Технология сварки углеродистых сталей

Технология сварки углеродистых сталей: тонкости процесса и рекомендации

Выполнение такого технологического процесса, как сварка углеродистых сталей, связано с определенными сложностями и отличается рядом особенностей. Главная причина подобной ситуации состоит в том, что основным элементом, формирующим характеристики углеродистых сталей и, соответственно, оказывающим влияние на их свариваемость, является углерод.

Сварка углеродистой стали дуплекс

Особенности сварки изделий из углеродистых стальных сплавов

Углеродистыми, как известно, называют такие стальные сплавы, содержание углерода в которых может варьироваться в пределах 0,1–2,07%. В зависимости от того, сколько углерода в своем составе содержат такие сплавы, они подразделяются на низко- (до 0,25%), средне- (0,25–0,6%), а также высокоуглеродистые (0,6–2,07%). Сварка низкоуглеродистых сталей, также как среднеуглеродистых и высокоуглеродистых, отличается определенными особенностями. Однако есть и общие правила осуществления такого процесса, которые позволяют получать качественные и надежные соединения изделий из углеродистых сталей.

Технологические особенности сварки углеродистых сталей

Чтобы обеспечить хорошую провариваемость корня шва при выполнении стыковых сварных соединений деталей, изготовленных из углеродистых сталей, данный процесс выполняют, держа соединяемые изделия на весу. Этой рекомендации стараются придерживаться при выполнении полуавтоматической сварки порошковой и обычной проволокой, а также при осуществлении газовой и ручной дуговой сварки, осуществляемой при помощи покрытых углеродов. При использовании для выполнения сварки углеродистых сталей автоматического оборудования стараются создать условия для обеспечения провариваемости корня шва и исключения такого явления, как прожоги металла.

Прихватки выполняются с полным проваром стыка и последующей переплавкой при наложении основного шва

Перед началом сварки изделий, изготовленных из углеродистых сталей, их необходимо точно расположить относительно друг друга и надежно зафиксировать, для чего лучше всего использовать специальные сборочные приспособления. При отсутствии такого приспособления обеспечить фиксацию можно при помощи прихваток. Прихватки, суммарная длина которых может доходить до трети длины самого сварного шва, желательно накладывать со стороны соединения деталей, являющейся противоположной по отношению к шву. Если же предстоит выполнение многопроходного сварного шва, то прихватки накладывают с той стороны соединения, которая является противоположной по отношению к его первому слою.

После выполнения прихваток их тщательно зачищают, осматривают и исправляют их дефекты, если они обнаружены. При выполнении сварки углеродистых сталей необходимо добиваться полной переплавки прихваток, которые в противном случае могут стать очагом возникновения трещин в месте сваривания.

Таблица режимов сварки (на примере низкоуглеродистых и низколегированных сталей)

Технологию многослойной или двухсторонней сварки углеродистых сталей выбирают, если формируемое соединение должно соответствовать повышенным требованиям по своей прочности и надежности, или соединить необходимо детали значительной толщины. Если при осмотре сформированного сварного шва обнаруживаются дефекты (трещины, поры, подрезы, плохо проваренные участки и др.), то для их устранения необходимо предпринять следующие действия:

• удалить наплавленный металл в области обнаружения дефекта;
• зачистить область дефекта;
• подварить шов в зачищенной зоне.

Сварка этого дифференциала выполнена ТИГ-сваркой, что обеспечило качественный провар и отсутствие брызг

Особенность выполнения электрошлаковой и автоматической сварки деталей из углеродистых сталей заключается в том, что соединяемые изделия фиксируют с зазором, который должен иметь некоторое расширение к концу. Для осуществления такой фиксации используют сборочные приспособления или специальные скобы. Для того чтобы обеспечить высокое качество начальной и конечной области сварного шва при использовании вышеуказанных технологий, сварочный процесс начинают не на самих деталях, а на специальных планках, фиксируемых вместе с ними.

Сварка изделий из низкоуглеродистых стальных сплавов

Сварка сталей, относящихся к категории низкоуглеродистых, не составляет больших сложностей для специалиста; для этого может быть использована любая из традиционных технологий. Выбор конкретной методики получения сварного соединения осуществляют, ориентируясь на параметры свариваемых деталей и требования, которые предъявляются к готовому соединению.

Особенность сварки низкоуглеродистых сталей, в составе которых дополнительно имеются легирующие добавки, состоит в том, что основной металл и металл соединения имеют ряд отличий, к которым относятся следующие:

• металл сварного шва характеризуется уменьшенным содержанием углерода, а вот доля марганца и кремния в нем повышена;
• металл соединяемых деталей в области, расположенной рядом со сварным швом, подвергается перегреву, что сопровождается его незначительным упрочнением; такая ситуация особенно характерна для тех случаев, когда используется сварка по ручной дуговой технологии;
• при сварке деталей, которые выполнены из нестареющих легированных сталей, наблюдается снижение ударной вязкости основного металла в области, расположенной в непосредственной близости со сварным швом;
• при выполнении сварки многослойным методом металл шва может отличаться повышенной хрупкостью.

Электроды для сварки сталей с легирующими добавками

Газовая сварка изделий из углеродистых сталей, в составе которых содержится до 0,25% углерода, также не вызывает особых сложностей. При выполнении сварки по данной технологии не требуется использование флюса, а ее особенностью является то, что при ее осуществлении правым способом расходуется большее количество горючего газа.

Изделия из углеродистых сталей, в составе которых содержится небольшое количество углерода, отлично свариваются и при использовании электродуговой технологии. Типами покрытий электродов, которые оптимально подходят для практической реализации данного метода, являются рутиловое (Э46Т) и кальциево-фтористорутиловое (Э42А). Кроме этого, многие специалисты-сварщики используют для сварки деталей из углеродистых стальных сплавов такой категории электроды, в покрытие которых добавлено некоторое количество железного порошка.

Электроды для сварки низкоуглеродистых сталей

Для сваривания деталей из низкоуглеродистых сталей при помощи электрошлаковой сварки используют следующие марки флюсов: АН-8, АН-8М, АН-22, ФЦ-1 и ФЦ-7. Тип сварочной проволоки традиционно подбирают в зависимости от того, каким химическим составом обладает материал изготовления элементов, которые необходимо соединить.

Режимы сварки под флюсом

Как выполняют сварку деталей из среднеуглеродистой стали

По причине того, что углерода в таких сталях содержится больше, чем в низкоуглеродистых, свариваются они несколько хуже. При сварке изделий из углеродистых сплавов данной категории могут возникать следующие проблемы:

• основной металл и металл сварного шва могут иметь разную степень прочности;
• в металле, расположенном в непосредственной близости от шва, могут возникать трещины и формироваться структуры, отличающиеся низкой пластичностью;
• металл сварного шва и основной металл, расположенный рядом с местом соединения, отличаются невысокой устойчивостью к появлению в них кристаллизационных дефектов.

Неправильный выбор типа сварки и сварочного материала приводит к отсутствию сварочного шва как такого

Для того чтобы избежать подобных проблем при сварке углеродистых сталей с повышенным содержанием углерода, можно воспользоваться следующими технологическими приемами:

• использование электродов, в составе которых содержится незначительное количество углерода;
• выполнение сварки по двухдуговой технологии, когда сварной шов формируется одновременно в нескольких ваннах расплавленного металла;
• разделка кромок соединяемых изделий таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное проплавление основного металла;
• предварительный и сопутствующий подогрев соединяемых частей.

Что касается электродуговой сварки деталей, изготовленных из среднеуглеродистых сталей, то при ее выполнении следует придерживаться таких рекомендаций:

• использовать электроды с фтористо-кальциевым покрытием (УОНИ 13/45 и 13/55), которые не только увеличивают прочность сварного шва, но и повышают его устойчивость к образованию кристаллизационных трещин;
• минимизировать риск появления трещин в области сварного соединения позволяют и такие технологические приемы, как осуществление продольных, а не поперечных перемещений электрода в процессе выполнения сварки, обязательно заваривание кратеров сформированного сварного шва;
• при выполнении сварки необходимо использовать короткую дугу и накладывать шов в виде нешироких валиков;
• чтобы повысить пластичность сформированного сварного шва, можно использовать термическую обработку полученного соединения.

Электроды для сварки среднеуглеродистых сталей

Осуществляя газовую сварку изделий, изготовленных их среднеуглеродистых сталей, преимущественно используют левый способ и применяют стандартное или науглероживающее пламя, мощность которого находится в пределах 75–100 дм 3 /час. Чтобы улучшить качество полученного таким способом сварного соединения, после его получения можно подвергнуть детали термической обработке или выполнить их проковку. При необходимости выполнения газовой сварки деталей, толщина которых превышает 3 мм, их необходимо подвергнуть общему (до 3500) или локальному подогреву (до 6500).

Сварку деталей, изготовленных из углеродистых сталей данной категории, можно выполнять и при достаточно низких температурах окружающей среды: до –300. Чтобы сформированное соединение при его получении в таких условиях отличалось высоким качеством и надежностью, сваренную конструкцию необходимо подвергнуть термической обработке и обеспечить постоянный прогрев зоны сварки в процессе осуществления технологической операции.

Качественное сварное соединение высокоуглеродистых сталей

Высокоуглеродистые стальные сплавы отличаются значительным содержанием углерода в своем составе, что исключает возможность получения качественного сварного соединения деталей, которые из них изготовлены. Между тем периодически возникает необходимость выполнять сварку таких деталей, поэтому следует знать, как правильно осуществить подобный технологический процесс.

Углеродистые стали с высоким содержанием углерода относительно неплохо свариваются методами, используемыми для изделий из среднеуглеродистых сплавов, но при проведении данной процедуры нужно придерживаться следующих рекомендаций: не выполнять сварку на сквозняке и при температуре окружающего воздуха ниже +50.

Режимы газовой сварки углеродистых сталей

Газовая сварка углеродистых стальных сплавов с высоким содержанием углерода выполняется только левым способом и с использованием незначительно науглероженного или нормального пламени. Обязательным условием, обеспечивающим качественное выполнение газовой сварки сталей высокоуглеродистой категории, является предварительный нагрев соединяемых частей до температуры не ниже 3000.

Если говорить об общих рекомендациях для обеспечения высокого качества сварных соединений деталей, изготовленных из углеродистых сплавов (всех вышеперечисленных категорий), то для этого следует правильно выбирать электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей, сварочную проволоку, тип и мощность пламени, а также строго следовать технологическим рекомендациям.

Технические и технологические особенности сварки углеродистых сталей: основные способы сварки и оборудование для каждого способа

Сталью называют сплав железа с углеродом, когда концентрация последнего составляет от 0,02% до 2,14%.

С повышением содержания углерода растут показатели прочности и твердости материала, однако, снижаются его пластичность и вязкость. Поэтому процентное соотношение C к Fe является основным критерием классификации стали, разделившим ее на три группы:

1. Низкоуглеродистая (0,02-0,3%) – мягкие, ковкие сплавы общего применения, которые часто используются в быту (например, в виде прокатного профиля), а также в ненагруженных узлах строительных конструкций, промышленных деталей и механизмов.
2. Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) – сбалансированные сплавы, зачастую обладающие хорошими показателями упругости, стойкости к деформациям и усталостным нагрузкам. Применяются в машиностроении и электротехнике, в том числе для изготовления пружин, рессор, контактных пластин. Ограниченно применяются для изготовления приборов и инструментов.
3. Высокоуглеродистые (0,6-2,14%) – прочные, но относительно хрупкие сплавы, применяющиеся для изготовления ответственных изделий, в том числе инструментов и их режущих кромок, подшипников, дроби для абразивной обработки, стальных канатов и тросов, измерительных приборов.

Кроме того, в углеродистых сталях содержатся примеси других элементов в количестве, недостаточном для того, чтобы материал считался легированным. Допустимо наличие в структуре сплава:

Фосфор, сера и газы являются нежелательными примесями, долю которых в углеродистой стали стараются свести к минимуму. В качестве микролегирования могут использоваться такие присадки, как титан, цирконий, бор, лантаноиды и некоторые другие элементы.

Значительное влияние на качество стали и ее эксплуатационные характеристики оказывает технология производства, режимы последующей термообработки и другие металлургические параметры. В общем виде классификацию сталей по методу их изготовления, назначению, содержанию тех или иных веществ можно представить в виде таблицы.

В качестве вида стали может указываться способ ее производства. Углеродистые стали могут изготавливаться как в мартеновских и кислородно-конвертерных печах, так и электросталеплавильным методом. Последний обеспечивает большую стабильность свойств и характеристик готового продукта.

Выбор оборудования

Тип и эксплуатационные особенности сварочного оборудования для работы с углеродистыми сталями варьируются в достаточно широких пределах и зависят от таких факторов, как:

• выбранный метод сварки;
• характеристики заготовок;
• требуемое качество шва;
• расчетный режим сварки;
• особенности внешней среды;
• требуемая производительность;
• финансово-экономические критерии.

Чаще всего углеродистые стали соединяют одним из методов электродуговой сварки. Если предполагается ручная сварка и объем работ относительно мал, можно воспользоваться обычным сварочным инвертором, главные достоинства которого – компактность и дешевизна. Хорошим выбором станут модели Fubag IR 200, Wester MMA-VRD 200, Elitech АИС 200, Ресанта САИ-220 и другие. Примерная стоимость аппаратов Ресанта САИ-220 на Яндекс.маркет

В противном случае, лучше отдать предпочтение промышленным трансформаторам с большей производительностью, например, Кавик ТДМ-252У2 (250 А, 12 кВт) или Brima ТДМ1-315-1 (315 А, 24 кВт). В зонах, где подключение к электрической сети невозможно или затруднено, используются сварочные генераторы, оснащенные двигателями внутреннего сгорания.

Для полуавтоматической сварки в среде защитных газов или под слоем флюса применяются специализированные сварочные аппараты комбинированной конструкции, которые обеспечивают генерирование сварочного тока, а также подачу в зону сварки защитного газа и плавящегося электрода (кроме того, может подаваться присадочная проволока). В нише бюджетных моделей лидирует Aurora Overman 180, в топовом сегменте – Blueweld Starmig 210 Dual Synergic. Примерная стоимость аппаратов Aurora overman на Яндекс.маркет

Для газовой сварки потребуется наличие кислородного и ацетиленового баллонов с манометрами, гибких шлангов и горелки, позволяющей регулировать пропорциональное соотношение газов. Оборудование альтернативных видов сварки специфично, оно относится к промышленным аппаратам и крайне редко используется в быту.

Способы сварки низкоуглеродистых сталей

Низкоуглеродистые стали относятся к хорошо свариваемым материалам и практически не требуют предварительной подготовки заготовок. Если их толщина не превышает 4 мм, кромкование не проводится, а все предварительные операции ограничиваются очисткой и обезжириванием стыка. В ряде случаев, например, при сварке крупногабаритных изделий, проводится предварительный прогрев в печи до 150-200℃. Другие особенности диктуются конкретным видом сварки.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка проводится покрытым плавящимся электродом с углом наклона в 40-50° в направлении движения инструмента.

Для предотвращения образования закалочных структур рекомендуется выполнять швы каскадом или горкой, что способствует равномерному теплообмену с окружающим металлом и медленному остыванию стыка. Если заготовки уже подвергались закалке, шов наносят послойно, после каждого подхода ожидая полного его остывания.

Особые рекомендации даются в случае устранения трещин, сколов и других дефектов в деталях из низкоуглеродистой стали. В таком случае выбранный тип шва должен обеспечить достаточное заглубление сварочной ванны, что достигается повышением тока или сокращением длины дуги до 1-1,5 мм. Вне зависимости от размера дефекта, длина шва не должна быть меньше 100 мм. При работе с ответственными деталями зону стыка обрабатывают растворами, предотвращающими коррозию.

Дуговая сварка в защитных газах

Роль защитной среды при электродуговой сварке чаще всего играет углекислый газ (MAG-технология). Более эффективную защиту обеспечивает смесь активных газов (не более 30% кислорода) или сочетание углекислого газа с аргоном. Для ответственных соединений зачастую выбирается MIG-сварка, которая предполагает подачу к стыку аргона или гелия.

Самым распространенным присадочным материалом при дуговой сварке низкоуглеродистой стали в защитной среде является проволока Св-08Г2С. Ее подают одновременно с началом сварки, то есть через 5-15 секунд после поступления газа к стыку. Для верхнего положения используется проволока диаметром до 1,2 мм, для нижнего – до 3 мм. Угол ведения материала составляет 30-40°, электрод ведется строго перпендикулярно поверхности.

Сварка под флюсом

Автоматическая и полуавтоматическая сварка низкоуглеродистых сталей проводится под слоем флюса плавящимся прутком СВ-08 (-А, -ГА) диаметром от 1,2 до 3 мм. Роль защитных составов обычно играет смесь АН-348-А или ОСЦ-45.

Обратите внимание, что при сварке без разделывания кромок в зоне шва может повыситься содержание углерода, что повысит прочность соединения, но снизит его пластичные свойства.

Полуавтоматическая сварка малопригодна для создания угловых и сложносоставных соединений низкоуглеродистой стали, так как способствует образованию закалочных структур в околошовной зоне. Частично решить эту проблему позволяет предварительный прогрев заготовок.

Способы сварки среднеуглеродистых сталей

При сварке среднеуглеродистых сталей велик риск образования кристаллизационных трещин и закалочных структур в околошовной зоне, что, в свою очередь, снижает долговечность соединения и негативно влияет на его показатели упругости. Поэтому главными требованиями к сварке такого материала становятся особые щадящие режимы проведения работ, защита шва от образования пор и пузырьков воздуха, снижение содержания углерода в зоне стыка.

Сварка в защитной среде

При соединении заготовок из среднеуглеродистых сталей используется MIG-технология, схожая с технологией сварки низкоуглеродистых сталей. Обязательным условием является предварительный прогрев заготовок до температуры около 200℃. Применяются электроды с низким содержанием карбона и наличием дополнительных микролегирующих элементов: фтора, кальция, марганца и кремния. К ним относятся изделия марок УОНИ-13/45 (-55, -65), УП-1/45, УП-2/45, ОЗС-2, К-5А и другие. Примерная стоимость электродов УОНИ 13/55 на Яндекс.маркет

Диаметр электрода обычно лежит в пределах 2-6 мм и определяется толщиной свариваемых заготовок. От него, в свою очередь, зависит режим сварки. Так, сила тока при сварке 3-миллиметровыми электродами в нижнем положении составляет 80-100 А, диаметру в 4 мм соответствуют значения 130-200 А, 5-миллиметровыми изделиями работают при токе 170-280 А, а 6-миллиметровыми – 210-380 А. Температура прокаливания электродов варьируется в пределах 250-400℃.

Сварка полуавтоматом

Полуавтоматическая сварка среднеуглеродистых сталей требует раздельной структуры шва, то есть его наложения в несколько ванн. При этом рекомендуется работать короткой дугой и полностью исключить любые движения электродом, кроме продольных. Как и в случае с MIG-сваркой, заготовки прогревают до температуры не более 200℃.

Особое внимание уделяется разделыванию кромок на толстых заготовках. Скосы выполняют под углом 35-45°, тщательно зачищают и обезжиривают. Важно обеспечить высокие показатели коррозионной стойкости шва. Для сохранения его упругости принимают меры для медленного и равномерного остывания стыка.

Газовая сварка

Надежным способом соединения среднеуглеродистых сталей является газовая сварка, которая может проводиться даже при низких температурах. Используется «левая» технология со стандартным или слабо науглероживающим пламенем интенсивностью 75-100 куб. м в час. При чрезмерной мощности сваривания велик риск прожогов или нежелательной закалки стыка.

После выполнения газовой сварки заготовок из среднеуглеродистой стали рекомендуется выполнить их отпуск или отжиг. При этом локальный нагрев шва не должен превышать 650℃, а общий нагрев заготовок – 350℃. Альтернативным способом является проковка стыка.

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.

Сварка углеродистых сталей — виды и технологии сварки

Сталь – это сплав железа и углерода, который применяется более чем все другие вместе взятые металлы и их сплавы. Без применения стальных конструкций и деталей немыслимо существование современной техногенной цивилизации.

Особое место в современной промышленности занимает сварка низкоуглеродистых сталей, как самый широко используемый способ соединения. Сталь имеет отличные показатели свариваемости – это обусловило возникновение ряда методов и способов сварных соединений.

Современные технологии позволяют достигать высокого качества сварочных швов. Таким образом, сварные соединения почти вытеснили применяемые раньше – клепанные. Разработаны методы сварки в тяжелых условиях, например, подводная сварка.

• Определение понятия – углеродистая сталь
• Виды и технологии сварки углеродистых сталей

Определение понятия – углеродистая сталь

Если в сплаве вместительность углерода не превышает 2,07%, то такой материал смело можно называть сталью. Все, что превышает процентное соотношение 2,14 – это чугуны. Увеличение процента углерода в сплаве ведет к повышению его твердости и хрупкости.

• Низкоуглеродистые стали содержат до 0,25% углерода.
• Среднеуглеродистые стали содержат от 0,25 до 0,6% углерода.
• Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6 до 2,07% углерода.

Для изготовления инструментальных сплавов повышенной прочности применяют низкоуглеродистые легированные стали. В качестве легирующих добавок служат хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан. Незначительные примеси серы и фосфора, до 0,035%, также повышают характеристики сплавов, высокая чистота стали обозначается буквой «А» в маркировке.

Углерод в составе стали также играет немаловажною роль. Благодаря ему возможна закалка и отпуск, увеличиваются эксплуатационные сроки, повышается твердость. Такие характеристики важны для изготовления деталей повышенной износостойкости шестеренки, звездочки, корпуса, центровые валы, зубчатые колеса.

Наличие разнообразных примесей в сплавах обуславливает применение различных способов и флюсовых добавок при сварке высоколегированных сталей. Но на свариваемость в основном влияет количество углерода. Чем выше его процентное соотношение, тем менее прочным становится сварочный шов.

Виды и технологии сварки углеродистых сталей

Одним из основных критериев для достижения оптимального качества шва является максимальное приближение его физико-химических характеристик к показателям основного сплава. Равнопрочность и однокомпонентность свариваемой стали и присадочных компонентов позволяют получать максимально прочные соединения.

Поскольку качество свариваемости понижается с повышением процента содержания углерода, то основные марки сталей можно разделить на две группы:

• Сплавы с хорошей свариваемостью – Ст10, Ст20, 15ГС, 12МХ, 15ХМ
• Сплавы с удовлетворительной свариваемостью – 15Г2С, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2М1, 12Х2МФСР, 12Х2МФБ.

Для преодоления проблем, возникающих при сваривании стали, были разработаны технологии сварки, позволяющие создавать необходимые условия. Ниже предоставлены основные направления разработок по этой теме.

• Электродуговая сварка

Этот способ предполагает использование электрической дуги для нагрева металла до жидкого состояния. Технология возникла более 100 лет назад и за этот период заняла доминирующее место, почти полностью вытеснив некоторые виды соединений, например, склепывание.

Применение высокотемпературной сварочной дуги значительно сужает необходимую зону прогрева, что сохраняет качество соединяемых деталей. Стабильность горения и быстрота прогрева электрической дуги позволили создать ряд направлений в разработке сварочного оборудования.

• Электродуговая сварка плавящимися электродами(MMA)

Сварка происходит вследствие горения дуги между кончиком электрода и деталью, при этом электрод плавится, заполняя сварочную ванну. Для предотвращения окисления расплавленного металла, электроды покрываются обмазкой, которая при оплавлении покрывает шов защитным слоем шлака. После остывания шлак удаляется отстукиванием.

Сварочные аппараты такого типа успешно работают как от сети 220 Вт, так и от 380 Вт. Низкие требования и компактные размеры современных сварочных аппаратов позволяют их применять от самых труднодоступных мест, на высотных объектах, до применения в быту.

Тип сварочной дуги может быть как постоянным, так и переменным. Аппараты постоянного сварочного тока обладают большим функционалом вследствие более высоких характеристик сварочной дуги.

Для разных типов свариваемого металла применяются электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Главным критерием для подбора марки электродов является образование равнопрочного сварочного шва, без внутренних трещин и хрупких интерметаллических зон.

Для произведения дуговой сварки углеродистых сталей с удовлетворительной свариваемостью, целесообразно применять постоянный сварочный ток.

MMA сварка на данный момент является самым распространенным и часто применяемым видом сварки вообще.

• Электродуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертных газов (TIG)

Нагрев металла при таком способе происходит вследствие горения дуги между вольфрамовым электродом и деталью. Заполнение металлом сварочной ванны происходит благодаря подаче присадочной проволоки непосредственно в зону плавления.

Горелка сварочного аппарата такого типа подает аргон в зону нагрева. Этот инертный газ не только защищает расплавленный металл от окисления, но благодаря ионизирующим способностям приводит к стабильному горению дуги.

Повышенные параметры сварочных характеристик позволяют производить работы, требующие особой прочности и аккуратности. TIG сварка особенно оправдана при использовании для соединения легированных инструментальных сталей.

• Электродуговая полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (MIG-MAG)

Сваривание происходит вследствие горения дуги между подаваемой проволокой и деталью. Проволока подается в автоматическом режиме и является заполнением для сварочной ванны. Горелка устроена таким образом, чтобы подавать защитный или инертный газ в зону плавления.

Полуавтоматическая сварка благодаря высокой производительности и аккуратности сварочных швов прочно заняла свое место в промышленности.

• Электродуговая газо-плазменная сварка

Дуга на кончике вольфрамового электрода ионизирует поток атомов аргона, что образует плазменный факел, плавящий металл. Благодаря эффекту плазмы происходит более глубокое проплавление стали, увеличивается качество и прочность швов.

Оборудование для газо-плазменной сварки обычно производится в промышленном формате. Зачастую, это полностью автоматические комплексы, контролируемые исключительно при помощи программного обеспечения.

• Электрошлаковая сварка

Благодаря этой технологии появилась возможность сваривать толстый металл за один проход, что значительно улучшает качество сварочного шва.

Разогрев металла происходит из-за прохождения электрической дуги через токопроводящий шлак (флюс). В слой шлака вживлены металлические электроды, которые при расплавлении шлака, перенимают токопроводимость на себя, гася тем самым дугу. Последующее бездуговое нагревание происходит исключительно из-за сопротивления металла электрическому току.

Сваривание производят обычно в направлении снизу вверх, ограничивая место сварки медными охлаждаемыми ползунами. Такой способ весьма удобен для заполнения толстых швов нелинейной конфигурации.

Плавление металла производится высокотемпературным факелом сжигаемого горючего газа в среде чистого кислорода. Смешение газов происходит в специальной газопламенной горелке, которая оснащена рукоятками управления интенсивности подачи горючей смеси.

Сварочная ванна заполняется металлом благодаря присадочной проволоке, которая подается в зону плавления.

Для газовой сварки далеко не каждый горючий газ будет приемлемым. Например, пропан имеет примеси, которые окисляют расплавленный метал, шов получается рыхлым и бесформенным.

Технология газовой сварки углеродистых сталей подразумевает использование традиционного ацетилена или более новомодного МАФа.

Недостатком газосварки является ее низкая производительность, повышенные трудозатраты, дороговизна расходных компонентов. Развитие различных технологий электросварки постепенно вытеснило газосварку из повсеместного использования.

Перечисленный ряд способов сварки является наиболее популярным, но далеко не полным. Эта отрасль постоянно развивается. Существуют термитная, электролизерная, лазерная, химическая сварки. Даже способ сваривания трением нашел свое место в определенных отраслях производства. Среднеуглеродистые и низкоуглеродистые марки сталей в обозримом будущем вряд ли утратят свою популярность, скорее наоборот. Так что, развитие перспективных технологий сварки еще надолго останется востребованной отраслью.

Виды углеродистых сталей и их сварка

Самый потребляемый в мире металл – сталь, фактически сталь – это не металл, а сплав железа с углеродом. На данный момент общее количество производимой стали в мире превышает полтора миллиарда тонн в год. Стали подразделяются на углеродистые и легированные, легированные отличаются тем, что в процессе производства в сталь добавляют различные элементы (например никель, для увеличения сопротивления коррозии, марганец для увеличения прочностных характеристик и так далее), придающие ей особые свойства. Углеродистые стали используются чаще всего для сваривания, существуют низкоуглеродистые стали, содержащие менее 0,3 % углерода, они хорошо поддаются любой сварке, среднеуглеродистые с содержанием от 0,3 до 0,6 % поддаются сварочному процессу хуже, зато прочнее, но менее пластичнее, высокоуглеродистые стали самые прочные, но имеют небольшое относительное удлинение, поддаются сварочному процессу хуже всех. Отличаются они по содержанию углерода, а, следовательно, по химическим и физическим свойствам.

Малоуглеродистая сталь и ее свойства

Низкоуглеродистая сталь относится к большой группе конструкционных. Содержание углерода в ней не больше 0,3 %, из-за такого невысокого процентного содержания она имеет следующие свойства:

• Высокая пластичность и упругость;
• Хорошо поддается сварочному процессу;
• Высокая ударная вязкость.

Данная марка нашла широкое применение в строительстве благодаря тому, что она очень легко сваривается, так как в ее структуре очень мало углерода, который плохо влияет на сварочный процесс, так как в металлическом шве могут образовываться хрупкие структуры и пористости, которые затем приводят к поломке. Также из-за высокой мягкости из нее изготавливаются детали методом холодной штамповки.

Сварка углеродистых сталей

Сваривать возможно абсолютно все марки стали. Однако для сварки каждого вида металла существует своя технология. Технология сварки углеродистых сталей должна соответствовать требованиям, которые включают в себя:

• Равномерное распределение прочности шва по всей длине;
• Отсутствие сварных дефектов, швы не должны иметь различных трещин, пор, нарезов и так далее;
• Размеры и геометрическая форма шва должны быть выполнены в соответствие с нормами, прописанными в соответствующем ГОСТе 5264-80;
• Вибрационная устойчивость свариваемой конструкции;
• Использование электродов с пониженным содержанием водорода и углерода, которые могут оказать негативное влияние на качество шва;
• Конструкция должна быть прочной и жесткой.

Таким образом, технология должна быть максимально эффективной, то есть давать наивысшую производительность процесса при обеспечении высокой прочности и надежности.

Механические свойства металла шва и сварного соединения полностью зависят от микроструктуры, которая представляет собой химический состав, а также определяется режимом сварки и термообработкой, которая осуществляется как до, так и после сваривания.

Низкоуглеродсиая сталь: технология сварки

Как уже было сказано выше, низкоуглеродистые стали поддаются сварочному процессу лучше всего. Они могут свариваться с помощью газовой сварки в ацетиленкислородном пламени без дополнительных флюсов. В качестве присадки используются металлические проволоки. Негативно повлиять на сварочный процесс может водород, который способен образовывать поры. Для предотвращения данной проблему рекомендуют проводить сварочный процесс с присадочным металлом, содержащим небольшое количество углерода.

После осуществления процесса сваривания конструкцию необходимо термически обработать, чтобы улучшить механические свойства – пластичность и прочность будут одинаковы. Термическую обработку сварных конструкций проводят операцией нормализации, которая заключается в нагреве изделия до определенной температуры, примерно 400 градусов, выдержке и дальнейшему охлаждению на воздухе. В результате структура уравнивается, углерод в виде цементита в металле диффундирует внутрь зерен, благодаря чему структура становится равномерной.

Газовую сварку проводят в присутствии аргона, который создает нейтральную среду. Конструкции, которые выполняются сваркой в среде аргона имеют более ответственное назначение.

Сварка низкоуглеродистых сталей может проводиться вручную, дуговая сварка такого материала требует правильного выбора электрода. При выборе электрода необходимо учитывать следующие факторы, благодаря которым обеспечиться равномерная структура шва без дефектов. Перед тем как осуществлять процесс сварки необходимо прокалить электроды, чтобы подготовить их к дальнейшей работе, убрать водород. Сварка низкоуглеродистых железных сплавов должна быть точной т быстрой, перед началом процесса нужно подготовить металлические детали.

Сварка среднеуглеродистых

Процедура сварки стальных деталей со средним содержанием углерода, от 0,3 % до 0,55 % сложнее по сравнению с низкоуглеродистым, так как большее количество углерода может негативно повлиять на сварочный шов. Углерод уменьшает предел хладноломкости – то есть разрушении при низких температурах, увеличивает прочность и твердость, однако снижает пластичность шва.

Для сварки применяются электроды с пониженным содержанием углерода, которые обеспечивают прочное соединение.

Сварка высокоуглеродистых сталей

Стали, имеющие высокий процент содержания углерода, от 0,6 % до 0,85 %, очень плохо поддаются сварочному процессу. Газовая сварка применяться в данном случае не может, так как в процессе углерод выгорает в больших количествах и образуются закалочные структуры, которые ухудшают качество шва. Лучше всего в данном случае применять дуговую сварку.

Требования

Во время сварки углеродистых сталей для достижения максимальных параметров необходимо соблюдение следующих требований:

• Сварные электроды и проволока должны иметь низкий процент углерода, чтобы избежать появление ненужных дефектов;
• Необходимо следить, чтобы углерод из металла под действием высокой температуры не переходил в сварной шов, для этого применяется проволока для сварки сталей со средним содержанием углерода и выше, например Forte E71T-1, Барс-71. Данные типы отлично подойдут для сварки сталей с содержанием углерода выше 0,3 %;
• При проведении сварочного процесса следует добавлять флюсы, которые способствуют образованию тугоплавких образований;
• Снижать химическую неоднородность шва путем последующей термической обработки;
• Снижать содержание водорода путем прокалки электродов, использованием электродов с низким содержанием водорода и прочее.

Особенности

Также следует отметить следующие особенности проведения сварки углеродистых сталей:

• Перед проведением данной операции нужно тщательно очищать свариваемый материал от ржавчины, механических неровностей, грязи, окалины. Эти загрязнения способствуют образованию трещин в сварочном шве;
• Охлаждать сварочные конструкции из углеродистых сталей нужно медленно, на воздухе, чтобы структура нормализовалась;
• При проведении сварного процесса для ответственных деталей нужен предварительный подогрев, примерно до 400 градусов, с помощью подогрева обеспечится требуемая прочность шва, также в данном случае сварку можно осуществлять в несколько подходов.

Таким образом, процесс сваривания углеродистых сталей зависит, главным образом, от содержания в них углерода. Поэтому необходимо учитывать, какое содержание и выбирать правильную технологическую схему, чтобы получить высококачественное прочное изделие, которое сможет прослужить долгий срок.