Сварка углеродистых сталей: виды, технология, рекомендации

О чем речь? Сварка углеродистых сталей – технология, активно применяемая в современном производстве и машиностроении. Дело в том, что данный тип металла отличается превосходными литейными качествами, что увеличивает его прочность. Углеродистую сталь используют при создании осей, валов, зубчатых колес.

Что учесть? Повышенное содержание углерода в металле приводит к появлению трещинок в изделиях. Предотвращают их при помощи специфических электродов и сварочной проволоки. Это повышает качество самих швов и прочность сварной конструкции.

Особенности сварки углеродистых сталей

Углеродистая сталь производится путем добавления к железу примесей углерода. В зависимости от доли последних изменяются эксплуатационные свойства металла. Такой сплав отличается повышенной прочностью, при этом его себестоимость относительно невелика, что обеспечило такой стали широчайшее применение в машиностроении.

При сварке углеродистых конструкционных сталей часто возникают сложности, обусловленные повышенной пористостью исходного материала. Это приводит к образованию трещин как на основном изделии, так и на шве. Дефекты могут проявляться как сразу по окончании операции на неостывшем соединении, так и после кристаллизации.

Причиной таких проблем при ручной сварке углеродистых сталей является снижение прочности молекулярных связей, которые возникают между присадочным материалом и основным металлом изделия.

Устранить такие дефекты помогает выполнение сварки углеродистых сталей в защитных газах. Оптимально использование смеси с тремя частями аргона и одной частью углекислоты. Также имеет значение и примененная технология сварных работ.

Читайте также: «Сварка труб из стали: требования, методы, правила»

Основное внимание необходимо уделить следующим условиям:

• В место соединения должно перетекать по возможности меньше углерода, содержащегося в свариваемых изделиях.
• Оптимизация формы шва и снижение содержания в нем химических примесей.
• Использование присадок, повышающих прочность химических связей (кальций, марганец).
• Применение электродов с минимальной концентрацией углерода.

Классификация углеродистой стали

При выполнении сварки углеродистых сталей нужно учитывать следующую особенность. Чем выше концентрация углерода в сплаве, тем он прочнее и тверже, но в ущерб пластичности металла. В этой связи различают несколько типов данного класса сталей.

• Низкоуглеродистые сплавы. Содержат не более 0,25 % углерода, что позволяет сохранить достаточную пластичность и пригодность к обработке готового материала. К условиям сварки углеродистых сталей низколегированных предъявляются не такие жесткие стандарты.
• Среднеуглеродистые стали. Концентрация углерода – от 0,25 до 0,6 %. В результате получается сплав повышенной прочности при достаточном показателе пластичности.
• Высокоуглеродистые стали. Концентрация углерода – 2,14 %. Металл получается особо прочным, но обрабатывать его становится заметно труднее.

Механизированная и любая другая сварка углеродистых сталей сильно зависит от доли примесей углерода. Чем она больше, тем выше риск формирования закалочных структур, которые приводят к образованию трещин в соединении.

Электроды для сварки углеродистых сталей

К электродам и проволоке, используемым при сварке углеродистых сталей, предъявляются особые требования. Они определяются необходимыми свойствами конечного соединения. Оно должно иметь достаточную прочность на разрыв, изгиб, ударную вязкость.

Также имеет значение и покрытие электрода:

1. Основное покрытие (из карбоната и фтора). Отличается минимальным добавлением газов и примесей, что обеспечивает получение качественного шва с отсутствием трещин.
2. Кислое (с добавлением оксида кремния, магния и железа). Шов получаете с пониженными прочностными характеристиками, при сварке образуется немало трещин.
3. Рутиловые (с добавлением диоксида титана). Позволяют поддерживать постоянное горение дуги, дают минимум брызг, области соединения легко очищать от шлака.
4. Целлюлозное. Отличается высокой концентрацией водорода, однако предоставляет дополнительные возможности при соединении деталей.

Виды сварки углеродистых сталей

Для сварки углеродистых сталей создано множество технологий, что обусловлено широким распространением таких материалов в промышленности.

Ручная дуговая сварка углеродистых сталей при помощи штучных электродов

Эта методика применяется наиболее широко. При сварке низкоуглеродистых сталей допускается работа на максимальных режимах. Присадки и сварочные стержни выбираются с учетом состава стали и характера эксплуатации готового изделия.

Читайте также: «Сварка в нижнем положении: особенности и рекомендации»

Если же соединяются заготовки с повышенным содержанием углерода, то необходимо обращать внимание на силу используемого сварочного тока. Она должна быть понижена в целях уменьшения содержания в шве основного металла изделий. Для присадки используют проволоку с легирующими примесями и малой концентрацией углерода. Стержни отличаются повышенным коэффициентом наплавления.

Газовую сварка

При сварке сталей с малым содержанием углеродов применяют нормальное пламя. При значительной толщине деталей подготавливаются кромка, при обработке тонколистовых изделий флюсовая подготовка не нужна. Среднеуглеродистые сплавы соединяются с применением малоуглеродистых присадок и электродов.

Свести к минимуму окисление в сварочной ванне помогает сварка ацетиленовым пламенем. Чтобы предотвратить повышение хрупкости зоны шва, охлаждение целенаправленно замедляется либо выполняется отпуск.

Автоматическая сварка под флюсом

Флюсовая сварка хорошо зарекомендовала себя при обработке малоуглеродистых сплавов. Расплавленные оксидные флюсы, марганцевая, малоуглеродистая проволока позволяют получить достаточное раскисление зоны сварки, что положительно сказывается на прочности шва.

Флюсовая сварка высокоуглеродистых сталей нецелесообразна, так как производительность операции минимальная.

Полуавтоматическая сварка в защитной газовой среде

Выполняется с обязательной подготовкой кромок. Применяется постоянный обратный ток. Для защиты сварочной ванны подходит углекислый газ. Также рекомендуется при выполнении работ подкладывать медный или керамический материал, он позволит сформовать валик без дополнительной шлифовки соединения.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом

Этот метод актуален в тех случаях, когда к качеству шва предъявляются повышенные стандарты качества. Сварка выполняется с применением проволоки, содержащей кремний, который позволяет понизить степень поверхностного натяжения ванны и предотвратить образование пор. В случае выполнения операции путем многопроходного комбинированного соединения толстолистовых изделий аргон дает возможность сформировать надежный корневой шов.

Рекомендации по сварке деталей из углеродистой стали

Как сваривать углеродистые стали?

Сначала кратко и понятно объясним особенности работ при выполнении операции на сплавах с малым содержанием углерода.

Для профессиональных сварщиков эта операция не вызывает трудностей, могут применяться любые технологии, сопровождаемые плавлением заготовок. Конкретная методика подбирается с учетом того, что полученное соединение не должно иметь критических внешних дефектов.

Читайте также: «Импульсная сварка: принцип работы, подготовка, настройка»

При соединении легированных низкоуглеродистых металлов основной материал отличается от металла соединения.

• В шве повышена концентрация кремния и марганца при одновременном понижении доли углерода.
• Отмечается изменение физических характеристик зоны, прилегающей к шву, а именно соответствующий участок приобретает повышенную прочность вследствие перегрева.
• Возможно снижение ударной вязкости материала на участке около шва (особенно это характерно для нестареющих легированных металлов).
• Если сварка выполняется в несколько слоев, то металл в зоне соединения приобретает хрупкость.

При соединении путем плавления заготовок все эти особенности не влияют существенно на качество соединения.

Сварка низкоуглеродистых сталей газом также чаще всего не вызывает сложностей. Флюс не используется, при правом методе сварки на каждый миллиметр толщины заготовки тратится 120-150 см³ ацетиленовой смеси, при левом чуть меньше – 100-1360 см³. Если применяется ацетиленовое пламя (с расходом газа до 200 см³), то проволока должна иметь увеличение сечение.

Электроды с покрытием также обеспечивают высокое качество сварки низкоуглеродистых сталей. Лучшие результаты позволяют получить рутиловые электроды (Э46Т), кальциево-фтористорутиловые (Э42А). Также у профессионалов часто применяются стержни с железным порошковым покрытием.

Флюсы АН-22, ФЦ-1, АН-8, ФЦ-7, АН-8М применяются при электрошлаковой сварке. Проволока должна соответствовать материалу изделий. В частности, сталь марки Ст3 соединяется с использованием Св-08Гс, Св-10Г2, СВ-08ГА, кипящие стали – при помощи Св-08А.

Сварка среднеуглеродистых сталей

Среднеуглеродистые стали сваривать сложнее. Тому есть несколько причин.

• Основной и наплавленный металл имеют разные прочностные характеристики.
• Трещины рядом с соединением возникают чаще.
• Недостаточная устойчивость к образованию кристаллизационных дефектов.

Читайте также: «Сварка вертикальных швов: как правильно выполнять»

Указанные проблемы позволяют решить следующие меры:

• Электроды и стержни должны иметь в своем составе минимальную долю углерода.
• Необходимо выбирать электроды с увеличенным показателем наплавления металла.
• Во избежание прожога материала изделий необходимо до начала работ выполнять разделку кромок, правильно отрегулировать настройки сварочного аппарата, а также применять подходящую присадочную проволоку.
• Изделия перед началом сварки надо достаточно нагреть, повышенная температура околошовной области также должна поддерживаться на протяжении всего процесса выполнения работ.

Если следовать перечисленным советам, то можно получить соединение высокого качества и при сварке среднеуглеродистых сплавов.

Также нужно обращать внимание на следующие моменты:

• До начала работ кромки соединяемых деталей нужно тщательно очистить от окалины, грязи, пыли, которые при выполнении работы активно выделяют водород и становятся источником образования пор. Зачистке подвергается околошовная зона шириной до 1 см. В этом случае соединение будет иметь надлежащие прочностные характеристики.
• Сборка изделий под сварку предполагает оставление зазора, его ширина должна быть на 1-2 мм больше, чем та, которая выбирается при работе с нормально свариваемыми сплавами.
• При сечении деталей свыше 4 мм обязательно выполняется предварительная разделка кромок.
• Во избежание прожога детали и достаточного охлаждения важное значение имеет режим сварки. При оптимальных параметрах твердость наплаванного металла не должна превышать показатель 350 HV.
• Швы с повышенными требованиями к качеству обязательно свариваются не менее чем в два прохода. Нельзя часто прерывать дугу, делать прижег изделия, выводить на него кратер.
• Заготовки должны нагреваться до температуры 100-400 градусов по Цельсию. Оптимальный нагрев повышается по мере повышения содержания углерода в сплаве и увеличения сечения заготовки.

Можно ли варить высокоуглеродистые стали?

Обычно изделия из таких сталей не удается качественно сварить традиционными методами. Однако в строительстве, ремонте нередко возникает необходимость в выполнении такой операции. В этом случае используются те же рекомендации и оборудование, которые применяются при соединении среднеуглеродистых сплавов.

Однако имеются дополнительные ограничения. Температура окружающего воздуха должна быть не менее 5 градусов выше нуля, также не допускается присутствие сквозняков в помещении.

Читайте также: «Как выполнить точечную сварку своими руками»

Стали с примесью углерода не более 0,75 % свариваются газом при помощи углеродного или нормального пламени, расход ацетилена не должен превышать 90 м³ в час. Также заготовки предварительно нагреваются до 400 градусов. При несоблюдении этого требования невозможно будет получить качественное соединение. При выполнении работ применяется левый метод, позволяющий уменьшить временной интервал, в течение которого металл остается в жидком и перегретом состоянии.

Часто задаваемые вопросы о сварке углеродистых сталей

Допускается ли сварка углеродистых сталей с нержавеющими сплавами?

Да, такая операция технически возможна.

Как производится сварка углеродистых сталей полуавтоматом под флюсом?

Сварка автоматом или полуавтоматом сталей с малым содержанием углерода выполняется с использованием флюса и плавящейся проволоки СВ-08 (-А, -ГА) сечением 1,2-3 мм. В качестве защитного газа применяется смесь АН-348-А либо ОСЦ-45.

Если перед сваркой не провести разделку кромок, то в соединении может увеличиться концентрация углерода, что обеспечит повышение прочности шва, но уменьшит его пластичность.

Сварка полуавтоматом малоуглеродистых металлов непригодна для формирования угловых и сложных соединений, поскольку появляются многочисленные закалочные структуры рядом с соединением. Качество сварки можно повысить, если изделия предварительно нагреть.

Чем можно заменить дуговую сварку углеродистых сталей?

В качестве альтернативы можно использовать лучевую сварку. Она бывает двух типов. В электролучевой применяется направленное воздействие заряженными частицами, а в лазерно-лучевой – направленное воздействие потоком фотонов.

Однако эта технология может использоваться только в промышленных условиях, поскольку отличается высокими издержками и сложностью настройки оборудования. Преимуществом такое методики является ее автоматизация, минимальное время и площадь нагрева заготовки, высокая производительность работ, что позволяет использовать этот способ для сварки труб из углеродистой стали.

Читайте также: «Ацетиленовая сварка: оборудование, технология»

Также не позволяет решить всех проблем сварка таких сталей плазменным, электрошлаковым, контактным методом, хотя расход ресурсов при их выполнении значительно выше, чем при использовании других технологий. В настоящее время активно ведутся разработки в области сварки таких материалов трением.

Мы рассмотрели особенности сварки сплавов с содержанием углерода. Как видите, эта операция довольно сложна и должна производиться при обязательном соблюдении ряда специфических требований. Чем выше содержание углерода, тем сложнее выполнение работы.