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.

-> Выпуск 106 ->

Особенности сварки углеродистой стали

Углеродистые стали обладают хорошими литейными свойствами. Они усиливают ее закаливающие качества, обладают высокой прочностью и износостойкостью. В основном они используются в машиностроении и судостроении для изготовления корпусов и различных деталей: валов, зубчатых колес, осей. Сварка таких сталей имеет ряд особенностей. Из-за содержания углерода повышается склонность к образованию трещин в сварных конструкциях. Чтобы этого избежать используются специальные элементы сварки - электроды УОНИ и сварочная проволока СВ08Г2С, которые позволяют увеличить прочность и улучшить качество швов.

Виды углеродистой стали

По количеству содержащегося углерода стали делятся на:

1. Низкоуглеродные (содержание углерода до 0,25%). Они обладают хорошей свариваемостью, дают качественные швы нужного химического состава и прочные соединения.
2. Среднеуглеродистые (содержание углерода 0,25-0,6%). При увеличении количества углерода свойства стали ухудшаются, появляется склонность к образованию трещин и пор. Чтобы этого избежать, при сварке используются электроды с пониженным содержанием углерода (электроды УОНИ) и дополнительное легирование наплавленного металла кремнием или марганцем. Также используется сварочная проволока СВ08Г2С .

Технологические особенности сварки углеродистой стали

При осуществлении сварки стали с повышенным содержанием углерода нужно учитывать следующие моменты:

• в шов из основного металла должно переходить минимальное количество углерода;
• оптимальная форма шва и уменьшение его химической неоднородности;
• дополнительное введение в зону шва химических элементов, усиливающих его прочность (кальций, марганец);
• использование электродов с низким содержанием углерода.

Электроды для сварки углеродистой стали

Каждая марка электрода или сварочной проволоки должна отвечать определенным требованиям и обладать конкретным набором свойств. Основными характеристиками сварочных электродов являются механические свойства шва, сопротивление разрыву, угол изгиба, ударная вязкость и относительное удлинение сварочной дуги. При выборе конкретной марки нужно учитывать и покрытие электрода:

1. Основное (карбонатное и фтористое покрытие), которое благодаря низкому содержанию газов и примесей дает отличный шов, не склонный к образованию трещин.
2. Кислое (содержит оксиды кремния, магния и железа) - увеличена склонность к образованию трещин, шов получается недостаточно прочным.
3. Рутиловое (в основе - диоксид титана) - обеспечивает стабильное горение дуги, металл не сильно разбрызгивается, шлаковая корка легко отделяется.
4. Целлюлозное - обладает повышенным содержанием водорода, но дает дополнительные удобства в процессе сварки.

По материалам сайта

Сталь – это сплав железа и углерода, который применяется более чем все другие вместе взятые металлы и их сплавы. Без применения стальных конструкций и деталей немыслимо существование современной техногенной цивилизации.

Особое место в современной промышленности занимает сварка низкоуглеродистых сталей, как самый широко используемый способ соединения. Сталь имеет отличные показатели свариваемости – это обусловило возникновение ряда методов и способов сварных соединений.

Современные технологии позволяют достигать высокого качества сварочных швов. Таким образом, сварные соединения почти вытеснили применяемые раньше – клепанные. Разработаны методы сварки в тяжелых условиях, например, подводная сварка.

Определение понятия – углеродистая сталь

Если в сплаве вместительность углерода не превышает 2,07%, то такой материал смело можно называть сталью . Все, что превышает процентное соотношение 2,14 – это чугуны. Увеличение процента углерода в сплаве ведет к повышению его твердости и хрупкости.

• Низкоуглеродистые стали содержат до 0,25% углерода.
• Среднеуглеродистые стали содержат от 0,25 до 0,6% углерода.
• Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6 до 2,07% углерода.

Для изготовления инструментальных сплавов повышенной прочности применяют низкоуглеродистые легированные стали. В качестве легирующих добавок служат хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан. Незначительные примеси серы и фосфора, до 0,035%, также повышают характеристики сплавов, высокая чистота стали обозначается буквой «А» в маркировке.

Углерод в составе стали также играет немаловажною роль. Благодаря ему возможна закалка и отпуск, увеличиваются эксплуатационные сроки, повышается твердость. Такие характеристики важны для изготовления деталей повышенной износостойкости шестеренки, звездочки, корпуса, центровые валы, зубчатые колеса.

Наличие разнообразных примесей в сплавах обуславливает применение различных способов и флюсовых добавок при сварке высоколегированных сталей. Но на свариваемость в основном влияет количество углерода. Чем выше его процентное соотношение, тем менее прочным становится сварочный шов.

Виды и технологии сварки углеродистых сталей

Одним из основных критериев для достижения оптимального качества шва является максимальное приближение его физико-химических характеристик к показателям основного сплава. Равнопрочность и однокомпонентность свариваемой стали и присадочных компонентов позволяют получать максимально прочные соединения.

Поскольку качество свариваемости понижается с повышением процента содержания углерода, то основные марки сталей можно разделить на две группы:

• Сплавы с хорошей свариваемостью – Ст10, Ст20, 15ГС, 12МХ, 15ХМ
• Сплавы с удовлетворительной свариваемостью – 15Г2С, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2М1, 12Х2МФСР, 12Х2МФБ.

Для преодоления проблем, возникающих при сваривании стали, были разработаны технологии сварки, позволяющие создавать необходимые условия. Ниже предоставлены основные направления разработок по этой теме.

• Электродуговая сварка

Этот способ предполагает использование электрической дуги для нагрева металла до жидкого состояния. Технология возникла более 100 лет назад и за этот период заняла доминирующее место, почти полностью вытеснив некоторые виды соединений, например, склепывание.

Применение высокотемпературной сварочной дуги значительно сужает необходимую зону прогрева, что сохраняет качество соединяемых деталей. Стабильность горения и быстрота прогрева электрической дуги позволили создать ряд направлений в разработке сварочного оборудования.

• Электродуговая сварка плавящимися электродами (MMA)

Сварка происходит вследствие горения дуги между кончиком электрода и деталью, при этом электрод плавится, заполняя сварочную ванну. Для предотвращения окисления расплавленного металла, электроды покрываются обмазкой, которая при оплавлении покрывает шов защитным слоем шлака. После остывания шлак удаляется отстукиванием.

Сварочные аппараты такого типа успешно работают как от сети 220 Вт, так и от 380 Вт. Низкие требования и компактные размеры современных сварочных аппаратов позволяют их применять от самых труднодоступных мест, на высотных объектах, до применения в быту.

Тип сварочной дуги может быть как постоянным, так и переменным. Аппараты постоянного сварочного тока обладают большим функционалом вследствие более высоких характеристик сварочной дуги.

Для разных типов свариваемого металла применяются электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Главным критерием для подбора марки электродов является образование равнопрочного сварочного шва, без внутренних трещин и хрупких интерметаллических зон.

Для произведения дуговой сварки углеродистых сталей с удовлетворительной свариваемостью, целесообразно применять постоянный сварочный ток.

MMA сварка на данный момент является самым распространенным и часто применяемым видом сварки вообще.

• Электродуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертных газов (TIG)

Нагрев металла при таком способе происходит вследствие горения дуги между вольфрамовым электродом и деталью. Заполнение металлом сварочной ванны происходит благодаря подаче присадочной проволоки непосредственно в зону плавления.

Горелка сварочного аппарата такого типа подает аргон в зону нагрева. Этот инертный газ не только защищает расплавленный металл от окисления, но благодаря ионизирующим способностям приводит к стабильному горению дуги.

Повышенные параметры сварочных характеристик позволяют производить работы, требующие особой прочности и аккуратности. TIG сварка особенно оправдана при использовании для соединения легированных инструментальных сталей.

• Электродуговая полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (MIG-MAG)

Сваривание происходит вследствие горения дуги между подаваемой проволокой и деталью. Проволока подается в автоматическом режиме и является заполнением для сварочной ванны. Горелка устроена таким образом, чтобы подавать защитный или инертный газ в зону плавления.

Полуавтоматическая сварка благодаря высокой производительности и аккуратности сварочных швов прочно заняла свое место в промышленности.

• Электродуговая газо-плазменная сварка

Дуга на кончике вольфрамового электрода ионизирует поток атомов аргона, что образует плазменный факел, плавящий металл. Благодаря эффекту плазмы происходит более глубокое проплавление стали, увеличивается качество и прочность швов.

Оборудование для газо-плазменной сварки обычно производится в промышленном формате. Зачастую, это полностью автоматические комплексы, контролируемые исключительно при помощи программного обеспечения.

• Электрошлаковая сварка

Благодаря этой технологии появилась возможность сваривать толстый металл за один проход, что значительно улучшает качество сварочного шва.

Разогрев металла происходит из-за прохождения электрической дуги через токопроводящий шлак (флюс). В слой шлака вживлены металлические электроды, которые при расплавлении шлака, перенимают токопроводимость на себя, гася тем самым дугу. Последующее бездуговое нагревание происходит исключительно из-за сопротивления металла электрическому току.

Сваривание производят обычно в направлении снизу вверх, ограничивая место сварки медными охлаждаемыми ползунами. Такой способ весьма удобен для заполнения толстых швов нелинейной конфигурации.

Плавление металла производится высокотемпературным факелом сжигаемого горючего газа в среде чистого кислорода. Смешение газов происходит в специальной газопламенной горелке, которая оснащена рукоятками управления интенсивности подачи горючей смеси.

Сварочная ванна заполняется металлом благодаря присадочной проволоке, которая подается в зону плавления.

Для газовой сварки далеко не каждый горючий газ будет приемлемым. Например, пропан имеет примеси, которые окисляют расплавленный метал, шов получается рыхлым и бесформенным.

Технология газовой сварки углеродистых сталей подразумевает использование традиционного ацетилена или более новомодного МАФа.

Недостатком газосварки является ее низкая производительность, повышенные трудозатраты, дороговизна расходных компонентов. Развитие различных технологий электросварки постепенно вытеснило газосварку из повсеместного использования.

Перечисленный ряд способов сварки является наиболее популярным, но далеко не полным. Эта отрасль постоянно развивается. Существуют термитная, электролизерная, лазерная, химическая сварки. Даже способ сваривания трением нашел свое место в определенных отраслях производства. Среднеуглеродистые и низкоуглеродистые марки сталей в обозримом будущем вряд ли утратят свою популярность, скорее наоборот. Так что, развитие перспективных технологий сварки еще надолго останется востребованной отраслью.

Температура плавления углеродистой стали составляет 1535°С. Наиболее часто аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом сваривают стали, используемые в теплоэнергетике

Углеродистые и низколегированные стали

ТРУДНОСТИ ПPИ СВАРКИ. Основная - трудно избежать образования пор из-за недостаточного раскисления основного металла. Средством борьбы с порообразованием служит снижение доли основного металла в наплавленном металле шва

Подготовка к сварке. Для разделки сталей, а также подготовки кромок используют газовую, плазменную или воздушно-дуговую резку. После нее участки нагрева металла зачищают резцовым или абразивным инструментом до удаления следов термообработки. Непосредственно перед сборкой стыка кромки зачищают на ширину 20 мм до металлического блеска и обезжиривают.

Стыки собирают в сборочных кондукторах либо с помощью прихваток, которые выполняют с полным проваром и их переплавкой при наложении основного шва. Прихватки с недопустимыми дефектами следует удалять механическим способом. На потолочные участки шва прихватки накладывать не рекомендуется, поскольку там они труднее поддаются переплавке при выполнении основного шва. На сталях 10 и 20 прихватки выполняют только с помощью присадочной проволоки. Ее поверхность должна быть чистой, без окалины, ржавчины и грязи. Очищать проволоку можно как механическим способом, гак и химическим травлением в 5%-ном растворе соляной кислоты.

1-5 - очередность установки прихваток А, Б - выводные планки для начала и окончания сварки

Выбор параметров режима. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Сварочный ток назначают: при однопроходной сварке - в зависимости от толщины конструкции, а при многопроходной - исходя из высоты шва. Высота шва (валика) при ручной аргонодуговой сварке должна составлять 2-2,5 мм. Ориентировочно сварочный ток выбирают из расчета 30-35 А на 1 мм диаметра вольфрамового электрода.

Напряжение на дуге должно быть минимально возможным, что соответствует сварке короткой дугой.

Скорость сварки выбирают с учетом гарантированного проплавления кромок и формирования требуемой выпуклости сварного шва.

Техника сварки. При выполнении первого (корневого) шва возможна сварка без присадочной проволоки, но при этом все прихватки должны быть проплавлены. Нельзя сваривать без присадочной проволоки конструкционные углеродистые стали марок 10 и 20, так как в металле шва могут появиться поры. Сварку ведут углом вперед. Присадочную проволоку подают навстречу движению горелки, причем угол между ними должен составлять 90°. Следует избегать резких движений проволокой - они приведут к разбрызгиванию присадочного металла или окислению конца проволоки.

Присадок должен всегда находиться в зоне защиты аргоном.

Корневой шов сваривают без поперечных колебаний. При наложении последующих слоев горелкой совершают колебательные движения, амплитуда которых зависит от формы разделки кромок.

Кратер шва при отсутствии системы плавного снижения сварочного тока заваривают путем введения в кратер капли присадочного металла, одновременно плавно увеличивая дугу до ее естественного обрыва. Газовую защиту убирают, отводя горелку через 10-15 с после обрыва дуги.

РЕЖИМЫ СВАРКИ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

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.

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.