Глава XIII. Сварка углеродистых и легированных сталей [1981 Фоминых В.П., Яковлев А.П. — Ручная дуговая сварка]

Технология сварки углеродистыми сталями: выбор материалов, режимов сварки и сварочного оборудования. Все подробности в статье

Трудности при сварке

  • Разбрызгивание электродного металла при сварке проволоками большого диаметра и в углекислом газе.
  • Чрезмерная выпуклость шва с резким переходом к основному металлу.
  • При использовании проволок диаметром 1,6-4 мм снижение ударной вязкости металла шва.

Малоуглеродистая сталь и ее свойства

Низкоуглеродистая сталь относится к большой группе конструкционных. Содержание углерода в ней не больше 0,3 %, из-за такого невысокого процентного содержания она имеет следующие свойства:

  • Высокая пластичность и упругость;
  • Хорошо поддается сварочному процессу;
  • Высокая ударная вязкость.

Данная марка нашла широкое применение в строительстве благодаря тому, что она очень легко сваривается, так как в ее структуре очень мало углерода, который плохо влияет на сварочный процесс, так как в металлическом шве могут образовываться хрупкие структуры и пористости, которые затем приводят к поломке. Также из-за высокой мягкости из нее изготавливаются детали методом холодной штамповки.

Чем объясняется сложность процесса сварки углеродистых сталей?

Высокоуглеродистые стали используются для изготовления станин, валов, зубчатых колес и прочих деталей или узлов, работающих в очень сложных условиях. Причем, основной способ производства таких деталей это литье, а основной способ монтажа – сварка.

И если с первой технологической операцией (литьем) нет никаких проблем, то реализация второй (сварки) связана с серьезными затруднениями. Причем, основным источником трудностей является сам конструкционный материал, сопротивляющийся сварочной технологии изо всех сил.

И если не принять особых мер, то сварка углеродистых и низколегированных сталей закончится образованием трещин, как в структуре шва, так и в теле заготовки. Причем трещины, могут появиться и в «горячем» металл и в уже остывшем полуфабрикате.

Склонность к образованию трещин объясняется изменением (под влиянием высокой температуры) формы зерна в поверхностных слоях стыкуемого и присадочного металла, что провоцирует разрушение этих непластичных материалов.

Кроме того, появление трещин провоцирует вредное влияние углерода (усиливаемое присутствием в структуре металла серы и фосфора), препятствующего образованию надежных межкристаллических связей и не позволяющего сформировать прочный шов.

Но если «победить» эти негативные стороны углеродистых сталей, то сварка пройдет безо всяких затруднений.

Сварка низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

Свариваемость таких сталей зависит от содержания углерода и легирующих компонентов и ухудшается с ростом содержания углерда и легирующих  компонентов. Стали   кремнемарганцевой группы 15ГС, 18Г2С и 25Г2С сваривают  электродами типа Э60А марки УОНИ-13/65. Перед сваркой кромки тщательно зачищают от грязи, ржавчины и окалины.

Сварку выполняют предельно короткой дугой. Изделие перед сваркой подогревают до температуры 200 С, электроды перед сваркой прокаливают при 400°С в течение одного часа.

Кремнемарганцемедистые стали 10Г2СД, 10ХГСНД, 15ХСНД и 12ХГ сваривают электродами типа Э50А марки УОНИ-13/55. Изделие перед сваркой не подогревают.
Сварка низколегированных и среднелегированных конструкционных сталей

Сварка углеродистых сталей

Сваривать возможно абсолютно все марки стали. Однако для сварки каждого вида металла существует своя технология. Технология сварки углеродистых сталей должна соответствовать требованиям, которые включают в себя:

  • Равномерное распределение прочности шва по всей длине;
  • Отсутствие сварных дефектов, швы не должны иметь различных трещин, пор, нарезов и так далее;
  • Размеры и геометрическая форма шва должны быть выполнены в соответствие с нормами, прописанными в соответствующем ГОСТе 5264-80;
  • Вибрационная устойчивость свариваемой конструкции;
  • Использование электродов с пониженным содержанием водорода и углерода, которые могут оказать негативное влияние на качество шва;
  • Конструкция должна быть прочной и жесткой.

Таким образом, технология должна быть максимально эффективной, то есть давать наивысшую производительность процесса при обеспечении высокой прочности и надежности.

Механические свойства металла шва и сварного соединения полностью зависят от микроструктуры, которая представляет собой химический состав, а также определяется режимом сварки и термообработкой, которая осуществляется как до, так и после сваривания.

Возможные трудности при сваривании

В ходе работ исполнитель может столкнуться с такими проблемами:

  1. Отклонением дуги (магнитным дутьем). Поле может создавать заготовка или расположенные поблизости кабели. Для предотвращения данного явления детали предварительно размагничивают, зону работ ограждают экранами. На прямой полярности следует варить в направлении к зажиму массы, на обратной – от него.
  2. Появлением таких дефектов, как непровар или сквозной прожог заготовки. Объясняется установкой неверного значения силы тока. В инструкции к расходникам рекомендуемый ампераж указывают в виде диапазона, например 80-140 А. Точное значение подбирают опытным путем. Непровар возникает при заниженном показателе, прожог – при завышенном.
  3. Вытеканием расплава из сварочной ванны при выполнении вертикальных и потолочных швов. Во избежание данного явления необходимо снизить сварочный ток и использовать специальные расходники, дающие вязкие шлаки.
  4. Появлением дефектов в виде кристаллизационных горячих трещин и хрупких закалочных включений. Объясняется увеличенной концентрацией карбона.

Процесс свариванияПроцесс сваривания зависит, главным образом, от содержания в стали углерода.

На количество углерода в шве влияет:

  1. Конструкция узла.
  2. Форма стыка.
  3. Предварительный нагрев заготовок.
  4. Состав металла.

Отсюда следует, что предотвратить появление растрескивания помогут такие меры:

  1. Снижение растягивающих напряжений в шве.
  2. Формирование стыка правильной формы с однородным химическим составом.
  3. Уменьшение концентрации вредных элементов.

Факторы, определяющие свертываемость стали

Сварка углеродистых сталей зависит от содержания примесей, и от других свойств. Обычно оценивание сваривания проводится по показателям содержания основного вещества — углеродного эквивалента Сэкв. Это условный коэффициент, который позволят учитывать степень воздействия содержания карбона и главные легирующие компоненты на характеристики шва.

Фото: сварка стали

Степень сваривания стали для изготовления сварных конструкций может зависеть от следующих факторов:

  • показатель содержания углерода;
  • присутствие вредных примесей;
  • степень легирования;
  • вид микроструктуры;
  • условия внешней среды;
  • уровень толщины металлической основы.

Как подготовиться к сварке

Перед выполнением работ необходимо:

  1. Подготовить средства индивидуальной защиты: щиток с темным стеклом, спецодежду, ботинки, рукавицы. Поражающим фактором служат брызги расплавленного металла и жесткое ультрафиолетовое излучение, вызывающее ожоги сетчатки глаз и кожи.
  2. Зачистить кромки соединяемых деталей (удалить грязь и ржавчину). Смазку нейтрализуют обезжиривателем.
  3. Закрепить заготовки на столе струбцинами или другими зажимами.
  4. Прокалить расходники в печи. Температура и длительность указаны в инструкции.

Последняя операция нужна для удаления влаги из обмазки. Без этого шов не получает защиты от окисления и насыщается водородом.

Особенности низкоуглеродистых

По своим сварочным качествам такая сталь относится к материалам с хорошей свариваемостью. Для работы с ней не требуется высокая квалификация сварщика.

В процессе работы применяют дуговые сварочные трансформаторы и полуавтоматы, кислородно-ацетиленовую сварку.

Зона сварного шва при любой технологии упрочняется. Для получения равнопрочного соединения при сварке низколегированных сталей нужно не допускать непроваров, подрезов и других дефектов.

Для снятия остаточных напряжений, а также ликвидации зон деформационного старения используют отпуск готовых швов при температуре 600-650oС.

[stextbox id=’info’]Технология выполнения сварки низкоуглеродистой стали с помощью газового оборудования позволяет снизить скорость остывания шва, что повышает его качество. Для этого, факел горелки отводят не сразу, увеличивая время остывания шва.[/stextbox]

Низкоуглеродсиая сталь: технология сварки

Как уже было сказано выше, низкоуглеродистые стали поддаются сварочному процессу лучше всего. Они могут свариваться с помощью газовой сварки в ацетиленкислородном пламени без дополнительных флюсов. В качестве присадки используются металлические проволоки. Негативно повлиять на сварочный процесс может водород, который способен образовывать поры. Для предотвращения данной проблему рекомендуют проводить сварочный процесс с присадочным металлом, содержащим небольшое количество углерода.

После осуществления процесса сваривания конструкцию необходимо термически обработать, чтобы улучшить механические свойства – пластичность и прочность будут одинаковы. Термическую обработку сварных конструкций проводят операцией нормализации, которая заключается в нагреве изделия до определенной температуры, примерно 400 градусов, выдержке и дальнейшему охлаждению на воздухе. В результате структура уравнивается, углерод в виде цементита в металле диффундирует внутрь зерен, благодаря чему структура становится равномерной.

Газовую сварку проводят в присутствии аргона, который создает нейтральную среду. Конструкции, которые выполняются сваркой в среде аргона имеют более ответственное назначение.

Сварка низкоуглеродистых сталей может проводиться вручную, дуговая сварка такого материала требует правильного выбора электрода. При выборе электрода необходимо учитывать следующие факторы, благодаря которым обеспечиться равномерная структура шва без дефектов. Перед тем как осуществлять процесс сварки необходимо прокалить электроды, чтобы подготовить их к дальнейшей работе, убрать водород. Сварка низкоуглеродистых железных сплавов должна быть точной т быстрой, перед началом процесса нужно подготовить металлические детали.

Сварка среднеуглеродистых

Процедура сварки стальных деталей со средним содержанием углерода, от 0,3 % до 0,55 % сложнее по сравнению с низкоуглеродистым, так как большее количество углерода может негативно повлиять на сварочный шов. Углерод уменьшает предел хладноломкости – то есть разрушении при низких температурах, увеличивает прочность и твердость, однако снижает пластичность шва.

Для сварки применяются электроды с пониженным содержанием углерода, которые обеспечивают прочное соединение.

Сварка нержавейки и углеродистой стали

Сварка коррозионностойких и углеродистых сталей является ярким примером соединения разнородных материалов.

Предварительный и сопутствующий нагревы изделий до температуры примерно в 600°С позволят получить шов с более однородной структурой. После работ нужно произвести термическую обработку, это поможет избежать образование трещин.
Для сваривания нержавейки и низкоуглеродистых сталей на практике применяются два метода, которые подразумевают использование сварочных стержней:

  • электроды из высоколегированной стали или электроды на никелевой основе заполняют сварочный шов;
  • кромки изделия из низкоулегродистой стали наплавляется легированными электродами, затем плакированный слой, кромки из нержавейки свариваются специальными электродами для нержавейки.

Сварку нержавеющих и углеродистых сталей также можно проводить аргонодуговым методом. Однако, такая технология используется крайне редко и только для работы с особо ответственными конструкциями.

Также исполнитель может произвести соединение методом полуавтоматической сварки с помощью металлического электрода в защитной среде инертных газов.

Нержавейка

Чаще всего нержавеющие стали, используемые в промышленности, получают свои антикоррозийные свойства посредством введения легирующих добавок – хрома и никеля.

При сварке хромированных деталей необходимо учитывать, что при высокой температуре (более 500 °C), возможно окисление стыка деталей.

Чтобы избежать этого применяют аргонодуговую сварку, или TIG-сварку (ТИГ). Такая технология предусматривает осуществление сварочных операций без доступа воздуха непосредственно к зоне сварки. Соответственно отсутствие кислорода, наличие которого в воздухе обязательно, устраняет предпосылки к окислению материала.

Ограничение доступа воздуха осуществляется путем введения в зону сварки аргона, инертного газа, который будучи тяжелее воздуха, вытесняет его. Иногда такой способ называют сваркой стали аргоном. На самом деле сталь либо просто сваривается между собой дугой, либо с помощью присадочного материала.

Для аргонодуговой сварки требуется специальное оборудование. Работы ведутся неплавящимися вольфрамовыми электродами, требования к которым определяются ГОСТ 10052-75.

Вторая проблема заключается в следующем. Нержавеющие стали имеют высокий коэффициент температурного расширения, и при сварке листовой стали, когда стык имеет большую длину в сравнении с линейными размерами детали, в процессе остывания возможно искривление сварочного шва.

Проблема решается путем выставления зазоров между листами и применением прихваток, фиксирующих детали в нужном положении.

Технология сварки легированных сталей: таблица

Ниже приведены способы сварки и виды расходников для разных сплавов:

Условия эксплуатации

конструкции

Марки свариваемых сталей Метод сварки Структурное состояние

шва

Сварочные мате­риалы
неагрес­

сивные

среды

1Х18Т10Т Х18Н12Т

Х17Н13М2Т

0Х17Н16М3Т

ручная

дуговая

сварка

аустенитно-

ферритное

ЭА1, ЭА1а
под

флюсом

проволока

Св-04Х19Н9

в С02 проволока

Св-04Х19Н9С2

коррози­

онные

среды

ручная

дуговая

сварка

ЭА-1Б, ЭА-1Ба
под

флюсом

проволока

Св-05Х19Н9

при 1 > 300 °С Х18Н12Т

1Х16Н14В2БР

ручная

дуговая

сварка

ЭА-1Ба, ЭА-1Б
1Х16Н13М2Б

Х25Н13

ЭА-1М2Фа,

ЭА-1М2Ф

Перлитная

Не зависимо от уровня легирования сталей перлитного типа, рационально использовать для образования шва материалы с несколько меньшим уровнем легирования.

При выборе электродов и проволоки руководствуются специальными таблицами. Они составлены с указанием как типов материала, так способа выполнения соединений.

Выбор наплавляемого металла определяется также наличием или отсутствием последующей термической обработки.

Как правило, при ручной сварке используют электроды имеющие в составе покрытия кальций, а также соединения фтора.

Если выполняется соединение тонколистовых заготовок не подлежащих термическому упрочнению, а главное, при отсутствии требований к снятию температурных напряжений, последующая тепловая обработка может не производится. При необходимости, для их снятия достаточно стабилизации при 800-850 градусах Цельсия.

Если конструкциям (либо деталям) предстоит работать при высоких температурах, необходимо выполнение так называемой аустенизации, — термической обработке при 1100-1150ºС.

[stextbox id=’info’]При сварке хромистых сталей с перлитными из-за особенностей химического состава, зона соединения оказывается склонна к непластичным разрушениям. Борьба с этим заключается в тщательном подборе наплавляемых материалов, а также технологических приемов.[/stextbox]

Хороший эффект дают специальные конструктивные решения, заключающиеся в устранении концентраторов напряжений, представляющих собой резкую смену сечения, либо его перегиб.

Другие виды

При сварке нержавейки  шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.

Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.

Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.

Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.

К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Лазерные станки