Сварка углеродистых и легированных сталей: оборудование и материалы

Стальные изделия создают современную цивилизацию. Синтетики, частично вытеснили металл из некоторых ниш (к примеру, инженерные системы отопления и водопровода), однако на фоне общего объема применения это прошло почти незаметно.

Но там, где  сталь, нужно соединение деталей из нее. Поэтому сварка стали давно выделилась в отдельную отрасль промышленности и науки.

Причем оказалось, что даже металлы, детали из которых внешне не имели заметных отличий, к созданию соединения относятся по-разному.

Влияют на это  вносимые добавки, называемые легирующими, а также содержание углерода.

Содержание

Влияние легированных примесей

Легирующими называют примеси меняющие свойства железа. По сути, только они превращают его в привычный материал. Такими добавками выступают редкоземельные металлы (напр. молибден, никель, ванадий), галогены (сера, фосфор), такие элементы как кремний или марганец. Самая распространенная — углерод.

Влияние примесей зависит от процентного состава их по отношению к объему. Особенно это заметно на примере добавок углеродных. Сварка высокоуглеродистых сталей труднее, чем большинства высоколегированных сортов.

Кроме прочего, некоторые добавки при высоких температурах выгорают. Это приводит к изменению свойств металла на стыке. Как правило, в худшую сторону.

Ниже приведен список легирующих добавок с указанием влияния на сварной шов.

  1. Углерод, обозначается латинской «С». При содержании до 0,25% (низкоуглеродистые) не оказывает влияния. С повышением свариваемость ухудшается и при 0,45% сварку углеродистых сталей классифицируют как трудную.
  2. Сера и фосфор, обозначения S и P — вредные примеси ухудшающие качества материала. При сварных работах образуют с железом химические соединения, придающие шву хрупкость, вызывающие образование трещин.
  3. Кремний или Si — силициум по-латыни. При содержании свыше 0,6% повышает текучесть, затрудняя технологию.
  4. Марганец Mn — повышает твердость металла, при содержании свыше 2% создает риск холодных трещин.
  5. Хром Cr — при повышении содержания образует тугоплавкие оксиды, ухудшающие свариваемость.
  6. Никель Ni — одна из немногих легирующих добавок улучшающая свариваемость.
  7. Молибден, ванадий, вольфрам: Mo; V; W — соответственно. Придают прочность, при высоком содержании ухудшают свариваемость. Склонны к выгоранию поэтому, к примеру, при сварке стали 13хфа, содержащей ванадий не допускается перегрев.
  8. Титан и ниобий  Ti; Nb — первый не оказывает практического влияния, второй повышает риск трещинообразования.

Все остальные присутствующие в железе вещества влияния на свариваемость не имеют.

Факторы, определяющие свариваемость стали

Свариваемость представляет собой свойство образования  соединения с заданными параметрами. В соответствии с ГОСТ металл считается свариваемым, если существующими технологическими процессами его возможно соединить методом сварки с заданной величиной прочности.

На свариваемость влияют как химические факторы, о которых  уже упоминалось, так и физические. К последним относятся:

  • Толщина и конфигурация соединяемых заготовок: сварка мелких деталей из стали проще.
  • Структурные особенности металла.
  • Условия, в которых протекает процесс соединения (температура окружающего воздуха, наличие ветра, осадков).

Кроме того, сварка разнородных сталей технологически сложнее.

Особенности низкоуглеродистых

По своим сварочным качествам такая сталь относится к материалам с хорошей свариваемостью. Для работы с ней не требуется высокая квалификация сварщика.

В процессе работы применяют дуговые сварочные трансформаторы и полуавтоматы, кислородно-ацетиленовую сварку.

Зона сварного шва при любой технологии упрочняется. Для получения равнопрочного соединения при сварке низколегированных сталей нужно не допускать непроваров, подрезов и других дефектов.

Для снятия остаточных напряжений, а также ликвидации зон деформационного старения используют отпуск готовых швов при температуре 600-650oС.

Технология выполнения сварки низкоуглеродистой стали с помощью газового оборудования позволяет снизить скорость остывания шва, что повышает его качество. Для этого, факел горелки отводят не сразу, увеличивая время остывания шва.

Среднеуглеродистая

Если низкоуглеродистые стали используются как конструктивные, то сплавы с большим содержанием углерода применяют для этих целей реже. Их область — крупные детали машин и механизмов.

Сварку выполняют, обеспечивая:

  • возможно меньшее содержание в шве углерода, а также доли основного металла;
  • меньшую зону термического влияния;
  • снижение закалочных структур, повышающих хрупкость стыка.

Избежать резкого охлаждения шва, а значит трещинообразования помогает предварительный нагрев зоны сварки. При этом снижается технологичность, возрастает трудоемкость работы, но повышается качество.

Для снижения процентного содержания углерода при сварке легированных сталей используют специальные порошковые проволоки. Кроме того, даже для тонких деталей выполняют разделку кромок. Это помогает выполнить  шов присадочным металлом, при минимизации объема основного.

Повышению качества способствует применение электродов меньшего диаметра, которыми возможно выполнить работу на меньшем токе. При этом снижается перемешивание металла шва с основным. Кроме того, возрастает скорость восстановления марганца и кремния, что так же повышает прочность и пластичность стыка.

С точки зрения технологии предпочтительнее использование сварки под флюсом, либо с использованием покрытых электродов.

Эффективно снижает хрупкость отпуск металла шва при температурах около 600ºС.

Высокоуглеродистая

Высокоуглеродистые сплавы железа относятся к плохосвариваемым металлам. Использование их для строительных конструкций исключено. Зона использования таких материалов станкостроение, инструментальные изделия, быстрорежущие стали и т.п.

Технологически сварка высоколегированных сталей мало отличается от среднеуглеродистых. Особое внимание, как и там уделяют рациональному выбору режима создания сварного стыка,  формы соединительного шва.

Широко применяются аппараты для работы в защитной среде инертных газов, например — аргона. Работы также ведут полуавтоматами, с углекислым газом.

Заметную роль играет форма шва. Узкие, глубокие швы способствуют концентрации вредных примесей, таких как сера и фосфор, образующих ослабленную зону. Излишне в процессе кристаллизации приобретают слоистость, так же снижая прочность.

Жаропрочные металлы

Этот тип сплавов отличает высокое (до 65%) содержание легирующих добавок, которые придают материалу устойчивость к высоким температурам.

Сложность сварки жаропрочных сталей таким образом, помимо обеспечения прочности шва, заключается в сохранении вышеупомянутых качеств.

Наиболее распространенная технология: сварка неплавким вольфрамовым электродом в среде инертных газов, гелия или аргона.

Аустенитные и нержавеющие сплавы сваривают также под флюсом. С целью сохранения мелкокристаллической структуры таких материалов, используют модификацию шва.

Для этого, применяют присадки с высоким содержанием легирующих компонентов (хром, молибден).

При использовании инверторных приборов используют соответствующие электроды либо проволоку.

Изделия из жаростойких металлов, обычно закаленные. Но поскольку околошовное пространство остывает медленно, каленый металл отпускается, теряя твердость. Чтобы этого не произошло после сварки теплоустойчивых сталей выполняют их закалку. Нагревая до 1000-1100 градусов и резко охлаждая.

Конструкционная

К конструкционным относятся низколегированные, малоуглеродистые стали. Наиболее популярной является известная любому строителю Ст3, идущая на изготовление проката, круглой арматуры, гнутых профилей.

Для соединения изделий подобного класса используют в основном РДС плавкими электродами толщиной 3-5 мм.

Главной проблемой при этом, является перекаливание около сварочной зоны. Чтобы этого не происходило прежде, чем сварить ответственное соединение производят предварительный прогрев места стыка. Либо, как вариант, накладывают двухслойный шов, используя полуавтоматическую сварку с углекислотой.

Перлитная

Не зависимо от уровня легирования сталей перлитного типа, рационально использовать для образования шва материалы с несколько меньшим уровнем легирования.

При выборе электродов и проволоки руководствуются специальными таблицами. Они составлены с указанием как типов материала, так способа выполнения соединений.

Выбор наплавляемого металла определяется также наличием или отсутствием последующей термической обработки.

Как правило, при ручной сварке используют электроды имеющие в составе покрытия кальций, а также соединения фтора.

Если выполняется соединение тонколистовых заготовок не подлежащих термическому упрочнению, а главное, при отсутствии требований к снятию температурных напряжений, последующая тепловая обработка может не производится. При необходимости, для их снятия достаточно стабилизации при 800-850 градусах Цельсия.

Если конструкциям (либо деталям) предстоит работать при высоких температурах, необходимо выполнение так называемой аустенизации, — термической обработке при 1100-1150ºС.

При сварке хромистых сталей с перлитными из-за особенностей химического состава, зона соединения оказывается склонна к непластичным разрушениям. Борьба с этим заключается в тщательном подборе наплавляемых материалов, а также технологических приемов.

Хороший эффект дают специальные конструктивные решения, заключающиеся в устранении концентраторов напряжений, представляющих собой резкую смену сечения, либо его перегиб.

Другие виды

При сварке нержавейки  шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.

Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.

Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.

Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.

К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.

Заключение

Сварное соединение сплавов на основе железа давно стало привычным, и поэтому кажется простым.

Однако на самом деле это сложный и ответственный процесс. Представление о его организации, знание свойств как соединяемых  материалов, так и металлов образующих шов, составляет львиную долю знаний, которые должен иметь квалифицированный сварщик.

Умение создать надежный стык приходит на основе опыта, подкрепленного современными научными знаниями. Без этого сочетания настоящий мастер не сможет состояться.

Оставить комментарий

Оцените статью*