Способ сварки низколегированной стали

Способ сварки низколегированной стали

§ 75. Сварка низколегированных сталей

Легированные стали подразделяются на низколегированные (легирующих элементов в сумме менее 2,5%), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%). Низколегированные стали делят на низколегированные низкоуглеродистые, низколегированные теплоустойчивые и низколегированные сред неуглеродистые.

Механические свойства и химический состав некоторых марок низколегированных сталей приведены в табл. 33.

33. Механические свойства низколегированных низкоуглеродистых сталей при данном химическом составе

Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,22%. В зависимости от легирования стали подразделяют на марганцовистые (14Г, 14Г2), кремнемарганцовистые (09Г2С, 10Г2С1, 14ГС, 17ГС и др.), хромокремнемар-ганцовистые (14ХГС и др.), марганцовоазотнованадиевые (14Г2АФ, 18Г2АФ, 18Г2АФпс и др.), марганцовониобиевая (10Г2Б), хромокремненикельмедистые (10ХСНД, 15ХСНД) и т. д.

Низколегированные низкоуглеродистые стали применяют в транспортном машиностроении, судостроении, гидротехническом строительстве, в производстве труб и др. Низколегированные стали поставляют по ГОСТ 19281 — 73 и 19282 — 73 и специальным техническим условиям.

Низколегированные теплоустойчивые стали должны обладать повышенной прочностью при высоких температурах эксплуатации. Наиболее широко теплоустойчивее стали применяют при изготовлении паровых энергетических установок. Для повышения жаропрочности в их состав вводят молибден (М), вольфрам (В) и ванадий (Ф), а для обеспечения жаростойкости — хром (X), образующий плотную защитную пленку на поверхности металла.

Низколегированные среднеуглеродистые (более 0,22% углерода) конструкционные стали применяют в машиностроении обычно в термообработанном состоянии. Технология сварки низколегированных среднеуглеродистых сталей подобна технологии сварки среднелегирован-ных сталей.

Особенности сварки низколегированных сталей. Низколегированные стали сваривать труднее, чем низкоуглеродистые конструкционные. Низколегированная сталь более чувствительна к тепловым воздействиям при сварке. В зависимости от марки низколегированной стали при сварке могут образоваться закалочные структуры или перегрев в зоне термического влияния сварного соединения.

Структура околошовного металла зависит от его химического состава, скорости охлаждения и длительности пребывания металла при соответствующих температурах, при которых происходит изменение микроструктуры и размера зерен. Если в доэвтектоидной стали получить нагревом аустенит (рис. 100), а затем сталь охлаждать с различной скоростью, то критические точки стали снижаются.

Рис. 100. Диаграмма изотермического (при постоянной температуре) распада аустенита низкоуглеродистой стали: А — начало распада, Б — конец распада, A₁ — критическая точка стали, М_н и М_к — начало и конец превращения аустенита в мартенсит; 1, 2, 3 и 4 — скорости охлаждения с образованием различных структур

При малой скорости охлаждения получают структуру перлит (механическая смесь феррита и цементита). При большой скорости охлаждения аустенит распадается на составляющие структуры при относительно низких температурах и образуются структуры — сорбит, троостит, бейнит и при очень высокой скорости охлаждения — мартенсит. Наиболее хрупкой структурой является мартенситная, поэтому не следует при охлаждении допускать превращения аустенита в мартенсит при сварке низколегированных сталей.

Скорость охлаждения стали, особенно большой толщины, при сварке всегда значительно превышает обычную скорость охлаждения металла на воздухе, вследствие чего при сварке легированных сталей возможно образование мартенсита.

Для предупреждения образования при сварке закалочной мартенситной структуры необходимо применять меры, замедляющие охлаждение зоны термического влияния, — подогрев изделия и применение многослойной сварки.

В некоторых случаях в зависимости от условий эксплуатации изделий допускают перегрев, т. е. укрупнение зерен в металле зоны термического влияния сварных соединений, выполненных из низколегированных сталей.

При Высоких температурах эксплуатации изделий для повышения сопротивления ползучести (деформирование изделия при высоких температурах с течением времени) необходимо иметь крупнозернистую структуру и в сварном соединении. Но металл с очень крупным зерном обладает пониженной пластичностью и поэтому размер зерен допускается до известного предела.

При эксплуатации изделий в условиях низких температур ползучесть исключается и необходима мелкозернистая структура металла, обеспечивающая увеличенную прочность и пластичность.

Покрытые электроды и другие сварочные материалы при сварке, низколегированных сталей подбираются такими, чтобы содержание углерода, серы, фосфора и других вредных элементов в них было ниже по сравнению с материалами для сварки низкоуглеродистых конструкционных сталей. Этим удается увеличить стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, так как низколегированные стали в значительной степени склонны к их образованию.

Технология сварки низколегированной стали. Низколегированные низкоуглеродистые стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1 и 10Г2Б при сварке не закаливаются и не склонны к перегреву. Сварку этих сталей производят при любом тепловом режиме, аналогично режиму сварки низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения равнопрочности соединения ручную сварку выполняют электродами типа Э50А. Твердость и прочность околошовной зоны практически не отличаются от основного металла.

Сварочные материалы при сварке порошковой проволокой и в защитном газе подбирают такими, чтобы обеспечить прочностные свойства металлу шва на уровне прочности, достигаемой электродами типа Э50А.

Низколегированные низкоуглеродистые стали 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ, 15Г2АФ при сварке могут образовывать закалочные микроструктуры и перегрев металла шва и зоны термического влияния. Количество закаливающихся структур резко уменьшается, если сварка выполняется с относительно большой погонной энергией, необходимой для уменьшения скорости охлаждения сварного соединения. Однако снижение скорости охлаждения металла при сварке приводит к укрупнению зерен (перегреву) металла шва и околошовного металла вследствие повышенного содержания углерода в этих сталях. Это особенно касается сталей 15ХСНД, 14ХГС. Стали 15Г2Ф, 15Г2СФ и 15Г2АФ менее склонны к перегреву в околошовной зоне, так как они легированы ванадием и азотом. Поэтому сварка большинства указанных сталей ограничивается более узкими пределами тепловых режимов, чем сварка низкоуглеродистой стали.

Режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было большого количества закалочных микроструктур и сильного перегрева металла. Тогда можно производить сварку стали любой толщины без ограничений при окружающей температуре не ниже — 10°С. При более низкой температуре необходим предварительный подогрев до 120 — 150°С При температуре ниже — 25°С сварка изделий из закаливающихся сталей запрещается. Для предупреждения большого перегрева сварку сталей 15ХСНД и 14ХГС следует проводить на пониженной погонной тепловой энергии (при пониженных значениях тока электродами меньшего диаметра) по сравнению со сваркой низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения равнопрочности основного металла и сварного соединения при сварке этих сталей надо применять электроды типа Э50А или Э55.

Технология сварки низколегированных среднеуглеродистых сталей 17ГС, 18Г2АФ, 35ХМ и других подобна технологии сварки сред не легированных сталей.

Источник

Особенности сварки разных видов низколегированной стали. Лучший способ сварки, его технология

Легированная сталь содержит специальные легированные элементы, служащие для обеспечения материалу заданных свойств, и до 0.5% углерода. В зависимости от процентного состава легированных компонентов легированные стали делятся на виды:

• от 10% — высоколегированные;
• 2.5-10% — среднелегированные;
• до 2.5% — низколегированные.

Маркируют стали буквами (название легирующего элемента) и цифрами (среднее процентное содержание). Цифра за буквой не ставится, если содержание компонента менее 1%.

Виды низколегированной стали

Конструкционные низколегированные стали классифицируются:

• низкоуглеродистые (до 0.25% углерода);
• среднеуглеродистые (0.2-0.45%);
• теплоустойчивые.

Типы низкоуглеродистых сталей представлены в таблице.

Наименование	Примеры маркировки
Хромокремненикельмедистые	10ХСНД, 15ХСНД
Хромокремнемарганцовистые	14ХГС
Марганцовоазотнованадиевые	14Г2АФ
Кремнемарганцовистые	14ГС, 10Г2С1, 09Г2С
Марганцовистые	14Г2, 14Г

Среднеуглеродистые марки (35ХМ, 18Г2АФ, 17ГС) содержат более 0.25% углерода и применяются после проведения термообработки.

Теплоустойчивые металлы при работе в районе высоких температур имеют повышенную прочность. Находят применение в изготовлении металлических элементов энергетических устройств.

Ввиду более высокой прочности низколегированных сталей (по сравнению с углеродистыми конструкционными) их применение при производстве сварных конструкций снижает вес и экономит металл.

Благодаря этим свойствам, материалы применяют в вагоно- и судостроении, строительстве и других областях промышленности.

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.

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.

Лучший способ сварки низколегированной стали

Наиболее приемлемым способом сварки низколегированной стали является ручная дуговая сварка. Методика процесса подобна сварке низкоуглеродистых сталей. Эти материалы содержат не более 0.25% углерода, обладают хорошей свариваемостью при любой толщине соединяемых деталей и температуре воздуха.

• универсальность;
• простота;
• возможность сварки в любом положении в пространстве и труднодоступном месте.

Технология

Ручная дуговая сварка – наиболее распространенный метод соединения материалов сварочных конструкций, при котором вручную:

• возбуждается дуга;
• подается и перемещается электрод.

Работа проводится покрытыми электродами. Способ заключается в горении сварочной дуги с электрода на свариваемый предмет. Кромки изделия оплавляются, металл электродного стержня и покрытие электрода расплавляются. Основной металл и материал электрода кристаллизуются, образуя сварной шов.

Схема ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Используемые электроды и оборудование

• сварочный аппарат;
• пусковую аппаратуру;
• набор электродов;
• электрододержатели;
• сварочные кабели;
• другие принадлежности.

Марка и тип выбираются с учетом:

• назначения изделия;
• степени его ответственности.

Типы электродов металлических покрытых для ручной дуговой сварки низколегированных сталей прописаны в ГОСТ 9467-75.

Информация об электродах для сварки низколегированных конструкционных сталей представлена в таблице.

Марки электродов	Дополнительные сведения о сталях
Э50, Э46, Э42, Э38	Временное сопротивление разрыву – до 50 кгс/мм
Э50А, Э46А, Э42А	Повышенные требования по ударной вязкости и пластичности
Э60, Э55	Временное сопротивление разрыву от 50-60 кгс/мм

Требования к электродам:

• обеспечение их равнопрочности с основным материалом;
• отсутствие дефектов в сварных соединениях;
• обеспечение стойкости швов в разных условиях эксплуатации;
• получение требуемого химического состава металла шва.

Процесс сварки

1. Зажигание сварочной дуги (создание короткого замыкания цепи способом прикосновения кончика электрода к изделию).
2. Образование ванны расплавленного металла, смешивание присадочного и основного материалов до формирования однородного сплава.
3. Поддержка нужной длины дуги.
4. Заварка кратера.
5. Формирование сварного шва с помощью угла наклона электрода и изделия.

Источник