Сварка низкоуглеродистой стали, режимы, типы и методы сваривания

Качественная сварка соединений деталей из низкоуглеродистой стали выполняется как правило в условиях промышленного предприятия, так как для обеспечения надежности и правильной проварки металлов необходимо четко соблюдать целый комплекс мер и условий.

Низкоуглеродистыми сталями называют сплавы с небольшим содержанием углерода, доходящим максимум до 0,25%. Низколегированными называют стали с содержанием до 4% легирующих элементов (содержание углерода не учитывается).

Низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали отличаются хорошей свариваемостью. Это и определяет их как самые массово используемые и распространенные металлы при создании конструкций и механизмов.

Сварка низкоуглеродистой стали успешно применяется в большинстве сварных конструкций в виде листов и фасонного проката. Данный сплав очень хорошо сваривается, предъявляется комплекс требований для достижения прочного соединения двух металлов, чистое соединение без дефектов по всему периметру шва. Очень важно чтобы механические свойства свариваемого шва, зоны шва и сварного соединения соответствовали минимуму механическим свойствам основного металла, не были ниже установленных стандартов.

В зависимости от степени раскисления стали обыкновенного качества разделяют на:

кипящие — кп;
полуспокойные — пс;
спокойные — сп.

Как и в других сварочных работах, не должно быть непроваров, каких — либо трещин, пор, подрезов. Сварное соединение должно быть достаточно стойким чтобы не перейти в фазу хрупкости. Иногда сварке низкоуглеродистой стали предъявляются требование к коррозийной стойкости сварного соединения. В случае если изделие будет испытывать вибрацию, ударные нагрузки, перемены температуры и т.д., тоже применяется сварка соединений.

При электрошлаковой сварке применяют низколегированную проволоку марки Св-10Г2. Данный выбор позволяет получить равномерную прочность металла и шва. При такой сварке термообработка увеличивает ударную вязкость, но, не повышает прочностные и пластические свойства шва металла.

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Особенности процесса

Низколегированная сталь – материал, относящийся к группе удовлетворительно свариваемых металлов, которые соединяются почти всеми видами сварки.

одинаковая прочность шва;
получение требуемой формы;
отсутствие дефектов.

Сварка низколегированной стали выполняется труднее низкоуглеродистой конструкционной. Она более чувствительна к тепловым воздействиям. Следует учитывать, что содержание в материале более 0.25% углерода может привести к формированию закалочных структур и трещин в шве, а выгорание углерода – к образованию пор.

Во избежание формирования закалочных мартенситных структур деталь подогревают, применяют многослойную сварку с соблюдением между наложением слоев металла в шов минимального интервала времени. Материал покрытых электродов выбирается с низким содержанием фосфора, углерода и серы. Это способствует увеличению стойкости шва против кристаллизационных трещин.

Соединение хромокремнемарганцовистых сталей

Этот тип низколегированных сталей также носит название хромансиль. В состав входит углерода 0.17-0.4%, марганца 0.8-1.1%, кремния и хрома – 0.9-1.2%. Материал недорогой, имеет хорошую упругость и прочность, выдерживает вибрацию. Недостаток – плохая теплоустойчивость.

При проведении газовой сварки хром и кремний частично выгорают, что приводит к формированию оксидов, шлаков и непроваров в соединении. Чтобы избежать окисления легирующих добавок, работа выполняется нормальным пламенем, мощность которого подбирается из соотношения 75-100 дм 3 /ч ацетилена на 1 мм толщины свариваемого материала. Марки присадочной проволоки:

низкоуглеродистая Св-08 или Св-08А – для неответственных конструкций;
легированная Св-19ХМА, Св-13ХМА, Св-10ХГС, Св-18ХГСА – для соединения ответственных объектов.

Рабочий процесс ведется в один слой без перерывов. Пламя горелки на одном месте не задерживается во избежание перегрева металла сварочной ванны. Чтобы свести к минимуму коробление, шов формируется от середины к краям и обратно. Во избежание трещин свариваемый элемент охлаждают медленно.

Ответственные детали закаляют при температуре 500-650°С, с выдержкой и последующим нагревом до 880°С. Охлаждают в масле. Затем отпускают с нагревом до 400-600° и охлаждением в горячей воде.

Сварка конструкционных низколегированных сталей

углерода до 0.2%;
легирующих компонентов – до 2-3%.

Механические свойства этих металлов выше, чем низкоуглеродистых. Содержание кремния в пределах 1-1.1% способствует улучшению прочности и упругости материала. При его повышении в сварном шве увеличивается количество неметаллических включений, что затрудняет сварочный процесс. Марганец от 1.6 до 1.8%, усиливает способность материала к закалке, но технологически усложняет процесс работы. Повышенное содержание молибдена, хрома, ванадия негативно влияет на свариваемость.

Стали, склонные к закалке, сваривают:

на мягком режиме без термообработки (или в печи);
на жестком режиме с термообработкой в точечной машине.

Сила тока при работе с низколегированными материалами рекомендуется на 10-15% ниже, чем при сварке малоуглеродистой стали. Давление на электроды – выше на 10-50%.

Сварка производится теми же методами, что и низкоуглеродистой стали – дуговым, газовым и контактным. Ручная сварка выполняется электродами типа Э-50А, которые обеспечат шов с механическими свойствами, аналогичными основному металлу.

Соединение сталей 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д

Отличительным качеством марок низколегированных низкоуглеродистых сталей 09Г2С и 10Г2С1 является отсутствие склонности к перегреву и образованию закалочных структур. Работа проводится при любом тепловом режиме с соблюдением технологии процесса для низкоуглеродистых сталей. Обеспечение равнопрочности сварного шва достигается электродами Э50А, Э46А. Прочность и твердость околошовной зоны такая же, как у основного металла.

Читайте также Краска по ржавчине

Марка 10Г2С1Д является низколегированной конструкционной сталью для сварных изделий. При сварке без ограничений процесс выполняется без подогрева и термообработки. Ограниченная свариваемость стали требует подогрева до 100-120° и термообработки. Трудносвариваемый материал требует дополнительных действий: подогрева при сварке до 200-300° и отжига после сварки.

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.

Группы свариваемости

Учитывая все, выше перечисленные критерии, свариваемость можно подразделить на группы с различными свойствами.

Классификация металлов по свариваемости:

Хорошая – коэффициент Сэкв составляет не менее 0,25 %– для изделий из низкоуглеродистых сталей, независимо от условий погоды, толщины изделия, предварительной подготовки.

Удовлетворительная – коэффициент Сэкв находится в пределах 0,25-0,35 %. Ограничения: по диаметру свариваемого изделия, условиям природной среды. Толщина материала допускается не более 2 см, температура воздуха должна быть не ниже минус 5 градусов, безветренную погоду.
Ограниченная – коэффициент Сэкв в пределах 0,350-0,45%. Для формирования высококачественного сварного соединения требуется предварительный подогрев материала. Эта процедура нужна для «плавного» аустенитного преобразования, создания устойчивых структур (бейнитные, ферритно-перлитные).
Плохая – коэффициент Сэкв порядка 45-ти % (стали 45). В данном случае невозможно обеспечить стабильность сварочного соединения без предварительного подогрева металлических кромок, термической обработки готовой конструкции. Для создания требуемой микроструктуры нужно дополнительно осуществлять подогревы, охлаждения.

Группы свариваемости предоставляют возможность понимать технологическую специфику сваривания железоуглеродистых сплавов конкретных марок.

Зависимо от категории, технологических параметров, свойства сварных соединений могут корректироваться последовательными температурными воздействиями. Термообработка может осуществляться несколькими способами: отпуск, закаливание, нормализация, отжиг. Наиболее востребованы закалка, отпуск. Подобные процедуры повышают твердость, соответственно прочность сварного соединения, предотвращают формирование трещин на материале, снимают напряжение. Показатель отпуска будет зависеть от желаемых характеристик материала.

Группы свариваемости

Классификация металлов по свариваемости:

Хорошая – коэффициент Сэкв составляет не менее 0,25 %– для изделий из низкоуглеродистых сталей, независимо от условий погоды, толщины изделия, предварительной подготовки.

Удовлетворительная – коэффициент Сэкв находится в пределах 0,25-0,35 %. Ограничения: по диаметру свариваемого изделия, условиям природной среды. Толщина материала допускается не более 2 см, температура воздуха должна быть не ниже минус 5 градусов, безветренную погоду.
Ограниченная – коэффициент Сэкв в пределах 0,350-0,45%. Для формирования высококачественного сварного соединения требуется предварительный подогрев материала. Эта процедура нужна для «плавного» аустенитного преобразования, создания устойчивых структур (бейнитные, ферритно-перлитные).
Плохая – коэффициент Сэкв порядка 45-ти % (стали 45). В данном случае невозможно обеспечить стабильность сварочного соединения без предварительного подогрева металлических кромок, термической обработки готовой конструкции. Для создания требуемой микроструктуры нужно дополнительно осуществлять подогревы, охлаждения.

Группы свариваемости предоставляют возможность понимать технологическую специфику сваривания железоуглеродистых сплавов конкретных марок.

3 Тонкости сварки среднеуглеродистых сталей

Свариваемость данных сплавов не так хороша, как низкоуглеродистых легированных сталей, так как в них углерод содержится в больших объемах. Отмечаются следующие трудности при сварке среднеуглеродистых материалов: отсутствие равной прочности основного металла и металла шва; высокий риск формирования больших трещин и закалочных непластичных структур в зоне около сварного шва; малый показатель стойкости против появления кристаллизационных дефектов.

Впрочем, все эти проблемы при сварке среднеуглеродистых сплавов разрешить не так уж и сложно. Можно применять сварочные стержни с повышенным коэффициентом наплавки, наплавочную проволоку и особые электроды для углеродистой стали с малым содержанием в них углерода. В этом случае ручная дуговая сварка проходит без затруднений. Также рекомендуется повышать свариваемость деталей посредством:

реализации раздельного (в несколько ванн) двухдугового сварочного процесса;
изменения структуры металла шва (применение особых режимов разделки кромок, обеспечивающих наименьшую степень проплавления основного металла);
подогрева (как сопутствующего, так и предварительного) соединяемых заготовок.

Электродуговая сварка конструкций из среднеуглеродистых легированных сталей в большинстве случаев осуществляется стержнями УОНИ (13/45 и 13/55). Они имеют особое покрытие (фтористо-кальциевое), гарантирующее увеличение стойкости металла шва к появлению трещин (кристаллизационных) и отличную прочность получаемого сварного шва.

Технология дуговой сварки среднеуглеродистых изделий предусматривает такие особенности:

из-за риска формирования трещин желательно производить заваривание кратеров, а также выполнять продольные перемещения электрода вместо поперечных;
следует накладывать неширокие валики, используя короткую электродугу;
рекомендуется выполнять термическую обработку шва после сварки (особенно, когда он по техническому заданию должен иметь повышенную пластичность).

Газовое соединение легированных среднеуглеродистых сплавов осуществляется незначительно науглероживающим или же стандартным пламенем. При этом используется исключительно левый способ, а мощность пламени варьируется в пределах от 75 до 100 кубических дециметров в час. После сварки можно выполнить термообработку либо проковку металла. Эти операции существенно улучшат свойства стали. Если свариваются детали, чья толщина превышает три миллиметра, технология газовой сварки предусматривает необходимость их подогрева примерно до 650 (местный нагрев) или до 350 (общий нагрев) градусов.

Отдельно скажем о том, что возможна сварка среднеуглеродистых конструкций и в условиях пониженной температуры (-30 и менее градусов). В подобных ситуациях применяется особая сварочная технология, которая требует обязательной термообработки изделий после сварки и постоянного подогрева металла (сначала его нагревают предварительно до указанных выше температур, а затем греют в течение всей операции). При соблюдении изложенных требований качество шва будет безупречным.

Область применения углеродистых сталей

Сфера применения УС определяется видом. Так, для холодной деформации и горячей ковки используется малоуглеродистая сталь, марки ее отличаются высокой пластичностью. Железные сплавы со средним содержанием углерода немногим отличаются по показателям текучести и пластичности, но его прочность уже выше. Они актуальны для производства элементов конструкций и механизмов, которые будут эксплуатироваться в обычных условиях. УС с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, из них изготавливают различный инструмент и измерительные приборы. УС обычного качества используется на производстве листового материала, швеллеров, прутьев, балок и других изделий. Из нее выполняют элементы машин и металлические конструкции.

Читайте также Как закалить железо

Применение и маркировка

Инструментальные сплавы, в которых 0,65−1,32% C, используются для изготовления различного инструмента. Для улучшения механических свойств инструментов делают закалку материала изготовления.

Из конструкционных сплавов делают детали для разного оборудования, элементы конструкций строительного и машиностроительного назначения, крепежные детали и прочее. Из конструкционной стали делается проволока углеродистая, которая используется в быту, в производстве крепежа, в строительстве, для изготовления пружин. После цементации конструкционные сплавы успешно используются в производстве деталей, подвергающихся при эксплуатации серьезному поверхностному износу и испытывающих большие динамические нагрузки.

Маркировка говорит о химическом составе сплава и о его категории. В обозначении углеродистой стали обыкновенного качества есть буквы «ст». ГОСТ оговаривает семь условных номеров марок (0−6), также указывающихся в обозначении. Степень раскисления обозначают буквы «кп», «пс», «сп», проставленные в конце маркировки. Марки высококачественных и качественных сталей обозначаются цифрами, которые указывают на содержание в сплаве C в сотых долях процента.

О том, что сплав инструментальный, можно понять по букве «У» в начале маркировки. Цифра, следующая за этой буквой, говорит о содержании C в десятых долях процента. Литера «А», если таковая присутствует в обозначении инструментальной стали, указывает на улучшенные качественные характеристики сплава.

Стали с повышенным содержанием углерода могут быть менее склонными к образованию структур малой пластичности. При воздействии структурных и сварочных напряжений металл малой пластичности может разрушиться. Этому способствует наличие в нем и его сварочном шве диффузионного водорода. Для предупреждения появления холодных трещин применяются способы, позволяющие устранить факторы, способствующие появлению таких недостатков.

Сварка низкоуглеродистой стали, режимы, типы и методы сваривания