Теория свариваемости сталей и сплавов

Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин

ТЕОРИЯ СВАРИВАЕМОСТИ

СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Под редакцией Э.Л. Макарова

Москва

2014

УДК 621.79
ББК 34.641
М15

М15

Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ф. Терентьев

Макаров Э. Л.
Теория свариваемости сталей и сплавов / Э. Л. Макаров,
Б. Ф. Якушин; под ред. Э. Л. Макарова. — M. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2014. – 487, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3938-6
В монографии рассмотрены теоретические и практические аспекты свариваемости конструкционных сталей и сплавов. Приведены
экспериментальные методы оценки показателей свариваемости с помощью сварочных технологических проб и специализированных машинных испытаний. Показана возможность применения расчетных
методов, реализуемых с помощью компьютерных технологий с использованием специализированного программного обеспечения. На
основании анализа металлургических процессов в сварочной ванне,
кристаллизации металла шва, фазовых и структурных превращений в
твердом металле в условиях сварочного термического цикла трактуются результаты оценки свариваемости. Приведены принципиальные
металлургические, технологические и конструктивные способы обеспечения достаточной свариваемости сталей и сплавов.
Изложенные в монографии сведения будут полезны разработчикам
свариваемых материалов, технологам при проектировании технологи сварки конструкций, студентам и аспирантам, изучающим курс
теории сварочных процессов.

УДК 621.79
ББК 34.641

ISBN 978-5-7038-3938-6
c⃝ Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин, 2014
c⃝ Оформление. Издательство МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2014

Посвящается памяти Николая
Никифоровича
Прохорова
—
основателя теории технологической прочности металлов при
сварке

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время для производства сварных конструкций широко применяются конструкционные стали и сплавы: углеродистые,
легированные (низколегированные и среднелегированные), высоколегированные (аустенитные хромоникелевые и ферритные хромистые) стали, никелевые и алюминиевые сплавы и другие материалы. Одной из важных проблем сварки становится обеспечение свариваемости указанных материалов: стойкости против образования
сварочных дефектов (трещин, пор, несплавления шва с основным
металлом) и механических и специальных свойств металла сварных
соединений, соответствующих эксплуатационным требованиям.
В монографии с современных позиций рассмотрены теоретические и практические аспекты свариваемости всех упомянутых выше материалов. Обращено внимание на прикладной характер оценки свариваемости, достаточность которой определяется из условия
получения требуемых эксплуатационных свойств сварных соединений. Рассмотрены экспериментальные методы оценки показателей свариваемости с помощью сварочных технологических проб
и специализированных машинных испытаний. Показана возможность применения расчетных методов, реализуемых с использованием компьютерных технологий (специализированного программного обеспечения). На основании анализа металлургических процессов в сварочной ванне, кристаллизации металла шва, фазовых и
структурных превращений в твердом металле в условиях сварочного
термического цикла трактуются результаты оценки свариваемости.
Приведены принципиальные металлургические, технологические и
конструктивные способы обеспечения достаточной свариваемости
материалов.
Главы 3, 4—9 написаны Э.Л. Макаровым, главы 2, 10—13 —
Б.Ф. Якушиным, предисловие и глава 1 написаны авторами совместно. Общее редактирование монографии выполнено Э.Л. Макаровым.

Г л а в а 1

СВАРИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Понятие свариваемости

В сварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная (или трудносвариваемый материал) и плохая
(или несвариваемый материал) [1]. Однако четко не определены
признаки, характеризующие ту или иную степень свариваемости.
По одной из классификаций выделены следующие признаки.
Хорошая свариваемость означает, что сварные соединения, полученные в заданных технологических и конструктивных условиях
сварки, имеют требуемые механические свойства и качество (отсутствие недопустимых дефектов). Удовлетворительная свариваемость
соответствует случаю, когда хорошую свариваемость можно обеспечить выбором рационального режима сварки; ограниченная — когда
для этой цели необходимо применять специальные технологические
мероприятия (подогрев, отпуск и др.) или изменять способ сварки; плохая — когда никакими мерами невозможно достичь хорошей
свариваемости. Степень свариваемости материала устанавливается
в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии
и конструктивного оформления сварного соединения.
В настоящее время получил широкое применение прикладной
аспект понятия технологической свариваемости материалов, учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций [1, 2]. Соответствующее определение понятия свариваемости
дано в ГОСТ 26001—84: «. . .свариваемость — свойство металлов
или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным
конструкцией и эксплуатацией изделия».
Исходя из приведенного определения свариваемость зависит, с
одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного

1.2. Методы оценки свариваемости
5

оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции.
Эксплуатационные свойства сварных конструкций определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может
быть одно свойство или комплекс свойств в зависимости от назначения конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам
сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются,
то свариваемость материалов следует считать достаточной. Если не
обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из
эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость
материала будет признана недостаточной. Следует отметить, что
при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть оценена по-разному в зависимости от назначения изделия.
В связи с этим достаточная свариваемость для заданного варианта
конструкции может быть обеспечена оптимальной по сложности и
минимальной по трудоемкости и стоимости технологией сварки.

1.2. Методы оценки свариваемости

Количественные показатели свариваемости — это выраженные
«числом» характеристики, показывающие степень удовлетворения
требований к сварным соединениям по качеству (отсутствие дефектов или степени их допустимости) и значениям их механических и
специальных свойств. Показатели свариваемости определяют экспериментальными или расчетными методами. В первом случае применяют технологические пробы — сварные образцы специальной
конструкции, в которых моделируются термические и деформационные процессы, аналогичные процессам при сварке типовых конструкций из исследуемых материалов с учетом их габаритов и технологии сварки. Моделирование выполняется путем регулирования
режима сварки, искусственного подогрева или охлаждения, жесткого закрепления элементов образца при сварке или приложения
внешних сил. В результате испытаний таких образцов определяют
критические условия появления дефектов, по которым оценивают
склонность материала к образованию дефектов при сварке. На изломах образцов устанавливают тип дефекта, на шлифах и темплетах,
вырезанных из сварных соединений, определяют структуру, механические и специальные свойства различных зон соединений.
В ряде случаев оценка свариваемости выполняется с учетом
требований к фазовому составу структуры и свойствам локальных

Глава 1. Свариваемость материалов

зон сварного соединения — зоны сплавления, околошовного участка зоны термического влияния и др. Вследствие больших градиентов максимальных температур и скоростей охлаждения по сечению
сварного соединения локальные зоны с относительно постоянными свойствами имеют размеры порядка 0,1 мм, что затрудняет их
фиксацию и изучение на такой малой базе. Для подобных исследований применяют модельные образцы из основного металла (или
металла сварного шва) постоянного по длине прямоугольного или
круглого сечения, в которых на значительной длине (20. . .50 мм)
имитируются сварочные термические или термодеформационные
циклы. В результате получают базу для исследований, увеличенную во много раз по сравнению с аналогом в сварном соединении.
Имитация сварочных циклов осуществляется через нагрев проходящим током, токами высокой частоты, инфракрасным излучением с
последующим регулируемым охлаждением потоком защитного газа.
На модельных образцах выполняют металлографические исследования и механические испытания.
Значения параметров, полученные при испытаниях образцов
или определенные расчетом, по которым оценивают склонность
материалов к образованию дефектов при сварке и механические
свойства сварных соединений, принимаются за количественные
показатели свариваемости.
Расчетные методы определения показателей свариваемости материалов основаны на аналитических или статистических моделях,
описывающих физико-металлургические процессы в металлах при
сварке, в результате которых формируются структура и механические свойства металла сварных соединений. В ряде случаев расчетные методы реализованы в виде компьютерных программ, позволяющих рассчитать количественные показатели свариваемости
и определить оптимальные конструктивно-технологические параметры производства сварных конструкций.
В лабораторной практике показатели свариваемости часто используют для относительной сравнительной оценки металлургической (базовой) свариваемости материалов безотносительно к сварке
конкретных конструкций по одному из показателей (например, в
отношении склонности к образованию трещин, склонности к росту
зерна и др.). Испытание на свариваемость выполняют при регламентированных типах, размерах образцов (технологических проб)
и режимах их сварки.

1.3. Типовые показатели свариваемости
7

При прикладном использовании сведений о свариваемости по
отдельным показателям или их сочетанию судят, достаточна ли свариваемость материала применительно к сварке конкретного типа
конструкций и поведению сварных соединений при эксплуатации.
При этом число показателей свариваемости должно быть равно
числу характеристик и свойств, определяющих работоспособность
сварных соединений.

1.3. Типовые показатели свариваемости

В практике часто пользуются набором основных показателей,
типовых для разных видов материалов, технологий сварки, назначений и условий эксплуатации сварных конструкций. Выбор основных
показателей проводится в каждом конкретном случае с учетом того,
какие свойства и характеристики обеспечивают работоспособность
сварных конструкций (табл. 1.1).
Показатель свариваемости материала «склонность к образованию трещин» устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении модельных образцов и оценивается качественно

Таблица 1.1
Примеры типовых показателей свариваемости

Материал
сварной
конструкции

Характер
нагружения,
условия
эксплуатации

Типовые показатели свариваемости

Низкоуглеродистые стали
Статическое нагружение

Склонность к образованию в сварных швах:
– горячих трещин;
– газовой пористости

Углеродистые,
низколегированные и
среднелегированные стали

Статическое нагружение при
нормальной температуре

1. Склонность к образованию холодных трещин в околошовной зоне.
2. Нормативные значения механических свойств.
3. Склонность к образованию горячих трещин в сварных швах
Статическое нагружение при отрицательных температурах

1—3. То же.
4. Нормативные значения порога
хладноломкости

Глава 1. Свариваемость материалов

Окончание табл. 1.1

Материал
сварной
конструкции

Характер
нагружения,
условия
эксплуатации

Типовые показатели свариваемости

Углеродистые,
низколегированные и среднелегированные стали

Циклическое нагружение

1—4. То же.
5. Нормативное значение предела
усталости.
6. Нормативное значение критического коэффициента интенсивности напряжений

Высоколегированные стали
(аустенитные,
ферритные и др.)

Статическое и циклическое нагружение, корродирующие среды

1. Склонность к образованию горячих трещин в сварных швах.
2. Нормативные значения предела
длительной прочности при повышенных температурах.
3. Склонность к образованию межкристаллитной коррозии

Никелевые
сплавы

Статическое и циклическое нагружение, высокие
температуры, окисляющие газовые
среды

1. Склонность к образованию горячих трещин в сварных швах и в
зоне термического влияния.
2. Нормативные значения предела
длительной прочности при высоких температурах.
3. Склонность к межкристаллитной коррозии

Алюминиевые
сплавы

Статическое и циклическое нагружение

Склонность к образованию:
– горячих трещин в сварных
швах;
– газовой пористости в сварных
швах;
– оксидных пленок

или количественно критическим значением одного из варьируемых
при испытаниях факторов, обусловливающих трещинообразование.
Также применяется показатель свариваемости материала «стойкость против образования трещин», который устанавливается по
факту отсутствия трещин применительно к сварке конкретной конструкции. При использовании расчетных компьютерных методов
возможно оценить запас стойкости против образования трещин как
относительное превышение критического значения фактора трещи

1.3. Типовые показатели свариваемости
9

нообразования над действительным его значением, характерным для
сварной конструкции.
Показатель свариваемости «сопротивляемость образованию трещин» устанавливают при механических испытаниях модельных
образцов, когда воспроизводится разрушение, соответствующее
по характеру разрушению металла при образовании трещин. При
воспроизведении горячих трещин сопротивляемость оценивается
критическим темпом высокотемпературной деформации, при воспроизведении холодных трещин — минимальным разрушающим
напряжением.
Сопротивляемость образованию трещин является параметром
«технологической прочности металлов и сплавов при сварке».
(Термин был предложен профессором МВТУ им. Н.Э. Баумана
Н.Н. Прохоровым в связи со случаями разрушения металла сварных соединений в процессе сварки.) Технологическая прочность
металлов и сплавов — это способность сохранять сплошность в
процессе технологических тепловых и силовых воздействий при
изготовлении изделий (при сварке, литье, обработке давлением и
других процессах).
Технологическая прочность — «кинетический» параметр, непрерывно изменяющийся в зависимости от температуры, агрегатного
состояния, фазового состава структуры, скоростных характеристик
технологических нагрузок и других факторов. Для суждения о технологической прочности необходимо в процессе всего технологического цикла сопоставлять прочностные и пластические свойства материала с параметрами напряженно-деформированного состояния,
создаваемого технологическими нагрузками.
Условием обеспечения технологической прочности является
превышение в каждый текущий момент технологического цикла деформационной способности или сопротивления материала
разрушению над соответствующими параметрами напряженнодеформированного состояния. Нарушение этого условия приводит
к разрушению материала, например при сварке — к образованию
различного типа трещин: горячих, холодных, ламелярных и др.
Разработка металлургических, технологических и конструктивных методов обеспечения свариваемости новых материалов и конструкций возможна только на основе анализа физико-металлургических процессов при сварке, в результате которых формируются
структура, напряженно-деформируемое состояние и регулирование

Глава 1. Свариваемость материалов

которых позволяет обеспечить требуемые свойства сварных соединений и их стойкость против образования дефектов.
Установленные в результате многочисленных исследований зависимости показателей свариваемости от состава свариваемых материалов, способов и режимов сварки могут быть учтены при разработке хорошо свариваемых сталей и сплавов, сварочных материалов, стойких против образования сварочных дефектов, а также при
назначении оптимальных конструктивно-технологических параметров процесса изготовления сварных конструкций.

Литература к главе 1

1. Сварка и свариваемые материалы: справочник: в 3 т. Т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова. М.: Металлургия, 1991.
2. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / А.В. Коновалов,
А.С. Куркин, Э.Л. Макаров и др.; под ред. В.М. Неровного. — М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.