Сварка низколегированных сталей. Как сваривать низколегированную сталь. Электроды для сварки низколегированной стали

Особенности технологии сварки низколегированных сталей.
Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций. Cостав и свойства некоторых низколегированных сталей приведены в таблицах 12, 13 и 14.
По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. До недавнего времени считали, что металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 17Г1С, 14ХГС и др., имеет только феррито-перлитную структуру. Поэтому предполагали, что структурные изменения в шве при разных режимах сварки сводятся в основном к изменению соотношения между ферритной и перлитной составляющими, а также изменению степени дисперсности структуры.
Более углубленные исследования показали, что при повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит - бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии

Таблица. 12

Таблица. 13

Таблица. 14

По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. До недавнего времени считали, что металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 17Г1С, 14ХГС и др., имеет только феррито-перлитную структуру. Поэтому предполагали, что структурные изменения в шве при разных режимах сварки сводятся в основном к изменению соотношения между ферритной и перлитной составляющими, а также изменению степени дисперсности структуры. Более углубленные исследования показали, что при повышен¬ных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит - бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии количество мартен сита, бейнита и остаточного аустенита в металле шва повышается и дисперсность их увеличивается. Так, количество закалочных структур в швах на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали толщиной 12 мм при сварке с погонной энергией qlv = 4 ккал/см и скорости охлаждения в интервале температур 400-600° С, примерно равной 4,5° С/с, составляет 10-11%.
В швах, выполненных с большой погонной анергией, количество этих структур резко уменьшается. Структура швов на этой же стали при погонной энергии 13 ккал/см и скорости охлаждения примерно 0,5-0,6° С/с состоит только из феррита и перлита. Мартенсит и бейнит образуются также и в околошовной зоне сварных соединений, например стали 14ХГС, Их количество при сварке такой стали максимально (около 3%) в участке перeгрева и снижается по мере удаления otr линии сплавления.
При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в мягкой ферритной основе. Однако при уве¬личении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения резко ухудшаются. Дополнительное легирование стали марганцем, кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства низколегированных сталей ограничивается более узкими (по значению погонной энергии) пределами, чем при сварке низкоуглеродистой стали. В ряде случаев, например при микролегировании ванадием, ванадием и азотом, а также другими элементами, склонность низколегированной стали к росту зерна в околошовной зоне при сварке незначительна.
Для определения реакции низколегированной стали на термический цикл сварки проводят комплекс испытаний. С целью снижения разупрочнения в околошовной зоне термоулутенные низколегированные стали следует сваривать при минимально возможной погонной энергии.
Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается в основном за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.
Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей несколько ниже, чем низкоуглеродистых, в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается снижением содержания в шве углерода, серы и некоторых других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбором соответствующей технологии сварки (последовательность выполнения швов, обеспечение благоприятной формы провара) и рациональной конструкции изделия.

Технология сварки покрытыми электродами.
Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей покрытыми электродами мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистых сталей. Характер подготовки кромок, режимы сварки, порядок наложения швов практически одинаковы. Прихватки при сборке необходимо выполнять теми же электродами, что и при сварке основного шва, и накладывать только в местах, где располагается шов.
Низколегированные стали сваривают в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием типа Э42А и Э50А, обеспечивающими более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенные пластические свойства по сравнению с электродами других типов. Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода (например 09Г2) в ряде случаев используют электроды с рутиловым покрытием, например АН0-1 (тип Э42Т). Наиболее широко применяют электроды УОНИ-13/45, СМ-11, АНО-8 (тип Э42А) и УОНИ-13/55, ДСК-50, АНО-7 (тип Э50А), обеспечивающие прочность и пластичность металла шва на уровне свойств основного металла.
Высокая прочность металла шва при сварке электродами типа Э42А достигается за счет перехода легирующих элементов в шов из основного металла и повышенной скорости охлаждения шва. Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до -70° С, например из стали 10Г2, находят применение электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.
Швы, сваренные покрытыми электродами, в ряде случаев имеют пониженную стойкость против коррозии в морской воде, что значительно снижает эксплуатационные свойства сварных сосудов, морских эстакад и других сооружений., Это обусловлено малым содержанием в поверхностных слоях металла шва легирующих элементов (хрома, никеля, меди) вследствие низкой доли участия основного металла в металле этих слоев. Для повышения коррозионной стойкости металл шва следует легировать хромом.

Технология сварки под флюсом.
В большинстве случаев применяют те же сварочные материалы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей: плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45 (одноду-говая сварка), АН-60 (многодуговая сварка с повышенной скоростью), а также сварочные проволоки Св-08ГА и Св-10Г2. Для сварки микролегированных сталей, например 15Г2АФ, в ряде случаев применяют низкокремнистый флюс АН-22 в сочетании с проволоками Св-08ХМ и Св-ЮНМА. Однако при этом швы ме¬нее стойки против кристаллизационных трещин, вследствие чего сварку рекомендуется выполнять с предварительным подогревом. Технология сварки низколегированной стали под флюсом мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали.
Для обеспечения пластических свойств металла углового шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла сечение шва следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Иногда сварку выполняют двумя дугами в раздельные ванны. Многослойные швы на толстом металле также рекомендуется выполнять двумя дугами, а при сварке одной дугой перед наложением первого слоя производить подогрев основного металла до температуры 150-200° С. Опытным путем установлена зависимость между толщиной основного металла и сечением шва или слоя
Металл швов, сваренных под флюсом, благодаря значительной доле участия основного металла и достаточному содержанию легирующих элементов обладает более высокой стойкостью против коррозии в морской воде, чем металл швов, сваренных покрытыми электродами обычного состава.

Технология сварки в защитных газах.
Это в основном полуавтоматическая сварка в углекислом газе. Технология сварки низколегированных сталей в углекислом газе практически ничем не отличается от технологии сварки низкоуглеродистой стали. На практике применяют те же сварочные материалы, что и для сварки низкоуглеродистой стали. Так, стали 15ХСНД, 14ХГС и 10ХСНД сваривают сварочной проволокой Св-08Г2С. При однослойной сварке и сварке не более чем в два-три слоя можно при¬менять проволоку Св-12ГС.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе выполняют также порошковыми проволоками ПП-АН4 и ПП-АН8. Проволоку ПП-АН8 можно использовать и при автоматической сварке, Швы, сзаренные проволокой ПП-АН8, например на стали 09Г2, равнопрочны основному металлу и имеют повышенные пластические характеристики.
Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений в морской воде применяют сварочную проволоку Св-08ХГ2С, обеспечивающую дополнительное легирование металла шва хромом.

Технология электрошлаковой сварки .
Наиболее применима электрошлаковая сварка при изготовлении крупногабаритных изделий из низколегированных сталей 09Г2С, 16ГС, 15ХСНД и 14Г2 толщиной 30-100 мм, а в ряде случаев толщиной до 160 мм. Сварку ведут с применением флюса АН-8 проволоками Св-08ГС, Св-10Г2, реже Св-12ГС. Металл шва, выполненный проволоками Св-08А и Св-08ГА, менее прочен, чем основной металл.
Применение усовершенствованных режимов позволяет часто отказаться от высокотемпературной термообработки (нормализации) сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой. Так, например, сталь 16ГС толщиной 50 мм сваривается при ускоренной подаче сварочной проволоки с увеличенной скоростью поперечных перемещений электрода и большим временем выдержки у ползунов. Примерный режим сварки следующий:
Сила постоянного тока, А.... 900
Напряжение, В.... 42
Число электродов.... 1
Скорость подачи электродной проволоки, м/ч.... 576
Скорость перемещения электрода, м/ч.... 75
Продолжительность выдержки у ползунов, с.... 6
Глубина шлаковой ванны, мм.... 50
Сухой вылет электрода, мм.... 70
Принятый режим перемещения электрода способствует выравниванию глубины сварочной ванны по толщине металла. В связи с этим скорость подачи сварочной проволоки может быть значительно повышена без опасности образования в швах кристаллизационных трещин. В свою очередь, увеличение подачи проволоки и, следовательно, скорости сварки уменьшает перегрев околошовной зоны. Свойства сварных соединений стали 16ГС, выполненных проволокой Св-10Г2 под флюсом АН-8 на указанном режиме и после отпуска при температуре 650° С, практически такие же, как и при дуговой сварке металла равной толщины. В табл. 10-5 приведены типичные режимы сварки низколегированной стали с пониженным содержанием углерода (напри¬мер 09Г2ДТ). Сварку такой стали на приведенных режимах также можно выполнять без нормализации сварных соединений.

Технология сварки низколегированных теплоустойчивых сталей.
Детали эксплуатируемых в энергостроении машин обычно характеризуются сложностью формы, разнообразием конструктивных решений и индивидуальным характером производства. Поэтому наиболее широкое применение находит ручная сварка покрытыми электродами и полуавтоматическая сварка в защитных газах и реже автоматическая сварка под флюсом.
Работа конструкций при высоких температурах способствует протеканию диффузионных процессов. Для того чтобы снизить интенсивность этих процессов в сварном соединении, стремятся максимально приблизить состав металла шва к составу основного металла. Для сварки хромомолибденовых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМЛ) применяют электроды типа ЭМХ по ГОСТ 9467-60. Наибольшее распространение получили электроды с рудно-кислым покрытием ЦП-14 и электроды ГЛ-14 с фтористо-кальциевым покрытием. Электроды последней марки изготовляют из проволоки Св-08ХМ.
Хромомолибденовые стали с малым содержанием углерода (сталь 12ХМ) рекомендуется сваривать с предварительным подогревом до 200° С. При более высоком содержании в стали углерода температуру предварительного подогрева повышают до 250 - 300° С.
Хромомолибденованадиевые стали (20ХМФЛ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф) сваривают электродами ЦЛ-20-63 (тип ЭХМФ) со стержнем из проволоки Св-08ХМФА. В этом случае необходим предварительный и сопутствующий подогрев до 300-350° С. После сварки сварные соединения подвергают высокому отпуску при температуре 700 - 740° С в течение 2-3 ч.
При сварке в углекислом газе стали 15ХМ и 20ХМ применяют сварочную проволоку Св-10ХГ2СМА. При использовании этой проволоки прочностные и пластические свойства сварных соединений в интервале температур 20- 525° С практически не отличаются от свойств основного металла. Автоматическую и полуавтоматическую сварку этих сталей в углекислом газе проводят с предварительным подогревом до температуры 250-300° С. Режимы сварки практически не отличаются от режимов сварки низкоуглеродистой стали. После сварки проводят высокий отпуск конструкции.
Теплоустойчивую сталь 20ХМФЛ сваривают в углекислом газе проволокой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 300-350° С, что обеспечивает повышение стойкости шва против трещин и снижение твердости металла шва и околошовной зоны. После окончания сварки конструкцию подвергают термообработке. Сварное соединение стали 20ХМФЛ, выполненное в углекислом газе проволокой Св-08ХГСМФА, по всем показателям равноценно основному металлу.
Автоматическую и полуавтоматическую сварку в углекислом газе сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф осуществляют проволокой Св-08ХГСМФА с предварительным и сопутствующим подогревом до температуры 250-300° С. После сварки производят высокий отпуск при температуре 700 - 740° С.
При сварке под флюсом теплоустойчивых сталей, например 12Х1МФ и 15Х1М1Ф, рекомсхтдуется применять проволоку Св-08ХМФА и флюс AH-22. Сварку осуществляют с предваритель¬ным подогревом. Можно использовать также флюс АН-17М в сочетании с кремнемарганцовистой проволокой Св-08ХГСМФА. При указанном сочетании сварочных материалов обеспечивается получение металла шва, кратковременные и длительные механические свойства которого (в состоянии после высокого отпуска) при температуре 20 - 585° С полностью удовлетворяют установленным требованиям.

§ 75. Сварка низколегированных сталей

Легированные стали подразделяются на низколегированные (легирующих элементов в сумме менее 2,5%), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%). Низколегированные стали делят на низколегированные низкоуглеродистые, низколегированные теплоустойчивые и низколегированные сред неуглеродистые.

Механические свойства и химический состав некоторых марок низколегированных сталей приведены в табл. 33.

Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,22%. В зависимости от легирования стали подразделяют на марганцовистые (14Г, 14Г2), кремнемарганцовистые (09Г2С, 10Г2С1, 14ГС, 17ГС и др.), хромокремнемар-ганцовистые (14ХГС и др.), марганцовоазотнованадиевые (14Г2АФ, 18Г2АФ, 18Г2АФпс и др.), марганцовониобиевая (10Г2Б), хромокремненикельмедистые (10ХСНД, 15ХСНД) и т. д.

Низколегированные низкоуглеродистые стали применяют в транспортном машиностроении, судостроении, гидротехническом строительстве, в производстве труб и др. Низколегированные стали поставляют по ГОСТ 19281 - 73 и 19282 - 73 и специальным техническим условиям.

Низколегированные теплоустойчивые стали должны обладать повышенной прочностью при высоких температурах эксплуатации. Наиболее широко теплоустойчивее стали применяют при изготовлении паровых энергетических установок. Для повышения жаропрочности в их состав вводят молибден (М), вольфрам (В) и ванадий (Ф), а для обеспечения жаростойкости - хром (X), образующий плотную защитную пленку на поверхности металла.

Низколегированные среднеуглеродистые (более 0,22% углерода) конструкционные стали применяют в машиностроении обычно в термообработанном состоянии. Технология сварки низколегированных среднеуглеродистых сталей подобна технологии сварки среднелегирован-ных сталей.

Особенности сварки низколегированных сталей. Низколегированные стали сваривать труднее, чем низкоуглеродистые конструкционные. Низколегированная сталь более чувствительна к тепловым воздействиям при сварке. В зависимости от марки низколегированной стали при сварке могут образоваться закалочные структуры или перегрев в зоне термического влияния сварного соединения.

Структура околошовного металла зависит от его химического состава, скорости охлаждения и длительности пребывания металла при соответствующих температурах, при которых происходит изменение микроструктуры и размера зерен. Если в доэвтектоидной стали получить нагревом аустенит (рис. 100), а затем сталь охлаждать с различной скоростью, то критические точки стали снижаются.

Рис. 100. Диаграмма изотермического (при постоянной температуре) распада аустенита низкоуглеродистой стали: А - начало распада, Б - конец распада, A 1 - критическая точка стали, М н и М к - начало и конец превращения аустенита в мартенсит; 1, 2, 3 и 4 - скорости охлаждения с образованием различных структур

При малой скорости охлаждения получают структуру перлит (механическая смесь феррита и цементита). При большой скорости охлаждения аустенит распадается на составляющие структуры при относительно низких температурах и образуются структуры - сорбит, троостит, бейнит и при очень высокой скорости охлаждения - мартенсит. Наиболее хрупкой структурой является мартенситная, поэтому не следует при охлаждении допускать превращения аустенита в мартенсит при сварке низколегированных сталей.

Скорость охлаждения стали, особенно большой толщины, при сварке всегда значительно превышает обычную скорость охлаждения металла на воздухе, вследствие чего при сварке легированных сталей возможно образование мартенсита.

Для предупреждения образования при сварке закалочной мартенситной структуры необходимо применять меры, замедляющие охлаждение зоны термического влияния, - подогрев изделия и применение многослойной сварки.

В некоторых случаях в зависимости от условий эксплуатации изделий допускают перегрев, т. е. укрупнение зерен в металле зоны термического влияния сварных соединений, выполненных из низколегированных сталей.

При Высоких температурах эксплуатации изделий для повышения сопротивления ползучести (деформирование изделия при высоких температурах с течением времени) необходимо иметь крупнозернистую структуру и в сварном соединении. Но металл с очень крупным зерном обладает пониженной пластичностью и поэтому размер зерен допускается до известного предела.

При эксплуатации изделий в условиях низких температур ползучесть исключается и необходима мелкозернистая структура металла, обеспечивающая увеличенную прочность и пластичность.

Покрытые электроды и другие сварочные материалы при сварке, низколегированных сталей подбираются такими, чтобы содержание углерода, серы, фосфора и других вредных элементов в них было ниже по сравнению с материалами для сварки низкоуглеродистых конструкционных сталей. Этим удается увеличить стойкость металла шва против кристаллизационных трещин, так как низколегированные стали в значительной степени склонны к их образованию.

Технология сварки низколегированной стали. Низколегированные низкоуглеродистые стали 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 10Г2С1 и 10Г2Б при сварке не закаливаются и не склонны к перегреву. Сварку этих сталей производят при любом тепловом режиме, аналогично режиму сварки низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения равнопрочности соединения ручную сварку выполняют электродами типа Э50А. Твердость и прочность околошовной зоны практически не отличаются от основного металла.

Сварочные материалы при сварке порошковой проволокой и в защитном газе подбирают такими, чтобы обеспечить прочностные свойства металлу шва на уровне прочности, достигаемой электродами типа Э50А.

Низколегированные низкоуглеродистые стали 12ГС, 14Г, 14Г2, 14ХГС, 15ХСНД, 15Г2Ф, 15Г2СФ, 15Г2АФ при сварке могут образовывать закалочные микроструктуры и перегрев металла шва и зоны термического влияния. Количество закаливающихся структур резко уменьшается, если сварка выполняется с относительно большой погонной энергией, необходимой для уменьшения скорости охлаждения сварного соединения. Однако снижение скорости охлаждения металла при сварке приводит к укрупнению зерен (перегреву) металла шва и околошовного металла вследствие повышенного содержания углерода в этих сталях. Это особенно касается сталей 15ХСНД, 14ХГС. Стали 15Г2Ф, 15Г2СФ и 15Г2АФ менее склонны к перегреву в околошовной зоне, так как они легированы ванадием и азотом. Поэтому сварка большинства указанных сталей ограничивается более узкими пределами тепловых режимов, чем сварка низкоуглеродистой стали.

Режим сварки необходимо подбирать так, чтобы не было большого количества закалочных микроструктур и сильного перегрева металла. Тогда можно производить сварку стали любой толщины без ограничений при окружающей температуре не ниже - 10°С. При более низкой температуре необходим предварительный подогрев до 120 - 150°С При температуре ниже - 25°С сварка изделий из закаливающихся сталей запрещается. Для предупреждения большого перегрева сварку сталей 15ХСНД и 14ХГС следует проводить на пониженной погонной тепловой энергии (при пониженных значениях тока электродами меньшего диаметра) по сравнению со сваркой низкоуглеродистой стали.

Для обеспечения равнопрочности основного металла и сварного соединения при сварке этих сталей надо применять электроды типа Э50А или Э55.

Технология сварки низколегированных среднеуглеродистых сталей 17ГС, 18Г2АФ, 35ХМ и других подобна технологии сварки сред не легированных сталей.

Низколегированная сталь марки 09г2с за счет своих свойств (малый процент легирующих компонентов) при сварке не перегревается и не закаливается. Это дает возможность варить сталь и конструкции из нее широким рядом электродов для сварки.

Электроды для сварки низколегированных сталей марки 09 г2с с временным сопротивлением разрыву до 60 кг/см2 - обозначаются « У». (ГОСТ 9467-75)

При ручной сварке применяют:

Электроды УОНИИ 13/45 (Э 42а)

Этими электродами сваривают конструкции из стали 09г2с, к которым предъявлены особенные требования. И прежде всего при сварке в очень низких температурах наружного воздуха. Металл сварного шва требует более жестких показателей прочности.

Электроды отличаются минимальным распылением металла при сваривании..

Электроды выбирают в зависимости отих линейного размера, который связан с их диаметрами: от 300 мм до - 450 мм.

Значение диаметра и положение швазадают силу тока(в А.)

По отзывам сварщиков эти электроды оказывают меньшее воздействие на качества наплавленного металла и не ухудшают его свойств. А так же у них отличная способность удаления нагара.

Сваренные швы выдерживают значительные нагрузки, что выгодно отличает эти электроды от других.

Электроды УОНИИ13/55 С (Э 50а)

Этими электродами так же сваривают конструкции из стали 09г2с, к которым предъявлены особенные требования. И прежде всего при сварке в очень низких температурах наружного воздуха (даже в Арктике) После сварки этими электродами металл сварного шва отвечает соответствующим более жестким нормативам по пластичности и ударной вязкости.

Этими электродами возможно делать сварочные швы в любом местонахождении в конструкциях. Работают на обратном постоянном токе.

Металл шва содержит малый процент водорода и имеет повышенную устойчивость к образованию трещин.. Отличаются отличным самоотделением шлака.

Сварка ведется короткой дугой почистым от жировых и прочих загрязнений поверхностям.

Значение диаметра и положение шва задают силу тока(в А.)

Электроды могут дать порообразование, если удлиняется дуга по окисленной поверхности.

Электроды МР-3 (Э 46)

Этими электродами сваривают конструкции и детали из стали 09г2с при всех расположениях шва. Исключение – вертикальный шов сверху вниз. Работают электроды от тока любой полярности от источников питания с напряжением не менее 65 В. Отличает их простота в работе, ими может работать даже новичок в сварке. Это бюджетный вариант сварки, при очень хороших показателях качества.

ОСОБЫЕ СВОЙСТВА:

Разрешается сварка ржавого, влажного, а так же недостаточно очищенного металла. Имеют достаточно высокую производительность сварки.

Сварка швов конструкций и проката средних и больших толщин в нижнем расположении конструкции проводится на более высоких режимах.

Сваривают электродами на короткой длине дуги, но разрешена сварка и на средней длине дуги.

Электроды ОЗС-4 (Э 46)

Электроды с покрытием из оксида титана (рутиловым), с успехом применяют для сваривания деталей и конструкций из стали 09г2с во всех плоскостях. Особенно это важно для сварки в вертикальном расположении швов.. Т.к. эти электроды не выделяют отравляющих газов при сварке.

При работе с этими электродами сокращается время сварки.

Работают электроды от постоянного тока и переменного. Этими электродами можно сваривать даже окисленные конструкции, при этом сохраняется красивый вид шва.

Они применяются прежде всего в ответственных конструкциях.

Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали, как правило, используют для изготовления ответственных сварных конструкций.

По реакции на термический цикл низколегированная низкоуглеродистая сталь мало отличается от обычной низкоуглеродистой. Различия состоят в основном в несколько большей склонности к образованию закалочных структур в металле шва и околошовной зоне при повышенных скоростях охлаждения. Металл шва низкоуглеродистых низколегированных сталей, например 09Г2С,17Г1С, 14ХГС и др., имеет не только феррито-перлитную структуру, но и при повышенных скоростях охлаждения в швах этих сталей кроме феррита и перлита присутствуют также мартенсит, бейнит и остаточный аустенит. Обнаруживаемый в таких швах мартенсит - бесструктурный, а бейнит представляет собой феррито-карбидную смесь высокой дисперсности. Количество указанных структурных составляющих изменяется в зависимости от температурного цикла сварки. При уменьшении погонной энергии количество мартен сита, бейнита и остаточного аустенита в металле шва повышается, и дисперсность их увеличивается. Так, количество закалочных структур в швах на низкоуглеродистой кремнемарганцевой стали толщиной 12 мм при сварке с погонной энергией Е = 4 ккал/см и скорости охлаждения в интервале температур 400-600° С, примерно равной 4,5° С/с, составляет 10-11%.
В швах, выполненных с большой погонной энергией, количество этих структур резко уменьшается. Структура швов на этой же стали при погонной энергии 13 ккал/см и скорости охлаждения примерно 0,5-0,6° С/с состоит только из феррита и перлита. Мартенсит и бейнит образуются также и в околошовной зоне сварных соединений, например стали 14ХГС, Их количество при сварке такой стали максимально (около 3%) в участке перегрева и снижается по мере удаления от линии сплавления.
При небольшом количестве закалочных структур их влияние на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в мягкой ферритной основе. Однако при увеличении доли таких структур в шве и околошовной зоне пластичность металла и его стойкость против хрупкого разрушения резко ухудшаются. Дополнительное легирование стали марганцем, кремнием и другими элементами способствует образованию в сварных соединениях закалочных структур. Поэтому режим сварки большинства низколегированных сталей ограничивается более узкими (по значению погонной энергии) пределами, чем при сварке низкоуглеродистой стали. В ряде случаев, например при микролегировании ванадием, ванадием и азотом, а также другими элементами, склонность низколегированной стали к росту зерна в околошовной зоне при сварке незначительна.
Для определения реакции низколегированной стали на термический цикл сварки проводят комплекс испытаний. С целью снижения разупрочнения в околошовной зоне термоулучшенные низколегированные стали следует сваривать при минимально возможной погонной энергии.
Обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом достигается в основном за счет легирования его элементами, переходящими из основного металла. Иногда для повышения прочности и стойкости против хрупкого разрушения металл шва дополнительно легируют через сварочную проволоку.
Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин при сварке низколегированных сталей несколько ниже, чем низкоуглеродистых, в связи с усилением отрицательного влияния углерода некоторыми легирующими элементами, например кремнием. Повышение стойкости против образования трещин достигается снижением содержания в шве углерода, серы и некоторых других элементов за счет применения сварочной проволоки с пониженным содержанием указанных элементов, а также выбором соответствующей технологии сварки (последовательность выполнения швов, обеспечение благоприятной формы провара) и рациональной конструкции изделия.

4.1. Технология сварки покрытыми электродами.

При ручной дуговой сварке покрытыми металлическими электродами, сварочная дуга горит с электрода на изделие, оплавляя кромки свариваемого изделия и расплавляя металл электродного стержня и покрытие электрода (рисунок 1). Кристаллизация основного металла и металла электродного стержня образует сварной шов.

Рис.2. Схема сварки покрытым металлическим электродом

Электрод состоит из электродного стержня и электродного покрытия (см. рисунок 1).

Достоинства способа:

Простота оборудования;

Возможность сварки во всех пространственных положениях;

Возможность сварки в труднодоступных местах;

Быстрый, по времени переход от одного вида материала к другому;

Большая номенклатура свариваемых металлов.

Недостатки способа:

Большие материальные и временные затраты на подготовку сварщика;

Качество сварного соединения и его свойства во многом определяются субъективным фактором;

Низкая производительность (пропорциональна сварочному току, увеличение сварочного тока приводит к разрушению электродного покрытия);

Вредные и тяжёлые условия труда.

Рациональные области применения:

Сварка на монтаже;

Сварка непротяжённых швов.

Технология сварки низколегированных низкоуглеродистых сталей покрытыми электродами мало отличается от технологии сварки низкоуглеродистых сталей. Характер подготовки кромок, режимы сварки, порядок наложения швов практически одинаковы. Прихватки при сборке необходимо выполнять теми же электродами, что и при сварке основного шва, и накладывать только в местах, где располагается шов.
Низколегированные стали сваривают в основном электродами с фтористо-кальциевым покрытием типа Э42А и Э50А, обеспечивающими более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенные пластические свойства по сравнению с электродами других типов. Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода (например 09Г2) в ряде случаев используют электроды с рутиловым покрытием, например АН0-1 (тип Э42Т). Наиболее широко применяют электроды УОНИ-13/45, СМ-11, АНО-8 (тип Э42А) и УОНИ-13/55, ДСК-50, АНО-7 (тип Э50А), обеспечивающие прочность и пластичность металла шва на уровне свойств основного металла.
Высокая прочность металла шва при сварке электродами типа Э42А достигается за счет перехода легирующих элементов в шов из основного металла и повышенной скорости охлаждения шва. Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до -70° С, например из стали 10Г2, находят применение электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.
Швы, сваренные покрытыми электродами, в ряде случаев имеют пониженную стойкость против коррозии в морской воде, что значительно снижает эксплуатационные свойства сварных сосудов, морских эстакад и других сооружений., Это обусловлено малым содержанием в поверхностных слоях металла шва легирующих элементов (хрома, никеля, меди) вследствие низкой доли участия основного металла в металле этих слоев. Для повышения коррозионной стойкости металл шва следует легировать хромом.

4.2. Технология сварки под флюсом.

При этом способе сварки электрическая дуга горит под зернистым сыпучим материалом, называемым сварочным флюсом (рисунок 2).

Рис. 3. Схема сварки под флюсом

Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока и основной металл, а также часть флюса. В зоне сварки образуется полость, заполненная парами металла, флюса и газами. Газовая полость ограничена в верхней части оболочкой расплавленного флюса. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл в зоне сварки от вредного воздействия окружающей среды, осуществляет металлургическую обработку металла в сварочной ванне. По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс, прореагировавший с расплавленным металлом, затвердевает, образуя на шве шлаковую корку. После прекращения процесса сварки и охлаждения металла шлаковая корка легко отделяется от металла шва. Не израсходованная часть флюса специальным пневматическим устройством собирается во флюсоаппарат и используется в дальнейшем при сварке.

Достоинства способа:

Повышенная производительность;

Минимальные потери электродного металла (не более 2%);

Отсутствие брызг;

Максимально надёжная защита зоны сварки;

Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

Мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;

Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

Малые затраты на подготовку кадров;

Отсутствует влияния субъективного фактора.

Недостатки способа:

Трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

Трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;

Неблагоприятное воздействие на оператора;

Нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования.

Области применения:

Сварка в цеховых и монтажных условиях;

Сварка металлов от 1,5 до 150 мм и более;

Сварка всех металлов и сплавов, разнородных металлов
В большинстве случаев применяют те же сварочные материалы, что и при сварке низкоуглеродистых сталей: плавленые флюсы АН-348-А, ОСЦ-45 (однодуговая сварка), АН-60 (многодуговая сварка с повышенной скоростью), а также сварочные проволоки Св-08ГА и Св-10Г2. Для сварки микролегированных сталей, например 15Г2АФ, в ряде случаев применяют низкокремнистый флюс АН-22 в сочетании с проволоками Св-08ХМ и Св-ЮНМА. Однако при этом швы менее стойки против кристаллизационных трещин, вследствие чего сварку рекомендуется выполнять с предварительным подогревом. Для обеспечения пластических свойств металла углового шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла сечение шва следует выбирать в зависимости от толщины свариваемого металла. Иногда сварку выполняют двумя дугами в раздельные ванны. Многослойные швы на толстом металле также рекомендуется выполнять двумя дугами, а при сварке одной дугой перед наложением первого слоя производить подогрев основного металла до температуры 150-200° С. Опытным путем установлена зависимость между толщиной основного металла и сечением шва или слоя
Металл швов, сваренных под флюсом, благодаря значительной доле участия основного металла и достаточному содержанию легирующих элементов обладает более высокой стойкостью против коррозии в морской воде, чем металл швов, сваренных покрытыми электродами обычного состава.

4.3. Технология сварки в защитных газах плавящимся электродом.

При сварке плавящимся электродом в защитном газе (рисунок 3) в зону дуги, горящей между плавящимся электродом (сварочной проволокой) и изделием через сопло подаётся защитный газ, защищающий металл сварочной ванны, капли электродного металла и закристаллизовавшийся металл от воздействия активных газов атмосферы. Теплотой дуги расплавляются кромки свариваемого изделия и электродная (сварочная) проволока. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует сварной шов.

Рис.4. Схема сварки в защитных газах

При сварке в защитных газах плавящимся электродом в качестве электродного металла применяют сварочную проволоку близкую по химическому составу к основному металлу. Выбор защитного газа определяется его инертностью к свариваемому металлу, либо активностью, способствующей рафинации металла сварочной ванны. Для сварки цветных металлов и сплавов на их основе применяют инертные одноатомные газы (аргон, гелий и их смеси). Для сварки меди и кобальта можно применить азот. Для сварки сталей различных классов применяют углекислый газ, но так как углекислый газ участвует в металлургических процессах, способствуя угару легирующих компонентов и компонентов – раскислителей (кремния, марганца), то сварочную проволоку следует выбрать с повышенным их содержанием. В ряде случаев целесообразно применять смесь инертных и активных газов, чтобы повысить устойчивость дуги, улучшить формирование шва, воздействовать на его геометрические параметры, уменьшить разбрызгивание.

Сварку в защитных газах плавящимся электродом ведут на постоянном токе обратной полярности, т.к. на переменном токе из-за сильного охлаждения столба дуги защитным газом, дуга может прерываться. Скорость подачи сварочной проволоки определяет силу сварочного тока.

Для сварки в защитных газах плавящимся электродом характерно высокий процент потерь электродного металла вследствие угара и разбрызгивания.

Разбрызгиванию способствует вид переноса электродного металла, зависящий от параметров режима сварки (рисунок 4):

Крупнокапельный;

Смешанный;

Мелкокапельный.

При крупнокапельном переносе электродного металла образуется малое количество брызг, вследствие нечастых, но продолжительных коротких замыканий дугового промежутка. Высокое объёмное теплосодержание крупных капель приводит к надёжному соединению с поверхностью свариваемого металла.

При смешанном переносе электродного металла наблюдается максимальное образование брызг (потери на разбрызгивание могут достигать 20-30%) – такое явление также связано с короткими замыканиями дугового промежутка расплавленным электродным металлом и образованием в межэлектродном промежутке капель с разной массой и различной скоростью перемещения. В диапазоне сварочных токов, при котором возникает смешанный перенос электродного металла сварку не выполняют.

Рис.5. Виды переноса электродного металла

Наименьшие потери на разбрызгивание наблюдаются при мелкокапельном переносе электродного металла. В определённом диапазоне сварочных токов (плотностей сварочных токов) перенос электродного металла приобретает мелкокапельный (струйный характер). Образовавшаяся на торце электрода, при таком процессе, капля не растягивается и не увеличивается до соприкосновения с основным металлом, что не приводит к коротким замыканиям, взрывам и образованиям брызг.

Достоинства способа:

Повышенная производительность (по сравнению с дуговой сваркой покрытыми электродами);

Отсутствуют потери на огарки, устранены затраты времени на смену электродов;

Надёжная защита зоны сварки;

Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

Отсутствие шлаковой корки;

Возможность сварки во всех пространственных положениях.

Недостатки способа:

Большие потери электродного металла на угар и разбрызгивание (на угар элементов 5-7%, при разбрызгивании от 10 до 30%);

Мощное излучение дуги;

Ограничение по сварочному току;

Сварка возможна только на постоянном токе.

Области применения:

Сварка тонколистового металла и металла средних толщин (до 20мм);

Возможность сварки сталей всех классов, цветных металлов и сплавов, разнородных металлов.

Это в основном полуавтоматическая сварка в углекислом газе. На практике применяют те же сварочные материалы, что и для сварки низкоуглеродистой стали. Так, стали 14ХГС, 10ХСНД, 09Г2С сваривают сварочной проволокой Св-08Г2С. При однослойной сварке и сварке не более чем в два-три слоя можно применять проволоку Св-12ГС.
Полуавтоматическую сварку в углекислом газе выполняют также порошковыми проволоками ПП-АН4 и ПП-АН8. Проволоку ПП-АН8 можно использовать и при автоматической сварке. Швы, сваренные проволокой ПП-АН8, например, на стали 09Г2, равнопрочные основному металлу и имеют повышенные пластические характеристики.
Для повышения коррозионной стойкости сварных соединений в морской воде применяют сварочную проволоку Св-08ХГ2С, обеспечивающую дополнительное легирование металла шва хромом.

4.4 .Технология электрошлаковой сварки.
Наиболее применима электрошлаковая сварка при изготовлении крупногабаритных изделий из низколегированных сталей 09Г2С, 16ГС, 15ХСНД и 14Г2 толщиной 30-100 мм, а в ряде случаев толщиной до 160 мм. Сварку ведут с применением флюса АН-8 проволоками Св-08ГС, Св-10Г2, реже Св-12ГС. Металл шва, выполненный проволоками Св-08А и Св-08ГА, менее прочен, чем основной металл.
Применение усовершенствованных режимов позволяет часто отказаться от высокотемпературной термообработки (нормализации) сварных конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой. Так, например, сталь 16ГС толщиной 50 мм сваривается при ускоренной подаче сварочной проволоки с увеличенной скоростью поперечных перемещений электрода и большим временем выдержки у ползунов. Примерный режим сварки следующий:
Сила постоянного тока, А.... 900
Напряжение, В.... 42
Число электродов.... 1
Скорость подачи электродной проволоки, м/ч.... 576
Скорость перемещения электрода, м/ч.... 75
Продолжительность выдержки у ползунов, с.... 6
Глубина шлаковой ванны, мм.... 50
Сухой вылет электрода, мм.... 70
Принятый режим перемещения электрода способствует выравниванию глубины сварочной ванны по толщине металла. В связи с этим скорость подачи сварочной проволоки может быть значительно повышена без опасности образования в швах кристаллизационных трещин. В свою очередь, увеличение подачи проволоки и, следовательно, скорости сварки уменьшает перегрев околошовной зоны. Свойства сварных соединений стали 16ГС, выполненных проволокой Св-10Г2 под флюсом АН-8 на указанном режиме и после отпуска при температуре 650° С, практически такие же, как и при дуговой сварке металла равной толщины.

Низколегированные стали получи­ли большое применение В СВЯЗИ с тем, что они, обладая повышенными механическими свойствами, позволяют изготовлять строительные конструк­ции более легкими и экономичными. Для изготовления различных конст­рукций промышленных и гражданских сооружений применяются стали марок 15ХСНД, 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 16ГС и др. Для изготовления арматуры железобетонных конструкций и свар­ных труб применяют стали 18Г2С, 25Г2С, 25ГС и 20ХГ2Ц. Эти стали относятся к категории удовлетвори­тельно свариваемых сталей; содержат углерода не более 0,25% и леги­рующих примесей не более 3,0%. Следует учитывать, что при содер­жании в стали углерода более 0,25% возможно образование закалочных структур и даже трещин в зоне сварного шва. Кроме того, выгорание углерода вызывает образование пор в металле шва.

Сталь 15ХСНД сваривают вручнукг электродами типа Э50А или Э55А. Наилучшие результаты дают электро­ды УОНИ-13/55 и электроды Днеп­ровского электродного завода ДСК-50. Сварку электродами ДСК-50 можно выполнять переменным то­ком, но лучшие результаты дает сварка постоянным током обратной полярности. Многослойную сварку следует производить каскадным мето­дом. Чтобы предупредить перегрев стали, следует выполнять сварку при токах 40...50 А на 1 мм диаметра электрода. Рекомендуется применять электроды диаметром 4...5 мм. Авто­матическую сварку стали 15ХСНД производят проволокой Св-08ГА или Св-ЮГА под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45

Толщина металла, мм................................

Диаметр электрода, мм.............................

Сварочный ток, А.......................................

при высоких скоростях, но при малой погонной энергии. В зимних условиях сварку конструкций из стали 15ХСНД, 15ГС и 14Г2 можно производить при температурах не ниже - 10°С. При бо­лее низких температурах зону сварки на ширине 100... 120 мм по обе стороны от шва предварительно нагревают до Ю0...150°С. При температуре -25°С сварка не допускается.

Стали 09Г2С и 10Г2С1 относятся к группе незакаливающихся сталей, не склонных к перегреву и стой­ких против образования трещин. Ручная сварка электродами Э50А и Э55А выполняется на режимах, пре­дусмотренных для сварки низкоугле­родистой стали. Механические свойст­ва сварного шва не уступают пока­зателям основного металла. Автомати­ческая и полуавтоматическая сварка выполняется электродной проволокой Св-08ГА, Св-ЮГА или Св-10Г2 под флюсом АН-348-А или ОСЦ-45. Свар­ку листов толщиной до 40 мм производят без разделки кромок. При этом равнопрочность сварного шва обеспечивается за счет перехода ле­гирующих элементов из электродной проволоки в металл шва.

Стали хромокремнемарганцови - стые (20ХГСА, 25ХГСА,30ХГСА и 35ХГСА) при сварке дают закалоч­ные структуры и склонны к образова­нию трещин. При этом чем меньше толщина кромок, тем больше опас­ность закалки металла и образования трещин, особенно в околошовной зоне. Стали с содержанием углеро­да ^0,25% свариваются лучше, чем стали с большим содержанием углерода. Для сварки могут приме­няться электроды НИАТ-ЗМ типа Э70, Э85. Для ответственных сварных швов рекомендуются электроды, изго­товленные из проволоки Св-18ХГС или Св-18ХМА с покрытием ЦЛ-18-63, ЦК-18Мо, УОНИ-13/65, УОНИ-13/85, УОНИ-13/НЖ.

0,5... 1,5 2...3 4.„6 7...10

1.5.. .2.0 2,5...3 3...5 4...6

20.. .40 50...90 100...160 200...240

При сварке более толстых метал­лов применяется многослойная сварка с малыми интервалами времени между наложениями последующих слоев. При сварке кромок разной толщины сварочный ток выбирается по кромке большей толщины и на нее направ­ляется большая часть зоны дуги. Для устранения закалки и повышения твердости металла шва и околошов - ной зоны рекомендуется после сварки нагреть изделие до температуры

650.. .680°С, выдержать при этой тем­пературе определенное время в зави­симости от толщины металла (1 ч на каждые 25 мм) и охладить на воздухе или в горячей воде.

Сварку низколегированных сталей в защитном газе производят при плотностях тока более 80 А/мм2. в углекислом газе выполняет­ся на постоянном токе обратной поляр­ности. Рекомендуется электродная проволока диаметром 1,6-2,0 мм мар­ки Св-08Г2С - или Св-10Г2, а для сталей, содержащих хром и никель,- Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ.

Электрошлаковая сварка сталей любой толщины успешно производит­ся электродной проволокой марки Св-10Г2 или Св-18ХМА под флюсом АН-8 при любой температуре окру­жающего воздуха. Прогрессивным способом является сварка в углекис­лом газе с применением порошковой проволоки.

Газовая сварка отличается значи­тельным разогревом свариваемых кро­мок, снижением коррозионной стой­кости, более интенсивным выгоранием легирующих примесей. Поэтому каче­ство сварных соединений ниже, чем при других способах сварки. При газовой сварке пользуются только нор­мальным пламенем при удельной мощ­ности 75... 100 л/(ч-мм) при левом способе, а при правом способе -

100.. .130 л/(ч-мм). Присадочным ма­териалом служат проволоки Св-08, Св-08А, Св-10Г2, а для ответственных швов - Св-18ХГС и Св-18ХМА. Про­ковка шва при температуре 800... 850°С с последующей нормализацией несколько повышает механические свойства шва.