Технология сварки стали: нюансы и особенности

Технологии сварки различных видов стали предполагают применение разного оборудования, условий и расходных материалов. От правильного выбора этих составляющих зависит, насколько качественно будет произведена сварка.

К примеру, технология сварки стали с низким содержанием углерода предполагает использование инвертора и специальных электродов, в то время как для легированной стали используется газ. Но обо всем по порядку.

Технология сварки стали с низким содержанием углерода

В составе инструментальной стали присутствует до 1 % углерода, что определяет ее твердость и прочность. В то же время износостойкость металла достаточно низкая, поэтому из него изготавливают только инструменты. А невысокая закупочная цена обеспечивает прибыльность производства.

Технология сварки стали этого типа предполагает использование инвертора и специально предназначенного электрода. Для обработки подходят стержни УОНИ-13/НЖ/20Х13 и сварочный инвертор.

Технология сварки разных типов конструкционной стали

Более востребованной является конструкционная сталь, она используется для производства как мелких металлических деталей, так и габаритных станков. В эту категорию входят стали таких марок, как 40х, 30хгса, 35хгса и др.

В составе конструкционной стали присутствуют различные примеси, включая серу и фосфор. Большее количество этих компонентов уменьшает надежность материала.

В последней группе присутствует минимальное количество примесей, поэтому сталь является наиболее прочной и качественной. Обычная конструкционная сталь, напротив, содержит высокий процент примесей, поэтому долговечностью не отличается. В названных группах существует деление на подгруппы в зависимости от присутствия в составе дополнительных химических элементов.

Поскольку конструкционная сталь зачастую отличается хрупкостью, ее используют для производства изделий, не подверженных в процессе работы существенному механическому воздействию.

Для придания металлу пластичности и снятия излишнего напряжения заготовки прокаливают в печи. Технология сварки стали этого типа предполагает использование инвертора и электродов с покрытием, например, марки УОНИ 13/55. Они подходят для работы не только с мелкими деталями, но и со стальными трубопроводами.

Технология сварки разных видов легированной стали

Самыми востребованными являются различные виды легированной стали. Спрос на них обусловлен составом, в который включены различные легирующие компоненты, придающие металлу нужные характеристики и свойства.

Добавки придают металлу повышенную прочность, долговечность, улучшают его характеристики. Физико-химические свойства материала меняются путем добавления в состав легирующих компонентов.

Технология сварки стали этого типа предполагает использование дугового метода обработки и электродов с фтором и кальцием. Оптимальным вариантом является применение газовой сварки, качество соединения деталей в этом случае получается более высоким.

Разница в технологии сварки стали газом и полуавтоматом или инвертором заключается в образовании тепла за счет пламени газовой горелки, а не электрической дуги. Пламя возникает при смешивании горючего газа с кислородом. Для использования технологии газовой сварки углеродистых сталей необходимы опыт и сноровка.

Технология сварки различных типов низколегированной стали

В составе разных типов низколегированной стали (чаще всего они же являются низкоуглеродистыми) присутствует небольшой процент легирующих компонентов (в основном, в пределах 2-3 %). В составе этих металлов есть железо, небольшой процент углерода и различные примеси.

Низколегированная сталь, устойчивая к высокотемпературному воздействию (до +200 °С), используется для производства хирургических, ювелирных, гравировальных инструментов, бритв и лезвий. Добавление небольшого количества хрома в состав позволяет получить металл, отличающийся высокой прочностью и долговечностью.

Низколегированная сталь входит в класс черных металлов, используется для производства габаритных сварных металлических конструкций. Хотя содержание легирующих компонентов в ее составе невелико, материал обладает высокой прочностью. Такие характеристики достигаются за счет присутствия в составе хрома, никеля и молибдена, улучшающих свойства низколегированной стали. Благодаря хрому и никелю повышается устойчивость металла к коррозионному воздействию.

Соблюдение технологии сварки стали этого типа позволяет достичь хороших результатов. Однако при работе с низколегированными металлами необходимо учитывать многочисленные особенности материала. Большую роль играет опыт сварщика.

Чаще всего мастера сталкиваются с перегревом сварной области. Такая проблема возникает при работе с различными марками низколегированных сталей. Из-за быстрого охлаждения сварного шва и заготовки в целом на месте соединения образуется мертенсит. Так называют твердую углеродистую структуру, возникающую на сварном шве из-за резкого охлаждения.

Технология сварки стали с низким содержанием углерода предполагает использование электродов с кальцием и фтором. Наиболее подходящими являются стержни, имеющие основное покрытие, такие как Э42А или Э50А. Лучшими считаются электроды марок УОНИ 13/45, МР-3, АНО-8, СМ-11. Впрочем, подойдут и другие, обладающие похожими характеристиками.

Технология сварки стали с низким содержанием углерода позволяет пользоваться полуавтоматической или автоматической сваркой под флюсом с полуавтоматом и присадочной проволокой. Флюс может быть заменен углекислым газом или смесью углекислого газа и аргона. Это позволяет повысить качество шва по сравнению с работой с электродами.

Технология сварки стали различных структурных классов

Перлитную и аустенитную стали сваривать сложнее, поскольку на сварном шве образуются мартенситный налет или карбидная гряда, причем их объем снижает степень легирования материала, приближая его к характеристикам перлитной стали. Прослойка образуется в связи с худшим перемешиванием жидкого металла в пристеночных слоях. Если запас аустенитности металла в районе шва невелик, то прослойка может достигнуть критического уровня, приводя к разрушению соединения.

Для сварки комбинированной стали наиболее подходящей является обработка в защитной газовой среде, поскольку при использовании этой технологии повышается температура расплавленного металла, снижается поверхностное напряжение, а значит, повышается интенсивность его смешивания. Это обусловлено увеличением приэлектродного падения напряжения сварочной дуги и кинетической энергии переноса капель металла электрода и плазменного потока в сварочной дуге.

Усилению эффекта способствует добавление в аргон кислорода, азота, углекислого газа. При добавке кислорода увеличивается температура в сварной ванне, а также возникают экзотермические окислительно-восстановительные реакции. За счет этого уменьшается степень структурной и механической неоднородности в области соединения перлитного металла с аустенитным швом.

Ручная дуговая технология сварки стали позволяет добиться лучших результатов в случае уменьшения температуры плавления электродов и, как следствие, температуры сварной ванны. Чтобы уменьшить температуру плавления электродов, используют стержни, в составе которых присутствуют никель и марганец. При применении этих электродов в процессе сварки под флюсом уменьшаются также кристаллизационные и диффузионные прослойки.

Если планируется использовать сварные соединения в условиях высокой температуры, следует пользоваться электродами типа ХН60М15 с высоким содержанием никеля. Применение таких электродов приводит к хорошему функционированию швов, поскольку коэффициент линейного расширения равен значениям перлитной стали. Электродами пользуются для исправления дефектов, возникающих при литье сталей групп IV и V. Дальнейшая термообработка не требуется.

Технологии сварки разнородных типов стали одного структурного класса

Сварка разных типов перлитной стали, разница в которых заключается в степени легирования, выполняется с помощью электродов, используемых для металлов с меньшей степенью легирования, при отсутствии дополнительных требований к прочности соединений, жаропрочности, коррозионной устойчивости, которые свойственны более легированным сталям. При этом технология предполагает выбор режимов и температуры сварки, применяемых при работе с более легированными металлами.

Если подогрев невозможен, то выполняется наплавка кромок с использованием более легированного материала, подогреваемого электродами типа Э42А. При этом наплавленный слой должен иметь такую толщину, которая не позволит более легированному металлу нагреться до температур Ac1, т. е. не допустить создания условий для закалки.

Работая с различными сочетаниями высокохромистых мартенситных (12 % Cr), ферритных (28 % Cr) и ферритно-аустенитных металлов типа Х21Н5, необходимо выбирать такую технологию сварки сталей, при которой не будут образовываться холодные трещины и хрупкие участков в сварном шве. Режим подогрева выбирают для самого закаливающегося металла с недопущением полного охлаждения заготовок. Это возможно при использовании сварочных материалов ферритно-аустенитного класса, сварки с минимальной погонной энергией, поскольку металлы с высоким содержанием хрома подвержены росту зерна, являющегося причиной образования хрупкости места шва.

После того как термообработка завершена, заготовку необходимо быстро охладить, чтобы избежать хрупкости, возникающей при +475 °С. Можно также использовать для работы аустенитные электроды. Но в таком случае при термообработке нельзя полностью исключить сварочные напряжения, вызванные разницей в коэффициентах линейного расширения шва и основного металла.

Технология сварки двухслойных (плакированных) видов стали

За счет двухслойной стали снижается использование высоколегированных материалов, при этом работоспособность конструкций не снижается. Из таких металлов изготавливают оборудование, эксплуатируемое в коррозионной среде.

Облицовочный слой толщиной до 12 мм, устойчивый к коррозии и контактирующий с агрессивной средой, выполняется из следующих металлов:

• высоколегированных хромоникелевых аустенитных (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т, 08Х18Н12Б и др.);
• хромистых ферритных;
• мартенситно-ферритных (08X13, 12X13 и др.).

Основной слой, толщина которого достигает 150 мм, более устойчив к силовым нагрузкам. Для его изготовления используются углеродистые низколегированные металлы (Ст3, 20К, 15ХМ и др.). Сварные соединения при этом должны иметь:

• Однородность облицовочного слоя с высокой коррозионной стойкостью сварного шва.
• Отсутствие комплексных сплавов с низкими механическими характеристиками в месте соединения облицовочного и основного слоев. Для этого необходимо использовать подходящие материалы и технологию сварки сталей, разделывать кромки и последовательно проводить работы.

Описанию основных типов и конструктивных элементов формы подготовки кромок в соответствии с технологией и способами сварки посвящен ГОСТ 16098-80. Сварка слоев выполняется раздельно с применением различных сварочных материалов. Последним обрабатывается облицовочный слой, чтобы не допустить его повторного нагрева. Обработка основного покрытия осуществляется в первую очередь. Для работы используются подходящие сварочные проволоки, флюсы, электроды и пр.