Сварка углеродистых сталей имеет ряд особенностей и определенных трудностей, которые обусловлены именно тем, что углерод в них является главным легирующим элементом.

1 Главные особенности сварки углеродистой стали

К углеродистым относят стали с содержанием углерода от 0,1 до 2,07 %. Сплавы, в которых данный элемент содержится в количестве 0,6–2,07 %, называют высокоуглеродистыми, 0,25–0,6 % – среднеуглеродистыми, менее 0,25 % – низкоуглеродистыми. Технология сварки для каждой из этих групп легированных сталей своя. При этом есть и общие рекомендации, коих следует придерживаться, осуществляя сварку изделий из сплавов, включающих в свой состав на правах главного легирующего элемента углерод. О них мы и поговорим.

Стыковые швы, соединяемые полуавтоматами при помощи порошковых проволок и в защитной атмосфере, электродами покрытого вида (вручную), а также с применением газосварки, в большинстве случаев сваривают на весу. Если же используется автоматическое оборудование, необходимо применять такие методики, которые, во-первых, гарантируют достаточный провар корня шва, а во-вторых, исключают вероятность образования прожогов.

Для разных методов сварки имеются собственные стандарты, которые описывают требования к параметрам швов и процессу подготовки кромок соединяемых деталей. Сварные конструкции с целью надежной фиксации между собой компонентов, входящих в них, рекомендовано собирать, используя специальные прихватки либо сборочные приспособления.

Прихватки, как правило, применяют при полуавтоматическом процессе в углекислом газе либо при использовании покрытых электродов для легированных углеродистых сталей. Толщина металла определяет длину указанных прихваток, а площадь их сечения обычно составляет порядка 2,5–3 сантиметров (до трети площади сечения получающегося сварного шва). Желательно производить их накладку с той стороны, которая является обратной по отношению к однопроходному главному шву. В тех случаях, когда речь идет о многопроходных швах, прихватки накладывают с обратной стороны по отношению к самому первому слою.

Перед началом сварки прихватки в обязательном порядке следует скрупулезно зачистить и провести их визуальный осмотр. Если при таком осмотре обнаруживают трещины, их обязательно удаляют. Еще один момент – необходимо добиваться полного переплавления используемых прихваток. В противном случае из-за повышенной скорости отвода тепла на них могут возникать трещины, которые ухудшают свариваемость и делают весь процесс сварки некачественным.

Углеродистых сплавов демонстрирует высокую эффективность при наложении нескольких швов и при сваривании изделий в двух сторон. Многослойная сварка рекомендована для деталей, имеющих большую толщину, а также для конструкций, работающих в ответственных условиях. Если после процесса в швах обнаруживаются подрезы, трещины, поры, непровары и прочие дефекты, следует:

• механически удалить металл в "опасном" месте;
• выполнить зачистку зоны дефекта;
• произвести подваривание зачищенной области.

При использовании электрошлакового способа сварки изделия нужно монтировать с некоторым зазором, который к концу должен иметь небольшое расширение. Фиксация взаимного расположения элементов свариваемой конструкции производится при помощи скоб (дистанция между ними – от 50 до 100 сантиметров). Кроме того, при электрошлаковом процессе и при дуговой автоматической сварке на шве (в начале и в конце) монтируют планки, которые облегчают процедуру и обеспечивают заданные параметры шва.

2 Как выполняется сварка низкоуглеродистых сталей?

Свариваемость таких сталей среди профессионалов считается сравнительно простой, если применять любые способы и типы соединения деталей методом плавления. Конкретная технология сварки при этом назначается с учетом того, что в сварном соединении по окончании процедуры не должно быть никаких значительных дефектов.

Стоит заметить, что при сварке легированных сплавов с низким содержанием углерода основной металл имеет ряд отличий от металла шва:

• в металле соединения увеличивается доля кремния и марганца, а вот углерода становится меньше;
• наблюдается изменение механических характеристик околошовного металла (электрическая и обычно приводят к несущественному упрочнению материала в перегретой области);
• есть вероятность того, что металл около шва снизит показатель своей ударной вязкости (такое наблюдается при сварке нестареющих легированных сплавов);
• при многослойном сварочном процессе металл шва способен быстро охрупчиваться.

Все эти отличия не оказывают значительного влияния на качество шва, полученного сваркой плавлением.

Также никаких трудностей не возникает и при газовой сварке сталей, легированных небольшим количеством углерода (до 0,25 %). Причем, как правило, флюс при газовой операции не применяется. При правом методе такой сварки на один миллиметр толщины свариваемого изделия расходуется от 120 до 150 кубических дециметров ацетилена в час, при левом – от 100 до 130. Допускается использовать и более мощное пламя (расход – до 200 кубических дециметров). Но тогда необходимо брать большую по сечению присадочную проволоку.

Отличная свариваемость изделий из низкоуглеродистых легированных сталей отмечается и при использовании покрытых электродов. Оптимальные результаты сварки обеспечивают стержни с рутиловым (Э46Т) и кальциево-фтористорутиловым (Э42А) слоем. Популярностью у профессиональных сварщиков пользуются и сварочные стержни с покрытием, в которое добавлен железный порошок.

Электрошлаковая сварка изделий из низкоуглеродистых сталей ведется с помощью флюсов АН-22, ФЦ-1, АН-8, ФЦ-7, АН-8М. Проволоку при этом подбирают с учетом состава сплава. Так, например, Ст3 сваривают при помощи проволоки Св-08Гс, Св-10Г2, СВ-08ГА, а кипящие марки стали – Св-08А.

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.

4 Возможна ли сварка высокоуглеродистых сплавов?

Высокое содержание углерода в таких сталях делает их непригодными для производства сварных конструкций. Но нередко при проведении ремонтных мероприятий возникает потребность в сварке высокоуглеродистых сплавов. В этих случаях их сваривают методами, которые используются для сталей со средним содержанием углерода. Единственное условие – сваривание высокоуглеродистых изделий не проводится на сквозняках и тогда, когда температура окружающего воздуха составляет менее пяти градусов по Цельсию.

Сварка сталей с большим (до 0,75 процентов) содержанием углерода по газовой методике производится на науглероженном (незначительно) или на нормальном пламени, мощностью не более 90 кубических метров ацетилена в час. При этом металл подогревается до 300 градусов (обязательное условие для получения качественного соединения). Сварка высокоуглеродистых сплавов выполняется левым способом. Это дает возможность снизить время нахождения металла в состоянии расплава и время его перегрева.

Наличие углерода в составе сталей этого вида увеличивает возможности отпуска и закалки, отчего материал приобретает лучшую износостойкость и твердость. Такие свойства позволяют изготавливать осевые валы, звездочки, станины оборудования, зубчатые колеса и другие элементы, в которых важны такие параметры. Но часто сварка является единственным методом производства деталей и их ремонта.

Эта технология в отношении углеродистых сталей имеет некоторые проблемы, поскольку в материале есть углерод. Он обуславливает возможность появления трещин как в самом шве, так и в околошовной зоне, а также непластичных образований. Углерод отрицательно влияет на устойчивость шва, этому же способствует вредные примеси материала – сера и фосфор. Сегодня принято рассматривать эту процедуру отдельно для каждой группы материала: технология сварки среднеуглеродистых сталей, высокоуглеродистых и низкоуглеродистых.

Основные проблемы и методы их решения

Сформировано понятие «критическое содержание углерода в сварном шве». Количественные показатели зависят от следующих параметров:

• особенности узловой конструкции;
• конфигурация сварного шва;
• наличие в сварном шве химических элементов;
• предварительное прогревание зоны будущего сварного шва.

Методики купирования рисков образования трещин рассматривают следующие действия:

• лимитирование химических элементов, которые увеличивают риски образования трещин;
• уменьшение напряжений, которые способствуют образованию дефектов;
• в процессе сварки формируют максимально однородный шов оптимизированной формы с нормальным составом.

Непластичные структуры, которым также свойственно образование в процессе сварки углеродистых сталей, увеличивают риски образования трещин при нагрузках. Риски их появления решаются с помощью исключения факторов, которые способствуют их образованию.

Обязательно следует очищать перед проведением сварочных работ изделия из углеродистой стали от ржавчины, окалины, грязи, масляных включений и других посторонних веществ. Очистке подлежит зона работ и не менее 10 миллиметров околошовного участка. Эти элементы могут быть источниками водорода, что станет причиной образования трещин и пор в шве. Так формируется плавный переход и прочность конструкции к нагрузкам.

Особенности сварки сталей

Особенности сварки углеродистых сталей принято рассматривать по группам материала:

Подбор электродов

При выполнении сварки углеродистых сталей необходимо учитывать не только характеристики того или иного материала, но и его взаимодействие с электродами различных типов. Последние имеют самые различные свойства, и работа с ними регламентирована различными требованиями. Важно правильно подобрать электрод, адекватный марке стали. Поскольку углеродистых сталей существует более 2 тысяч марок, то и электродов для них производится большое количество. Есть электроды для сварки низкоуглеродистых сталей и высокоуглеродистых железных сплавов и так далее. Делая выбор, следует пользоваться такими критериями:

• выбирать электроды, предназначенные только для углеродистых сталей;
• выбирать изделия, способствующие снижению содержания водорода;
• лучше, если изделие характеризует хорошее повторное зажигание дуги;
• электрод должен обеспечивать минимальное разбрызгивание жидкого металла.

Соблюдая эти правила, вы формируете гарантировано оптимальный результат сварочных работ на углеродистых сталях.

Выполнение такого технологического процесса, как , связано с определенными сложностями и отличается рядом особенностей. Главная причина подобной ситуации состоит в том, что основным элементом, формирующим характеристики углеродистых сталей и, соответственно, оказывающим влияние на их свариваемость, является углерод.

Особенности сварки изделий из углеродистых стальных сплавов

Углеродистыми, как известно, называют такие стальные сплавы, содержание углерода в которых может варьироваться в пределах 0,1–2,07%. В зависимости от того, сколько углерода в своем составе содержат такие сплавы, они подразделяются на низко- (до 0,25%), средне- (0,25–0,6%), а также высокоуглеродистые (0,6–2,07%). Сварка низкоуглеродистых сталей, также как среднеуглеродистых и высокоуглеродистых, отличается определенными особенностями. Однако есть и общие правила осуществления такого процесса, которые позволяют получать качественные и надежные соединения изделий из углеродистых сталей.

Чтобы обеспечить хорошую провариваемость корня шва при выполнении стыковых сварных соединений деталей, изготовленных из углеродистых сталей, данный процесс выполняют, держа соединяемые изделия на весу. Этой рекомендации стараются придерживаться при выполнении порошковой и обычной проволокой, а также при осуществлении газовой и ручной дуговой сварки, осуществляемой при помощи покрытых углеродов. При использовании для выполнения сварки углеродистых сталей автоматического оборудования стараются создать условия для обеспечения провариваемости корня шва и исключения такого явления, как прожоги металла.

Перед началом сварки изделий, изготовленных из углеродистых сталей, их необходимо точно расположить относительно друг друга и надежно зафиксировать, для чего лучше всего использовать специальные сборочные приспособления. При отсутствии такого приспособления обеспечить фиксацию можно при помощи прихваток. Прихватки, суммарная длина которых может доходить до трети длины самого сварного шва, желательно накладывать со стороны соединения деталей, являющейся противоположной по отношению к шву. Если же предстоит выполнение многопроходного сварного шва, то прихватки накладывают с той стороны соединения, которая является противоположной по отношению к его первому слою.

После выполнения прихваток их тщательно зачищают, осматривают и исправляют их дефекты, если они обнаружены. При выполнении сварки углеродистых сталей необходимо добиваться полной переплавки прихваток, которые в противном случае могут стать очагом возникновения трещин в месте сваривания.

Технологию многослойной или двухсторонней сварки углеродистых сталей выбирают, если формируемое соединение должно соответствовать повышенным требованиям по своей прочности и надежности, или соединить необходимо детали значительной толщины. Если при осмотре сформированного сварного шва обнаруживаются дефекты (трещины, поры, подрезы, плохо проваренные участки и др.), то для их устранения необходимо предпринять следующие действия:

• удалить наплавленный металл в области обнаружения дефекта;
• зачистить область дефекта;
• подварить шов в зачищенной зоне.

Особенность выполнения электрошлаковой и автоматической сварки деталей из углеродистых сталей заключается в том, что соединяемые изделия фиксируют с зазором, который должен иметь некоторое расширение к концу. Для осуществления такой фиксации используют сборочные приспособления или специальные скобы. Для того чтобы обеспечить высокое качество начальной и конечной области сварного шва при использовании вышеуказанных технологий, сварочный процесс начинают не на самих деталях, а на специальных планках, фиксируемых вместе с ними.

Сварка изделий из низкоуглеродистых стальных сплавов

Сварка сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, не составляет больших сложностей для специалиста; для этого может быть использована любая из традиционных технологий. Выбор конкретной методики получения сварного соединения осуществляют, ориентируясь на параметры свариваемых деталей и требования, которые предъявляются к готовому соединению.

Особенность сварки низкоуглеродистых сталей, в составе которых дополнительно имеются легирующие добавки, состоит в том, что основной металл и металл соединения имеют ряд отличий, к которым относятся следующие:

• металл сварного шва характеризуется уменьшенным содержанием углерода, а вот доля марганца и кремния в нем повышена;
• металл соединяемых деталей в области, расположенной рядом со сварным швом, подвергается перегреву, что сопровождается его незначительным упрочнением; такая ситуация особенно характерна для тех случаев, когда используется сварка по ручной дуговой технологии;
• при сварке деталей, которые выполнены из нестареющих легированных сталей, наблюдается снижение ударной вязкости основного металла в области, расположенной в непосредственной близости со сварным швом;
• при выполнении сварки многослойным методом металл шва может отличаться повышенной хрупкостью.

Сварные соединения изделий, изготовленных из углеродистых сталей с небольшим содержанием углерода, если они выполнены с соблюдением всех необходимых требований, отличаются высоким качеством и надежностью.

Изделий из углеродистых сталей, в составе которых содержится до 0,25% углерода, также не вызывает особых сложностей. При выполнении сварки по данной технологии не требуется использование флюса, а ее особенностью является то, что при ее осуществлении правым способом расходуется большее количество горючего газа.

Изделия из углеродистых сталей, в составе которых содержится небольшое количество углерода, отлично свариваются и при использовании электродуговой технологии. Типами , которые оптимально подходят для практической реализации данного метода, являются рутиловое (Э46Т) и кальциево-фтористорутиловое (Э42А). Кроме этого, многие специалисты-сварщики используют для сварки деталей из углеродистых стальных сплавов такой категории электроды, в покрытие которых добавлено некоторое количество железного порошка.

Для сваривания деталей из низкоуглеродистых сталей при помощи электрошлаковой сварки используют следующие марки флюсов: АН-8, АН-8М, АН-22, ФЦ-1 и ФЦ-7. Тип сварочной проволоки традиционно подбирают в зависимости от того, каким химическим составом обладает материал изготовления элементов, которые необходимо соединить.

Как выполняют сварку деталей из среднеуглеродистой стали

По причине того, что углерода в таких сталях содержится больше, чем в низкоуглеродистых, свариваются они несколько хуже. При сварке изделий из углеродистых сплавов данной категории могут возникать следующие проблемы:

• основной металл и металл сварного шва могут иметь разную степень прочности;
• в металле, расположенном в непосредственной близости от шва, могут возникать трещины и формироваться структуры, отличающиеся низкой пластичностью;
• металл сварного шва и основной металл, расположенный рядом с местом соединения, отличаются невысокой устойчивостью к появлению в них кристаллизационных дефектов.

Для того чтобы избежать подобных проблем при сварке углеродистых сталей с повышенным содержанием углерода, можно воспользоваться следующими технологическими приемами:

• использование электродов, в составе которых содержится незначительное количество углерода;
• выполнение сварки по двухдуговой технологии, когда сварной шов формируется одновременно в нескольких ваннах расплавленного металла;
• разделка кромок соединяемых изделий таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное проплавление основного металла;
• предварительный и сопутствующий подогрев соединяемых частей.

Что касается деталей, изготовленных из , то при ее выполнении следует придерживаться таких рекомендаций:

• использовать электроды с фтористо-кальциевым покрытием (УОНИ 13/45 и 13/55), которые не только увеличивают прочность сварного шва, но и повышают его устойчивость к образованию кристаллизационных трещин;
• минимизировать риск появления трещин в области сварного соединения позволяют и такие технологические приемы, как осуществление продольных, а не поперечных перемещений электрода в процессе выполнения сварки, обязательно заваривание кратеров сформированного сварного шва;
• при выполнении сварки необходимо использовать короткую дугу и накладывать шов в виде нешироких валиков;
• чтобы повысить пластичность сформированного сварного шва, можно использовать термическую обработку полученного соединения.

Осуществляя газовую сварку изделий, изготовленных их , преимущественно используют левый способ и применяют стандартное или науглероживающее пламя, мощность которого находится в пределах 75–100 дм 3 /час. Чтобы улучшить качество полученного таким способом сварного соединения, после его получения можно подвергнуть детали термической обработке или выполнить их проковку. При необходимости выполнения газовой сварки деталей, толщина которых превышает 3 мм, их необходимо подвергнуть общему (до 3500) или локальному подогреву (до 6500).

Сварку деталей, изготовленных из углеродистых сталей данной категории, можно выполнять и при достаточно низких температурах окружающей среды: до –300. Чтобы сформированное соединение при его получении в таких условиях отличалось высоким качеством и надежностью, сваренную конструкцию необходимо подвергнуть термической обработке и обеспечить постоянный прогрев зоны сварки в процессе осуществления технологической операции.

Глава 5 СВАРКА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталь - это железный сплав, содержащий до 2 % С. В углеродистых кон-струкционных сталях, широко используемых в машиностроении, су­достроении т.д., содержание углерода обычно оставляет 0,06 ... 0,9 %. Углерод является ос-новным легирующим элементом и определяет меха­нические свойства этой гру-ппы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получе­ния равнопрочного сварного соединения без дефектов.

По степени раскисления сталь изготовляют кипящей, спокойной и полу-спокойной (соответствующие индексы "кп", м сп м и "пс"). Кипящую сталь, соде-ржащую не более 0,07 % Si, получают при неполном раскис­лении металла. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерно­стью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная по­вышенная концентрация серы может привести к образованию кристалли­зационных трещин в шве и около-шовной зоне.

Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хру-пкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной ста­ли, содержа-щей не менее 0,12 % Si, распределение серы и фосфора более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь занимает промежуточ-ное положение между кипящей и спокойной сталью.

Стали с содержанием до 0,25 % С относятся к низкоуглеродистым, с со-держанием 0,26 ... 0,45% к среднеуглеродистым, к высокоуглероди­стым отно-сятся, стали, содержащие 0,45 ... 0,75 % С. Они отличаются плохой сваривае-мостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Темпера-турная область применения углеродистых сталей от -40 до +425 °С, низколе-гированных от -70 до +475 °С. По качествен­ному признаку низкоуглеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные.

Изготовленные из нее конструкции обычно также не подвергают последу-ющей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-94 на сталь углеро-дистую обыкновенного качества, ГОСТ 5520-79 (в ред. 1990 г.) на сталь для кот-лостроения, ГОСТ 5521-86 на сталь для судостроения и т.д. (табл. 6.1).

Сталь обычного качества поставляется без термической обработки в гаряче-катаном состоянии и делится на три группы: А, Б, В.

А - поставляется по механическим свойствам, для производства сварных конструкций не применяется, имеет три категории показателей механических их свойств.

Б - поставляется по химическому составу и имеет две категории. В первой нормируется содержание С, Mn, Sі, P, S, N 2 ; во второй - дополнительно норми-руется содержание Cr, Nі и Cu. Стали этой группы имеют ограниченное приме-нение при изготовлении сварных конструкций.

В - поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Имеет 6 категорий. Наибольшее применение ВСт. 2, ВСт. 3 всех степеней раскисления:

1 – σ в, δ, α изг; 2 – σ в, δ, σ т, α изг; 3 – дополнительно а н при t = +20 о С;

4 - σ в, δ, σ т, α изг и а н при t = - 20 о С; 5 – 6 – дополнительно после старения

6.1. Химический состав некоторых углеродистых конструкционных сталей, %

Марка стали	ГОСТ	С	Мп	Si
Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст2пс Ст2сп СтЗпс СтЗсп	380-94	0,06 ... 0,12 0,06 ... 0,12 0,06 ... 0,12 0,09 ... 0,15 0,09 ...0,15 0,09 ...0,15 0,14 ...0,22 0,14 ... 0,22	0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,40... 0,65 0,40 ... 0,65	не более 0,05 0,05 ...0,15 0,15 ...0,30 не более 0,05 0,05 ...0,15 0,15 ...0,30 0,05 ...0,15 0,15 ...0,30
	1050-88	0,07 ... 0,14 0,12 ...0,19 0,17 ...0,24	0,35 ... 0,65 0,35 ... 0,65 0,35 ... 0,65	0,17 ... 0,37 0,17 ...0,37 0,17 ... 0,37
15Г 20Г 35Г	4543-71	0,12 ...0,19 0,17 ...0,24 0,32 ... 0,40	0,70 ... 1,00 0,70 ... 1,00 0,70... 1,00	0,17 ... 0,37 0,17 ...0,37 0,17 ...0,37
12К 15К 20К 22К	5520-79	0,08 ...0,16 0,12 ... 0,20 0,16... 0,24 0,19 ...0,26	0,40... 0,70 0,35 ... 0,65 <0,65 1,00	0,17 ...0,37 0,15 ...0,30 0,15 ...0,30 0,17 ...0,40
СтЗС	5521-86	0,14 ... 0,22	0,35 ... 0,60	0,12 ... 0,35

Примечания: 1. Массовая доля хрома, никеля и меди в сталях марок Ст1, Ст2 и СтЗ различной выплавки должна быть не более 0,30 % каждого, серы не более 0,050 %, фосфора не более 0,70 %.

2. Для проката из стали марок СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, предназначенного для сварных конструкций, отклонение по содержанию углерода в сторону его уве­личения не допускается.

Качественная углеродная сталь - содержание Mn = 0,8 - 1,1% (ГОСТ 1050 - 74). Имеет сниженное содержание S. Применяется в основном в гаря-чекатаном виде и в небольшом объеме - после термической обработки, норма-лизации или после закалки с отпуском (для термоупрочненных сталей15Г,20Г).

Конструкционные стали с нормальным и повышенным содержанием марганца (марки 15Г и 20Г) имеют пониженное количество серы. или закал с Механические свойства этих сталей зависят от термообработки (табл.6.2и 6.3).

Примечание. Для сталей марок 10, 15, 20, 15Г и 20Г механические свойства определены на образцах из нормализованных заготовок.

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Стали обладают хорошей свариваемостью; технология сварки обеспечи-вает равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве;

Химический состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла;

Незначительное снижение углерода, так как в проволоке или стержне углерода меньше чем в стали. Содержание Mn и Sі возрастает. Снижение прочности при снижении углерода компенсируется увеличением V охл и легированием Mn и Sі;

Влияние V охл на механические свойства металла шва. При изменении V охл изменяется количество и строение перлитной фазы. При повышении V охл возрастают σ в, σ т и снижаются δ и а н. V охл определяется толщиной свариваемо-го металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Ее влияние в наибольшей степени проявляется при сварке однослойных швов и последнего слоя многослойных швов. Металл многослойных швов, кроме последнего подвергается действию повторного термического цикла сварки и имеет мелкозернистую структуру;

- при всех способах сварки упрочняется зона перегрева основного металла. При ЭШС- крупнозернистая структура;

Для снятия остаточных напряжений в конструкции из низкоуглеродис-тых сталей выполняется высокий отпуск при 500...680 о С, а для ЭШС – норма-лизация (нагрев при 900...940 о С, охлаждение на воздухе и последующим вы-соким отпуском);

Швы стойкие против образования криталлизационных трещин из - за низкого содержания углерода;

Пластическая деформация в металле шва при сварке под действием сварочных напряжений также повышается σ т.

Низкоуглеродистые и низкоуглеродистые низколегированные стали обла-дают хорошей свариваемостью. Важное требование при сварке рассматривае-мых сталей - обеспечение равнопрочности сварного соединения с основным ме-таллом и отсут­ствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела соот­ветствующих свойств основного металла.

При сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегиро­ванных сталей при применении соответствующих сварочных материалов металл шва легирован кремнием и марганцем больше, чем основной ме­талл. Поэтому его механические свойства в большинстве случаев выше, чем у основного металла. В этом случае основное требование при сварке -получение сварного шва с не-обходимыми геометрическими размерами и без дефектов.

В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допус­ка-ют снижение отдельных показателей механических свойств сварного со­едине-ния. Однако во всех случаях, особенно при сварке ответственных кон­струкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов.

Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуе-мым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояния. Иногда к сварному соединению предъявляют допол­нительные тре-бования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пони-женных температурах и т.д.). Технология должна обеспе­чивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надеж-ности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой. Химический со­став металла шва при сварке рассматриваемых сталей незначительно от­личается от состава основного металла (табл. 6.6). Это различие сводится к снижению содержания в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания в нем углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем, кремнием, а при сварке низколегированных сталей - также и за счет перехода этих элементов из основного металла.

Таким образом, химиче­ский состав металла шва зави­сит от доли участия основного и дополнительного металлов в образовании металла шва и взаимо-действий между метал­лом, шлаком и газовой фазой. Повышенные скорости ох-лаж­дения металла шва также спо­собствуют повышению его прочности (рис. 6.4), однако при этом снижаются его пла­стические свойства и ударная вязкость. Это объясняется из­менением количества и строе­ния перлитной фазы.

Рис. 6.4. Зависимость между скоростью охлаждения и механическими свойствами металла шва придуговой сварке низкоуглеродистых сталей

Критическая температура перехода металла однослойно­го шва в хрупкое состояние практически не зависит от скорости охлаждения. Скорость охлажде-ния металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкци­ей сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой из­делия.

Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослой­ных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предвари­тельно сва-ренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергаю-щийся действию повторного термического цикла свар­ки, имеет более благоп-риятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой крити-ческой температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая дефор-ма-ция, возникающая в металле шва под воздействием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва.

Обеспечение равнопрочности металла шва при дуговых способах сварки низкоуглеродистьх и низколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида тер­мообработки стали перед сваркой.

При сварке низкоуглеродисгых горячекатаных (в состоянии постав­ки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспе­чивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, как было рассмотрено выше.

Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсирован­ных режи-мах металла повышенной толщины, однопроходных угловых швов, при отри-цательных температурах и т.д. может привести к появле­нию в металле шва и околошовной зоны закалочных структур на участ­ках перегрева и полной и не-полной рекристаллизации.

Как видно из данных табл. 6.7 и рис. 6.5 скорость охлаждения для низко-углеродистых сталей оказывает большое влияние на их механиче­ские свойства. При повышении содержания марганца это влияние усили­вается. Поэтому даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки Ст3кп при указан-ных выше условиях не исключена возможность получения в сварном соедине-нии закалочных структур. Если сталь перед сваркой прошла термическое уп-рочнение - закалку, то в зоне термиче­ского влияния шва на участках рекрис-таллизации и старения будет на­блюдаться отпуск металла, т.е. снижение его прочностных свойств. Уро­вень изменения этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.

При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и околошовной зоны проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перефева и нормализации (см. рис. 6.2). Уровень изменения механических свойств металла больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термообработка низколегированных сталей, наиболее часто - закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочностных показателей при сохранении высокой пластичности (см. табл. 6.7) усложняет технологию сварки. На участках рек-ристаллизации и старения происходит разупрочне­ние стали под действием высокого отпуска с образованием структур пре­имущественно троостита или сорбита отпуска.

В процессе изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низ­ко-легированных сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, уда-ленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный наг-рев до температур около 300 °С, эти зоны становятся участками деформацион-ного старения, приводящего к снижению пласти­ческих и повышению прочнос-тных свойств металла и возможному воз­никновению трещин, особенно при низких температурах или в концен­траторах напряжений.

Высокий отпуск при температурах 600 ... 650°С в этих случаях слу­жит эффективным средством восстановления свойств металла (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Свойства стали СтЗкп в зависимости от термообработки и деформационного старения:

1 - исходное горячекатаное состояние; 2 - после 10 %-ной деформации растяжением при 250 °С; 3 - то же и последующего отпуска при 650 °С

Высокий отпуск применяют и для снятия сварочных напряжений. Нор­мализации подвергают сварные конструкции для улучшения структуры отдель-ных участков сварного соединения и выравнивания их свойств. Термообработ-ка, кроме закалки сварных соединений, в которых шов и око­лошовная зона ох-лаждались с повышенными скоростями, приведшими к образованию на неко-торых участках неравновесных структур закалочного характера (угловые одно-слойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), приводит к снижению прочност­ных и повышению пластических свойств металла в этих участках (табл. 6.7 и 6.9).

Примечание. Состав металла шва: при сварке под флюсом 0,12 % С; 0,75 % Мп; 0,22 % Si; при электрошлаковой сварке 0,14 % С; 0,80 % Мп; 0,07 % Si.

При сварке короткими участками по горячим предварительно нало­жен-ным швам замедленная скорость охлаждения металла шва и около­шовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термообработки в этом случае сказывается незначительно. При электро­шлаковой сварке, когда скорость остывания металла шва околошовной зоны сопоставима со скорос-тями охлаждения при термообработке, по­следующая термообработка мало из-меняет механические свойства ме­талла рассматриваемых зон. Однако норма-лизация приводит к резкому возрастанию ударной вязкости.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллиза-ционных трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Од-нако для низкоуглеродистых сталей, содержащих угле­род по верхнему пределу (свыше 0,20 %), при сварке угловых швов и первого корневого шва в многос-лойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование крис-таллизационных трещин, что связа­но в основном с неблагоприятной формой провара (узкая глубокая форма провара с коэффициентом формы 0,8 ... 1,2). Легирующие добавки в низ­колегированных сталях могут повышать вероят-ность образования кри­сталлизационных трещин.

Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо сваривают­ся практически всеми способами сварки плавлением.

Сварку среднеуглеродистых сталей следует выполнять так, чтобы снизить содержание углерода в металле шва, что достигается применени­ем присадоч-ной проволоки с низким содержанием углерода и уменьше­нием доли основного металла в шве. Следует также обеспечить получе­ние шва с большим коэффи-циентом формы, выбирать режимы сварки и число слоев с учетом получения минимальной зоны термического влия­ния, предупреждения роста зерна в зоне перегрева и по возможности от­сутствия хрупких закалочных структур. Послед-нее может быть обеспече­но предварительным подогревом до 250 ... 300 °С. Многослойная сварка, а также двухдуговая сварка в раздельные сварочные ван-ны (рис. 3.27, б) спо­собствуют получению качественных сварных соединений.

Высокоуглеродистые стали обладают плохой свариваемостью и их прак-тически не применяют для изготовления сварных конструкций. Не­обходимость сварки подобных сталей возникает при ремонтных работах. Она выполняется при предварительном подогреве до температур 450 ... 600 °С покрытыми элек-тродами или полуавтоматами.

Сварка углеродистой стали 45 обладает некоторыми особенностями, сопровождается с определенными трудностями, обусловленными тем, что главным легирующим компонентом в ней является углерод.

Стали, в составе которых углерод составляет 0,1-2,07 процента, относятся к углеродистым. Сплавы с содержанием этого химического элемента в пределах 0,6-2,07 процента считаются высокоуглеродистыми, с вместимостью углерода от 0,25 до 0,6 процентов – среднеуглеродистыми, если же в сплаве углерода меньше, чем 0,25 процентов – низкоуглеродистые.

Сварка углеродистых сталей для каждой из выше перечисленных категорий отличается по технологии ее выполнения. Но присутствуют и общие требования, которые необходимо соблюдать в процессе проведения сварочных работ:

• При использовании полуавтоматической сварки с порошковой проволокой, газосварки, сварки в защитной среде и сваривании заготовок вручную покрытыми электродами сварные швы чаще всего выполняются на весу.
• При использовании автоматической сварки нужно выбирать методики сваривания, обеспечивающие необходимый провар корня шва, а также исключающие прожог материала.
• Свариваемые конструкции для надежной фиксации входящих в них элементов, рекомендуется собирать при помощи специализированных прихваток, разных приспособлений для сборки. Прихватки обычно используются для полуавтоматической сварки в углекислой защитной среде, а для углеродистых легированных сталей с применением покрытых электродов.

Для различных технологий сварки присутствуют индивидуальные стандарты, обозначающие требования к размерам сварных швов, процедуре подготовки кромок свариваемых изделий.

Рекомендации по применению прихваток при выполнении сварочных работ

• Длина прихваток определяется в зависимости от толщины свариваемого металла.
• Площадь сечения прихваток – 2,5-3 см (приблизительно 1/3 часть площади сечения сварного шва).
• Рекомендуется накладывать прихватки с обратной стороны заготовки относительно однопроходного главного шва. Если предполагаются многопроходные сварные швы, тогда накладка осуществляется с противоположной стороны относительно первого слоя.
• Прихватки перед началом проведения сварочных работ обязательно подвергаются тщательной зачистке, визуальному осмотру. При обнаружении трещин, они удаляются в обязательном порядке.

Важный момент! При выполнении сваривания нужно добиваться полной переплавки прихваток, так как существует вероятность формирования трещин из-за достаточно быстрого отвода тепла. Трещины в свою очередь могут повлиять на качество выполнения сварных работ.

Особенности сваривания изделий из высоколегированных сталей

Сварка высоколегированных сталей отличается от сварки низкоуглеродистых сталей более высоким коэффициентом линейного расширения (превышает в 1,5 раза), и более низким коэффициентом теплопроводности (при высоких температурах меньше практически в 2 раза).

• Повышенный коэффициент расширения в процессе выполнения сварочных работ приводит к значительным деформациям свариваемых образцов, при большой жесткости изделий к образованию трещин (крупные заготовки, большая толщина металла, жесткое закрепление свариваемых элементов, отсутствие между ними зазоров).

• Низкий коэффициент теплопроводности в процессе сварочных работ приводит к концентрации тепла, соответственно увеличивается глубина проплавления металла. Чтобы этого избежать, необходимо уменьшать значение сварочного тока приблизительно на 15 процентов (+/-5%).

Образование трещин

Стали, легированные алюминием в отличие от низкоуглеродистых больше склонны к трещинообразованию. Чаще всего горячие трещины образуются в аустенитных сталях, холодные трещины – в закаленных мартенситных, мартенситно-ферритных сталях. Присутствие по границам зерен сетки эвтек­тики делает сварные швы хрупкими.

Материалы устойчивые к коррозии, легированные ванадием, не имеющие в составе ниобий, титан, в случае их нагревания более 500° теряют свои антикоррозионные качества. Это происходит в результате выпадения железа, карбидов хрома.

Термообработка

При помощи термической обработки (обычно осуществляется закаливание) антикоррозионные характеристики металла можно возобновить. При нагревании изделия до температуры 850 градусов, выпавшие карбиды хрома снова растворяются в аустените, при мгновенном охлаждении они уже не выделяются. Подобная термообработка называется стабилизацией, но она приводит к снижению значения вязкости, пластичности стали.

Для обеспечения высокой вязкости, коррозионной стойкости, пластичности материала, нужно его разогреть до 1000-1150 градусов, мгновенно закалить (охладить в воде).

Особенности технологии сварки трением с применением перемешивания

Технологический процесс сварки трением с перемешиванием подразумевает нагревание соединяемых деталей трением (один из свариваемых элементов находится в движении).

Принцип действия

Сваривание деталей из арматурной стали трением предполагает сварочные работы, в процессе которых механическая энергия одного из свариваемых элементов, который постоянно перемещается (вращается), преобразуется в тепловую. Обычно вращается или одна из свариваемых деталей, или вставка между ними. Соединяемые таким образом металлические заготовки одновременно между собой прижимаются под установленным или постепенно повышающимся давлением. Нагревание в данном случае осуществляется непосредственно на участке сваривания.

Основные стадии процесса сварки трением

• Разрушение при помощи трения окисных пленок, их удаление.
• Нагрев кромок свариваемых деталей до пластичного состояния, разрушение временного контакта.
• Выдавливание самых пластичных объемов стали из стыка.
• Остановка движения (вращения) свариваемого элемента, формирование монолитного соединения.

По завершению процедуры сваривания заготовок из арматурной стали происходит осадка, мгновенное прекращение движения (вращения) соединяемого изделия. Контактные поверхности деталей в сварочной зоне в процессе увеличения частоты вращения, под сжимающим давлением между собой притираются.

Контактные, жировые пленки на соединяемых изделиях разрушаются. После этого граничное трение преобразуется в сухое. Начинают контактировать между собой отдельные микровыступы, соответственно происходит из деформация. Образуются ювенильные зоны, в которых поверхностные атомы не имеют насыщенной связи – между ними мгновенно формируются металлические связи, которые мгновенно разрушаются благодаря относительному движению поверхностей.

Вывод

Учитывая сложность технологического процесса сваривания конструкций из высоколегированных сталей, сварочные работы должны производить только профессиональные сварщики.