Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Сварка конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Состав и свойства сталей

Углерод является основным легирующим элементом в углеродистых конструкционных сталях и определяет механические свойства сталей этой группы. Повышение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов. Стали с содержанием углерода до 0, 25% относятся к низкоуглеродистым. По качественному признаку углеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления стали обыкновенного качества обозначают: кипящую — кп, полуспокойную — пс и спокойную — сп. Кипящая сталь, содержащая не более 0, 07% Si, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Спокойные стали получаются при раскислении марганцем, алюминием и кремнием и содержат не менее 0, 12% Si; сера и фосфор распределены в них более равномерно, чем в кипящих сталях. Эти стали менее склонны к старению и отличаются меньшей реакцией на сварочный нагрев. Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. Сталь обыкновенного качества поставляют без термической обработки в горячекатаном состоянии. Изготовленные из нее конструкции также не подвергают последующей термической обработке.

Сталь углеродистую обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380—71 подразделяют на три группы. Сталь группы А поставляют по механическим свойствам и для производства сварных конструкций не используют (группу А в обозначении стали не указывают; например, СтЗ). Сталь группы Б поставляют по химическому составу, а группы В по химическому составу и механическим свойствам. Перед обозначением марки этих сталей указывают их группу, например, БСтЗ, ВСтЗ. Полуспокойную сталь марок 3 и 5 производят с обычным и повышенным содержанием марганца (после номера марки ставят букву Г). Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех степеней раскисления и сталь ВСтЗГпс, а также стали БСт1, БСт2, БСтЗ всех степеней раскисления и сталь БСтЗГпс поставляются с гарантией свариваемости. Для ответственных конструкций используют сталь группы В.

Углеродистую качественную сталь с нормальным (марки 10, 15 и 20) и повышенным (марки 15Г и 20Г) содержанием марганца поставляют в соответствии с ГОСТ 1050—74 и ГОСТ 4543—71. Она содержит пониженное количество серы. Стали этой группы для изготовления конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации или закалки с отпуском (термоупрочнение). Механические свойства этих сталей зависят от термической обработки. Сварные конструкции, изготовленные из этих сталей, для повышения прочностных свойств можно подвергать последующей термической обработке.

Стали, содержащие специально введенные элементы, которые отсутствуют в углеродистых сталях, называют легированными. Марганец считают легирующим компонентом при содержании его в стали более 0, 7% по нижнему пределу, а кремний — при содержании свыше 0, 4%. Поэтому углеродистые стали марок ВСт3Гпс, 15Г и 20Г с повышенным содержанием марганца по свариваемости следует отнести к низколегированным конструкционным сталям. Легирующие элементы, вводимые в сталь, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химические соединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.

В промышленности при производстве сварных конструкций широко используют низкоуглеродистые низколегированные стали. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях не превышает 4, 0% (не считая углерода), а углерода 0, 25%.

В зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов низколегированные стали разделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремненикелемедистые и т. д. Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравнению с другими низколегированными сталями марганцовистые стали позволяют получать сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Введение в низколегированные стали небольшого количества меди (0, 3—0, 4%) повышает стойкость стали против коррозии (атмосферной и в морской воде). Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Термическая обработка улучшает механические свойства стали, которые, однако, зависят от толщины проката. Особенно важно, что при этом может быть достигнуто значительное снижение температуры порога хладноломкости. Поэтому некоторые марки низколегированных сталей для производства сварных конструкций используют после упрочняющей термической обработки.

Сталь 15ГС

Марка: 15ГС

Классификация: Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций

Применение: используется для производства стационарных трубопроводов питательной воды котлов СВП, работающих при температуре 280 градусов.

Химический состав в % материала 15ГС

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.12 - 0.18	0.7 - 1	0.9 - 1.3	до 0.3	до 0.03	до 0.04	до 0.3	до 0.3

Технологические свойства материала 15ГС.

Свариваемость:	без ограничений.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Механические свойства при Т=20^oС материала 15ГС.

Сортамент	Размер	Напр.	s_в	s_T	d₅	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м²	-
Трубы		Прод.						Нормализация 900 - 930^oC, воздух,
Трубы		Поп.						Нормализация 900 - 930^oC, воздух, Обозначения:

Механические свойства:
s_в	- Предел кратковременной прочности, [МПа]
s_T	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d₅	- Относительное удлинение при разрыве, [ % ]
y	- Относительное сужение, [ % ]
KCU	- Ударная вязкость, [ кДж / м²]
HB	- Твердость по Бринеллю, [МПа]

Свариваемость:
без ограничений	- сварка производится без подогрева и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая	- сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая	- для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки - отжиг

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Электроды выбирают в зависимости от назначения конструкций и типа стали (таблица 1), а режим сварки — в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и пространственного положения сварки.

Таблица 1. Механические свойства металла шва и сварного соединения при ручной дуговой сварке углеродистых и низколегированных сталей металлическими покрытыми электродами

Тип электрода по ГОСТ 9467-75: Э42

Марка электрода	σ _т	σ _в	δ	ψ	а_н, кгс*м/см², при темпе-ратуре, ⁰C	Угол загиба α, град	Типичный коэффициент наплавки, г/(А*ч)	Род тока
кгс/мм²	%	+20	-40
ОММ-5					10, 0	5, 0		7, 2	Постоянный
	Основное назначение электродов: Сварка ответственных конструкций из низкоулеродистых сталей
СМ-5					12, 0	8, 0		7, 2	Постоянный и переменный
	Основное назначение электродов: Сварка конструкций из низкоуглеродистых сталей
ЦМ-7 КПЗ-32Р УНЛ-1	36 38 -	48 47 48	22 22 23	55 45 -	10 10 12, 3	4, 0 - 9, 5	160 180 160	10, 6 8, 0 8, 0	Постоянный и переменный
	Основное назначение электродов: Сварка низкоуглеродистых сталей То же Сварка низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей с σ _т=38 кгс/мм²
АНО-5 АНО-6 АНО-1	35, 0 33, 0 38, 0	47, 0 45, 0 46, 0	25, 0 26, 0 28, 0	60, 0 60, 0 60, 0	14, 0 14, 0 13, 0	8, 0 8, 0 8, 0	180 180 180	11, 0 8, 5 15, 0	Постоянный и переменный
	Основное назначение электродов: Сварка низкоуглеродистых сталей То же Сварка низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей
ОМА-2	-	46, 0	19, 0	-	-	-		10, 0	Постоянный и переменный
	Основное назначение электродов: Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей малых толщин
ВСП-1	38, 5	47, 0	25, 0	68, 0	13, 0	-		10, 0	Постоянный и переменный
	Основное назначение электродов: Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей
ВСЦ-2	37, 0	47, 0	28, 0	60, 0	9, 0	-		10, 5	Постоянный любой полярности
	Основное назначение электродов: Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Таблица 2. Выбор диаметра электрода при сварке стыковых соединений

Толщина деталей	1, 5-2, 0 3, 0	4, 0-8, 0 9, 0-12, 0	13, 0-15, 0	16, 0-20, 0	более 20
Диаметр электрода	1, 6-2, 0 3, 0	4, 0	4, 0-5, 0 5, 0	5, 0-6, 0	6, 0-10, 0

Таблица 3. Выбор диаметра электрода при угловых и тавровых соединений

Катет шва	3, 0	4, 0-5, 0	6, 0-9, 0
Диаметр электрода	3, 0	4, 0	5, 0

Силу сварочного тока определяют по формуле:

I_св=π d_э²*j/4

где d_э – диаметр электрода (электродного стержня), мм;
j – допускаемая плотность тока, А/мм².

Рекомендуемые для электрода данной марки значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспорту электрода (допускается по таблице 4 или расчётным путём), в котором приводят его сварочно-технологические свойства, типичный химический состав шва и механические свойства. При сварке рассматриваемых сталей обеспечиваются высокие механические свойства сварного соединения и поэтому в большинстве случаев не требуются специальные меры, направленные на предотвращение образования в нем закалочных структур.

Таблица 4. Значения допускаемой плотности тока в электроде

Вид покрытия	Допускаемая плотность тока j в электроде, А/мм², при диаметре электрода d_э, мм

Рудно-кислое, рутиловое	14, 0-20, 0	11, 5-16, 0	10, 0-13, 5	9, 5-12, 5
Фтористо-кальциевое	13, 0-18, 5	10, 0-14, 5	9, 0-12, 5	8, 5-12, 0

При приближённых подсчётах величина сварочного тока может быть определена по одной из следующих формул:

I_св=k*d_э

I_св=k₁*d_э*^{1, 5}
I_св=d_э*(k₂+α *d_э)
где d_э – диаметр электрода (электродного стержня), мм;
k₁, k₂, α – коэффициенты, определённые опытным путём:
k₁=20…25; k₂=20; α =6.

Техника заполнения швов и определяемый ею термический цикл сварки зависят от предварительной термической обработки стали. Сварка толстого металла каскадом и горкой, замедляя скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны, предупреждает образование в них закалочных структур. Это же достигается при предварительном подогреве до 150—200 ⁰С. Поэтому эти способы дают благоприятные результаты на нетермоупрочненных сталях. При сварке термоупрочненных сталей для уменьшения разупрочнения стали в околошовной зоне рекомендуется сварка длинными швами по охлажденным предыдущим швам. Следует выбирать режимы сварки с малой погонной энергией. При этом достигается и уменьшение протяженности зоны разупрочненного металла в околошовной зоне. При исправлении дефектов в сварных швах на низколегированных и низкоуглеродистых сталях повышенной толщины швами малого сечения вследствие значительной скорости остывания металл подварочного шва и его околошовная зона обладают пониженными пластическими свойствами. Поэтому подварку дефектных участков следует производить швами нормального сечения длиной не менее 100 мм или предварительно подогревать их до 150—200 ⁰С.

Электроды сварочные марки LB-52U производства " Kobe Steel" (Япония) предназначены:

Электрод с покрытием основного типа для односторонней ручной дуговой сварки труб и ответственных конструкций из углеродистых сталей с временным сопротивлением до 490 МПа. LB-52U (ЛБ-52У) низко водородный сварочный электрод предназначенный для усиления обратной стороны сварного шва. Использование данного электрода позволяет получить отличный наплавленный металл шва и аккуратный корневой чешуйчатый валик без дефектов при сварке с одной стороны соединения. LB-52U (ЛБ-52у) обеспечивает высокую ударную вязкость, и его часто используют для сварки труб, морских конструкций и сооружений типа резервуаров, которые необходимо сваривать только с одной стороны. LB-52U (ЛБ-52У) обеспечивает намного лучшую стабилизацию дуги и проплавление, чем другие низководородные электроды.Сертификаты на электроды LB-52U (ЛБ 52у) выдаются.

LB-52U (ЛБ-52У), Япония

Химический состав(%):

O, мм	C	Si	Mn	P	S	Ni*	Cr*	Mo*	V*
2.6	0.06	0.52	1.00	0.011	0.005	0.01	0.03	0.01	следы
3.2	0.06	0.51	1.02	0.011	0.006	0.01	0.02	0.01	следы
4.0	0.06	0.49	1.01	0.013	0.004	0.01	0.03	0.01	следы

Механические свойства LB-52U (ЛБ52У):

Содержание диффузионного водорода, мл/100г	Ударная вязкость, Дж/см2
1.6

Диаметр, мм	Предел текучести, Н/мм2	Предел прочности, Н/мм2	Удлинение, %	RA, %
2.6
3.2
4.0

Стандарты и одобрения:

Классификация

Одобрения регистров

JIS

AWS

LRS

ABS

DNV

NKK

Z3211

D4316

A5.1 E7016

3. 3Y(H15)

3H10. 3Y

3Y(H10)

KMW53HH

3. 3YHH

Размеры электродов LB-52U (ЛБ 52У) и сила тока при сварке:

Диаметр, O мм	2.6	3.2	4.0	5.0
Длинна, мм		350/400
Ток, А	F	60~90	90~130	130~180	180~240
V& OH	50~80	80~120	110~170	150~200
OSW	30~80	60~110	90~140	130~180

Примечание: AC, DCEP или DCEN, однако DCEN только в случае прохода при сварке корня шва.

Сварка под флюсом

Автоматическую сварку выполняют электродной проволокой диаметром 3—5 мм, полуавтоматическую — диаметром 1, 2—2 мм. Равнопрочность соединения достигается подбором флюсов и сварочных проволок и выбором режимов и техники сварки. При сварке низкоуглеродистых сталей в большинстве случаев применяют флюсы АН-348-А и ОСЦ-45 и низкоуглеродистые электродные проволоки Св-08 и Св-08А. При сварке ответственных конструкций, а также ржавого металла рекомендуется использовать электродную проволоку Св-08ГА. Использование указанных материалов позволяет получить металл шва с механическими свойствами, равными или превышающими механические свойства основного металла. При сварке низколегированных сталей используют те же флюсы и электродные проволоки Св-08ГА, Св-10ГА, Св-10Г2 и др. Легирование металла шва марганцем из проволок и кремнием при проваре основного металла, при подборе соответствующего термического цикла (погонной энергии) позволяет получить металл шва с требуемыми механическими свойствами. Использованием указанных материалов достигается высокая стойкость металла швов против образования пор и кристаллизационных трещин. При сварке без разделки кромок увеличивается доля основного металла в металле шва и поэтому некоторое повышение в нем углерода может повысить прочностные свойства и понизить пластические свойства металла шва.

Режимы сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей различаются незначительно и зависят от конструкции соединения, типа шва и техники сварки. Свойства металла околошовной зоны зависят от термического цикла сварки. При сварке угловых однослойных швов и стыковых и угловых швов на толстой стали типа ВСтЗ на режимах с малой погонной энергией в околошовной зоне возможно образование закалочных структур с пониженной пластичностью.

Предупреждение: этого достигается увеличением сечения швов или применением двухдуговой сварки.

При сварке низколегированных термоупрочненных для предупреждения разупрочнения шва в зоне термического влияния следует использовать режимы с малой погонной энергией, а при сварке не термоупрочненных сталей — режимы с повышенной погонной энергией. Для обеспечения пластических свойств металла шва и околошовной зоны на уровне свойств основного металла во втором случае следует выбирать режимы, обеспечивающие получение швов повышенного сечения, применять двухдуговую сварку или производить предварительный подогрев металла до 150—200 ⁰С.

Материалы ESAB ДИСК АДСФ

дополнить режимы из лекции АДСФ.

Сварка в защитных газах

При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей для защиты расплавленного электродного металла и металла сварочной ванны используют углекислый газ. В качестве защитных находят применение и смеси углекислого газа с аргоном или кислородом до 30%. Аргон и гелий в качестве защитных газов применяют только при сварке конструкций ответственного назначения. Сварку в углекислом газе выполняют плавящимся электродом.

Газовая смесь К-2 (Pureshield P3): Это наиболее универсальная из всех смесей для углеродисто-конструкционных сталей. Состоит из 82% аргона и 18% двуокиси углерода. Подходит практически для всех типов материалов.
Газовая смесь К-3.1. (Argoshield 5): Эта смесь состоит из 92% аргона, 6% двуокиси углерода, 2% кислорода. Разработана для листовых и узких профильных (сортовых)сталей. Дает устойчивую дугу с низким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Смесь превосходна для глубокого провара и идеально подходит для сварки листового металла.
Газовая смесь К-3.2. (Argoshield TC): Это cмесь 86% аргона, 12% двуокиси углерода, 2% кислорода. Дает устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим проваром профиля, подходит для глубокого провара, сварки коротких швов и для наплавки. Может использоваться для сварки во всех положениях. Идеально подходит для ручной, автоматической и сварки с применением робота-автомата.
Газовая смесь К-3.3. (Argoshield 20): Это смесь 78% аргона, 20% двуокиси углерода , 2% кислорода. Специально разработана для глубокого провара широкого ассортимента профилей. Смесь идеально подходит для наплавки, что делает ее идеальной для сварки толстых прокатных (сортовых) сталей.

Таблица 5. Проволока для сварки в углекислом газе низкоуглеродистых и низколегированных сталей

Свариваемая сталь	Сварочная проволока
Ст1, Ст2, Ст3	Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС
10ХСНД, 15ХСНД, 14ХГС, 09Г2С	Св-08Г2С, Св-08ХГ2С

Структура и свойства металла швов и околошовной зоны на низкоуглеродистых и низколегированных сталях зависят от 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 и технологические рекомендации примерно такие же, как и при ручной дуговой сварке и сварке под флюсом.

На свойства металла шва влияет качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а также влаги в газе в швах могут образовываться поры. При сварке в углекислом газе влияние ржавчины незначительно. Увеличение напряжения дуги, повышая, угар легирующих элементов, ухудшает механические свойства шва.