Сварка углеродистых сталей

 

В зависимости от химического состава сталь бывает углеродистая и легированная. Углеродистая сталь делится на низкоуглеродистую (содержание углерода до 0,25%), среднеуглеродйстую (содержание углерода от 0,25 до 0,6%) и высокоуглеродистую (содержание углерода от 0,6 до 2,07о). Сталь, в составе которой кроме углерода имеются легирующие компоненты (хром, никель, вольфрам, ванадий и т.д.), называется легированной. Легированные стали бывают: низколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, менее 2,5%); среднелегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, от 2,5 до 10%), высоколегированные (суммарное содержание легирующих компонентов, кроме углерода, более 10%).

По микроструктуре различают стали перлитного, мартенситного, аустенитного, ферритного и карбидного классов.

По способу производства сталь может быть:

а) обыкновенного качества (содержание углерода до 0,6%), кипящая, полуспокойная и спокойная. Кипящую сталь получают при неполном раскислении металла кремнием, она содержит до 0,05% кремния. Спокойная сталь имеет однородное плотное строение и содержит не менее 0,12% кремния. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями и содержит 0,05-0,12% кремния;

б) качественной - углеродистой или легированной, в которых содержание серы и фосфора не должно превышать по 0,04% каждого элемента;

в) высококачественной - углеродистой или легированной, в которых содержание серы и фосфора не должно превышать соответственно0,030и0,035%.Такая сталь также имеет повышенную чистоту по неметаллическим включениям и обозначается буквой А, помещаемой после обозначения марки.

По назначению стали бывают строительные, машиностроительные (конструкционные), инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.

Конструкции из среднеуглеродистой стали могут быть хорошо сварены при непременном соблюдении правил, изложенных в гл. 13, 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. Сварку ведут электродами диаметром не более 4-5 мм постоянным током обратной полярности, что обеспечивает меньшее оплавление 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 Мп 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.

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 средне-углеродистую сталь марок ВСт5пс и ВСт5сп сваривают ванным способом и обычными протяженными швами при соединении с накладками (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 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.

Сварка высокоуглеродистых сталей марок ВСтб, 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. Хорошие результаты достигаются при сварке узкими валиками и небольшими участками с охлаждением каждого слоя. После окончания сварки обязательна термическая обработка.

К углеродистым конструкционным сталям относятся стали, содержащие 0,1 - 0,7 % углерода, который является основным легирующим элементом в сталях этой группы и определяет их механические свойства. Повышение содержания углерода усложняет технологию сварки и получение качественных сварных соединений. В сварочном производстве в зависимости от содержания углерода углеродистые конструкционные стали условно разделяют на три группы: низко-, средне - и высокоуглеродистые. Технология сварки сталей этих групп различна.

Большинство сварных конструкций в настоящее время изготовляют из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерода до 0,25 %. Низкоуглеродистые стали относятся к хорошо сваривающимся металлам практически всеми видами и способами сварки плавлением.

Технологию сварки для этих сталей выбирают из условий соблюдения комплекса требований, обеспечивающих, прежде всего равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние, а деформация конструкции должна быть в пределах, не отражающихся на ее работоспособности Металл шва при сварке низкоуглеродистой стали незначительно отличается по своему составу от основного металла - снижается содержание углерода и повышается содержание марганца и кремния. Однако обеспечение равнопрочности при дуговой сварке не вызывает затруднений. Это достигается за счет увеличения скорости охлаждения и легирования марганцем и кремнием через сварочные материалы. Влияние скорости охлаждения в значительной степени проявляется при сварке однослойных швов, а также в последних слоях многослойного шва. Механические свойства металла околошовной зоны подвергаются некоторым изменениям по сравнению со свойствами основного металла - при всех видах дуговой сварки это незначительное упрочнение металла в зоне перегрева. При сварке стареющих (например, кипящих и полуспокойных) низкоуглеродистых сталей на участке рекристаллизации околошовной зоны возможно снижение ударной вязкости металла. Металл околошовной зоны охрупчивается более интенсивно при многослойной сварке по сравнению с однослойной. Сварные конструкции из низкоуглеродистой стали иногда подвергают термической обработке. Однако у конструкций с угловыми однослойными швами и многослойными, наложенными с перерывом, все виды термической обработки, кроме закалки, приводят к снижению прочности и повышению пластичности металла шва. Швы, выполненные всеми видами и способами сварки плавлением, имеют вполне удовлетворительную стойкость против образования кристаллизационных трещин из-за низкого содержания углерода. Однако при сварке стали с верхним пределом содержания углерода могут появиться кристаллизационные трещины, прежде всего в угловых швах, первом слое многослойных стыковых швов, односторонних швах с полным проваром кромок и первом слое стыкового шва, сваренного с обязательным зазором.

Большое распространение при изготовлении конструкций из низкоуглеродистых сталей получила ручная сварка покрытыми электродами. В зависимости от требований к сварной конструкции и прочностных показателей свариваемой стали выбирают тип электрода. В последние годы широкое применение получили электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием. Для особо ответственных конструкций используют электроды с фтористо-кальциевым и фтористо-кальциеворутиловым покрытием типа Э42А, обеспечивающие повышенную стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и более высокие пластические свойства. Применяются также высокопроизводительные электроды с железным порошком в покрытии и электроды для сварки с глубоким проплавлением. Род и полярность тока выбирают в зависимости от особенностей электродного покрытия.

Несмотря на хорошую свариваемость низкоуглеродистых сталей иногда для предотвращения образования закалочных структур в околошовной зоне следует предусматривать специальные технологические меры. Поэтому при сварке первого слоя многослойного шва и угловых швов на толстом металле рекомендуется предварительный подогрев его до 120-150°С, чем обеспечивается стойкость металла против появления кристаллизационных трещин. Для уменьшения скорости охлаждения перед исправлением дефектных участков необходимо выполнять местный подогрев до 150°С, что будет препятствовать понижению пластических свойств наплавленного металла.

Низкоуглеродистые стали газовой сваркой сваривают без особых затруднений нормальным пламенем и, как правило, без флюса. Мощность пламени при левом способе выбирают из расчета расхода 100-130 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины металла, а при правом - 120-150 дм3/ч. Высококвалифицированные сварщики работают с пламенем большой мощности-150-200 дм 3/ч ацетилена, используя при этом присадочную проволоку большего, чем при обычной сварке диаметра. Для получения равнопрочного с основным металлом соединения при сварке ответственных конструкций следует применять кремне-марганцевистую сварочную проволоку. Конец проволоки должен быть погружен в ванну расплавленного металла. В процессе сварки нельзя отклонять сварочное пламя от ванны расплавленного металла, так как это может привести к окислению металла шва кислородом. Для уплотнения и повышения пластичности наплавленного металла осуществляют проковку и последующую термообработку.

Отличие среднеуглеродистых сталей от низкоуглеродистых в основном состоит в различном содержании углерода. Среднеуглеродистые стали содержат 0,26 - 0,45 % углерода. Повышенное содержание углерода создает дополнительные трудности при сварке конструкций из этих сталей. К ним относится низкая стойкость против кристаллизационных трещин, возможность образования малопластичных закалочных структур и трещин в околошовной зоне и трудность обеспечения равнопрочное™ металла шва с основным металлом. Повышение стойкости металла шва против кристаллизационных трещин достигается снижением количества углерода в металле шва путем применения электродных стержней и присадочной проволоки с пониженным содержанием углерода, а также уменьшения доли основного металла в металле шва, что достигается сваркой с разделкой кромок на режимах, обеспечивающих минимальное проплавление основного металла и максимальное значение коэффициента формы шва. Этому же способствуют электроды с большим коэффициентом наплавки. Для преодоления трудностей, возникающих при сварке изделий из среднеуглеродистых сталей, выполняют предварительный и сопутствующий подогрев, модифицирование металла шва и двухдуговую сварку в раздельные ванны. Ручную сварку среднеуглеродистых сталей ведут электродами с фтористо-кальциевым покрытием марок УОНИ-13/55 и УОНИ-13/45, которые обеспечивают достаточную прочность и высокую стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Если к сварному соединению предъявляются требования высокой пластичности, необходимо подвергнуть его последующей термообработке. При сварке следует избегать наложения широких валиков, сварку выполняют короткой дугой, небольшими валиками. Поперечные движения электрода нужно заменять продольными, кратеры заваривать или выводить на технологические пластины, так как в них могут образовываться трещины.

Газовую сварку среднеуглеродистых сталей ведут нормальным или слегка науглероживающим пламенем мощностью 75-100 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины металла только левым способом, уменьшающим перегрев металла. Для изделий толщиной свыше 3 мм рекомендуется общий подогрев до 250 350°С или местный - до 600-650 °С. Для сталей с содержанием углерода на верхнем пределе целесообразно применять специальные флюсы. Для улучшения свойств металла используют проковку и термическую обработку.

К высокоуглеродистым сталям относят стали с содержанием углерода в пределах 0,46-0,75%. Эти стали, как правило, не пригодны для изготовления сварных конструкций. Однако необходимость сварки возникает при ремонтных работах. Сварка производится с предварительным, а иногда с сопутствующим подогревом и последующей термообработкой. При температуре ниже 5°С и на сквозняках сварку выполнять нельзя. Остальные технологические приемы такие же, как и для сварки среднеуглеродистых сталей. Газовую сварку высокоуглеродистых сталей осуществляют нормальным или слегка науглероживающим пламенем мощностью 75 - 90 дм3/ч ацетилена на 1 мм толщины металла с подогревом до 250-300 °С. Применяют левый способ сварки, позволяющий уменьшить время перегрева и время пребывания металла сварочной ванны в расплавленном состоянии. Используются флюсы того же состава, что и для среднеуглеродистых сталей. После сварки шов проковывается с последующей нормализацией или отпуском.

В последние годы находят применение термоупрочненные углеродистые стали. Стали повышенной прочности позволяют уменьшить толщину изделий. Режимы и техника сварки термоупрочненных сталей такие же, как и для обычной углеродистой стали того же состава. Сварочные материалы выбирают с учетом обеспечения равнопрочности металла шва с основным металлом. Главным затруднением при сварке является разупрочнение участка околошовной зоны, подвергающегося нагреву до 400 - 700 °С. Поэтому для термоупрочненной стали рекомендуются маломощные режимы сварки, а также способы сварки с минимальным теплоотводом в основной металл.

Применяют также стали с защитными покрытиями. Наибольшее распространение получила оцинкованная сталь при изготовлении различных конструкций санитарно-технических трубопроводов. При сварке оцинкованной стали в случае попадания цинка в сварочную ванну создаются условия для появления пор и трещин. Поэтому цинковое покрытие необходимо удалять со свариваемых кромок. Учитывая, что следы цинка на кромках остаются, следует принимать дополнительные меры по предупреждению образования дефектов: по сравнению со сваркой обычной стали зазор увеличивают в 1,5 раза, а скорость сварки уменьшают на 10 г-20 %, электрод вдоль шва перемещают с продольными колебаниями. При ручной сварке оцинкованной стали лучшие результаты получают при работе электродами с рутиловым покрытием, обеспечивающими минимальное содержание кремния в металле шва. Но можно применять и другие электроды. В связи с тем, что пары цинка чрезвычайно токсичны, сварку оцинкованной стали можно производить при наличии сильной местной вентиляции. После окончания сварочных работ необходимо нанести защитный слой на поверхность шва и восстановить его на участке околошовной зоны.