Какой свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали?

Сварочная аттестация НАКС. Инструкция по контролю

Полуспокойные стали

Этот тип стали имеет средние характеристики между спокойными и кипящими. Производят углеродистые стали обыкновенного качества трех групп.

Стали группы А не используют для сварки, поставляют по их механическим свойствам. Букву «А» в обозначение стали не ставят, например «Ст2».

Стали группы Б и В поставляют по их химическим свойствам, химическим и механическим соответственно. В начало обозначения стали ставят букву группы, например БСт2, ВСт3.

Полуспокойные стали марок 3 и 5 могут поставляться с повышенным содержанием марганца. В таких сталях после обозначения марки ставят букву Г (например, БСт3Гпс).

Для изготовления ответственных конструкций следует использовать обыкновенные стали группы В. Изготовление сварочных конструкций из низкоуглеродистых сталей обыкновенного качества не требует применения термической обработки.

Какой свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали

Какой свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали — достаточно хорошей, при этом всеми видами сварки. Главное чтобы было высокое качество всего шва по всей длине соединения. Хорошо свариваются разными методами дуговой сварки, но при этом увеличивается металлоемкость и масса детали. Поэтому нужно повысить прочностные свойства, в сталь добавляют легирующие элементы, укрепляющие расплав и повышающие химические соединения.

Какой свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали когда шов быстро охлаждается, это увеличивает его прочность, но снижаются пластичные свойства. Значимость скорости охлаждения в основном бывает при дуговой сварке. Качества сварного соединения зависят как от свойств металла шва, так и свойств металла зоне сварного шва.

Свариваемость сталей

Выделяют довольно большое количество параметров, которые определяют основные свойства металла. Среди них выделяют показатель свариваемости. На сегодняшний день сварка стали проводится крайне часто. Подобный способ соединения металлов и других материалов характеризуется высокой эффективностью, так сварной шов может выдерживать большую нагрузку. При плохом показателе провести подобную работу сложно, в некоторых случаях даже невозможно. Все металлы разделяются на несколько групп, о чем далее поговорим подробнее.

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Оценивая свариваемость сталей, всегда уделяют внимание химическому составу металла. Некоторые химические элементы могут повысить этот показатель или снизить его. Углерод считается самым важным элементов, который определяет прочность и пластичность, степень закаливаемости и плавкость. Проведенные исследования указывают на то, что при концентрации этого элемента до 0,25% степень обрабатываемости не снижается. Увеличение количества углерода в составе приводит к образованию закалочных структур и появлению трещин.

К другим особенностям, которые касаются рассматриваемого вопроса, можно отнести нижеприведенные моменты:

Практически во всех металлах содержатся вредные примеси, которые могут снижать или повышать обрабатываемость сваркой.
Фосфор считается вредным веществом, при повышении концентрации появляется хладноломкость.
Сера становится причиной появления горячих трещин и появлению красноломкости.
Кремний присутствует практически во всех сталях, при концентрации 0,3% степень обрабатываемости не снижается. Однако, если увеличить его до 1% могут появится тугоплавкие оксиды, которые и снижают рассматриваемый показатель.
Процесс сварки не затрудняется в случае, если количество марганца не более 1%. Уже при 1,5% есть вероятность появления закалочной структуры и серьезных деформационных трещин в структуре.
Основным легирующим элементом считается хром. Он добавляется в состав для повышения коррозионной стойкости. При концентрации около 3,5% показатель свариваемости остается практически неизменным, но в легированных составах составляет 12%. При нагреве хром приводит к появлению карбида, который существенно снижает коррозионную стойкость и затрудняет процесс соединения материалов.
Никель также является основным легирующим элементом, концентрация которого достигает 35%. Это вещество способно повысить пластичность и прочность. Никель становится причиной улучшения основных свойств материала.
Молибден включается в состав в небольшом количестве. Он способствует повышению прочности за счет уменьшения зернистости структуры. Однако, на момент воздействия высокой температуры вещество начинает выгорать, за счет чего появляются трещины и другие дефекты.
В состав часто в качестве легирующего элемента добавляется медь. Ее концентрация составляет около 1%, за счет чего немного повышается коррозионная стойкость. Важной особенностью назовем то, что медь не ухудшает обработку сваркой.

В зависимости от особенностей структуры и химического состава материала все сплавы делятся на несколько групп. Только при учете подобной классификации можно выбрать наиболее подходящий сплав.

Классификация сталей по свариваемости

Хорошей обрабатываемостью обладают сплавы, в которых при нагреве не образуются трещины. По данной характеристике выделяют четыре основных группы:

Хорошая обрабатываемость сваркой определяет то, что сталь после термической обработки остается прочным и надежным. При этом создаваемый шов может выдерживать существенное механическое воздействие.
Удовлетворительная степень позволяет проводить обработку без предварительного подогрева. За счет этого существенно ускоряется процесс, а также снижаются затраты.
Ограниченно свариваемые стали сложны в обработке, сварку можно провести только при применении специального оборудования. Именно поэтому повышается себестоимость самого процесса.
Плохая податливость сварке не позволяет проводить рассматриваемую обработку, так как после получения шва могут появится трещины. Именно поэтому подобные материалы не могут использоваться для получения ответственных элементов.

Классификация сталей по свариваемости

Каждая группа характеризуется своими определенными особенностями, которые нужно учитывать. Сталь 20 относится к первой группе, в то время как распространенная сталь 45 обладает низкой податливостью к сварке.

Группы свариваемости

Все группы свариваемости сталей характеризуются своими определенными особенностями. Среди них можно отметить следующие моменты:

Первая группа, которая характеризуется хорошей свариваемостью, может применяться при сварке без предварительного подогрева и последующей термической обработки шва. Отпуск выполняется для снижения напряжения в металле. Как правило, подобное свойство связано с низкой концентрацией углерода.
Вторая характеризуется тем, что склонна к образованию трещин и дефектов на швах. Именно поэтому рекомендуется проводить предварительный подогрев материала, а также последующую термическую обработку для снижения напряжений.
При ограниченном показателе сталь склонна к образованию трещин. Для того чтобы исключить вероятность появления трещин следует материал предварительно разогреть, после сварки в обязательном порядке проводится термообработка.
Последняя группа характеризуется тем, что в большинстве случаев на швах образуются трещины. При этом предварительный разогрев структуры не во многом решает проблему. После сварки обязательно проводится многоступенчатое улучшение.

Каждый сплав и металл относится к определенной группе. Кроме этого, степень свариваемости меняется после улучшения материала, к примеру, путем азотирования или закалки.

Как ранее было отмечено, включение в состав большого количества легирующих элементов приводит к изменению основных характеристик. При этом отметим следующие моменты:

При низком показателе концентрации сталь лучше поддается сварке.
Некоторые химические вещества могут повысить рассматриваемый показатель, другие ухудшить.

Именно поэтому при выборе легированного сплава уделяется внимание не только типу легирующих элементов, но и их концентрации. Принятые стандарты ГОСТ определяют то, что при маркировке могут указывать основные химические вещества и их количество в составе.

Влияние содержания углерода на свариваемость стали

Во многом именно углерод определяет основные эксплуатационные характеристики сплава. Слишком высокая концентрация подобного химического вещества приводит к повышению твердости и прочности, но также и хрупкости. Кроме этого, в несколько раз снижается степень свариваемости. К другим особенностям отнесем следующие моменты:

Если в составе углерода не более 0,25%, то рассматриваемый показатель остается на достаточно высоком уровне.
Слишком большое количество углерода в составе приводит к тому, что металл после термического воздействия начинает менять свою структуру, за счет чего появляются трещины.

Влияние, оказываемое различными веществами на свариваемость стали

Действующими стандартами нормируется содержание следующих химических элементов:

Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Низкоуглеродистыми называют стали с низким содержанием углерода до 0,25%. Низколегированными называют стали с содержанием до 4% легирующих элементов без учета углерода.

Хороша свариваемость низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей является главной причиной их массового применения для производства сварочных конструкций.

Химический состав и свойства сталей

Стали обыкновенного качества

В зависимости от степени раскисления стали обыкновенного качества разделяют на:

кипящие — кп;
полуспокойные — пс;
спокойные — сп.

Кипящие стали

Стали этой группы содержат не более 0,07% кремния (Si). Получают сталь путем неполного раскисления стали марганцем. Отличительной особенностью кипящей стали является неравномерное распределение серы и фосфора по толщине проката. Попадание участка со скоплением серы в зону сварки может привести к появлению кристаллизационных трещин в шве и зоне термического влияния. Находясь в среде пониженных температур такая сталь может перейти в хрупкое состояние. Поддавшись сварке такие стали могут стареть в околошовной зоне.

Спокойные стали

Спокойные стали содержат не менее 0,12% кремния (Si). Получают спокойные стали при раскислении стали марганцем, кремнием, алюминием. Отличаются более равномерным распределением в них серы и фосфора. Спокойные стали меньше отзываются на нагрев, меньше склонны к старению.

Полуспокойные стали

Полуспокойные стали имеют средние характеристики между спокойными и кипящими сталями.

Производят углеродистые стали обыкновенного качества трех групп. Стали группы А не используют для сварки, поставляют по их механическим свойствам. Букву «А» в обозначение стали не ставят, например «Ст2».

Читать еще: Сколько углерода содержится в стали?

Качественные стали

Низкоуглеродистые качественные стали поставляют с нормальным (марки 10, 15 и 20) и повышенным (марки 15Г и 20Г) содержанием марганца. Качественные стали содержат пониженное количество серы. Для изготовления сварочных конструкций из сталей этой группы применяют стали в горячекатаном состоянии, реже стали с термической обработкой. Сварка этих сталей для повышения прочности конструкции может производится с последующей термической обработкой.

Низколегированные стали

Если в углеродистую сталь вводят специальные химические элементы, которые изначально в ней отсутствует, то такую сталь называют легированной. Марганец и кремний считают легирующими компонентами если их содержание превышает 0,7% и 0,4% соответственно. Поэтому стали ВСт3Гпс, ВСт5Гпс, 15Г и 20Г считают одновременно низкоуглеродистыми и низколегированными конструкционными сталями.

Легирующие элементы способны образовывать соединения с железом, углеродом и другими элементами. Это способствует улучшению механических свойств сталей и снижает предел хладноломкости. Как следствие появляется возможность снизить массу конструкции.

Легирование металла марганцем влияет на повышение ударной вязкости и стойкость к хладноломкости. Сварочные соединения с марганцовистых сталей отличаются более высокой прочностью при знакопеременных ударных нагрузках. Повысить стойкость стали от атмосферной и морской коррозии можно легированием медью (0,3-0,4%). Большинство низколегированных сталей для производства сварочных конструкций используют в горячекатаном состоянии. Механические свойства легированных сталей можно улучшить термической обработкой, поэтому некоторые марки сталей для сварных конструкций используют после термической обработки.

Свариваемость низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали обладают хорошей свариваемостью. Технология их сварки должна обеспечивать равные механические свойства шва и основного металла (не ниже нижнего предела свойств основного металла). В ряде случаев обусловленных условиями работы конструкции допускается снижение некоторых механических свойств шва. В шве должны отсутствовать трещины, непровары, поры, подрезы и другие дефекты. Форма и геометрические размеры шва должны соответствовать требуемым. К сварному соединению могут предъявляться дополнительные требования, которые связаны с условиями работы конструкции. Все без исключения сварочные швы должны быть долговечными и надежными, а технология обеспечивать производительность и экономичность процесса.

На механические свойства сварного соединения влияет его структура. Структура металла при сварке зависит от химического состава материала, режимов сварки и термической обработки.

Подготовка и сборка деталей под сварку

При автоматических методах сварки следует устанавливать заходные и выходные планки. При автоматической сварке тяжело обеспечить качественный провар корня шва и предупредить прожоги металла. Для этого применяют остающиеся и съемные подкладки, флюсовые подушки. Можно также сваривать корень шва ручной дуговой сваркой или полуавтоматической в защитных газах, а остальную часть шва выполнять автоматическими методами.

Сварка ручными и механизированными методами выполняется на весу.

Кромки сварочных деталей тщательно зачищают от шлака, ржавчины, масла и других загрязнений для предупреждения образования дефектов. Ответственные конструкции сваривают преимущественно с двух сторон. Способ заполнения разделки кромок при сварке толстостенных конструкций зависит от его толщины и термический обработки металла перед сваркой. Выявленные после сварки непровары, трещины, поры и другие дефекты удаляют механическим инструментом, воздушно-дуговой или плазменной резкой, после чего заваривают обратно. При сварке низкоуглеродистых сталей свойства и химический состав сварного соединения во многом зависит от используемых материалов и режимов сварки.

Ручная дуговая сварка низкоуглеродистых сталей

Для получения качественного соединения при помощи ручной дуговой сварки необходимо правильно выбрать сварочные электроды, выставить режимы и применить правильную технику сварки. Недостатком ручной сварки является большая зависимость от опыта и квалификации сварщика, несмотря на хорошую свариваемость рассматриваемых сталей.

Сварочные электроды следует выбирать исходя из типа свариваемой стали и назначения конструкции. Для этого можно воспользоваться каталогом электродов, где хранятся паспортные данные множества марок электродов.

При выборе электрода следует обратить внимание на рекомендуемые условия по роду и полярности тока, пространственного положения, силе тока и т. д. В паспорте на электроды может указываться типичный состав наплавленного металла и механические свойства соединения выполненных этими электродами.

В большинстве случаев сварка низкоуглеродистых сталей производиться без мер направленных на предупреждение образования закалочных структур. Но все же при сварке толстостенных угловых швов и первого слоя многослойного шва для предотвращения образования трещин используют предварительный подогрев деталей до температуры 150-200° C.

При сварке нетермоупрочненных сталей хороший эффект достигается использованием методов сварки каскадом и горкой, что не дает металлу шва быстро остывать. Этот же эффект дает предварительный подогрев до 150-200° C.

Для сварки термоупрочненных сталей рекомендуется выполнять длинные швы по охлажденным предыдущим швам, чтобы избежать разупрочнения околошовной зоны. Также следует выбирать режимы с малой погонной энергией. Исправление дефектов при многослойной сварке следует делать швами большого сечения, длиной не менее 100 мм или предварительно подогревать сталь до 150-200° C.

Дуговая сварка в защитных газах низкоуглеродистых сталей

Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей осуществляется с применением углекислого газа или его смесей в качестве защитного газа. Можно применять смеси углекислый газ + аргон или кислород до 30%. Для ответственных конструкций сварку можно выполнять с использованием аргона или гелия.

В некоторых случаях применяют сварку угольным и графитовым электродом, для сварки бортовых соединений толщиной 0,2-2,0 мм (например, корпуса конденсаторов, канистры и т. д.). Так как сварка выполняется без использования присадочного прутка, содержание марганца и кремния в шве невелико, в результате теряется прочность соединения на 30-50% ниже от основного металла.

Сварка в углекислом газе выполняется с использованием сварочной проволоки. Для автоматической и полуавтоматической сварки в разных пространственных положениях применяют проволоку диаметром до 1,2 мм. Для нижнего положения используют проволоку 1,2-3,0 мм.

Таблица 1. Выбор проволоки для сварки в среде защитных газов низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Сталь	ВСт1, Вст2	ВСт3	10ХСНД, 15ХСНД, 14ХГС, 09Г2, 14Г2 и им подобные
Проволока	Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС	Св-08ГС, Св-08Г2С	Св-08Г2С (при одно- и двухслойной сварке), св-08ХГ2С

Как видно из таблицы для сварки всех сталей можно использовать проволоку Св-08Г2С.

Сварка низкоуглеродистых сталей под флюсом

Качественное сварное соединение с равной прочностью шва и основного металла достигается путем правильного подбора флюсов, проволоки, режимов и техники сварки. Автоматическую сварку под флюсом низкоуглеродистых сталей рекомендуют выполнять проволокой диаметра от 3 до 5 мм, полуавтоматическую сварку под флюсом диаметром 1,2-2 мм. Для сварки низкоуглеродистых сталей применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45. Низкоуглеродистую сварочную проволоку марок Св-08 и Св-08А, а для ответственных конструкций можно применить проволоку Св-08ГА. Такой комплект сварочных материалов позволяет получить швы с равными или превышающими механическими свойствами основному металлу.

Для сварки низколегированных сталей рекомендуется применять сварочную проволоку Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2 и другие с содержанием марганца. Флюсы что и для низкоуглеродистых сталей. Такие материалы позволяют получить необходимые механические свойства и стойкость металла от образования пор и трещин. При сварке без скоса кромок увеличение доли основного металла в металле шва может повысить содержание углерода. Это повышает прочностные свойства, но уменьшает пластические свойства соединения.

Таблица 1. Расходные материалы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей под флюсом

Марка стали	Марка плавленного флюса	Сварочная проволока
ВСт1-ВСт3	АН-348-А, ОСЦ-45, ФЦ-9 и керамические К-11, КВС-19	Св-08, Св-08А, для ответственных конструкций Св-08ГА
09Г2	АН-22	Св-08ГА
12ГС, 16ГС, 10Г2С1, 17ГС, 17Г1С	АН-60	Св-ГСМТ (для стали 12ГС также Св-10ГА)
09Г2С	АН-22	Св-08ГА, Св-10НМА, Св-10ГА
10ХСНД	АН-348-А	Св-08ГСМТ
15ХСНД	АН-348-А, АН-22	Св-10Г2, Св-08ХГСМА

Режимы сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей отличаются незначительно и зависят от техники сварки, типа соединения и шва. При сварке угловых однослойных швов, угловых и стыковых швов толстой стали марки ВСт3 на режимах с малой погонной энергией в околошовной зоне могут образовываться закалочные структуры и понизиться пластичность. Для предотвращения этого следует увеличить сечение шва или применить двухдуговую сварку.

Таблица 2. Соотношение толщины металла и сечения слоя шва

Толщина листа, мм	8-10	10-22	24-60
Сечение слоя образованного из электродного металла, мм	25	35	50

Для предупреждения разрушения шва в зоне термического влияния при сварке низколегированных сталей следует использовать режимы с малой погонной энергией, а для сварки не термоупрочненных сталей — режимы с повышенной погонной энергией. Во втором случае для обеспечения пластических свойств шва и прилегающей зоны не хуже основного металла необходимо применять двухдуговую сварку или предварительный подогрев до 150-200° C.

Классификация сталей по свариваемости. Группы свариваемости сталей

Полуспокойные стали

Какой свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали

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.

Классификация свариваемостей сталей и сплавов металлов

Говоря о свариваемости сталей, под этой характеристикой понимают способность материала в процессе сварки давать качественный сварной шов высокой прочности, не имеющий пор, каверн, трещин, посторонних включений и других дефектов. Существует специальный марочник сталей и сплавов. Собранные в этом справочнике материалы соответствуют действующим стандартам и имеют определённую маркировку. По этой маркировке можно точно определить их сорт и химический состав, узнать количественное содержание различных примесей.

Прямая зависимость

В процессе сварки в зоне наложения соединительного шва происходит нагрев металла выше критической температуре. В результате образуется аустенит – так называют высокотемпературную гранецентрированную модификацию железа и его сплавов.

Остывая, аустенит превращается в новую структуру, параметры которой зависят от скорости охлаждения и происходящих в материале термокинетических изменений. Непосредственное влияние на эти изменения оказывает химический состав стали.

Это означает, что для правильного выбора технологии и создания качественного сварного соединения необходимо заранее знать характеристики свариваемости. Ведь при использовании сталей марки 15Г или 20Н2М приходится использовать другие технологии, чем при работе со сталями марки 35 или 45.

Польза и вред

Входящие в состав стали вещества можно условно разделить на две основные группы.

Полезные, улучшающие её конструктивные качества или усиливающие определённые свойства. На самом деле, их полезность достаточно условна, поскольку во многом зависит от процентного содержания.
Вредные, снижающие прочностные характеристики материала и серьёзно усложняющие процесс его обработки. Их присутствие даже в незначительном количестве приводит только к ухудшению характеристик стали.

Наличие тех или иных веществ обуславливается как химическим составом, использованным в процессе плавки руды, так и применением легирующих добавок, сознательно добавляемых при изготовлении материала.

Влияние, оказываемое различными веществами на свариваемость стали

Действующими стандартами нормируется содержание следующих химических элементов:

Углерода (C). Расположенное в периодической таблице химических элементов под номером 6, это вещество оказывает значимое влияние на такие характеристики стали, как вязкость, прочность и закаливаемость. Со сваркой не будет проблем, если содержание углерода не превышает 0,25%. В противном случае в зоне сварного соединения резко усиливаются термические влияния, приводящие к образованию различных дефектов, вроде горячих и холодных трещин, каверн и т. п.
Серы (S). Шестнадцатый элемент периодической таблицы считается однозначно вредным. Она охотно образует с железом легкоплавкие соединения, располагающиеся по границам зёрен основного металла. Это приводит к ослаблению связи между ними. В горячем состоянии в материале образуются трещины. Подобное явление принято называть красноломкостью металла. Избежать его удаётся, если содержание серы ниже 0,045%.
Фосфор (P). Расположенный в таблице под номером 15, этот элемент, как и его соседка, сера, вреден для стали. Он ответственен за образование внутри материала хрупких структур. Это качество принято называть хладноломкостью, поскольку особенно сильно оно даёт знать о себе при низких температурах.
Марганец (Mn), №25. В определённых пределах повышает упругость и прочность стали. Находясь в пределах 0,3 – 0,8% от общего количественного состава, не оказывает влияния на процесс сварки. Но если его содержание превысит 1,8%, то материал начнёт закаливаться, и избежать образования трещин и излишней хрупкости шва не удастся.
Кремний (Si), №14. Так же, как и марганец, несколько увеличивает характеристики упругости и прочности. Если его общее количество остаётся в пределах 0,2 – 0,3%, проблем не возникает. Но результатом значительного, свыше 0,8%, станет образование его тугоплавких сплавов, повысится жидкотекучесть стали. Это приведёт к проблемам при наложении сварных швов.
Хром (Cr), №24. Он придаёт стали не только высокую коррозионную стойкость, но также делает её прочной, упругой и твёрдой. Тем не менее, его содержание свыше 0,3% создаёт проблемы, поскольку в этом случае активно способствует образованию тугоплавких окислов и трещин, образующихся в результате резкого увеличения твёрдости материала в зоне термического нагрева. Из-за образования карбидов хрома в околошовной зоне коррозионная стойкость металла резко снижается.
Молибден (Mo) №42. Делает кристаллы стали (зёрна) мельче, существенно повышая её прочность, стойкость к высоким температурам и ударным нагрузкам. Но в процессе сварки молибден активно выгорает и окисляется, способствуя появлению трещин. Особенно заметно это становится, когда его содержание превышает 1%.
Ванадий (V), №23. Даже в малых количествах повышает закаливаемость стали, но тем самым создаёт проблемы при наложении сварных швов. При нагреве этот металл окисляется и выгорает. Это означает, что его присутствие в количестве более 1% для ответственных свариваемых деталей недопустимо.
Вольфрам (W), №74. Отвечает за такие качества, как износостойкость, особенно при высоких температурах – такое свойство принято называть красностойкостью – и твёрдость. Но поскольку при наложении шва сильно окисляется, в свариваемых сталях его присутствие вовсе не допустимо.
Никель (Ni), №28. Это друг сварщика. Он измельчает кристаллы металла, в результате чего шов становится более прочным и пластичным. Даже при его добавлении порядка 2 – 3% от общего состава даёт ощутимый результат. Для деталей, работающих под высокими нагрузками, рекомендовано использовать материалы, в которые добавлен никель в количестве 8 – 10 %. Но при сварке таких сталей приходится использовать различные технологические ухищрения, ограничивая поступление в зону нагрева кислорода. К тому же никель дорог, а это значит, что его использование должно быть экономически оправданным.
Титан (Ti), №22. Он улучшает те же, что и никель, характеристики, и столь же требователен к технологическим особенностям процесса. Однако, несмотря на значительную стоимость, в особо ответственные детали добавляют и тот и другой металл, стараясь довести содержание титана до 4 – 5%.

Классификация свариваемости сталей

Сталь – основной конструкционный материал, который представляет собой сплав железа с углеродом и разными примесями. Все элементы, которые входят в состав стальных изделий, оказывают влияние на ее характеристики (в частности, на свариваемость сталей).

Основные критерии, устанавливающие свариваемость

Главным показателем свариваемости является углеродный эквивалент, который обозначается, как Сэкв. Данный условный коэффициент учитывает уровень воздействия на свойства сварного шва карбона, легирующих компонентов.

Факторы, влияющие на свариваемость сталей:

Толщина металлического образца
Объем вредных примесей
Условия окружающей среды
Вместимость углерода
Уровень легирования
Микроструктура

Основным параметром для информации является химический состав материала.

Свариваемость стали считается сравнительным показателем, зависящим от химического состава, физических характеристик, микроструктуры материала. При этом способность создавать высококачественные сварные соединения может корректироваться благодаря продуманному технологическому подходу, выполнения требований, предъявляемых к сварке, наличия современного спецоборудования.

Сергей Одинцов

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.

СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

Под низкоуглеродистой сталью понимают сплав железа с углеродом при содержании последнего 400 МПа) и 09Г2С (ад2 > 350 МПа). Химический состав и механические свойства некоторых наиболее употребляемых марок низкоуглеродистых и низколегированных сталей приведены в табл. 7.1 и 7.2.

Химически» состав некоторых марок низкоуілеролистых и мижолеч прованных сталей

Низкоуглеродистые обычные стали

Повышенное содержание марганца

400 МПа и ав > 550 МПа, а сталь 12ГНЗМФА а, и > 600 МПа и ав > 700 МПа.

При малом содержании углерода эти стали обладают удовлетворительной свариваемостью. При сварке на больших погонных энергиях (>100 кДж/см) ударная вязкость металла ЗТВ несколько снижается из-за роста зерна и неблагоприятных фазовых превращений в металле ЗТВ.

В судостроении широко применяется ряд марок конструкционных высокопрочных сталей типа АБ. К ним относятся улучшаемые стали АБ, АБ1, АБ2. Наилучшее сочетание физико-металлургических и технологических свойств феррито-перлитных сталей АБ с пределом текучести 390 МПа и более достигается за счет закалки и высокого отпуска.

Хромоникельмолибденовая сталь марок АБ1 и АБ2 с максимальными значениями предела текучести соответственно 500 и 588 МПа легирована Cr, Mo, V, АІ, Са. После закалки и высокого отпуска в этих сталях формируется мелкодисперсная ферритная структура с карбидной фазой. С учетом обеспечения требований свариваемости содержание углерода в сталях типа АБ составляет 0,08…0,1%. Для обеспечения чистоты этих сталей по содержанию сульфидных и окисных неметаллических включений содержание серы и фосфора в них ограничено соответственно 0,01 и 0,02%,

При сварке этих сталей пластическая деформация, возникающая при остывании шва, способствует повышению его предела текучести. Обычно обеспечение равнопрочности сварных соединений при сварке таких сталей затруднений не вызывает. Сварка на форсированных режимах, повышенной толщине металла однопроходным швом, низкие температуры — все это может привести к появлению закалочных структур на участке перегрева, полной и неполной перекристаллизации металла ЗТВ.

Низколегированные стали иногда поставляются в термообработанном состоянии (закалка для повышения прочностных свойств). При сварке таких сталей на участке рекристаллизации под действием высокого отпуска происходит разупрочнение металла. Эти затруднения преодолевают технологическими приемами. Так, термоупрочняемые стали рекомендуется сваривать длинными участками, а термически не упрочненные (отожженные), наоборот, короткими (во избежание закалки в ЗТВ).

С повышением погонной энергии растет ширина разупрочненной зоны рядом со швом, что ведет к снижению твердости металла в ней.

Это вызывается высокотемпературным нагревом и малыми скоростями охлаждения. В то же время в зоне могут присутствовать участки, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки; они представляют собой наиболее вероятные места с точки зрения образования холодных трещин.

При сварке короткими участками, по горячим, предварительно положенным проходам, скорость охлаждения всех зон соединения мала. Их структуры равновесны, и последующая термическая обработка не нужна. Только изредка, в особенных случаях, конструкция после сварки может быть подвергнута высокому отпуску для снятия остаточных напряжений и восстановления свойств металла в ЗТВ (нормализация сварных узлов, выполненных ЭШС).

Стойкость против образования горячих трещин в металле шва при сварке этих сталей удовлетворительна. Они в отдельных случаях возникают при содержании углерода более 0,2%, при сварке угловых швов и корневых проходов. Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавления, как правило, без введения предварительного или сопутствующего подогрева.

Важным требованием, предъявляемым к сварным конструкциям из этих сталей, является обеспечение равнопрочности сварных соединений с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Гарантией обеспечения этого требования и служит получение механических свойств металла шва и ЗТВ не ниже нижнего предела прочности соответствующих свойств основного металла. Геометрические размеры и формы шва должны соответствовать требованиям нормативной документации.

Механические свойства металла шва и сварного соединения определяются его структурой, которая зависит от химического состава стали, режимов сварки, предыдущей и последующей термообработки. Как правило, химический состав шва при сварке незначительно отличается от состава основного металла. Различие заключается лишь в стремлении уменьшить содержание углерода в шве с целью предупреждения структур закалочного характера; возможный недостаток прочности при этом компенсируется дополнительным подлегирова — нием металла шва кремнием и марганцем за счет проволоки, флюса или электродного покрытия.

Повышение скорости охлаждения металла шва также может приводить к повышению его прочности при одновременном снижении уровня пластичности и ударной вязкости. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, его физическими свойствами, конструкцией сварного соединения, режимами сварки и начальной температурой изделия.

Свариваемость низкоуглеродистых низколегированных сталей.

Эти стали применяются в различных конструкциях взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20. 50 %. Они широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений. Поставляют их преимущественно в горячекатаном виде.

Содержание углерода в низколегированных сталях не превышает 0,23 %. В зависимости от легирующих элементов, суммарное содержание которых в составе стали не превышает 4,0 %, различают марганцовистые, крсмнсмарганцовистыс, хромокрсмнсмарганцовистые и другие стали. Легирующие элементы растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики повышаются и предел прочности достигает величины 550 МПа. Наличие повышенного содержания марганца в этих сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0,3. 0,4 %) повышает стойкость стали против атмосферной коррозии и коррозии в морской воде.

По своей свариваемости стали этой группы мало отличаются от нелегированных низкоуглеродистых сталей. Аналогичны им по свариваемости стали низколегированные марок 09Г2 и 09Г2С. Повышенное содержание марганца в этих сталях снижает критическую скорость охлаждения, однако пониженное содержание углерода в них предопределяет практически отсутствие появления закалочных структур при сварке.

Несколько иначе ведут себя при сварке стали 10Г2С1, 10ХСНД, 15ХСНД, 17ГС и им аналогичные. У этих сталей при высоких скоростях охлаждения в околошовной зоне могут появиться неравновесные структуры закалочного характера. Поэтому рассматриваемая группа низколегированных сталей требует ограничений условий ведения сварочного процесса. Сварку таких сталей лучше выполнять либо при повышенных значениях погонной энергии без подогрева, либо с небольшим подогревом при умеренных значениях погонной энергии. Указанные ограничения по условиям сварки касаются в основном металла, толщиной более 25. 30 мм. При малых толщинах, даже если в околошовной зоне образуется мартенсит, то его количество настолько мало, что влияния на свойства металла практически не оказывает. Твердость участков зоны термического влияния сварных соединений этих сталей не превышает 220 НВ.

Большего внимания требует сварка низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением (например, марок 14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ и др.). Принцип легирования этих сталей и создания в них повышенной прочности и вязкости основан на образовании дисперсной упрочняющей фазы на базе имеющихся в стали микролегирующих элементов (V, Nb, N, Ti и др.) и получении очень мелкого зерна за счет ограничивающих его рост не растворяющихся при нагреве нитридов и карбоиитридов. Последние служат также центрами превращения во время перекристаллизации при охлаждении. Упрочняющая дисперсная карбонитридная или нитридная фаза выделяется и упрочняет феррит в процессе охлаждения, повышая прочность металла, а получение мелкого зерна (балл 10. 12) способствует повышению его вязкости и хладостойкое™.

Условия обеспечения высокой прочности и вязкости требуют сохранения упрочняющей фазы в дисперсном состоянии и сохранения мелкого зерна. Повышение погонной энергии при сварке и соответственно увеличение времени пребывания металла околошовной зоны при высоких температурах в принципе может привести к коагуляции и растворению дисперсной фазы, а также к росту зерна. Вследствие этого свойства стали в этой зоне будут ухудшаться. Поэтому сварку сталей с карбонитридным упрочнением и мелким зерном целесообразно проводить при умеренных погонных энергиях. При этом наиболее приемлемыми способами сварки этих сталей являются дуговая сварка в защитных газах и ручная дуговая сварка покрытыми электродами, позволяющими обеспечивать малое тепловое воздействие на зону термического влияния.

Стремление к снижению металлоемкости конструкций и изделий привело к использованию низколегированных сталей в термически улучшенном состоянии — после закалки и высокого отпуска при температурах 550. 670 °С. В таком состоянии применяют, например, стали 10ХСНД, 17ГС, 16Г2АФ и др., для которых наряду с высокой прочностью характерны достаточная пластичность, вязкость, повышенное сопротивление хрупким разрушениям и др. Сварка таких сталей осложняется тем, что на тех участках зоны термического влияния, где максимальная температура нагрева лежит в пределах 500 °С. Ас₃, происходит некоторое разупрочнение металла, сопровождаемое провалом твердости. Степень этого разупрочнения тем больше, чем выше прочность закаленной и отпущенной стали и чем больше погонная энергия при сварке. Поэтому сварку термически улучшенных низколегированных сталей предпочтительно выполнять с малым временем пребывания металла при высоких температурах. Это легко обеспечивается применением умеренных погонных энергий при дуговой сварке в защитных газах, а также ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

В некоторых случаях рациональным способом обеспечения однородных свойств сварных соединений термически улучшенных низколегированных сталей может быть их термообработка после сварки, причем такая же, какой подвергалась сталь перед сваркой. Такой термообработке могут подвергаться сварные изделия целиком, если размеры их невелики и нет опасений больших короблений. В этом случае термообработка устраняет не только разупрочнение металла, но и повышенную твердость и хрупкость упрочненных зон, нагревавшихся при сварке выше температуры точки Ас₃, а также существенно снижает уровень остаточных сварочных напряжений.

голоса

Рейтинг статьи