Зварювальні властивості різних марок стали: які стали легше варити?

Зварювання – один із ключових технологічних процесів у металургії, машинобудуванні, суднобудуванні та будівництві. Однак не кожна сталь однаково легко зварюється: одні марки можна з’єднати без особливих складнощів, тоді як інші вимагають складних технологій, підігріву, спеціальних електродів та суворого дотримання температурних режимів.

У цій статті докладно розберемо:

• Які параметри визначають зварюваність сталі;
• Які марки стали мають найкращі характеристики для зварювання;
• З якими складнощами можна зіткнутися при зварюванні різних марок;
• Як правильно підбирати режими зварювання та витратні матеріали.

Розберемося в цьому питанні на підставі досліджень, нормативів та досвіду професійних зварювальників.

Основні фактори, що впливають на зварюваність сталі

Хімічний склад

Склад сталі відіграє ключову роль її зварюваності. Різні елементи можуть покращувати, так і погіршувати процес зварювання.

Структура металу

Залежно від металургійної структури сталі можна поділити на:

• Феритні сталі – найбільш зварювані, включають низьковуглецеві та низьколеговані сталі.
• Аустенітні сталі – нержавіючі сталі, потребують спеціальних електродів та дотримання температурних режимів.
• Мартенситні сталі – складні у зварюванні, схильні до загартування та вимагають підігріву.

Різні сталі поводяться при зварюванні по-різному. Наприклад, низьковуглецеві сталі утворюють пластичні шви, а високолеговані нержавіючі сталі вимагають суворого контролю температури, інакше шов може стати крихким.

Легкосварювальні марки стали

Найкраще зварюються низьковуглецеві конструкційні сталі, які знаходять широке застосування у будівництві, машинобудуванні, суднобудуванні, трубопроводах, металоконструкціях, мостобудуванні та інших галузях. Вони мають високу пластичність, низький вміст вуглецю і мінімальний ризик появи тріщин при зварюванні.

Основні характеристики цих сталей:

• Низький вміст вуглецю (C ≤ 0,22%) знижує схильність до загартування та утворення тріщин.
• Висока пластичність і в’язкість забезпечують рівномірний розподіл напруги в зварному з’єднанні.
• Хороша технологічність – можливість зварювання всіма основними методами: MMA (ручна дугова), MIG/MAG (напівавтоматична), TIG (аргонодугове), газове зварювання.
• Відсутність необхідності у попередньому підігріві та термообробці – за винятком товстостінних деталей.
• Стабільні механічні властивості після зварювання, що особливо важливо у відповідальних конструкціях.

Основні легкозварювальні марки стали

Приклад: зварювання сталі 09Г2С

Сталь 09Г2С (аналог ASTM A572 Grade 50) – одна з найбільш затребуваних низьколегованих конструкційних сталей. Вона відрізняється хорошим поєднанням міцності, пластичності та зварюваності, що робить її універсальним матеріалом для відповідальних конструкцій.

Основні характеристики стали 09Г2С

• Низький вміст вуглецю (0,09-0,14%) забезпечує хорошу зварюваність без ризику утворення гартових структур.
• Легуючі елементи (до 2% марганцю, до 1% кремнію) підвищують міцність, що не погіршує зварюваність.
• Висока межа плинності (315-390 МПа) і міцності (470-620 МПа) робить її затребуваною в будівництві, мостобудуванні, енергетиці.
• Хороша пластичність і ударна в’язкість за низьких температур дозволяє використовувати її в умовах Крайньої Півночі.

Застосування сталі 09Г2С

Ця сталь використовується в:

• Мостобудування – зварні балки, ферми, опорні конструкції.
• Машинобудування – каркаси техніки, елементи вантажопідйомного обладнання.
• Металоконструкції – ферми, колони, каркаси будівель, резервуари.
• Трубопроводи – газові, нафтопровідні та водопровідні системи.
• Залізничні конструкції – рами вагонів, металеві мости.

Особливості зварювання 09Г2С

Зварювання 09Г2С не вимагає попереднього підігріву, але є кілька важливих аспектів:

1. Рекомендовані методи зварювання:
   • MMA (ручне дугове зварювання, покриті електроди) – електроди типу АНО-21, УОНІ-13/45.
   • MIG/MAG (напівавтоматична серед CO₂) – використовується при масовому виробництві.
   • TIG (аргонодугове зварювання) – застосовується для тонколистового металу.
2. Присадочні матеріали, що використовуються:
   • Для MIG/MAG – дріт Св-08Г2С, Св-09Г2С.
   • Для TIG – прутки марки ER70S-6.
3. Контроль температури:
   • При товщині деталей, що зварюються, понад 30 мм бажано застосовувати локальний підігрів до 100–150°C, щоб уникнути холодних тріщин.
   • Охолодження шва має бути плавним, різке охолодження може призвести до напруги.

Практичний приклад: При зварюванні мостової балки з 09Г2С товщиною 20 мм використовується напівавтоматичне зварювання в середовищі CO₂ (MIG/MAG), оскільки воно дозволяє досягти високої продуктивності та якісного шва. Електроди Св-08Г2С забезпечують міцний та пластичний шов.

Порівняння зварювання Ст3 та 09Г2С

Щоб зрозуміти, яка з сталей, що легко зварюються, краще підходить під різні завдання, порівняємо дві найпоширеніші марки – Ст3 і 09Г2С.

• Ст3 – простіша і дешевша, підходить для більшості будівельних завдань.
• 09Г2С – міцніше, краще витримує низькі температури, але потребує уважнішого контролю охолодження шва.

Якщо конструкція працює при високих навантаженнях чи холодному кліматі – перевагу віддають 09Г2С.

Важко сталі, що зварюються

Деякі сталі вимагають спеціальних умов при зварюванні, оскільки мають підвищену твердість, схильність до загартування або високу чутливість до перегріву. До таких сталей відносяться:

• Середньовуглецеві та високовуглецеві конструкційні сталі – схильні до утворення гартових структур та холодних тріщин.
• Високоміцні леговані сталі – вимагають попереднього підігріву та контролю охолодження.
• Нержавіючі аустенітні сталі – чутливі до температури та вимагають захисту від окиснення.
• Пружинні та інструментальні сталі – схильні до розтріскування та вимагають складної термообробки.

Основні важкозварювальні марки стали

Приклад: зварювання сталі 40Х

Основні характеристики стали 40Х

Сталь 40Х (аналог AISI 5140, 41Cr4) – це середньовуглецева конструкційна хромиста сталь, що широко використовується в машинобудуванні, виробництві валів, осей, шестерень, штоків гідроциліндрів та інших навантажених деталей.

Особливості:

• Вміст вуглецю 0,35-0,45% робить її міцною, але одночасно схильною до загартування та тріщиноутворення.
• Присутність хрому (0,8-1,1%) підвищує твердість та зносостійкість, але ускладнює зварювання.
• Межа міцності 600-800 МПа і межа плинності 390-490 МПа роблять її міцніше низьковуглецевих сталей, але менш пластичною.

Особливості зварювання 40Х

Сталь 40Х відноситься до складно зварюваних, так як при зварюванні в зоні термічного впливу (ЗТВ) утворюються гартовані структури, що веде до підвищеної крихкості.

Рекомендації щодо зварювання:

• Обов’язковий попередній підігрів до 200–400°C, щоб знизити швидкість охолодження та зменшити внутрішні напруги.
• Після зварювання рекомендується термообробка (відпустка 600–650°C) для зняття напруги та покращення пластичності шва.
• Електроди:
  • Для MMA (ручне дугове зварювання) – електроди типу УОНІ-13/55, ЛБ-52У.
  • Для MIG/MAG – дріт Св-08Г2С із захистом CO₂ або суміші Ar+CO₂.

Приклад: При зварюванні валу з 40Х товщина 30 мм використовується електродугове зварювання з підігрівом до 300°C та подальшою відпусткою при 620°C. Це запобігає утворенню крихких мартенситних структур.

Приклад: зварювання нержавіючої сталі AISI 304

Основні характеристики AISI 304

AISI 304 (08Х18Н10) – одна з найпоширеніших аустенітних нержавіючих сталей, що застосовується в харчовій, хімічній, суднобудівній та медичній промисловості.

Особливості:

• Вміст хрому (18%) та нікелю (10%) забезпечує високу корозійну стійкість.
• Вміст вуглецю ≤0,08% знижує ризик утворення карбідів хрому, запобігаючи інтеркристалітній корозії.
• Межа міцності 520-620 МПа, межа плинності 210-290 МПа – високі показники для нержавіючої сталі.

Особливості зварювання AISI 304

Зварювання AISI 304 складне через високу чутливість до перегріву. При перевищенні температури 850°C в зоні шва хром починає зв’язуватися з вуглецем, утворюючи карбіди, що знижує корозійну стійкість (так зване “вигоряння хрому”).

Рекомендації щодо зварювання:

• Найкращий метод – TIG (аргонодугове зварювання), оскільки він дає чистий та міцний шов.
• Електроди та присадні матеріали:
  • ОЗЛ-8, ЦЛ-11, ER308L – знижують ризик міжкристалітної корозії.
• Рекомендується захист зворотного боку шва аргоном, особливо при трубному зварюванні.
• Уникати перегріву! Оптимальна температура зварювання – 600–750 °C.

Приклад: При зварюванні труб з AISI 304 (товщина 3 мм) використовується TIG-зварювання в середовищі аргону, з присадним дротом ER308L, щоб уникнути вигоряння хрому.

Порівняння складнозварювальних сталей

• 40Х вимагає підігріву перед зварюванням та відпустки після, інакше з’являються тріщини.
• AISI 304 вимагає аргонового захисту та контролю температури.
• 30ХГСА вимагає термообробки після зварювання, інакше шов стає крихким.
• 65Г – найскладніша у зварюванні, потребує повільного охолодження та відпалу.

Рекомендації

• Для зварювання конструкційних сталей краще застосовувати MMA або напівавтоматичне MIG/MAG зварювання.
• Нержавіюча сталь краще зварювати TIG-методом, контролюючи температуру.
• Для пружинних та інструментальних сталей важлива термообробка до та після зварювання.

Вибір методу зварювання залежить від характеристик сталі, умов експлуатації та вимог до міцності зварного з’єднання.

Які стали легше варити? Висновок

Зварюваність сталі – один із ключових факторів, що визначають міцність та надійність зварних з’єднань. Неправильний вибір матеріалу або режиму зварювання може призвести до утворення тріщин, зниження механічних властивостей та навіть руйнування конструкції в процесі експлуатації.

Основні висновки

• Найкращою зварюваністю мають низьковуглецеві конструкційні сталі (Ст3, 09Г2С, С345), так як вони мають високу пластичність, низьку схильність до загартування і легко зварюються всіма методами.
• Середньовуглецеві та леговані сталі вимагають складнішого підходу — попереднього підігріву, вибору спеціальних електродів та контролю охолодження, щоб уникнути утворення крихких структур.
• Нержавіючі сталі та високоміцні леговані сплави вимагають особливих технологій зварювання (TIG, зварювання під флюсом), захисту шва від окислення та контролю температури, щоб уникнути вигоряння легуючих елементів.
• Найбільш складні в зварюванні пружинні та інструментальні сталі, які вимагають ретельної термообробки перед і після зварювання, так як без неї з’єднання стає крихким і схильним до розтріскування.

Що важливо враховувати під час вибору сталі для зварних конструкцій?

1. Умови експлуатації – якщо конструкція зазнаватиме ударів, навантажень або низьких температур, вибирайте сталь з високою ударною в’язкістю.
2. Доступні методи зварювання – TIG-процес дає чисті шви, але потребує високої кваліфікації, тоді як MIG/MAG – швидше та простіше у масовому виробництві.
3. Кваліфікація зварювальника – зварювання складних сталей потребує досвіду та дотримання технологій, інакше зростає ризик утворення дефектів.
4. Допустимість термообробки – якщо деталь не можна нагрівати, варто спочатку вибирати марки сталей, що легко зварюються.

Зрештою правильний вибір сталі та технології зварювання визначає довговічність та безпеку конструкції. Якщо важлива простота та надійність – вибирайте низьковуглецеві сталі. Якщо потрібна міцність та зносостійкість – будьте готові до складнощів зварювання та додаткової обробки.