Какое содержание углерода обеспечивает хорошую свариваемость — Справочник металлиста
Свариваемость — способность металла к образованию качественных сварных соединений, удовлетворяющих эксплуатационные требования к ним.
Возможности и условия образования качественного сварного соединения определяются многими факторами, важнейшими из которых являются:
- характеристики и свойства свариваемых металлов;
- выбор электродного и присадочного металла;
- режимы сваривания;
- температура нагревания и т. д.
На свариваемость существенно влияет химический состав стали, в частности, содержание углерода и легирующих элементов. Воздействие отдельных элементов проявляется по-разному – особенно в соединении с углеродом.
Среди главных характеристик свариваемости сталей стоит выделить склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения. Их можно определить путем сваривания контрольных образцов.
Формула определения свариваемости стали
Если известен химический состав стали, можно определить ее свариваемость по эквивалентному содержанию углерода. Для этого используют формулу:
С экв. = С + Mn/20 + Ni/15 + (Cr + Mo + V)/10.
Цифры в этой формуле – это постоянные величины, а символы каждого из химических элементов обозначают максимальное включение его в сталь определенной марки, выражаемое в процентах.
Эквивалентное содержание углерода, полученное по этой формуле, является указанием на свариваемость сталей, которые можно условно разделить на четыре группы:
- хорошо свариваемые (Сэкв не превышает 0,25%);
- удовлетворительно свариваемые (Сэкв = 0,25% — 0,35%);
- ограниченно свариваемые (Сэкв = 0,35 – 0,45%);
- плохо свариваемые (Сэкв превышает 0,45%).
О хорошей свариваемости низкоуглеродистых сталей можно судить по прочному сварному соединению с основным металлом без трещин и снижения пластичности в околошовной зоне.
Свариваемость легированных сталей оценивается по возможности получения соединений, устойчивых к образованию трещин и закаленных структур, а также по снижению прочности, коррозии и так далее.
Характеристикой свариваемости термически упроченных сталей является склонность к снижению прочности в зоне термического воздействия при температуре 400-720º C, в зависимости от температуры отпуска стали при ее изготовлении на заводе. Таким образом, изготовление прочной сварной конструкции возможно только при условии детального изучения и учета свариваемости стали.
Методы сваривания низкоуглеродистых сталей
Сплавы этой группы характеризуются хорошей свариваемостью.
К подготовке предъявляются минимальные требования:
- В большинстве случаев необходимо только снять окисленный слой и обезжирить. Некоторые электроды, например МР-3, хорошо варят даже по ржавчине.
- При толщине более 4 мм выполняют разделку кромок.
- Крупногабаритные заготовки предварительно прогревают до +150…+200°С.
Технология сварки низкоуглеродистой стали.
Ручная дуговая сварка
Используют плавящиеся расходники с рутиловым (в большинстве случаев) или основным покрытием.
Марки для малоответственных конструкций:
- АНО-3, АНО-4, АНО-5.
- ОЗС-3.
- ОММ-5.
- ЦМ-7.
Расходники для ответственных конструкций:
- АНО-1, АНО-7.
- ВСП-1.
- ВСЦ-2.
- ДСК-50.
- МР-1, МР-3.
- УОНИ-13/45.
Техника выполнения работ:
- Расходник держат с наклоном в сторону движения под углом 40-50° к линии шва.
- Длина дуги не должна превышать 2 мм.
- Скорость перемещения подбирают опытным путем с таким расчетом, чтобы металл плавился на нужную глубину, но сварочная ванна не была чрезмерно большой.
Технология ручной дуговой сварки.
В среде защитных газов
Используют тугоплавкий электрод. Для защиты шва от контакта с атмосферным воздухом в зону сварки подают углекислый газ (наиболее распространенный вариант), аргон или гелий (для ответственных конструкций).
Присадочным материалом служит проволока Св-08Г2С.
Диаметр зависит от пространственного положения:
- нижнее – до 3 мм;
- верхнее – до 1,2 мм.
Проволока выполняет ту же функцию, что и стержень плавящегося расходника – служит источником дополнительного материала для заполнения шва.
Рекомендуем к прочтению Как правильно варить цветмет
Сварку начинают в следующей последовательности:
- Открывают подачу газа.
- Через 5-15 секунд разжигают дугу и одновременно подводят к стыку присадочный материал.
- Проволоку удерживают под углом 30-40° к линии стыка, электрод – перпендикулярно.
Осуществляется с применением углекислого газа или его смесей в качестве защитного газа.
Сваривание под флюсом
В работе с малоуглеродистой сталью используют флюсы:
- ФЦ-1;
- АН-2;
- АН-348-А;
- ОСЦ-45;
- АН-8М.
Марка присадочной проволоки зависит от вида стали. Например, для кипящих используют Св-08А, для Ст3пс – Св-08Га, Св-10Г2, Св-08ГС.
Диаметр проволоки зависит от вида оборудования:
- полуавтомат – 1,2-2 мм;
- автомат – 3-5 мм.
Если на оборудовании первого типа варить сложносоставные и угловые стыки, возникает большая вероятность появления хрупких закалочных структур вблизи шва. Во избежание этого детали подвергают предварительному нагреву.
Устанавливают наименьшую силу тока из рекомендуемого диапазона, что обеспечит интенсивный переход марганца и кремния из флюса в шов.
Пример автоматической сварки под защитным слоем флюса.
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.
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.
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.
Сварка жаропрочных сталей
Сварка жаропрочных сталей обычно выполняется при помощи дугового сваривания с использованием вольфрамового электрода. Весь процесс обычно проходит в среде защитных газов — аргона или гелия.
Сварка стали 15х5м и больших размеров может протекать при помощи аргонодугового сваривания с применением неплавящихся или плавящихся электродов или при помощи автоматической сварки под флюсом.
Аргоновая сварка стали 20х, 30х, 40х по сравнению со свариванием в гелиевой защитной среде сопровождается меньшим расходом газа, небольшим напряжением дуги и высоким сварочным током. По этой причине она является наиболее востребованной.
Сварка жаропрочной стали 40х, 20х, 30х, технология которой требует соединение металла в состоянии после закаливания, имеет несколько особенностей. Во время процесса сваривания металл прогревается до 1050-1100 градусов и после этого резко охлаждается.
Сварка стальных трубопроводов из любого вида металла (низкоуглеродистого, среднеуглеродистого, нержавеющего, жаропрочного) может выполняться разными способами. Самыми популярными являются ручное дуговое, автоматическое, газовое сваривание. Но в любом случае, прежде чем будет проведена сварка стали 30хгса и других марок, технология должна быть полностью изучена.
Понятие о свариваемости материалов
Свариваемость это свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, конструкции и эксплуатации изделия.
Различают физическую и технологическую свариваемость.
Физическая свариваемость – свойство материалов образовывать монолитное соединение с межатомной связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.
Технологическая свариваемость это характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами.
Технологическая свариваемость зависит от физических и химических свойств материала, его кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и пр.
Основные критерии технологической свариваемости являются:
— окисляемость металла при сварочном нагреве
— сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин
— чувствительность металла к тепловому воздействию, характеризующаяся склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств
— чувствительность к преобразованию
— соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным свойствам
— обеспечение качества формирования сварного шва
— удовлетворение требованиям минимальных (допустимых) напряжений и деформаций.
Свариваемость сталей зависит от степени легирования, структуры содержания примесей. Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда лигирующих элементов свариваемость сталей ухудшается.
Чем выше содержание углерода в стали, тем выше опасность образования холодных и горячих трещин. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле Сефериана
, (1)
где — содержание углерода и легирующих элементов дается в процентах. Рассчитанные значения химического эквивалента углерода для углеродистых и низколегированных сталей перлитного класса позволяют классифицировать их по свариваемости в зависимости от химического состава на: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.
На количественное значение эквивалента углерода для каждой группы свариваемости существенное влияние оказывает толщина свариваемой стали, определяемая размерным эквивалентом углерода.
Размерный эквивалент углерода Ср равен
р=0,005Sх , (2)
где S – толщина свариваемой стали в мм, 0,005 – коэффициент толщины, определенный экспериментально.
Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода, легированные Cr, Mn, Ni и другими элементами склонны при сварке к образованию в зоне термического влияния неравновесной мартенситной структуры, интенсивность образования которой возрастает с увеличением содержания углерода и легирующих элементов. На образование закалочных структур в околошовной зоне влияют также выбранные режимы сварки, так как они определяют температуру нагрева и скорость охлаждения. Для снижения интенсивности образования мартенситных прослоек в зоне термического влияния, которые могут привести к образованию холодных трещин требуется применение специальных технологических мер. Наиболее эффективными из которых является снижение скорости охлаждения околошовной зоны путем предварительного подогрева. При выборе температуры предварительного подогрева закаливающихся сталей следует учитывать, что недостаточный подогрев приводит к повышению вероятности появления холодных трещин, а излишне высокий снижает пластичность и особенно ударную вязкость стали вследствие чрезмерного роста зерен аустенита (Ас3 + 100°С).
Определение необходимой температуры предварительного подогрева производится с учетом полного эквивалента углерода
= х + р = х (1 + 0,005S). (3)
Температура предварительного подогрева ровна
Тп = 350 , (4)
где 350 – температура в градусах Цельсия, принятая как наиболее характерная для конструкционных и теплоустойчивых сталей;
–полный эквивалент углерода;
0,25 – определенное содержание углерода, при котором углеродистые стали не закаливаются и не возникает трещин в зоне термического влияния сварного соединения.
В некоторых случаях размерный коэффициент не учитывают. При этом эквивалент углерода определяют по выраженению .
. (5)
Температура предварительного подогрева в этом случае определяется по графику (рис.1).
|
|
Рис.1 Зависимость температуры предварительного подогрева от эквивалента углерода в стали
1 Главные особенности сварки углеродистой стали
К углеродистым относят стали с содержанием углерода от 0,1 до 2,07 %. Сплавы, в которых данный элемент содержится в количестве 0,6–2,07 %, называют высокоуглеродистыми, 0,25–0,6 % – среднеуглеродистыми, менее 0,25 % – низкоуглеродистыми. Технология сварки для каждой из этих групп легированных сталей своя. При этом есть и общие рекомендации, коих следует придерживаться, осуществляя сварку изделий из сплавов, включающих в свой состав на правах главного легирующего элемента углерод. О них мы и поговорим.
Стыковые швы, соединяемые полуавтоматами при помощи порошковых проволок и в защитной атмосфере, электродами покрытого вида (вручную), а также с применением газосварки, в большинстве случаев сваривают на весу. Если же используется автоматическое оборудование, необходимо применять такие методики, которые, во-первых, гарантируют достаточный провар корня шва, а во-вторых, исключают вероятность образования прожогов.
Для разных методов сварки имеются собственные стандарты, которые описывают требования к параметрам швов и процессу подготовки кромок соединяемых деталей. Сварные конструкции с целью надежной фиксации между собой компонентов, входящих в них, рекомендовано собирать, используя специальные прихватки либо сборочные приспособления.
Прихватки, как правило, применяют при полуавтоматическом процессе в углекислом газе либо при использовании покрытых электродов для легированных углеродистых сталей. Толщина металла определяет длину указанных прихваток, а площадь их сечения обычно составляет порядка 2,5–3 сантиметров (до трети площади сечения получающегося сварного шва). Желательно производить их накладку с той стороны, которая является обратной по отношению к однопроходному главному шву. В тех случаях, когда речь идет о многопроходных швах, прихватки накладывают с обратной стороны по отношению к самому первому слою.
Перед началом сварки прихватки в обязательном порядке следует скрупулезно зачистить и провести их визуальный осмотр. Если при таком осмотре обнаруживают трещины, их обязательно удаляют. Еще один момент – необходимо добиваться полного переплавления используемых прихваток. В противном случае из-за повышенной скорости отвода тепла на них могут возникать трещины, которые ухудшают свариваемость и делают весь процесс сварки некачественным.
Электродуговая сварка углеродистых сплавов демонстрирует высокую эффективность при наложении нескольких швов и при сваривании изделий в двух сторон. Многослойная сварка рекомендована для деталей, имеющих большую толщину, а также для конструкций, работающих в ответственных условиях. Если после процесса в швах обнаруживаются подрезы, трещины, поры, непровары и прочие дефекты, следует:
- механически удалить металл в «опасном» месте;
- выполнить зачистку зоны дефекта;
- произвести подваривание зачищенной области.
При использовании электрошлакового способа сварки изделия нужно монтировать с некоторым зазором, который к концу должен иметь небольшое расширение. Фиксация взаимного расположения элементов свариваемой конструкции производится при помощи скоб (дистанция между ними – от 50 до 100 сантиметров). Кроме того, при электрошлаковом процессе и при дуговой автоматической сварке на шве (в начале и в конце) монтируют планки, которые облегчают процедуру и обеспечивают заданные параметры шва.
Технологии и оборудование сварки низкоуглеродистых сталей
Стали с низким содержанием углерода относятся к хорошо свариваемым. Однако сварка низкоуглеродистых сталей должна соответствовать ряду требований. Соединение должно быть равнопрочным основному металлу, а дефекты шва должны полностью отсутствовать. Для достижения этой цели применяются различные технологические ухищрения.
Перед тем как приступить непосредственно к сварке деталей необходимо стальной щеткой зачистить поверхность кромок.
Подготовка деталей
При сварке низколегированных малоуглеродистых сталей сформировать качественный сварной шов можно несколькими способами. Чаще всего применяются следующие методы:
- газовая сварка;
- РДС электродами с любым покрытием;
- сварка в среде углекислого газа плавящимся электродом;
- АСФ;
- сварка порошковой проволокой.
Независимо от способа, соединяемые части должны быть установлены специальное сборочное оборудование для надежной фиксации. При использовании дуговых способов свариваемые изделия можно предварительно прихватить покрытым электродом или полуавтоматическим способом в среде защитного углекислого газа. Длина прихваток выбирается исходя из толщины металла. Площадь сечения прихваток должна составлять около трети площади сечения шва, но не должна превышать 30 мм2.
Схема аргонной сварки фольфрамовыми электродами.
Качество прихваток в данном случае играет большую роль, поэтому перед выполнением процедуры их необходимо проверить на наличие дефектов. Если в прихватке обнаруживается трещина, ее необходимо удалить и нанести заново. Для выполнения электрошлаковой сварки деталей между ними следует расположить зазор с расширением к концу шва. Детали фиксируются скобами, которые удаляются по мере формирования валика. Перед АСФ по концам шва необходимо расположить выводные рамки для того, чтобы избежать недостаточного провара вначале и обеспечить вывод кратера в конце шва.
Газовая, ручная дуговая и полуавтоматическая сварка обычно выполняется на весу. При АСФ отсутствие дефектов шва обеспечивается правильным выбором режима сварки. Также свариваемые кромки нужно очистить от разного рода загрязнений.
При дуговой сварке ответственных конструкций следует накладывать швы с 2 сторон. При большой толщине металла желательно накладывать несколько швов. Таким образом можно достичь оптимального состава металла шва. Если в сварочном соединении появились какие-либо дефекты, металл на этом участке следует удалить, очистить и подварить.
РДС покрытыми электродами
РДС низкоуглеродистых сталей выполняется электродами групп Э38, Э42 и Э46 с любым покрытием. Диаметр электрода и параметры сварки подбираются исходя из толщины свариваемых фрагментов. Оптимальными марками электродов являются УОНИ-13/45, СМ-5, МР-3 (для ответственных конструкций), АНО-1, АНО-2 и др.
Схема покрытого электрода.
При РДС наименьшие напряжения и деформации получаются в нижнем пространственном положении. Поэтому все угловые и тавровые соединения лучше приводить в нижнее положение с помощью сборочных приспособлений.
Сварка газом – далеко не лучший способ соединения низкоуглеродистых сталей, но вполне может применяться. Процесс соединения осуществляется нормальным пламенем без использования флюсов присадочными проволоками СВ-08 с пониженным содержанием углерода во избежание окисления зоны сварки. Варить можно правым и левым способами. В первом случае мощность пламени должна составлять 120-150 л/мм, во втором – 100-130 л/мм. При газовой сварке невозможно достичь оптимальных механических свойств сварного шва, но их можно улучшить посредством нормализации, отжига или горячей проковки.
Полуавтоматическая и автоматическая сварка
Технология сварки низколегированных сталей полуавтоматом не позволяет получить шов, механические характеристики которого соответствуют параметрам основного металла. Это обусловлено тем, что процесс происходит без присадочного прутка, поэтому содержание марганца и силиция в металле шва очень незначительное. Для ответственных деталей лучше применять чистый аргон или гелий, в других случаях используется углекислый газ.
Полуавтоматический и автоматический способы сварки низкоуглеродистых сталей ведется в нижнем пространственном положении сварочными проволоками Св-08Г2С или Св-08ГС. Для многослойных швов ответственных конструкций используется проволока 12ГС. Если конструкция будет работать в условия коррозионного изнашивания, следует использовать проволоку Св-08ХГ2С. Хром, содержащийся в ней, придает металлу шва коррозионную стойкость, препятствуя интенсивному изнашиванию детали в воде.
Факторы, определяющие свертываемость стали
Сварка углеродистых сталей зависит от содержания примесей, и от других свойств. Обычно оценивание сваривания проводится по показателям содержания основного вещества — углеродного эквивалента Сэкв. Это условный коэффициент, который позволят учитывать степень воздействия содержания карбона и главные легирующие компоненты на характеристики шва.
Степень сваривания стали для изготовления сварных конструкций может зависеть от следующих факторов:
- показатель содержания углерода;
- присутствие вредных примесей;
- степень легирования;
- вид микроструктуры;
- условия внешней среды;
- уровень толщины металлической основы.
Классификация свариваемости сталей
Сталь – основной конструкционный материал, который представляет собой сплав железа с углеродом и разными примесями. Все элементы, которые входят в состав стальных изделий, оказывают влияние на ее характеристики (в частности, на свариваемость сталей).
Основные критерии, устанавливающие свариваемость
Главным показателем свариваемости является углеродный эквивалент, который обозначается, как Сэкв. Данный условный коэффициент учитывает уровень воздействия на свойства сварного шва карбона, легирующих компонентов.
Факторы, влияющие на свариваемость сталей:
- Толщина металлического образца
- Объем вредных примесей
- Условия окружающей среды
- Вместимость углерода
- Уровень легирования
- Микроструктура
Основным параметром для информации является химический состав материала.
Как влияют на свариваемость легирующие примеси?
Влияние главных легирующих элементов на свариваемость стали
Фосфор, сера – вредоносные примеси. данных химических элементов для низкоуглеродистых сталей 0,4-0,5%.
Углерод – важный компонент в составе сплавов, который определяет такие показатели, как закаливаемость, пластичность, прочность, другие свойства материала. углерода в пределах 0,25% не воздействует на качество сварки. Наличие более 0,25% данного хим. элемента способствует формированию закалочных соединений, зоны термического влияния, образуются трещины.
Медь. меди как примеси не более 0,3%, как добавки для низколегированных сталей – пределах 0,15-0,50%, как легирующего компонента – не более одного процента. Медь улучшает коррозионную стойкость металла, при этом не ухудшает показатели качества сваривания.
Марганец. марганца до одного процента не затрудняет сварочный процесс. Если марганца 1,8-2,5%, то не исключается образование закалочных структур, трещин, зоны термического влияния.
Кремний. Этот химический элемент присутствует в металле как примесь — 0,30 процентов. Такое количество кремния не влияет на показатель качества соединения металлов. При наличии кремния в пределах 0,8-1,5%, он выступает легирующим компонентом. В данном случае существует вероятность формирования тугоплавких оксидов, ухудшающих качество соединения металлов.
Никель, как и хром, присутствует в низкоуглеродистых сталях, его содержание составляет до 0,3%. В низколегированных металлах никеля может быть около 5%, высоколегированных – порядка 35 процентов. Химический компонент повышает пластичность, прочностные характеристики металла, повышает качество сварных соединений.
Хром. Количество данного компонента в низкоуглеродистых сталях ограничено до 0,3 процентов, его содержание в низколегированных металлах может быть в пределах 0,7-3,5%, легированных – 12-18 процентов, высоколегированных примерно 35%. В момент сваривания хром способствует формированию карбидов, значительно ухудшающих коррозионную устойчивость металла. Хром способствует формированию тугоплавких оксидов, которые негативно влияют на качество сварки.
Молибден. Наличие этого химического элемента в металле ограничено 0,8 процентами. Такое количество молибдена позитивно сказывается на прочностных характеристиках сплава, но в процессе сварки элемент выгорает, в результате чего на наплавленном участке изделия формируются трещины.
Ванадий. этого элемент в легированных сталях может составлять от 0,2 до 0,8 процентов. Ванадий способствует повышению пластичности, вязкости металла, улучшает его структуру, повышает показатель прокаливаемости.
Ниобий, титан. Данные химические компоненты содержатся в жаропрочных, коррозионно-стойких металлах, их концентрация составляет не более одного процента. Ниобий и титан понижают показатель чувствительности металлического сплава к межкристаллитной коррозии.
Итог
Свариваемость стали считается сравнительным показателем, зависящим от химического состава, физических характеристик, микроструктуры материала. При этом способность создавать высококачественные сварные соединения может корректироваться благодаря продуманному технологическому подходу, выполнения требований, предъявляемых к сварке, наличия современного спецоборудования.
Сергей Одинцов
