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, 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.

Общие сведения о свариваемости

Рассматриваемые стали обладают хорошей свариваемостью. Технология их сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являются равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно при сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные требования. Однако во всех случаях технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработкой. Химический состав металла шва зависит от доли участия основного и электродного металлов в образовании шва и взаимодействий между металлом и шлаком и газовой фазой. При сварке рассматриваемых сталей состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. При сварке низколегированных сталей необходимое количество легирующих элементов в металле шва обеспечивается также и путем их перехода из основного металла.

Повышенные скорости охлаждения металла шва способствуют увеличению его прочности, однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлитной фазы. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предварительно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая деформация, возникающая в металле шва под действием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва. Свойства сварного соединения зависят не только от свойств металла шва, но и от свойств основного металла в околошовной зоне. Структура, а значит и свойства основного металла в околошовной зоне, зависят от его химического состава и изменяются в зависимости от термического цикла сварки. На рисунке 1 слева схематически показаны кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в один из моментов, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и структурные участки зоны термического влияния на низкоуглеродистых и низколегированных сталях при дуговой сварке.

Рисунок 1. Схема строения зоны термического влияния сварного шва при дуговой сварке

При сварке низкоуглеродистых сталей на участке неполного расплавления металл нагревается в интервале температур между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполняется жидкими прослойками расплавленного металла, который может содержать элементы, вводимые в металл сварочной ванны. Это может привести к тому, что состав металла на этом участке будет отличаться от состава основного металла, а из-за нерасплавившихся зерен основного металла — и от состава наплавляемого металла. Увеличению химической неоднородности металла на этом участке способствует и слоистая ликвация, а также диффузия элементов, которая может происходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. По существу этот участок и является местом сварки. Несмотря на его небольшую протяженность, свойства металла в нем могут влиять на свойства всего сварного соединения.

На участке перегрева в результате нагрева в интервале температур от 1100- 1150 0 С до температур линии солидуса металл полностью переходит в состояние аустенита. При этом происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем более, чем выше нагрет металл выше температуры точки А С3 . Даже непродолжительное пребывание металла при температурах свыше 1100 0 С приводит к значительному увеличению размера зерен. После охлаждения это может привести к образованию неблагоприятной видманштеттовой структуры. На участке нормализации (полной перекристаллизации) металл нагревается незначительно выше температур точки А С3 , и поэтому он имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до температур между точками А С1 и А С3 , поэтому этот участок характеризуется почти неизменившимися первоначальными ферритными и перлитными зернами и более мелкими зернами феррита и перлита после перекристаллизации, а также сфероидизацией перлитных участков.

На участке рекристаллизации металл нагревается в интервале температур от 500-550 0 С до температуры точки А С1 , и поэтому по структуре он незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергается пластической деформации, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла — рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механические свойства металла этого участка могут несколько снизиться вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале температур от 100 до 500 0 С (участок синеломкости) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых изменений. Однако металл на этом участке может обладать пониженной пластичностью и несколько повышенной прочностью. У некоторых сталей, содержащих повышенное количество кислорода и азота (обычно кипящих), металл на этом участке имеет резко сниженную ударную вязкость и сопротивляемость разрушению.

При многослойной сварке, ввиду многократного воздействия термического цикла сварки на основной металл в околошовной зоне, строение и структура зоны термического влияния несколько изменяются. При сварке длинными участками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвергается своеобразному отпуску. При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Кроме изменения структур, это увеличивает и протяженность зоны термического влияние. Наличие в низколегированных сталях легирующих элементов (которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую) тормозит при охлаждении процесс распада аустенита и действует равносильно некоторому увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне термического влияния на участках где металл нагревается выше температур точки А С1 , (при повышенных скоростях охлаждения), могут образовываться закалочные структуры. При этом металл нагревающийся до температур значительно выше температуры точки А С3 , будет иметь более грубозернистую структуру. При сварке термических упрочненных сталей на участках рекристаллизации и синеломкости может произойти отпуск металла, характеризующийся структурой сорбита отпуска, с понижением его прочностных свойств. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принять меры, предупреждающие разупрочнение стали на участке отпуска.

При электрошлаковой сварке структура металла швов может характеризоваться наличием зоны 1 крупных столбчатых кристаллов (рисунок 2,а), которые растут в направлении, обратном отводу тепла, зоны 2 тонких столбчатых кристаллов, характеризуемой меньшей величиной зерна и несколько большим их отклонением в сторону теплового центра, и зоны 3 равноосных кристаллов, располагающейся посередине шва. Строение швов зависит от способа электрошлаковой сварки, химического состава металла шва и режима сварки. Повышение содержания в шве углерода и марганца увеличивает, а уменьшение интенсивности теплоотвода, наоборот, уменьшает ширину зоны.

Рисунок 2. Схема строения структур металла шва при электрошлаковой сварке

При сварке проволочными электродами могут быть только первые две зоны (рисунок 2,б) или какая-либо одна из них. Металл швов, имеющих структуру зоны 2, имеет пониженную стойкость против кристаллизационных трещин. Медленное охлаждение швов при электрошлаковой сварке в интервале температур фазовых превращений способствует тому, что их структура характеризуется грубым ферритно-перлитным строением с утолщенной оторочкой феррита по границам кристаллов. Термический цикл околошовной зоны при электрошлаковой сварке характеризуется ее длительным нагревом и выдержкой при температурах перегрева и медленным охлаждением. Поэтому в ней могут образовываться грубые видманштеттовы структуры, которые по мере удаления от линии сплавления сменяются нормализованной мелкозернистой структурой. В зоне перегрева может наблюдаться падение ударной вязкости, что устраняется последующей термической обработкой (нормализация с отпуском). Термический цикл электрошлаковой сварки, способствуя распаду аустенита в области перлитного и промежуточного превращений, благоприятен при сварке низколегированных сталей, так как способствует подавлению образования закалочных структур.

Основным фактором, определяющим после окончания сварки конечную структуру металла в отдельных участках зоны термического влияния, является термический цикл, которому подвергался металл в этом участке при сварке. Решающими факторами термического цикла сварки являются максимальная температура, достигаемая металлом в рассматриваемом объекте, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура различных участков зоны термического влияния определяется способом и режимом сварки, составом и толщиной основного металла.

Рассмотренное выше разделение зоны термического влияния является приближенным. Переход от одного структурного участка к другому сопровождается промежуточными структурами. Кроме того, диаграмму железо — углерод мы рассматривали статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В действительности температура в точках зоны термического влияния изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.

Обеспечение равнопрочности сварного соединения при дуговой сварке низкоуглеродистых и низколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида термической обработки стали до сварки. При сварке низкоуглеродистых горячекатаных (в состоянии поставки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспечивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, какие были рассмотрены выше. Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсированных режимах металла повышенной толщины, а также однопроходных угловых швов при отрицательных температурах и т. д. может привести к появлению в металле шва и на участках перегрева полной и неполной рекристаллизации в околошовной зоне закалочных структур. Повышение содержания в стали марганца увеличивает эту вероятность. При этих условиях даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки ВСтЗ не исключена возможность получения в сварном соединении закалочных структур. Если эта сталь перед сваркой прошла термическое упрочнение — закалку, то в зоне термического влияния шва на участках рекристаллизации и синеломкости будет наблюдаться отпуск металла, т. е. снижение его прочностных свойств. Изменение этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.

Изменение свойств металла шва и околошовной зоны при сварке низколегированных сталей проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перегрева и нормализации. Механические свойства металла изменяются больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термическая обработка низколегированных сталей — чаще всего закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочности при сохранении высокой пластичности, усложняет технологию их сварки. На участках рекристаллизации и синеломкости происходит разупрочнение стали под действием высокого отпуска с образованием структур преимущественно троостита или сорбита отпуска. Это разупрочнение тем больше, чем выше прочность основного металла в результате закалки. В этих процессах решающее значение имеет скорость охлаждения металла шва и в первую очередь погонная энергия при сварке. Повышение погонной энергии сварки сопровождается снижением твердости и расширением разупрочненной зоны. Околошовная зона, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки, служит вероятным местом образования холодных трещин при сварке низколегированных сталей.

Таким образом, получение при сварке низколегированных сталей, особенно термоупрочненных, равнопрочного сварного соединения вызывает некоторые трудности и поэтому требует применения определенных технологических приемов (сварка короткими участками нетермоупрочненных сталей и длинными участками термоупрочненных и др.). Протяженность участков зоны термического влияния, где произошло изменение свойств основного металла под действием термического цикла сварки (разупрочнение или закалка), зависит от способа и режима сварки, состава и толщины металла, конструкции сварного соединения и др.

В процессе изготовления конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей на заготовительных операциях и при сварке в зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. Попадая при наложении последующих швов под сварочный нагрев до температур около 300 0 С, эти зоны становятся участками деформационного старения, приводящего к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и возможному возникновению холодных трещин, особенно при низких температурах или в местах концентрации напряжений. Высокий отпуск при 600- 650 0 С в этих случаях является эффективным средством восстановления свойств металла. Высокий отпуск применяют и для снятия сварочных напряжений. Нормализации подвергают сварные конструкции для улучшения структуры отдельных участков сварного соединения и выравнивания их свойств. Термическая обработка, кроме закалки сварных соединений в тех участках соединения, которые охлаждались с повышенными скоростями, приведшими к образованию в них неравновесных структур закалочного характера (угловые однослойные швы, последние проходы, выполненные на полностью остывших предыдущих), снижает прочностные и повышает пластические свойства металла в этих участках. При сварке короткими участками по горячим, предварительно наложенным швам замедленная скорость охлаждения металла шва и околошовной зоны способствует получению равновесных структур. Влияние термической обработки в этом случае сказывается незначительно. При электрошлаковой сварке последующая термическая обработка мало изменяет механические свойства металла рассматриваемых зон. Однако нормализация приводит к резкому возрастанию ударной вязкости.

Швы, сваренные на низкоуглеродистых сталях всеми способами сварки, обладают удовлетворительной стойкостью против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием в них углерода. Однако при сварке на низкоуглеродистых сталях, содержащих углерод по верхнему пределу (свыше 0,20%), угловых швов и первого корневого шва в многослойных швах, особенно с повышенным зазором, возможно образование в металле шва кристаллизационных трещин, что связано в основном с неблагоприятной формой провара (узкой, глубокой). Легирующие добавки в низколегированных сталях могут повышать вероятность образования кристаллизационных трещин. Все низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Обычно не имеется затруднений, связанных с возможностью образования холодных трещин, вызванных образованием в шве или околошовной зоне закалочных структур. Однако в сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышенное содержание марганца и хрома, вероятность образования холодных трещин в указанных зонах повышается, особенно с ростом скорости охлаждения (повышение толщины металла, сварка при отрицательных температурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях предупреждение трещин достигается предварительным подогревом до 120-200 0 С. Предварительная и последующая термическая обработка сталей, использующихся в ответственных конструкциях, служит для этой цели, а также позволяет получить необходимые механические свойства сварных соединений (высокую прочность или пластичность, или их необходимое сочетание).

Подготовку кромок и сборку соединения под сварку производят в зависимости от толщины металла, типа соединения и способа сварки согласно соответствующим ГОСТам или техническим условиям. Свариваемые детали для фиксации положения кромок относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в универсальных или специальных сборочных приспособлениях или с помощью прихваток. Длина прихватки зависит от толщины металла и изменяется в пределах 20-120 мм при расстоянии между ними 500- 800 мм. Сечение прихваток равно примерно 1/3 сечения шва, но не более 25-30 мм 2 . Прихватки выполняют покрытыми электродами или на полуавтоматах в углекислом газе. При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины из-за высокой скорости теплоотвода. Перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее вырубают или удаляют другим способом. При электрошлаковой сварке детали, как правило, устанавливают с зазором, расширяющимся к концу шва. Фиксацию взаимного положения деталей производят скобами, установленными на расстоянии 500-1000 мм друг от друга, удаляемыми по мере наложения шва. При автоматических способах дуговой и электрошлаковой сварки в начале и конце шва устанавливают заходные и выходные планки.

Сварка стыковых швов вручную или полуавтоматами в защитных газах и порошковыми проволоками выполняется на весу. При автоматической сварке требуются приемы, обеспечивающие предупреждение прожогов и качественный провар корня шва. Это достигается применением остающихся или съемных подкладок, ручной или полуавтоматической в среде защитных газов подварки корня шва, флюсовой подушки и других приемов. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений. Дуговую сварку ответственных конструкций лучше производить с двух сторон. Выбор способа заполнения разделки при многослойной сварке зависит от толщины металла и термической обработки стали перед сваркой. При появлении в швах дефектов (пор, трещин, непроваров, подрезов и т. д.) металл в месте дефекта удаляют механическим путем или воздушно-дуговой или плазменной резкой и после зачистки подваривают. При сварке низколегированных сталей от выбора техники и режима сварки (при изменении формы провара и доли участия основного металла в формировании шва) зависят состав и свойства металла шва.

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 элект-рода	σ т	σ в	δ	ψ	а н , кгс*м/см 2 , при темпе-ратуре, 0 C	Угол загиба α, град	Типичный коэф-фициент наплавки, г/(А*ч)	Род тока
кгс/мм 2	%	+20	-40
ОММ-5	37	48	22	55	10,0	5,0	160	7,2	Постоянный
Основное назначение электродов: Сварка ответственных конструкций из низкоулеродистых сталей
СМ-5	32	46	25	60	12,0	8,0	180	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/мм 2
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	—	—	—	150	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	—	160	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	—	180	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 =πd э 2 *j/4

где d э — диаметр электрода (электродного стержня), мм;
j — допускаемая плотность тока, А/мм 2 .

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/мм 2 , при диаметре электрода d э , мм
3	4	5	6
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 =k 1 *d э * 1,5
I св =d э *(k 2 +α*d э )
где d э — диаметр электрода (электродного стержня), мм;
k 1 , k 2 , α — коэффициенты, определённые опытным путём:
k 1 =20…25; k 2 =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 0 С. 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 0 С.

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-ЮГА, 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 увеличение доли 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 0 С.

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. В некоторых случаях для сварки используют неплавящийся угольный или графитовый электрод.

Этот способ применяют при сварке бортовых соединений из низкоуглеродистых сталей толщиной 0,3-2,0 мм (например, канистр, корпусов конденсаторов и т. д.). Так как сварку выполняют без присадки, содержание кремния и марганца в металле шва невелико. В результате прочность соединения составляет 50-70% прочности основного металла.

При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом швов, расположенных в различных пространственных положениях, используют электродную проволоку диаметром до 1,2 мм, а при сварке швов, расположенных в нижнем положении — проволоку диаметром 1,2-3,0 мм.

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.

Сварка порошковой проволокой и проволокой сплошного сечения без дополнительной защиты

Одним из преимуществ сварки открытой дугой порошковой проволокой по сравнению со сваркой в углекислом газе является отсутствие необходимости в газовой аппаратуре и возможность сварки на сквозняках, при которых наблюдается сдувание защитной струи углекислого газа. При правильно выбранном режиме сварки обеспечивается устойчивое горение дуги и хорошее формирование шва. В качестве источников тока можно использовать выпрямители и преобразователи с крутопадающими внешними вольт-амперными характеристиками. Недостатком этого способа сварки является возможность сварки только в нижнем и вертикальном положениях из-за повышенного диаметра выпускаемых промышленностью проволок и повышенной чувствительности процесса сварки к образованию в швах пор при изменениях вылета электрода и напряжения дуги. Особенностью порошковых проволок является также и малая глубина проплавления основного металла.

При использовании проволоки ПП-1ДСК для соединений с повышенным зазором между кромками в швах могут образовываться поры. Проволока ЭПС-15/2 для получения швов без пор требует соблюдения режимов в узком диапазоне. Большие рабочие токи ограничивают применение этой проволоки для сварки металла малых толщин. Проволоки ПП-АН7 и ПП-2ДСК имеют хорошие сварочно-технологические свойства в широком диапазоне режимов. Для сварки ответственных конструкций из низкоуглеродистых и низколегированных сталей рекомендуется использовать проволоки ПП-2ДСК, и ПП-АН4, обеспечивающие получение шва с хорошими показателями хладноломкости.