Технология сварки стали 45

Особенности технологии сварки стали марки 45. Контроль качества соединений. Нюансы выполнения работ

К сварке деталей из различных сплавов нужно подходить индивидуально. Сталь 45 относится к группе ограниченно свариваемых (ГОСТ 29273-92), это значит, что в процессе работы с ней требуется соблюдать особые правила. Нарушение технологии может привести к образованию трещин в зоне сварки и последующему разрушению конструкции.

Описание стали 45

Конструкционная сталь 45 применяется в промышленности: станкостроении, на производстве автомобилей и прочей техники, инструментов. Отличается хорошими характеристиками: высокой ударной прочностью, пластичностью, устойчивостью к различным нагрузкам – статическим и динамическим. Стандарт проката: ГОСТ 1050-88. Группа свариваемости: третья. Применяемые сплавы-заменители: 40Х, 50, 50Г2. Отличается также следующими характеристиками:

• плотность – 4850 кг/куб. м;
• ударная вязкость – 66 кДж/ кв. м;
• твердость до термической обработки – 20-22 ед. по Роквеллу.

Число 45 указывает на повышенное содержание углерода в сплаве – 0,45%. Это осложняет процесс сварки деталей: может приводить к появлению горячих (во время нагрева) и холодных (после остывания) трещин.

Допустимое содержание элементов:

• C (углерод): 0,42-0,500%;
• Si (кремний): 0,17-0,37%;
• Mn (марганец): 0,50-0,80%.

• США – 1045;
• Япония – S45C, SWRCH45K;
• Европа – 1.1191, 2C45, C45, C45E, C45EC, C46.

Чаще всего поставляется в виде листов или полос разной толщины. Рекомендуется разрезать при помощи плазменной резки, что позволит избежать перегрева кромок, или механическими способами.

Технология сварки

До проведения работ необходимо прогреть детали до 150-200 градусов по Цельсию. После этого выполняются сварочные работы. Затем готовое изделие должно медленно остывать. Такой способ уменьшает вероятность образования трещин.

Сварочные работы производятся с применением покрытых электродов Есаб ОК 68.81, УОНИ 13/55, Lb-52U, при помощи полуавтоматической сварки в углекислом газе проволокой ESAB OK Autrod 312 и ESAB OK Autrod 16.95 или в среде аргона.

По окончании работы рекомендуется поместить деталь в печь и прогревать при температуре 400-450 градусов по Цельсию (процесс нормализации) около 1 часа.

После полного остывания изделия необходимо выполнить испытания в зависимости от назначения конструкции: на разрыв, кручение, ударные нагрузки или изгиб. Если создаются ответственные металлоконструкции, то для проверки рекомендуется обращаться в специализированные организации, которые проводят тесты готовых соединений.

Ручная дуговая сварка осуществляется в соответствии с ГОСТ 5264-80, где указаны типы применяемых соединений и конструктивные элементы с информацией об их размерах.

Сварка стали 45. Практика

Если работы проводятся вне оборудованных цехов, то обеспечить неукоснительное соблюдение технологии сложно. В этом случае можно использовать следующий метод:

1. Подготовка деталей к сварке: зачистка, формирование кромок под сварочные швы.
2. Прогрев деталей при помощи газового (пропанового, ацетиленового) резака или горелки. Для определения температуры следует использовать инфракрасный пирометр, также применяют термокарандаши, которые начинают плавиться при достижении определенных значений.
3. Сварка производится максимально быстро, если необходимо, то в процессе можно дополнительно подогревать детали.
4. По окончании работ изделие требуется поместить в емкость с песком, чтобы процесс остывания происходил как можно медленнее.
5. Если деталь слишком крупная и ее невозможно убрать в песок, то можно подогревать зону сварки резаком или горелкой, постепенно уменьшая температуру.

В ряде случаев допускается использовать «холодный» метод сварки. Для этого рекомендуется использовать полуавтомат или аргон, так как зона нагрева в этом случае будет меньше, чем при применении покрытых электродов.

Сварка производится так:

• элементы изделия собираются на небольшие прихватки – 5-7 мм с шагом около 150 мм;
• обваривать конструкцию следует небольшими швами, важно не давать металлу сильно нагреваться;
• по возможности следует класть швы вразнобой с разных сторон изделия.

Важно: такой метод нельзя использовать при сварке ответственных конструкций.

При использовании холодного способа требуется провести тщательный визуальный осмотр швов и проверку прочности соединений, поскольку вероятность появления трещин высока.

Проверка сварных соединений

На производстве используют эффективные методы контроля: просвечивание швов рентгеном или ультразвуком. Это позволяет обнаружить большинство дефектов: непровары, трещины, свищи.

Если есть возможность, то варят тестовые образцы из стали 45, разрезают швы болгаркой и осматривают их визуально. Внутри не должно быть:

В случае когда изделие предназначено для работы под нагрузками, рекомендуется проверять соединения механическими способами. Для этого деталь подвергают нагрузкам. Например, если шов должен выдерживать нагрузку 10 тонн, следует проводить проверку с весом на 30% больше – 13 тонн.

Исправление дефектов

После сварки требуется удалить шлаковую корку (если использовались покрытые электроды), обработать деталь металлической щеткой, чтобы соединение было хорошо видно. Ряд проблем можно выявить при осмотре сварных швов, появление внутренних «холодных» трещин часто определяется на слух: громкие щелчки говорят о том, что внутри появились дефекты.

При выявлении трещин и других изъянов требуется полностью вырезать проблемные участки и положить новые швы. Заваривать их без разделки не допускается. Рекомендуется предварительно прогревать зону сварки, после работы деталь должна медленно остыть.

Справка: наплывы металла в зоне сварки также считаются дефектами, удаляются при помощи болгарки с зачистным кругом.

Как получить надежное соединение. Сварка с другими металлами

Поскольку сталь 45 при сварке подвержена появлению трещин, рекомендуется либо проводить тщательную проверку швов, либо дублировать соединения при помощи болтов, шпилек или заклепок.

Если изделие предполагается сваривать с иными сплавами, то рекомендуется создать образец. После анализа результата можно разработать оптимальную технологию.

Группы свариваемости сталей

Свариваемость стали — характеристика, указывающая на возможность сварки металла с удовлетворительными механическими свойствами без образования трещин. Разделяют четыре группы свариваемости сталей:

1. хорошая свариваемость
2. удовлетворительная свариваемость
3. ограниченная свариваемость
4. плохая свариваемость

Как правило стали с низким содержание углерода обладают хорошей свариваемостью, с высоким содержанием углерода ограниченной или плохой.

Группа свариваемости 1 — хорошо свариваемые стали

Стали, относящиеся к 1 группе могут быть сварены без подогрева и без обязательной последующей термообработки, она применяется только в том случае, если необходимо снять внутренние напряжения металла после сварки.

К хорошо свариваемым относят стали Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, сталь 08, 10, 15, 20, стали 15Г, 15Х, 20Г, 20Х, 20ХГСА, 12ХН2, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10 и многие другие малоуглеродистые марки сталей.

Группа свариваемости 2 — удовлетворительно свариваемые стали

Стали, которые относят ко 2 группе при сварке в нормальных условиях не склонны к образованию трещин на швах, а также стали которые нуждаются в предварительном подогреве и последующей термообработке для достижения удовлетворительных свойств сварного шва.

К сталям второй группы относят Ст4пс, Ст5Сп, сталь 30, 35,30Л, 35Л, 12Х2Н4А, 20ХН3А.

Группа свариваемости 3 — ограниченно свариваемые стали

Стали 3 группы склонны к образованию трещин на швах. Для предотвращения образования трещин стали 3 группы нагревают, а после сварки термообрабатывают.

К группе с ограниченной свариваемостью относят стали 40, 45, 50 Ст6пс, 17Х18Н9, 12Х18Н9, 20Х2Н4А 30ХМ, 30ХГС, 33ХС.

Группа свариваемости 4 — плохо свариваемые стали

Стали 4 группы свариваются трудно, на швах часто образуются трещины, их необходимо подогревать перед сваркой так в ее процессе. После сварки также требуется термообработка.

К 4 группе относят инструментальные нелегированные стали У7, У8, У8А, У8Г, У9, У10, У11, У12, 40Г, легированная конструкционная сталь 45Г, 50Г, 50Х, 50ХГ, 50ХГА, сталь 55Л, 65, 75, 85, 60Г, 65Г, 70Г, 55С2, 55СА, 60С2, 60 С2А, Х12, Х12М, 7Х3, 8Х3, ХВГ, ХВ4, 5ХГМ, 6ХВГ.

Таблица свариваемости сталей.

Свариваемость различных марок стали

Рассмотрим свариваемость самых распространенных марок стали.

Свариваемость стали 09г2с и Ст3

Стали Ст3 ГОСТ 380-94 и 09г2с ГОСТ 19281-89 относятся к группе 1, для их сварки не требуется нагрева. Сварной шов при соблюдении технологии не склонен к образованию трещин.

Свариваемость Сталей 10 и 20

Сталь 10 и сталь 20 ГОСТ 1050-88 относят к группе свариваемости 1. Детали, изготовленный из указанных марок стали хорошо свариваются без дополнительного подогрева.

Свариваемость Стали 45

Углеродистая сталь 45 ГОСТ 1050-88 относится к группе свариваемости 3. Для сварки эту сталь необходимо подогревать, а после сварки — подвергнуть термообработке.

Сталь 45

На производственные линии поставляется просто огромное количество различных сталей, которые характеризуются своими определенными свойствами. Примером можно назвать материал сталь 45, который получил широкое распространение. Эта сталь характеризуется определенными эксплуатационными качествами, которые стоит рассматривать. ГОСТ на сталь 45 определяет концентрацию всех химических веществ. Марка характеризуется относительно невысокой стоимостью, а расшифровка марки стали определяет широкое ее распространение. Рассмотрим особенности данного предложения подробнее.

Химический состав стали 45

Во много эксплуатационные и другие качества определяются химическим составом. Это связано с тем, что некоторые элементы способны существенно повысить прочность, другие увеличивают хрупкость. Химический состав стали 45 характеризуется присутствием следующих элементов:

1. Основные химические элементы Ст 45 представлены железом и углеродом. От концентрации второго элемента во многом зависит то, насколько прочным и твердым получается изделие. Установленные стандарты определяют то, что концентрация углерода должна составлять от 0,42 до 0,5%. При этом в составе металла около 97%.
2. В состав включается относительно небольшое количество легирующих элементов. Основными можно назвать магний и кремний. Их показатель концентрации составляет более 0,1%.
3. Концентрация других элементов выдерживается в определенном диапазоне. К примеру, ГОСТ определяет небольшое количество серы и фосфора, так как эти элементы приводят к ухудшению эксплуатационных качеств.

Содержание углерода, как и многих других элементов, выдерживается в определенном диапазоне. Этот элемент во многом определяет основные характеристики получаемых изделий, слишком высокая концентрация может привести к твердости поверхности и хрупкости структуры.

Свойства материала

Механические свойства стали 45 определяют широкое распространение этого металла. Концентрация углерода составляет 0,45%, другие примеси крайне незначительны. Это во многом определяет следующие характеристики:

1. Плотность стали 45 или удельный вес составляет 7826 кг/м 3 . За счет этого обеспечивается невысокий показатель веса получаемых изделий, однако легкими их не назовешь. Плотность может несущественно отличаться в зависимости от химического состава.
2. К отпускной хрупкости структура не склонна. Сталь 45, характеристики которой можно назвать универсальным предложением, очень часто подвергается закалке, за счет которой существенно повышается твердость поверхности.
3. Очень часто проводится поставка заготовок после термической обработки. Она существенно повышает твердость поверхности. Этот момент также определяет то, что твердость стали 45 в состоянии поставки может варьировать в достаточно большом диапазоне. Как правило, твердость выдерживается на уровне 10 -1 HB, который соответствует 170 МПа.
4. Сталь марки 45 относится к трудносвариваемым металлам, что определяет сложности при проведении сварочных работ. Именно поэтому структура изначально подогревается и лишь только после этого проводится соединение элементов. Прокаливаемость стали 45 также находится на достаточно низком уровне, за счет чего усложняется процесс обработки резанием. Сварка может применяться при применении различного сварочного оборудования. Применение соответствующих электродов позволяет существенно упростить процесс сваривания. Резание сварочным аппаратом также существенно осложняется.
5. Довольно часто проводится ковка. Она проводится при температуре 1250 градусов Цельсия, в конце показатель составляет 700 градусов Цельсия.
6. Предел прочности и модуль упругости могут варьировать в достаточно большом диапазоне. Все зависит от того, какова температура нагрева поверхности. Предел текучести стали определяет то, насколько она проста при литье различных заготовок.

Свойства сплава Ст 45

В целом можно сказать, что металл подходит для применения при изготовлении различных изделий. В большинстве случаев проводится термическая обработка, которая позволяет существенно увеличить эксплуатационные характеристики. Стоит учитывать, что только при выдерживании температурного режима можно обеспечить условия для правильного перестроения кристаллической решетки.

Скачать ГОСТ 1050-2013

Температура критических точек стали 45

Как ранее было отмечено, для улучшения эксплуатационных качеств металла проводится термическая обработка. Она предусматривает оказание определенного воздействия на структуру, после чего происходит перестроение кристаллической решетки и изменение качеств. Во много при проведении термической обработки учитываются критические точки. Обработка стали Ст 45 проводится с учетом следующих факторов:

1. Температурного режима. Важно выбирать правильную температуру, так как слишком низкая становится причиной неполного нагрева структуры и полное перестроение структуры не произойдет. Слишком высокий показатель становится причиной перегрева металла, а также появления окалины. Для обеспечения воздействия требуемой температуры могут применяться самые различные установки. Примером назовем доменные печи или электрические установки. Слишком высокие температуры плавления определяют то, что выполнить закалку рассматриваемой стали в домашних условиях довольно сложно.
2. Скорости повышения температуры. Скорость нагрева также может определять то, какие именно качества будут передаваться обрабатываемому изделию. Современное оборудование позволяет с высокой точностью контролировать скорость нагрева. К примеру, ТВЧ имеют электронный блок управления, электрическая энергия преобразуется в магнитную, которая и становится причиной нагрева структуры.
3. Продолжительности временного промежутка между воздействием различных температур. При термической обработке всех металлов учитывается присутствие трех критических точек, которые учитываются. Длительность выдержки может зависеть не только от химического состава материала, но и размеров, формы заготовки.
4. Особенности прохождения процесса охлаждения. Во много качества получаемого изделия зависят от того, при каких условиях проходил процесс охлаждения. К примеру, есть возможность использовать масло или воду, а также различные порошки в качестве охлаждающей среды.

Довольно часто для изменения качеств металла применяется ТВЧ. Она характеризуется высокой эффективностью в применении, а также простотой в использовании. Сегодня встречаются модели, которые при желании можно установить в домашней мастерской.

Критическими точками принято считать температуры, при которых происходит перестроение структуры. Выделяют три основных температурных точек, которые отображаются на построенной диаграмме.

Уделяется внимание и выбору более подходящей среды охлаждения. К примеру, есть возможность провести охлаждение в воде. Однако подобная среда приводит к неравномерному охлаждению, что приводит к появлению окалины и других проблем. Для более высокого качества применяется масло. Крупногабаритные заготовки можно охлаждать на открытом воздухе, так как для снижения температуры требуется много времени.

Применение

Как уже было отмечено, область применения материала довольно широка. При использовании качественной стали 45 могут изготавливаться различные заготовки. Металл поставляется на производственные линии в виде сортового и фасонного проката.

Применение стали 45 следующие:

1. Изготовление изделий, представленных телами вращениями. При создании различных конструкций довольно часто применяются валы, которые могут иметь несколько ступеней и канавки. При этом диаметральный размер может варьировать в большом диапазоне.
2. Шпиндели и кулачки, а также шестерни. Довольно сложным в изготовлении изделием можно назвать шестерни. Они получаются при процессе фрезерования круглых заготовок. На структуру может оказываться серьезное механическое воздействие. Именно поэтому часто проводится различная термическая обработка, к примеру, закалка или отпуск. Кулачки и другие подобные изделия также характеризуются тем, что на них оказывается серьезное механическое воздействие.
3. Крепежные изделия получили весьма широкое распространение. Они применяются для соединения различных изделий или их фиксации. К крепежным изделиям предъявляются высокие требования. К примеру, поверхность должна выдерживать существенное механическое воздействие или нагрузка, которая оказывается в поперечном направлении.
4. Пластинки и листовой материал. Довольно широкое распространение получил листовой металл. Он применяется при изготовлении различных изделий, а также обшивки несущих конструкций. Стоит учитывать, что сегодня листовой материал часто применяется при штамповке и другой обработке давлением.

Применение стали 45

Термическая обработка позволяет существенно расширить область применения металла. К примеру, проводится закалка и нормализация поверхности. Для существенного изменения эксплуатационных качеств проводится легирование состава различными химическими элементами, к примеру, хромом. Повышение концентрации хрома приводит к тому, что металл становится коррозионностойким.

Низкая отпускная хрупкость определяет то, металл применяется при создании изделий сложных форм и конфигураций. Примером можно назвать шестерни и звездочки, которые представлены зубьями со сложной конфигурацией.

Рассматривая аналоги отметим, что есть достаточно большое количество сплавов, которые характеризуются сходными качествами. К примеру, в США и Германии применяются собственные стандарты маркировки при создании сплавов, которые схожи со Сталь 45. К примеру, 1044 и 1045, 1.0503 и 1.1191. Выпуск аналогов проводится и во многих других странах. Что касается металлов со схожими эксплуатационными качествами, то к ним относятся сталь 50 и сталь 50Г, а также сталь 40Х, которая легируется при применении хрома.

Аналог Ст 45 — сталь 1.0503

В заключение отметим, что изделия из стали 45 обладают весьма привлекательными эксплуатационными качествами и при этом обходится недорого. Именно поэтому она применяется в машиностроительной отрасли в качестве основного металла. Структура характеризуется высокой обрабатываемостью резанием. Поэтому заготовки подвергают точению и фрезерованию.

Технология сварки разнородных сталей

Разнородными принято считать стали, которые отличаются атомно-кристаллическим строением, т.е. имеют ГЦК-, ОЦК- решетку или принадлежат к разным структурным классам (перлитные, ферритные, аустенитные), а также стали с однотипной решеткой, относящиеся к различным группам по типу и степени легирования (низколегированные, легированные, высоколегированные). Они содержат в сумме до 5, 10 или свыше 10 % хрома и других легирующих элементов соответственно.

В табл. 1 приведены основные группы сталей, применяемых в машиностроении. Из них формируют различные сочетания для изготовления сварных конструкций.

Табл. 1 Классификация сталей, применяемых в сварных соединениях разнородных сталей

Класс сталей и сварочных материалов

Перлитные и бейнитные

09Г2С, 10ХСНД, 20ХГСА

30ХГСА, 40Х, 40ХН2МА, 38ХВ

Теплоустойчивые (Cr-Мо и Cr-Mo-V)

12МХ, 12Х1МФ, 20Х1М1Ф169

Мартенситные, ферритные, ферритно-мартенситные, аустенитно-мартенситные, ферритно-аустенитные

12 %-ные хромистые, жаростойкие

08X17Т, 15Х25Т, 20X17Н2

12 %-ные хромистые, жаропрочные

Аустенитные стали и сплавы на никелевой основе

Аустенитные коррозионно-стойкие и криогенные

Жаропрочные никелевые сплавы

Конструкции, сваренные из разнородных сталей, называют комбинированными. Они применяются в тех случаях, когда условия работы отдельных частей конструкции отличаются температурой, агрессивностью среды, особыми механическими воздействиями (износ, знакопеременное нагрузка и т.п.).

Особенности технологии сварки комбинированных конструкций из сталей различных структурных классов

Одна из причин пониженной свариваемости перлитной и аустенитной сталей — образование хрупкого мартенситного слоя или карбидной гряды в объеме переходной кристаллизационной прослойки, у которой уровень легирования металла снижается, приближаясь к перлитной стали. Образование этой прослойки объясняется ухудшением перемешивания жидкого металла в пристеночных слоях. При небольшом запасе аустенитности металла шва толщина этой прослойки может достигнуть критической величины, при которой происходит хрупкое разрушение сварного соединения.

Поэтому при выборе способов и режимов сварки отдают предпочтение технологии, при которой толщина кристаллизационной прослойки минимальна. Этого достигают следующими методами:

— Применением высококонцентрированных источников тепла (электронный луч, лазер, плазма);

— Разделкой кромок или их наплавкой (рис. 1), уменьшающей долю участия сталей;

— Выбором режимов сварки с минимальной глубиной проплавления;

— Переходом к дуговой сварке в защитных газах, обеспечивающей интенсивное перемешивание металла ванны.

Преимущества сварки комбинированных конструкций в защитных газах связаны с увеличением температуры расплавленного металла, снижением поверхностного натяжения и, соответственно, увеличением интенсивности его перемешивания, что вызвано ростом приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и увеличением кинетической энергии переноса капель электродного металла и плазменного потока в дуге.

Добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа усиливает отмеченные преимущества. Добавки кислорода повышают температуру ванны также тем, что вызывают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. В результате отмеченных явлений снижается уровень структурной и механической неоднородности в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом.

При ручной дуговой сварке положительные результаты получают в противоположном варианте, т.е. при снижении температуры сварочной ванны, что зависит от температуры плавления электрода. Снижения температуры плавления электрода достигают увеличением содержания никеля и марганца. Применение таких электродов является наиболее радикальным мероприятием и при сварке под флюсом, одновременно уменьшающем ширину кристаллизационных и диффузионных прослоек (рис. 2).

При сварке под флюсом перемешивание ванны также может быть усилено увеличением силы тока, напряжения или скорости сварки. Однако рост этих параметров приводит к неблагоприятному изменению схемы кристаллизации (увеличению угла срастания кристаллитов), что увеличивает риск образования горячих трещин. Скорость сварки, как правило, не должна превышать 25 м/ч. Интенсивному электромагнитному перемешиванию ванны препятствует наличие шунтирования магнитного поля перлитной сталью, а также нарушение шлаковой защиты. В этом процессе весьма эффективен ввод внутренних стоков тепла в виде охлаждающей присадки (рис. 3), также снижающей температуру ванны.

Табл. 2 Выбор композиции наплавленного металла и термообработки для сварки перлитных и бейнитных сталей с аустенитными сталями и сплавами

Группа свариваемых сталей (см. табл. 1)