Сварка низколегированных сталей нашла широкое применение при изготовлении конструкций в строительстве. Связано это с тем, что низколегированные конструкционные стали обладают повышенной прочностью и, благодаря этому, металлоконструкции получаются облегчёнными, а, следовательно, более экономичными.
Как правило, свариваемость низколегированных конструкционных сталей удовлетворительная. Но, необходимо учесть, что при содержании углерода в составе стали более, чем 0,25%, возникает риск образования и развития закалочных структур и горячих трещин в сварном шве. Кроме того, ставится вероятным появление других дефектов сварного шва, например, образование пор. И получается это вследствие выгорания углерода при сварке.
Особенности маркировки
Стандарты изготовления и марки низколегированных сталей определяет ГОСТ 19282-73. Его применяют для работы с рулонными, широкополосными, толстолистовыми материалами, способ обработки не важен (это может быть фасон, поковка, штамповка, пр.). Стальные сплавы используют при строительстве зданий, сварке, сборке разных конструкций, в машиностроении.
По ГОСТ в маркировке должны указываться такие данные:
- группа цифр в самом начале – указывает процентное содержание углеродов в стали;
- буква для легирующего элемента, цифры, указывающие на его процентное содержание (когда менее 1%, цифра не указывается вообще).
Пример маркировки на сплаве 18ХГТ:
- углеродистые части – 0.18%;
- марганец;
- хром;
- титан.
Поскольку цифры не указаны, остальных элементов в сплаве не более 1%.
Высококачественная сварка конструкционных сталей
Для сварного соединения таких металлических сплавов отлично подходит дуговая ручная сварка. При этом могут использоваться электроды Э44А и Э50А. Если же требуется выполнить максимально прочное качественное соединение, используют электроды марки ДСК-50 и УОНИ 13/55. Для повышения прочности соединения также рекомендуется выполнять работу на постоянном токе с обратной полярностью. Сварка проводится при пониженных показателях сварочного тока, когда на 1 миллиметр диаметра электрода приходится порядка 50 Ампер мощности. При использовании технологии дуговой сварки для соединения низколегированной стали используют соответствующую сварочную проволоку и дополнительный флюс.
Отметим, что выполнение сварочных работ может проводиться при температуре не ниже -10 градусов. В том же случае если возникает необходимость выполнения работ при более низких температурах, необходим качественный дополнительный подогрев. В данном случае ширина зоны подогрева по обе стороны соединительного шва составляет около 100 миллиметров. Оптимальная температура подогрева составляет 150 градусов. При температурах ниже минус 25 градусов сварка низколегированных сталей недопустима.
Свойства сплавов
Характеристики основных легирующих элементов:
- Кремний – нужен для легирования, недорого стоит, зависимость твердости готового сплава от объемного включения кремния в состав прямая. Элемент незаменим при выплавке строительных сталей, может применяться с марганцем, другими компонентами.
- Вольфрам с молибденом нужны для увеличения тепловой стойкости, их используют, если готовые конструкции, изделия будет постоянно эксплуатировать при повышенных температурных воздействиях.
- Ванадий – важный элемент процесса комплексного легировании, позволяет получать сплавы с равномерной структурой.
- Хром – отвечает за стойкость стали к коррозии, степень ее твердости. Устойчивость повышают титан, никель, молибден – можно заменять хром этими компонентами.
- Медь – элемент, который отвечает за степень пластичности готовых материалов. Ее не должно быть слишком много, иначе легированный стальной сплав начнет налипать на прочие рабочие поверхности. Для конструкционных сталей, используемых в зонах повышенного трения, это большой минус.
Также стали низколегированного типа различаются по типам обработки. Термовоздействия – отпуск, закалка, отпуск, нормализация, они могут применяться в разных сочетаниях. Различаются также параметры отжига, свойства свариваемости.
Для распознавания маркировки нужно учитывать первые буквы, используемые для обозначения сортамента. Ж, Х, Е – это магнитная, хромистая либо нержавеющая группа. С – хромоникелевая, с выраженными нержавеющими свойствами. Те сплавы, которые относят к быстрорежущим, шарикоподшипниковым обозначают как Р или Ш.
А и Ш – легированные сплавы высокого качества. Для обычного качества такие буквы не используют. Специальное обозначение имеют полученные прокатным методом материалы – это ТО или Н, то есть термообработка или нагартовка соответственно. Точный химсостав разных марок описан в ГОСТах и специализированной литературе. Понимание основных принципов маркировки сплавов позволит вам разбираться в составе материалов на так называемом бытовом уровне.
Высоколегированные
Высоколегированные сплавы, кроме других примесей, обычно содержат не менее 16% хрома и не менее 7% никеля. Благодаря этим и другим добавкам высоколегированные сплавы обладают высокой стойкостью к низким температурам, коррозии и высоким температурам.
Но каждая марка имеет свою специализацию, в которой она обладает предельными характеристиками. По назначению высоколегированные стали можно разделить на жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие.
После термообработки они повышают свою прочность и пластичность. При закалке пластичные свойства у них улучшаются.
Специфичность
Высоколегированные сплавы имеют настолько выдающиеся характеристики, что их применяют везде, где позволяет это сделать целесообразность и цена продукта.
Но в каждом конкретном изделии требования к ним разные. Соответственно, при проведении сварочных работ к сварным швам предъявляются разные требования по прочности и пластичности, что приводит к разным подходам в сварочных работах. То есть здесь все индивидуально.
Наличие большого количества подходов в сварке высоколегированных сталей связано с тем, что они обладают очень специфичными теплофизическими свойствами.
Они имеют низкий коэффициент теплопроводности и высокий коэффициент теплового расширения. В сочетании они предъявляют к процессу сварки противоречивые требования.
Низкая теплопроводность приводит к увеличению глубины проплавления стали. А высокий коэффициент температурного расширения вызывает деформации вплоть до коробления деталей. Для уменьшения коробления необходимо максимально сконцентрировать тепловую энергию. С этим хорошо справляется лазерная сварка.
При ручной электросварке высоколегированных сплавов проводятся те же мероприятия, что и при сварке среднелегированных сплавов. Главная задача минимизировать попадание водорода в сварочную зону, иначе это вызывает появление пор и трещин.
Выбор технологи
Для высоколегированных сплавов применять газовую сварку не рекомендуется для кислотостойких сталей, так как она вызывает межкристаллитную коррозию. Даже при использовании в сварке жаропрочных сталей происходит коробление изделий.
Сварка под флюсом по сравнению с ручной электродуговой имеет большие плюсы благодаря тому, что процесс сварки происходит под защитой в постоянной среде с одинаковыми компонентами. Нет необходимости менять электроды, что вызывает образование кратеров.
Сварка под флюсом обеспечивает равномерный шов с заданными характеристиками благодаря защите сварочной ванны от воздействия внешней среды в виде водорода.
Кроме этого уменьшаются предварительные работы, так как разделка кромок нужна только при толщине более 12 мм, а ручная дуговая сварка требует разделку кромок производить при толщине металла более 5 мм.
Наиболее эффективной для легированных сталей является лазерная сварка благодаря высокой концентрации энергии на маленькой площади. Это позволяет практически устранить коробление и деформации. Многие легированные сплавы, можно сваривать между собой независимо от вида только при использовании лазерной сварки.
Где применяют низколегированные стали
Применение низколегированных сталей зависит во многом от их состава.
Первыми рассмотрим магистральные газовые, нефтяные системы. Для их обустройства применяем электросварной прямошовный метод. Сырье для изготовления изделий – смеси с невысоким содержанием хрома, алюминия – предельно до 0.3 и 0.05% соответственно.
Стали 13Х используются для инструмента и спецоборудования. Прокаливание сплава не очень хорошее, термообработку больше 250 градусов не применяют.
Чтобы производить качественную арматуру для применения в строительной отрасли, применяют сплавы классов С, ГС, ХГАЮ, пр. Они подойдут для армирования ЖБ конструкций с разными несущими параметрами. Для создания надежных сварных соединений оптимально применять типы АФД, АФЮ, ГС, Сложные здания делают с применением сплавов вроде 12ХГН2МФБАЮ. Последний тип стали обязательно сначала закаливают, потом делают низкий отпуск.
В машиностроении
- Марганцевый сплав 09Г2 для создания обвязки, двутавров, балок хребтового типа. Температурные режимы эксплуатации – +450°.
- Марганцевые стали 10Г2С1 для сосудов, котлов, которые работают под давлением.
- Сплавы с медью 10ХНДП незаменимы в создании сложных машиностроительных конструкций.
- Марганцево-медные стальные низколегированные сплавы типы 12Г2СМФ выдерживают любые нагрузки, незаменимы при сооружении пролетных облегченных конструкций.
Отдельный вопрос – выбор сталей для эксплуатации в постоянно неблагоприятных условиях, то есть при осадках, низких температурах воздуха. Стойко такие воздействия выдерживают марки, произведенные согласно ГОСТ 19282. Такие стали не боятся коррозии, разрушений, не подвержены другим негативным изменениям.
Свариваемость низколегированных сталей
К низколегированным
относят такие стали, которые легированы одним или несколькими элементами при содержании каждого из них ≤2% и суммарном содержании легирующих элементов ≤5%. Эти стали делят на три группы: низкоуглеродистые конструкционные; жаропрочные; среднеуглеродистые конструкционные.
Низкоуглеродистые низколегированные
конструкционные стали можно в свою очередь разделить на стали повышенной прочности и высокопрочные.В сталях повышенной прочности (НЛ1, НЛ2, 10Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 12ХГН, 09Г2ДТ и др.) содержание углерода не превышает 0,23%. Эти стали используют в машиностроении и строительстве. Поставляют их преимущественно в горячекатаном виде.
Легирующие элементы — Mn, Si, Ni, Cr, Сu, Ti — растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики таких сталей повышаются и предел прочности доходит до 55 кГ/мм2.
По своей свариваемости стали этой группы мало отличаются от нелегированных низкоуглеродистых. Однако они более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях охлаждения в ней могут появиться неравновесные структуры закалочного характера.
Низкоуглеродистые высокопрочные
стали (14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ и др.) относят к термически упрочняемым сталям, для которых наряду с высокой прочностью (σв ≥ 80 кГ/мм2) характерны достаточная пластичность, вязкость, повышенное сопротивление хрупким разрушениям, коррозионная стойкость и др. Применение таких сталей в машиностроении и строительстве позволяет значительно снизить вес конструкций и повысить их несущую способность. Упрочнения этих сталей достигают сочетанием минимального легирования с термической обработкой — обычно закалкой и отпуском. Таким образом создается весьма измельченная структура с мелкодисперсными упрочняющими частицами карбидов или нитридов.
Однако свариваемость высокопрочных сталей хуже свариваемости низкоуглеродистых низколегированных, так как:
1) в околошовной зоне сварных соединений возможно образование холодных трещин; 2) в зоне термического влияния вероятно появление участка разупрочнения, снижающего прочность сварного соединения.
Вследствие наличия легирующих элементов, повышающих устойчивость аустенита, эти стали чувствительны к скорости охлаждения. Но опасность возникновения холодных трещин в околошовной зоне здесь меньшая, чем в углеродистых конструкционных сталях, так как мартенситное (или бейнитное) превращение из-за низкого содержания углерода протекает при относительно высоких температурах (> 350 °С) и сопровождается сравнительно низкими напряжениями второго рода (микронапряжениями). К тому же малоуглеродистый игольчатый мартенсит, или бейнит-структура, более пластичен. Все же. поскольку эти структуры обладают пониженной проницаемостью для водорода, диффундирующий из шва водород скапливается на границах зерен, имеющих неупорядоченное строение с большей концентрацией дефектов и искажений, и создает дополнительные микронапряжения, способствующие появлению холодных трещин. Уменьшение скорости охлаждения в околошовной зоне, как и средства по снижению количества растворенного в металле сварочной ванны водорода, позволяют получить стойкий в отношении холодных трещин металл.
Рис 190. Кривые распределения по длине зоны l твердости в сварном соединении из термоупрочненных сталей.
Разупрочнение в зоне термического влияния, сопровождаемое провалом твердости (рис. 190), может достигать 30% и более. Его появление связано с действием сварочного нагрева и касается тех участков зоны, максимальная температура нагрева которых лежит в пределах 500 °С — Асз (участки рекристаллизации и неполной перекристаллизации). Чаще всего разупрочнение связано с двумя процессами: 1) распадом пересыщенного твердого раствора и обеднением его упрочняющими легирующими элементами; 2) образованием карбидных фаз и коагуляцией их. Степень разупрочнения зависит от химического состава стали и ее термической обработки и увеличивается с повышением погонной энергии сварки: на рис. 190 кривая 1 представлена для стали 14ХМНДФР (qп — 8000 кал/см); кривая 2 — для 15ХСНД (qп — 7500 кал/см), а кривая 3 — для стали 15ХНД (qп — 12 ООО кал/см).
Значительно уменьшить и даже устранить разупрочнение можно, увеличив скорость охлаждения при сварке. Однако в этом случае следует учитывать возможность появления закалочных структур в околошовной зоне. Поэтому регулировать термический цикл при сварке термоупрочняемых сталей следует весьма продуманно.
Жаропрочные низколегированные
стали (15М, 15ХМА, 20ХМА, 20ХМФЛ и др.) обладают повышенной технической прочностью при высоких температурах и длительных постоянных нагрузках. Их жаропрочность оценивается величиной предела ползучести (Ползучесть—это способность нагретого до высокой температуры металла постепенно пластически деформироваться под воздействием длительной постоянной нагрузки. Отсюда предел ползучести— напряжение, при котором через определенный промежуток времени при заданной температуре деформация ползучести получит заранее установленную величину) и предела длительной прочности (Пределом длительной прочности называется минимальное напряжение, вызывающее разрушение металла при заданной температуре за определенный отрезок времени (1000 ч, 10 000 ч и т. д.)). Применяют эти стали для изготовления конструкций, работающих в условиях высоких температур (350— 450 °С) и значительных напряжений, а также в средах, способствующих химическому и механическому разрушению металла (паровые котлы, нефтеаппаратура и пр.).Обычно в такие стали для повышения их жаропрочности вводят специальные легирующие элементы (Mo, V, W). которые повышают температуру разупрочнения металла при нагреве и стойкость металла к разупрочнению. Для одновременного повышения жаростойкости стали в ее состав вводят Сr, создающий защитную пленку оксидов на поверхности металла (жаростойкость — устойчивость против окисления при высоких температурах). Применяют жаропрочные стали, как правило, после термообработки (нормализация с отпуском, закалка с отпуском и др.).
Стали этой группы обладают удовлетворительной свариваемостью. Однако при этом нужно обязательно получать металл шва, близкий по составу к основному, чтобы предупреждать развитие диффузионных процессов в условиях высоких температур. Тем самым достигается и необходимая равнопрочность металла шва с основным металлом.
Жаропрочные низколегированные стали характеризуются повышенной чувствительностью к закалке. Поэтому в околошовной зоне могут образовываться метастабильные хрупкие структуры мартенсита и холодные трещины. Чтобы создать в свариваемом металле условия, при которых околошовная зона охлаждалась бы со скоростью, не превышающей допустимую, применяют предварительный подогрев изделия. Температуру подогрева и режим сварки определяют соответствующим расчетом. Обычно температура подогрева хромо-молибденовых жаропрочных сталей лежит в пределах 200 — 300 °С. После сварки все изделия из жаропрочных низколегированных сталей подвергают термической обработке (чаще — нормализации с отпуском, иногда — высокому отпуску для выравнивания структуры и снятия сварочных напряжений).
Средне углеродистые низколегированные
конструкционные стали (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХМ и др.), наиболее широко применяемые в машиностроении, используют преимущественно в термически обработанном виде. Такие стали обладают высокими механическими свойствами, в особенности прочностными характеристиками (σв = 80 ÷ 110 кГ/мм2).
Свариваемость среднеуглеродистых низколегированных сталей значительно хуже, чем сталей ранее рассмотренных групп, что связано с повышенной склонностью металла шва и околошовной зоны к образованию трещин. Свариваемость этих сталей имеет много общих черт со свариваемостью среднелегированных сталей перлитного класса.
Среднелегированные стали
Среднелегированные стали содержат углерод в количестве от 0,4% и более. Они легированы в основном Ni, Mo, Cr, V, W. Оптимальное сочетание прочности, вязкости и пластичности достигается после закалки и низкого отпуска. Такие среднелегированные стали, как ХВГ, ХВСГ, 9ХС, пользуются большим спросом за счет своих легирующих добавок при изготовлении сверл, разверток и протяжек.
Эти стали выплавляют из чистых шихтовых материалов для повышения пластичности и вязкости. Также их тщательным образом очищают от фосфора, серы, газов и различных неметаллических включений. В этом случае стали могут подвергаться электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, рафинированию в ковше жидкими синтетическими шлаками. Хорошее сочетание прочности, вязкости и пластичности среднелегированных сталей достигается термомеханической обработкой.
Технология сварки среднелегированных металлов
Чтобы обеспечить эксплуатационную надежность сварных соединений, нужно при выборе сварочных материалов стремиться к получению швов такого химического состава, при котором их механические свойства имели бы требуемые значения. Степень изменения этих свойств зависит от доли участия основного металла в формировании шва. Поэтому следует выбирать такие сварочные материалы, которые содержат легирующих элементов меньше, чем основной металл. Легирование металла шва за счет основного металла позволяет повысить свойства шва до необходимого уровня.
При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно выбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов, обладающих высокой деформационной способностью при минимально возможном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, не содержащих в покрытии органических веществ и подвергнутых высокотемпературной прокалке. Одновременно при выполнении сварочных работ следует исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом (влага, ржавчина и другие).
Для сварки среднелегированных сталей широко применяются аустенитные сварочные материалы. Для механизированной сварки и изготовления стержней электродов в ГОСТ 2246-70 предусмотрены проволоки марок Св-08Х20Н9Г7Т и Св-08Х21Н10Г6, а в ГОСТ 10052-75 — электроды типа ЭА-1Г6 и др. Электродные покрытия применяются вида Ф, а для механизированной сварки — основные флюсы. Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и другие по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75.
Высокое качество сварных соединений толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. При этом для увеличения проплавляющей способности дуги применяют активирующие флюсы (АФ). Сварка с АФ эффективна при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при сварке с АФ выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок активированного вольфрама.
Газовая сварка легированных сталей осуществляется ацетиленокислородом, который обеспечивает качественный сварной шов. Газы-заменители в данном случае применять не рекомендуется. Но даже ацетиленокислород не может стопроцентно гарантировать получение качественного шва. Этого можно достичь только путем применения дуговой сварки.
Двери из металла своими руками — идеальное решение, если вы хотите сэкономить. Закалка стали — обязательный этап в машиностроении, так как от правильности его выполнения зависит качество продукции. Подробнее читайте в этой статье.
Из металла можно делать очень красивые изделия. Интересные идеи вы найдете по https://elsvarkin.ru/prakticheskoe-primenenie/suveniry-i-ukrasheniya-iz-metalla-svoimi-rukami/ ссылке.
Термическая обработка и правка изделий после сварки
Термическую обработку применяют для устранения напряжений, остающихся в изделии после сварки, а также для улучшения структуры металла сварного шва. После сварки или в процессе сварки применяют такие виды термической обработки, как отжиг, нормализация, отпуск.
Нагрев при отжиге изделия в печи ведут постепенно. Для низкоуглеродистой и среднеуглеродистой сталей температура достигает 600 … 680 °С. При этой температуре сталь становится пластичной и напряжения снижаются. После нагрева следует выдержка при достигнутой температуре из расчета 2,5 мин на 1 мм толщины свариваемой детали, но не менее 30 мин. Затем изделие охлаждают вместе с печью. Существуют и другие виды отжига — местный и полный. Режимы отжига выбирают по справочной литературе в зависимости от марки стали.
Рис. 1. Схема правки детали местным нагревом: 1, 2 — деталь до и после правки соответственно; 3 — зона нагрева
Нормализация отличается от отжига тем, что после отжига сварную конструкцию охлаждают на спокойном воздухе. После нормализации сохраняется мелкозернистая структура металла, что позволяет обеспечить его относительно высокие прочность и твердость, но без напряженного состояния.
При газовой сварке сталей термическая обработка служит для повышения пластичности металла шва. В некоторых случаях участки шва нагревают до светло-красного цвета каления и в этом состоянии проковывают. Зерна металла измельчаются, пластичность и вязкость повышаются. Во избежание появления наклепа (новое напряженное состояние) проковку следует прекратить при остывании металла до темно-красного цвета. После проковки необходимо провести повторную нормализацию.
| Таблица 5. Режимы правки листов углеродистой стали ацетиленокислородным пламенем | ||||
| Толщина листа, мм | Номер наконечника горелки по ГОСТ 1077 — 79Е | Скорость нагрева, °С/мин | Ширина зоны нагрева, мм | |
| видимая* | фактическая | |||
| 2 | 3 | 420 | 15 | 20 |
| 3 | 4 | 380 | 15 | 20 |
| 4 | 5 | 270 | 20 | 35 |
| 5 | 6 | 240 | 20 | 35 |
| 6 | 6 | 180 | 30 | 55 |
*При температуре выше 600 °С.
Рис. 2. Схема правки стального листа толщиной 15 мм: I — IV — полосы нагрева; — — — — состояние листа до правки
Для правки изделий часто используют местный нагрев пламенем горелки. Нагревают выпуклую часть изделия, которое нужно выправить (рис. 1). При нагреве металл стремится расшириться, но, так как этому препятствуют холодные участки, возникают напряжения сжатия, вызывающие пластическую деформацию сжатия. При охлаждении в этом участке возникают напряжения растяжения, в результате чего изделие выправляется.
При необходимости повторной правки нагревают следующий участок, не затрагивая соседнего, который уже подвергался нагреву. В табл. 5 приведены ориентировочные режимы правки листов углеродистой стали ацетиленокислородным пламенем.
Толстолистовой металл после резки на заготовительных ножницах имеет ярко выраженную выпуклость. Правку осуществляют нагревом по схеме, показанной на рис. 2.
