Технология сварки углеродистых и низкоуглеродистых сталей

Для различных способов сварки требования к конструктивным элементам подготовки кромок и размерам швов регламентируются соответствующим ГОСТом. Сварные соединения для фиксации входящих в них деталей относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в сборочных приспособлениях или при помощи прихваток. Длина прихваток зависит от толщины металла. Площадь сечения прихваток равна примерно 1/3 площади сечения шва, но не более 25 … 30 мм2. Прихватки выполняют обычно покрытыми электродами или полуавтоматами в углекислом газе. Их рекомендуется накладывать со стороны, обратной наложению основного однопроходного шва или первого слоя в многопроходных швах.

При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины ввиду высокой скорости теплоотвода. Поэтому перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее выругают или удаляют другим способом.

При электрошлаковой сварке детали, как правило, устанавливают с зазором, расширяющимся к концу шва. Взаимное положение деталей фиксируют скобами, установленными на расстоянии 500 … 1000 мм друг от друга и удаляемыми по мере наложения шва. При автоматических способах дуговой сварки и электрошлаковой сварке в начале и конце шва устанавливают входные и выходные планки для обеспечения сварки начала шва с установившимся термическим циклом (требуемыми размерами шва) и вывода кратера с основного шва.

Сварку стыковых швов газовую, вручную покрытыми электродами или полуавтоматами в защитных газах и порошковыми проволоками обычно выполняют на весу. При автоматической сварке предусматривают применение приемов, обеспечивающих предупреждение прожогов и качественный провар корня шва. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений.

Дуговую сварку ответственных конструкций лучше проводить с двух сторон. Более благоприятные результаты получаются при многослойной сварке. В этом случае, особенно на толстом металле, достигаются более благоприятные структуры в металле шва и околошовной зоне. Однако выбор способа заполнения разделки при многослойной сварке зависит от толщины металла и термообработки стали перед сваркой. При появлении в швах дефектов (пор, трещин, непроваров, подрезов и т.д.) металл в месте дефекта удаляется механическим путем, газопламенной, воздушно-дуговой или плазменной строжкой и после зачистки подваривается.

Следует помнить, что при сварке низколегированных сталей выбор техники и режима сварки влияет на форму провара, долю участия основного металла в формировании шва, а также на его состав и свойства.

Газовая сварка. Низкоуглеродистые и низкоуглеродистые низколегированные стали удовлетворительно свариваются газовой сваркой. Для сварки используется нормальное пламя. Применение флюсов не требуется. В качество присадочного металла используются сварочные проволоки марок Св-08; Св-08А; Св-08ГС; Св-12ГС; Св-08Г2С. Мощность пламени при левом способе сварки 100 … 130 л/мм, при правом 120 … 150 л/мм.

Металл шва содержит небольшое количество азота. Это объясняется его небольшой концентрацией в пламени. Водород остается в шве в значительных количествах и может вызывать в них поры. Окисление FeO за счет углерода с образованием СО также может привести к пористости шва. Поэтому рекомендуется применять присадочный металл с пониженным содержанием углерода. Выгорание кремния и марганца может привести к снижению пластичности металла шва — механические свойства металла шва могут быть в некоторой степени улучшены горячей проковкой или последующей термообработкой (нормализация или низкотемпературный отжиг).

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. В зависимости от назначения конструкции и типа стали электроды можно выбирать согласно табл.1. Режим сварки выбирают в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и пространственного положения сварки.

Табл. 1 Марки электродов, применяемых при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Назначение электродов Марки электродов Примечание
Сварка низкоуглеродистых сталей ОММ-5, АНО-3, АНО-4, АНО-5, АНО-6, ЦМ-7, ОЗС-4, ОЗС-6, ОЗС-12, СМ-5 Электроды: АНО-1 для низкоуглеродистых и 09Г2
Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей АНО-1, ВСП-1, ВСЦ-2, УОНИ-13/45, ОЗС-2, ОМА-2
Сварка ответственных конструкций из низкоуглеродистых сталей МР-3
Сварка ответственных конструкций из низко- и среднеуглеродистых и низколегированных сталей ОМА-2, УОНИ-13/55, АН-7, ВСН-3, К-5А, ДСК-50, ОЗС-18, ОЗС-25, ОЗС-33 Электроды: а) УОНИ-13/55 для сталей низкоуглеродистых и 14ХГС; б) ВСН-3 для трубопроводов из стали 10Г2

Табл. 2 Соответствие марок электродов типу электродов

Тип электрода по ГОСТ 9467-75 Марки электродов
Э42 ОММ-5, СМ-5, ЦМ-7, АНО-1, АНО-5, АНО-6, ОМА-2, ОЗС-23
Э42А Э46 УОНИ-13/45, СМ-11, ОЗС-2, АНО-3, АНО-4, МР-1, МР-3, ОЗС-3, ОЗС-4, ОЗС-6, ОЗС-12, ЭРС-1, ЭРС-2, РБУ-4, РБУ-5
Э46А Э50 Э50А Э-138/45Н, УОНИ-13/55К, ВСН-3, УОНИ-13/55,  ДСК-50,  К-5А,  ОЗС-18,  ОЗС-25, ОЗС-33

Табл. 3 Режимы сварки под флюсом

Толщина металла или катет шва, мм Подготовка кромок Тип шва и способ сварки Диаметр электропроводной проволоки, мм Сила тока. А Напряжение дуги, В Скорость сварки, м/ч
А. Автоматическая сварка стыковых швов
8 Без разделки, зазор 2 … 4 мм Односторонний 4 550 … 600 26 … 30 48… 50
12 Свыше 16 Тоже V-образные Двусторонний Односторонний 5 5 650 … 700. 1-й проход 750… 800 2-й проход 30 …34 30… 35 30… 32 20 … 22
Б. Автоматическая сварка угловых швов
5 Без разделки Наклонным электродом 2 260 … 280 28 … 30 28 …30
7 Тоже Тоже 500… 530 30… 32 44 … 46
8 » В лодочку 3 550 … 600 32 …34 28… 30
12 » Тоже 3 600… 650 32 … 34 18 …20
Примечание. Ток постоянной обратной полярности.

Аргон и гелий в «чистом» виде в качестве защитных газов находят ограниченное применение — только при сварке конструкций ответствен­ного назначения.

Сварку в углекислом газе и его смесях выполняют плавящимся электродом. В некоторых случаях для сварки в углекислом газе исполь­зуют неплавящийся угольный или графитовый электрод. Однако этот способ находит ограниченное применение, например при сварке борто­вых соединений низкоуглеродистых сталей толщиной 0,3 … 2 мм (ка­нистр, корпусов конденсаторов и т.д.). Так как сварка выполняется без присадки, содержание кремния и марганца в металле шва невелико. В результате прочность соединения обычно составляет 50 … 70 % проч­ности основного металла.

При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом швов, расположенных в различных пространственных поло­жениях, обычно используют электродную проволоку диаметром до | 1,2 мм; при сварке в нижнем положении — диаметром 1,2 … 3,0 мм. Для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей используют леги­рованные электродные проволоки марок Св-08ГС и Св-08Г2С. Проволоку марки 12ГС можно использовать для сварки низколегированных сталей 14ХГС, 10ХСНД и 15ХСНД и спокойных углеродистых сталей марок Ст1сп и Ст2сп. Однако с целью предупреждения значительного повыше­ния содержания углерода в верхних слоях многопроходных швов эту проволоку обычно применяют для сварки одно-трехслойных швов.

Повышение коррозионной стойкости швов в морской воде достига­ется использованием электродной проволоки марки Св-08ХГ2С. Струк­тура и свойства металла шва и околошовной зоны на низкоуглеродистых и низколегированных сталях зависят от марки использованной электрод­ной проволоки, состава и свойств основного металла и режима сварки (термического цикла сварки, доли участия основного металла в формиро­вании шва и формы шва). Влияние этих условий сварки и технологиче­ские рекомендации примерно такие же, как и при ручной дуговой сварке и сварке под флюсом.

На свойства металла шва значительное влияние оказывает качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а так­же влаги в швах могут образоваться поры. Сварка в углекислом газе ме­нее чувствительна к отрицательному влиянию ржавчины. Увеличение напряжения дуги, повышая угар легирующих элементов, приводит к сни­жению механических свойств шва. Некоторые рекомендации по режимам сварки приведены в табл. 4.

Табл. 4 Режимы полуавтоматической и автоматической сварки в углекислом газе.

Толщина металла, мм Катет шва, мм Зазор, мм Число слоев Диаметр электродной проволоки, мм Сила тока, А Напряжение дуги, В Скорость сварки оного слоя, м/ч Расход газа на один слой, л/мин
Стыковые швы
1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0 1,2 … 2,0
3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5 3 … 5
6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8 6 … 8
8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2 8 … 2
Угловые швы
1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0 1,5 … 2,0
3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0 3,0 … 4,0
5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0 5,0 … 6,0

Сварка на повышенных силах тока приводит к получению металла швов с пониженными показателями пластичности и ударной вязкости, что, вероятно, объясняется повышенными скоростями охлаждения. Свой­ства металла шва, выполненного на обычных режимах, соответствуют свойствам металла шва, выполненного электродами типа Э50А. В про­мышленности находит применение и сварка в углекислом газе порошко­выми проволоками. Технология этого способа сварки и свойства сварных соединений примерно те же, что и при использовании их при сварке без дополнительной защиты.

Сварка порошковой проволокой. Сварка открытой дугой порош­ковой проволокой является одним из перспективных способов. В про­мышленности находят применение порошковые проволоки марок ПП-1ДСК, ПП-2ДСК, ПП-АНЗ, ПП-АН4, ЭПС-15/2 и др. Использование проволоки ПП-1ДСК при сварке угловых и стыковых швов с зазором между кромками может привести к получению в швах пор.

Проволока ЭПС-15/2 для получения швов без пор требует соблюде­ния режимов в узком диапазоне. Большие рабочие токи ограничивают применение этой проволоки для сварки металла малых толщин.

Проволоки ПП-АН7 и ЛП-2ДСК имеют хорошие сварочно-технологические свойства в широком диапазоне режимов (табл. 5).

Табл. 5. Оптимальные режимы сварки порошковыми проволоками (нижнее положение)

Марка проволоки Диаметр проволоки, мм Стыковой шов Угловой шов в лодочку
Сила тока, А Напряжение дуги, В Скорость подачи проволоки, м/ч Сила тока, А Напряжение дуги, В Скорость подачи проволоки, м/ч
ПП-1ДСК 1,8 200 … 350 25 … 30 200 … 300 26 … 31
ПП-2ДСК 2,3 400 … 450 25 … 31 382 340 … 380 29 … 32 382
ПП-АНЗ 3,2 450 … 525 26 … 32 265 450 … 560 27 … 31 265
ПП-АН4 2,3 500 … 600 28 … 29 382 440 … 475 30 … 34 382
ЭПС-15/2 2,2 320 … 360 29 … 32 337 320 … 330 29 … 32 337

Приведенные в табл. 6 данные показывают, что механические свойства металла швов при сварке порошковыми проволоками находятся примерно на уровне свойств соединений, выполненных электродами типа Э50А по ГОСТ 9467-75. Для сварки ответственных конструкций из низ­коуглеродистых и низколегированных сталей можно рекомендовать про­волоки ПП-2ДСК и ПП-АН4, обеспечивающие хорошие показатели хладноломкости швов.

Табл. 6 Механические свойства швов при сварке низкоуглеродистых сталей порошковыми проволоками

Марки проволоки σт ,МПа σв, МПа δ5, % Ударная вязкость (Дж/см2) при температуре, °С
+20 -20 -40 -60
ПП-1ДСК 536 26,0 78 43 8 6
ПП-2ДСК 360 481 30,1 160 139 123 84
ПП-АНЗ 395 514 30,2 126 92 27
ПП-АН4 416 530 26,7. 111 129 27
ПП-АН7 520 28,4 199 143 26 12
ЭПС-15/2 416 501 26,6 163 140 63 7

Электрошлаковая сварка. Электрошлаковую сварку широко при­меняют при изготовлении конструкций из толстолистовых низкоуглеро­дистых и низколегированных сталей. При этом равнопрочность сварного соединения достигается за счет легирования металла шва через электрод­ную проволоку и перехода элементов из расплавляемого металла кромок основного металла. Последующая термообработка помимо снижения ос­таточных напряжений благоприятно влияет и на структуру и свойства сварных соединений.

При электрошлаковой сварке рассматриваемых сталей используют флюсы АН-8, АН-8М, ФЦ-1, ФЦ-7 и АН-22. Выбор электродной прово­локи зависит от состава стали. При сварке спокойных низкоуглероди­стых сталей с содержанием до 0,15% углерода хороших результатов дос­тигают при использовании проволок марок Св-08А и Св-08ГА. Для пре­дупреждения образования газовых полостей и пузырей при сварке кипя­щих сталей, содержащих мало кремния, рекомендуется электродная про­волока Св-08ГС с 0,6 … 0,85 % Si. При сварке сталей марок СтЗ и некото­рых марок низколегированных сталей удовлетворительные результаты получают при использовании электродных проволок марок Св-08ГА, Св-10Г2 и Св-08ГС, а стали ЮХСНД-Св-08ХГ2СМА (табл. 7).

Табл. 7 Ориентировочные режимы электрошлаковой сварки низкоуглеродистых сталей

Толщина металла, мм Сила тока на один элек­трод, А Напряжение сварки, В Число электродов Диаметр (сечение) электродов, мм Расстояние между электродами, мм Скорость, м/ч
подачи электродов сварки
Проволочный электрод
30
70
350 … 370
650
32 … 34
47
1 2,5 172 0,9 … 1,0
371 …400 1,0 … 1,16
90 150 200 250 600 … 620
450 … 500
550
500 … 550
42 … 46 44 … 50 46 … 48 50 … 55 2 3,0 45… 50
65
90
125
300
220 … 240
250
230… 250
1,6
0,8 … 0:9 0,5
0,4 … 0,5
340 400 … 450 46 …48 3 110 200… 220 0,3
Пластинчатый электрод
100 200 300 1000 … 1200 1000 … 1200 1500 … 1800 28 … 30 28 … 30  30 … 32 1  2
3
10×90
10×90
10х135
1,6
1,6
1,6
0,5
0,5
0,45