Углеродистая сталь является одним из часто используемых материалов в сварке, поскольку она не только прочная, но и доступная по цене и универсальная. Этот материал используется в различных отраслях промышленности от трубопроводов до строительства и бытовой техники. Но сварка углеродистой стали также имеет определенные проблемы. С ними нужно обращаться, чтобы обеспечить высокое качество и долговечность.

Поскольку существуют различные типы углеродистой стали, тепло реагирует с ними по-разному. Например, низкоуглеродистую сталь легче сваривать по сравнению с высокоуглеродистой. Выбор правильной техники, термической обработки и присадочных материалов помогает справиться со сложностями сварки.

Итак, понимание различных свойств углеродистой стали важно. Мы обсудим, как сваривать углеродистую сталь, ее типы, проблемы, правильные методы сварки и многое другое.

Что такое углеродистая сталь?

Углеродистая сталь в основном представляет собой сплав железа и углерода с некоторым количеством серы, марганца и кремния. Количество углерода, присутствующего в этих сплавах, определяет их твердость и прочность. Высокоуглеродистая сталь имеет более высокое содержание углерода, что обеспечивает большую прочность и твердость, но затрудняет сварку из-за сниженной пластичности.

Существует три основные категории углеродистой стали в зависимости от состава, особенно содержания углерода. Это высокоуглеродистая сталь, среднеуглеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь (мягкая углеродистая сталь, содержащая 0,60%-1,50%, 0,30%-0,60% и до 0,30% содержания углерода соответственно).

Чем меньше содержание углерода в углеродистой стали, тем выше ее свариваемость. Кроме того, низкоуглеродистая сталь менее склонна к дефектам сварки, таким как трещины и пористость. На сварку углеродистой стали влияют определенные свойства.

Свойства, влияющие на сварку углеродистой стали

Итак, сварка углеродистой стали зависит от таких факторов, как состав, тепловая реакция и механические свойства. Важно понимать эти факторы, чтобы правильно выбирать методы сварки, чтобы минимизировать такие дефекты, как трещины, пористость и деформация.

1.Прочность, пластичность и твердость

Прочность — это способность любого материала выдерживать силу без разрушения или поломки. Прочность увеличивается за счет увеличения содержания углерода.

Однако это снижает пластичность. Пластичность — это способность любого металла растягиваться или деформироваться без разрушения. Низкое содержание углерода повышает пластичность и делает углеродистую сталь легко свариваемой.

С другой стороны, твердость — это сопротивление износу и вдавливанию. Высокоуглеродистая сталь более склонна к трещинам при сварке, так как она очень твердая.

2.Влияние содержания углерода на сварку

Как уже упоминалось, содержание углерода играет огромную роль в определении эффективности и простоты свариваемости углеродистой стали.

Низкоуглеродистая сталь — самая простая для сварки форма углеродистой стали, поскольку в ней содержится минимальное количество углерода. Она снижает риск образования трещин и закалки. Ее можно сваривать без предварительной и последующей нагревательной обработки.

Умеренно углеродистая сталь имеет большее содержание углерода и склонна к растрескиванию. Предварительный нагрев материала и контроль подводимого тепла помогают добиться высококачественных сварных швов. Для поддержания прочности важно выбрать правильный присадочный материал.

Как следует из названия, высокоуглеродистая сталь имеет самое высокое содержание углерода, а это значит, что она легко может треснуть.

Поэтому необходимо выполнять медленное охлаждение, предсварочный нагрев и (иногда) послесварочную термическую обработку, чтобы минимизировать хрупкость и снять остаточные напряжения.

3.Примеси и легирующие элементы

Углерод, несомненно, является наиболее важным фактором, определяющим свариваемость материалов. Однако другие легирующие элементы, присутствующие в углеродистой стали, также оказывают некоторое влияние.

Например, марганец помогает снизить хрупкость и повысить прочность, что делает сварку весьма долговечной.

Кремний помогает предотвратить окисление во время сварки и повышает прочность. Фосфор и сера действительно обеспечивают хорошие свойства, но увеличивают вероятность растрескивания. Между тем, азот и кислород приводят к пористости.

4. Зона термического влияния (ЗТВ)

Область вокруг сварного шва подвергается воздействию сильного тепла и называется зоной термического влияния (ЗТВ).

Она претерпевает заметные изменения температуры, изменяя свойства материала. Эта зона очень важна в высокоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, поскольку избыточное тепло приводит к нагреву, деформации и остаточному напряжению.

Все они вызывают растрескивание и разрушение конструкции, а также делают сталь более хрупкой.

5. Контроль трещин и искажений

Сварщики используют несколько методов для контроля трещин, деформаций и других дефектов сварки. Наиболее распространенными методами являются предварительный нагрев, послесварочная термообработка и контроль температуры между проходами.

Предварительный нагрев не только замедляет скорость охлаждения, снижая твердость, но и помогает снизить риск образования трещин.

Послесварочные термообработки снимают остаточное напряжение и улучшают высокоуглеродистую микроструктуру материала. С другой стороны, контроль температуры между проходами контролирует зоны термического влияния и охлаждение рабочего места и, в свою очередь, минимизирует накопление напряжения.

Типы углеродистой стали и их проблемы

Существует три типа углеродистой стали в зависимости от содержания углерода. Не все эти типы созданы равными.

Как и их метод сварки/техника. Проблемы сварки возрастают по мере увеличения содержания углерода в этих типах, поскольку он снижает пластичность и повышает твердость.

Мы подробно обсудим эти типы и выясним, с какими трудностями при сварке они сталкиваются.

1.Сварка низкоуглеродистой стали

Низкоуглеродистая сталь, как известно, называется мягкой сталью и содержит до 0,30% углерода. Из-за низкого содержания углерода это самый простой тип для сварки. Он очень пластичен, а его твердость также низкая. Существует множество структурных применений этого типа углеродистой стали, включая трубопроводы и автомобилестроение.

Поскольку низкоуглеродистая сталь не становится слишком твердой в процессе сварки, вам не нужно выполнять предварительный нагрев. Три наиболее распространенных метода сварки, используемых для сварки низкоуглеродистой стали, это сварка штучными электродами, MIG и TIG.

Однако есть одна проблема, о которой нужно позаботиться, а именно: избегать загрязнений, поскольку они в большей степени ослабляют сварной шов. Для этого необходимо очистить поверхность материала, чтобы избавиться от пыли, грязи и ржавчины, а также предотвратить появление слабых соединений и пористости.

Также рекомендуется контролировать подачу тепла, чтобы избежать чрезмерной деформации. Это особенно важно для тонких металлических листов. Хотя мягкая сталь легко поддается сварке, небрежность рабочего может привести к дефектам сварки.

2.Сварка среднеуглеродистой стали

Среднеуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,30% до 0,60%. Поскольку она прочнее и тверже по сравнению с низкоуглеродистой сталью, она более подвержена растрескиванию и другим дефектам сварки при неправильном обращении.

Этот тип углеродистой стали имеет ряд применений в производстве шестерен, осей и машин, поскольку износостойкость и прочность очень важны в этих отраслях.

В отличие от мягкой стали, эта углеродистая сталь требует тщательного контроля предварительного нагрева и скорости охлаждения. Предварительный нагрев замедляет скорость охлаждения и снижает вероятность образования трещин в зоне термического воздействия.

Температура предварительного нагрева устанавливается в зависимости от толщины материала и содержания в нем углерода. Обычно она находится в диапазоне от 250 °F до 500 °F.

Если среднеуглеродистую сталь охлаждать очень быстро, во время сварки она очень быстро образует твердую микроструктуру, что приводит к повышению хрупкости и разрушению сварного шва.

Для решения этой проблемы проводятся послесварочные термообработки (PWHT) для повышения прочности и снятия остаточного напряжения. Кроме того, очень важно выбрать правильный присадочный материал, который сохраняет структурную целостность и совместим с основным материалом.

3.Сварка высокоуглеродистой стали

Как следует из названия, в ней содержится наибольшее количество углерода. Высокоуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,60% до 1,50%, что повышает твердость и прочность даже больше, чем у среднеуглеродистой стали.

Хотя это самый прочный тип, его сложнее всего сваривать из-за его твердости. Высокоуглеродистая сталь имеет множество применений в высокопрочных компонентах, пружинах и режущих инструментах, поскольку им требуется чрезвычайная прочность.

Среди некоторых проблем сварки основной проблемой является растрескивание из-за быстрого охлаждения. Поэтому предварительный нагрев является хорошим вариантом для решения этой проблемы. Предварительный нагрев при температурах от 500 °F до 800 °F, что снижает разницу температур между сварным швом и основным материалом. Это, в свою очередь, снижает внутренние напряжения.

Еще один момент, который следует учитывать, — это выбор подходящего присадочного материала. Рекомендуется использовать присадочный материал с низким содержанием углерода, поскольку он легко поддается сварке и в значительной степени предотвращает чрезмерное нагревание зоны термического влияния.

Также необходимо контролировать и охлаждение. Для этого покройте весь сварной шов изоляционными материалами, чтобы замедлить скорость охлаждения. Для этой цели можно использовать термоодеяла или песок.

Послесварочная термическая обработка (PWHT) необходима для восстановления пластичности и смягчения закаленных участков.

Этот этап называется отпуском или снятием напряжений. Он включает в себя повторный нагрев сварных участков при более низких температурах, а затем ожидание в течение некоторого времени, чтобы дать им остыть очень медленно.

Если пропустить этот шаг, это может увеличить вероятность возникновения хрупкости материала, что приведет к разрушению под действием нагрузки.

Лучшие методы сварки углеродистой стали

Поскольку углеродистая сталь имеет широкий спектр применения, сварщикам необходимо выбрать технологию сварки, гарантирующую получение высококачественного сварного шва, который будет не только прочным, но и лишенным дефектов.

Ниже приведены типы методов сварки, используемые для сварки углеродистой стали.

Сварка электродом

Сварка электродом

Сварка палкой или дуговая сварка металлическим электродом (SMAW) является одним из наиболее используемых методов сварки, поскольку он прост в исполнении и универсален. В этом процессе используется электрод с флюсовым покрытием, который при расплавлении горелкой выделяет защитный газ. Он защищает сварной шов от внешних загрязнений.

Газовая дуговая сварка металлическим электродом

Газовая дуговая сварка металлическим электродом

Также называется МИГ, этот метод очень эффективен и может быть автоматизирован. В качестве электрода используется непрерывная подача проволоки. Для защиты от загрязнений используется внешний защитный газ. Он производит минимальное количество шлака и является более быстрым методом.

Газовая вольфрамовая дуговая сварка

Газовая вольфрамовая дуговая сварка

Этот метод очень применим для получения точности, когда требуются высококачественные сварные швы. При сварке TIG используется экранирование неплавящимся вольфрамовым электродом. Он обеспечивает более чистые и контролируемые сварные швы благодаря большему контролю над подводом тепла. Самое лучшее то, что вы можете выполнять сварку с использованием или без использования присадочного материала.

Дуговая сварка порошковой проволокой

Дуговая сварка порошковой проволокой

Сварка порошковой дугой похожа на сварку металлическим электродом в газе. Однако она использует трубчатый проволочный электрод, заполненный флюсом, для создания собственного защитного газа. Вот почему она идеально подходит для наружных работ и тяжелых условий эксплуатации. Она хорошо подходит для более толстой углеродистой стали и обеспечивает более глубокое проникновение.

Сварка кислородно-топливным методом

Ее также называют простой газовой сваркой. Она использует пламя, полученное при сжигании ацетилена и кислорода, для плавления и сплавления углеродистой стали. В настоящее время она используется не очень часто, но имеет ограниченное применение. Она не требует электрического тока и является портативной.

Сварочные швы, которые он делает, не очень качественные. Кроме того, он не подходит для более толстых материалов.

Как сваривать углеродистую сталь?

Сварка углеродистой стали

Сварка углеродистой стали — это пошаговый метод, где каждый шаг должен быть выполнен тщательно. Правильное выполнение важно для обеспечения минимального количества дефектов сварки и сохранения качества сварки.

1. Подготовка металлической поверхности

Подготовка поверхности металла обеспечивает высокое качество сварных швов. Если не удалить масло, смазку, краску, грязь и ржавчину, это приведет к пористости. Поэтому начните с очистки поверхности с помощью металлической щетки, химического очистителя или шлифовальной машины.

Подготовьте кромки более толстых секций из углеродистой стали. Угол скоса должен быть в пределах от 30 до 45 градусов в зависимости от техники сварки.

Точно устанавливайте и фиксируйте заготовки с помощью прихваточных швов или зажимов, чтобы гарантировать отсутствие перекосов.

2. Выберите правильный электрод или наполнитель

Для сварки низкоуглеродистой стали в защитной дуге используются электроды E6010 и E7018. Для сварки MIG хорошим вариантом является ER70S-6. Для среднеуглеродистой стали требуется предварительная и послесварочная обработка.

Между тем, они используют электрод E7018 или ER80S-D2. С другой стороны, поскольку высокоуглеродистая сталь хрупкая и твердая, для уменьшения трещин используют электрод на основе никеля или электрод из нержавеющей стали. Для этого типа также необходимы медленное охлаждение и предварительный нагрев.

3. Установите правильные параметры

Каждый тип углеродистой стали имеет определенный набор параметров, которые необходимо сваривать точно. Например, сварка штучными электродами выполняется при силе тока от 75 до 200 ампер с углом наклона электрода 10-15 градусов. Необходимо поддерживать равномерную скорость, чтобы не допустить подрезов.

Напряжение для сварки MIG должно быть от 18 до 24 В со скоростью подачи проволоки 250-500 дюймов в минуту. Для сварки TIG поддерживайте ток 50-200 ампер. В качестве защитного газа используется аргон 100% для получения более чистых сварных швов. В то время как FCAW выполняется при 18-26 В со скоростью подачи проволоки 200-450 дюймов в минуту.

Вам необходимо контролировать подачу тепла и деформацию, поскольку углеродистая сталь имеет тенденцию расширяться и сжиматься при контакте с теплом. Предварительный нагрев среднеуглеродистой стали при температуре от 250 °F до 500 °F снижает образование трещин.

4. Выполнение сварки

Правильно зажгите дугу при сварке штучным электродом, чиркая электродом как спичкой. В то же время поддерживайте постоянную длину дуги при сварке TIG и MIG.

Убедитесь, что размер шарика одинаковый. При необходимости или в случае более толстых материалов выполните несколько проходов.

Сварка углеродистой стали с нержавеющей сталью

Сварка углеродистой стали с нержавеющей сталью сопряжена со множеством проблем, поскольку состав обоих типов стали существенно различается.

Они не только имеют разный состав, но и разную теплопроводность, а также разную степень коррозионной стойкости.

Оба эти материала широко используются в промышленности для различных целей, особенно в тех областях, где требуются прочностные свойства нержавеющей стали и прочность углеродистой стали.

К таким областям применения относятся химическое перерабатывающее оборудование, конструктивные элементы, работающие в тяжелых условиях, и трубопроводы.

Разница между углеродистой сталью и нержавеющей сталью

Главное различие между нержавеющей и углеродистой сталью заключается в их составе. Углеродистая сталь состоит из железа и углерода, а также некоторых легирующих элементов, таких как марганец, сера и кремний. Хотя она довольно прочная, она очень подвержена ржавчине в присутствии влаги или сырости.

С другой стороны, нержавеющая сталь содержит хром (не менее 10,5%), образующий защитное оксидное покрытие снаружи поверхности материала и предотвращающий его от коррозии и ржавчины. Она также обладает жаропрочностью из-за наличия сплавов, таких как никель.

Однако нержавеющая сталь имеет более низкую теплопроводность и расширяется в большей степени при воздействии тепла по сравнению с углеродистой сталью. Поэтому нержавеющая сталь, скорее всего, будет изгибаться или скручиваться и деформироваться во время сварки.

Более того, оба они различаются по степени разбавления. Когда расплавленные металлы смешиваются во время сварки, образуя сварной шов, нержавеющая сталь изменяет свойства шва. Это может привести к хрупкости и коррозии, если не контролировать это должным образом.

Проблемы при сварке углеродистой стали с нержавеющей сталью

Поскольку они не похожи друг на друга, их сварка сталкивается с определенными проблемами, такими как разные температуры плавления, несоответствие теплового расширения, миграция углерода и проблемы коррозии.

Углеродистая сталь имеет более низкую температуру плавления, чем нержавеющая сталь при нагревании. Это делает нержавеющую сталь хрупкой и склонной к растрескиванию.

В сварном шве увеличиваются сварочные деформации и остаточные напряжения, поскольку нержавеющая сталь имеет большее тепловое расширение по сравнению с углеродистой сталью.

Миграция углерода также распространена в этом сплаве. Во время сплавления углерод из углеродистой стали мигрирует в нержавеющую сталь и диффундирует там, делая материалы из нержавеющей стали склонными к растрескиванию.

Наконец, если вы используете неправильный присадочный материал, существует высокая вероятность того, что сварной шов быстро подвергнется коррозии.

Выберите правильную технику сварки

Важно выбрать правильный метод сварки углеродистой стали с нержавеющей сталью. Как и при стандартной сварке, существуют определенные методы сварки, которые больше подходят для этого типа сплавления.

К ним относятся дуговая сварка металлическим электродом в защитной среде (дуговая сварка штучными электродами), дуговая сварка вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW), дуговая сварка металлическим электродом в защитном газе (GMAW) и дуговая сварка порошковой проволокой (FCAW).

Сварка электродом (SMAW) — это доступный метод, но вам нужно очень тщательно выбирать материал электрода, так как он предотвращает миграцию углерода из углеродистой стали в нержавеющую сталь. Газовая вольфрамовая дуговая сварка (GTAW) обеспечивает более высокую точность и качество, и поэтому она подходит для критических применений.

Газовая дуговая сварка металлическим электродом (GMAW) идеально подходит для крупномасштабных применений. Однако вам необходимо выбрать подходящий защитный газ, чтобы окисление было минимальным. Сварка порошковой проволокой (FCAW) требует особого состава флюса для работы с двумя разнородными металлами, но она отлично подходит для наружных работ.

Выберите правильный наполнитель

Когда вы выбираете правильный присадочный материал, вы выбираете незнакомые и не подверженные коррозии сварные швы. Это гарантирует отсутствие миграции углерода и сохранение целостности обоих металлов.

Для сварки углеродистой стали с нержавеющей сталью используются некоторые распространённые присадочные материалы, такие как:

Наполнитель из нержавеющей стали марки 312 для улучшения свойств трещиностойкости, поскольку содержит никель и хром.
Наполнитель из нержавеющей стали 309 обеспечивает идеальный баланс коррозионной стойкости и прочности. Поэтому это наиболее часто используемый наполнитель.
Наполнители на основе никеля обеспечивают хорошую термостойкость при сварке при более высоких температурах. Одним из примеров такого наполнителя является Inconel 625.

Заключение

Сварка углеродистой стали — важный навык, поскольку он имеет множество применений в металлообработке, автомобилестроении, промышленности и строительстве. Важно выбрать правильную технику сварки, независимо от того, свариваете ли вы низкоуглеродистую сталь, среднеуглеродистую сталь или высокоуглеродистую сталь.

Для сварки углеродистой стали используются четыре основных метода: дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа, дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа, дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде защитного газа и дуговая сварка порошковой проволокой.

Однако необходимо правильно следовать всем этапам сварки, начиная с очистки поверхности и заканчивая послесварочными термическими обработками. Необходимо контролировать подачу тепла и выполнять пред- и послесварочные обработки, чтобы обеспечить более прочные соединения, особенно для средне- и высокоуглеродистой стали.

Если сварщики тщательно соблюдают все этапы сварки и применяют передовые методы, они могут гарантировать получение высококачественных сварных швов, которые выдерживают не только напряжение, температуру и давление, но и имеют минимальное количество дефектов или вообще не имеют их.

Сварка углеродистой стали – процесс, методы и проблемы