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

В углеродистых конструкционных сталях углерод основной легирующий элемент. От количества содержания этого элемента зависят механические свойства сталей. Низкоуглеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества и качественные.

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».

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.

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

Подготовку и сборку под сварку осуществляют в зависимости от типа сварочного соединения, способа сварки и толщины металла. Для выдерживания зазора между кромок и правильного положения деталей используют специально созданные сборочные приспособления или универсальные приспособления (подходят для многих простых деталей). Сборку могут выполнять с использованием прихваток, размеры которых зависят от толщины свариваемого металла. Прихватка может быть длиной 20-120 мм, а расстояние между ними 500-800 мм. Сечение прихватки равно примерно трети шва, но не более 25-30 мм2. Прихватки можно выполнять ручной дуговой сваркой или механизированной сваркой в защитных газах. Прежде чем переходить к сварке конструкции прихватки зачищают, осматривают и при наличии них дефектов вырубают или удаляют другими методами. Во время сварки прихватки полностью переплавляют из-за возможного возникновения в них трещин как результат быстрого теплоотвода. Перед электрошлаковой сваркой детали размещают с зазором, который постепенно увеличивается к концу шва. Фиксация деталей для сохранения их взаимоположения выполняется с помощью скоб. Скобы должны быть на расстоянии 500-1000 мм. Удалять их необходимо по мере наложения шва.

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.

Подробнее о режимах и технике ручной дуговой сварке можете прочитать здесь:

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.