Сварка – это сложная химическая реакция, которая протекает при экстремально высоких температурах. В этот момент металл находится в расплавленном состоянии, поэтому повышается возможность попадания нежелательных элементов в структуру будущего сварного шва. Они называются примесями и могут изменить свойства соединения. Даже ничтожно малые концентрации некоторых элементов оказывают разрушительное воздействие на металл. Например, содержание серы всего в несколько десятых долей процента может привести к образованию горячих трещин в сварном шве.
Классификация примесей по их природе и воздействию
Примеси в сварное соединение могут попадать из основного металла, особенно если он содержит значительные количества вредных элементов. Источником загрязнения может стать сварочный материал – электроды, проволока или флюс низкого качества. Также примеси могут попадать из атмосферы сварки, особенно при недостаточной защите расплавленного металла от воздействия кислорода и азота воздуха.
Примеси газов или невидимые разрушители
Газовые примеси особенно опасны из-за того, что невидимы. И водород тут занимает особое место, так как хорошо растворяется в расплавленном металле. При высоких температурах сварки атомы водорода легко проникают в кристаллическую решетку металла, но при охлаждении их растворимость резко снижается.
При быстром охлаждении сварного шва водород не успевает выделиться и остается в структуре металла в виде атомов, которые создают внутренние напряжения. Они могут привести к образованию холодных трещин, которые появляются через несколько часов или даже дней после завершения сварки.
Для обычных конструкционных сталей максимально допустимое содержание водорода в металле сварного шва составляет 5-6 мл на 100 граммов металла. Для высокопрочных марок, склонных к закалке, содержание этого газа не должно превышать 2-3 мл на 100 грамм.
Кислород – это активный элемент, который легко вступает в реакцию с металлом, образует оксиды. У них более низкая температура плавления, чем у основного материала. Поэтому оксидные включения действуют как концентраторы напряжений. Они снижают механические свойства сварного соединения.
Кроме того, кислород способствует выгоранию легирующих элементов, что особенно критично при сварке высоколегированных сталей. Для обычных конструкционных сталей его содержание не должно превышать 0,03-0,05%.
Азот оказывает комплексное воздействие на сварной шов. Небольшие его количества способствуют измельчению зерна и повышению прочности. Но избыточное содержание азота приводит к образованию нитридов. Они повышают твердость, но снижают пластичность металла, делают его хрупким. Для большинства сталей оптимальное содержание азота находится в диапазоне 0,006-0,012%.
Металлические примеси – нарушители кристаллической структуры
Металлические примеси изменяют свойства сварного шва путем воздействия на кристаллическую структуру и фазовый состав металла. Сера – одна из наиболее вредных металлических примесей. Она образует легкоплавкие сульфиды, которые располагаются по границам зерен. Под воздействием нагрузки эти сульфидные включения становятся очагами разрушения, что приводит к снижению пластических свойств металла и росту риска образования горячих трещин.
Фосфор особенно опасен для низкоуглеродистых сталей, так как склонен к ликвации или неравномерному распределению в объеме металла. У областей с повышенным содержанием фосфора понижается температура плавления и при охлаждении они кристаллизуются в последнюю очередь. Это создает условия для образования горячих трещин, снижает сопротивление хрупкому разрушению при низких температурах.
Углерод, хотя и не является примесью в классическом понимании, но требует контроля содержания в сварном шве. Его избыточное количество приводит к образованию мартенситных структур при охлаждении. В результате значительно повышается твердость, но снижается пластичность металла. Это особенно критично при сварке толстостенных изделий, где скорость охлаждения высока.
Механизмы воздействия примесей на структуру металла
Чтобы понять влияние примесей на качество сварного шва, необходимо рассмотреть процессы, происходящие при кристаллизации расплавленного металла. Это переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием упорядоченной кристаллической структуры. И примеси могут изменить этот процесс.
При кристаллизации чистого металла все элементы занимают свои места в строгом порядке. Примеси действуют как препятствия, которые нарушают эту структуру. Они могут располагаться между кристаллами, ослаблять связи между ними, или встраиваться в кристаллическую решетку, искажать ее и создавать внутренние напряжения.
Скорость кристаллизации также играет важную роль в формировании структуры сварного шва. При быстром охлаждении, характерном для процесса сварки, примеси не успевают равномерно распределиться по объему металла и концентрируются в определенных областях. Это явление называется ликвацией и приводит к неоднородности свойств по сечению сварного шва.
Образование интерметаллических соединений
Многие примеси способны образовывать с основным металлом интерметаллические соединения. Это химические соединения с упорядоченной кристаллической структурой, которые отличаются от структуры чистых металлов. Такие соединения характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, что негативно сказывается на пластических свойствах сварного шва.
Особенно опасны интерметаллиды, которые образуются при взаимодействии железа с алюминием, кремнием или титаном. Эти соединения могут формироваться как в объеме металла шва, так и в зоне термического влияния. В результате образуются области с повышенной твердостью и склонные к хрупкому разрушению.
Специальные требования по содержанию примесей для различных групп сталей
К различным группам сталей предъявляются специфические требования к содержанию примесей. Это связано с особенностями их химического состава и условиями эксплуатации. Понимание этих различий необходимо для правильного выбора технологии сварки и контроля качества соединений.
Высокопрочные низколегированные стали отличаются повышенной чувствительностью к водороду из-за склонности к образованию мартенситных структур при охлаждении. Для них содержание водорода в металле шва не должно превышать 3-4 мл/100г. Содержание серы и фосфора ограничивается значениями 0,015% и 0,020% соответственно.
К коррозионностойким хромоникелевым маркам стали предъявляются особые требования к содержанию углерода в сварных швах. Содержание углерода больше 0,08% может привести к выделению карбидов хрома по границам зерен и снижению коррозионной стойкости. Поэтому для аустенитных сталей используются специальные сварочные материалы с пониженным содержанием углерода.
Жаропрочные стали, которые эксплуатируются при высоких температурах, чувствительны к содержанию серы. Она может приводить к ползучести по границам зерен. Для них содержание серы ограничивается значением 0,010-0,015%. Поэтому требуется использование качественных сварочных материалов и тщательный контроль технологии.
Хладостойкие стали, предназначенные для работы при температурах до -60°C и ниже, отличаются жесткими ограничениями по содержанию всех примесей, которые делают их хрупкими. Содержание фосфора не должно превышать 0,015%, серы – 0,010%, а кислорода – 0,020%.
Влияние толщины металла на допустимое содержание примесей
Толщина свариваемого металла влияет на допустимые концентрации примесей, так как от нее зависит скорость охлаждения сварного шва и уровень остаточных напряжений. При сварке листов толщиной до 10 мм скорость охлаждения относительно невелика, и большая часть водорода успевает выделиться из металла шва естественным путем. В этих условиях его допустимое содержание может составлять 6-8 мл/100г. При этом риск образования холодных трещин будет достаточно низким.
По мере увеличения толщины металла скорость охлаждения возрастает, и требования к содержанию водорода ужесточаются. Для металла толщиной 20-40 мм максимально допустимое содержание снижается до 4-5 мл/100г. При толщине свыше 60 мм значение уменьшается до 2-3 мл/100г.
Эта зависимость объясняется тем, что в толстом металле создаются более жесткие условия напряженного состояния, при которых даже небольшие концентрации водорода могут привести к образованию трещин. Кроме того, в толстом металле диффузия водорода затруднена, и он дольше остается в металле в критических концентрациях.
Аналогично изменяются и требования к другим примесям. Для толстостенных изделий содержание серы и фосфора ограничивается более жестко. Причина – высокие остаточные напряжения, которые увеличивают вероятность развития дефектов.