Технология дуговой сварки низкоуглеродистых сталей. Технология сварки углеродистых и низколегированных сталей

Стали с низким содержанием углерода относятся к хорошо свариваемым. Однако сварка низкоуглеродистых сталей должна соответствовать ряду требований. Соединение должно быть равнопрочным основному металлу, а дефекты шва должны полностью отсутствовать. Для достижения этой цели применяются различные технологические ухищрения.

Перед тем как приступить непосредственно к сварке деталей необходимо стальной щеткой зачистить поверхность кромок.

Подготовка деталей

При сварке низколегированных малоуглеродистых сталей сформировать качественный сварной шов можно несколькими способами. Чаще всего применяются следующие методы:

• газовая сварка;
• РДС электродами с любым покрытием;
• сварка в среде углекислого газа плавящимся электродом;
• сварка порошковой проволокой.

Независимо от способа, соединяемые части должны быть установлены специальное сборочное оборудование для надежной фиксации. При использовании дуговых способов свариваемые изделия можно предварительно прихватить покрытым электродом или полуавтоматическим способом в среде защитного углекислого газа. Длина прихваток выбирается исходя из толщины металла. Площадь сечения прихваток должна составлять около трети площади сечения шва, но не должна превышать 30 мм 2 .

Качество прихваток в данном случае играет большую роль, поэтому перед выполнением процедуры их необходимо проверить на наличие дефектов. Если в прихватке обнаруживается трещина, ее необходимо удалить и нанести заново. Для выполнения электрошлаковой сварки деталей между ними следует расположить зазор с расширением к концу шва. Детали фиксируются скобами, которые удаляются по мере формирования валика. Перед АСФ по концам шва необходимо расположить выводные рамки для того, чтобы избежать недостаточного провара вначале и обеспечить вывод кратера в конце шва.

Газовая, ручная дуговая и полуавтоматическая сварка обычно выполняется на весу. При АСФ отсутствие дефектов шва обеспечивается правильным выбором режима сварки. Также свариваемые кромки нужно очистить от разного рода загрязнений.

При дуговой сварке ответственных конструкций следует накладывать швы с 2 сторон. При большой толщине металла желательно накладывать несколько швов. Таким образом можно достичь оптимального состава металла шва. Если в сварочном соединении появились какие-либо дефекты, металл на этом участке следует удалить, очистить и подварить.

Вернуться к оглавлению

РДС покрытыми электродами

РДС низкоуглеродистых сталей выполняется электродами групп Э38, Э42 и Э46 с любым покрытием. Диаметр электрода и параметры сварки подбираются исходя из толщины свариваемых фрагментов. Оптимальными марками электродов являются УОНИ-13/45, СМ-5, МР-3 (для ответственных конструкций), АНО-1, АНО-2 и др.

При РДС наименьшие напряжения и деформации получаются в нижнем пространственном положении. Поэтому все угловые и тавровые соединения лучше приводить в нижнее положение с помощью сборочных приспособлений.

Сварка газом – далеко не лучший способ соединения низкоуглеродистых сталей, но вполне может применяться. Процесс соединения осуществляется нормальным пламенем без использования флюсов присадочными проволоками СВ-08 с пониженным содержанием углерода во избежание окисления зоны сварки. Варить можно правым и левым способами. В первом случае мощность пламени должна составлять 120-150 л/мм, во втором – 100-130 л/мм. При газовой сварке невозможно достичь оптимальных механических свойств сварного шва, но их можно улучшить посредством нормализации, отжига или горячей проковки.

Вернуться к оглавлению

Полуавтоматическая и автоматическая сварка

Технология сварки низколегированных сталей полуавтоматом не позволяет получить шов, механические характеристики которого соответствуют параметрам основного металла. Это обусловлено тем, что процесс происходит без присадочного прутка, поэтому содержание марганца и силиция в металле шва очень незначительное. Для ответственных деталей лучше применять чистый аргон или гелий, в других случаях используется углекислый газ.

Полуавтоматический и автоматический способы сварки низкоуглеродистых сталей ведется в нижнем пространственном положении сварочными проволоками Св-08Г2С или Св-08ГС. Для многослойных швов ответственных конструкций используется проволока 12ГС. Если конструкция будет работать в условия коррозионного изнашивания, следует использовать проволоку Св-08ХГ2С. Хром, содержащийся в ней, придает металлу шва коррозионную стойкость, препятствуя интенсивному изнашиванию детали в воде.

При сварке в среде углекислого газа необходимо обеспечить высокое его качество. Если CO 2 будет перенасыщен водородом или азотом, это неизбежно приведет к образованию пор. Большое значение имеет напряжение на дуге, поскольку повышенная температура сварочной ванны может привести к выгоранию легирующих элементов и ухудшению прочностных свойств соединения. В связи с этим следует правильно выбирать режим сварки. Рекомендуется придерживаться значений, указанных в таблице.

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.

Введение

Сварочная техника и технология занимают одно из ведущих мест в современном производстве. Свариваются корпуса гигантских супер­танкеров и сетчатка человеческого глаза, миниатюрные детали полу­проводниковых приборов и кости человека при хирургических опера­циях. Многие конструкции современных машин и сооружений, например, космические ракеты, подводные лодки, газопроводы и нефтепрово­ды, изготовить без помощи сварки невозможно. Развитие техники предъявляет все новые требования к способам производства и, в част­ности, к технологии сварки. Сегодня сваривают материалы, которые еще относительно недавно считались экзотическими. Это титановые, ниобиевые и бериллиевые сплавы, молибден, вольфрам, композици­онные высокопрочные материалы, керамика, а также всевозможные сочетания разнородных материалов. Свариваются детали электрони­ки толщиной в несколько микрон и детали тяжелого оборудования толщиной в несколько метров. Постоянно усложняются условия, в ко­торых выполняются сварочные работы: сваривать приходится под во­дой, при высоких температурах, в глубоком вакууме, при повышен­ной радиации, в невесомости. Недаром сварка стала вторым после сборки технологическим процессом, впервые в мире опробованным нашими космонавтами в космосе.

Современный технический прогресс в промышленности неразрывно связан с совершенствованием сварочного производства. Сварка, как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений, находит широкое применение при изготовлении металлургического, кузнечнопрессового, химического и энергетического оборудования, различных трубопроводов, в сельскохозяйственном и тракторном машиностроении, в производстве строительных и других конструкций.

Краткие сведения об углеродистых сталях

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам:

1) По качеству.

2) По способу раскисления.

По качеству

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу­спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

Группа А поставляются только по механическим свой­ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла­стичность.

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки.

Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например - В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав - номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050-74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %).

Качественные углеро­дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, ..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про­цента с указанием степени раскисленности (кп, пс).

Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна­чении последних в конце марки ставится буква Г, например, 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали.

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается.

низкоуглеродистые (до 0,25 % С).

среднеуглеродистые (0,3-0,55 % С).

высокоуглеродистые (0,6-0,85 % С).

Для изделий ответственного назначения применяют высоко­качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен­ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ­ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко­качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри­мер сталь У10А.

Углеродистые стали, содержащие 0,7-1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки­руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления

Полуспокойные

Спокойные

Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем.

Свариваемость углеродистых сталей

Малоуглеродистые стали отличаются хорошей сварива­емостью. Снижать свариваемость могут вредные примеси, если со­держание их превышает норму.

Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем из нормы, если они образуют местные скопления, например, вследствие ликвации. Вредными для сварки элементами в малоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причём последняя особенно склонна к лик­вации с образованием местных скоплений.

Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать так­же засорённость металла газами и неметаллическими включениями. Засорённость металла вредными примесями зависит от способа его производства и о ней частично можно судить по маркировке метал­ла. Сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная лучше, чем кипящая. При изготовлении ответственных сварных из­делий указанные отличия в свариваемости малоуглеродистых ста­лей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла.

Углеродистые стали, содержащие углерода более 0,25%, обла­дают пониженной свариваемостью по сравнению с малоуглероди­стыми, причём свариваемость постепенно снижается по мере повы­шения содержания углерода. Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведёт к получению твёрдых хруп­ких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин. С повышением содержания углерода растёт склонность металла к перегреву в зоне сварки. Увеличенное содер­жание углерода усиливает процесс его выгорания с образо­ванием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавлен­ного металла.

При содержании углерода свыше 0,4-0,5% сварка стали ста­новится одной из сложнейших задач сварочной техники. Углероди­стые стали вообще обладают пониженной свариваемостью и, если это возможно, рекомендуется заменять их низколегированными кон­струкционными сталями, которые дают ту же прочность при значи­тельно меньшем содержании углерода за счёт других легирующих элементов. При сварке углеродистых сталей плавлением обычно не придерживаются соответствия химического состава присадочного и основного металла, стремясь получить наплавленный металл рав­нопрочным с основным за счёт легирования марганцем, кремнием и др. при сниженном содержании углерода.

Сварка углеродистых сталей часто выполняется с предваритель­ным подогревом и последующей термообработкой, причём, если возможно, во многих случаях стремятся совместить термообработку с процессом сварки, например, при газовой сварке мелких деталей, при газопрессовой сварке, при точечной и стыковой контактной сварке и т. д.

Большинство низколегированных конструкционных сталей обла­дает удовлетворительной свариваемостью. Ввиду возросшего зна­чения сварки новые марки конструкционных низколегированных сталей, как правило, выпускаются с удовлетворительной свари­ваемостью.

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.

Конструкции из среднеуглеродистой стали могут быть хорошо сварены при непременном соблюдении правил сварки, а также следующих дополнительных указаний. В стыковых, угловых и тавровых соединениях следует при сборке соединяемых элементов сохранять между кромками зазоры, предусмотренные ГОСТ, чтобы сварочная поперечная усадка происходила более свободно и не вызывала кристаллизационных трещин. Кроме того, начиная с толщины стали 5 мм и более, в стыковых соединениях делают разделку кромок, и сварку ведут в несколько слоев. Сварочный ток понижают.

Сварка высокоуглеродистой стали

Сварка высокоуглеродистых сталей марок ВСт6, 45, 50 и 60 и литейных углеродистых сталей с содержанием углерода до 0,7 % еще более затруднительна. Эти стали применяют главным образом в литых деталях и при изготовлении инструмента. Сварка их возможна только с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 350-400 °С и последующей термообработкой в нагревательных печах. При сварке должны соблюдаться правила, предусмотренные для среднеуглеродистой стали, этот процесс мы рассмотрим ниже.

Технологии сварки высокоуглеродистых сталей

Хорошие результаты достигаются при сварке узкими валиками и небольшими участками с охлаждением каждого слоя. После окончания сварки обязательна термическая обработка.

Сварка среднеуглеродистой стали

Сварка среднеуглеродистой стали марок ВСт5, 30, 35 и 40, содержащей углерода 0,28-0,37 % и 0,27- 0,45%, более затруднена, так как с увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость стали.

Применяемую для арматуры железобетона среднеуглеродистую сталь марок ВСт5пс и ВСт5сп сваривают ванным способом и обычными протяженными швами при соединении с накладками (рис. 16.1). Для сварки концы соединяемых стержней должны быть подготовлены: для ванной сварки в нижнем положении- обрезаны резаком или пилой, а при вертикальной сварке - разделаны. Кроме того, они должны быть зачищены в местах соединения на длину, превышающую на 10-15 мм сварной шов или стык. Сварка производится электродами Э42А, Э46А и Э50А для протяженных валиковых швов. При температуре воздуха до минус 30 °С необходимо увеличивать силу

Рис. 16.1. Сварка стыков арматуры железобетона: а - ванная; 1 - горизонтальных; 2 - вертикальных; б - шовная

сварочного тока на 1 % при понижении температуры от 0°С на каждые 3°С. Кроме того, следует применять предварительный подогрев соединяемых стержней до 200-250 °С на длину 90-150 мм от стыка и снижать скорость охлаждения после сварки, обматывая стыки асбестом, а в случае ванной сварки не снимать формующих элементов до охлаждения стыка до 100 °С и ниже.

При более низкой температуре окружающего воздуха (от -30 до - 50 °С) следует руководствоваться специально разработанной технологией сварки, предусматривающей предварительный и сопутствующий подогрев и последующую термическую обработку стыков арматуры либо сварку в специальных тепляках.

Сварку других конструкций из среднеуглеродистой стали марок ВСт5, 30, 35 и 40 следует вести с соблюдением тех же дополнительных указаний. Стыки рельсовых путей обычно сваривают ванной сваркой с предварительным подогревом и последующим медленным охлаждением аналогично стыкам арматуры. При сварке других конструкций из этих сталей следует применять предварительный и сопутствующий подогрев, а также последующую термическую обработку.

Электроды

Сварку ведут электродами диаметром не более 4-5 мм постоянным током обратной полярности, что обеспечивает меньшее расплавление кромок основного металла и, следовательно, меньшую его долю и меньшее содержание С в металле шва. Для сварки применяют электроды Э42А, Э46А или Э50А. В стальных стержнях электродов содержится немного углерода, поэтому при их расплавлении и перемешивании с небольшим количеством среднеуглеродистого основного металла в шве углерода будет не более 0,1-0,15 %.

При этом металл шва легируется Мn и Si за счет расплавляемого покрытия и таким образом оказывается равнопрочным основному металлу. Сварку металла толщиной более 15 мм ведут «горкой», «каскадом» или «блоками» для более медленного охлаждения. Применяют предварительный и сопутствующий подогрев (периодический подогрев перед сваркой очередного «каскада» или «блока» до температуры 120-250°С). Конструкции, изготовленные из стали марок ВСт4пс, ВСт4сп и из стали 25 толщиной не более 15 мм и не имеющие жестких узлов, обычно сваривают без подогрева. В других случаях требуются предварительный и сопутствующий подогрев и даже последующая термическая обработка. Дугу зажигают только в месте будущего шва. Не должно быть незаваренных кратеров и резких переходов от основного к наплавленному металлу, подрезов и пересечений швов. Выводить кратеры на основной металл запрещается. На последний слой многослойного шва накладывают отжигающий валик.