Сварка конструкционных сталей

                                               Зміст:

   1.Історія зварювання.

  2.   Електроди для зварювання вуглецевих конструкцийних  сталей. 

  3.  Характеристика вуглецевих сталей. 

  4.  Зварюваність  сталей. 

  5. Вплив основних  елементів на властивості сталей.  

  6.  Технологія  зварювання вуглецевих конструкційних  сталей.

 7.  Охорона праці при зварюванні вуглецевих конструкційних сталей.

1.Історія зварювання 
 
      У 1802 році вперше в світі професор фізики Санкт-Петербурзької медико-хірургічної академії В. В. Петров (1761-1834гг.) Відкрив електричну дугу і описав явища, що відбуваються в ній, а також вказав на можливість її практичного застосування. У 1881 році російський винахідник Н. Н.Бенардос (1842-1905рр.) Застосував електричну дугу для з'єднання і роз'єднання сталі.  Дуга М.М.Бенардоса горіла між вугільним електродом і зварюваних металом.  Присадним прутком для утворення шва служила сталевий дріт. Як джерело електричної енергії використовувалися акумуляторні батареї.  Зварювання, запропонована М.М.Бенардосом, застосовувалася в Росії в майстернях Ріго-Орловської залізниці при ремонті рухомого складу.  М.М. Бенардосом були відкриті й інші види зварювання: контактна точкове зварювання, дугове зварювання декількома електродами в захисному газі, а також механізована подача електрода в дугу. 
     У 1888 році російський інженер Н. Г. Славянов (1854-1897гг.) Запропонував дугове зварювання плавким металевим електродом. Він розробив наукові основи дугового зварювання, застосував флюс для захисту металу зварювальної ванни від впливу повітря, запропонував наплавлення і зварювання чавуну. Н. Г. Славянов виготовив зварювальний генератор своєю конструкцією та організував перший в світі електрозварювальний цех у Пермських гарматних майстерень, де працював з 1883 по 1897р.  
М. М. Бенардос і Н. Г. Славянов поклали початок автоматизації зварювальних процесів.  Однак в умовах царської Росії їх винаходу не знайшли великого застосування.  Тільки після Великої Жовтневої соціалістичної революції зварювання набуває поширення в нашій країні.  Вже на початку 20-х рр.. під керівництвом професора В. П. Вологдина на Далекому Сході проводили ремонт суден дуговим зварюванням, а також виготовлення зварних котлом, а дещо пізніше - зварювання судів і відповідальних конструкцій. 
Розвиток і промислове застосування зварювання вимагало розробки і виготовлення надійних джерел живлення, що забезпечують стійкої горіння дуги.Таке обладнання - зварювальний генератор СМ-1 і зварювальний трансформатор з нормальним магнітним розсіюванням СТ-2 - було виготовлено вперше в 1924 році Ленінградським заводом «Електрик». У тому ж році радянський вчений В.П.Нікітін розробив принципово нову схему зварювального трансформатора типу СТН. Випуск таких трансформаторів заводом «Електрик» почав з 1927р. 
У 1928 році вчений Д.А. Дульчевскій винайшов автоматичне   зварювання під флюсом. 
     Новий етап у розвитку зварювання відноситься до кінця 30-их років, коли колективом інституту електрозварювання АН УРСР під керівництвом академіка Є. О. Патона був розроблений промисловий спосіб автоматичного зварювання під флюсом. Впровадження його у виробництво почалося з 1940р. Зварювання під флюсом зіграла величезну роль у роки війни при виробництві танків, самохідних гармат і авіабомб.Пізніше був розроблений спосіб напівавтоматичного зварювання під флюсом. 
В кінці 40-их років отримала промислове застосування зварювання в захисному газі. Колективами Центрального науково-дослідного інституту технологій машинобудування та Інституту електрозварювання імені Є.О. Патонова розроблена і в 1952 році впроваджена напівавтоматичне зварювання у вуглекислому газі. 
Величезним досягненням зварювальної техніки з'явилася розробка колективом ІЕЗ в 1949 році електрошлакового зварювання, що дозволяє зварювати метали практично будь-якої товщини. 
Автори зварювання у вуглекислому газі плавким електродом і електрошлакового зварювання К.М. Новожилов, Г.З. Волошкевич, К. В. Любавський та ін удостоєні Ленінської премії. 
У наступні роки в країні стали застосовуватися: зварювання ультразвуком, електронно-променева, плазмова, дифузійна, холодне зварювання, зварювання тертям і ін Великий внесок у розвиток зварювання внесли вчені нашої країни: В. П. Вологдін, В. П. Нікітін, Д . А. Дульчевскій, Є.О. Патонів, а також колективи Інституту електрозварювання імені Є.О. Патонова.     Дугова зварка під флюсом. Сутність зварювання полягає в тому, що дуга горить під шаром зварювального флюсу між кінцем голою електродного дроту. При горінні дуги і плавленні флюсу створюється газошлаковая оболонка, що перешкоджає негативному впливу атмосферного повітря на якість зварного з'єднання. 
Дугове зварювання в захисному газі проводиться як неплавким (частіше вольфрамовим), так і плавиться електродів. 
При зварці неплавким електродом дуга горить між електродом і зварюваних металом у захисному інертному газі. Зварювальна дріт вводиться в зону зварювання зі сторони. 
Зварювання плавким електродів виконується на напівавтоматах і автоматах.  Дуга в даному випадку виникає між безперервно подається голою дротом і зварюваних металом. 
В якості захисних газів застосовують інертні (аргон, гелій, азот) і активні гази (вуглекислий газ, водень, кисень), а також суміші аргону з гелієм, або вуглекислим газом, або киснем; вуглекислого газу з киснем та іншими 
Газове зварювання здійснюється шляхом нагрівання до розплавлення крайок, що зварюються і зварювального дроту високотемпературним газокисневих полум'ям від зварювального пальника. В якості пального газу застосовується ацетилен і його замінники (пропан-бутан, природний газ, пари рідких горючих та ін) 
Електрошлакове зварювання застосовується для з'єднання виробів будь-якої товщини у вертикальному положенні. Листи встановлюють із зазором між зварюються крайками. У зону зварювання подають дріт і флюс. Дуга горить тільки на початку процесу. У подальшому після розплавлення певної кількості флюсу дуга гасне, і струм проходить через розплавлений шлак. 
Контактна зварювання здійснюється при нагріванні деталей електричним струмом і їх пластичної деформації (здавлюванні) у місці нагріву.  Місцевий нагрів досягається за рахунок опору електричному струму деталей, що зварюються в місці їх контакту. Існує кілька видів контактного зварювання, що відрізняються формою зварного з'єднання, технологічними особливостями, способами підведення струму та харчування електроенергією. 
Види контактного зварювання: 
• стикового контактного зварювання зварювані частини з'єднують по поверхні з'єднуваних торців. 
• точкового контактного зварюванням з'єднання елементів відбувається на ділянках, обмежених за площею торців електродів, що підводять струм і передають зусилля стиснення. 
• рельєфна контактне зварювання здійснюється на окремих ділянках за заздалегідь підготовленим виступам - рельефам. 
• шовного контактного зварювання з'єднання елементів виконується внахлестку обертовими дисковими електродами у вигляді безперервного або переривчастого шва. 
      Електронно-променева зварювання. Сутність процесу зварювання електронним променем полягає у використанні кінетичної енергії електронів, швидко рухаються в глибокому вакуумі. При бомбардуванні поверхні металу електронами переважна частина їх кінетичної енергії перетворюється в теплоту, яка використовується для розплавлення металу. 
    Для зварювання необхідно: отримати вільні електрони, сконцентрувати їх і повідомити їм більшу швидкість, щоб збільшити їхню енергію, яка при гальмуванні електронів в зварюють метали перетворюється в теплоту. Електронно-променевої зварюванням зварюють тугоплавкі і рідкісні метали, високоміцні, жароміцні і корозійно-стійкі сплави та сталі. 
      Дифузійна зварювання в вакуумі має такі переваги: метал не доводиться до розплавлення, що дає можливість отримати більш міцні зварні з'єднання і високу точність розмірів виробів; дозволяє зварювати різнорідні матеріали: сталь з алюмінієм, вольфрамом, титаном, металокерамікою, молібденом, мідь з алюмінієм і титаном , титан з платиною і т. п. 
     Плазмової зварюванням можна зварювати як однорідні, так і різнорідні метали, а також неметалеві матеріали. Температура плазмової дуги, застосовуваної в зварювальній техніці, досягає 30 000 C. Для отримання плазмової дуги застосовуються плазмотрони з дугою прямого чи непрямого дії. У плазмотронах прямої дії плазмова дуга утворюється між вольфрамовим електродом і основним металом. Сопло в такому разі електрично нейтрально і служить для стискання та стабілізації дуги. У плазмотронах побічної дії плазмова дуга створюється між вольфрамовим електродом і соплом, а струмінь плазми виділяється із стовпа дуги у вигляді факела. Дугу плазмового дії називають плазмовим струменем. Для утворення стислій дуги вздовж її стовпа через канал в соплі пропускається нейтральний одноатомний (аргон, гелій) або двоатомний газ (азот, водень та інші гази та їх суміші). Газ стискає стовп дуги, підвищуючи тим самим температуру стовпа. 
Лазерне зварювання. Лазер - оптичний квантовий генератор (ОЗУ).Випромінювачем - активним елементом - в ОРГ можуть бути: 1) твер ді тіла - скло з неодимом, рубін і ін; 2) рідини - розчини окису неодиму, барвники та ін; 30 гази та газові суміші - водень, азот, вуглекислий газ і ін; 4) напівпровідникові монокристали - арсеніди галію та індію, сплави кадмію з селеном і сіркою і ін Обробляти можна метали та неметалеві матеріали в атмосфері, вакуумі і в різних газах. При цьому промінь лазера вільно проникає через скло, кварц, повітря. 
      Холодне зварювання металів. Сутність цього виду зварювання полягає в тому, що при прикладанні великого тиску до з'єднувальних елементів у місці їх контакту відбувається пластична деформація, що сприяє виникненню міжатомних сил зчеплення і яка веде до утворення металевих зв'язків. Зварювання виробляється без застосування нагріву. Холодне зварювання можна отримувати з'єднання стик, внапусток i утавр. Цим способом зварюють пластичні метали: мідь, алюміній і його сплави, свинець, олово, титан. 
     Зварювання тертям виконується у твердому стані під впливом теплоти, що виникає при терті поверхонь деталей, що зварюються, з наступним додатком стискаючих зусиль. Міцне зварне з'єднання утворюється в результаті виникнення металевих зв'язків між контактуючими поверхнями деталей, що зварюються. 
      Високочастотне зварювання заснована на нагріванні металу пропусканням через нього струмів високої частоти з подальшим здавлюванням обтискними роликами.Така зварювання може виконуватися з підведенням струму контактами і з індукційним підведенням струму. 
Зварювання ультразвуком. При зварюванні ультразвуком нероз'ємне з'єднання металів утворюється при одночасному впливі на деталі механічних коливань високої частоти і відносно невеликих здавлюють зусиль. Цей спосіб застосовується при зварюванні металів, чутливих до нагріву, пластичних металів, неметалічних матеріалів. 
Зварювання вибухом заснована на впливі спрямованих короткочасних надвисоких тисків енергії вибуху порядку (100 ... 200) Х 108 Па на деталі, що зварюються.Зварювання вибухом використовують при виготовленні заготовок для прокату біметалу, при плакіровке поверхонь конструкційних сталей металами і сплавами з особливими фізичним і хімічними властивостями, а також при зварюванні деталей з різнорідних металів і сплавів. 

2.   Електроди для зварювання вуглецевих конструкцийних  сталей. 

Електроди - поширений та загальнодоступний зварювальний матеріал, що входить до ланцюга підведення струму до зварюваного виробу.     Сировиною для виготовлення електродів служить зварювальний дріт. У 1911 році О. Кельберг отримав перший патент на покриття для електродів, а на світовому ринку електроди з покриттями з'явилися в 1928 році. Відтоді металеві електроди стали поділятися на покриті, що мають на поверхні стрижня покриття з порошкоподібних матеріалів, скріплених клеєвим розчином, і непокриті. Кожна марка електродів має різні поєднання і властивості, які забезпечують виконання необхідних вимог.       Вибір типу і марки електроду залежить від марки зварюваної сталі, товщини листа, розміщення у просторі, умов зварювання та експлуатації зварної конструкції і т.д.                                           Загальні вимоги до електродів, правила прийому, методи випробувань швів та зварних з'єднань, умови маркірування та упаковки, документація на електроди регламентовані ГОСТ 9466-75.                                                          Электроды для ручного дугового зварювання являють собою стрижні завдовжки 450 мм із зварювального дроту, на який нанесений шар покриття, – суміш речовин для посилення іонізації, захисту від шкідливої дії повітря та металургійної обробки зварювальної ванни.

                    Класифікація сталевих вкритих електродів:

  За призначенням сталеві вкриті електроди для ручного дугового зварювання і наплавлення поділяються на наступні групи за ДСТ 9467-75: 

• У – для зварювання вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей з годинним опором розриву до 600 Мпа; ДСТ передбачає дев'ять типів електродів (338, 342, Е42А, Е46, Е46А, Е50, Е50А, Е55, Е60);
• Л – для зварювання легованих конструкційних сталей з годинним опором розриву понад 600 Мпа – п'ять типів (Е70, Е85, Е100, Е125, Е150);
• Т - для зварювання легованих теплостійких – 9 типів;
• У – для зварювання високолегованих сталей з особливими властивостями – 49 типів (ДСТ 10052-75);
• Н – для наплавлення поверхневих шарів з особливими властивостями – 44 типу (ДСТ 10051-75).

     Цифри на позначеннях електродів для зварювання конструкційних сталей означають межу міцності гарантованого металошва.                                                                     За виглядом покриття розрізняють електроди з покриттям:

• кислим – А;
• основним – В;
• целюлозним – Ц;
• рутиловим - Р;
• змішаного вигляду – вказується подвійне позначення;
• іншими видами покриттів – П.

     Якщо в покритті зміст залізного порошку складає більше 20%, то до позначення виду покриття додають букву Ж.                                                                  За товщиною покриття залежно від відношення діаметру електроду D до діаметру сталевого стрижня d розрізняють електроди: 

• М – з тонким покриттям (D/d S 1,20)
• З – з середнім покриттям (1,20<D/d<1,45);
• Д – з товстим покриттям (1,45<D/d<1,80);
• Г – з особливо товстим покриттям (D/d>1,80).

Типи  покритих електродів для зварювання конструкційних сталей                                    Згідно з ДСТ 9467-75, електроди для зварювання конструкційних сталей залежно від механічних властивостей металошва і зварного з'єднання, виконаного цими електродами, класифікуються на декілька типів. Кожному типу може відповідати одна або декілька марок електродів, наприклад до типа Э46 відносяться наступні марки електродів: АНО-3, АНО-4, МР-3, ОЗС-6 і ін. Марка електрода характеризується певним складом покриття, маркою електродного стрижня, технологічними властивостями, властивостями металошва.                                                                ТОВ «ВінницяМеталоЦентр» пропонує Вам електроди марки АНО-36, АНО-21,«Моноліт».                                                                                                                Електроди АНО–36 призначені для ручного дугового зварювання конструкцій з низьковуглецевих сталей (Ст 0, Ст 1, Ст 2 всіх груп А, Б, В і всіх ступенів розкислювання - «КП», «ПС», «СП» по ДСТ 380-94 і (05КП, 08КП, 08ПС, 08, 10КП, 10ПС, 10, 15КП, 15ПС, 15, 20КП, 20ПС, 20) по ДСТ 1050-88 - змінним (мінімальна напруга холостого ходу 50 В) або постійним струмами у всіх просторових положеннях, зокрема на вертикальній площині способом зверху-вниз. Відрізняються легким початковим і повторним запаленням, стабільним горінням дуги, забезпечують малі втрати металошва і легке відділення шлакової шкірки. За зварювально-технологічними властивостях нові електроди перевершують електроди марки МР–3, АНО–4, ОЗС–4іОЗС–12.                                                                                                     Електроди рекомендують використовувати при зварюванні, ремонті сталевих конструкцій з металу завтовшки до 20 мм. Вони дозволяють виконувати зварювання стикових з'єднань з підвищенням зазору, а також за наявності на зварюваних кромках іржі, окалини та інших поверхневих забруднень. Електроди АНО-36 відрізняються легким початковим і повторним запаленням, м'яким та стабільним горінням дуги, забезпечують малі втрати металу від розбризкування, рівномірне плавлення покриття, відмінне формування металошва, легку віддільність шлакової шкірки. Електроди малочутливі до якості підготовки кромок, наявності іржі та інших поверхневих забруднень. Продукція сертифікована і відповідає всім показникам нормативно-технічної документації. 

                        3. Характеристика вуглецевих сталей. 

   . Сталь вуглецева звичайної якості виготовляється згідно з ГОСТ 380-71 * трьох груп: А - поставляється за механічними властивостями; Б - поставляється за хімічним складом і В - поставляється за хімічним складом і механічними властивостями. Хімічний склад сталі групи В такий же, як у сталі групи Б. В залежності від ступеня розкислення сталь виготовляється киплячій (кп), напівспокійної (пс) та спокійною (сп). Ці літери ставляться при позначенні марок сталі (ВСтЗкп, ВСтЗпс і т.д.). Найбільш придатною для зварних конструкцій є низьковуглецевий сталь марок ВСтЗпсб, ВСтЗспб, ВСтЗГпс і СтЗГсп, які поставляються з гарантією зварюваності. Сталь марок ВСт4 і ВСтб - середовищ-неуглеродісгая і марки ВСтб - високовуглецева. Зміст З, Si і Мп в сталі наведено в табл. 16.1.                                     Цифра 5 (ВСтЗспб) позначає   категорію   сталі, що  гарантує    величину ударної в'язкості при температурі +20 і -20°С.  
    Крім вуглецевої сталі звичайної якості виготовляється сталь вуглецева якісна конструкційна за ГОСТ 1050-74. Її налічується 24 марки - від 08 кп до 60. У будівельних конструкціях іноді застосовують конструкційну низьковуглецеву сталь марок 10, 15, 20. Цифри, що позначають марки стали, показують середній вміст в ній вуглецю в сотих частках відсотка.  
В даний час застосовують прокат зі сталі вуглецевої зварюваної для будівельних конструкцій, виготовлений у вигляді листів, смуг, куточків, балок і швелерів наступних марок: 18кп товщиною 4-40 мм, 18пс товщиною 4-16 мм (лист) і 4-20 мм (фасонний прокат), 18сп товщиною 4-20 мм, 18пс товщиною 4-30 мм, 18Гсп товщиною 31-40 мм.   Це все низьковуглецевий добре зварювана сталь із вмістом вуглецю 0,14-0,22%.                                                     ВСт4 і ВСт5, стали конструкційні марок 25, 30, 35 і 40 зварюються обмежено, і для-будівельних конструкцій їх застосовують в основному у вигляді сталевої арматури класу II (ВСт5) при виготовленні залізобетонних конструкцій і для рейкових шляхів. Зі збільшенням вуглецю в сталі зона термічного впливу і шов гартуються, збільшується їх твердість, зварні з'єднання стають більш крихкими і схильними до утворення тріщин. Для будівельних конструкцій вони не придатні. Високовуглецеву сталь марки BCTG, стали 45,50 і 60 краще з'єднувати контактним зварюванням. З усіх марок низьковуглецевої стали найбільш широко застосовують для зварних будівельних конструкцій стали ВСтЗпсб, ВСтЗсп, ВСтЗГпс, ВСтЗГсп та подібні до них стали 18пс, 18сп, 18Гпс і 18Гсп.                                                        Для менш відповідальних конструкцій застосовують ВСтЗкпЗ і18кп. 
З 1989 р. почав діяти ГОСТ 27772-88 * «Прокат для будівельних сталевих конструкцій», в якому передбачені вуглецеві сталі С235, С255, С275, С285, С345Т і С375Т. Буква З позначає сталь будівельна, цифри умовно позначають межа плинності, буква Т-термічне покращення зі спеціальним нагріванням або термічне зміцнення з прокатним нагріванням. До стали С235 відноситься кипляча сталь ВСтЗкп2 *, до сталі С245 - ВСтЗпсб *, до сталі С256 - ВСтЗсп5 * і ВСтЗГсп5 з деякими уточненнями величини межі плинності та хімічного складу. Зазначені по новому Госту стали поступово впроваджуються в практику. 
    Зварювання конструкцій з низьковуглецевої киплячій і напівспокійної стали слід виконувати електродами Е42 або Е46 марок МР-3, ОЗС-4, АНО-4 та ін Для зварювання конструкцій зі спокійної сталі краще електроди Е42А і Е46А марок СМ-11, УОНІІ-13/45 або їм аналогічні. Конструкції, що працюють в умовах динамічних чи вібраційних навантажень (транспортні естакади, галереї, підкранові балки, пролітні будови та ін, фасонки кроквяних ферм), і конструкції, що експлуатуються при температурі мінус 40 ° С і нижче, також повинні зварюватися електродами Е42А або Е46А. Ці ж електроди повинні застосовуватися при зварюванні судин і трубопроводів-високого тиску, листових об'ємних конструкцій з елементами товщиною 20 мм і більше. При зварюванні товстої сталі (стиковими і кутовими багатошаровими швами) рекомендується попередній підігрів до 120-150 ° С перед накладенням кореневих і перших шарів кутових швів для попередження утворення кристалізаційних тріщин, так як підігрів уповільнює охолоджування металу і перешкоджає утворенню гартівних структур.

                                4.  Зварюваність  сталей. 

         За зварюваністю сталі поділяють на чотири групи (табл.№1):                                                                                       / — добре зварюються і при звичайних способах зварювання не дають тріщин. Зварювання ведуть без підігріву і після зварювання не використовують термообробки. Одержують зварні з'єднання високої якості; II — задовільно зварюються. Для одержання зварних з'єднань з доброю якістю необхідне строге виконання всіх режимів зварювання, застосування спеціального присаджувального металу,   особливо детального очищання кромок і нормальні температурні умови, а в деяких випадках і попередній підігрів до 100-150°С з наступною термообробкою;                                                 /// — обмежено зварюються. У звичайних умовах схильні до утворення тріщин. Зварюють з попереднім підігрівом до 250-400°С з наступним відпуском.                                                                                                   IV — погано зварюються. Важко піддаються зварюванню і схильні до утворення тріщин. Зварюють із попереднім підігрівом і наступною термообробкою.                                                                               Класифікацію основних марок сталі за зварюваністю наведено в табл..

      Таблиця№ 1:  Класифікація основних марок сталі за зварюваністю