Quanto conosci le prestazioni di saldatura dei materiali metallici?

La saldabilità dei materiali metallici si riferisce alla capacità dei materiali metallici di ottenere eccellenti giunti di saldatura utilizzando determinati processi di saldatura, inclusi metodi di saldatura, materiali di saldatura, specifiche di saldatura e forme strutturali di saldatura.Se un metallo può ottenere eccellenti giunti di saldatura utilizzando processi di saldatura più comuni e semplici, si ritiene che abbia buone prestazioni di saldatura.La saldabilità dei materiali metallici viene generalmente suddivisa in due aspetti: saldabilità di processo e saldabilità di applicazione.

Saldabilità del processo: si riferisce alla capacità di ottenere giunti saldati eccellenti e privi di difetti in determinate condizioni del processo di saldatura.Non è una proprietà intrinseca del metallo, ma viene valutata in base a un determinato metodo di saldatura e alle specifiche misure di processo utilizzate.Pertanto, la saldabilità del processo dei materiali metallici è strettamente correlata al processo di saldatura.

Saldabilità del servizio: si riferisce al grado in cui il giunto saldato o l'intera struttura soddisfa le prestazioni di servizio specificate dalle condizioni tecniche del prodotto.Le prestazioni dipendono dalle condizioni di lavoro della struttura saldata e dai requisiti tecnici proposti in fase di progettazione.Di solito includono proprietà meccaniche, resistenza alla tenacità alle basse temperature, resistenza alla frattura fragile, scorrimento alle alte temperature, proprietà alla fatica, resistenza duratura, resistenza alla corrosione e resistenza all'usura, ecc. Ad esempio, gli acciai inossidabili S30403 e S31603 comunemente usati hanno un'eccellente resistenza alla corrosione e 16MnDR e gli acciai a bassa temperatura 09MnNiDR hanno anche una buona resistenza alla tenacità alle basse temperature.

Fattori che influenzano le prestazioni di saldatura dei materiali metallici

1.Fattori materiali

I materiali includono metalli di base e materiali di saldatura.Nelle stesse condizioni di saldatura, i principali fattori che determinano la saldabilità del metallo base sono le sue proprietà fisiche e la composizione chimica.

In termini di proprietà fisiche: fattori come il punto di fusione, la conduttività termica, il coefficiente di dilatazione lineare, la densità, la capacità termica e altri fattori del metallo hanno tutti un impatto su processi come ciclo termico, fusione, cristallizzazione, cambiamento di fase, ecc. , influenzando così la saldabilità.I materiali con bassa conduttività termica come l'acciaio inossidabile presentano ampi gradienti di temperatura, elevate sollecitazioni residue e grandi deformazioni durante la saldatura.Inoltre, a causa del lungo tempo di permanenza ad alta temperatura, i grani nella zona interessata dal calore crescono, il che è dannoso per le prestazioni del giunto.L'acciaio inossidabile austenitico ha un elevato coefficiente di dilatazione lineare e gravi deformazioni e sollecitazioni dei giunti.

In termini di composizione chimica, l’elemento più influente è il carbonio, il che significa che il contenuto di carbonio del metallo ne determina la saldabilità.La maggior parte degli altri elementi di lega dell’acciaio non favoriscono la saldatura, ma il loro impatto è generalmente molto inferiore a quello del carbonio.All'aumentare del contenuto di carbonio nell'acciaio, aumenta la tendenza all'indurimento, diminuisce la plasticità e possono verificarsi cricche di saldatura.Di solito, la sensibilità dei materiali metallici alle cricche durante la saldatura e i cambiamenti nelle proprietà meccaniche dell'area del giunto saldato vengono utilizzati come indicatori principali per valutare la saldabilità dei materiali.Pertanto, maggiore è il contenuto di carbonio, peggiore è la saldabilità.L'acciaio a basso tenore di carbonio e l'acciaio a bassa lega con un contenuto di carbonio inferiore allo 0,25% hanno un'eccellente plasticità e resistenza agli urti, e anche la plasticità e la resistenza agli urti dei giunti saldati dopo la saldatura sono molto buone.Durante la saldatura non sono necessari il preriscaldamento e il trattamento termico post-saldatura e il processo di saldatura è facile da controllare, quindi ha una buona saldabilità.

Inoltre, lo stato di fusione e laminazione, lo stato di trattamento termico, lo stato organizzativo, ecc. dell'acciaio influiscono tutti sulla saldabilità a vari livelli.La saldabilità dell'acciaio può essere migliorata mediante raffinazione o raffinazione dei grani e processi di laminazione controllata.

I materiali di saldatura partecipano direttamente a una serie di reazioni chimico-metallurgiche durante il processo di saldatura, che determinano la composizione, la struttura, le proprietà e la formazione di difetti del metallo di saldatura.Se i materiali di saldatura vengono selezionati in modo improprio e non corrispondono al metallo di base, non solo non si otterrà un giunto che soddisfi i requisiti di utilizzo, ma verranno introdotti anche difetti come crepe e cambiamenti nelle proprietà strutturali.Pertanto, la corretta selezione dei materiali di saldatura è un fattore importante per garantire giunti saldati di alta qualità.

2. Fattori di processo

I fattori di processo includono metodi di saldatura, parametri del processo di saldatura, sequenza di saldatura, preriscaldamento, post-riscaldamento e trattamento termico post-saldatura, ecc. Il metodo di saldatura ha una grande influenza sulla saldabilità, principalmente in due aspetti: caratteristiche della fonte di calore e condizioni di protezione.

Diversi metodi di saldatura hanno fonti di calore molto diverse in termini di potenza, densità di energia, temperatura massima di riscaldamento, ecc. I metalli saldati sotto diverse fonti di calore mostreranno proprietà di saldatura diverse.Ad esempio, la potenza della saldatura elettroslag è molto elevata, ma la densità di energia è molto bassa e la temperatura massima di riscaldamento non è elevata.Il riscaldamento è lento durante la saldatura e il tempo di permanenza alle alte temperature è lungo, con conseguente grana grossa nella zona interessata dal calore e una significativa riduzione della resilienza, che deve essere normalizzata.Migliorare.Al contrario, la saldatura a fascio di elettroni, la saldatura laser e altri metodi hanno una bassa potenza, ma un'elevata densità di energia e un riscaldamento rapido.Il tempo di permanenza alle alte temperature è breve, la zona interessata dal calore è molto stretta e non vi è alcun pericolo di crescita dei grani.

La regolazione dei parametri del processo di saldatura e l'adozione di altre misure di processo come il preriscaldamento, il postriscaldamento, la saldatura multistrato e il controllo della temperatura dell'interstrato possono regolare e controllare il ciclo termico di saldatura, modificando così la saldabilità del metallo.Se si adottano misure come il preriscaldamento prima della saldatura o il trattamento termico dopo la saldatura, è del tutto possibile ottenere giunti saldati senza crepe che soddisfano i requisiti prestazionali.

3. Fattori strutturali

Si riferisce principalmente alla forma progettuale della struttura saldata e dei giunti saldati, come l'impatto di fattori quali forma strutturale, dimensioni, spessore, forma della scanalatura del giunto, disposizione della saldatura e forma della sezione trasversale sulla saldabilità.La sua influenza si riflette principalmente nel trasferimento di calore e nello stato di forza.Diversi spessori delle piastre, diverse forme dei giunti o forme delle scanalature hanno direzioni e velocità diverse di velocità di trasferimento del calore, che influenzeranno la direzione di cristallizzazione e la crescita dei grani del bagno fuso.L'interruttore strutturale, lo spessore della piastra e la disposizione della saldatura determinano la rigidità e il vincolo del giunto, che influisce sullo stato di sollecitazione del giunto.Una scarsa morfologia dei cristalli, una forte concentrazione di stress e un eccessivo stress di saldatura sono le condizioni fondamentali per la formazione di cricche di saldatura.Nella progettazione, la riduzione della rigidità del giunto, la riduzione delle saldature trasversali e la riduzione dei vari fattori che causano la concentrazione delle sollecitazioni sono tutte misure importanti per migliorare la saldabilità.

4. Condizioni d'uso

Si riferisce alla temperatura operativa, alle condizioni di carico e al mezzo di lavoro durante il periodo di servizio della struttura saldata.Questi ambienti di lavoro e condizioni operative richiedono che le strutture saldate abbiano prestazioni corrispondenti.Ad esempio, le strutture saldate che lavorano a basse temperature devono avere resistenza alla frattura fragile;le strutture che lavorano ad alte temperature devono avere resistenza al creep;le strutture che lavorano sotto carichi alternati devono avere una buona resistenza alla fatica;strutture che lavorano in ambienti acidi, alcalini o salini. Il contenitore saldato deve avere un'elevata resistenza alla corrosione e così via.In breve, quanto più severe sono le condizioni di utilizzo, tanto più elevati sono i requisiti di qualità per i giunti saldati e tanto più difficile è garantire la saldabilità del materiale.

Identificazione e indice di valutazione della saldabilità dei materiali metallici

Durante il processo di saldatura, il prodotto subisce processi termici di saldatura, reazioni metallurgiche, nonché sollecitazioni e deformazioni di saldatura, con conseguenti cambiamenti nella composizione chimica, nella struttura metallografica, nelle dimensioni e nella forma, rendendo le prestazioni del giunto saldato spesso diverse da quelle del giunto saldato. il materiale di base, a volte, non è nemmeno in grado di soddisfare i requisiti di utilizzo.Per molti metalli reattivi o refrattari, per ottenere giunti di alta qualità è necessario utilizzare metodi di saldatura speciali come la saldatura a fascio di elettroni o la saldatura laser.Minori sono le condizioni dell'attrezzatura e minori le difficoltà richieste per realizzare un buon giunto saldato da un materiale, migliore è la saldabilità del materiale;al contrario, se sono richiesti metodi di saldatura complessi e costosi, materiali di saldatura speciali e misure di processo, significa che il materiale La saldabilità è scarsa.

Quando si fabbricano prodotti, è necessario prima valutare la saldabilità dei materiali utilizzati per determinare se i materiali strutturali selezionati, i materiali di saldatura e i metodi di saldatura sono appropriati.Esistono molti metodi per valutare la saldabilità dei materiali.Ciascun metodo può spiegare solo un determinato aspetto della saldabilità.Pertanto, sono necessari test per determinare completamente la saldabilità.I metodi di prova possono essere suddivisi in tipo di simulazione e tipo sperimentale.Il primo simula le caratteristiche di riscaldamento e raffreddamento della saldatura;quest'ultimo verifica in base alle reali condizioni di saldatura.Il contenuto del test è principalmente quello di rilevare la composizione chimica, la struttura metallografica, le proprietà meccaniche e la presenza o l'assenza di difetti di saldatura del metallo di base e del metallo saldato e di determinare le prestazioni a bassa temperatura, le prestazioni ad alta temperatura, la resistenza alla corrosione e resistenza alla rottura del giunto saldato.

Caratteristiche di saldatura dei materiali metallici di uso comune

1. Saldatura dell'acciaio al carbonio

(1) Saldatura di acciaio a basso tenore di carbonio

L'acciaio a basso tenore di carbonio ha un basso contenuto di carbonio, un basso contenuto di manganese e silicio.In circostanze normali, non causerà un grave indurimento strutturale o tempra della struttura dovuto alla saldatura.Questo tipo di acciaio ha un'eccellente plasticità e resistenza agli urti, e anche la plasticità e la tenacità dei suoi giunti saldati sono estremamente buone.Generalmente non sono necessari preriscaldamento e postriscaldamento durante la saldatura, né sono necessarie misure speciali di processo per ottenere giunti saldati di qualità soddisfacente.Pertanto, l'acciaio a basso tenore di carbonio ha eccellenti prestazioni di saldatura ed è l'acciaio con le migliori prestazioni di saldatura tra tutti gli acciai..

(2) Saldatura di acciaio a medio carbonio

L'acciaio a medio carbonio ha un contenuto di carbonio più elevato e la sua saldabilità è peggiore dell'acciaio a basso tenore di carbonio.Quando CE è vicino al limite inferiore (0,25%), la saldabilità è buona.All’aumentare del contenuto di carbonio aumenta la tendenza all’indurimento e nella zona alterata dal calore si genera facilmente una struttura martensitica a bassa plasticità.Quando la saldatura è relativamente rigida o i materiali di saldatura e i parametri di processo non sono selezionati correttamente, è probabile che si verifichino cricche a freddo.Quando si salda il primo strato di saldatura multistrato, a causa della grande percentuale di metallo base fuso nella saldatura, il contenuto di carbonio, zolfo e fosforo aumenta, facilitando la produzione di cricche calde.Inoltre, la sensibilità stomatica aumenta anche quando il contenuto di carbonio è elevato.

(3) Saldatura di acciaio ad alto tenore di carbonio

L'acciaio ad alto tenore di carbonio con CE superiore allo 0,6% ha un'elevata temprabilità ed è incline a produrre martensite ad alto tenore di carbonio dura e fragile.È probabile che si formino crepe nelle saldature e nelle zone interessate dal calore, rendendo difficile la saldatura.Pertanto questo tipo di acciaio generalmente non viene utilizzato per realizzare strutture saldate, ma viene utilizzato per realizzare componenti o parti con elevata durezza o resistenza all'usura.La maggior parte delle saldature servono per riparare parti danneggiate.Queste parti e componenti devono essere ricotti prima della riparazione della saldatura per ridurre le crepe di saldatura, quindi trattati nuovamente termicamente dopo la saldatura.

2. Saldatura di acciaio ad alta resistenza a bassa lega

Il contenuto di carbonio dell'acciaio ad alta resistenza a bassa lega generalmente non supera lo 0,20% e il totale degli elementi di lega generalmente non supera il 5%.È proprio perché l'acciaio ad alta resistenza a bassa lega contiene una certa quantità di elementi di lega che le sue prestazioni di saldatura sono leggermente diverse da quelle dell'acciaio al carbonio.Le sue caratteristiche di saldatura sono le seguenti:

(1) Crepe di saldatura nei giunti saldati

L'acciaio ad alta resistenza bassolegato crackizzato a freddo contiene C, Mn, V, Nb e altri elementi che rinforzano l'acciaio, quindi è facile da indurire durante la saldatura.Queste strutture indurite sono molto sensibili.Pertanto, quando la rigidità è elevata o lo stress di contenimento è elevato, un processo di saldatura improprio può facilmente causare cricche a freddo.Inoltre questo tipo di crack ha un certo ritardo ed è estremamente dannoso.

Crepe di riscaldamento (SR) Le crepe di riscaldamento sono crepe intergranulari che si verificano nell'area a grana grossa vicino alla linea di fusione durante il trattamento termico di distensione post-saldatura o il funzionamento a lungo termine ad alta temperatura.Si ritiene generalmente che ciò avvenga a causa dell'elevata temperatura di saldatura che fa sì che V, Nb, Cr, Mo e altri carburi vicino alla ZTA siano solidi disciolti nell'austenite.Non hanno il tempo di precipitare durante il raffreddamento dopo la saldatura, ma si disperdono e precipitano durante il PWHT, rafforzando così la struttura cristallina.All'interno, la deformazione da scorrimento viscoso durante il rilassamento da stress è concentrata ai bordi dei grani.

I giunti saldati in acciaio ad alta resistenza bassolegato non sono generalmente soggetti a cricche da riscaldamento, come 16MnR, 15MnVR, ecc. Tuttavia, per gli acciai ad alta resistenza bassolegati delle serie Mn-Mo-Nb e Mn-Mo-V, come 07MnCrMoVR, poiché Nb, V e Mo sono elementi che hanno una forte sensibilità alla fessurazione da riscaldamento, questo tipo di acciaio deve essere trattato durante il trattamento termico post-saldatura.È necessario prestare attenzione per evitare l'area sensibile alla temperatura delle cricche da riscaldamento per prevenire il verificarsi di cricche da riscaldamento.

(2) Infragilimento e rammollimento dei giunti saldati

Infragilimento da invecchiamento per deformazione I giunti saldati devono essere sottoposti a vari processi a freddo (tranciatura in bianco, laminazione a botte, ecc.) prima della saldatura.L'acciaio produrrà una deformazione plastica.Se l'area viene ulteriormente riscaldata a una temperatura compresa tra 200 e 450°C, si verificherà l'invecchiamento da deformazione..L'infragilimento dovuto all'invecchiamento da deformazione ridurrà la plasticità dell'acciaio e aumenterà la temperatura di transizione fragile, con conseguente frattura fragile dell'attrezzatura.Il trattamento termico post-saldatura può eliminare tale invecchiamento da deformazione della struttura saldata e ripristinarne la tenacità.

Infragilimento delle saldature e delle zone alterate dal calore La saldatura è un processo di riscaldamento e raffreddamento non uniforme, che dà luogo ad una struttura non uniforme.La temperatura di transizione fragile della saldatura (WM) e della zona alterata dal calore (HAZ) è superiore a quella del metallo base e costituisce l'anello debole del giunto.L'energia della linea di saldatura ha un impatto importante sulle proprietà degli acciai bassolegati ad alta resistenza WM e HAZ.L'acciaio ad alta resistenza a bassa lega è facile da indurire.Se l'energia della linea è troppo piccola, la martensite apparirà nella ZTA e causerà crepe.Se l'energia della linea è troppo grande, i grani di WM e HAZ diventeranno grossolani.Farà sì che l'articolazione diventi fragile.Rispetto all'acciaio laminato a caldo e normalizzato, l'acciaio bonificato a basso tenore di carbonio presenta una tendenza più grave all'infragilimento ZTA causato da un'eccessiva energia lineare.Pertanto, durante la saldatura, l'energia della linea dovrebbe essere limitata a un determinato intervallo.

Ammorbidimento della zona termicamente alterata dei giunti saldati A causa dell'azione del calore di saldatura, l'esterno della zona termicamente alterata (HAZ) dell'acciaio bonificato a basso tenore di carbonio viene riscaldato al di sopra della temperatura di rinvenimento, in particolare l'area vicino ad Ac1, che produrrà una zona di rammollimento con resistenza ridotta.Il rammollimento strutturale nella zona HAZ aumenta con l'aumento dell'energia della linea di saldatura e della temperatura di preriscaldamento, ma generalmente la resistenza alla trazione nella zona rammollita è ancora superiore al limite inferiore del valore standard del metallo base, quindi la zona termicamente alterata di questo tipo di acciaio si ammorbidisce Finché la lavorazione è corretta, il problema non influirà sulle prestazioni del giunto.

3. Saldatura dell'acciaio inossidabile

L'acciaio inossidabile può essere suddiviso in quattro categorie in base alle sue diverse strutture in acciaio, vale a dire acciaio inossidabile austenitico, acciaio inossidabile ferritico, acciaio inossidabile martensitico e acciaio inossidabile duplex austenitico-ferritico.Di seguito vengono analizzate principalmente le caratteristiche di saldatura dell'acciaio inossidabile austenitico e dell'acciaio inossidabile bidirezionale.

(1) Saldatura di acciaio inossidabile austenitico

Gli acciai inossidabili austenitici sono più facili da saldare rispetto ad altri acciai inossidabili.Non si verificherà alcuna trasformazione di fase a nessuna temperatura e non è sensibile all'infragilimento da idrogeno.Il giunto in acciaio inossidabile austenitico presenta inoltre buona plasticità e tenacità allo stato saldato.I principali problemi della saldatura sono: fessurazione a caldo, infragilimento, corrosione intergranulare e tensocorrosione, ecc. Inoltre, a causa della scarsa conduttività termica e dell'elevato coefficiente di dilatazione lineare, lo stress e la deformazione della saldatura sono elevati.Durante la saldatura, l'apporto di calore di saldatura dovrebbe essere il più piccolo possibile, non dovrebbe esserci preriscaldamento e la temperatura dell'interstrato dovrebbe essere ridotta.La temperatura dell'interstrato deve essere controllata al di sotto di 60°C e i giunti di saldatura devono essere sfalsati.Per ridurre l'apporto termico non è opportuno aumentare eccessivamente la velocità di saldatura ma ridurre opportunamente la corrente di saldatura.

(2) Saldatura di acciaio inossidabile bidirezionale austenitico-ferritico

L'acciaio inossidabile duplex austeno-ferritico è un acciaio inossidabile duplex composto da due fasi: austenite e ferrite.Combina i vantaggi dell'acciaio austenitico e dell'acciaio ferritico, quindi ha le caratteristiche di elevata resistenza, buona resistenza alla corrosione e facile saldatura.Attualmente esistono tre tipi principali di acciaio inossidabile duplex: Cr18, Cr21 e Cr25.Le principali caratteristiche di questo tipo di saldatura dell'acciaio sono: minore tendenza termica rispetto all'acciaio inossidabile austenitico;minore tendenza all'infragilimento dopo la saldatura rispetto all'acciaio inossidabile ferritico puro e anche il grado di ingrossamento della ferrite nella zona interessata dal calore della saldatura è inferiore, quindi la saldabilità è migliore.

Poiché questo tipo di acciaio ha buone proprietà di saldatura, non sono necessari preriscaldamento e postriscaldamento durante la saldatura.Le piastre sottili devono essere saldate mediante TIG, mentre le piastre medie e spesse possono essere saldate mediante saldatura ad arco.Quando si esegue la saldatura ad arco, è necessario utilizzare bacchette di saldatura speciali con composizione simile al metallo base o bacchette di saldatura austenitiche a basso contenuto di carbonio.Gli elettrodi in lega a base di nichel possono essere utilizzati anche per l'acciaio bifase tipo Cr25.

Gli acciai bifase hanno una percentuale maggiore di ferrite e le tendenze all’infragilimento intrinseche degli acciai ferritici, come la fragilità a 475°C, l’infragilimento per precipitazione in fase σ e la grana grossa, esistono ancora, solo a causa della presenza di austenite.Un po' di sollievo si può ottenere attraverso l'effetto bilanciante, ma occorre comunque prestare attenzione durante la saldatura.Quando si salda acciaio inossidabile duplex senza Ni o a basso contenuto di Ni, c'è la tendenza alla ferrite monofase e all'ingrossamento del grano nella zona alterata dal calore.In questo momento, è necessario prestare attenzione al controllo dell'apporto di calore della saldatura e provare a utilizzare corrente ridotta, velocità di saldatura elevata e saldatura a canale stretto.E saldatura multi-passaggio per prevenire l'ingrossamento del grano e la ferriteizzazione monofase nella zona interessata dal calore.La temperatura tra gli strati non dovrebbe essere troppo alta.È meglio saldare la passata successiva dopo il raffreddamento.