в температурном интервале хрупкости, уменьшить ширину этого интервала, а также исключить или уменьшить до минимума деформации металла сварного соединения в высоко температурной области. Для этого необходимо: правильно подобрать присадочный металл; улучшить по возможности качество и свойство основного металла, в необходимых случаях заменить его; избегать при проектировании пересечения швов или их параллельности на близком расстоянии; применять приспособления и оснастку, уменьшающие деформации при сварке, и т. д.
Механизм образования холодных трещин достаточно сложен, на возникновение холодных трещин влияет много внутренних и внешних факторов. Наиболее часто холодные трещины возникают в сварных конструкциях из легированных сталей, склонных к закалке. В этом случае в сварном соединении в процессе сварки могут образовываться зоны полной или частичной закалки, а наличие в соединении остаточных сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Холодные трещины возникают на участке зарождения размером в пределах нескольких зерен металла, причем разрушение происходит по границам зерен и носит хрупкий характер. Далее, на участке распространения трещины развитие разрушения может сопровождаться пластической деформацией.
Причины появления холодных трещин в сварных соединениях достаточно разнообразны. Основные из них: закалочные напряжения, возникающие при увеличении объема металла при мартенситном превращении аустенита;
образование участков зарождения трещин в местах концентрации примесей на границах аустенитных зерен при нагреве, при сварке, в присутствии водорода;
скопление неметаллических включений в околошовных зонах при полосчатой структуре сталей.
Перечисленные причины характерны в основном для среднелегированных сталей мартенситного, ферритного, перлитного и перлитоферритного классов. К факторам, способствующим возникновению холодных трещин, следует отнести наличие водорода в металле сварного соединения, а также присутствие растягивающих напряжений. Поскольку образование холодных трещин происходит при пониженных напряжениях, сварочные напряжения могут привести к их возникновению.
Для металлов, склонных к холодным трещинам при сварке, сопротивляемость их возникновению возрастает со временем, а также при нагреве и охлаждении. Охлаждение до температур - 70 °С или нагрев до 200-300 °С полностью исключают возможность появления трещин, а нагрев до 100-150°С существенно ослабляет склонность к трещинообразованию.
В зависимости от конкретных условий холодные трещины могут образовываться в сварном шве, околошовной зоне, зонах термического влияния и сплавления. Они могут быть продольными и поперечными, входящими на поверхность соединения, и внутренними. Для предупреждения появления холодных трещин необходимо осуществить тщательный выбор основного и сварочных материалов, разработать рациональный режим сварки термической обработки, включая предварительный, сопутствующий и последующий подогрев сварного соединения.
Для определения склонности металлов и сварных соединений к образованию горячих и холодных трещин существует целый ряд методов механических испытаний на специальных образцах, имитирующих условия, при которых осуществляется сварка, или провоцирующих условия возникновения трещин. Вместе с тем существует методика предварительной оценки склонности металла к образованию трещин. В этом случае технологическая прочность сварного соединения, точнее - основного металла, предварительно оценивается по химическому составу, путем определения эквивалента углерода. Для подсчета величины эквивалента углерода существует несколько методов (формул).
В формулу для подсчета эквивалента углерода входит химический состав металла (стали), а точнее - процентное содержание легирующих элементов.
В зависимости от химического состава сталь может иметь удовлетворительную сопротивляемость горячим и холодным трещинам при содержании углерода и легирующих примесей на нижнем пределе и практически не сваривается при их содержании на верхнем пределе.