Сварка победита со сталью

Обновлено: 16.05.2024

Для уменьшения внутренних деформаций и напряжений применяют ряд технологических приёмов по технике и очерёдности выполнения швов и их расположению, по выбору правильной конструкции изделия, по выбору режимов ручной дуговой сварки (или другого способа сварки).

Остаточные напряжения

В металле напряжения возникают во время сварки и по завершению процесса. В последнем случае они формируются по мере охлаждения детали и называются остаточными. Такие напряжения практически во всех конструкционных материалах присутствуют в течение всего эксплуатационного периода. Они представляют наибольшую опасность для изделий, так как являются причиной изменения габаритов и формы деталей. Поэтому так важно снять напряжение в металле после сварки. Это позволит исключить вероятность изменения внешнего вида изделия и уменьшить степень снижения его эксплуатационных характеристик. Если же остаточные напряжения в материале слишком большие, то существует вероятность, что деталь невозможно будет использовать.

Формоизменение изделий, изготовленных с помощью сварки, происходит из-за перемещения соединенных элементов, так как в каждой точке металла появляются деформации. Существуют несколько видов изменения формы:

продольные укорочения, образующиеся в результате усадки в одноименном направлении;
изгиб плоскости;
поперечные укорочения; возникающие тоже в результате усадки в соответствующем направлении;
угловые деформации, когда выполняются тавровые и стоковые сочленения;
формоизменения балочных конструкций, происходящие из-за деформации поперечных и продольных сварочных швов (в редких случаях происходит закручивание балок).

Меры по предотвращению сварочных деформаций

Одним из способов устранения сварочных деформаций является сварка в кондукторах — специальных приспособлениях, позволяющих жёстко закрепить изделие. Кроме этого, часто применяют предварительную деформацию свариваемых деталей. Направление предварительной деформации должно быть противоположно ожидаемой деформации при сварке. Такая мера называется ещё методом предварительного изгиба.

Такой метод используют для предотвращения угловых деформаций при сварке угловых швов и при сварке нахлёсточных соединений. При сварке листового металла малой ширины, их выгибают в сторону, обратную от предполагаемой деформации.

В случае сварки листов большой ширины, их сварные кромки предварительно изгибают. Для предотвращения деформаций при сварке тавровых и двутавровых соединений, их закрепляют в приспособления, которые изгибают детали в сторону, обратную предполагаемой деформации.

Термообработка

Одним из вариантов снятия напряжения является высокотемпературный отпуск. Техническое мероприятие применяется во время сочленения углеродистых сплавов. Оно осуществляется за счет нагрева до 630-650 °C. После выдержки температуры, длящейся 2-3 минуты на 1 мм толщины стали, деталь охлаждается.

Снижение температуры изделия проводят медленно. Это позволяет избежать повторного образования напряжения. Скоростной параметр зависит от состава металла. Он уменьшается с увеличением в сплаве элементов, влияющих на его закалку.

Термообработка после сварки для устранения напряжений и деформаций

Отпуск после сварки для снятия напряжений

При сварке углеродистых конструкционных сталей выполняют общий высокотемпературный отпуск. Для этого сварное изделие нагревают до температуры 630-650°C, выдерживают при этой температуре и охлаждают. Время выдержки определяется из расчёта 2-3мин на миллиметр толщины металла.

Охлаждение сварного соединения должно происходить медленно, чтобы при остывании вновь не возникли внутренние напряжения. Скорость охлаждения стали определяется, в зависимости от её химического состава. Чем больше в составе стали присутствует элементов, способствующих закалке, тем меньше скорость охлаждения при отпуске после сварки. Часто сварное соединение охлаждают вместе с печью до температуры 300°C, а затем на обычном воздухе.

Отжиг для устранения внутренних напряжений

Отжиг для устранения напряжений и деформаций при сварке выполняется полный или низкотемпературный. При полном отжиге сварное изделие нагревают до температуры 800-950°C, выдерживают и охлаждают вместе с печью. После такого отпуска вязкость и пластичность сварного шва увеличивается, а твёрдость уменьшается.

При низкотемпературном отпуске сварное соединение нагревают до температуры 600-650°C и охлаждают вместе с печью. При таком отпуске, нагрев металла происходит до температур, ниже критических, поэтому, преобразований в кристаллической структуре металла не происходит.

Аргонодуговой прием

Смысл аргонодуговой обработки состоит в расплавление участка, находящегося между сварным швом и основным металлом. Процесс выполняется неплавящимся электродным стержнем в аргоновой среде. Такое воздействие позволяет избавиться от напряжений в переходной зоне. Однако в дальнейшем происходит кристаллизация, в результате которой они снова появляются. Величина вновь появившихся напряжений существенно меньше начальных значений. Разница достигает 70%.

Совет! Используя такой прием можно не только уменьшить напряжение, но и получить плавный переход на участке, расположенным между швом и металлом конструкции. Благодаря этому у металлоконструкции повышается прочностная характеристика.

Жаропрочные металлы

Этот тип сплавов отличает высокое (до 65%) содержание легирующих добавок, которые придают материалу устойчивость к высоким температурам.

Сложность сварки жаропрочных сталей таким образом, помимо обеспечения прочности шва, заключается в сохранении вышеупомянутых качеств.

Наиболее распространенная технология: сварка неплавким вольфрамовым электродом в среде инертных газов, гелия или аргона.

Аустенитные и нержавеющие сплавы сваривают также под флюсом. С целью сохранения мелкокристаллической структуры таких материалов, используют модификацию шва.

Для этого, применяют присадки с высоким содержанием легирующих компонентов (хром, молибден).

При использовании инверторных приборов используют соответствующие электроды либо проволоку.

Изделия из жаростойких металлов, обычно закаленные. Но поскольку околошовное пространство остывает медленно, каленый металл отпускается, теряя твердость. Чтобы этого не произошло после сварки теплоустойчивых сталей выполняют их закалку. Нагревая до 1000-1100 градусов и резко охлаждая.

Термическая правка

Этот метод подразумевает под собой нагрев сочленения при использовании газового пламени. Может также применяться электродуга, образующаяся от неплавящегося электродного стержня. Нагрев материала осуществляется до 750-850 °C. Затем происходит быстрое расширение сплава. Однако рядом расположенные слои не дают металлу расширяться. Из-за этого возникает пластическая деформация нагретой зоны. Когда происходит охлаждение, предварительно нагретый участок начинает сжиматься. В итоге деформация полностью или частично устраняется.

Зная, как снять напряжение металла после сварки, удастся уменьшить вероятность снижения прочности сварных конструкций. Это особенно важно в условиях, которые способствуют появлению хрупкого разрушения шва. Используя вышеописанные методы, удается избежать дефектов при эксплуатации сварной металлоконструкции.

Техника сварки, позволяющая избежать сварочных деформаций

Существуют разные варианты техники сварки, позволяющие уменьшить сварочные напряжения и поводки. При выполнении сварочных швов большой длины, используют обратноступенчатый способ сварки на проход (схема а) на рисунке слева). При выполнении многослойной сварки, наплавляются каскадные сварные швы, или горкой. Каждый из этих слоёв (кроме первого и последнего) проковывают.

Кроме этого, сварные швы выполняются таким образом, чтобы каждый последующий шов вызывал напряжения, противоположные напряжениям от предыдущего шва (схемы б) и в) на рисунке слева).

Последовательность сварки не должна препятствовать возможной свободной деформации сварной металлоконструкции. Например, при сварке листового настила из металлических полос, необходимо, в первую очередь, сваривать листы в каждом слое настила, а затем сваривать слои между собой (см. рисунок справа).

При сварке вязких материалов, применяют способы сварки, позволяющие снизить остаточные напряжения. К таким способам относятся закрепление свариваемой детали в специальных приспособлениях. В таких приспособлениях свариваемые детали собирают, сваривают и остужают.

Кроме этого, применяют различные приёмы, позволяющие быстро отводить тепло от сварного изделия, например, при охлаждении под струёй воды, или отвод теплоты с помощью медных подкладок.

Если свариваемый металл склонен к формированию закалочных структур, то резкое охлаждение сварного шва и зоны термического влияния приводит к возникновению внутренних напряжений и образованию холодных трещин в металле.

Для того, чтобы уменьшить перепад температур в металле, пред сваркой выполняют предварительный подогрев. Если сварочные работы ведутся при низких температурах, то подогрев обязателен даже если выполняется сварка низкоуглеродистых сталей.

Пережог

Это самый неисправимый брак. При нагреве металла или сплава обязательно нужно следить за температурой, временем и конца нагрева. Окалина растёт, если увеличено время нагрева, а при быстром или интенсивном нагреве могут появиться трещины.
Пережог сплава происходит вследствие диффузии кислорода на границах зёрен, где сразу образуются окислы, которые разъединяют зёрна при высокой температуре сплава и при этом сразу резко падает прочность. А пластичность в это время приходит к нулю. Этот брак сразу отправляется на переплавку.

Подготовка к проведению работ

Перед тем как сваривать нержавеющие элементы, их следует правильно подготовить к проведению работ. Основные моменты здесь заключаются в следующем:

Все кромки тщательно зачищают при помощи напильника, шлифовальной бумаги или болгарки.
Кромки также обрабатывают ацетоном, чтобы убрать все жирные налеты. Кроме того, данный раствор позволяет обеспечить стабильность электрической дуги, а сварное соединение будет иметь еще более высокое качество.
Располагая заготовки относительно друг друга, необходимо помнить об увеличенном зазоре, который не допустит деформации конечной детали.

Как осуществляется сварка нержавейки

Перед выполнением сварки нержавеющей стали необходимо ее подготовить. Очень важно уделить внимание кромкам свариваемых деталей – они должны быть зачищены до стального блеска. Также следует обезжирить поверхность с помощью растворителя, авиабензина или ацетона.

Для сваривания нержавейки можно применить одну из следующих технологий:

Ручная MMA-сварка, как правило, используют при отсутствии высоких требований к качеству шва. Основная сложность данной технологии заключается в правильном выборе электрода, который нужно подбирать в соответствии с маркой металла. Обычно для таких целей применяют электроды с основным покрытием, изготовленным из карбонатов магния и кальция, или рутиловым покрытием, созданным на основе двуокиси титана. Если в первом случае сваривание осуществляется исключительно обратнополярным постоянным током, то во втором допускается применение тока с переменной характеристикой.

Таблица для подбора электродов

TIG-сварка эффективна для сваривания тонких листов нержавейки. Чтобы добиться высокого качества шва, следует использовать присадочную проволоку с более высоким уровнем легирования, чем у основного металла. В качестве защитной среды зачастую применяется 100% аргон, однако в некоторых случаях для повышения стабильности дуги и увеличения скорости процесса аргон могут разбавлять гелием.

TIG сварка изделий из нержавейки

TIG сварка выхлопных систем

Аргонодуговая сварка TIG с вольфрамовым электродом

Полуавтоматическая технология MIG/MAG является наиболее универсальной для сварки нержавеющей стали, так как позволяет работать с разными толщинами: для тонких листов подходит метод короткой дуги, для толстых – струйного переноса. С целью защиты шва обычно используют смесь аргона (98%) с диоксидом углерода (2%). Не рекомендуется увеличивать концентрацию углекислоты и, тем более, применять ее в чистом виде, поскольку это приводит к появлению металлических брызг и нарушению структуры шва. Подробнее о сравнении углекислого газа и сварочных смесей читайте в нашей статье.

Особенности работы с нержавеющей сталью

Приступая к сварочному процессу, необходимо учитывать несколько важных моментов, характерных для нержавейки:

Данный материал обладает меньшей теплопроводностью, чем обычное железо. Поэтому во избежание высокой концентрации тепла в районе шва с дальнейшим прожогом детали сварочный ток необходимо уменьшать на 20-30%.
Из-за повышенного электрического сопротивления металла электроды нагреваются гораздо сильнее, что приводит к их более быстрому износу.
Нержавеющая сталь отличается высоким коэффициентом линейного расширения. При сваривании деталей большой толщины важно выдерживать определенный зазор для нормальной усадки шва. В ином случае возможно появление трещин.
В режиме термообработки возникает вероятность снижения антикоррозионных свойств в месте соединения деталей. С целью предотвращения такой ситуации шов следует оперативно охлаждать. Для этого используют разные способы, например, подкладывают под место соединения медную пластину или снижают его температуру с помощью холодной воды.

Сваривание изделий из нержавейки это распространенная задача на производстве. Как показывает практика, попытки сэкономить на качестве защитных газов приводят к уменьшению надежности и долговечности сварного соединения. Качество имеет первостепенное значение для всего результата работы. Например, здесь можно ознакомиться с защитными газовыми смесями, которые применяются для различных видов металлов, и их типовыми характеристиками.

Последствия напряжения сварного шва

Последствия напряжения различают и по характеру деформации — упругая поверхностная может быть устранена или постепенно сойдет сама в процессе остывания. Пластическая деформация шва необратима, устранить ее без переваривания практически невозможно, при этом изменяется структура металла и его прочностные свойства.

Равномерность распределения

При оценке деформации используется коэффициент неравномерности, который позволяет учесть направление сил напряжения и заранее принять профилактические меры. Например, неравномерность будет выраженной, если часть заготовки контактирует с массивными холодными тисками, фиксируется ими, а при остывании именно в этой зоне формируется зона наибольшего напряжения. Имеет значение и разница в габаритах деталей — больший размер связан с изменением динамики нагрева и остывания, при соединении с фрагментом меньшего размера возникает неравномерно распределенное усилие.

Какое бывает окисление у разных сталей?

Хромоникелевая сталь — её называют жаростойкой потому, что она практически не поддаётся окислению.

Легированная сталь — у неё образуется плотный, но тонкий слой окалины, который защищает от дальнейшего окисления и не даёт растрескиваться при ковке.

Углеродистая сталь — она теряет около 2–4 мм углерода с поверхности при нагреве. Это для металла очень плохо, так как он теряет прочность, твёрдость и сталь ухудшается в закаливании. А особенно очень пагубным является обезуглероживание для ковки небольших деталей с последующей закалкой. Чтобы не было трещин на высоколегированной и высокоуглеродистой стали, их надо нагревать медленно.

Обязательно нужно обращаться к диаграмме «железо-углерод», где определена температура для начала и конца ковки. Делать это надо для того, чтобы металл при нагреве не приобретал крупнозернистую структуру и не снижалась его пластичность.

Другие виды

При сварке нержавейки шов нередко, оказывается подверженным коррозии. Это вызвано как выгоранием части легирующих добавок, так и занесением в сварную зону излишнего содержания железа.

Чтобы этого избежать необходима пассивация сварных швов нержавеющей стали путем их зачистки, либо травления кислотой (как правило — азотной). В процессе пассивирования, на поверхности металла образуется прочная окисная пленка, которая становится его надежной защитой.

Явной приметой снижения уровня легирования, является значительное изменение цвета зоны как самого шва, так и прилегающего к ней металла.

Серьезные проблемы при выполнении неразъемных соединений создает сварка анодированной стали. Дело в том, что слой анодированного покрытия при создании шва неизбежно разрушается. Если после окончания сварочных работ не произвести его восстановление, изделие на стыке быстро начнет ржаветь.

К счастью, восстановление анодированного покрытия не представляет особых проблем, даже в домашних условиях. Для этого достаточно источника постоянного тока не менее 12 Вольт, а также пищевой соды и обычной поваренной соли.

Сварка победита со сталью

Среди низколегированных сталей существует большая группа специальных сталей со сложным химическим составом. Она включает в себя пружинную сталь, инструментальную сталь, быстрорежущая и ванадиевая стали. Все эти группы сталей тяжело поддаются сварке. Во многих случаях сталь упрочняется термическим способом и при сварке упрочнение разрушается. В принципе все эти стали могут быть сварены соответствующим ферритным электродом с помощью предварительного нагрева и последующего отпуска во избежание трещин в зоне теплового воздействия (Heat Affected Zone). Однако во время ремонта очень часто
невозможно организовать предварительный нагрев и последующий отпуск. Таким образом, в этих случаях, сварка аустенитными нержавеющими или никелевыми электродами считается лучшим методом. Риск появления трещин снижается за счет высокой растворимости водорода и лучшей пластичности наплавляемого металла.
В настоящее время на рынке существует такое большое количество низколегированных сталей, что даже специалисты испытывают сложности с отслеживанием всего перечня таких сталей.Многие типы специальных сплавов, не классифицированных существующими стандартами, предлагаются на рынке сталелитейными
компаниями.
Большинство типов таких сталей может быть успешно сварено с помощью электродов Unitor Tensile, имеющих сопротивление на разрыв 850 N/mm2. Эти электроды могут применятся как для соединения, так и для наплавления. Для грузоперерабатывающего и экскаваторного оборудования могут быть использованы эдлектроды Unitor Wearmax-327.

Вдохновлён сталью, бетоном и золотым сечением.

Как паять железо оловом — три легкодоступных способа

Процесс пайки железа оловом не меняет кристаллическую структуру металла. Поэтому соединяемые части имеют такие же технические характеристики, как и после пайки.

Что касается прочности такого соединения, то оно выходит достаточно прочным и надежным, хоть здесь всё во многом зависит от технологии пайки и вида используемого припоя.

Как паять железо оловом? Что использовать для пайки металлических листов и изделий?

Технологии пайки железа оловом

Самыми распространёнными являются три технологии с использованием следующего оборудования:

Пайка железа паяльником и мягким припоем на свинцовой основе;
Паяльной лампой или газовой горелкой и твёрдым оловом;
Электрическая пайка железа.

Первый способ пайки железа свинцовым припоем используется для ремонта металлических изделий, которые не будут в процессе эксплуатации подвергаться слишком большим нагрузкам. Второй способ пайки связан с лужением железа оловом с флюсом и последующим его соединением.

Третий способ соединения металла применяется в основном на промышленных объектах. Здесь для электрической пайки железа используется специальное оборудование.

Чем паять железо

Для пайки железа в домашних условиях понадобятся оловянный припой с небольшим содержанием олова, например, ПОС-40, активный флюс, шило и паяльник. При пайке металла флюс выступает в роли окислителя и растворителя, защищая зону пайки от окисей.

Правила пайки стали

Если кто не знает, то изделия из стали можно не только сваривать, но и паять. Однако в отличие от пайки меди и алюминия, пайка стали имеет свои особенности.

Наиболее просто пайке подвергается низколегированная сталь, что во многом обусловлено её характеристиками и составом. На поверхности изделий из низколегированной стали не такая прочная плёнка окислов, которая может быть устранена при помощи использования обычного флюса.

А вот паять конструктивную сталь, уже более сложно, за счет того, что в её составе содержится хром, в качестве легирующей добавки. Наличие хрома в стали значительно усложняет пайку деталей из неё, и требует использования особых припоев.

Чем лучше всего паять изделия из стали

Сразу нужно оговориться и сказать о том, что паять сталь можно и оловом. Однако если мы хотим получить достаточно прочное и надежное соединения, то предпочтительно использовать тугоплавкие припои с содержанием серебра и меди.

При использовании таких припоев сталь спаивается довольно при высокой температуре, начиная от 450 градусов. Поэтому использование обычного 100 ватного паяльника для этих целей здесь не совсем целесообразно. В основном применяются газовые горелки.

Также, следует знать, что флюсы для пайки бывают разные. Одни из них требуют смывания водой с мылом, другие нет. Смывать надо обязательно флюсы на основе соляной и ортофосфорной кислоты.

Как паять сталь обычным оловом

Пайка стали обычным оловом возможна с использованием ортофосфорной кислоты в качестве флюса. Обязательно после пайки следует смыть флюс водой. Это главное условие при использовании кислот в качестве активных флюсов при пайке металлов.

Перед тем как подвергать металл лужению, с его поверхности нужно полностью снять все загрязнения, в том числе ржавчину и следы масел. Для выполнения данной работы можно воспользоваться шлифовальной шкуркой, стальной щёткой или же напильником.

Для эффективности можно обработать места с ржавчиной, перед пайкой, специальным раствором-преобразователем ржавчины. Кстати такие растворы также есть и на основе ортофосфорной кислоты. Жирные пятна с заготовок лучше всего смываются посредством щелочного раствора или растворителя.

Только после тщательной подготовки стальных изделий на них можно наносить тонкий слой флюса. Перед соединением деталей из стали, если для пайки используется олово, то предварительно осуществляют лужение заготовок.

Лужением называется равномерное смачивание поверхности спаиваемых деталей с помощью расплавленного олова.

После выполнения лужения детали соединяются и надежно фиксируются в выбранном положении. Затем они тщательно прогреваются газовой горелкой до температуры, которая будет превышать температуру плавления припоя. Таким образом, происходит пайка стали.

При этом расплавленный припой сам затекает в зазор между заготовками и заполняет собой всё имеющееся пространство. При остывании он образует надежное и прочное соединение. Расплавление основного металла при этом не происходит.

Обязательно, как и было сказано выше, после пайки стали с оловом и ортофосфорной кислотой, нужно смыть все следы флюса в конце.

Сварка нержавейки с черным металлом — технология сварочных работ

Сварить нержавейку с черным металлом может далеко не каждый сварщик. Связано это, прежде всего, с разнородным составом нержавейки и черного металла, и особой технологией сварки электродом.

И хотя нержавеющая сталь практически наполовину состоит из черного металла, в ней присутствуют и цветные металлы, которые требуют особого подхода при сваривании. Тем не менее, сварку нержавейки с черным металлом осуществить можно, нужно только придерживаться правильной технологии.

Что потребуется для сварки нержавейки и черного металла

Если есть необходимость сварить нержавеющую сталь и черный металл в домашних условиях, то, для этих целей, необходимо будет использовать:

Отдельного внимания заслуживают электроды для сварки нержавейки и черного металла.

Какими электродами варить нержавеющую сталь

Для сварки нержавеющей стали с черным металлом нужны электроды, которые применяются для сварки жаропрочных сталей и сплавов на основе никеля.

Данным нормам и требованиям отвечают следующие марки электродов:

Электроды ОЗЛ-25Б — используются в тех случаях, когда нужно варить жаростойкие стали;
Электроды НИАТ-5 — самые популярные электроды для сварки аустенитных сталей;
Электроды ЦТ-28 — применяются для сварки разнообразных сплавов, в том числе и на основе никеля.

Сварка нержавейки с черным металлом

Технология сварки нержавейки с черным металлом должна соблюдаться согласно следующих требований:

Нержавеющей стали присущ большой коэффициент расширения, поэтому нужно выдерживать достаточные зазоры между свариваемыми заготовками;
При сварке нержавеющей стали и черного металла, заготовки нужно быстро охлаждать. Это позволит не потерять их коррозийную устойчивость;
Для сварки лучше будет использовать короткие электроды, не более 35 см. Таким образом, можно не допустить чрезмерно большого перегрева металла;
Рекомендуется понижать сварочный ток, не менее чем на 20%, учитывая низкую теплопроводность нержавеющей стали.

Кстати о силе тока, поскольку данный показатель весьма важен при сварке нержавейки и черного металла. Во многом здесь все зависит от толщины материалов и используемых электродов для сваривания.

Так, при сварке нержавейки и металла, рекомендуется придерживаться следующих параметров в настройках инвертора:

Тонкую нержавейки, толщиной до 1 мм, варят электродами не более 2 мм в диаметре, выставляя при этом силу тока на сварочном инверторе в 60 Ампер;
Металл от 2 до 3 мм, рекомендуется варить электродами 3,0 мм, а силу тока на инверторе выставлять в районе 80 А;
Толстые заготовки, толщина которых 4 и более миллиметров, варят электродом 4 мм, а сила тока на инверторе колеблется от 100 до 130 А, в зависимости от пространственного положения сварки.

Следует обязательно учитывать силу тока при сварке нержавейки с черным металлом, поскольку если она будет слишком большой, то это приведёт к образованию прожога сварного шва .

Технология выполнения сварочных работ

Сам процесс сварки нержавейки и черного металла выглядит таким образом:

Для сварки можно использовать электроды с никелевым покрытием и электроды, стержень которых будет выполнен из высоколегированной стали. Данными электродами сначала наплавляются кромки черного металла, после чего создаётся сварочный шов с использование плакированной стали. Получить качественное соединение возможно с использованием никелевых электродов;
Перед началом сварочных работ, рекомендуется прокалить электроды в духовом шкафу, при температуре не менее 200 градусов. Время прокалки электродов — 1 час;
Для сварки нержавейки с черным металлом применим только постоянный ток;
Как и требуется, перед тем, как варить нержавеющую сталь и черный металл, их поверхность обязательно нужно отчистить от ржавчины, грязи и налёта.
При сварке, рекомендуется, как можно больше захватывать черного металла, что даст возможность получения качественного и надёжного сварочного шва.

Осуществить проверку сварочного шва можно посредством керосина. Достаточно будет нанести керосин кисточкой с одной стороны сварного соединения, подождать некоторое время, после чего перевернуть деталь. Если с другой её стороны проступил керосин, то это будет означать только одно — сварочный шов низкого качества.

Сварка алюминия со сталью: особенности сварочного процесса, способы и применяемые технологии

Сварку алюминия со сталью часто применяют в радиоэлектронике, авиации и производстве бытовой техники.

Особенности сварки алюминия со сталью

Соединение этих металлов позволяет изделиям из них совмещать их преимущества. Если нужно получить качественный сварной шов, обязательна подготовка металлов перед сварочным процессом и соблюдение технологии сварки.

Сварка алюминия и его сплавов со сталью имеет свои нюансы:

Качественное сварное соединение должно обладать пластичностью не ниже, чем у стали, и прочностью не ниже, чем у алюминия.

Для соединения алюминия и стали чаще всего используются аргонодуговая сварка с неплавящимся электродом или сварка через биметаллические вставки. В промышленности также используют сварку взрывом, диффузионную, лазерную, электронно-лучевую и точечную сварки.

Сварка алюминия со сталью аргонодуговым способом

Перед началом сварочного процесса кромки металлов рекомендуется очистить и нанести на них защитное покрытие. Самое доступное по цене из них — цинковое.

Присадочный материал в этом случае — проволока марки АД1 из алюминия с присадкой кремния (он хорошо влияет на формирование диффузионной прослойки стабильного качества) или проволока из сплава АК-5.

Важно! АМг-6 не рекомендуют применять, поскольку эта присадка дает низкую прочность сварного шва.

Чтобы подготовить стальную деталь к сварке, для стыкового соединения нужно скосить кромки под углом 70° для максимальной прочности соединения.

Кромки нужно тщательно очистить пескоструем или механически обработать, затем нанести поверхностный слой.

Аргонодуговую сварку алюминия и стали отличает расположение дуги: в начале сварки первого прохода оно удерживается на присадочном прутке, а в процессе сварки последующих проходов — на присадочном прутке и образующемся валике. Это обезопасит покрытие от преждевременного выгорания.

Во время сварочного процесса важно последовательно накладывать валики шва (зависит от вида соединения).

сварка МИГ — происходит на постоянном сварочном токе обратной полярности;
сварка ВИГ — бывает и на переменном сварочном токе, и на постоянном токе прямой полярности.

Величина сварочного тока должна зависеть от толщины свариваемого металла:

Техника выполнения сварных швов

Для соединения алюминия и стали нужно выбирать способ техники сварки углом вперёд, с углом наклона электрода от вертикали вдоль оси сварного шва 40-45 градусов.

Важно правильно выбрать скорость сварки, поскольку от неё зависит, сколько между собой будут взаимодействовать жидкий алюминий и сталь. Это напрямую влияет на толщину и стабильность соединительного слоя.

Скорость сварки необходимо выбирать максимально возможной: не менее 7 м/ч для сварки первых проходов многопроходных сварных швов и не менее 12 м/ч для однопроходных и последующих проходов многопроходных сварных швов. На это есть причины:

интенсивное образование интерметаллидов во время длительного контакта стали и алюминия на высоких температурах;
интенсивное образование корунда и рост зоны слабины;
интенсивное выгорание цинка.

Сварочные и наплавочные швы нужно выполнять без поперечных и возвратно-поступательных колебательных движений. Присадку в сварочную ванну нужно подавать со стороны оцинкованной стали для уменьшения выгорания цинка.

Горелку нужно смещать относительно стыка сварного шва в сторону алюминия или алюминиевого сплава на 1-3 мм. Это связано не только с уменьшением выгорания цинка, но и с тем, что, обладая высокой теплопроводностью, алюминий нагревается и расплавляется значительно медленнее, чем сталь и цинк, который её покрывает.

Послесварочная термическая обработка сварного соединения нежелательна, температура его эксплуатации не должна превышать 270 градусов. В противном случае, толщина прослойки может увеличиться, что приведёт к снижению динамической прочности или разрушению сварного шва.

Сварка через биметаллические вставки

Биметаллические переходные материалы (вставки) — это алюминиевые элементы, к которым уже прикреплен другой материал.

Для сварки вставок чаще применяют стандартные технологии — GMAW и GTAW.

Стальную сторону вставки нужно приварить к стали, алюминиевую — к алюминию. В процессе важно не перегреть вставки, иначе образуется хрупкое интерметаллическое соединение на стыке стали и алюминия внутри вставки.

Разрушение сварного шва, содержащего интерметаллиды происходит, как правило, ещё во время горения сварочной дуги. Но даже если шов не разрушится в процессе или в конце сварки, он напомнит о себе, когда изделие будут эксплуатировать.

Сначала лучше варить алюминий с алюминием. Это позволит увеличить отвод тепла при сварке стали со сталью и не допустит перегрева на участке соединения стали с алюминием.

Этот способ часто применяют, когда хотят получить качественные сварные швы. Подобную технологию используют в судостроении.

Другие способы сварки алюминия со сталью

Лазерным способом пользуются не только для создания миниатюрных соединений, но и для того, чтобы получить длинные швы, например, в автомобильной промышленности. Этот способ позволяет тонко управлять тепломощностью импульсного лазерного излучения.

Чтобы получилось нахлёсточное соединение, нагрев лазером нужно вести со стороны стали. Она нагреется до температуры, когда алюминий уже расплавится, но останется твёрдой.

Прочность швов можно повысить с помощью присадки на основе алюминия.

Диффузионная

В этом сварочном процессе соединяемые детали не расплавляются. Но из-за их продолжительного контакта на высокой температуре образуются интерметаллидные фазы.

Электронно-лучевая

На сталь наносят буферные покрытия из титана, никеля и циркония: тогда сварочный процесс будет успешен.

Точечная контактная

Хорошее точечное соединение стали и алюминия получается не всегда, даже если варить на конденсаторных машинах с жестким режимом разряда.

Этого можно избежать, применив промежуточную биметаллическую ленту. Полученные точечные соединения по прочности можно сравнить с клепаными.

Сварка взрывом

Соединения алюминия и стали, которые получаются при взрывном сварочном процессе, применяют на верфях Японии, Польши, США, Великобритании, Франции и других стран в качестве промежуточного элемента, который потом приваривают к основным материалам изделия.

Высокопрочные стали и особенности их сварки

Стали с пределом прочности свыше 1500 МПа называются высокопрочными. Такой предел достигается подбором химического состава и наиболее подходящей термической обработкой. Данный уровень прочности может образовываться в среднеуглеродистых легированных сталях (40ХН2МА, 30ХГСН2А) путем использования закалки с низким отпуском (при 200…250оС). Легирование таких сталей W, Mo, V затрудняет разупрочняющие процессы, что снижает порог хладоломкости и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Как варить металл, если перед вами высокопрочная сталь? Сварка высокопрочных сталей отличается использованием некоторых дополнительных технологических приемов (сварка каскадом, горкой, секциями, предварительный подогрев, применение мягкой прослойки и других).

Закаленные стали (структура)

Изотермическая закалка среднеуглеродистых легированных сталей придает им немного меньшую прочность, но большую вязкость и пластичность. Поэтому они более надежны в эксплуатации, чем низкоотпущенные и закаленные. Низкоотпущенные и закаленные среднеуглеродистые стали с высоким уровнем прочности обладают повышенной восприимчивостью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению. Из-за этого их рекомендуют использовать для работы, связанной с плавным нагружением.

К высокопрочным сталям можно отнести так называемые рессорные (пружинные) стали. Они содержат 0,5…0,75% С и дополнительно легируются другими элементами. Термообработка легированных рессорных сталей (закалка 850…880оС, отпуск 380…550оС) обеспечивает получение высокой прочности и текучести. Может применяться изотермическая закалка. Сварка рессорной стали выполняется с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварочных работ и дальнейшей термической обработкой.

Мартенситно-стареющие стали (04Х11Н9М2Д2ТЮ, 03Н18К9М5Т) также относятся к высокопрочным сталям. Они превосходят среднеуглеродистые легированные стали по конструкционной прочности и технологичности. Для таких сталей характерны высокое сопротивление хрупкому разрушению, низкий порог хладоломкости и малая чувствительность к надрезам при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали являются безуглеродистыми сплавами железа с никелем и дополнительно легированы молибденом, кобальтом, алюминием, хромом, титаном и другими элементами. Эти стали имеют высокую конструкционную прочность в диапазоне температур от криогенных до 500оС и применяются в изготовлении стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов ракетных двигателей, зубчатых колес, шпинделей и так далее.

Свариваемость высокопрочных сплавов

Для изготовления тяжело нагруженных машиностроительных изделий,сосудов высокого давления и других ответственных конструкций используют среднеуглеродистые высокопрочные стали, которые после соответствующей термообработки обладают прочностью 1000…2000 МПа при достаточно высоком уровне пластичности. Необходимый уровень прочности при сохранении высокой пластичности достигается комплексным легированием стали различными элементами, главные из которых никель, хром, молибден и другие. Эти элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали. Подогрев изделия при сварочных работах не снижает скорости охлаждения металла до значений, меньших критических, и способствует росту зерна, что приводит к возникновению холодных трещин и вызывает уменьшение деформационной способности.

Поэтому такие металлы сваривают без предварительного подогрева, но с применением специальных приемов сварочных работ (блоками, каскадом, короткими или средней длины участками). Также применяют специальные устройства, которые подогревают выполненный шов и тем самым увеличивающие время пребывания его в определенном температурном интервале. Для увеличения времени нахождения металла околошовной зоны при температуре выше точки образования мартенситной структуры накладывают так называемый отжигающий валик, границы которого находятся в пределах металла шва.

Во избежание трещин при охлаждении сварного соединения, необходимо использовать такие сварочные материалы, которые обеспечили бы получение металла шва, обладающего большой деформационной способностью. Это достигается, когда наплавленный металл и металл шва будут менее легированы, чем свариваемая сталь. При этом шов будет представлять как бы мягкую прослойку с временным сопротивлением, но с повышенной деформационной способностью. Чтобы обеспечивалась технологическая прочность сварных швов, выполненных низколегированными сварочными материалами, углерод в шве должен содержаться в количестве не более 0,15%.

Когда производится сварка закаленной стали, то после прохождения сварочной дуги на зону сварного соединения рекомендуется подавать охладитель. Это делается для уменьшения степени разупрочнения околошовной зоны. В качестве охладителя может служить душевая вода, сжатый воздух или паровоздушная смесь — в зависимости от состава свариваемого материала. Такое охлаждение снижает время нахождения металла в зоне высоких температур.

Художественная ковка — это настоящее искусство. Более подробную информацию об этом занимательном занятии читайте в нашей статье.

Технология сварочных работ по соединению высокопрочных сталей

При сварке среднелегированных глубокопрокаливающихся высокопрочных сталей нужно подбирать такие сварочные материалы, которые обеспечат получение швов с высокой деформационной способностью при минимальном количестве водорода в сварочной ванне. Это достигается применением низколегированных сварочных электродов, которые не содержат в покрытии органические вещества и подвергнутых высокотемпературной прокалке (низководородистые электроды). При этом нужно исключить другие источники насыщения сварочной ванны водородом в ходе сварки (ржавчина, влага и другие). Высокая технологическая прочность получается при следующем содержании легирующих элементов в металле шва: С — не более 0,15%; Si — не более 0,5%; Ni — не более 2,5%; Mn — не более 1,5%; Cr — не более 1,5%; V — не более 0,5%; Mo — не более 1,0%.

Повышение свойств шва до нужного уровня возможно путем легирования металла шва за счет основного металла. Необходимые прочностные характеристики металла шва достигаются легированием его элементами, которые повышают прочность, но не снижают его ударную вязкость и деформационную способность. Для сварки среднеуглеродистых высокопрочных сталей нужно выбирать сварочные материалы, содержащие легирующих элементов меньше, чем основной металл.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Для сварки среднелегированных высокопрочных сталей используют электроды типов Э-13Х25Н18, Э-08Х21Н10Г6 и других по ГОСТ 10052-75 и ГОСТ 9467-75. Если сталь перед сваркой подвергалась термической обработке на высокую прочность (закалка с отпуском или нормализация), а после сварки — отпуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения, то критерием определения температуры предварительного подогрева будет такая скорость охлаждения, при которой происходила бы частичная закалка околошовной зоны. При этом гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения дальнейшей термообработки.

Для улучшения свариваемости закаленных металлов необходимы специальные электроды

В том случае когда термообработка сварного изделия не может быть сделана, например, из-за крупных габаритов, на кромки детали, подлежащие сварке, наплавляют незакаливающийся слой металла аустенитными или низкоуглеродистыми электродами. Толщина этого слоя должна быть такой, чтобы температура стали под слоем в процессе сварки не превышала бы температуру отпуска при термообработке деталей с наплавленными кромками. Такие детали сваривают аустенитными или низкоуглеродистыми и низководородистыми электродами без подогрева и дальнейшей термообработки. Режим сварки принимают согласно рекомендациям для аустенитных электродов.

Сварочные работы в защитных газах

Высокое качество сварных соединений из среднеуглеродистых высокопрочных сталей толщиной 3…5 мм достигается при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом. Присадочный материал для дуговой сварки в защитных газах следует выбирать в зависимости от газа, в среде которого происходит сварка. Первый слой выполняют без присадки с полным проваром кромок стыка, второй — с поперечными низкочастотными колебаниями электрода и механической подачи присадочной проволоки. Возможно и выполнение третьего слоя с поперечными колебаниями электрода без присадочной проволоки на небольшом режиме для обеспечения постепенного перехода от шва к основному металлу.

Для повышения проплавляющей способности дуги при аргонодуговой сварке применяют активирующие флюсы, которые позволяют исключить разделку кромок при толщинах 8…10 мм. Также используется флюс, представляющий собой смесь компонентов (TiO2, SiO2, NaF, Cr2O3). Такой метод с активирующим флюсом эффективен при механизированных способах для получения равномерной глубины проплавления. Неплавящийся электрод при таком способе сварки выбирают из наиболее стойких в эксплуатации марок вольфрама.

Современная аргоновая горелка

При выполнении сварки среднелегированных высокопрочных сталей в защитных газах (в основном инертных или их смесях с активными) применяют низкоуглеродистые легированные и аустенитные высоколегированные проволоки, например, Св-08Х20Н9Г7ТТ, Св-03ХГН3МД, Св-10ХГСН2МТ, Св-10Х16Н25-АМ6, Св-08Х21Н10Г6. Однако равнопрочности металла шва и свариваемой стали получить не удается. В данном случае можно обеспечить равнопрочность за счет эффекта контактного упрочнения мягкого металла шва. Этот эффект может быть реализован при использовании так называемой щелевой разделки, которая представляет собой стыковые соединения с узким зазором.

Сварка под флюсом

Конструктивные элементы подготовки кромок для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом выполняют в соответствии с ГОСТ 8713-79. Однако в диапазоне толщин, для которого возможна сварка без разделки и со скосом кромок, последней следует отдать предпочтение. При механизированной сварке под флюсом необходимы подготовка кромок, техника и режимы сварки, при которых доля основного металла в шве была бы минимальной. Но такая методика повышает вероятность образования в сварочных швах горячих трещин.

Выбор флюса осуществляется в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки сварку выполняют под кислыми высоко- и среднемарганцовистыми флюсами. При использовании низколегированных проволок лучшие результаты обеспечивает применение низкокремнистых и низкомарганцовистых флюсов. Сварку среднелегированных высокопрочных сталей аустенитной проволокой марок Св-08Х21Н10Г6 или Св-08Х20Н9Г7Т производят только под безокислительными или слабо окислительными основными флюсами.

Электрошлаковая сварка

Схема процесса сварочных работ

Данный вид сварочных работ рационально применять для соединения толстолистовых конструкций из среднелегированных высокопрочных сталей. Основные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов при этом должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164-78. Электродные проволоки при сварке плавящимся мундштуком и проволочными электродами выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70. Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до 150…200оС.

Низкая скорость охлаждения околошовной зоны при электрошлаковой сварке приводит к длительному пребыванию ее в зоне высоких температур, вызывающих рост зерна и охрупчивание металла. В связи с этим после электрошлаковой сварки среднелегированных высокопрочных сталей необходимо выполнить высокотемпературную термообработку сварных изделий для восстановления механических свойств до нужного уровня. Время с момента окончания сварки до проведения термообработки должно регламентироваться.

Особенности физико-химического поведения меди и стали, их учёт при выборе метода сварки этих материалов в конкретных условиях

Сварка меди со сталью является изначально сложной задачей. Применение того или иного технологического приема зависит от конструкции изделий, условий работы свариваемого соединения и требований, предъявляемых к ним.

Влияние особенностей меди на выбор способа её сварки со сталью

На выбор технологии сварки влияют следующие особенности меди :

Высокая теплопроводность затрудняет точечный разогрев.
Быстрая окисляемость провоцирует засорение металла шва, делая его неоднородным и менее прочным.
Медь при расплавлении поглощает большое количество водорода, приводя к образованию в шве дефектов.
Сильная растекаемость расплавленной меди приводит к необходимости вести сварку в нижнем положении с использованием подкладок.
Очень сильно влияет на свариваемость меди качественный и количественный состав примесей, входящих в её состав.

Аргонодуговая сварка

Сваривание происходит при помощи электрической дуги в аргоне, т. е. в инертной среде, при использовании плавящихся или неплавящихся электродов. В качестве неплавящегося чаще всего используют вольфрамовый электрод. Подача присадки производится к зоне дуги извне, в электрическую цепь не подсоединяется. Аргонодуговую сварку обычно применяют для соединения небольших изделий.

Качество сварного соединения зависит от степени проплавления стали и будет более приемлемо при возможно меньшем количестве стали в получившемся шве. Это достигается корректной регулировкой нагрева и контролем плавления обоих металлов: большую температуру дуги концентрируют на меди, а сталь нагревается и оплавляется, благодаря тепловой энергии, поступающей от получившейся сварной ванны.

С учётом этой особенности для сварки меди с толстым железом предварительный прогрев не производят. При этом сварку лучше выполнять на флюсе. Чтобы предотвратить вытекание жидкого металла, при таком подходе используют соответствующие ограничители со стороны меди.

При использовании неплавящегося электрода используется постоянный ток прямой полярности и чистый аргон без примесей. Материал толще 4 мм приваривают после предварительного прогрева до 800°С. Сварку лучше вести, наклоняя электрод к свариваемому участку на 85-90°, при этом присадочную проволоку нужно наклонять на 15-20° , а вылет электрода поддерживать на 5-10 мм. Также очень важно правильно выбрать присадочный материал. Обычно используют различные сплавы меди.

Сварка угольным электродом

Данный вид сварки не гарантирует качественное соединение, поэтому угольные электроды оправданно использовать при малой толщине меди. На толщине более 15 мм целесообразнее применение графитовых электродов.

Работа выполняется постоянным током прямой полярности и ведётся длинной дугой с целью избежать нежелательного влияния на качество выделяющегося оксида углерода. Поддерживают расстояние от присадочного материала до ванны 5 мм, не погружая в ванну, под углом 30° к изделию. Угол электрода к рабочей поверхности в 70-90°.

Обязательно применение присадочного материала с фосфором, а часто и флюс. Слой флюса наносят на предварительно обработанные жидким стеклом свариваемые кромки и хорошо просушивают.

Детали из совсем тонкой меди приваривают угольной дугой. При необходимости сварить более объёмные детали также допустимо использовать угольный электрод, но обязательно использование присадочного материала, в состав которого входят борный ангидрид, борная кислота, бура. Этим же составом можно обмазывать электроды.

Газовая сварка

При ремонтных работах и при изготовлении тонкостенных изделий из стали и цветных сплавов широко используется газовая сварка. Газовой сваркой выполняются такие же виды сварных соединений, как и электродуговой сваркой. Особенностью процесса является то, что под воздействием струи кислорода газ нагревается до температуры, достаточной для плавки.

Этапы газовой сварки меди:

Подготовительный этап. Зачистка кромок свариваемых деталей, совмещение компонентов изделия и фиксация деталей прихватками. Длина прихваток и их расположение определяется толщиной меди – от 4-6 мм прихватки располагаются на расстоянии 70–110 мм друг от друга, а при толщине меди до 15-25 мм с расстоянием между ними – до 450–550 мм.
Правильная установка компонентов изготавливаемой конструкции. Для качественной сварки установка происходит с небольшим наклоном к горизонтали (порядка 15 градусов).
Выбор режима сварки. Режим определяется толщиной свариваемых деталей. При толщине 3–4 мм выбирается мощность 150–175 л/ч на 1 мм толщины, а при толщине от 8 до 10 мм мощность горелки выбирается из расчета 175–230 л/ч на 1 мм.
Процесс сваривания.
Заключительный этап. Состоит из проковки шва и очистки его от остатков флюса. Делается это азотной или серной кислотой с последующим удалением остатков кислоты водой.

Читайте также: