Svařitelnost ocelí

Při určování kritérií svařitelnosti kovů a jejich slitin se řídí následujícími vlastnostmi:

• citlivost kovu na tepelné účinky vznikající při svařování;
• sklon kovu k růstu zrn při zachování plastických a pevnostních vlastností, strukturální a fázové změny v tepelně ovlivněné zóně;
• chemická aktivita kovu, ovlivňující jeho oxidaci pod tepelným vlivem svařovacího procesu;
• odolnost kovu vůči tvorbě pórů a trhlin za studena i za tepla.

Na kvalitu ocelí má velký vliv jejich tzv. dezoxidace, která se vyznačuje obsahem manganu, křemíku a některých dalších prvků a rovnoměrností jejich rozložení. Na základě tohoto parametru se rozlišují tři typy oceli: vroucí – „kp“, poloklidný – „ps“ a klidný – „sp“.

Varná ocel se vyznačuje velkým nerovnoměrným rozložením škodlivých nečistot (zejména síry a fosforu) v tloušťce válcovaného výrobku a získává se, když je kov neúplně dezoxidován manganem. Charakteristickým znakem tohoto typu oceli je sklon ke stárnutí a tvorbě krystalizačních trhlin ve svaru a tepelně ovlivněné zóně, což vede k přechodu do křehkého stavu při teplotách pod nulou.

Klidná ocel se získá, když jsou nečistoty rovnoměrně rozloženy, takže je méně náchylná ke stárnutí a méně reaguje na svařovací teplo. Polotichá ocel zaujímá střední hodnotu mezi varem a klidem.

Všechny tyto vlastnosti jsou zohledňovány při volbě svařovacích technik, způsobů tváření svaru, tepelných parametrů atd.
Jako příklad uvedeme svařitelnost ocelí, jako nejběžnějších konstrukčních materiálů.

Pro svařované konstrukce je nejlepší použít nízkouhlíkové a nízkolegované oceli s vysokým stupněm svařitelnosti. Největší vliv na kvalitu svarového spoje má uhlík. Zvýšení obsahu uhlíku a řady dalších legujících prvků snižuje svařitelnost ocelí, zhoršuje kvalitu svaru. Svarové spoje vysokouhlíkových a vysoce legovaných ocelí se vyznačují zvýšeným obsahem trhlin a jsou vyrobeny speciální technologií.

Klasifikace ocelí podle svařitelnosti

ocel

Uhlík

Konstrukční slitina

Poznámka: Dobré oceli mají obsah uhlíku menší než 0,25 %. Dobře se svařují bez tvorby tuhnoucích struktur a trhlin v širokém rozsahu podmínek svařování.

Oceli klasifikované jako vyhovující mají obsah uhlíku 0,25 až 0,35 %. Jsou méně náchylné k praskání a při správně zvolených režimech svařování vytvářejí vysoce kvalitní šev. Pro zlepšení kvality svařování se často používá ohřev.

Oceli s omezenou svařitelností mají obsah uhlíku 0,36 až 0,45 % a jsou náchylné k praskání. Svařování vyžaduje povinné zahřívání. Špatně svařitelné oceli obsahují uhlík v množství větším než 0,45 %. Při jejich svařování jsou nutné speciální technologické postupy.

Legování oceli s jedním nebo více legujícími prvky jí dává určité fyzikální a mechanické vlastnosti. Zvyšování úrovně legování a pevnosti oceli zpravidla vede ke zhoršení její svařitelnosti, přičemž primární roli hraje uhlík.

Nízkolegované oceli se dobře svařují všemi metodami tavení. Získání stejně pevného svarového spoje při svařování, zejména u tepelně zpevněných ocelí, způsobuje určité potíže. V zónách vzdálených od vysokoteplotní oblasti dochází k plastické deformaci za studena. Když jsou aplikovány následné stehy, tyto zóny se stávají oblastmi stárnutí. To nakonec vede ke snížení plastických vlastností a zvýšení pevnostních vlastností kovu a v důsledku toho ke vzniku studených trhlin. U středně legovaných ocelí se zvyšuje náchylnost ke kalení, a proto jsou takové oceli vysoce citlivé na tepelný cyklus svařování. Ukazuje se, že jejich tepelně ovlivněná zóna je ostře vytvrzená, a tudíž neplastická při všech svařovacích režimech, které zajišťují uspokojivou tvorbu svaru. Proto, aby se při svařování těchto ocelí snížila rychlost ochlazování tepelně ovlivněné zóny, je nutné předehřátí svařovaného produktu.

Při svařování vysoce legovaného chromu 08X13, 08X17T a některých dalších ocelí existují charakteristické rysy:

• vysoký práh křehkosti oceli za studena, obvykle se nachází v oblasti kladných teplot;
• sklon k výraznému křehnutí v tepelně ovlivněné zóně;
• nízká tažnost a houževnatost svarového kovu vyrobeného svařovacími materiály s chemickým složením podobným oceli;
• neschopnost odstranit křehnutí tepelným zpracováním.

Svařování takových ocelí musí být prováděno s minimálním tepelným příkonem, protože se zvýšením tepelného příkonu se zvyšuje tendence zón svarového spoje k růstu zrn, vzniku mikrotrhlin a snížení tažnosti. Zároveň se snižuje odolnost svarového spoje proti lokálnímu poškození a mezikrystalické korozi. Během procesu svařování existuje riziko deformace a zvýšené úrovně zbytkového napětí. Po svařování je v některých případech nutné tepelné zpracování.

Oxidace kovu při tepelném působení svařovacího oblouku je určena jeho chemickou aktivitou. Na tom přímo závisí stupeň ochrany svaru použitého při svařování. Čím vyšší je chemická aktivita kovu, tím lepší by měla být ochrana. Chemicky nejaktivnější jsou titan, niob, zirkonium, wolfram, molybden, tantal a některé další. Proto při svařování těchto kovů nestačí použití tavidel a ochranných povlaků, protože nejen svarový šev, ale také oblast přilehlá k němu potřebuje ochranu. Nejúčinnější ochranou je v tomto případě svařování ve vakuu nebo v prostředí vysoce čistého inertního plynu.

Svařování dalších neželezných kovů (měď, hliník, hořčík, nikl a jejich slitiny) vyžaduje také vysokou ochranu, kterou zajišťují inertní plyny, tavidla a speciální povlaky elektrod. Pro svařování ocelí a slitin na bázi železa se jako ochranné prostředky používají tavidla a povlaky elektrod.

Svařitelnost je vlastnost kovu (nebo jiného materiálu) vytvářet se zavedenou technologií svařování spoj splňující požadavky dané konstrukcí a provozem výrobku (GOST 2601).

Svařitelnost různých kovů a jejich slitin se výrazně liší.

Stupeň svařitelnosti se posuzuje změnou vlastností svarového spoje ve vztahu k základnímu kovu. Čím vyšší je stupeň svařitelnosti slitiny, tím více metod a režimů svařování lze použít pro každou metodu. Příkladem dobré svařitelnosti je nízkouhlíková ocel.

Technologická svařitelnost je chápána jako poměr kovu ke konkrétní metodě a režimu svařování.

Fyzikální svařitelnost je určena procesy probíhajícími v zóně tavení svařovaných kovů, po jejichž dokončení se vytvoří trvalý svarový spoj. Všechny homogenní kovy mají fyzikální svařitelnost. Vlastnosti odlišných kovů často brání tomu, aby v zóně fúze proběhly nezbytné fyzikální a mechanické procesy. V tomto případě kovy nemají fyzickou svařitelnost.

Svařitelnost ocelí

<strong>Vliv prvků obsažených v ocelích na jejich svařitelnost</strong>

Uhlík. Nízkouhlíkové oceli se dobře svařují všemi druhy svařování. S rostoucím obsahem uhlíku v oceli se zvyšuje tvrdost a snižuje se tažnost. Kov ve svarovém spoji je vytvrzený a tvoří se trhliny. V důsledku intenzivní oxidace uhlíku při svařování vzniká značné množství plynových pórů.

Mangan. V množství 0,3. 0,8% mangan nezhoršuje svařitelnost oceli. Je to dobrý deoxidátor a pomáhá snižovat obsah kyslíku v oceli. Při obsahu manganu 1,5. 2,5% se zhoršuje svařitelnost a mohou se objevit trhliny v důsledku zvýšení tvrdosti oceli a tvorby kalících struktur.

Silikon. Obsah křemíku v uhlíkových ocelích je nevýznamný (0,03. 0,35 %). Křemík je zaveden jako dezoxidant a při obsahu do 1 % neovlivňuje svařitelnost. Když se obsah křemíku zvýší na více než 1 %, svařitelnost se zhoršuje, protože se tvoří žáruvzdorné oxidy, které vedou ke vzniku struskových vměstků. Svarový kov má zvýšenou pevnost, tvrdost a křehkost.

Chrome. V uhlíkových ocelích obsah chrómu nepřesahuje 0,25 % a v tomto množství není jeho vliv na svařitelnost významný. Konstrukční oceli typů 15Х, 20Х, 30Х, 40Х obsahují od 0,7 do 1,1 % chrómu. Při tomto obsahu chrómu se zvyšuje tvrdost a zhoršuje se svařitelnost, zejména se zvyšujícím se obsahem uhlíku. Nejhorší svařitelnost mají oceli obsahující značné množství chrómu (X5, 1X13, X17). Při svařování vznikají žáruvzdorné oxidy, snižuje se chemická odolnost oceli a vytvářejí se kalící struktury.

Nikl. Nikl zvyšuje pevnost a tažnost kovu svarového spoje a nezhoršuje svařitelnost.

Molybden. V žáruvzdorných ocelích je obsah molybdenu 0,2. 0,8 % a ve speciálních ocelích určených pro provoz za vysokých teplot se zvyšuje na 2. 3 %. Molybden výrazně zvyšuje pevnost a houževnatost oceli, ale způsobuje tendenci k tvorbě trhlin, a to jak v samotném svaru, tak v přechodové zóně.

Vanad. Vanad zvyšuje pevnost ocelí. Jeho obsah v nástrojových a zápustkových ocelích dosahuje 1,5 %. Vanad zhoršuje svařitelnost, protože může silně oxidovat a při svařování je nutné zavádět do tavicí zóny aktivní dezoxidanty.

Wolfram. Obsah wolframu ve speciálních (nástrojových a zápustkových) ocelích je do 2 %. Oceli obsahující wolfram mají značnou tvrdost a pevnost při vysokých teplotách. Wolfram zhoršuje svařitelnost, je silně oxidován, a proto svařování vyžaduje speciální techniky.

Titan a niob. Titan a niob zlepšují svařitelnost oceli. Při svařování vysokolegovaných chromových a chromniklových ocelí dochází k reakci uhlíku s chromem a vznikají karbidy chromu. To vede k poklesu obsahu chrómu podél hranic zrn, vzniku mezikrystalové koroze a destrukci svarů. Když je titan nebo niob zaveden do oceli v množství 0,5. 1 %, interagují s uhlíkem, což zabraňuje tvorbě karbidů chrómu.

Měď. V ocelích používaných pro kritické konstrukce je obsah mědi 0,3. 0,8 %. Měď zlepšuje svařitelnost, zvyšuje pevnost, plastické vlastnosti, rázovou houževnatost a odolnost ocelí proti korozi.

Síra. Zvýšený obsah síry vede k tvorbě trhlin za tepla při svařování. Nejvyšší přípustný obsah síry je do 0,06 %.

Fosfor. Zvýšený obsah fosforu zhoršuje svařitelnost, protože způsobuje vznik studených trhlin při svařování. Obsah fosforu v uhlíkových ocelích nesmí být vyšší než 0,08 %.

Kyslík. Kyslík zhoršuje svařitelnost oceli, snižuje její mechanické vlastnosti – pevnost, tažnost, rázovou houževnatost.

Dusík. Dusík z okolního vzduchu při chlazení svarové lázně tvoří nitridy železa, které zvyšují pevnost a tvrdost oceli a výrazně snižují tažnost.

Vodík. Vodík se do svarové lázně dostává z vlhkosti a koroze na kovovém povrchu, hromadí se v určitých místech svaru, tvoří plynové bubliny, způsobuje poréznost a drobné trhlinky.

<strong>Klasifikace ocelí podle svařitelnosti</strong>

Svařitelnost ocelí je hodnocena takovými kritérii, jako je sklon k tvorbě trhlin a mechanické vlastnosti svarového spoje.

Kvantitativní charakteristikou svařitelnosti oceli je ekvivalentní obsah uhlíku C_ek, který je určen vzorcem

С_ek = C + (Mn/6) + [(Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15],

kde C je obsah uhlíku, %;

Мn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – obsah legujících prvků (mangan, chrom, molybden, vanad, nikl, měď), %.

Největší vliv na svařitelnost oceli má množství uhlíku a legujících složek, které obsahuje.

Na základě svařitelnosti se oceli dělí do čtyř skupin: oceli s dobrou svařitelností, vyhovující svařitelností, omezenou svařitelností a špatně svařitelné oceli.

Do první skupiny patří oceli, které se svařují konvenční technologií bez ohřevu. Pro zmírnění vnitřního pnutí je možné použít tepelné zpracování.

Do druhé skupiny patří oceli, u kterých při svařování za běžných podmínek zpravidla nevznikají trhliny. Pro svařování ocelí této skupiny platí omezení tloušťky svařovaného produktu a okolní teploty.

Do třetí skupiny patří oceli, které jsou za běžných podmínek svařování náchylné k praskání. Při svařování se předběžně tepelně upravují a ohřívají. Většina ocelí této skupiny je navíc po svařování tepelně zpracována.

Do čtvrté skupiny patří oceli, které se nejobtížněji svařují a jsou náchylné k praskání. Tyto oceli jsou v omezené míře svařitelné, proto se svařování provádí s povinným předběžným tepelným zpracováním, s ohřevem během procesu svařování a následným tepelným zpracováním.

V tabulce Tabulka 1 ukazuje svařitelnost a podmínky svařování ocelí různých typů a jakostí.

Tabulka 1. Svařitelnost ocelí a podmínky svařování