Сварка стали: особенности и технологии

 Сталь считается прочным материалом, который используется в разных сферах.

Из него изготавливают важные конструкции - ограждения, элементы для обшивки зданий, различное оборудование, трубы и другие изделия. Прочность основы обеспечивает содержание в ее составе различных добавок.

Составляющие компоненты оказывают влияние не только на прочность металла, но и на способность к свариванию. Сварка стали может зависеть от разных показателей - от свойств, прочности, дополнительных компонентов. Именно поэтому некоторые виды металла свариваются быстро и легко, а другие наоборот требуют особого подхода.

Влияние легированных примесей на сваривание стали

Сталь для сварочных конструкций может применять различная, но стоит учитывать, что ее свариваемость зависит в первую очередь от наличия в ее составе легированных примесей. Именно химический состав оказывает основное влияние на данный процесс.

Ниже в таблице приведены основные легирующие примеси, которые влияют на степень свариваемости различных видов стали.

Легирующая примесь	Описание
Углерод (С)	Эта самая важная примесь, от которой зависит прочность, эластичность, закаливаемость и другие важные качества металла. Если в состав входит 0,25 % углерода, то это не будет снижать показатели свариваемости. Если же его содержание будет выше данного показателя, то это вызовет появление закалочных структур в металле зоны термического влияния и к появлению трещин.
Сера (S) и фосфор (Р)	Данные компоненты относятся к вредным добавкам. При высоком уровне в составе стали серы происходит появление красных трещин - красноломкость, а при наличии высокого уровня фосфора - хладноломкость. Поэтому низкоуглеродистые стали содержат S и P до 0,4-0,5 %.
Кремний (Si)	Это раскислитель. Его уровень должен быть около 0,3 %, данный показатель не снижает свойства свертываемости. Если кремний будет составлять 0,8-1 %, то могут образоваться тугоплавкие оксиды, которые окажут негативное влияние на свариваемость металла.
Марганец (Mn)	При содержании данного элемента до 1 % сваривание не ухудшается. Если уровень марганца будет составлять от 1,8 до 2,5 %, то могут образовываться закалочные структуры и трещины в металле.
Хром (Cr)	В составе низкоуглеродистых сталей хром содержится в качестве примеси до 0,3 %. В составе низкоуглеродистых сталей - 0,7-3,5 %. В легированных сталях - 12-18 %. А в высоколегированных - 35 %. Во время сварки хром вызывает образование карбидов, которые ухудшают степень стойкости металла к воздействию коррозии. Также данное вещество вызывает образование тугоплавких оксидов, которые ухудшают процесс сварки.
Никель	Компонент имеется в составе в качестве примеси. Его нормальное содержание должно быть 0,3 %. В составе низколегированных сталях возможно повышение до 5 %, а в высоколегированных - до 35 %. Никель повышает уровень прочности и пластичности металла.
Ванадий (V)	В составе легированных сталей уровень компонента достигает 0,2-0,8 %.  Он вызывает увеличение вязкости и пластичности стали, улучшает ее структуру,  повышает степень ее прокаливаемости.
Молибден (Mo)	В сталях его содержание не должно превышать 0,8 %. Если уровень компонента в норме, то он будет положительно влиять на прочностные характеристики металла. Но при сварке происходит выгорание этого компонента, что приводит к появлению трещин в наплавленном металле.
Титан и ниобии (Ti и Nb)	В составе сталей устойчивых к коррозийному поражению, а также в металлах с высокой жаропрочностью содержание данных элементов может составлять 1 %. Они повышают стойкость к коррозийному поражению, но при этом ниобий в сталях с типом 18-8 вызывает образование трещин.
Медь (Сu)	В сталях ее уровень составляет 0,3 %, в низколегированных - от 0,15 до 0,5 %, а в высоколегированных - от 0,8 до 1 %. Повышает устойчивость к коррозийному поражению, но при этом не ухудшает свариваемость.

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 сталей по свариваемости

Сварка стали 45, 40, 20 и других марок в зависимости от важных качеств металлической основы может иметь различные характеристики.

В зависимости от степени свариваемости сталь разделяют на несколько групп:

• хорошая свариваемость, при этом показатель углеродного эквивалента Сэкв. должен быть не меньше 0,25 %, допускается больше. Она не зависит от погодных условий, от размера толщины изделий, наличия подготовительных работ;
• удовлетворительный показатель свариваемости - показатель Сэкв должен быть больше 0,25 %, но не выше 0,35 %. При этом имеются ограничительные нормы к условиям окружающей среды и к размерам диаметра свариваемого изделия. Сварка стали 20 должна проводиться при температуре воздуха до -5 в безветренную погоду, а размер диаметра не должен превышать 20 мм;
• ограниченная. Показатель Сэкв. должен составлять от 0,35 % до ,45 %,  но главное не больше. Чтобы получить шов высокого качество требуется проводить предварительный нагрев. За счет этого получается добиться плавные аустенитные преобразования, а также формирование устойчивых структур;
• плохая свариваемость, при которой показатель Сэкв. составляет больше 0,45 %. Для того чтобы получить качественное и механические устойчивое сварное соединение требуется предварительная температурная подготовка кромок металлической основы. Также после сваривания конструкцию следует термически обрабатывать. Для получения требуемой микроструктуры во время сварки стали 40 должны выполняться дополнительные подогревы и охлаждения.

Особенности сварки низкоуглеродистых сталей

Металлы низкоуглеродистого типа имеют в своем составе 0,25 % углерода. Этот показатель обеспечивает положительные особенности основы:

• хорошая упругость;
• высокие свойства пластичности;
• значительная ударная вязкость;
• основа идеально подходит для сваривания.

Применяют низкоуглеродистую сталь для сварных конструкций. Также используют при изготовлении изделий методом холодного штампования.

Как сваривается низкоуглеродистая сталь

Технология сварки низкоуглеродистых сталей проводится с помощью ручного дугового сваривания с использованием электродов с обмазыванием. Обязательно запомните несколько нюансов:

• в первую очередь требуется выбрать марку электродов. За счет этого обеспечивается равномерная структура наплавленного металла;
• сваривание должно выполняться в быстром и точном режиме;
• перед тем как начинать рабочий процесс требуется заранее подготовить детали, которые нужно будет соединять.

Технология сварки углеродистых сталей может производиться газовым свариванием. К важным особенностям относят:

• при этом процесс проводится без использования дополнительных флюсов;
• для присадочной основы стоит использовать металлическую проволоку с низким уровнем углерода;
• при правильном выполнении сваривании предотвращается образование пор;
• изделия важного значения нужно сваривать аргоном.

Как сваривание будет выполнено, готовое изделие обязательно подвергают термической обработке при помощи метода нормализации. Во время данного процесса изделие нагревается до 4000С, затем охлаждается и выдерживается на открытом воздухе. Данная процедура делает структуру изделия равномерной.

Главные особенности

Сварка стали 30 с низкоуглеродистой основой обладает несколькими важными особенностями, на которые стоит обратить внимание:

• качественное сваривание конструкций из данного материала обеспечивает равнопрочность сварного соединения с основным металлом. Также оно защищает от образования дефектов;
• металлическая основа соединения имеет в составе низкое содержание углерода, но при этом показатели таких компонентов, как кремний и марганец повышены;
• во время ручной дуговой сварке околошовная зона может подвергаться перегреванию. Это способствует небольшому упрочнению шва;
• шов, который выполняется при помощи многослойной сварки, имеет повышенную хрупкость;
• в связи с тем, что в швах имеется низкий уровень углерода, они обладают повышенной стойкостью к воздействию межкристаллическому коррозийному поражению.

Разновидности сварки для низкоуглеродистой стали

Сварка низкоуглеродистых сталей может производиться при помощи нескольких методов. При этом каждый из них имеет важные особенности, которые обязательно нужно учитывать во время сваривания.

Вид	Характеристика
Ручное дуговое сваривание электродами с покрытием	Чтобы точно выбрать расходный материал для сваривания этим методом, требуется учитывать несколько важных условий - готовый сварной шов должен быть без повреждений, равномерная прочность соединения, оптимальный химический состав металлической основы шва, стойкость соединения при ударах. Сварка стали 45 и других марок выполняется электродом. При этом могут использоваться различные марки электродов.
Газовая	Процесс производится в защитной аргоновой среде. Дополнительно в качестве присадочной основы используется проволока из металлической основы.
Электрошлаковая	Во время нее применяются флюсы. Электроды из проволочной и пластинчатой основы выбираются в зависимости от главного сплава.
Автоматическое и полуавтоматическое сваривание	Процесс сваривания производится в защитной среде. Во время него может применяться аргон или гелий в чистом виде, но в основном углекислый газ.
Автоматическая под флюсом	Сваривание выполняется с использованием электродной проволоки в диаметре от 3 до 5 мм. Сварка 45 стали (20, 30, 40 и других марок) полуавтоматом - 1,2-2 мм. Сваривание происходит за счет электрического тока с обратной полярностью.
Сваривание с применением порошковых проволок	Оно считается самым подходящим. Сила тока обычно находиться в пределах от 200 до 600 А.

Сварка среднеуглеродистой стали

Металлы со средним содержанием углерода обычно применяют при производстве изделий с высокими механическими качествами. Сплавы подходят для ковки. Также их часто используют для конструкций, которые производятся при помощи холодного пластического деформирования.

Стали, которые содержат в составе углерод от 0,4 до 0,6 %, часто применяются в машиностроительной сфере. Из них можно делать колеса и оси вагонов, рельсы железных дорог.

Как выполняется

Технология сварки среднеуглеродистых сталей протекает не так просто. Все дело в некоторых сложностях:

• у главного и наплавляемого металла отсутствует равная прочность;
• имеется повышенный риск появления больших трещин и непластичных структур рядом с соединением;
• низкая устойчивость к образованию коррозии.

Но если выполнять важные рекомендации, то всех этих проблем можно избежать:

• сварка 30хгса стали должна проводиться электродами и проволокой с низким уровнем углерода;
• сварочные стержни должны иметь повышенный показатель коэффициента наплавления;
• чтобы обеспечить небольшую степень проплавления главного металла рекомендуется делать разделение кромок, установку подходящего режима сваривания, а также применять проволоку присадочного типа;
• сварка стали 35хгса обязательно должна быть с предварительным прогреванием заготовок. Также они должны прогреваться и в процессе сваривания для обеспечения равномерной прочности сварных швов.

Виды сварки среднеуглеродистой стали

Сварка стальных труб из металла со средним содержанием углерода и других изделий является сложной процедурой. Сваривание данного материала может производиться несколькими способами. При этом каждый из них отличается как процессом работы, так и готовым результатом.

Сталь под маркой 35 хгса имеет среднее содержание углерода, ее сварка обычно производиться ручным дуговым свариванием с электродами. Но при этом они должны иметь в своем составе небольшой уровень углерода, наиболее подходящими считаются расходники следующих марок - УОНИ-13/55, УОНИ-13/65, ОЗС-2, К-5а.

Технология газовой сварки среднеуглеродистых сталей имеющих тонколистный формат производится левым способом с применением проволоки. Также обязательно применяется нормальное сварочное пламя, которое позволяет снизить расход газа в среднем до 75-100 дм3 в 1 час. В среднем показатель расхода ацетилена составляет 120-150 л/ч на 1 мм толщины свариваемого сплава.

Изделия с толстыми стенками с размером толщины от 3 мм и больше нужно сваривать правым способом газовой сварки. Этот вариант имеет высокую производительность. При этом расчет ацетилена такой же, как и при левом способе сварки - 120-150 л/ч. Общий подогрев должен доходить до 250-300 градусов, а местный до 600-650 градусов.

Сварка стали 35, 20, 40, 45 и других марок под флюсом сопровождается использованием проволоки для сварочных работ и плавленых флюсов. При сваривании оказывается небольшое воздействие тока. Это повышает содержание в наплавляемой металлической основе кремния и марганца.

Сварка высокоуглеродистой стали

Из высокоуглеродистого металла не производятся сварные изделия. Дело в том, что данный материал обладает низким уровнем пластичности, именно это свойство ограничивает использование металла.

Высокоуглеродистую сталь применяют в следующих целях:

• во время проведения ремонтов и строительства;
• для изготовления пружин;
• для производства инструментов и изделий, которые используются для резки, бурения, деревообработки;
• из металла производится проволока с высокой прочностью;
• конструкции, которые имеют высокую износостойкость и прочность.

Как выполняется

Сварка высокоуглеродистых сталей выполняется обычно с использованием предварительного и сопутствующего прогрева наплавляемого металла до 150-4000С. Также после сваривания дополнительно для улучшения прочности проводится термообработка.

Это нужно потому, что сплавы из материала имеют высокую хрупкость, повышенную чувствительность к трещинам с горячей и холодной структурой, а также из-за химической неоднородности сварного соединения.

Технология сварки высокоуглеродистых сталей выполняется с учетом следующих рекомендаций:

• после прогрева выполняется отжиг. Он выполняется, пока конструкция не остынет до 2000С;
• сварка 40х, 20х, 30х не должна выполняться на сквозняках, а также при показателе температуры ниже -50С;
• чтобы повысить свойства прочности шва нужно производить плавный переход от одного к другому свариваемому металлу;
• чтобы получить качественное соединение стоит при сваривании использовать узкие валики. При этом должно выполняться охлаждение каждого наплавляемого слоя;
• обязательно должны выполняться правила, которые относятся к соединениям из среднеуглеродистой основы.

Виды сварки

Процесс сварки высокоуглеродистых сталей может выполняться несколькими способами, которые могут отличаться некоторыми особенностями:  

• ручная дуговая сварка с использованием покрытых электродов. Рабочий процесс высокоуглеродистыми сталями имеет множество специфических характеристик. По этой причине сварка стали 40х, 30х, 45х и других марок должна проводиться с использованием специальных электродов, к примеру,  НР-70. А сваривание швов производится током с обратной полярностью;
• для соединения металла данного вида может применяться сварка под флюсом. В связи с тем, что в ручном режиме равномерно покрыть флюсом рабочую область очень тяжело, поэтому сварка проводится с использованием автоматической технологии. При расплавлении флюс переходит в состояние плотной оболочки, которая защищает сварочную ванну от воздействия вредных атмосферных факторов. Сварка стали 30хгса с использованием флюса производится при помощи трансформаторов.

Разновидности нержавеющей стали

Сварка разнородных сталей нержавеющей и обычной зависит не только от свойств материала, но и от его вида. По этой причине чтобы выбрать подходящий способ сваривания стоит сначала определить видовую принадлежность стали.

По главным свойствам нержавеющая сталь классифицируется на следующие виды:

• аустенитная;
• мартенситная;
• ферритная.

В составе аустенитных имеется высокое содержание никеля и хрома. Применяются нержавеющие стали для изготовления сварных конструкций, для производства посуды, архитектурных компонентов, дымоходов, столовых принадлежностей. Сталь этого вида обладает высокой пластичностью, химической стойкостью и устойчивостью к механическим повреждениям.

В мартенситные стали входит низкий уровень углерода и хрома до 12 %. Металлы данной разновидности обладают высокой хрупкостью, но очень твердые. Из них производят режущие приспособления, бытовые изделия, турбины, крепежные элементы, которые используются в среде со слабым уровнем агрессивности.

В состав ферритных сталей входит средний уровень хрома. Они не закаляются и имеют повышенную устойчивость к агрессивным средам. Их в основном используют в машиностроительной сфере для производства втулок, валов, штуцеров.

Виды сварки нержавеющей стали

Сварка мартенситно, ферритных и аустенитных сталей выполняется практически всеми известными и распространенными способами сваривания. К наиболее популярным методам относят:

• ручная дуговая MMA;
• вольфрамовым электродом в атмосфере аргона TIG;
• при помощи полуавтоматических технологий сваривания в инертной атмосфере - MIG/MAG, лазером.

Сварка аустенитных сталей и других разновидностей нержавеющего металла обычно выполняется осторожно, во время нее следует учитывать сложный химический состав и физические свойства металла. К главным качествам, которые затрудняют процесс сварки, относятся:

• при сваривании нержавеющих сталей температура должна быть ниже, в отличие от сварки углеродистых металлов;
• сварка разнородных сталей сопровождается высоким тепловым расширением;
• низкий уровень теплопроводности.

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.

Интересное видео