Способы сварки высокоуглеродистых сталей

Технические и технологические особенности сварки углеродистых сталей: основные способы сварки и оборудование для каждого способа

Сталью называют сплав железа с углеродом, когда концентрация последнего составляет от 0,02% до 2,14%.

С повышением содержания углерода растут показатели прочности и твердости материала, однако, снижаются его пластичность и вязкость. Поэтому процентное соотношение C к Fe является основным критерием классификации стали, разделившим ее на три группы:

1. Низкоуглеродистая (0,02-0,3%) – мягкие, ковкие сплавы общего применения, которые часто используются в быту (например, в виде прокатного профиля), а также в ненагруженных узлах строительных конструкций, промышленных деталей и механизмов.
2. Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) – сбалансированные сплавы, зачастую обладающие хорошими показателями упругости, стойкости к деформациям и усталостным нагрузкам. Применяются в машиностроении и электротехнике, в том числе для изготовления пружин, рессор, контактных пластин. Ограниченно применяются для изготовления приборов и инструментов.
3. Высокоуглеродистые (0,6-2,14%) – прочные, но относительно хрупкие сплавы, применяющиеся для изготовления ответственных изделий, в том числе инструментов и их режущих кромок, подшипников, дроби для абразивной обработки, стальных канатов и тросов, измерительных приборов.

Кроме того, в углеродистых сталях содержатся примеси других элементов в количестве, недостаточном для того, чтобы материал считался легированным. Допустимо наличие в структуре сплава:

• кремния – не более 1%;
• марганца – не более 1%;
• фосфора – не более 0,06%
• серы – не более 0,05%;
• азота, водорода и кислорода в незначительных количествах.

Фосфор, сера и газы являются нежелательными примесями, долю которых в углеродистой стали стараются свести к минимуму. В качестве микролегирования могут использоваться такие присадки, как титан, цирконий, бор, лантаноиды и некоторые другие элементы.

Значительное влияние на качество стали и ее эксплуатационные характеристики оказывает технология производства, режимы последующей термообработки и другие металлургические параметры. В общем виде классификацию сталей по методу их изготовления, назначению, содержанию тех или иных веществ можно представить в виде таблицы.

Углеродистая сталь
Конструкционная					Инструментальная
Обычного качества			Качественная		Качественная

(У7-У13) Высококачественная

(У7А-У13А) Группа «А» — с гарантированными механическими свойствами Группа «Б» — с гарантированным химическим составом Группа «В» — с гарантированными механическими свойствами и химическим составом С нормальным содержанием марганца С повышенным содержанием марганца По степени раскисленности: КП (кипящая), ПС (полуспокойная), СП (спокойная) По содержанию углерода: низко-, средне- и высокоуглеродистая

В качестве вида стали может указываться способ ее производства. Углеродистые стали могут изготавливаться как в мартеновских и кислородно-конвертерных печах, так и электросталеплавильным методом. Последний обеспечивает большую стабильность свойств и характеристик готового продукта.

Выбор оборудования

Тип и эксплуатационные особенности сварочного оборудования для работы с углеродистыми сталями варьируются в достаточно широких пределах и зависят от таких факторов, как:

• выбранный метод сварки;
• характеристики заготовок;
• требуемое качество шва;
• расчетный режим сварки;
• особенности внешней среды;
• требуемая производительность;
• финансово-экономические критерии.

Чаще всего углеродистые стали соединяют одним из методов электродуговой сварки. Если предполагается ручная сварка и объем работ относительно мал, можно воспользоваться обычным сварочным инвертором, главные достоинства которого – компактность и дешевизна. Хорошим выбором станут модели Fubag IR 200, Wester MMA-VRD 200, Elitech АИС 200, Ресанта САИ-220 и другие.

Примерная стоимость аппаратов Ресанта САИ-220 на Яндекс.маркет

В противном случае, лучше отдать предпочтение промышленным трансформаторам с большей производительностью, например, Кавик ТДМ-252У2 (250 А, 12 кВт) или Brima ТДМ1-315-1 (315 А, 24 кВт). В зонах, где подключение к электрической сети невозможно или затруднено, используются сварочные генераторы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания.

Для полуавтоматической сварки в среде защитных газов или под слоем флюса применяются специализированные сварочные аппараты комбинированной конструкции, которые обеспечивают генерирование сварочного тока, а также подачу в зону сварки защитного газа и плавящегося электрода (кроме того, может подаваться присадочная проволока). В нише бюджетных моделей лидирует Aurora Overman 180, в топовом сегменте – Blueweld Starmig 210 Dual Synergic.

Примерная стоимость аппаратов Aurora overman на Яндекс.маркет

Для газовой сварки потребуется наличие кислородного и ацетиленового баллонов с манометрами, гибких шлангов и горелки, позволяющей регулировать пропорциональное соотношение газов. Оборудование альтернативных видов сварки специфично, оно относится к промышленным аппаратам и крайне редко используется в быту.

Способы сварки низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали относятся к хорошо свариваемым материалам и практически не требуют предварительной подготовки заготовок. Если их толщина не превышает 4 мм, кромкование не проводится, а все предварительные операции ограничиваются очисткой и обезжириванием стыка. В ряде случаев, например, при сварке крупногабаритных изделий, проводится предварительный прогрев в печи до 150-200℃. Другие особенности диктуются конкретным видом сварки.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка проводится покрытым плавящимся электродом с углом наклона в 40-50° в направлении движения инструмента.

Для предотвращения образования закалочных структур рекомендуется выполнять швы каскадом или горкой, что способствует равномерному теплообмену с окружающим металлом и медленному остыванию стыка. Если заготовки уже подвергались закалке, шов наносят послойно, после каждого подхода ожидая полного его остывания.

Особые рекомендации даются в случае устранения трещин, сколов и других дефектов в деталях из низкоуглеродистой стали. В таком случае выбранный тип шва должен обеспечить достаточное заглубление сварочной ванны, что достигается повышением тока или сокращением длины дуги до 1-1,5 мм. Вне зависимости от размера дефекта, длина шва не должна быть меньше 100 мм. При работе с ответственными деталями зону стыка обрабатывают растворами, предотвращающими коррозию.

Дуговая сварка в защитных газах

Роль защитной среды при электродуговой сварке чаще всего играет углекислый газ (MAG-технология). Более эффективную защиту обеспечивает смесь активных газов (не более 30% кислорода) или сочетание углекислого газа с аргоном. Для ответственных соединений зачастую выбирается MIG-сварка, которая предполагает подачу к стыку аргона или гелия.

Самым распространенным присадочным материалом при дуговой сварке низкоуглеродистой стали в защитной среде является проволока Св-08Г2С. Ее подают одновременно с началом сварки, то есть через 5-15 секунд после поступления газа к стыку. Для верхнего положения используется проволока диаметром до 1,2 мм, для нижнего – до 3 мм. Угол ведения материала составляет 30-40°, электрод ведется строго перпендикулярно поверхности.

Сварка под флюсом

Автоматическая и полуавтоматическая сварка низкоуглеродистых сталей проводится под слоем флюса плавящимся прутком СВ-08 (-А, -ГА) диаметром от 1,2 до 3 мм. Роль защитных составов обычно играет смесь АН-348-А или ОСЦ-45.

Обратите внимание, что при сварке без разделывания кромок в зоне шва может повыситься содержание углерода, что повысит прочность соединения, но снизит его пластичные свойства.

Полуавтоматическая сварка малопригодна для создания угловых и сложносоставных соединений низкоуглеродистой стали, так как способствует образованию закалочных структур в околошовной зоне. Частично решить эту проблему позволяет предварительный прогрев заготовок.

Способы сварки среднеуглеродистых сталей

При сварке среднеуглеродистых сталей велик риск образования кристаллизационных трещин и закалочных структур в околошовной зоне, что, в свою очередь, снижает долговечность соединения и негативно влияет на его показатели упругости. Поэтому главными требованиями к сварке такого материала становятся особые щадящие режимы проведения работ, защита шва от образования пор и пузырьков воздуха, снижение содержания углерода в зоне стыка.

Сварка в защитной среде

При соединении заготовок из среднеуглеродистых сталей используется MIG-технология, схожая с технологией сварки низкоуглеродистых сталей. Обязательным условием является предварительный прогрев заготовок до температуры около 200℃. Применяются электроды с низким содержанием карбона и наличием дополнительных микролегирующих элементов: фтора, кальция, марганца и кремния. К ним относятся изделия марок УОНИ-13/45 (-55, -65), УП-1/45, УП-2/45, ОЗС-2, К-5А и другие.

Примерная стоимость электродов УОНИ 13/55 на Яндекс.маркет

Диаметр электрода обычно лежит в пределах 2-6 мм и определяется толщиной свариваемых заготовок. От него, в свою очередь, зависит режим сварки. Так, сила тока при сварке 3-миллиметровыми электродами в нижнем положении составляет 80-100 А, диаметру в 4 мм соответствуют значения 130-200 А, 5-миллиметровыми изделиями работают при токе 170-280 А, а 6-миллиметровыми – 210-380 А. Температура прокаливания электродов варьируется в пределах 250-400℃.

Сварка полуавтоматом

Полуавтоматическая сварка среднеуглеродистых сталей требует раздельной структуры шва, то есть его наложения в несколько ванн. При этом рекомендуется работать короткой дугой и полностью исключить любые движения электродом, кроме продольных. Как и в случае с MIG-сваркой, заготовки прогревают до температуры не более 200℃.

Особое внимание уделяется разделыванию кромок на толстых заготовках. Скосы выполняют под углом 35-45°, тщательно зачищают и обезжиривают. Важно обеспечить высокие показатели коррозионной стойкости шва. Для сохранения его упругости принимают меры для медленного и равномерного остывания стыка.

Газовая сварка

Надежным способом соединения среднеуглеродистых сталей является газовая сварка, которая может проводиться даже при низких температурах. Используется «левая» технология со стандартным или слабо науглероживающим пламенем интенсивностью 75-100 куб. м в час. При чрезмерной мощности сваривания велик риск прожогов или нежелательной закалки стыка.

После выполнения газовой сварки заготовок из среднеуглеродистой стали рекомендуется выполнить их отпуск или отжиг. При этом локальный нагрев шва не должен превышать 650℃, а общий нагрев заготовок – 350℃. Альтернативным способом является проковка стыка.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Высокоуглеродистые стали относятся к сложно свариваемым и ограниченно свариваемым материалам ввиду их особой склонности к закалке, образованию трещин и других термических дефектов. Ввиду высокой сложности выполнения работ ручные методы электродуговой сварки практически не используются.

Газовая сварка

Основным методом соединения заготовок из высокоуглеродистой стали является газовая сварка с предварительным прогревом до 200-300℃. В ряде случаев используется и сопутствующий подогрев. Работы проводятся восстановительным пламенем или пламенем с небольшим избытком ацетилена, интенсивность – не более 90 куб. дм в час. Используется «левый» способ, позволяющий снизить время термического воздействия на металл.

В качестве присадки используется проволока Св-15 или Св-15Г, иногда – проволоки, легированные хромом, никелем, марганцем. В отличие от среднеуглеродистых сталей высокоуглеродистые не рекомендуется обрабатывать ковкой. В случае необходимости выполняется их отпуск или отжиг с полным прогревом заготовок до 350-400℃.

Другие способы сварки

Альтернативным способом соединения высокоуглеродистых сталей является лучевая сварка, которая подразделяется на электролучевую (направленный поток заряженных частиц) и лазерную (направленный поток фотонов). К недостаткам этих технологий можно отнести высокую сложность и дороговизну оборудования, к преимуществам – высокую скорость и точность проведения работ, короткое время и малую площадь температурного воздействия на стык.

Ограниченно применяются технологии контактной, плазменной, электрошлаковой сварки, которые требуют значительных ресурсозатрат, однако, не решают всех проблем, связанных с сообщением необходимых механических свойств шву. Одним из перспективных направлений является соединение заготовок высокоуглеродистых сталей между собой и с другими материалами сваркой трением.

Источник

Виды углеродистых сталей и их сварка

Самый потребляемый в мире металл – сталь, фактически сталь – это не металл, а сплав железа с углеродом. На данный момент общее количество производимой стали в мире превышает полтора миллиарда тонн в год. Стали подразделяются на углеродистые и легированные, легированные отличаются тем, что в процессе производства в сталь добавляют различные элементы (например никель, для увеличения сопротивления коррозии, марганец для увеличения прочностных характеристик и так далее), придающие ей особые свойства. Углеродистые стали используются чаще всего для сваривания, существуют низкоуглеродистые стали, содержащие менее 0,3 % углерода, они хорошо поддаются любой сварке, среднеуглеродистые с содержанием от 0,3 до 0,6 % поддаются сварочному процессу хуже, зато прочнее, но менее пластичнее, высокоуглеродистые стали самые прочные, но имеют небольшое относительное удлинение, поддаются сварочному процессу хуже всех. Отличаются они по содержанию углерода, а, следовательно, по химическим и физическим свойствам.

Малоуглеродистая сталь и ее свойства

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

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

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

Сварка углеродистых сталей

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

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

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

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

Низкоуглеродсиая сталь: технология сварки

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

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

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

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

Сварка среднеуглеродистых

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

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

Сварка высокоуглеродистых сталей

Стали, имеющие высокий процент содержания углерода, от 0,6 % до 0,85 %, очень плохо поддаются сварочному процессу. Газовая сварка применяться в данном случае не может, так как в процессе углерод выгорает в больших количествах и образуются закалочные структуры, которые ухудшают качество шва. Лучше всего в данном случае применять дуговую сварку.

Требования

Во время сварки углеродистых сталей для достижения максимальных параметров необходимо соблюдение следующих требований:

• Сварные электроды и проволока должны иметь низкий процент углерода, чтобы избежать появление ненужных дефектов;
• Необходимо следить, чтобы углерод из металла под действием высокой температуры не переходил в сварной шов, для этого применяется проволока для сварки сталей со средним содержанием углерода и выше, например Forte E71T-1, Барс-71. Данные типы отлично подойдут для сварки сталей с содержанием углерода выше 0,3 %;
• При проведении сварочного процесса следует добавлять флюсы, которые способствуют образованию тугоплавких образований;
• Снижать химическую неоднородность шва путем последующей термической обработки;
• Снижать содержание водорода путем прокалки электродов, использованием электродов с низким содержанием водорода и прочее.

Особенности

Также следует отметить следующие особенности проведения сварки углеродистых сталей:

• Перед проведением данной операции нужно тщательно очищать свариваемый материал от ржавчины, механических неровностей, грязи, окалины. Эти загрязнения способствуют образованию трещин в сварочном шве;
• Охлаждать сварочные конструкции из углеродистых сталей нужно медленно, на воздухе, чтобы структура нормализовалась;
• При проведении сварного процесса для ответственных деталей нужен предварительный подогрев, примерно до 400 градусов, с помощью подогрева обеспечится требуемая прочность шва, также в данном случае сварку можно осуществлять в несколько подходов.

Таким образом, процесс сваривания углеродистых сталей зависит, главным образом, от содержания в них углерода. Поэтому необходимо учитывать, какое содержание и выбирать правильную технологическую схему, чтобы получить высококачественное прочное изделие, которое сможет прослужить долгий срок.

Источник