Какие свойства высокоуглеродистой стали затрудняют сварку

Сварка углеродистых сталей осуществляется вручную и на автоматизированном оборудовании. Технологию и режим выбирают в зависимости от состава и структуры сплава.

Углеродистые стали используются чаще всего для сваривания.

Особенности углеродистых сталей

Материал производят на основе железа с добавкой карбона в количестве, не превышающем 2,07%.

Максимально допустимая концентрация примесей составляет:

1. Кремний — 0,1%.
2. Марганец — 1%.
3. Сера — 0,05%.
4. Фосфор — 0,06%.

В составе могут присутствовать водород, азот и кислород.

Вместе с серой и фосфором они ухудшают свойства сплава.

В зависимости от количества нежелательных примесей, материалы делятся на виды:

• обыкновенные;
• качественные;
• высокого качества;
• особо высокого качества.

В основном свойства сплава определяются долей углерода.

Различаются по содержанию углерода, а, следовательно, по химическим и физическим свойствам.

С низким содержанием

В низкоуглеродистой стали доля карбона находится в пределах 0,02%-0,3%. Это мягкие и ковкие сплавы, используемые для изготовления малоответственных деталей и конструкций. Также они широко применяются в строительстве.

По степени раскисления делятся на 3 вида:

• кипящие (в марке присутствуют литеры кп);
• полуспокойные (пс);
• спокойные (сп).

Первая разновидность — наименее качественная, последняя — наиболее.

Примеры: Ст3кп, Ст5сп, сталь 10.

Раскисление стали — это удаление из жидкого металла кислорода.

Со средним содержанием

Сталь с концентрацией карбона от 0,3 до 0,6% называют среднеуглеродистой.

Увеличение данного показателя влечет за собой следующий результат:

1. Возрастание прочности и твердости.
2. Снижение пластичности и ударной вязкости.

Материал широко применяется в машиностроении для изготовления ответственных деталей и конструкций, работающих в условиях больших нагрузок:

• пружин;
• рессор;
• контактных пластин;
• деталей спецтехнологической оснастки (штампов, пресс-форм и пр.);
• колес и осей вагонов, рельсов.

Некоторые марки используют для изготовления деталей приборов и инструментов.

Начиная со стали 45, материалы приобретают способность к закалке.

Она состоит в существенном повышении твердости и снижении пластичности после нагрева до высокой температуры и резкого охлаждения в воде или масле.

Область применения среднеуглеродистой стали.

С высоким содержанием

При концентрации карбона от 0,6 до 2,07% сталь относят к высокоуглеродистым.

Это твердые и хрупкие сплавы, используемые для изготовления:

1. Режущего инструмента.
2. Абразивной крошки.
3. Подшипников.
4. Измерительного инструмента.
5. Тросов.

Все марки данной группы проявляют способность к закалке.

Требования к сварке сталей с содержанием углерода

Высокие качество, прочность и долговечность соединений достигаются при соблюдении следующих условий:

1. Используют электроды и присадочный материал с низкой концентрацией углерода. Данный элемент является причиной появления таких дефектов, как горячие трещины и хрупкие закалочные фрагменты. Также необходимо предотвратить его проникновение из основного металла в шов. С этой целью применяют проволоку Барс-71, Forte E71T-1 и т.п.
2. Добавляют флюсы, способствующие появлению тугоплавких соединений.
3. Готовое соединение подвергают термообработке, чтобы снизить химическую неоднородность в зоне стыка.
4. Принимают меры по снижению концентрации водорода в соединении: используют расходники без органических включений в обмазке (основные); перед применением прокаливают их в соответствии с инструкцией.

Параметры процесса термообработки зависят от состава стали.

Сваривать возможно абсолютно все марки стали.

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 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.

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.

Выбор оборудования и электродов

Существуют следующие виды сварочных аппаратов:

1. Трансформаторы переменного тока.
2. Выпрямители.
3. Инверторы.

Трансформаторы обладают следующими достоинствами:

1. Низкая стоимость.
2. Простое устройство.
3. Надежность.
4. Долговечность.

Их используют в случаях, когда к качеству соединения не предъявляют высоких требований, поскольку на переменном токе дуга горит хуже и шов получается неровным.

Выпрямители отличаются от трансформаторов наличием диодного моста, дающего на выходе постоянное напряжение.

Они тяжелы, дороже стоят и больше теряют в мощности, но обеспечивают высокое качество соединения. Снижаются потери металла, поскольку на постоянном токе он меньше разбрызгивается.

Инверторы наиболее практичны.

Их достоинства:

• малые размеры и вес (примерно 3 кг);
• высокое напряжение холостого хода — 90 В против 50 В у трансформатора;
• дополнительные функции, облегчающие розжиг и поддержание дуги.

По способу сварки аппараты делятся на виды:

1. Ручные. Используют плавящиеся расходники с покрытием.
2. Полуавтоматы и автоматы. Применяют тугоплавкий электрод из вольфрама или графита. Защиту шва от окисления обеспечивают подачей газа (аргона, углекислоты и пр.) или с помощью флюса.

Оборудование выбирают с учетом максимально допустимой для него силы тока. Чем толще заготовки, тем более мощный потребуется аппарат.

Методы сваривания низкоуглеродистых сталей

Сплавы этой группы характеризуются хорошей свариваемостью.

К подготовке предъявляются минимальные требования:

1. В большинстве случаев необходимо только снять окисленный слой и обезжирить. Некоторые электроды, например МР-3, хорошо варят даже по ржавчине.
2. При толщине более 4 мм выполняют разделку кромок.
3. Крупногабаритные заготовки предварительно прогревают до +150…+200°С.

Технология сварки низкоуглеродистой стали.

Ручная дуговая сварка

Используют плавящиеся расходники с рутиловым (в большинстве случаев) или основным покрытием.

Марки для малоответственных конструкций:

1. АНО-3, АНО-4, АНО-5.
2. ОЗС-3.
3. ОММ-5.
4. ЦМ-7.

Расходники для ответственных конструкций:

1. АНО-1, АНО-7.
2. ВСП-1.
3. ВСЦ-2.
4. ДСК-50.
5. МР-1, МР-3.
6. УОНИ-13/45.

Техника выполнения работ:

1. Расходник держат с наклоном в сторону движения под углом 40-50° к линии шва.
2. Длина дуги не должна превышать 2 мм.
3. Скорость перемещения подбирают опытным путем с таким расчетом, чтобы металл плавился на нужную глубину, но сварочная ванна не была чрезмерно большой.

Технология ручной дуговой сварки.

В среде защитных газов

Используют тугоплавкий электрод. Для защиты шва от контакта с атмосферным воздухом в зону сварки подают углекислый газ (наиболее распространенный вариант), аргон или гелий (для ответственных конструкций).

Присадочным материалом служит проволока Св-08Г2С.

Диаметр зависит от пространственного положения:

• нижнее — до 3 мм;
• верхнее — до 1,2 мм.

Проволока выполняет ту же функцию, что и стержень плавящегося расходника — служит источником дополнительного материала для заполнения шва.

Сварку начинают в следующей последовательности:

1. Открывают подачу газа.
2. Через 5-15 секунд разжигают дугу и одновременно подводят к стыку присадочный материал.
3. Проволоку удерживают под углом 30-40° к линии стыка, электрод — перпендикулярно.

Осуществляется с применением углекислого газа или его смесей в качестве защитного газа.

Сваривание под флюсом

В работе с малоуглеродистой сталью используют флюсы:

• ФЦ-1;
• АН-2;
• АН-348-А;
• ОСЦ-45;
• АН-8М.

Марка присадочной проволоки зависит от вида стали. Например, для кипящих используют Св-08А, для Ст3пс — Св-08Га, Св-10Г2, Св-08ГС.

Диаметр проволоки зависит от вида оборудования:

• полуавтомат — 1,2-2 мм;
• автомат — 3-5 мм.

Если на оборудовании первого типа варить сложносоставные и угловые стыки, возникает большая вероятность появления хрупких закалочных структур вблизи шва. Во избежание этого детали подвергают предварительному нагреву.

Устанавливают наименьшую силу тока из рекомендуемого диапазона, что обеспечит интенсивный переход марганца и кремния из флюса в шов.

Пример автоматической сварки под защитным слоем флюса.

Способы сварки сталей со средним содержанием углерода

С ростом концентрации карбона свариваемость материала ухудшается. Для получения качественного соединения требуется принимать дополнительные меры.

В защитной среде

В основном режим сварки и последовательность операций — те же, что и в случае с малоуглеродистыми сплавами.

Особенности следующие:

1. Производят разделку кромок с целью сократить объем плавления основного металла.
2. Заготовки подвергают предварительному нагреву до температуры +200°С.

В ручной электродуговой сварке задействуют расходники с низкой концентрацией карбона и добавкой легирующих элементов — кремния, кальция, фтора и марганца. Предпочтительна обмазка основного типа. Она не содержит органики, вызывающей наводороживание шва с последующим образованием в нем пор.

Примеры расходников:

1. УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, УОНИ-13/65.
2. УП-1/45, УП-2/45.
3. К-5А.
4. ОЗС-2.

Сила тока зависит от диаметра расходника (мм):

1. 3 — 80-100 А.
2. 4 — 130-200 (А).
3. 5 — 170-280 А.
4. 6 — 210-380 (А).

Сварочным полуавтоматом

Для получения качественного соединения соблюдают условия:

1. Заготовки нагревают до температуры +200°С.
2. Края тщательно зачищают до металлического блеска и обезжиривают.
3. Кромки подрезают под углом 35-45°.
4. Шов накладывают в несколько приемов.
5. Поддерживают минимальную длину дуги.
6. Исключают поперечное перемещение электрода.

По завершении операции конструкцию укутывают или помещают в печь с целью обеспечить постепенное остывание.

Газовая сварка

Процесс соединения среднеуглеродистых сталей с помощью ацетилена имеет следующие особенности:

1. Применяют левый метод.
2. Расход газа устанавливают на уровне 100-130 л/ч на мм толщины заготовок.
3. Детали со стенкой свыше 3 мм подвергают предварительному нагреву.
4. Стали с концентрацией карбона близкой к 0,6% (обладают способностью закаливаться) варят с применением специального флюса.
5. Во избежание окисления ванны горелку настраивают так, чтобы получить пламя с переизбытком ацетилена.
6. Готовую конструкцию подвергают отпуску или отжигу. При этом общая температура не должна превышать +250…+300°С, зоны соединения — +600…+650°С. Данную операцию можно заменить проковкой шва.

Газосварку по левой технологии осуществляют следующим образом:

1. Инструмент перемещают справа налево.
2. Пламя направляют на еще не приваренные кромки.
3. Присадочный материал перемещают перед горелкой.

Правую технику с характерным для нее большим тепловложением применяют только для толстостенных заготовок (от 5 мм).

Ее особенности:

1. Инструмент перемещают слева направо, попутно совершая небольшие поперечные колебания.
2. Пламя направляют на заваренный участок.
3. Присадочный материал ведут вслед за горелкой.
4. Расход ацетилена устанавливают на уровне 120-150 л/ч на мм толщины заготовок.

Подробная таблица с технологией газовой сварки.

Как варить высокоуглеродистые стали

Из-за большой склонности к закалке и низкой пластичности материал плохо поддается данному виду обработки. Ручной электродуговой метод не способен обеспечить хорошее качество, поэтому в большинстве случаев применяют газовую сварку.

Придерживаются правил:

1. Применяют «левую» технологию.
2. Расход газа устанавливают на отметке 90 л/ч на мм толщины заготовки. Пламя должно быть восстановительным либо с избытком ацетилена.
3. Детали предварительно нагревают до +200…+300°С. В некоторых случаях им сообщают дополнительное тепло и в процессе сваривания.

Используют присадочную проволоку следующих марок:

• Св-15;
• Св-15Г.

Сварка высокоуглеродистых сталей не предполагает упрочнения шва ковкой. При необходимости выполняют отпуск или отжиг готовой конструкции с полным нагревом до +350…+400°С.

Нетрадиционные способы сварки сталей с высоким содержанием карбона:

• электролучевая (потоком заряженных частиц);
• лазерная (фотонами).

Характеризуются высокими скоростью и качеством, но отличаются повышенной энергозатратностью и требуют сложного, дорогостоящего оборудования.

Технология сварки стали различных структурных классов

Состав сплава влияет на структуру его кристаллизационной решетки.

По этому признаку стали делят на 5 классов:

• аустенитные;
• перлитные;
• мартенситные;
• ферритные и карбидные.

Аустенитные стали

Данной структурой обладают хромоникелевые и некоторые другие сплавы.

Основная сложность сваривания состоит в межкристаллитной коррозии в околошовной зоне, обусловленной выходом карбидов хрома.

Данный дефект не устраняется предварительным нагревом.

Необходимо делать следующее:

1. Использовать материалы с минимальной концентрацией карбона.
2. Если доля данного элемента по техническим условиям должна быть высокой, применять легирующую добавку с похожими свойствами (вольфрам, тантал, титан, ванадий, цирконий).

Перлитные стали

Наиболее распространенная разновидность. К ней относятся углеродистые и низколегированные стали. Отличительной чертой является образование в пришовной части мартенситных структур.

Условием качественного соединения является предварительный нагрев и последующая термообработка.

Это влечет за собой существенные затраты, поэтому к сварке углеродистых и низколегированных сталей перлитной структуры прибегают только в крайнем случае.

Стали перлитного класса содержат любое количество углерода, но менее 2,14 %.

Инструментальные сплавы

Эти материалы содержат в своем составе большое количество никеля, хрома и молибдена. Из них изготавливают режущий инструмент или его кромки, испытывающие большие нагрузки. Поэтому сварка должна обеспечить равную прочность шва и основного металла.

Применяют узкопрофильные электроды, соответствующие данной марке стали. Для большинства подходят УОНИ-13/НЖ/20Ж13.

Разнородных типы одного структурного класса

Перлитные стали с разной концентрацией легирующих элементов варят по следующим правилам:

1. Расходник подбирают по наименее легированному сплаву.
2. Режим и температуру — по наиболее.
3. При отсутствии возможности предварительного и сопутствующего нагрева наплавляют кромки. Для этого применяют наиболее легированный материал в виде электрода типа Э42А. Толщина наплавки должна быть такой, чтобы основной металл не нагревался до температуры закалки.

Разные виды мартенситных, ферритных и ферритно-аустенитных сталей с большим содержанием хрома варят по правилам:

1. Температуру нагрева подбирают по материалу, наиболее склонному к закаливанию.
2. Исключают полное охлаждение заготовок.
3. Используют сварочные материалы ферритно-аустенитного класса и технологию с минимальным удельным тепловложением.
4. По завершении термообработки конструкцию быстро охлаждают.

Сваркой с использованием аустенитных расходников сложнее обеспечить высокое качество, поскольку при термообработке из-за разницы в температурном расширении шва и основного сплава в зоне соединения возникают чрезмерные напряжения.

Технология сварки легированных сталей: таблица

Ниже приведены способы сварки и виды расходников для разных сплавов:

Как сваривать нержавейку с углеродистой сталью

Нержавеющие и углеродистые сплавы сильно отличаются по своим характеристикам.

Сварку производят по следующим правилам:

1. Применяют предварительный и сопутствующий нагрев до 600°С. Этим достигается однородность структуры шва.
2. Готовую конструкцию подвергают термообработке, чтобы исключить появление трещин.

Применяют следующие методы:

1. Варят никелевым или высоколегированным расходником.
2. Наплавляют кромки легированными электродами. Затем производят сварку расходниками для нержавеющей стали.

Особо ответственные конструкции варят аргонодуговым способом.

Работа с двухслойными видами сталей

Применение 2-слойной технологии позволяет снизить расход легированных сплавов и одновременно обеспечить высокие эксплуатационные характеристики изделия. Основу изготавливают из углеродистой стали, ее толщина может достигать 150 мм. Сверху наплавляют облицовку из высоколегированного сплава слоем до 12 мм.

Сварку каждой части производят раздельно, используя соответствующие материалы (флюсы, присадочную проволоку, расходники).

Действуют в следующем порядке:

• углеродистый слой;
• высоколегированный.

При такой последовательности облицовка не подвергается повторному нагреву, что исключает появление трещин.