При сварке аустенитных нержавеющих сталей применяют

Обновлено: 20.09.2024

Сварка нержавеющей стали должна производиться с учетом ее физических свойств и химического состава. В противном случае процесс не принесет ожидаемого результата.

1 Особенности нержавеющей стали, затрудняющие ее сварку

В соответствии с современной классификацией, нержавеющая сталь, отличающаяся повышенной стойкостью к коррозии, причисляется к группе высоколегированных сталей. Содержание в нержавейке хрома – главного легирующего компонента – варьируется в пределах 12–30 процентов. Также в состав такой стали зачастую вводят специальные добавки с целью повышения ее антикоррозионных и сугубо механических параметров.

К таковым относят, в частности, титан, марганец, никель, молибден. Кроме того, сейчас осуществляется закалка стали с высоким содержанием хрома, повышающая многие ее физические характеристики. Прежде чем разобраться с тем, какие способы сварки нержавеющей стали применяются в настоящее время, имеет смысл ознакомиться с некоторыми ее характеристиками, влияющими на свариваемость подобных изделий. К таким причисляют:

Относительно высокий показатель коэффициента расширения (линейного), обуславливающего существенную литейную усадку металла. Из-за этого при сварке отмечается повышенная деформация стали, которая может наблюдаться и после проведения сварочных работ. В тех случаях, когда между соединяемыми конструкциями значительной толщины не оставляют зазора, высока вероятность образования крупных трещин.
Меньшую в 1,5–2 раза теплопроводность нержавейки (если сравнивать ее с низкоуглеродистым металлом). Становится причиной увеличения теплоты, что ведет к проплавлению свариваемых поверхностей в месте их соединения. В связи с этим технология сварки нержавеющей стали предполагает снижение на 15–20 процентов силы тока по сравнению с его величиной, необходимой для сварки обычных сталей.
Явление снижения антикоррозионных свойств нержавеющих сталей при несоблюдении рекомендованного режима термической обработки. Обусловлено оно формированием карбида хрома и железа по краям зерен, когда температура становится более 500 °С, и носит название межкристаллитной коррозии. Существует несколько способов решения означенной проблемы. Один из них заключается в поливке холодной водой свариваемых поверхностей (подходит для аустенитных хромоникелевых сталей).
Сильный нагрев (из-за повышенного электрического сопротивления) электродов с хромоникелевыми стержнями. Чтобы избежать перегрева, используют электроды длиной до 35 сантиметров.

2 Сварка нержавеющей стали – основные способы

На данный момент существуют следующие технологии сварки сталей с большим содержанием хрома:

Непосредственно перед проведением процесса сварки нержавейку следует обезжирить (ацетон, авиационный бензин), чтобы обеспечить устойчивость дуги и сделать пористость шва более низкой, а также зачистить до блеска кромки поверхностей, которые планируется соединить. После этого можно приступать к сварке по выбранной технологии. Далее мы подробно опишем самые популярные способы сварки и очень кратко те, которые редко используются.

3 Технология ММА – электроды для сварки нержавеющей стали

Самой распространенной считается сварка покрытыми электродами (ММА). Такой метод очень часто применяется домашними мастерами. Он подходит для тех случаев, когда к качеству сварки не предъявляется очень жестких требований. Важно только грамотно подобрать электроды для нержавеющей стали, которые делятся на два типа:

из двуокиси титана с рутиловым покрытием: ими можно осуществлять сварку на постоянном (полярность – обратная) и переменном токе, подобные электроды характеризуются малым разбрызгиванием при использовании и стабильной дугой, обеспечивающей постоянное горение;
с основным покрытием (как правило, оно создается карбонатами магния и кальция): годятся для применения на постоянном токе (полярность – обратная).

Выбирать электроды для сварки нержавеющей стали лучше всего по ГОСТ 10052, в котором четко указаны их типы и соответствие каждого из них нержавейке конкретного состава. Если вы знаете марку стали, которую требуется сваривать, Госстандарт подскажет, какой вам выбрать электрод. Причем нужно помнить, что выбранное изделие обязано обеспечить сварным поверхностям заданные характеристики (механические параметры и требуемую коррозионную стойкость).

4 Аргоновая сварка в режиме AC/DC TIG и полуавтоматическая MIG

Технология с применением вольфрамовых электродов (аргоновая сварка) оптимальна для сваривания изделий, к которым выдвигаются особые требования по качественным показателям, при необходимости соединения конструкций из тонкого металла. Чаще всего она используется для сваривания трубопроводов из нержавейки, которые служат для перемещения под давлением газов либо жидкостей, дымовых нержавеющих труб.

Особенности данной технологии следующие:

во избежание попадания вольфрама в сварочную ванну используется бесконтактный поджог дуги (при невозможности выполнить это требование зажигание допускается выполнять на угольной плите и только потом переносить дугу на металл);
осуществлять сварку можно и на переменном, и на постоянном токе;
конкретный сварочный режим подбирается по толщине деталей, которые соединяются (устанавливается сечение электрода для сварки нержавеющей стали и присадочной проволоки, сила и полярность тока, расход аргона, скорость проведения процедуры);
уровень легирования присадочной проволоки должен быть выше, чем у основной стали;
чтобы металл не окислялся, а сварочная зона не нарушалась, желательно не производить электродом колебательных движений.

Сократить расход вольфрамового электрода при выполнении сварочных работ можно очень просто. Для этого не нужно в течение 10–15 секунд отключать подачу аргона после окончания сварочной процедуры.

Суть в том, что подобный обдув электрода существенно уменьшает его окисление. Полуавтоматическая сварка по своей технологии почти не отличается от рассмотренного выше варианта соединения поверхностей. Просто при такой методике нержавеющая проволока подается не вручную, а механизировано. Понятно, что обработка, которой подвергается нержавеющая сталь (сварка изделий), проходит в режиме MIG проще, точнее и быстрее.

Данная полуавтоматическая технология позволяет применять несколько различных техник для сварки разных по толщине материалов:

для поверхностей с большой толщиной – струйный перенос;
для тонколистового металла – сварка короткой дугой;
универсальная техника – импульсная сварка (признается самым экономически выгодных способом соединения деталей из нержавейки).

5 Менее распространенные технологии сварки

К таковым относится:

Лазерная сварка нержавеющей стали: обеспечивает отсутствие эффекта разупрочнения в зоне отпуска термически упрочненной стали, появления холодных и горячих трещин, большую скорость остывания шва, наименьшие параметры зерна. Методика востребована на предприятиях тракторной и автомобильной промышленности, а также в некоторых отраслях машиностроения.

Сварка давлением (иначе называется холодной): базируется на соединении деталей на уровне их кристаллических решеток под давлением без плавления заготовок. Поверхности свариваются в тавр либо внахлест по двухсторонней (обе детали подвергаются пластической деформации) или односторонней (давление воздействует лишь на один лист) схеме.

Роликовая и точечная (контактная) сварка: подходит для металлических листов толщиной не более 2 миллиметров. В этом случае используется оборудование для сварки нержавеющей стали, на котором выполняется сварка и других металлов.

Технология сварки нержавеющей стали. Влияние легирующих элементов и подбор способа сварки

Особенности сварки нержавеющих сталей зависят от физических свойств, химического и фазового состава, а также их кристаллической структуры.

Особенности и сложности при электродуговой сварке деталей из нержавеющей стали

Теплопроводность хромоникелевых сталей в два раза ниже, коэффициент линейного расширения при нагреве в полтора раза больше, электросопротивление в пять раз выше, чем у малоуглеродистых сталей.

Знание этих свойств помогает сварщику учитывать поведение сталей при сварке. Для расплавления нержавеющих сталей требуются более мягкие режимы сварки и ввод меньшей электрической энергии. При одинаковых токах электрод (проволока) разогреваются значительно сильнее, поэтому для сварки нержавейки применяют укороченные электроды. Низкая теплопроводность и высокий коэффициент линейного расширения способствуют заметному увеличению сварочных внутренних напряжений.

Общим классификационным признаком нержавеющих сталей является присутствие в их химическом составе не менее 12% хрома. Хром, введенный в таких количествах, выделяется на поверхности стали в виде плотной окисной пленки, что и делает сталь устойчивой к образованию оксидов железа (ржавчины). Вторым по важности легирующим элементом в нержавеющих сталях является никель. Его 9-процентная легирующая добавка делает железо немагнитным потому, что такой сплав состоит из аустенита. Широко применяются для легирования нержавеющих сталей следующие элементы:

Все легирующие элементы не только изменяют химический состав стали, но и оказывают влияние на её физические свойства, а, следовательно, и на свариваемость.

Коррозионностойкие хромоникелевые стали с содержанием хрома до 20% с низким содержанием углерода до 0.1% обладают хорошей свариваемостью.

Повышение доли углерода приводит к образованию и выпадению карбидов хрома по границам зерен и способствует межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния при нагреве выше 500 С.

Способы сварки нержавейки и их краткие характеристики

Сварка нержавеющих сталей выполняется классическими способами с соблюдением специальных режимов.

Сварка вольфрамовыми электродами в среде инертных газов (TIG)

Требует специализированного газового оборудования и применения соответствующих сварочных горелок. В качестве электрода используется пруток из вольфрама марки ВЛ, заточенный на конус под углом 20+/-2 град., диаметром 2-5 мм в зависимости от силы сварочного тока.

Аргон служит защитной атмосферой зоны горения дуги. Сварку необходимо вести в закрытых помещениях, что, в свою очередь, влечет за собой необходимость применения принудительной локальной вентиляции для обеспечения безопасности персонала.

Особое внимание уделяется выбору присадочной проволоки.

Ручная дуговая сварка плавящимся электродом (ММА)

Наиболее распространённый способ. Важно соблюдать мягкие режимы и избегать перегрева металла в зоне термического влияния. Пристальное внимание уделяется подбору электродов в зависимости от требований к сварным швам и конструкциям в целом.

Полуавтоматическая сварка (MIG)

Самый производительный из рассматриваемых способов, особенно при выполнении угловых и тавровых швов в нижнем положении. Применяются стандартные сварочные полуавтоматы с применением присадочной проволоки малых и средних диаметров.

Сварочные материалы

Сварочные электроды для ручной дуговой сварки выбираются по ГОСТ 10052-75 и по каталогам производителей или поставщиков. Различаются по типу и маркам в зависимости от химического состава наплавленного металла, механических свойств, применяемых режимов сварки и рекомендуемого пространственного положения шва.

Примерная стоимость электродов для ручной дуговой сварки на Яндекс.маркет

Сварочная проволока нержавеющая по ГОСТ 2246-70 и ГОСТ 18143-72 применяется для TIG и MIG и выбирается по химическому составу и требованиям к сварным соединениям. Правильно подобранные присадочные материалы обеспечивают гарантированное качество швов.

Примерная стоимость сварочной проволоки на Яндекс.маркет

Технология

Техника и режимы нацелены на следующее:

снижение сварочных напряжений и деформаций. Рекомендуется устанавливать сварочный ток на 20-30% ниже, чем при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей. Выполнять сварку узкими прямыми валиками на максимальной скорости и с охлаждением швов ниже 200 о С после каждого прохода;
минимальный перегрев и уменьшение размеров сварочной ванны, быстрое охлаждение после каждого прохода;
соблюдение зазоров и тщательную очистку свариваемых кромок и около шовной зоны.

Технология сварочного процесса для каждого из способов сходна по операциям подготовки поверхностей перед сваркой, требованиям к высокой квалификации сварщиков, по тщательному выбору сварочных материалов и настройкой режимов, а отличается выбором полярности подключения.

Сварку плавящимся электродом (MMA и MIG) осуществляют с применением обратной полярности: «+» на электроде, «-» на детали. Для TIG предпочтительна прямая полярность с целью экономии расхода вольфрамового электрода.

На практике совмещают два и более способов для сварки одного стыка. Прихватки и проварку корня шва выполняют аргонодуговым способом, а заполнение разделки — полуавтоматом или ручной сваркой плавящимся электродом.

Особенности сварки нержавеющих труб

Кольцевые замкнутые швы, особенно в случае сварки толстостенных нержавеющих труб малых диаметров требуют особого внимания.

Для предотвращения избыточных сварочных напряжений и появления горячих трещин следует выполнять многопроходную сварку валиками малого сечения. Нужно обращать дополнительное внимание на правильный выбор разделки кромок и соблюдения зазоров между соединяемыми деталями.

Есть еще одна специфическая проблема при односторонней сварке труб из хромоникелевых сплавов и жаростойких нержавеющих сталей. Это образование «мениска»- вогнутости в сечении шва с внутренней стороны труб. Приходится применять специальные разделки и координировать скорость сварки и силу тока.

Сварка разнородных сталей: основные типы сталей и применяемые технологии сварочных процессов

В настоящее время в различных отраслях промышленности нередко встречается сварка разнородных сталей. Такое действие необходимо чаще всего в тех случаях, когда возникает необходимость создать соединения из сталей, различающихся по своим свойствам: например, соединить в одном изделии деталь из высоколегированной стали, которая будет подвергаться агрессивному воздействию в процессе эксплуатации, и деталь из низколегированной стали, на которую нагрузка в процессе эксплуатации будет значительно меньше.

Понятие разнородных сталей и особенности их сварки

Разнородные стали – это стали, которые различаются по своему химическому составу, степени легирования, классам, типам, степени теплопроводности и подверженности сваривания между собой.

При осуществлении сварки разнородных сталей следует учитывать ключевую особенность, которая присуща подавляющему большинству создаваемых сварных соединений: в процессе сварки могут образовываться интерметаллидные структуры, то есть соединения двух и более металлов, обладающих более высокой температурой плавления, нежели те исходные стали, что были использованы для создания изделия. Однако такие структуры могут быть очень хрупкими, и это может привести к разрушению сварного шва при несоблюдении технологии сварки.

Для того чтобы полученный шов был максимально плотным и качественным, края свариваемых деталей необходимо предварительно подогревать с помощью газовой горелки или паяльной лампы. Это не только позволит выпарить лишнюю влагу на подготовительном этапе, но также и подготовить деталь к сварке в соответствии с ее физико-химическими параметрами.

Типы разнородных сталей по признакам разнородности структур

По содержанию углерода в составе сталей происходит их деление на следующие виды:

углеродистые стали. Они являются наиболее распространенными, так как создаются на основе сплава железа и углерода. В зависимости от количества углерода в составе сплава делятся на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые, теплоустойчивые, хладостойкие;
легированные стали. В зависимости от включенных в состав стали химических элементов выделяют низколегированные, высоколегированные стали.

В зависимости от наличия в химическом составе сталей серы и фосфора выделяют:

красноломкие стали (в химическом составе которых находится сера);
хладноломкие стали (в химическом составе таких сталей присутствует фосфор);
тепло- и холодоустойчивые стали (из которых методом раскисления удалены примеси серы и фосфора, либо введены химические элементы, которые нейтрализуют их действие).

Способы и технологии сварки в зависимости от разнородности сталей

Выбор способа сварки тех или иных разнородных сталей зависит, в первую очередь, от их физико-химических свойств. В настоящее время чаще всего встречаются следующие виды соединений разнородных сталей:

стали низкоуглеродистые, низколегированные, инструментальные и стали неизвестного состава. Для оценки свариваемости разнородных сталей следует обратить внимание на эквивалент углерода Се. Когда свариваются стали с различным Се, параметры сварки подбираются по стали с большим Се, а присадочный материал — по стали с меньшим Се. При правильно выбранных режимах и присадочном материале твёрдость и механические свойства наплавленного металла будут находиться в диапазоне между свариваемыми сталями. В противном случае высока вероятность образования трещин. Выбор температуры подогрева перед сваркой также зависит от эквивалента углерода и подбирается по стали с большим Се. При сварке сталей со значительной разницей в значениях Се рекомендуется произвести отпуск для снятия напряжений. Контролируемое остывание свариваемых деталей или снижение скорости их остывания уменьшают риск образования трещин;
нержавеющие стали с низкоуглеродистыми сталями. Сварка таких сталей приводит к одновременному образованию в сварочном шве твёрдых и хрупких структур, что может быть вызвано нарушением технологий сварки. При этом при сварке нержавеющей стали с низкоуглеродистой или низколегированной сталью сварочные швы получаются высокого качества при условии тщательного соблюдения всех технологических требований к процессу. Однако следует обратить внимание на то, что многообразие комбинаций этих сталей не позволяет сформулировать общих рекомендаций по их сварке, которые для всех случаев гарантировали бы хороший результат. Для сварки высоколегированной и низколегированной сталей обычно используют присадочный материал повышенного легирования или на основе никеля. Также предварительно перед сваркой можно наплавить на кромку из низкоуглеродистой или низколегированной стали переходной слой из нержавеющей стали. Затем сварка ведётся с присадкой, аналогичной нержавеющему металлу;
чугун со сталью. Чугун обладает ограниченной свариваемостью, это является основным критерием выбора сварочных материалов и параметров сварки. Если к сварочному шву не предъявляются особые требования, то сварка ведётся с применением присадочных материалов на основе никеля. Нежелательно применять сварочные процессы, связанные с высоким тепловложением или образованием большой сварочной ванны. Белый чугун и некоторые другие виды чугуна с высоким содержанием углерода являются несвариваемыми из-за их склонности к образованию трещин. В некоторых случаях целесообразно на чугунные кромки наплавить переходной слой с присадочным материалом на основе никеля. Небольшие детали перед сваркой подвергают общему нагреву, большие заготовки подогреваются вокруг зоны сварки. Немаловажным является тот факт, что чугун обладает низкой пластинчатостью и низким коэффициентом линейного расширения. Для решения этой проблемы необходимо снизить усадочные напряжения. Лучшим способом достижения этого является проковка сварного шва сразу после сварки ударным инструментом со скруглённым бойком. Также во время сварки рекомендуется применять электроды меньшего диаметра. Для наплавки переходного слоя на чугунную кромку применяют ручную дуговую сварку и дуговую сварку порошковой проволокой. Для сварки со стальной кромкой применяют ручную дуговую сварку и сварку плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
низколегированные стали с низкоуглеродистыми сталями. Ограниченная миграция легирующих элементов при сварке из низколегированной стали обычно не приводит к повышению склонности наплавленного металла к закалке для всех основных видов сварки. Сварочные материалы подбирают под низкоуглеродистую сталь, а режимы сварки – под низколегированную. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка под флюсом, плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
различные низкоуглеродистые стали друг с другом. Если обе свариваемые кромки относятся к одному типу легирования, но при этом имеют различные эквиваленты углерода Се, то сварка ведётся с использованием сварочных материалов идентичного типа легирования. Для сварки сталей с высокой склонностью к закалке рекомендуется применять ручную дуговую сварку. Во избежание образования холодных трещин в зоне термического влияния желательно уменьшить удельное тепловложение при сварке и избегать медленной скорости сварки. Высокопрочные стали, обладающие очень высокой склонностью к закалке, требуют предварительного подогрева до достаточно высоких температур, а также послесварочную обработку. Альтернативой может быть применение специальных аустенитных присадочных материалов с минимальным предварительным подогревом. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, дуговая сварка под флюсом, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
инструментальные, пружинные стали с углеродистыми и низколегированными сталями. По причине полиморфных фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении, эти стали являются тяжело свариваемыми. Сварка таких сталей требует применения специальных приёмов. При сварке изделий небольшой толщины сварку можно осуществлять без предварительного подогрева. В остальных случаях требуется подогрев до температуры около 300 градусов, которую необходимо поддерживать во время всего сварочного процесса. Необходимо минимальное тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
высоколегированные нержавеющие стали с инструментальными и пружинными сталями. Основное требование при сварке таких сталей – применение сварочных материалов, которые дают аустенитную нержавеющую сталь или сплав на основе никеля. Рекомендуемые способы сварки: ручная электродуговая покрытыми электродами, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
разнородные высоколегированные нержавеющие стали друг с другом. При сварке таких сталей сварочные швы получаются высокого качества. Однако когда свариваются карбидостабилизированные нержавеющие высоколегированные стали с нестабилизированными нержавеющими сталями, следует применять карбидостабилизированные сварочные материалы или сварочные материалы с пониженным содержанием углерода. Также необходимо ограничить тепловложение в сварочную ванну. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка, дуговая сварка порошковой проволокой, сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в среде инертного защитного газа, сварка плавящейся электродной проволокой сплошного сечения или металлопорошковой проволокой в инертном или активном защитных газах;
стали неизвестного или вызывающего сомнения состава с другими сталями. При ремонте стальных конструкций не всегда представляется возможным проанализировать химический состав сталей. Выполняя сварочные работы со сталями неизвестного химического состава, следует подбирать сварочные материалы и режимы как для тяжелосвариваемых сталей. Предпочтительным способом сварки является ручная дуговая сварка штучным покрытым электродом. Высокое качество сварных соединений при сварке разнородных сталей обеспечивается соблюдением технологии сварки, применяемыми сварочными материалами, способами и режимами сварки. Даже незначительные отклонения от требований, предъявляемых к сварке таких соединений, приводит к образованию дефектов и трещин.

Оборудование для сварки

Вне зависимости от того, о каких свариваемых разнородных сталях идет речь, оборудование для выполнения сварочных работ делится на две группы:

Рабочее оборудование, которое включает в себя: источник сварочного тока, силовые кабели питания источника от электрической сети или генераторов; кабели для подведения сварочного тока к свариваемым изделиям и создания сварочной цепи, в случае использования технологий с защитным газом – баллоны с газом или специальные устройства-генераторы, сварочные молотки, щетки по металлу, электроинструмент (болгарки и угловые шлифовальные машинки) для итоговой обработки сварных соединений. Кроме того, в качестве оборудования для сварки следует рассматривать присадочные материалы (сварочная проволока, электроды), а также механизмы для их направления в сварочную зону (машинки для подачи проволоки, электродержатели для электродов). . Данный вид оборудования является чаще всего индивидуальным и включает в себя: защитную одежду, прошедшую пропитку с целью огнезащиты, сварочную маску с темным стеклом или самозатемняющуюся маску, краги или перчатки, защитную обувь.

В качестве дополнительного оборудования сварочного поста рассматривается сварочный стол, а также инструменты для закрепления свариваемых деталей в необходимых пространственных положениях.

Сварка аустенитных сталей – обо всех тонкостях процесса понятно и просто

Сварка аустенитных сталей признается достаточно сложным, но при этом вполне выполнимым процессом, который имеет немалое количество нюансов. Их следует учитывать тогда, когда планируется сваривать конструкции из подобных сплавов.

1 Немного информации об аустенитных сплавах

Аустенитные стали – это композиции на железной основе с большим объемом легирующих добавок, ключевыми из коих являются хром и никель. Общий объем всех легирующих элементов в таких сплавах может равняться 65 процентам. Композиции аустенитного класса активно эксплуатируются в разных сферах машиностроения, включая энергетическое и химическое, так как изделия из них могут эффективно функционировать при разных показателях температуры.

Различают высоколегированные, жаропрочные, коррозионностойкие и жаростойкие композиции. Все они обладают различными свойствами, что и обуславливает их служебное назначение.

Например, жаропрочные стали, улучшаемые вольфрамом и молибденом, способны долгое время противостоять высоким температурным нагрузкам. Конструкции из коррозионностойких сплавов не боятся вредного влияния агрессивных сред, а жаростойкие сохраняют свою химическую структуру при температурах до +1150 градусов.

После грамотно проведенной термообработки описываемые сплавы обретают уникальные пластические и прочностные характеристики. Так, после закалки по уровню пластичности они превосходят обычные углеродистые стали в несколько раз. В целом стоит отметить, что именно режимы термической обработки оказывают огромное влияние на структуру аустенитной стали (такое же, как и их химический состав).

По системе легирования интересующие нас композиции подразделяют на два больших класса: хромомарганцевые и хромоникелевые. Кроме того, отдельно выделяют хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые составы.

2 Описание особенностей сварки

Такие стали сваривать достаточно сложно, так как они имеют явно выраженную склонность к формированию в околошовной области и непосредственно в сварном шве горячих трещин и микронадрывов. Указанные дефекты появляются из-за возникновения в сплаве крупнозернистой макроструктуры (другими словами, они имеют межкристаллитный характер).

Металл сварных соединений, когда речь идет об аустенитных композициях, характеризуется особой формой кристаллизации (ее называют ячеисто-дендритной), которая становится причиной появления легкоплавких фаз и очень крупных кристаллов столбчатого типа. Увеличить стойкость швов можно при помощи специальных технологий, дающих возможность устранить указанную структуру металла. Суть таких методик обычно заключается в измельчении кристаллов, а также в уменьшении количества серы и фосфора в металле.

Очень часто с горячими трещинами борются при помощи снижения уровня проплавления металла и посредством использования материалов для сварки, которые производятся из сталей электрошлакового переплава либо вакуумной выплавки. Иногда существенно снизить опасность образования трещин можно увеличением ликвирующих добавок (например, бора) до таких показателей, которые позволяют получить на кристаллитах обильную эвтектику.

Если же указанные методики не подходят, используется универсальный способ предупреждения трещин, который предполагает модификацию кристаллизационной схемы сварных швов, приводящий к увеличению степени растворимости ликвирующих добавок в первичном феррите, присутствующем в них. При изменении схемы отмечается дезориентация и измельчение структуры феррита и кристаллов аустенита, что значительно снижает активность появления трещин. Процесс модификации швов выполняется посредством добавки таких легирующих компонентов, как молибден, хром, алюминий или кремний.

3 Тонкости сварки жаропрочных сплавов аустенитного класса

Сварные соединения таких сталей должны на протяжении долгого времени эксплуатации при высоких температурах не изменять своих механических (весьма, заметим, высоких) возможностей. Выполнить данное условие непросто из-за того, что в металле шва при быстром его охлаждении после сварки наблюдается закрепление неравновесных структур. Они уменьшают пластические характеристики сварного соединения уже при температуре около +350 °С (так как происходят бурные диффузионные процессы).

Кроме того, при температурах от +500 до +650 °С отмечается формирование α-фазы и в то же самое время выпадение карбидов, от +350 до +500 °С (при выполнении операции термического старения) – образование хрупкости. Очень хрупким металл становится и при выдержке, производимой при температуре около 800 °С (она приводит и к уменьшению прочности соединения). С целью минимизации указанных негативных явлений в жаропрочных сплавах пытаются уменьшить содержание углерода (в металле шва и в основном металле).

В жаропрочных сталях нередко образовываются и трещины в околошовной области, вызываемые понижением прочностных и пластических показателей основного металла во время его термической обработки. Подобные дефекты обусловлены тем, что кислород и углерод в больших количествах, будучи поверхностно-активными элементами, способны стать причиной возникновения эвтектик легкоплавкого типа. А при продолжительной работе конструкций, сделанных из жаропрочных сталей, в области сварного шва нередко появляются интерметаллиды и карбиды (мелкодисперсные), которые делают соединение хрупким.

Все эти проблемы решаются наплавкой специального металлического слоя с двухфазной структурой, которая не имеет ничего общего с основным металлом. Но при эксплуатации сварных конструкций дополнительный слой упрочняется, что через некоторое время снова приводит к образованию деформированного участка и все тех же трещин. Избавиться от них можно высокотемпературной (порядка 1100 градусов) аустенизацией и следующим за ней самонаклепом либо стабилизирующим отжигом. Последний осуществляется при температуре не менее 750 градусов.

4 Электрошлаковая сварка аустенитных сплавов

Данный вид сварки сводит к минимуму вероятность появления горячих трещин, что обусловлено технологией ее выполнения. Электрошлаковый процесс характеризуется:

отсутствием значимых угловых деформаций в стыковых зонах;
небольшой скоростью передвижения нагревательного оборудования;
"мягкой" кристаллизацией ванны.

При этом высокие рабочие температуры (от 1200 °С) с течением времени приводят к околошовным (по своей сути локальным) разрушениям металла шва. Если же электрошлаковой сварке подвергаются сплавы с высокой коррозионной стойкостью, в соединении нередко формируется так называемая ножевая коррозия, нивелировать которую можно при помощи стабилизирующего отжига и закалки металла.

Выполняется описываемый вид сварки электродами пластинчатой формы (их толщина находится в пределах 6–20 миллиметров) либо трехмиллиметровой проволокой. Пластинчатые стержни рекомендуется применять для деталей, имеющих малые по длине сварные швы, но большую толщину.

Проволока дает возможность изменять процесс кристаллизации соединения и форму сварной ванны, за счет чего риск появления трещин значительно снижается. Но производство проволоки требует больших финансовых и трудовых затрат, чем изготовление пластинчатых стержней. Кроме того, ее жесткость уменьшает надежность функционирования подающих и токоподводящих механизмов оборудования, используемого для сварки.

Флюсы для электрошлакового процесса:

При работе с жаропрочными композициями допускается применять и безокислительные фторидные флюсы, но их использование в некоторых случаях требует обдува шлаковой ванны (ее верхних слоев) струей аргона.

5 Ручная дуговая сварка

Этот процесс проводится таким образом, чтобы заданный химсостав шовного металла оставался неизменным при любых пространственных положениях и вариантах соединений. При этом во внимание обязательно принимается объем наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя.

Добиться соблюдения данных условий можно посредством изменения состава покрытия применяемых электродов. Покрытие подбирают так, чтобы в шве не было трещин горячего типа, и присутствовал (в требуемых количествах) первичный феррит. Чаще всего, используются фтористокальциевые стержни. Ими не совершают поперечные колебания (а также в процессе сварки поддерживают короткую дугу), что снижает опасность появления изъянов, обусловленных прилипанием брызг.

Специалисты рекомендуют осуществлять ручную сварку ниточными швами при помощи электродов сечением три миллиметра. Желательно, кроме всего прочего, на протяжении 60–90 минут перед началом процесса прокаливать сварочные стержни при температуре от 250 до 400 градусов. Подобная предварительная их подготовка исключает вероятность формирования пор в получаемом соединении.

Покрытые стержни эксплуатируют при электродуговой сварке на обратнополярном постоянном токе. Показатель его силы, как правило, выбирают по отношению к сечению сварочного электрода на 15–30 А/мм выше. На максимальном токе выполняют работы в нижнем положении. А в вертикальном и потолочном положениях нужно использовать меньшую (на 10–30 процентов) силу тока.

6 Сварка в атмосфере защитных газов

Методика позволяет сваривать изделия разной толщины – от десятых частей до нескольких десятков миллиметров, применяя активные и инертные газы, а также их смеси. За счет такого разнообразия защитной среды сварщик имеет возможность подбирать условия ввода в металл требуемого количества тепла и изменять эффективность электродуги, расширяя тем самым технологический потенциал сварочной операции.

Сварка в защитной газовой атмосфере может производиться в любых пространственных положениях. По этой причине она очень часто используется вместо дугового процесса, особенно в тех случаях, когда защитная среда создается инертным гелием либо аргоном. В данной ситуации сварку ведут плавящимися либо вольфрамовыми стержнями. Они идеальны для соединения изделий 5–7 миллиметров толщиной (например, тонкостенных труб) и сваривания корневых швов.

Сварка в защитных газах осуществляется импульсной или горящей дугой. Рациональнее использовать первый вид дуги, так как он снижает проявления коробления кромок, которые подвергаются свариванию, а также снижает длину околошовного участка, гарантируя при этом качественное создание шва на небольшой по толщине конструкции.

Вольфрамовые стержни для сварки аустенитных сплавов эксплуатируют без присадочного материала либо с таковым. Выбор конкретного способа зависит от конструкции и толщины сварного соединения. Сварка проводится на токе (постоянном), имеющем прямую полярность, в автоматическом режиме либо вручную (тогда нужно применять горелки специального вида). Отметим, что автоматическая сварка аустенитных композиций с большим объемом алюминия ведется на переменном токе.

В смеси газов и в активных газах обычно используют плавящиеся сварочные стержни. Они, впрочем, подходят и для выполнения операции в инертных средах. Последние, в частности, рекомендуют для соединения изделий из высоколегированных сплавов, в составе коих имеется титан, алюминий и иные компоненты, считающиеся легкоокисляемыми.

Плавящиеся электроды обеспечивают высокое качество процесса при импульсно-дуговой сварке, выполняемой в смеси углекислого газа, кислорода и аргона, а также в чистом аргоне. Данным способом, как правило, соединяют конструкции малой толщины. Импульсно-дуговая операция в инертной среде обеспечивает минимальную вероятность образования трещин.

Плазменной сваркой в защитной атмосфере чаще всего соединяют стали толщиной не более 12 миллиметров. Использовать плазму для сварки более массивных деталей нет смысла, так как в сварных швах формируются подрезы, снижающие качество операции.

Проволоки Св-06Х20Н11МЗТБ, 08Х25Н13БТЮ, 08Х20Н9С2БТЮ, 06Х19Н10МЗТ, 07Х18Н9ТЮ для сварки аустенитных сплавов с большим уровнем легирования создаются с учетом того, что они обязаны обеспечивать необходимые механические показатели и высокую стойкость против ржавления. В связи с этими требованиями в проволоках имеется высокое содержание хрома, ниобия, алюминия, титана и кремния.

7 Все нюансы сваривания аустенитных сталей под флюсом

Нефтехимические и химические предприятия для соединения элементов разнообразного специального оборудования из аустенитных сплавов чаще всего используют именно сварку под флюсом. Она гарантирует неизменность характеристик металла и его состава по всей протяженности сварного соединения. При этом указанное постоянство свойств наблюдается и при сварке с разделкой кромок, и при операции без разделки.

Указанное достоинство сварки под флюсом позволяет получать любые по длине швы без появления в них кратеров и обеспечивает следующие преимущества:

потери на огарки и угар существенно снижаются (до 10–20 процентов);
поверхность соединения формируется без каких-либо затруднений;
допускается соединение стальных изделий толщиной до 4 сантиметров без потребности в разделке кромок (при этом обеспечивается высокий зазор);
снижается трудоемкость мероприятий подготовительного плана, так как на заготовках более 12 мм толщиной не нужно разделывать кромки;
увеличивается стойкость металла к ржавлению, обусловленная малой чешуйчатостью сварных соединений;
отличная защита сварочной области от процессов окисления.

Легирование соединительного шва осуществляется через сварочную проволоку либо флюс. Более качественную стабильность структуры шва обеспечивает проволока, которая изготавливается по Государственному стандарту 2246. В качестве флюсов применяются составы без фтора (высокоосновные), а также фторидные композиции с низким содержанием кремния. Именно такие флюсы (АНФ-14, АН-26 и другие) обеспечивают малый угар компонентов, вводимых в сталь с целью легирования, и формируют слабо- или вовсе безокислительные среды.

Если сварка осуществляется под бесфтористыми флюсующими составами, процесс ведется на прямом по полярности токе, под фтористыми – на обратном. В обоих случаях при этом применяется постоянный ток. По сравнению со сваркой углеродистых сталей силу тока для выполнения сварки аустенитных композиций берут на 10–30 процентов меньшую (при условии, что нужно получить аналогичный уровень проплавления металла).

Обратите внимание! Флюсы, которые применяются для соединения изделий из высоколегированных сталей, перед сваркой всегда прокаливают. Температура данной операции – от 500 до 900 градусов, продолжительность – не менее 60 и не более 120 минут. Если все советы по сварке проволоками с высокой степенью легирования под флюсом будут учтены, сварной шов стопроцентно получит заданные характеристики.

Читайте также: