Легированные стали

Сталь ,  содержащая  один  или   несколько  легирующих  элементов,
вводимых  для   придания   изделию  определенных  физико- механических
свойств ,  называется   легированной.  Содержание  некоторых  элементов,
когда   они   не  являются   легирующими,  не  должно   превышать :  кремния
(Si) – 0,5 %; марганца  ( Мп) – 0,8 %;  хрома ( Сг) 0,3 %;  никеля  (Ni) – 0,3
%; меди (Cu) – 0,3 %.  Легированные  стали   подразделяют  на  подклассы:
низко -, средне - и  высоколегированные.  Низколегированная  сталь  –  это 
сталь ,  легированная  одним  элементом  при   содержании  его   не  более 2 %
( по  верхнему   пределу)  или   несколькими   элементами  при   суммарном   их
содержании 3,5 % ( по  верхнему   пределу). Среднелегированная   сталь  –
легированная  одним  элементом,  при   содержании  его   не  более 8 % ( по
верхнему   пределу)  или   несколькими   элементами  при   суммарном   их
содержании,  как   правило,  не  более 12 % (по  верхнему   пределу).
Высоколегированная –  это   сталь   с   суммарным   содержанием   легирующих
элементов  не  менее 10 % (по  верхнему   пределу),  при   содержании
одного  из  них   не  менее 8 % ( по  нижнему  пределу), при   содержании
железа  более 45 %. Маркировка  всех  легированных  конструкционных
сталей  однотипная ( табл. 1).  Первые   две   цифры  обозначают  содержание
углерода   в  сотых  долях  процента ,  буквы  являются   условным
обозначением  легирующих  элементов,  цифра  после   буквы  обозначает 
содержание  легирующего   элемента   в  процентах,  причем   содержание,
равное  1 %  и  меньше ,  не  ставится,  буква  «А »  в  конце  марки  показывает,
что   сталь   высококачественная   и  имеет  пониженное  содержание  серы   и 
фосфора.  Основными   элементами,  влияющими  на  свойства   стали ,
являются   углерод,  марганец   и  кремний.  Углерод  при   повышении  его 
содержания  в  стали   ведет   к  повышению  прочности  и  твердости  и 
уменьшению   пластичности.  Окисление  углерода   во  время  сварки 
вызывает  появление большого   количества  газовых пор .

                                            
Марганец  повышает  ударную  вязкость  и  хладноломкость  стали ,
являясь  хорошим   раскислителем ;  способствует   уменьшению   содержания
кислорода  в  стали .  При  содержании  марганца   в  стали   более 1,5 %
свариваемость   ухудшается,  так   как   увеличивается   твердость  стали ,
образуются  закалочные  структуры  и  могут   появиться  трещины .  Кремний
вводится   в  сталь   как   раскислитель.  При  содержании  кремния  более 1 %
свариваемость   стали   ухудшается,  так   как   возникают  тугоплавкие
окислы ,  что   ведет   к  появлению   шлаковых  включений .  Сварной  шов
становится   хрупким.  Хром  при   значительном  содержании  в  стали 
снижает  ее  свариваемость   вследствие   образования   тугоплавких  окислов
и  закалочных  структур .  Никель   повышает  прочность  и   пластичность   шва
и  не  ухудшает   свариваемость .  Алюминий –  активный   раскислитель
стали ,  повышает  окалиностойкость.  Вольфрам  повышает  прочность  и 
твердость  при   повышенных   температурах,  ухудшает   свариваемость ,
сильно   окисляется .
Ванадий  затрудняет   сварку ,  сильно   окисляется ,  требует  введения   в
зону  плавления  активных   раскислителей .  Медь  улучшает   свариваемость ,
повышая   прочность,  ударную  вязкость  и  коррозионную  стойкость  сталей.
Сера  приводит   к  образованию   горячих  трещин .  Фосфор  вызывает   при 
сварке   появление  холодных  трещин .  Как   правило,  повышение   уровня 
легирования   и  прочности  стали   приводит   к  ухудшению   ее
свариваемости .  Первостепенная  роль  по  влиянию  на  свойства   сталей
принадлежит   углероду .  Доля  влияния  каждого  легирующего   элемента 
может  быть  отнесена   к  доле  влияния  углерода .  На  этом  основании  о 
свариваемости   легированных  сталей  можно  судить  по  коэффициенту 
эквивалентности   по  углероду   для   различных   элементов.  Образование 
холодных  трещин   уменьшают   путем  выбора   рационального   способа  и 
технологии   сварки ,  предварительного  подогрева,  снижения  содержания
водорода   в  сварном  соединении,  применения  отпуска  после   сварки .
Элементами,  обусловливающими  возникновение   горячих  трещин ,
являются   прежде   всего   сера,  затем   углерод,  фосфор,  кремний  и  др.
Элементами,  повышающими   стойкость  швов  против  трещин   и 
нейтрализующими   действие   серы ,  являются   марганец ,  кислород ,  титан ,
хром,  ванадий.  Предупреждение   образования   горячих  трещин   может
быть  достигнуто   путем  уменьшения  количества   и  сосредоточения  швов,
выбора   оптимальной   формы  разделки   кромок ,  устранения   излишней
жесткости  закреплений ,  предварительного  подогрева,  применения
электродного  металла  с   более  низким   содержанием   углерода   и  кремния.
Низколегированные  стали   хорошо   свариваются   всеми  способами  сварки 
плавлением.  Получение  при   сварке   равнопрочного   сварного   соединения,
особенно   термоупроченных  сталей,  вызывает   некоторые  трудности  и 
требует  определенных  технологических   приемов.  В  зонах ,  удаленных   от
высокотемпературной  области,  возникает  холодная   пластическая
деформация.  При  наложении   последующих  слоев   эти   зоны   становятся 
участками  деформационного  старения ,  приводящего   к   снижению
пластических  и   повышению  прочностных   свойств   металла  и
соответственно  к  возможному  появлению   холодных  трещин .  В  сталях,
содержащих  углерод  по  верхнему   пределу  и  повышенное  количество 
марганца   и  хрома,  вероятность  образования   холодных  трещин 
увеличивается  (особенно   с   ростом  скорости   охлаждения).
Предварительный  подогрев   и  последующая  термообработка  позволяют
снимать  остаточные   сварочные   напряжения  и  получать   необходимые
механические  свойства   сварных  соединений  из  низколегированных
сталей.  По  разрезаемости   легированные  стали   делятся  на  аналогичные 
четыре   группы   с   соответствующим  значением   показателя   эквивалента
углерода .

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАЛЯХ И ИХ СВАРИВАЕМОСТИ

Стали  подразделяются  на  углеродистые  и  легированные.  По
назначению  различают  стали   конструкционные  с   содержанием   углерода 
в  сотых  долях  процента   и   инструментальные   с   содержанием   углерода   в
десятых  долях  процента .  Наибольший  объем  сварочных   работ   связан  с 
использованием  низкоуглеродистых  и  низколегированных
конструкционных  сталей.  Основным  элементом  в  углеродистых
конструкционных  сталях  является   углерод,  который  определяет 
механические  свойства   сталей  этой  группы .  Углеродистые  стали 
выплавляют  обыкновенного  качества   и  качественные.  Стали
углеродистые  обыкновенного  качества   подразделяются  на  три   группы :
группа   А  –  по  механическим  свойствам;  группа   Б  –  по  химическому 
составу ;  группа   В  –  по  механическим  свойствам  и  химическому   составу .
Изготавливают   стали   следующих   марок:  группа   А  – Ст 0,  Ст 1,  Ст 2,  Ст 3,
Ст 4,  Ст 5,  Ст 6;  группа   Б –  БСт  0,  БСт  1,  БСт  2,  БСт  3,  БСт  4,  БСт  5,  БСт 
6;  группа   В –  ВСт  0,  ВСт  1,  ВСт  2,  ВСт  3,  ВСт  4,  ВСт  5.  По  степени
раскисления  сталь   обыкновенного  качества   имеет  следующее 
обозначение :  кп –  кипящая,  пс –  полуспокойная ,  сп –  спокойная.
Кипящая  сталь ,  содержащая  кремния (Si)  не  более 0,07 %, получается 
при   неполном  раскислении   металла  марганцем.  Сталь   характеризуется 
резко   выраженной  неравномерностью   распределения   вредных  примесей 
( 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.  Спокойная  сталь   получается   при   раскислении   марганцем,
алюминием   и  кремнием  и  содержит   кремния (Si)  не  менее 0,12 %;  сера  и 
фосфор  распределены  в  ней   более  равномерно,  чем   в  кипящей  стали .
Эта   сталь   менее  склонна  к  старению   и  отличается   меньшей  реакцией   на
сварочный   нагрев.  Полуспокойная  сталь   по  склонности   к   старению 
занимает   промежуточное  место   между  кипящей   и  спокойной  сталью .
Полуспокойные  стали   с   номерами  марок 1—5 выплавляют  с   нормальным
и  повышенным   содержанием   марганца ,  примерно  до 1 %.  В  последнем
случае   после   номера   марки  ставят  букву   Г ( например,  БСтЗГпс). Стали
группы   А   не  применяются   для   изготовления  сварных  конструкций .  Стали
группы   Б  делятся  на  две   категории.  Для   сталей  первой   категории
регламентировано   содержание  углерода ,  кремния  марганца   и 
ограничено  максимальное  содержание  серы ,  фосфора,  азота   и  мышьяка ;
для   сталей  второй  категории  ограничено  также  максимальное
содержание  хрома,  никеля   и  меди.  Стали  группы   В  делятся  на  шесть
категорий.  Полное   обозначение   стали   включает   марку,  степень
раскисления  и  номер  категории.  Например,  ВСтЗГпс5  обозначает 
следующее :  сталь   группы   В,  марка  СтЗГ,  полуспокойная , 5- й  категории.
Состав  сталей  группы   В  такой   же,  как   сталей  соответствующих  марок
группы   Б, 2-й  категории.  Стали  ВСт 1,  ВСт 2,  ВСтЗ  всех  категорий  и 
степени  раскисления  выпускают   с   гарантированной  свариваемостью.
Стали  БСт 1,  БСт 2,  БСтЗ  поставляют  с   гарантией  свариваемости   по
требованию  заказчика.  Углеродистую  качественную  сталь   выпускают   в
соответствии   с   существующими  стандартами .  Сталь   имеет  пониженное
содержание  серы .  Допустимое  отклонение  по  углероду  (0,03—0,04 %).
Стали  с   содержанием   углерода   до 0,20 % включительно  могут   быть
кипящими (кп),  полуспокойными  (пс)  и  спокойными (сп).  Остальные
стали  –  только  спокойные .  Для   последующих  спокойных   сталей  после
цифр   буквы «сп»  не  ставят.  Углеродистые  качественные  стали   для 
изготовления  конструкций   применяют   в  горячекатаном   состоянии  и  в 
меньшем  объеме   после   нормализации  и  закалки  с   отпуском .
Углеродистые  стали   в  соответствии   с   существующими   стандартами 
подразделяются  на  три   подкласса:  низкоуглеродистые  с   содержанием 
углерода   до 0,25 %;  среднеуглеродистые   с   содержанием   углерода 
(0,25—0,60 %)  и  высокоуглеродистые   с   содержанием   углерода   более
0,60 %.  В  сварных  конструкциях  в  основном   применяют 
низкоуглеродистые  стали .  В  сварочном  производстве  очень  важным
является   понятие  о  свариваемости   различных   металлов .  Свариваемостью
называется   способность  металла  или   сочетания  металлов   образовывать

при   установленной   технологии   сварки   соединения,  отвечающие
требованиям ,  обусловленным  конструкцией  и  эксплуатацией   изделия.  По
свариваемости   углеродистые  стали   условно  подразделяются  на  четыре 
группы : I –  хорошо   сваривающиеся,  с   содержанием   углерода   до 0,25 %;
II – удовлетворительно  сваривающиеся,  с   содержанием   углерода   от 0,25
до 0,35 %,  т.  е.  для   получения  качественных  сварных  соединений
деталей  из  этих  сталей  необходимо  строгое   соблюдение  режимов  сварки ,
специальные   присадочные   материалы,  определенные  температурные 
условия,  а  в  некоторых  случаях –  подогрев ,  термообработка; III –
ограниченно   сваривающиеся,  с  содержанием   углерода   от 0,35 до 0,45
%,  для   получения  качественных  сварных  соединений  которых
дополнительно   необходим  подогрев ,  предварительная  или   последующая
термообработка; IV –  плохо  сваривающиеся,  с   содержанием   углерода 
свыше 0,45 %,  т .  е.  сварные  швы  склонны  к  образованию   трещин ,
свойства   сварных  соединений  пониженные,  стали   этой  группы   обычно   не
применяют   для   изготовления  сварных  конструкций .  Все 
низкоуглеродистые  стали   хорошо   свариваются   существующими 
способами  сварки   плавлением.  Обеспечение   равнопрочности  сварного 
соединения  не  вызывает  затруднений .  Швы  имеют  удовлетворительную 
стойкость  против  образования   кристаллизационных  трещин .  Это 
обусловлено   низким   содержанием   углерода .  Однако   в   сталях,
содержащих  углерод  по  верхнему   пределу,  вероятность  возникновения 
холодных  трещин   повышается,  особенно   с   ростом  скорости   охлаждения
( повышение   толщины   металла,  сварка   при   отрицательных   температурах,
сварка   швами  малого  сечения  и  др.).  В  этих  условиях   предупреждают
появление трещин  путем предварительного подогрева до 120—200 °С . 
 

Высокопроизводительная сварка

Для автоматической дуговой сварки под флюсом используют непокрытую электрод-ную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и переме-щение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажига-ния дуги и заварки кратера в конце шва. В процессе автоматической сварки под флюсом дуга горит между проволокой и основ-ным металлом. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла со всех сторон плотно закрыты слоем флюса толшиной 30 35 мм. Часть флюса расплавляется, в ре-зультате чего вокруг дуги образуется газовая полость, а на поверхности расплавленного металла ванна жидкого шлака. Для сварки под флюсом характерно глубокое проплав-ление основного металла. Действие мощной дуги и весьма быстрое движение электрода вдоль заготовки обусловливают оттеснение расплавленного металла в сторону, потиво-положную направлению сварки. По мере поступательного движения электрода происхо-дит затвердевание металлической и шлаковой ванн с образованием сварного шва, покры-того твердой шлаковой коркой. Проволоку подают в дугу и перемещают ее вдоль шва с помощью механизмов подачи и перемещения. Ток к электроду поступает через токопровод. Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами, сварочными голов-ками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию. Назначение сварочных автоматов подача электродной проволоки в дугу и поддержание постоянного режима сварки в течение всего процесса. Автоматическую сварку под флюсом применяют в серийном и массовом производствах для выполнения длинных прямолинейных и кольцевых швов в нижнем положении на металле толщиной 2 100 мм. Под флюсом сваривают металлы различных классов. Автоматическую сварку широко применяют при изготовлении котлов, резервуаров для хранения жидкостей и газов, корпусов судов, мостовых балок и других изделий. Она является одным из основных звеньев автоматической линий для изготовления сварных автомобильных колес и ста-нов для производства сварных прямошовных и мпиральных труб.
При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа. В качестве защитных газов применяют инертные газы ( аргон и гелий) и активные газы (углекислый газ, азот, водород и др.), а иногда смеси двух газов и более. Сварка в среде защитных газов в зависимости от степени механизации процессов подачи присадочной или сварочной проволоки и перемещения сварочной горелки может быть ручной, полуавтоматической и автоматической. По сравнению с ручной сваркой покрытыми электродами и автоматической под флюсом сварка в защитных газах имеет следующие преимущества: высокую степень защиты расплавленного металла от воздействия воздуха; отсутствие на поверхности шва при применении аргона оксидов и шлаковых включений; возможность ведения процесса во всех пространственных положениях; возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва и его регулирования; более высокую производительность процесса, чем при ручной дуговой сварке; относительно низкую стоимость сварки в угле-кислом газе. Области применения сварки в защитных газах охватывают широкий круг материа-лов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов и т. п.). Аргонодуговую сварку применяют для цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов, а также легированных и высоколегированных сталей.

Дефекты в соединениях бывают двух типов: внешние и внутренние. В сварных соединениях к внешним дефектам относят наплывы подрезы, наружные непровары и несплавления, поверхностные трещины и поры. К внутренним скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и др. В паяных соединениях внешними дефектами являются наплывы и натеки припоя, неполное заполнение шва припоем; внутренними поры, вкючения флюса, трещины и др. Качество сварных и паяных соединений обеспечивают предварительным контролем материалов и заготовок, текущим контролем за процессом сварки и пайки и приемочным контролем готовых сварных или паяных соединений. В зависимости от нарушения целостности сварного соединения при контроле различают разрушающие и неразрушающие методы контроля.

Дуговая резка

Ручную разделительную резку применяют при необходимости вырезки отверстий, раскроя листов, обрезки профилей и для других мелкосерийных работ по термической резке цветных металлов и сплавов, высоколегированных нержавеющих сталей, к которым неприменима газокислородная или керосинокислородная резка Резку производят постоянным током прямой полярности. Источники питания должны иметь крутопадающую вольтамперную характеристику. В качестве рабочего плазмообразующею газа рекомендуется применять: для резки низколегированных, легированных и углеродистых сталей— воздух; для резки высоколегированных, коррозионно-стойких сталей—азот, азотно-водородную смесь, воздух; для резки алюминия, меди и их сплавов — азот, азотно-водородную смесь, аргон, аргоноводородную смесь.

При выборе режима ручной резки руководствуются характеристикой плазмотрона. Например, при работе плазмотроном КДП-2 величина тока может быть не более 250 А, а при работе на установке УПР-201 — не более 200 А и т. д Давление (расход) газа устанавливают также в соответствии с паспортной характеристикой плазмотрона. Эффективность резки во многом зависит от напряжения, которое в свою очередь растет с увеличением расхода газа и уменьшением диаметра канала сопла. Однако этот рост ограничен источником, у которого напряжение холостого хода не может быть больше 180 В. Особенностью режима плазменной резки является неизменность режима для металла различной толщины; в пределах толщин установленных для данного плазмотрона, меняется только скорость резки. На 23.5. показано уменьшение скорости резки при чрезмерном увеличении давления плазмообразующего газа, что делать не следует.

Перед резкой необходимо проверить правильность подсоединения аппаратуры (источника тока, газа, воды) к коллектору и плазмотрону и отрегулировать ток, расход газа и воды. После этого произвести пробное зажигание дуги зажигалкой, с помощью осциллятора или дежурной дуги.

Воздушно-дуговая резка является простым технологическим процессом и применяется для разделительной резки деталей небольшого размера, для обрезки приливов литья, удаления дефектов литья н сварных швов и другой поверхностной строжки. Точность резки невысокая. При резке вылет электрода не должен превышать 100 мм, и по мере обгорания электрод следует выдвигать из зажима электрододержателя. Разделительную резку следует вести справа налево, наклоняя электрод на 50—60° к изделию (23.8, а). В начале резки следует открыть воздушный клапан, а затем возбудить дугу и начать процесс резки. Резку ведут постоянным током обратной полярности, что обеспечивает наибольшую производительность. Не следует в процессе резки нажимать на электрод, так как он может сломаться. Режимы воздушно-дуговой резки приведены в табл. 23.2.

Для поверхностной воздушно-дуговой резки (23.8, б) применяют те же оборудование и резаки, что и для разделительной. Режимы поверхностной резки для удаления дефектных мест сварки электроприхваток, выплавки корня шва приведены в табл. 23.3. Недостаток воздушно-дуговой резки заключается в науглероживании поверхности разрезаемой стали на глубину 0,06—0,08 мм. Несколько увеличивается зона термического влияния у стали с повышенным содержанием углерода.

Плазма - ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000 ... 30 000 °С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазмотронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах.
Процесс плазменной резки основан на использовании воздушно-плазменной дуги постоянного тока прямого действия (электрод-катод, разрезаемый металл - анод). Сущность процесса заключается в местном расплавлении и выдувании расплавленного металла с образованием полости реза при перемещении плазменного резака относительно разрезаемого металла.
Для возбуждения рабочей дуги (электрод - разрезаемый металл), с помощью осциллятора зажигается вспомогательная дуга между электродом и соплом - так называемая дежурная дуга, которая выдувается из сопла пусковым воздухом в виде факела длиной 20-40 мм. Ток дежурной дуги25 или 40-60 А, в зависимости от источника плазменной дуги. При касании факела дежурной дуги металла возникает режущая дуга - рабочая, и включается повышенный расход воздуха; дежурная дуга при этом автоматически отключается.
Применение способа воздушно-плазменной резки, при котором в качестве плазмообразующего газа используется сжатый воздух, открывает широкие возможности при раскрое низкоуглеродистых и легированных сталей, а также цветных металлов и их сплавов.
Преимущества воздушно-плазменной резки по сравнению с механизированной кислородной и плазменной резкой в инертных газах следующие:

1. простота процесса резки; применение недорогого плазмообразующего газа - воздуха;
2. высокая чистота реза (при обработке углеродистых и низколегированных сталей); 
3. пониженная степень деформации; 
4. более устойчивый процесс, чем резка в водородосодержащих смесях.

Трубопроводы.

Сварка трубопроводов плавящимся электродом .


При необходимости соединить растянутый трубчатый элемент с плоскими
элементами проката целесообразно выполнять такое соединение путем
приварки торца трубы к толстому плоскому элементу.Трубчатые элемен-
ты нецелесообразно соединять с помощью врезаемых косынок.
Стыковое соединение труб из термических упрочняемых сплавов в завод-
ских условиях целесообразно выполнять в виде косого стыка.При такой
конструкции соединения уменьшится ослабление рабочего сечения труб-
чатого элемента под термическим воздействием сварки.Монтажный стык
трубчатых элементов можно выполнять при помощи трубчатой накладки
со скошенными торцами.При этом трубы в стыке не свариваются.
Рекомендуется выполнять стыковые соединения трубчатых элементов
без промежуточных флянцев или подобных им деталей.В тех случаях,когда
нельзя избежать соединений элементов различной толщины,рекомендуется
более толстый элемент скашивать с помощью фрезерования или строжки.
В соединениях конструкций,предназначенных для работы при переменных
нагрузках переход от большей толщины к меньшей должен быть плавным.
В прессованных профилях рекомендуется предусматривать выпрессовку
профиля с плавным переходом.Во всех случаях следует избегать соединений элементов различной толщины.
с