Сварка углеродистых сталей — виды и технологии сварки

Сварка углеродистых сталей

Сталь – это сплав железа и углерода, который применяется более чем все другие вместе взятые металлы и их сплавы. Без применения стальных конструкций и деталей немыслимо существование современной техногенной цивилизации.

Особое место в современной промышленности занимает сварка низкоуглеродистых сталей, как самый широко используемый способ соединения. Сталь имеет отличные показатели свариваемости – это обусловило возникновение ряда методов и способов сварных соединений.

Современные технологии позволяют достигать высокого качества сварочных швов. Таким образом, сварные соединения почти вытеснили применяемые раньше – клепанные. Разработаны методы сварки в тяжелых условиях, например, подводная сварка.

  • Определение понятия – углеродистая сталь
  • Виды и технологии сварки углеродистых сталей
к содержанию ↑

Определение понятия – углеродистая сталь

Если в сплаве вместительность углерода не превышает 2,07%, то такой материал смело можно называть сталью. Все, что превышает процентное соотношение 2,14 – это чугуны. Увеличение процента углерода в сплаве ведет к повышению его твердости и хрупкости.

  • Низкоуглеродистые стали содержат до 0,25% углерода.
  • Среднеуглеродистые стали содержат от 0,25 до 0,6% углерода.
  • Высокоуглеродистые стали содержат от 0,6 до 2,07% углерода.

Для изготовления инструментальных сплавов повышенной прочности применяют низкоуглеродистые легированные стали. В качестве легирующих добавок служат хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, ниобий, титан. Незначительные примеси серы и фосфора, до 0,035%, также повышают характеристики сплавов, высокая чистота стали обозначается буквой «А» в маркировке.

Углерод в составе стали также играет немаловажною роль. Благодаря ему возможна закалка и отпуск, увеличиваются эксплуатационные сроки, повышается твердость. Такие характеристики важны для изготовления деталей повышенной износостойкости шестеренки, звездочки, корпуса, центровые валы, зубчатые колеса.

Наличие разнообразных примесей в сплавах обуславливает применение различных способов и флюсовых добавок при сварке высоколегированных сталей. Но на свариваемость в основном влияет количество углерода. Чем выше его процентное соотношение, тем менее прочным становится сварочный шов.

к содержанию ↑

Виды и технологии сварки углеродистых сталей

Одним из основных критериев для достижения оптимального качества шва является максимальное приближение его физико-химических характеристик к показателям основного сплава. Равнопрочность и однокомпонентность свариваемой стали и присадочных компонентов позволяют получать максимально прочные соединения.

Поскольку качество свариваемости понижается с повышением процента содержания углерода, то основные марки сталей можно разделить на две группы:

  • Сплавы с хорошей свариваемостью – Ст10, Ст20, 15ГС, 12МХ, 15ХМ
  • Сплавы с удовлетворительной свариваемостью – 15Г2С, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2М1, 12Х2МФСР, 12Х2МФБ.

Для преодоления проблем, возникающих при сваривании стали, были разработаны технологии сварки, позволяющие создавать необходимые условия. Ниже предоставлены основные направления разработок по этой теме.

  • Электродуговая сварка

Этот способ предполагает использование электрической дуги для нагрева металла до жидкого состояния. Технология возникла более 100 лет назад и за этот период заняла доминирующее место, почти полностью вытеснив некоторые виды соединений, например, склепывание.

Применение высокотемпературной сварочной дуги значительно сужает необходимую зону прогрева, что сохраняет качество соединяемых деталей. Стабильность горения и быстрота прогрева электрической дуги позволили создать ряд направлений в разработке сварочного оборудования.

  • Электродуговая сварка плавящимися электродами (MMA)

Сварка происходит вследствие горения дуги между кончиком электрода и деталью, при этом электрод плавится, заполняя сварочную ванну. Для предотвращения окисления расплавленного металла, электроды покрываются обмазкой, которая при оплавлении покрывает шов защитным слоем шлака. После остывания шлак удаляется отстукиванием.

Сварочные аппараты такого типа успешно работают как от сети 220 Вт, так и от 380 Вт. Низкие требования и компактные размеры современных сварочных аппаратов позволяют их применять от самых труднодоступных мест, на высотных объектах, до применения в быту.

Тип сварочной дуги может быть как постоянным, так и переменным. Аппараты постоянного сварочного тока обладают большим функционалом вследствие более высоких характеристик сварочной дуги. 

Для разных типов свариваемого металла применяются электроды для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Главным критерием для подбора марки электродов является образование равнопрочного сварочного шва, без внутренних трещин и хрупких интерметаллических зон.

Сварочные электроды

Для произведения дуговой сварки углеродистых сталей с удовлетворительной свариваемостью, целесообразно применять постоянный сварочный ток. 

MMA сварка на данный момент является самым распространенным и часто применяемым видом сварки вообще.

Схематическое изображение компонентов при сварке ММА

  • Электродуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом в среде инертных газов (TIG)

Нагрев металла при таком способе происходит вследствие горения дуги между вольфрамовым электродом и деталью. Заполнение металлом сварочной ванны происходит благодаря подаче присадочной проволоки непосредственно в зону плавления.

Горелка сварочного аппарата такого типа подает аргон в зону нагрева. Этот инертный газ не только защищает расплавленный металл от окисления, но благодаря ионизирующим способностям приводит к стабильному горению дуги.

Повышенные параметры сварочных характеристик позволяют производить работы, требующие особой прочности и аккуратности. TIG сварка особенно оправдана при использовании для соединения легированных инструментальных сталей.

Шов после TIG сварки

  • Электродуговая полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (MIG-MAG)

Сваривание происходит вследствие горения дуги между подаваемой проволокой и деталью. Проволока подается в автоматическом режиме и является заполнением для сварочной ванны. Горелка устроена таким образом, чтобы подавать защитный или инертный газ в зону плавления.

Полуавтоматическая сварка благодаря высокой производительности и аккуратности сварочных швов прочно заняла свое место в промышленности.

Принципиальная схема полуавтоматической сварки 

  • Электродуговая газо-плазменная сварка

Дуга на кончике вольфрамового электрода ионизирует поток атомов аргона, что образует плазменный факел, плавящий металл. Благодаря эффекту плазмы происходит более глубокое проплавление стали, увеличивается качество и прочность швов.

Оборудование для газо-плазменной сварки обычно производится в промышленном формате. Зачастую, это полностью автоматические комплексы, контролируемые исключительно при помощи программного обеспечения.

  • Электрошлаковая сварка

Благодаря этой технологии появилась возможность сваривать толстый металл за один проход, что значительно улучшает качество сварочного шва.

Разогрев металла происходит из-за прохождения электрической дуги через токопроводящий шлак (флюс). В слой шлака вживлены металлические электроды, которые при расплавлении шлака, перенимают токопроводимость на себя, гася тем самым дугу. Последующее бездуговое нагревание происходит исключительно из-за сопротивления металла электрическому току.

Сваривание производят обычно в направлении снизу вверх, ограничивая место сварки медными охлаждаемыми ползунами. Такой способ весьма удобен для заполнения толстых швов нелинейной конфигурации.

Схема электрошлаковой сварки

  • Газовая сварка

Плавление металла производится высокотемпературным факелом сжигаемого горючего газа в среде чистого кислорода. Смешение газов происходит в специальной газопламенной горелке, которая оснащена рукоятками управления интенсивности подачи горючей смеси.

Сварочная ванна заполняется металлом благодаря присадочной проволоке, которая подается в зону плавления.

Для газовой сварки далеко не каждый горючий газ будет приемлемым. Например, пропан имеет примеси, которые окисляют расплавленный метал, шов получается рыхлым и бесформенным.

Технология газовой сварки углеродистых сталей подразумевает использование традиционного ацетилена или более новомодного МАФа.

Недостатком газосварки является ее низкая производительность, повышенные трудозатраты, дороговизна расходных компонентов. Развитие различных технологий электросварки постепенно вытеснило газосварку из повсеместного использования.

Газовая сварка

Перечисленный ряд способов сварки является наиболее популярным, но далеко не полным. Эта отрасль постоянно развивается. Существуют термитная, электролизерная, лазерная, химическая сварки. Даже способ сваривания трением нашел свое место в определенных отраслях производства. Среднеуглеродистые и низкоуглеродистые марки сталей в обозримом будущем вряд ли утратят свою популярность, скорее наоборот. Так что, развитие перспективных технологий сварки еще надолго останется востребованной отраслью.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *