5.2. Свариваемость основного металла

5.2.1. Понятие свариваемости

При сварке углеродистой и низколегированной стали углеродный эквивалент (С_э) используют как показатель, выражающий свариваемость.

где С, Mn, Si и т.д. – содержание химических элементов в стали, %.

При С_э ≥ 0,4% возможно образование трещин в таком металле.

В зоне, примыкающей к наплавленному слою, происходит изменение свойств основного металла под влиянием теплоты процесса наплавки. В этой зоне, называемой зоной термического влияния, металл имеет максимальную твёрдость и наибольшую чувствительность к трещинам. Повышение углеродного эквивалента основного металла сопровождается максимальным повышением твёрдости в зоне термического влияния. Поэтому при наплавке углеродистой и низколегированной стали углеродный эквивалент служит показателем для оценки сварочных свойств основного металла, а также для выбора режима предварительного подогрева.

Между углеродным эквивалентом и максимальной твёрдостью в зоне термического влияния существует практически линейная зависимость, выражаемая уравнением, выведенным для случая наплавки листа толщиной 20 мм покрытыми электродами диаметром 4 мм (I = 170A, v_н = 15 см/мин):

где H_max – максимальная твёрдость в зоне термического влияния по Виккерсу (нагрузка 100 Н); С_э – углеродный эквивалент.

При наплавке в большинстве случаев проблему составляет предотвращение образования горячих трещин, механизм возникновения которых состоит в следующем. Во время кристаллизации наплавленного металла на границах кристаллического зерна образуется легкоплавкий расплав (эвтектика), наличие которого на границах зерна становится причиной разрушения металла под влиянием усадочной деформации. Для оценки чувствительности к горячим трещинам Уилкинсон предложил показатель H.C.S. (склонность к горячим трещинам), рассчитываемый по уравнению:

где С, S, P и т.д. – содержание химических элементов в стали, %.

При H.C.S. < 1,7 трещины не возникают. Условием возникновения горячих трещин при наплавке является H.C.S. > 2 (при обычной сварке низколегированной стали трещины начинают возникать при H.C.S. > 4).

5.2.2. Состав и твёрдость наплавленного металла

Основной металл оказывает существенное влияние на состав и твёрдость наплавленного металла. В частности, составы, например, первого и второго слоёв отличаются друг от друга, что проявляется в твёрдости этих слоёв.

Состав n-го слоя наплавленного металла можно рассчитать по уравнению:

где C_w – содержание элемента в n-м слое наплавленного металла, %; C_f – содержание элемента в неразбавленном металле, %; C_p – содержание элемента в основном металле, %; Р – степень проплавления, %.

где А – площадь наплавленного металла по сечению валика, мм²; В – площадь участка проплавления основного металла по сечению валика, мм².

5.2.3. Структурная диаграмма Шеффлера

При наплавке коррозионно-стойкой стали на низкоуглеродистую и низколегированную сталь структура наплавленного металла может быть определена с помощью диаграммы Шеффлера (рис. 5.1). Линии с косыми штрихами на рисунке ограничивают области возникновения трещин или охрупчивания под влиянием термообработки. Следовательно, материалы и режим наплавки необходимо выбирать с ориентацией на треугольную область диаграммы Шеффлера, ограниченную значениями хромового эквивалента в пределах 18…24% и никелевого эквивалента в пределах 7…18%.

Рис. 5.1. Структурная диаграмма Шеффлера: 1 – валик, 2 – основной металл; 3 – линия, отражающая разбавление наплавляемого металла основным; 4 – низкоуглеродистая сталь; 5 – область охрупчивания, образования σ-фазы; М – мартенсит, холодные трещины при температуре ниже 400^оС (необходим предварительный подогрев); А – аустенит, горячие трещины при 1250^оС; Ф – феррит, укрупнение кристаллического зерна и охрупчивание при температуре выше 1150^оС, повышение чувствительности к надрезам при нормальной температуре