4.3.        Свариваемость металлов и сплавов

Под свариваемостью понимается свойство металла или сплава образовывать при сварке качественное соединение. Пониженная свариваемость проявляется в изменении структуры и физико-механических свойств материала в зоне, примыкающей к сварочному шву, образовании сварного шва с повышенной дефектностью в виде трещин, пор и раковин, а также деформации сварной конструкции за счет сварочных термических напряжений.

Прочность и твердость шва, как правило, ниже чем у основного металла. Это объясняется тем, что для предотвращения дефектов в сварном шве сварку многих сталей и сплавов выполняют  низколегированными сварочными материалами. Образующаяся при этом крупнозеренная литая структура определяет пониженную пластичность сварного шва.

Зона термического влияния (ЗТВ) представляет участок сварного соединения, прилегающего к шву, в котором под действием нагрева происходят активные структурные изменения, приводящие к укрупнению зерна, оплавлению границ зерен, а в сплавах с полиморфными превращениями возможно образование  микроструктуры закалочного типа. В результате таких изменений возможно резкое повышение твердости и снижение пластичности.

Для металлов с пониженной свариваемостью характерно образование горячих и холодных трещин как в самом шве, так и в ЗТВ.

Горячие трещины образуются в период кристаллизации сварного шва, когда металл находится в двухфазном твердо-жидком состоянии, в результате развития внутренних сварочных деформаций растяжения, приводящих к разрушению материала по незатвердевшим жидким прослойкам между кристаллитами. Как правило, горячие трещины образуются вдоль оси сварных швов в зоне стыка столбчатых кристаллитов, где завершается кристаллизация шва. Склонность к горячим трещинам повышается при наличии в металле шва вредных примесей, которые обладают повышенной склонностью к ликвации и образованию легкоплавких соединений.

Холодные трещины чаще всего возникают в ЗТВ после полного затвердевания сварного шва в период окончательного охлаждения или последующего вылеживания сварной конструкции в течение нескольких суток. Холодные трещины характерны для сплавов, претерпевающих при сварке закалку, усиленный рост зерна, повышенное насыщение газами, особенно водородом. Эти процессы приводят к понижению прочности и пластичности металла. Если сварочные напряжения превышают прочность материала в указанном состоянии, то образуются холодные трещины.

Поры в сварных швах образуются в процессе кристаллизации сварного шва в результате выделения газов из пересыщенного газами затвердевающего металла. Основные причины появления пор:

· насыщение жидкого металла сварной ванны газами вследствие повышенной влажности электродных покрытий, флюсов и  защитных газов;

· нарушение защиты и интенсификация окислительных процессов в шве;

· охлаждение сварных швов при кристаллизации с большой скоростью, вследствие чего затрудняется выход пузырьков газа из кристаллизующегося шва в атмосферу.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью и соединяются большинством способов сварки без особых трудностей.

Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода более 0,3 % при типовых режимах сварки претерпевают закалку в зоне термического влияния. Исполь

зование таких сталей в жестких сварных узлах может приводить к образованию холодных трещин в зонах повышенных внутренних напряжений. При насыщении металла водородом склонность к холодным трещинам возрастает из-за понижения пластичности и повышения твердости. Источником водорода при сварке может быть влага в покрытиях электродов, флюсах и защитных газах, которая разлагается в дуге, и атомарный водород насыщает жидкий металл сварочной ванны.

Для обеспечения хорошей свариваемости при дуговой сварке рекомендуется:

· предварительный и последующий прогрев заготовки до температуры 100…300 оС в целях замедленного охлаждения и исключения закалки зоны термического влияния;

· прокалка электродов и флюсов при температуре 400…500 оС в течение 3 часов;

· осушение защитных газов для предупреждения попадания водорода в металл сварного соединения;

· низкий или высокий отпуск сварных соединений сразу после окончания сварки в целях повышения пластичности закалочных структур и удаления водорода.

Высоколегированные и коррозионностойкие стали характеризуются плохой свариваемостью. При сварке таких сталей на режимах, обусловливающих продолжительное пребывание металла в области температур 500…800 оС, возможна потеря коррозионной стойкости металлом в зоне шва и области термического воздействия. Причиной этого является образование карбидов хрома на границах зерен и обеднение приграничных участков зерен хромом. В результате металл сварного соединения становится склонным к так называемой межкристаллитной коррозии.

При дуговой сварке для предупреждения межкристаллитной коррозии сварных соединений рекомендуется сварка на малых погонных энергиях с применением медных теплоотводящих подкладок в целях получения жестких термических циклов и уменьшения времени пребывания металла при высоких температурах. Термическая обработка после сварки предусматривает нагрев заготовки до температуры 1100 оС и закалку в воду. В этом случае происходит растворение карбидов, а закалка фиксирует чисто аустенитную структуру.

При дуговой сварке аустенитных сталей  возможно образование в сварных швах горячих трещин. Они обусловлены широким интервалом кристаллизации вследствие повышения содержания легирующих и наличия вредных примесей, в частности серы. Образованию горячих трещин способствует также крупнозеренная столбчатая макроструктура шва, при которой его кристаллизация завершается при наличии жидкофазных прослоек  большой протяженности.

Для предупреждения возникновения горячих трещин рекомендуется вводить в сварочные материалы Si, Al, Mo, Mn и другие элементы, способствующие измельчению зерна, и снижать содержание вредных примесей.


Чугун относится к материалам, обладающим плохой свариваемостью. При  сварке происходит отбеливание чугуна и его закалка в зоне термического влияния. Горячую сварку чугуна выполняют с предварительным нагревом до температуры 400…700 оС в печах, а сваренные детали охлаждают вместе с печью. При холодной сварке (сварка без подогрева) применяют стальные, медножелезные, медноникелевые электроды и электроды из аустенитного чугуна.

На свариваемость меди большое влияние оказывают содержащиеся в ней вредные примеси (O2, H2, Bi, Pb  и др.). Кислород, находящийся в виде оксида Cu2O  является одной из причин образования горячих трещин. Двуокись меди образует с медью легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам кристаллитов и снижает температуру их затвердевания. Такое же действие оказывают Bi  и Pb. Наличие сетки эвтектики по границам зерен делает шов более хрупким при нормальных температурах.

В расплавленной меди водород имеет высокую растворимость, которая резко понижается при кристаллизации. Выделение водорода при затвердевании сварочной ванны может привести к образованию газовой пористости. Водород, оставшийся в растворенном состоянии в твердом металле, вступает в реакцию с двуокисью меди, в результате чего выделяются водяные пары. Последние не растворяются в меди и скапливаются под высоким давлением в микропустотах, что приводит к так называемой водородной хрупкости. Водородная хрупкость может привести к образованию холодных трещин.

Медь обладает высокой теплопроводностью, поэтому плохо сваривается методами контактной сварки.

Основная трудность при сварке латуней – испарение цинка. В результате снижается прочность и коррозионная стойкость латунных швов. Пары цинка ядовиты, поэтому необходима интенсивная вентиляция или  сварщики должны работать в специальных масках. При сварке в защитных газах преимущественно применяют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом, так как при этом происходит меньшее испарение цинка, чем при использовании плавящегося электрода.

При газовой сварке лучшие результаты получают при применении  газового флюса. Образующийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид (В2О3) связывает пары цинка в шлак. Сплошной слой шлака препятствует выходу паров цинка из сварочной ванны. Латунь обладает меньшей теплопроводностью чем медь, поэтому для  металла толщиной свыше 12 мм необходим подогрев до температуры 150 оС.

Для сварки бронзы применяют те же способы и технологию, что и для сварки меди, за исключением оловянных бронз. Их сваривают с большой скоростью и без подогрева, так как при нагреве возможно выплавление легкоплавкого компонента – олова.

Латуни и бронзы имеют более высокое удельное электрическое сопротивление, чем медь, и они достаточно хорошо свариваются контактной сваркой.

При сварке конструкций из алюминиевых сплавов разноименных марок необходимо учитывать пониженную коррозионную стойкость сварных соединений. Следует иметь  в виду, что наличие тугоплавкой оксидной пленки приводит к несплавлению или образованию шлака.

Сварка конструкций из титановых сплавов имеет свои особенности. Титановые сплавы обладают высокой активностью к кислороду, азоту, водороду и повышенную чувствительность к перегреву (рост зерна), поэтому необходима установка для защиты внешней и внутренней сторон шва. Для ручной и полуавтоматической сварки предусматривают сварку в камерах с контролируемой атмосферой.

Заготовки из титановых сплавов не должны иметь закрытых полостей, карманов и т.п., так как эти элементы конструкции не позволяют производить травление для удаления слоя, насыщенного газами, после термической обработки узла. Титановые сплавы имеют повышенную чувствительность к замедленному разрушению сварных соединений, поэтому сварные узлы и детали рекомендуется подвергать после сварки отжигу для снятия остаточных напряжений.

При выборе металла для сварных заготовок необходимо учитывать не только его эксплуатационные свойства, но и свариваемость или возможность применения технологических мероприятий, обеспечивающих хорошую свариваемость. В процессе сварки металл подвергается термическим, химическим и механическим воздействиям. В связи с этим в различных зонах основного металла, расположенного вблизи шва, изменяются его состав, структура и свойства. Следовательно, механические и эксплуатационные свойства металла в зоне сварного соединения могут быть неравноценны свойствам основного металла.

Для получения сварных соединений, равноценных по работоспособности основному металлу, при конструировании сварных заготовок следует, по возможности, выбирать хо

рошо свариваемые металлы. К таким металлам относят спокойные низкоуглеродистые стали и многие низколегированные стали, ряд сплавов цветных металлов, применение которых не ограничивается какими-либо требованиями к виду и режимам сварки.

При применении в связи с эксплуатационной необходимостью металлов с пониженной свариваемостью конструкция детали должна учитывать эту особенность. Для сведения к минимуму неблагоприятных изменений свойств металла сварного соединения и исключения в нем дефектов необходимо применять виды и режимы сварки, оказывающие минимальные термическое и другие воздействия на металл, и проводить технологические мероприятия, снижающие влияние на него сварочных воздействий. Термическая обработка после сварки может в значительной степени устранять неоднородность свойств в сварных заготовках. Прочность зоны сварного соединения может быть повышена механической обработкой после сварки: прокаткой, проковкой и др.

Для сложных заготовок с элементами больших толщин и размеров при наличии криволинейных швов в различных пространственных положениях можно применять только хорошо свариваемые металлы. Для простых малогабаритных узлов возможно применение металлов с пониженной свариваемостью, поскольку при их изготовлении используют самые оптимальные виды сварки, например электронно-лучевую, диффузионную в вакууме и др.

В таблице 4.1. приведена технологическая свариваемость различных сплавов при сварке плавлением.

Таблица 4.1