Выбор метода сварки зависит от марки стали и назначения, которые могут иметь различные механические и коррозионные свойства. При определении режимов сварки необходимо учитывать склонность основного металла и металла шва к растрескиванию, что связано с физическими свойствами и структурными изменениями, протекающими в процессе нагрева металла под сварку, процессами, протекающими во время плавления и застывания литого металла, и процессами, протекающими при охлаждении в сварном шве. В тех случаях, когда требуется высокая коррозийная стойкость при сварке и последующей термической обработке сварных соединений, нужно применять такие режимы термической обработки, при которых обеспечиваются эти свойства.
Прежде всего, необходимо защитить зону сварки от неблагоприятного воздействия атмосферного воздуха. Это обеспечит надёжную сварку нержавеющих сталей. Само качество сварных соединений будет зависеть от проведённой процедуры подготовки нержавеющей проволоки и кромок деталей. Оксидная плёнка, которая образуется после горячей обработки, удаляется механическим путём. Сварка нержавейки может осуществляться вольфрамовым электродом при условии постоянного источника тока.
Особенностью сварки нержавейки является содержание в ней хрома, который при высокой температуре образует карбид хрома, нарушающий структуру стали и повышающий в несколько раз её хрупкость. Именно по этой причине сварка любых типов нержавеющей стали производится в среде инертных газов (гелия, углекислоты, аргона или смесей) или специальных флюсов, защищающих все хромированные химические элементы, которые входят в состав нержавеющей стали.
На данный момент существует два основных способа сварки нержавейки:
Это самый распространённый способ, который применяется не только промышленными предприятиями, но и частными лицами. В процессе сварки происходит повышение стабильности дуги, и уменьшение частоты образования пор при помощи смеси аргона с углекислым газом или кислородом. Сварка вольфрамовым неплавящимся электродом производится с применением постоянного тока прямой полярности, а плавящегося — током с обратной полярностью. Если в нержавеющей стали имеется доля содержащегося алюминия, то ее варят переменным током с целью разрушения окислительной плёнки. При проведении ручной дуговой сварки нержавейки вольфрамовым электродом диаметром до двух миллиметров и присадочной проволокой диаметром не более двух миллиметров, сварочный ток будет составлять 60–80 А для металла двух миллиметровой толщины. Если толщина составляет четыре миллиметра — то величина сварочного тока не будет превышать 130 А.
Она представляет собой гибрид электрической и газовой сварки. От электросварки она позаимствовала электрическую дугу, а от газовой – идентичный метод работы сварщика. Неплавящийся вольфрамовый электрод является сердцем аргоновой горелки. Вольфрам — это металл, который достаточно проблематично поддаётся плавке. Вокруг электрода образуется керамическое сопло, и из него во время сварки выдувается инертный газ аргон. Если пытаться сваривать деталь без использования аргона – алюминий начнёт попросту трещать, гореть и покрываться коркой. Аргон, в свою очередь, препятствует этому процессу и защищает место сварки от попадания воздуха.
Процесс сварки происходит следующим образом: на свариваемые детали подаётся «масса», как при классической электросварке. Сварщик берет в левую руку присадочную проволоку, а в правую — горелку. Если производится сварка алюминия то, присадочная проволока должна быть изготовлена из идентичного материала (сплавов алюминия «АК» или «АМГ»). Хотя, в девяноста процентах случаев достаточно взять обычный алюминиевый электротехнический провод нужной толщины. На горелке включается кнопка, и производится подача газа. Между деталью и кончиком неплавящегося электрода возникает электрическая дуга. Она и играет роль главного инструмента — осуществляет плавление детали и присадочной проволоки.
Методы сварки
Методы сварки | Толщины материала |
---|---|
Ручная дуговая сварка | при толщине материала более 1,5 мм |
Дуговая сварка вольфрамовым электродом в инертном газе (TIG) | для сварки тонких листов и труб |
Импульсная дуговая сварка плавящимся электродом в инертном газе / Сварка в среде активных газов (MIG/MAG) | менее 0,8 мм |
Сварка короткой дугой плавящимся электродом в инертном газе / Сварка в среде активных газов (MIG/MAG) | 0,8-3,0 мм |
Сварка дугой со струйным переносом металла плавящимся электродом в инертном газе / Сварка в среде активных газов (MIG/MAG) | более 3,0 мм |
Плазменная сварка | может применяться для широкого диапазона толщины |
Сварка сопротивления, точечная и роликовая сварка тонких листов | при изготовлении фасонных деталей, например, при производстве воздуховодов, дымоходов. |
Лазерная сварка |
|
При сварке нержавейки используются специальные электроды с покрытием из защитно–легирующего состава, у которых стержень самого электрода сделан из высоколегированной специальной стали. Благодаря такому составу при смешивании металла с металлом и расплавлении электродов свариваемых деталей будет поддерживаться постоянный химический состав шва, который по структуре практически не будет отличаться от нержавеющей стали, из которой произведена деталь.
Сварка производится без колебательных движений горелки, углом вперёд на короткой дуге. Угол между присадочным материалом и электродом должен составлять не более 90 °С, и подача присадочной проволоки должна осуществляться непрерывно. После окончания процесса сваривания или обрыва дуги газ должен подаваться непрерывно до тех пор температура металла не опустится до 400 °С.
Также кроме специальных электродов, применяемых для сварки, большой популярностью пользуется проволока из нержавейки, изготовленная тем же производителем, что и сталь, при этом для защиты от кислорода места сварки применяются специальные флюсы на основе оксидов или фторидные флюсы. Также на место сварки может подаваться гелий, аргон или смесь других инертных газов. Кроме того для равномерной подачи проволоки и заваривания часто применяются специальные полуавтоматические сварочные установки, в которых автоматический механизм может осуществлять подачу проволоки непрерывно.
Физическая свариваемость характеризует возможность получения монолитных сварных соединений. В процессе сварки имеет место непрерывное охлаждение. Характер структурных превращений при этом отличается от случая распада аустенита при изотермической выдержке. При непрерывном охлаждении значение инкубационного периода в 1.5 раза больше, чем при изотермическом. С увеличением скорости охлаждения получаемая структура в зоне изотермического влияния измельчается, твёрдость её повышается . Если скорость охлаждения превышает критическую скорость, образование структур закалки неизбежно.
Закалённые структуры в аппаратостроении являются крайне нежелательными: отличаются высокой твёрдостью, хрупкостью, плохо обрабатываются, склонны к образованию трещин.
Если скорость охлаждения ниже критической скорости, образование закалочных структур исключается. В зоне термического влияния наиболее желательными являются пластичные, хорошо обрабатываемые структуры типа перлита или сорбита. Поэтому получение качественных соединений непременно связано с достижением желаемых структур в основном регулированием скорости охлаждения. Подогрев способствует перлитному превращению и является действенным средством исключения закалочных структур. Поэтому он служит в качестве предварительной термической обработки сварных соединений (нагрев до сварки и в процессе её ). Меняя скорость охлаждения, можно получить желаемую твёрдость в зоне термического влияния.
В некоторых случаях появляется необходимость увеличения скорости охлаждения. Путём ускоренного охлаждения удаётся измельчить зерно, повысить прочностные свойства и ударную вязкость в зоне термического влияния. С этой целью находит применение метод сопутствующего охлаждения. Сварное соединение в процессе сварки с обратной стороны дуги охлаждается водой или воздушной смесью, что способствует получению крутой ветви скорости охлаждения.
Сплавы Fe и С , где процентное содержание углерода не превышает 2,14 %, называют углеродистыми сталями. Углерод оказывает сильное влияние на свойства сталей. Наличие других элементов обусловлено:
В отечественной промышленности наиболее широко применяют стали с содержанием углерода до 0,22 %, редко от 0,22 до 0,3 % .
Структурно-фазовые превращения углеродистых сталей определяются диаграммой состояния Fe-C. В нормализованном состоянии имеют феррито-перлитную структуру. С точки зрения кинетики распада аустенита, у углеродистых сталей происходит превращение аустенита в перлит ( второе основное превращение). В зависимости от температуры охлаждения, степени переохлаждения, скорости охлаждения феррито-цементитной смеси получается различной степени дисперсионный перлит, сорбит, бейнит, троостит.
К низколегированным относят стали , содержащие в своём составе до 2 % легирующих элементов каждого в отдельности и до 5 % суммарно ( Mn, Si, Cr, Ni ). Содержание углерода, как и у углеродистых сталей не превышает 0,22 % . Содержание S и P в низколегированных сталях такое же, как в качественных сталях. При сварке, кинетика распада аустенита такая же, как и углеродистых сталей. При охлаждении на воздухе получается феррито-перлитная структура. Поэтому низколегированные стали повышенной прочности относят к хорошо свариваемым сталям. Однако легирующие элементы существенно снижают критическую скорость охлаждения. При содержании в верхнем пределе и высоких скоростях охлаждения возможно подавление перлитного превращения и появления промежуточных и закалочных структур.
При уменьшении погонной энергии сварки и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоне термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. При этом будет увеличиваться вероятность образования холодных трещин и склонность к хрупкому разрушению. При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито-перлитная структура видманштетового типа с пониженной ударной вязкостью.
Выбор тепловых режимов в основном преследует цель недопущения холодных трещин. Одним из самых технологичных средств, снижающих вероятность появления трещин, является подогрев. Температура подогрева определяется в зависимости от эквивалента углерода и толщины свариваемого проката. Необходимая температура подогрева возрастает с увеличением легированности стали и толщины свариваемого проката.
Хромомолибденовые стали 12МХ, 12ХМ, 15ХМ предназначены для работы в диапазоне температур -40…+560 ºС. В основном используются при температурах +475…+560 ºС. Их применение обусловлено низкой стоимостью и достаточно высокой технологичностью при изготовлении сварных конструкций и производстве отливок, поковок.
На участках, нагретых выше точки Ас(3), возможно образование мартенсита и троостита. Реакция стали на термический цикл сварки характеризуется разупрочнением в зоне термического влияния в интервале температуры Ас(3)-Т(0), который объясняется процессами отпуска. Протяжённость разупрочненного участка увеличивается про больших значениях погонной энергии сварки.
Мягкая разупрочненная прослойка может явиться причиной локальных разрушений сварных соединений в процессе эксплуатации, особенно при изгибающих нагрузках, устранение разупрочнения осуществляется последующей термической обработкой с фазовой перекристаллизацией в печах. Образование обезуглероженной ( ферритной ) прослойки — это специфический показатель свариваемости, присущий этим сталям. В процессе последующей эксплуатации при температурах 450–600 ºС, происходит миграция углерода из металла шва в основной металл, или наоборот, когда имеет место различие в их легировании карбидообразующими элементами.
Хром — основной легирующий элемент. Он придаёт сталям ценные свойства: жаропрочность, жаростойкость ( окалиностойкость, коррозионную стойкость ).Чем больше содержание хрома, тем более высокой коррозионной стойкостью обладает сталь. Такое влияние хрома объясняется его способностью к самопассивированию даже в естественных условиях и образованию плотных газонепроницаемых оксидных плёнок при высоких температурах .
Склонность к закалке осложняет технологический процесс выполнения сварочных работ. В зоне термического влияния образуются твёрдые прослойки, которые не устраняются даже при сварке с подогревом до 350-400 ºС. Для полного устранения твёрдых прослоек необходимо применение дополнительных мер. Небольшая скорость распада хромистого аустенита, вызывающая склонность к закалке на воздухе, и фазовые превращения мартенситного характера снижают стойкость сталей к образованию трещине при сварке. Применение закаливающих на воздухе сталей для изготовления сварного оборудования приводит к образованию в сварных соединениях механической неоднородности.
Механическая неоднородность, заключающаяся в различии свойств характерных зон сварного соединения, является следствием, с одной стороны, неоднородности термодеформационных полей при сварке структурно-неравновесных сталей, с другой — применения технологии сварки с отличающимися по свойствам сварочными материалами из-за необходимости обеспечения технологической прочности.
В настоящее время применяется два вида сварки :
У стали марки 08Х13 с содержанием углерода 0,08 %, термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превышения: в интервале 600-930 ºС, соответствующем образованию феррито-карбидной структуры , и 120-420 ºС — мартенситной. Количество превращённого аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит, главным образом, от скорости охлаждения. Например, при охлаждении со средней скоростью 0,025 ºС/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420 ºС. Повышение скорости охлаждения стали до 10 ºC/c способствует переохлаждению аустенита до температуры начала мартенситного превращения ( 420 ºС ) и полному его бездиффузионному превращению. Изменения в структуре, обусловленные увеличением скорости охлаждения, сказываются и на механических свойствах сварных соединений. С возрастанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости .
Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения мартенсита. У сталей с содержанием углерода 0,1- 0,25 % в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью ~ 1 ºС/c.
С точки зрения свариваемости, мартенситно-ферритные стали являются “неудобными” в связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей. Подкалка приводит к образованию холодных трещин. Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения. В случае формирования мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений 13 %-ных хромистых сталей снижается до 0,05-0,1 МДж/м. Последующий отпуск при 650-700 ºС приводит к распаду структуры закалки, выделению карбидов, в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается. После отпуска ударная вязкость возрастает до 1 МДж/м². С учётом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хромистых сталей имеет повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита в структуре. Таким образом удаётся предотвратить охрупчивание стали. Однако при этом наблюдается ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой пластинчатого мартенсита.
Аустенитные стали содержат в своём составе Cr , Ni , C . По реакции на термический цикл хромоникелевые стали относят к хорошо свариваемым. При охлаждении они претерпевают однофазную аустенитную кристаллизацию неперлитного распада, тем более мартенситного превращения при этом не происходит. Характерным показателем свариваемости хромоникелевых сталей является межкристаллитная коррозия (МКК). МКК развивается в зоне термического влияния, нагретой до температур 500-800 ºС ( критический интервал температур ).
При пребывании металла в опасном (критическом) интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома Cr(4)C, что приводит к обеднению приграничных участков зерен аустенита хромом. Хром определяет коррозионную стойкость стали. В обеднённых хромом межкристаллитных участках развивается коррозия, которая называется межкристаллитной. Межкристаллитная коррозия имеет опасные последствия — может вызвать хрупкие разрушения конструкций в процессе эксплуатации.
Аустенитно-ферритные стали относятся к группе хорошо свариваемых сталей. Они стойки к образованию горячих трещин и против межкристаллитной коррозии.
Специфичным моментом свариваемости является их повышенная склонность к росту зерна. Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита. Последующим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура. Размеры зерна и количество феррита, а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки, соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву. Соотношение количества структурных составляющих ( гамма – и альфа- фаз ) в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания а стали Ti. Количество титана в стали также определяет устойчивость аустенитной фазы против гамма- альфа превращения при сварочном нагреве. Чем выше содержание Ti, тем чувствительней сталь к перегреву. Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно-ферритных сталей. Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали, не содержащие титан — это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2.
Специфическими показателями свариваемости разнородных сталей являются процессы диффузии и разбавления. Наибольшую опасность представляет диффузия С в сторону высоколегированной стали, где большая концентрация Cr или других карбидообразующих элементов. Разбавление происходит при перемешивании свариваемых сталей и присадочного материала в объёме сварочной ванны. Сталь более легированная разбавляется сталью менее легированной. Степень разбавления зависит от доли участия каждого из составляющих разнородное сварное соединение.
Сварку сталей осуществляют обычно под флюсом, в среде оксида углерода (IV), но бывают случаи, когда целесообразно применять аргонно-дуговую сварку — например для упрочнения средне и высоколегированных сталей. Низкоуглеродистые низколегированные стали, особенно кипящие, склонны к пористости вследствие окисления углерода:
Fe(3)C + FeO = 4Fe + CO
Этот процесс идёт за счёт кислорода, накопленного в сталях во время их выплавки, но может возникать за счёт примеси к Ar марок В и Г, за счёт влажности газа и содержащегося в нём кислорода. Для подавления этой реакции в сварочной ванне нужно иметь достаточное раскислителей ( Si, Mn, Ti ), то есть использовать сварочные проволоки Св08ГС или Св08Г2С. Можно снизить пористость путём добавки к аргону до 50 % кислорода, который, вызывая интенсивное кипение сварочной ванны, способствует удалению газов до начала кристаллизации. Добавка кислорода к аргону снижает также критическое значение сварочного тока, при котором осуществляется переход от крупнокапельного переноса металла в дуге к струйному, что повышает качество сварки.
Среднелегированные углеродистые стали обычно содержат в своём составе достаточное количество активных легирующих компонентов для подавления пористости, вызываемой окислением углерода. Это обеспечивает плотную структуру шва ,состав металла шва соответствует основному металлу, если электродные проволоки имеют так же близкий состав.
Аустенитные коррозионностойкие и жаропрочные стали хорошо свариваются в среде аргона как плавящимся, так и неплавящимся электродом. При сварке этих сталей обычно не требуется каких-либо дополнительных мероприятий, но аустенитно-мартенситные стали очень чувствительны к влиянию водорода, который их сильно охрупчивает и даёт замедленное разрушение в виде холодных трещин.
На поверхности сварного соединения образуется пористый оксидный слой, содержащий в основном хром. Этот слой в значительной степени ослабляет стойкость соединения к коррозии. Хром оксидного слоя в основном материале возникает из стали, вследствие чего под оксидным слоем образуется зона со сниженным содержанием хрома. Если необходимо добиться такой же высокой стойкости сварного соединения к коррозии, как и у основного материала, оксидный слой и зону со сниженным содержанием хрома следует удалить, т.е. сварное соединение должно пройти последующую обработку.
При механических методах обработки разрешается использовать только те рабочие принадлежности, которые предназначены для обработки нержавеющего проката:
В данном случае под термообработкой понимается растворение внутри стальной конструкции (более 100 ºС), с помощью которого сглаживаются возникшие различия присадочных материалов.
Травление является наиболее эффективным методом последующей обработки сварных швов. При правильном выполнении травление позволяет устранить и вредный оксидный слой, и зону со сниженным содержанием хрома. Травление выполняется путём погружения, поверхностного нанесения или покрытия пастой — в зависимости от условий.
Время травления аустенитного нержавеющего проката зависит от концентрации кислот, температуры, толщины окалины и сорта проката (кислотостойкий прокат требует более продолжительного времени обработки по сравнению с нержавеющим прокатом). Доведение степени шероховатости сварного шва до соответствующего показателя основного листа путем шлифования или полирования после травления ещё более увеличивает стойкость конструкции к коррозии. Чаще всего при травлении применяется смешанная кислота, состоящая из фтористоводородной, азотной кислот в пропорциях: 20 – 8 % HNO3 (азотная кислота) 5 – 0,5 % HF (фтористоводородная кислота) и остальные компоненты Н2О (вода).
Время травления аустенитного нержавеющего проката зависит:
Доведение степени шероховатости сварного шва до показателя основного листа путем шлифования или полирования после травления еще более увеличивает стойкость конструкции к коррозии.
“Технологическая прочность” этот термин применяется для характеристики прочности конструкции в процессе её изготовления. В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов, это один из важных показателей свариваемости стали. Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин.
Это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния . Возникают в твёрдо–жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации, а так же в твёрдом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации.
Наличие температурно–временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин. Температурно–временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек, нарушающих металлическую сплошность сварного шва. Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких, сернистых соединений (сульфидов ) FeS с температурой плавления 1189 ºС и NiS с температурой плавления 810 ºС. В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла, перерастающего в хрупкие трещины.
Вторая причина образования горячих трещин — высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затруднённой усадки металла шва, формоизменения свариваемых заготовок, а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке, структурной и механической концентрации деформации.
Холодными считают такие трещины, которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 ºС или в течении нескольких последующих суток . Имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Основные факторы, обуславливающие появление холодных трещин следующие:
Водород легко перемещается в незакалённых структурах. В мартенсите диффузионная способность водорода снижается: он скапливается в микропустотах мартенсита, переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление, способствующее образованию холодных трещин. кроме того, водород, адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах, вызывает охрупчивание металла.
Таблица применимости электродов при сварке импортных нержавеющих сталей
EN | ASTM | Тип рекомендуемого электрода |
---|---|---|
1.4000 | 410S | 739 S |
1.4418 | 248SV | |
1.4307 / 1.4311 / 1.4301 / 1.4306 | 304L / 304LN / 304 / 304L | 308 / 308L / MVR |
1.4541 / 1.4550 | 321 / 347 | 347 / MVNb |
1.4432 / 1.4429 / 1.4436 / 1.4435 / 1.4404 / 1.4406 / 1.4401 | 316L / 316LN / 316 / 316L / 316LN / 316 | 316 / 316L / SKR |
1.4571 | 316Ti | 318/SKNb |
1.4438 | 317L | 317L/SNR |
1.4439 | 317LMN | SLR |
1.4460 | 329 | 453S |
1.4362 | S32304 | 2304 |
1.4462 | S31803 | 2205 |
1.4410 | S32750 | 2507/P100 |
1.4429 | S31653 | P6 |
1.4466 | S31050 | 4466 |
1.4435 / 1.4439 | 316L / 317LMN | SKR-NF |
1.4539 | 904L | 904L |
1.4547 | S31254 | P12-R – Также для сварки сплавов на основе Ni с нержавеющими или нелегированными сталями и для наплавки поверхности |
1.4652 | S32654 | P16 |
1.4547 | S31254 | P54 |
307 / 309L / P5 – Для наплавки поверхности нелегированной стали, соединительной сварки нержавеющей стали с нелегированной сталью и для сварки плакированных материалов | ||
P7 / P9 – Для сталей, трудно поддающихся сварке (марганцовистых, инструментальных, жаропрочных), а так же для сварки нержавеющей стали с нелегированной сталью. | ||
P10 – Для сталей Incotel 600; 9% Ni. Также для сварки сплавов на основе Ni с нержавеющими или нелегированными сталями и для наплавки поверхности. | ||
309 / 253 MA-NF – Для сварки сталей в областях применения, характеризующихся умеренно-высокими температурами. | ||
310 / 253 MA / 353 MA – Для сварки сталей в областях применения, характеризующихся высокими температурами. |
Условные обозначения:
EN — Стандарт Евронормы EN 10027
ASTM — American Society for Testing and Materials