Сталь 20: свариваемость и чем она отличается от соседних марок

Коротко

• У стали 20 свариваемость хорошая: варится без подогрева и без термообработки после шва.
• У стали 45 свариваемость ограниченная - нужен подогрев перед сваркой и отпуск после.
• Сталь ст3 свариваемость держит на уровне хорошей - она и создавалась под сварные конструкции.
• Сталь 40Х варят с подогревом и обязательной термообработкой после - легирующий хром и повышенный углерод повышают риск трещин.
• Сталь С500 свариваемость подтверждает уже сама маркировка: буква «С» и означает «свариваемая».
• У 12Х18Н10Т опасность не трещины, а межкристаллитная коррозия - от неё защищает титан в составе и минимальное тепловложение при сварке.

Статья для тех, кто берёт чертёж с новой для себя маркой стали и выбирает электрод и режим сварки. Ниже разбираем, почему у стали 20 свариваемость хорошая, а у соседних марок сложнее: как на это влияет углерод, на какие группы делят стали, чем сталь 45 отличается от стали 20 и что делать с 40Х, С500 и нержавеющей 12Х18Н10Т.

1. Как влияет количество углерода на свариваемость стали?

Свариваемость сталей в первую очередь зависит от содержания углерода: чем его больше, тем выше твёрдость закалочных структур в шве и в зоне рядом со швом, и тем легче там возникает трещина. В марках качественной углеродистой стали (Сталь 08, Сталь 20, Сталь 45 и так далее) число в обозначении - это и есть содержание углерода в сотых долях процента, отсюда и рабочее правило: у стали 20 свариваемость хорошая, а у стали 45 свариваемость сложнее просто потому, что углерода в ней больше чем вдвое.

Как влияет углерод на свариваемость стали на практике: до определённого предела шов варится обычным способом, без подогрева и без последующей термообработки. Дальше добавляется предварительный подогрев, потом подогрев плюс отпуск после сварки, и в самом сложном случае - подогрев и до, и после сварки с обязательной термообработкой. Влияние углерода на свариваемость стали усиливают легирующие добавки: хром, марганец, никель ведут себя иначе, чем чистый углерод, и группу свариваемости считают не по одному элементу, а по сумме.

Отдельно стоит сера: как влияет сера на свариваемость стали - она не идёт в сплав равномерно, а собирается по границам зёрен и вызывает красноломкость - хрупкость металла при высокой температуре, ровно в тот момент, когда шов ещё горячий. Поэтому чем чище сталь по сере и фосфору, тем спокойнее она держит сварку: у качественных сталей (маркировка «Сталь», без «Ст» впереди) этих примесей меньше, чем у стали обыкновенного качества.

2. На какие группы подразделяются стали по свариваемости?

По итоговой способности держать сварку без трещин и с приемлемыми свойствами шва стали делят на четыре группы.

• Группа: Хорошо свариваемые
  • Что это значит: Трещины в шве и рядом с ним практически не возникают
  • Что делать при сварке: Варят без подогрева до, во время и после сварки
• Группа: Удовлетворительно свариваемые
  • Что это значит: Риск трещин есть, но управляемый
  • Что делать при сварке: Термообработка после сварки, иногда лёгкий подогрев
• Группа: Ограниченно свариваемые
  • Что это значит: Сталь заметно склонна к трещинам
  • Что делать при сварке: Подогрев перед сваркой и термообработка после неё
• Группа: Плохо свариваемые
  • Что это значит: Высокая склонность к трещинам
  • Что делать при сварке: Подогрев и до, и после сварки, обязательная термообработка

ГОСТ 380-2005 распространяется на сталь обыкновенного качества общего назначения и рассчитан именно на сварные конструкции - поэтому сталь ст3 свариваемость получает лучшую из этих четырёх оценок. С этой маркой почти никогда не приходится думать о подогреве или отпуске шва.

3. Сталь 20 и сталь 45: в чём разница свариваемости?

В группу с хорошей свариваемостью попадает низкоуглеродистая сталь: она варится без подогрева любым распространённым способом - ручной дугой, полуавтоматом, аргоном. А вот у стали 45 свариваемость уже в другой категории: углерода в ней больше чем вдвое, шов и зона рядом с ним склонны к закалочным трещинам, поэтому перед ответственной сваркой деталь из стали 45 подогревают, а после - снимают напряжение отпуском. На простых неответственных соединениях иногда обходятся без этого, но тогда риск трещины берёт на себя сварщик, а не технология.

Электрод под обе марки берут из линейки для углеродистых сталей - разница в режиме и в подогреве, а не в типе покрытия. Что использовать под руку, можно посмотреть в разделе электроды для углеродистых сталей: там же есть и материалы под механизированную сварку, если под рукой полуавтомат, а не инвертор.

4. Марки 40Х, С500 и 12Х18Н10Т: где стандартная схема не работает?

У легированной стали 40Х (ГОСТ 4543-2016) добавлен хром, и вместе с повышенным против стали 20 углеродом это сдвигает марку в группу ограниченной свариваемости - независимо от того, пишут марку слитно (40Х, так по ГОСТ) или через пробел, сталь 40 х свариваемость остаётся такой же ограниченной, и режим сварки для неё не меняется. Крупные детали из 40Х перед сваркой подогревают, а после - обязательно нормализуют или отпускают, иначе в зоне термического влияния остаются закалочные структуры, которые растрескиваются под нагрузкой не сразу, а через какое-то время работы.

С арматурной сталью С500 (ГОСТ 34028-2016) буква «С» в маркировке классов А500С и В500С (по ГОСТ Р 52544-2006) означает именно свариваемую сталь - химический состав и технология проката для неё заранее подобраны так, чтобы сварной стык держал нагрузку без дополнительных плясок с подогревом. Это не отменяет аккуратности на стыке (шов должен попадать в рабочее сечение, а не только на поверхность), но по группе свариваемости С500 ближе к хорошо свариваемым сталям, чем к ограниченным.

12Х18Н10Т стоит особняком: это хромоникелевая нержавеющая сталь аустенитного класса по ГОСТ 5632-2014, и её сложность не в трещинах при остывании шва, а в межкристаллитной коррозии. При нагреве выше 700 °C, а сварка именно это и делает в узкой зоне у шва, хром может уйти из твёрдого раствора в карбиды по границам зёрен, а соседние участки останутся обеднены хромом и потеряют стойкость к коррозии - именно от этого защищает буква «Т» в марке: титан в первую очередь связывает углерод сам, не давая ему забрать хром. Поэтому сталь 12Х18Н10Т свариваемость оценивают отдельно от четырёх групп по трещинам: сварке она поддаётся без особых сложностей, но при аргонодуговой сварке всё равно требует минимального тепловложения и коротких проходов, чтобы зона нагрева не успевала испортить структуру. Точный режим для конкретной толщины и способа - в паспорте на материал или у технолога.

Под нержавейку берут отдельные материалы - обычным электродом для чёрного металла шов не встанет по химическому составу. Для полуавтомата есть, например, нержавеющая проволока БАРСВЕЛД 308LSi, а если работа идёт ручной дугой, стоит посмотреть подборку способов и материалов в статье «Сварка нержавеющей стали: электроды, TIG или полуавтомат» - там разобрано, чем варить 12Х18Н10Т в зависимости от толщины и доступного аппарата.

5. Как варить сталь с ограниченной или плохой свариваемостью?

1. Проверить марку по чертежу или бирке на прокате, а не на глаз - от неё зависит и подогрев, и электрод.
2. Для стали 45, 40Х и других легированных марок прогреть деталь перед сваркой: конкретную температуру и способ смотрят в паспорте на марку или у технолога, единого числа «для всех» нет.
3. Варить короткими участками, не давая детали остыть между проходами на многослойном шве.
4. После сварки провести термообработку, если марка её требует - отпуск снимает закалочные напряжения в шве и рядом с ним.
5. На нержавеющей 12Х18Н10Т ограничить тепловложение и дать шву остыть естественным способом, не ускоряя охлаждение обдувом.

6. Частые ошибки при сварке разных марок

• Берут электрод для углеродистой стали под легированную 40Х - шов держит, пока деталь не нагрузят по-настоящему, а потом трескается в зоне термического влияния.
• Пропускают подогрев на стали 45 «потому что деталь маленькая» - маленькая деталь остывает после сварки ещё быстрее, а значит закалочная трещина там даже вероятнее.
• Варят нержавейку электродом или проволокой для чёрного металла - шов ржавеет там, где основной металл держит коррозию годами.
• Греют 12Х18Н10Т слишком долго или охлаждают феном для ускорения - оба варианта повышают риск межкристаллитной коррозии в шве.

Если марка на чертеже незнакома, для начала стоит найти, к какой из четырёх групп свариваемости она относится - остальное (режим, подогрев, электрод) выстраивается вокруг этого. А материалы под конкретную группу можно подобрать в каталоге, чем гадать по памяти: для чёрной углеродистой стали - в разделе материалы для углеродистых сталей.