Расчёты технолога
Сварка разнородных сталей: диаграмма Шеффлера
Структура металла шва разнородного соединения по составу сталей, классу сварочного материала и доле участия основного металла: зона на диаграмме Шеффлера, феррит, ферритное число FN по WRC-1992, риск трещин, допустимая доля участия и сравнение классов сварочных материалов.
Для расчёта включите JavaScript.
Что показывает расчёт
При сварке углеродистой или низколегированной стали с нержавеющей металл шва — сплав трёх материалов: сварочного материала и расплавленных кромок обеих сталей. Перлитная сталь разбавляет шов, снижает в нём хром и никель, и структура, которая у чистого наплавленного металла была аустенитной с небольшим количеством феррита, может уйти в одну из опасных областей:
- мартенсит — твёрдая хрупкая структура, холодные трещины в шве;
- аустенит без феррита — горячие трещины при кристаллизации;
- избыток феррита — охрупчивание при нагреве (сигма-фаза, 475-градусная хрупкость) и при низких температурах.
Калькулятор считает состав металла шва по доле участия основного металла, ставит точку на диаграммы Шеффлера и WRC-1992 и показывает, какая структура получится и какой класс сварочного материала даёт запас. Работоспособность соединения при нагреве структура не описывает: для горячих разнородных стыков есть отдельные ограничения, о них — в разделе «Рабочая температура и никелевые сварочные материалы».
Что вводить
- Металл 1 и металл 2 — марку из списка или свой состав. Список подставляет середину диапазона по ГОСТ или EN; состав из сертификата на металл точнее.
- Сварочный материал — класс по AWS/EN. Калькулятор берёт номинальный состав наплавленного металла класса; если известен состав конкретной партии, выберите «Свой состав».
- Способ сварки — он задаёт долю участия основного металла по умолчанию. Долю можно исправить вручную.
- Доля металла 1 в проплавлении — 50 %, если обе кромки проплавляются одинаково.
- Режим — стык или буферный слой на металле 1 с последующим заполнением; рабочая температура и термообработка после сварки.
Как читать диаграмму Шеффлера
Диаграмма Шеффлера (A. L. Schaeffler, 1949) построена для металла шва, выполненного покрытыми электродами. По горизонтали отложен эквивалент хрома — сумма элементов, которые, как хром, способствуют образованию феррита. По вертикали — эквивалент никеля: элементы, которые, как никель, стабилизируют аустенит. Поле разделено на области структуры:
| Область | Структура металла шва | Чем опасна |
|---|---|---|
| A | аустенит | без феррита — горячие трещины |
| A+F | аустенит и феррит | рабочая область для нержавеющих швов; линии показывают процент феррита |
| A+M, A+M+F | аустенит с мартенситом | холодные трещины |
| M, M+F, F+M | мартенсит | холодные трещины, хрупкость |
| F | феррит | крупное зерно, низкая вязкость |
Точки основных металлов, сварочного материала и шва лежат на прямых. Точка смеси двух сталей находится на отрезке между ними; точка шва — на отрезке «смесь сталей — сварочный материал», и чем больше доля участия основного металла, тем дальше она от сварочного материала. Поэтому калькулятор рисует оба отрезка: видно, куда уходит шов при увеличении проплавления.
Формулы
Эквиваленты по Шеффлеру:
Cr-экв = Cr + Mo + 1,5 × Si + 0,5 × Nb
Ni-экв = Ni + 30 × C + 0,5 × Mn
Эквиваленты по WRC-1992 (Kotecki, Siewert, 1992):
Cr-экв = Cr + Mo + 0,7 × Nb
Ni-экв = Ni + 35 × C + 20 × N + 0,25 × Cu
Содержания элементов — в процентах по массе. У каждой диаграммы свои формулы: подставлять эквиваленты Шеффлера в WRC-1992 нельзя. Азот, который Шеффлер не учитывал, — сильный аустенитизатор: у дуплексных сталей и сварочных материалов с азотом без него расчёт даёт завышенный феррит.
Состав металла шва — линейная смесь:
X_шва = (1 − D) × X_св.м + D × s × X_1 + D × (1 − s) × X_2,
где D — доля участия основного металла в шве, s — доля металла 1 в проплавленном основном металле, X — содержание каждого элемента. Смешивается состав, затем считаются эквиваленты.
Диаграмма WRC-1992 точнее Шеффлера в области, где у нержавеющих швов обычно лежит феррит: она учитывает азот и медь, даёт ферритное число FN и тип кристаллизации. Её поле ограничено (Cr-экв 17–31, Ni-экв 9–18), а мартенситной области на ней нет. Поэтому основная диаграмма для разнородных швов — Шеффлера: она охватывает всё поле, от перлитной стали до высоколегированного сварочного материала. WRC-1992 показана второй — для уточнения феррита.
Диаграмма ДеЛонга (1974) добавила в Ni-экв азот (Ni + 30 × C + 30 × N + 0,5 × Mn) и шкалу FN, но охватывает узкое поле и завышает феррит у высоколегированных швов. Её заменила диаграмма WRC, поэтому калькулятор её не строит.
Ферритное число FN — содержание феррита, измеренное магнитным прибором, откалиброванным по AWS A4.2 или ISO 8249. До 6–8 FN оно близко к проценту феррита, при больших значениях FN заметно больше процента. Процент феррита по Шеффлеру и FN по WRC-1992 — разные шкалы, поэтому калькулятор показывает обе величины.
Тип кристаллизации по WRC-1992: A — аустенит с начала затвердевания, AF — аустенит с небольшим количеством феррита, FA — первичный феррит с аустенитом, F — феррит. Меньше всего склонен к горячим трещинам шов с кристаллизацией FA.
Доля участия основного металла
Доля участия — часть металла шва, пришедшая из расплавленных кромок. Она зависит от способа сварки, режима, разделки и номера прохода. Значения по умолчанию:
| Способ сварки | Доля участия по умолчанию |
|---|---|
| Покрытый электрод | 30 % |
| Порошковая проволока | 30 % |
| Сплошная проволока, короткая дуга | 20 % |
| Сплошная проволока, струйный перенос | 35 % |
| Аргонодуговая с присадочной проволокой | 30 % (в зависимости от режима — от 10 до 70 %) |
| Под флюсом | 60 % |
| Наплавка лентой под флюсом | 20 % |
| Электрошлаковая наплавка лентой | 10 % |
| Аргонодуговая без присадочного материала | 100 % |
В корневом проходе доля участия выше, чем в заполнении: задавайте для корня 40–50 %. Доля растёт с током; узкие валики с перекрытием на небольшом токе дают меньшее проплавление. Сварку под флюсом для разнородных стыков обычно не применяют: при доле участия 60–80 % шов слишком разбавлен.
Соотношение металлов. Если кромки проплавляются неодинаково — разная толщина, несимметричная разделка, дуга смещена на одну сторону, — задайте долю металла 1 в проплавлении. Смещение дуги на нержавеющую сторону уменьшает долю перлитной стали в проплавлении.
Под результатом калькулятор показывает допустимую долю участия — наибольшую, при которой шов из выбранных сталей и сварочного материала остаётся без мартенсита и с ферритом не менее 3 FN (для марганцовистого материала 307 феррит не обязателен).
Почему 309L, а не 308L
Сварочный материал 308L рассчитан на сварку однородной аустенитной стали: в наплавленном металле около 19,5 % хрома и 10 % никеля, запаса легирования на разбавление перлитной сталью нет. Материалы 309L (22–25 % Cr, 12–14 % Ni), 309LMo и 312 перелегированы: даже после разбавления углеродистой сталью в шве остаётся достаточно хрома и никеля для аустенитно-ферритной структуры.
Как доля участия меняет структуру шва: стык 09Г2С + 12Х18Н10Т, стали проплавляются поровну, номинальные составы.
| Сварочный материал | 20 % | 30 % | 40 % | 50 % | Допустимая доля участия |
|---|---|---|---|---|---|
| 308L | A+F, FN 1,5 | A+M | A+M | A+M | 11,5 % |
| 309L | A+F, FN 4,3 | A+F, FN 2,0 | A, FN 0,3 | A | 25,5 % |
| 309LMo | A+F, FN 11,8 | A+F, FN 7,4 | A+F, FN 3,3 | A, FN 0,9 | 41,0 % |
| 312 | A+F, FN 33,5 | A+F, FN 22,6 | A+F, FN 14,2 | A+F, FN 7,3 | 57,0 % |
| 307 | A, FN 1,0 | A | A | A+M | 44,0 % |
- 308L уже при 30 % доли участия даёт шов с мартенситом. Для стыка перлитной стали с нержавеющей он не подходит.
- 309L — основной класс для таких стыков при работе до 315 °C, но с номинальным составом его запаса хватает до доли участия около 25 %: покрытым электродом нужно вести сварку с небольшим проплавлением перлитной кромки, в корне — осторожно.
- 309LMo — тот же уровень хрома и никеля плюс молибден, который работает как хром: запас больше, шов остаётся аустенитно-ферритным до 40 % доли участия.
- 312 (около 30 % Cr и 9 % Ni) выдерживает самое сильное разбавление, но в неразбавленных участках даёт много феррита. Его выбирают для закаливающихся и неизвестных сталей при работе при обычных температурах.
- 307 — высокомарганцевый аустенитный материал. Шов у него без феррита, но марганец снижает склонность к горячим трещинам, поэтому полностью аустенитный шов здесь допустим. Применяется для сталей с высоким содержанием марганца, брони и соединений, где нужен пластичный шов.
Буферный слой
Буферный слой — наплавка сварочного материала на кромку перлитной детали до сборки стыка. Затем стык заполняют материалом под нержавеющую сталь, и перлитная сталь в шве больше не участвует. Приём применяют, когда:
- перлитная деталь закаливается (стали 45, 40Х, 15Х5М) и ей нужен подогрев или отпуск, которые недопустимы для нержавеющей детали: кромку наплавляют и при необходимости отпускают отдельно;
- стык будут собирать на месте, где сложно выдержать малое проплавление;
- на перлитную сталь дальше наплавляют антикоррозионный или износостойкий слой.
Самый разбавленный слой — первый: он проплавляет только перлитную сталь, без нержавеющей. Калькулятор в режиме «Буферный слой на металле 1 + заполнение» считает отдельно точку буферного слоя и точку шва заполнения. Второй слой буфера разбавляется уже первым, и его состав близок к сварочному материалу.
Пример: сталь 09Г2С наплавлена 309L, заполнение 308L к 12Х18Н10Т.
| Буферный слой на 09Г2С | Структура буферного слоя | Вывод по буферному слою |
|---|---|---|
| 309L, доля участия 30 % | A+M (на границе мартенсита) | не подходит |
| 309L, 20 % | A+F, FN 2,0 | с оговорками |
| 309L, 15 % | A+F, FN 3,6 | подходит |
| 309LMo, 30 % | A+F, FN 2,7 | с оговорками |
| 309LMo, 20 % | A+F, FN 8,4 | подходит |
| 312, 30 % | A+F, FN 15,9 | подходит |
Допустимая доля участия в буферном слое на 09Г2С: 309L — до 16,5 %, 309LMo — до 29 %, 312 — до 38,5 %.
Шов заполнения 308L при доле участия 30 % получается A+F, феррит 4,7 % по Шеффлеру, FN 3,1: он подходит. Слабое место — сам буферный слой. Чтобы он не ушёл в мартенсит, первый слой наплавляют с малым проплавлением (небольшой ток, узкие валики с перекрытием) или берут материал с большим запасом легирования — 309LMo или 312. Если после наплавки нужен отпуск перлитной детали, аустенитный буфер не применяют: нужен никелевый (см. следующий раздел).
Рабочая температура и никелевые сварочные материалы
Аустенитный шов в стыке перлитной стали с нержавеющей надёжен при обычных температурах. При длительном нагреве соединение разрушается не по шву, а по линии сплавления с перлитной сталью:
- миграция углерода — углерод уходит из перлитной стали в высокохромистый шов; у линии сплавления образуются мягкая обезуглероженная и твёрдая науглероженная прослойки;
- разное тепловое расширение — примерно 12·10⁻⁶ 1/К у углеродистой стали и 17·10⁻⁶ 1/К у аустенитной: при каждом нагреве и остывании линия сплавления получает циклическую деформацию.
| Условия работы | Решение | Вывод калькулятора |
|---|---|---|
| до 315 °C, без термообработки | аустенитный материал по расчёту: 309L, 309LMo, 312, 307 | по структуре шва |
| 315–425 °C | 309/309L не применяют (API RP 582), нужен никелевый материал | «с оговорками» |
| выше 425 °C | аустенитный материал не применяют, нужен никелевый | «не подходит» |
| термообработка после сварки | никелевый материал: в аустенитном шве возможна сигма-фаза, у линии сплавления — обезуглероженная и науглероженная прослойки | «с оговорками» |
Никелевый металл шва почти не притягивает углерод, а по тепловому расширению лежит между перлитной и аустенитной сталью. Предельные рабочие температуры для стыков перлитной стали с нержавеющей без сернистой среды (API RP 582, табл. 2): ENiCrFe-3 (Ni 6182) — 540 °C, ERNiCr-3 (Ni 6082) и ENiCrFe-2 — 760 °C, ENiCrMo-3 (Ni 6625) — 590 °C.
К металлу шва на никелевой основе диаграммы Шеффлера и WRC-1992 не применяются: при выборе никелевого класса калькулятор показывает только точки основных металлов и условия работы. Подробно о выборе никелевых материалов, подогреве и схеме с буферным слоем — в статье «Сварка разнородных и жаростойких сталей никелевыми электродами».
Ещё два ограничения калькулятор проверяет отдельно:
- материал класса 310 (около 26 % Cr и 21 % Ni) в стыке перлитной стали с нержавеющей не применяют — полностью аустенитный шов склонен к горячим трещинам;
- для стыка азотсодержащей нержавеющей стали, например дуплексной, с углеродистой не применяют сварочные материалы с ниобием.
Примеры расчёта
Пример 1. Стык 09Г2С с 12Х18Н10Т, покрытый электрод 309L.
Это расчёт, который открывается на странице по умолчанию: доля участия 30 %, стали проплавляются поровну, рабочая температура до 315 °C.
- Состав шва: Cr = 0,7 × 23,5 + 0,15 × 0 + 0,15 × 18,0 = 19,15 %; Ni = 0,7 × 13,0 + 0,15 × 10,0 = 10,60 %; C 0,057 %, Si 0,57 %, Mn 1,58 %, N 0,042 %
- По Шеффлеру: Cr-экв = 19,15 + 1,5 × 0,5675 = 20,00; Ni-экв = 10,60 + 30 × 0,057 + 0,5 × 1,575 = 13,10 → область A+F, феррит 2,2 %
- По WRC-1992: Cr-экв = 19,15; Ni-экв = 10,60 + 35 × 0,057 + 20 × 0,042 = 13,43 → FN 2,0, кристаллизация FA
- Вывод: с оговорками — феррита меньше 3 FN, растёт риск горячих трещин. Допустимая доля участия — до 25,5 %.
Пример 2. Тот же стык с другими сварочными материалами
Доля участия 30 %.
| Сварочный материал | Шеффлер: Cr-экв / Ni-экв | Область, феррит | WRC-1992 | Вывод | Допустимая доля участия |
|---|---|---|---|---|---|
| 309L | 20,00 / 13,10 | A+F, 2,2 % | FN 2,0, FA | с оговорками | 25,5 % |
| 309LMo | 21,75 / 13,10 | A+F, 7,5 % | FN 7,4, FA | подходит | 41,0 % |
| 312 | 24,55 / 12,36 | A+F, 17,6 % | FN 22,6, F | подходит | 57,0 % |
| 307 | 18,08 / 13,03 | A, 0 % | FN 0, A | подходит (марганцовистый аустенитный шов) | 44,0 % |
| 308L | 17,20 / 11,00 | A+M | вне поля | не подходит: мартенсит | 11,5 % |
Тот же 309L при сварке сплошной проволокой короткой дугой (доля участия 20 %) даёт FN 4,3 и подходит без оговорок: способ сварки меняет вывод так же, как класс сварочного материала.
Пример 3. Буферный слой.
09Г2С наплавлена покрытым электродом 309L с долей участия 30 %, затем стык с 12Х18Н10Т заполнен 308L. Шов заполнения — A+F, феррит 4,7 %, FN 3,1, но буферный слой — Cr-экв 17,27, Ni-экв 11,56 — лежит на 0,05 ниже границы мартенсита. Вывод: не подходит из-за буферного слоя. Соединение подходит, если первый слой наплавить 309L с долей участия не более 16,5 % или взять для него 309LMo (до 29 %) либо 312 (до 38,5 %) — см. раздел «Буферный слой».
Ограничения расчёта
- Точность диаграмм. Диаграмма Шеффлера даёт феррит с погрешностью около ±4 %, WRC-1992 — несколько FN. Точки у границ областей — зона неопределённости: калькулятор отмечает шов, лежащий ближе 0,5 по Ni-экв к границе мартенсита.
- Составы. Расчёт идёт по номинальным составам марок сталей и классов сварочных материалов. Фактический состав плавки и партии электродов может заметно сдвинуть точку: у электродов одного класса феррит в наплавленном металле различается в разы. Для ответственного расчёта введите составы из сертификатов.
- Марганец и титан. Влияние марганца диаграммы учитывают приближённо: у Шеффлера — коэффициентом 0,5, WRC-1992 марганец не учитывает. Высокомарганцевая сталь 110Г13Л лежит вне поля диаграммы — калькулятор показывает её у края. Титан в формулы не входит: в оригинальных диаграммах его нет.
- Азот и скорость охлаждения. Азот из воздуха при длинной дуге и плохой защите снижает феррит. Диаграммы построены для дуговой сварки с обычной скоростью охлаждения; при лазерной, электронно-лучевой сварке и на тонком металле феррита меньше расчётного.
- Никелевые швы и чугун. К металлу шва на никелевой основе диаграммы не применяются. Для чугуна (углерода более 2,14 %) калькулятор расчёт не выполняет — см. ремонтная сварка чугуна.
- Структура — не вся картина. Диаграмма не учитывает подогрев перлитной стороны, миграцию углерода, тепловое расширение и коррозионную стойкость. Подогрев назначают по перлитной стали — см. расчёт температуры подогрева.
Вопросы и ответы
Какими материалами сваривать 09Г2С с 12Х18Н10Т?
При рабочей температуре до 315 °C — аустенитным сварочным материалом класса 309L или 309LMo. У 309L с номинальным составом допустимая доля участия около 25 %, поэтому сварку ведут с небольшим проплавлением перлитной кромки; 309LMo даёт запас до 40 %. Выше 315 °C и при термообработке после сварки нужен никелевый материал.
Можно ли сварить углеродистую сталь с нержавеющей электродом 308L?
Нет. Разбавленный перлитной сталью шов 308L уже при 30 % доли участия попадает в область мартенсита: холодные трещины. Материал 308L применяют для заполнения после буферного слоя, когда перлитная сталь в шве больше не участвует.
Чем отличается ферритное число FN от процента феррита?
FN измеряют магнитным прибором, откалиброванным по AWS A4.2 или ISO 8249. До 6–8 FN оно близко к проценту феррита, выше — заметно больше процента. Диаграмма Шеффлера даёт процент, WRC-1992 — FN.
Сколько феррита нужно в шве?
Для защиты от горячих трещин — не менее 3 FN (API RP 582). Для стыков нержавеющей стали с углеродистой — не более 15 % феррита: при большем содержании феррита шов теряет вязкость при нагреве выше 300 °C, после термообработки и на холоде. Для немагнитных узлов, криогенной техники и карбамидного производства нужен шов с малым ферритом или без него — такие случаи решают отдельно.
Какую долю участия задавать?
По умолчанию калькулятор ставит типичную долю для выбранного способа сварки: покрытый электрод — 30 %, короткая дуга — 20 %. Для корневого прохода задайте 40–50 %. Если известна площадь проплавления на макрошлифе, долю участия считают по ней: площадь расплавленного основного металла, делённая на площадь шва.
Чем сваривать сталь 45 или 40Х с нержавеющей?
Углерод повышает эквивалент никеля, и шов сдвигается к аустениту без феррита. Для стыка стали 45 с 12Х18Н10Т материал 309L даёт полностью аустенитный шов (не подходит), 309LMo — 2,6 FN (с оговорками), 312 — 13,6 FN при допустимой доле участия до 43,5 %. Подогрев назначают по перлитной стали, часто удобнее наплавить на неё буферный слой.
Почему калькулятор не считает никелевые электроды?
Диаграммы Шеффлера и WRC-1992 построены для металла шва на железной основе. Металл шва на никелевой основе полностью аустенитный, не образует мартенсита при разбавлении и оценивается по другим критериям. Калькулятор показывает, когда никелевый материал нужен, и его предельные рабочие температуры.
Почему диаграммы Шеффлера и WRC-1992 дают разные числа?
У них разные формулы эквивалентов: WRC-1992 учитывает азот и медь и не учитывает кремний и марганец, а Шеффлер — наоборот. Кроме того, Шеффлер даёт процент феррита, WRC-1992 — ферритное число. В области нержавеющих швов точнее WRC-1992; мартенсит показывает только диаграмма Шеффлера.
Как проверить феррит в готовом шве?
Ферритометром — магнитным прибором, откалиброванным по AWS A4.2 или ISO 8249. Измерения проводят на зачищенной поверхности шва в нескольких точках; в разнородных стыках — отдельно на корне, заполнении и облицовке.
Расчёт ориентировочный и предназначен для выбора класса сварочного материала и режима на этапе подготовки. Он не заменяет технологическую карту сварки, аттестацию технологии, требования отраслевой нормативной документации и рекомендации производителей стали и сварочных материалов.