Сварка ферритных высокохромистых сталей

Обновлено: 28.04.2024

В современных металлоконструкциях в ряде случаев возникает необходимость высоколегированные стали сваривать не только со средне- и низколегированными или обычными углеродистыми, но и между собою. При этом необходимо соединять стали разных классов, например высокохромистые мартенситные с ферритными или аустенитными или перечисленные стали со сталями переходного класса (аустенито-ферритными, аустенито-мартенситными и мартенсито-ферритными). Сварка таких разнородных сталей имеет свои особенности.

Высоколегированные хромистые стали объединяют стали мартенситного, ферритного и мартенсито-ферритного классов. Наиболее распространенными в сварочном производстве являются мартенситные стали 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 11Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ, 16X11Н2В2МФ, 20X13, 25Х13Н2, 13Х14НЗВ2ФР; ферритные — 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х18СЮ и мартенсито-ферритные стали 15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР, 12X13, 14Х17Н2. Перечисленные стали мало отличаются по содержанию основных легирующих элементов. Поэтому для их сварки нет надобности применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва химического состава, промежуточного между составом свариваемых сталей. Они во всех сочетаниях могут свариваться с применением материалов, предназначенных для сварки любой из используемых в данном соединении стали. В этом состоит первая особенность сварки высокохромистых разнородных сталей.

Основная же особенность сварки рассматриваемых сталей обусловлена тем, что в зоне термического влияния их либо образуется малопластичная структура (мартенситные стали), либо происходит чрезмерный рост зерна, приводящий к значительному снижению ударной вязкости (ферритные стали). Поэтому необходимо принимать меры, исключающие образование околошовных трещин или уменьшающие снижение вязких свойств в зоне термического влияния свариваемой стали, которое здесь не может быть восстановлено даже последующей термической обработкой.

Вероятность образования околошовных трещин в значительной мере зависит от степени снижения в зоне термического влияния пластических свойств свариваемой стали. Это снижение зависит от химического состава свариваемой стали, и прежде всего от содержания углерода и легирующих элементов, снижающих температуру у → М превращения и упрочняющих твердый раствор. При определенном химическом составе стали вероятность образования околошовных трещин зависит от погонной энергии сварки, т. е. от ее режима. С понижением погонной энергии (снижение тока или повышение скорости сварки) металл околошовной зоны охлаждается быстрее, вследствие чего повышается степень его закалки и поэтому увеличивается вероятность образования околошовных трещин.

Следует отметить, однако, что возможность предотвращения околошовных трещин при сварке сталей мартенситного класса изменением режима сварки ограничена. Поэтому сварка их производится, как правило, с высоким (250—300° С) подогревом, а сварное соединение непосредственно после сварки подвергается отпуску при температуре 700—750° С. Лишь при небольших толщинах (до 10 мм) и при отсутствии жестких закреплений соединяемых элементов сварку мартенситных сталей можно производить без подогрева. Если эти стали используются в конструкциях, предназначенных для эксплуатации без динамических (ударных) нагрузок, сварку их без подогрева можно производить и при больших толщинах. Но в этом случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитного класса. Однако сварные соединения высокохромистых мартенситных сталей с аустенитным швом имеют существенный недостаток. Прочность металла их шва значительно ниже прочности свариваемой стали. Кроме того, в зоне сплавления таких соединений в процессе термической обработки возможно такое изменение структуры сплавляемых металлов, которое приводит к снижению работоспособности конструкции. Поэтому сварку сталей мартенситного класса с применением материалов, обеспечивающих получение аустенитного металла шва, рекомендуется производить лишь в конструкциях, которые не подвергаются термической обработке, а в случае необходимости — лишь в конструкциях, эксплуатируемых при статических нагрузках без значительных давлений.

Рост зерна в зоне термического влияния высокохромистых сталей ферритного класса зависит от времени пребывания металла этой зоны при температурах выше 1100° С, т. е. прежде всего от погонной энергии сварки. Чем больше погонная энергия сварки (выше мощность дуги, меньше скорость сварки), тем больше время пребывания металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, тем крупнее образуются зерна. Поэтому конструкции, в которых используются высокохромистые стали ферритного класса, следует сваривать на режимах, обеспечивающих минимально возможную погонную энергию, т. е. максимально снижать ток и максимально повышать скорость сварки.

Время выдержки металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, зависит также от степени разогрева выполняемого соединения. Чем выше его разогрев, тем медленнее охлаждается металл зоны термического влияния и тем больше времени пребывает он при температурах, вызывающих рост зерна. По этой причине конструкции, в которых используются высокохромистые ферритные стали, не следует сваривать с подогревом. Более того, многослойную сварку таких конструкций необходимо производить с охлаждением после наложения каждого слоя до минимально возможной температуры, вплоть до комнатной. В случае изготовления конструкции, в которой высокохромистая ферритная сталь должна свариваться со сталью мартенситного класса, сварку которой, как показано выше, следует производить с подогревом, чтобы избежать вредного влияния его на околошовную зону ферритной стали, свариваемые кромки последней облицовываются слоем металла, менее склонного к росту зерна. Толщина этого слоя должна быть не меньше ширины участка перегрева, присущей используемому режиму сварки, т. е. 5—6 мм.

Зачастую конструкции из высокохромистых разнородных сталей должны обладать необходимой коррозионной стойкостью в жидких агрессивных средах. Воздействие же на эти стали термического цикла сварки, для которого характерны высокотемпературный нагрев и быстрое охлаждение, приводит к потере общей коррозионной стойкости в зоне термического влияния и появлению склонности к межкристаллитной коррозии. Поэтому для того, чтобы получить сварное соединение, стойкое против коррозии, его следует подвергать отпуску по режиму, применяемому для обработки стали соединения, требующей более низкой температуры отпуска.

Как уже указывалось, для сварки высокохромистых сталей, особенно мартенситного класса, нередко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитной структуры. При изготовлении конструкций, предназначенных для работы в агрессивных средах, следует учитывать, что наплавленный металл аустенитного класса, если он является хромоникелевым сплавом, из-за большого содержания никеля в серосодержащих средах склонен к сульфидной коррозии. Такой наплавленный металл взаимодействует с сернистыми соединениями, образуя сульфиды никеля и эвтектику Ni—Ni₃S₂. Поэтому для упомянутых конструкций аустенитные материалы, если их использование неизбежно, следует применять другого типа, например, хромомарганцевые.

При соблюдении указанных рекомендаций для сварки высокохромистых разнородных сталей как мартенситных с ферритными или мартенсито-ферритными, так и ферритных с мартенсито-ферритными наиболее целесообразно применять сварочные материалы, обеспечивающие металл шва мартенсито-ферритного или феррито-аустенитного класса. В таком металле значительно мельче зерно по сравнению с ферритным и поэтому пластические и вязкие свойства его выше. В состоянии после сварки он более пластичен чем сталь мартенситного класса.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ Л ГИТ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ мартеиситных, МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ И ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Хром от точки плавления до низких температур имеет решетку объемно-центрированного куба, изоморфную а-желозу. В связи с этим легирование железа хромом сужает область у-растворов (рис. 127). По влиянию хрома на положение у-области в силавах Fe—Сг, а также хромистых сталях, содержащих углерод, услові. о можно выделить три группы сплавов: 1) с у ^ а-превращением; 2) без у ^ а-превращення; 3) с частичным превращением.

Хром придает сплавам с железом ряд специфических свойств. Так, при наличии в растворе ~V8 атомов хрома (~12% Сг по массе) возникающая при окислении поверхностная пленка приводит к пассивации этой поверхности. Сталь становится коррозионно-стойкой при относительно невысокой температуре. Для обеспечения окалиностойкости при более высоких температурах (800—1050° С) относительная часть хрома в сталях должна быть увеличена (примерно до 30% по массе). Для обеспечения коррозионной стойкости применительно к различным агрессивным средам концентрация хрома в сталях может быть различной.

Хром по отношению к кислороду обладает несколько большим сродством, чем железо, и образует окисел Сг203 с высокой температурой плавления. Хром также обладает большим сродством к углероду, чем железо, и является карбидообразующим элементом. Он может входить в состав карбидов типа цементит (Fe, Сг)3С и образует карбиды типов Сг7С3 и Сг23Св [иногда с частичной заменой атомов хрома другими, в частности железа, например (Fe, Сг)23С6]. Карбиды хрома термически более стойкие по сравнению с карбидом железа, они растворяются медленнее и при более высоких температурах. В связи с этим для гомогенизации твердых растворов Fe—Сг—С требуется более высокая температура (рис. 128) и более длительная выдержка, чем для углеродистых сталей (~900° С).

Температурная область существования у-растворов в хромистых сталях значительно изменяется в зависимости от содержания в них хрома и углерода (рис. 129), хотя в меньшей степени
она зависит от содержания и сплаве и других элементов — никеля, молибдена и пр. Хромистые стали при содержании менее 0,2% С и более 16% Сг не имеют у-фазы при любых температурах от комнатной до плавления и являются ферритными.

10 20 50 40 S0 60 70 80 Сг, йт%

О 10 20 50 00 50 60 70 60 Сг,%по массе

Наличие хрома в сталях в связи с замедлением процессов распада у —а значительно снижает критические скорости охлаждения Поэтому мартенсит в

результате бездиффузпои - рИС - 127. Структурпая диаграмма системы ного превращения аусте - Fe—Сг нита в хромистых сталях

может быть получен при значительно меньшем содержании углерода и меньших скоростях охлаждения, чем в нелегированных углеродистых сталях (рис. 130). При более высоком содержании хрома (рис. 130, е) устойчивость аустенита настолько высока, что даже при температуре его наименьшей устойчивости (~700°С) для его распада требуется около 300 с. При непрерывном охлаждении, как это имеет место в условиях сварки, скорости охлаждения в области температур 800—650° С даже ~0,2% °С/с приводят к получению полностью мартенситной структуры.

Рис. 129. Область существования у-фазы в хромистой стали в зависимости от содержания хрома и углерода

Оптимальные механические свойства, т. е. высокую прочность при достаточно высокой пластичности такие хромистые стали

Рис. 128. Зависимость твердости хромистой стали от температуры гомогенизации и концентрации углерода:

1 — 12% Сг; 0,35% С; 2 — 12% Сг; 0,12% С;

3 — 12% Сг; 0,05% С, 4 — 12% Сг; 0,01% Cl

Рпс. 130. Диаграммы изотермического превращения хромистых сталей с различным содержанием хрома:

а — 0,4% С; 0 % Сг; б — 0,4% С; ~3,5% Сг; в — 0,11% С; 12,2% Сг

получают после двойной термообработки: закалки и высокого отпуска.

Высоколегированные хромистые стали (обычно с содержанием

10,5 — 12% Сг) при их дополнительном легировании молибденом, вольфрамом, ниобием, ванадием, а иногда и никелем обладают повышенным сопротивлением ползучести при работе под напряжением при повышенных температурах. Их используют как жаропрочные применительно к температурам эксплуатации до ~600° С.

Ряд высокохромистых сталей в зависимости от режима термообработки и температуры эксплуатации изделия могут изменять свои структуру и свойства, в основном приобретая хрупкость. В зависимости от химического состава стали и влияния термического воздействия в хромистых сталях наблюдаются: 475°-ная хрупкость; хрупкость, связанная с образованием ст-фазы; охрупчивание феррита, вызываемое нагревом до высоких температур. 475°-ная хрупкость появляется в хромистых сплавах и сталях при содержании 15—70% Сг после длительного воздействия температур 400—540° С (особенно -~175° С). Добавки титана и ниобия ускоряют процесс охрупчивания при 475°.

При небольших концентрациях хрома в сталях тепловая выдержка при температурах ~600—880° С не вызывает появления хрупкой при более низких температурах п-фазы. Содержание более 20—25% Сг вызывает довольно интенсивное выпадение п-фазы. Марганец, молибден и некоторые другие легирующие элементы способны расширять область существования п-фазы и интенсивность ее образования.

Выпадение п-фазы, а также процессы, вызывающие появление 475а-ной хрупкости, приводят к понижению и коррозионной стойкости хромистых сталей. Кроме того, п-фаза снижает соиротивле -

пие ползучести при высоких температурах. Исключить вредное влияние 475°-иой хрупкости и выпадения a-фазы возможно нагревом выше температур их образования (соответственно выше 550° С и примерно 900° С) с последующим быстрым охлаждением до 400° С или более низкой температуры.

Высоколегированные хромистые стали, находящиеся в феррит - ном состоянии, при температурах выше 1150° С обладают склонностью к быстрому росту зерна. Так как в таких сталях обычно присутствует и карбидная фаза, то при быстром нагреве и охлаждении, характерном для условий сварки, растворяющиеся карбиды обогащают углеродом только микрообъемы металла, прилегающие к ним, без общей гомогенизации, в результате чего в ятих участках создаются условия протекания в них превращений а —*• у, а при охлаждении — у —> а. Наиболее вероятны эти процессы вблизп границ зерен. В результате таких процессов и создающихся при этом локальных напряжений металл после быстрого охлаждения становится малопластичным при обычных температурах. Улучшения пластичности можно достичь последующим отжигом или высоким отпуском при температуре 730—790° С (в зависимости от состава стали).

При испытаниях надрезанных образцов на удар хрупкие разрушения переходят в вязкие при повышении температур испытания. Снижает температурный интервал перехода в хрупкое состояние некоторое увеличение содержания в стали углерода и для ферритных сталей — азота (примерно в количествах 1/100 от концентрации хрома). Такие добавки уменьшают склонность к росту зерна при высоких температурах и улучшают сварочные свойства сталей.

В соответствии с влиянием хрома и углерода (при обычном содержании сопутствующих примесей) на кристаллическую ре-

уу'чіолуферритная '(мартенситно- .фёрритная *

Рис. 132. Смещение петли у-раство ров в системе Fe—Сг—С в зависимости от содержания Сг и С

Рис. 131. Схематическая диаграмма хромистой стали (тройной системы Fe—Сг-С)

шетку по структуре при обычных (близких к комнатной) температурах хромистые стали различают как мартенситиые, мартеп- ситно-ферритные и ферритные (рис. 131). Влияние хрома и углерода на выклинивание у-областп для наиболее распространенных составов высокохромистых сталей показано на рис. 132.

Таолици 04. Составы, основные свойства высокохромистых сталей

Содержание элементов, % по

Средне - и высоколегированные хромистые стали (до 12—13% Сг иС^ 0,05 - г - 0,06%), имеющие область аустенита при высоких температурах, после охлаждения даже с умеренными скоростями при комнатной температуре приобретают мартенситную структуру.

При более высокой концентрации хрома (больше ~16% при 0,06% С) сталь в процессе нагрева не будет целиком переходить в состояние аустенита, а будет иметь некоторое количество непре - вращенной ферритной фазы. Последующее ее охлаждение приведет к получению смешанной мартенситно-ферритной структуры, причем увеличение содержания хрома в стали (при С = const) способствует относительному увеличению ферритной составляющей в структуре.

Дальнейшее увеличение содержания хрома при малой концентрации углерода приведет к тому, что сталь при любых температурах сохранит ферритную структуру. Такая структура получается и при любой скорости охлаждения. Различие может быть только в относительном количестве выпавших карбидов.

Жаропрочная до 600 °С окалиностойкая до 750 СС Жаропрочная до Г>00 °С

Коррозионно-стойкая, жаропрочная до 550 °С

Коррозионно-стойкая, жаропрочная до 500 вС

Коррозионно-стойкая, жаростойкая Жаростойкая до 1100 °С

Лопатки паровых турбин, клапаны, трубы, болты

Оборудование азотнокнс - лозных и консервных заводов

Оборудование азотнокислотных заводов, детали в средах средней агрессивности

Оборудование азотнокислотных копсерпиых заводов, бытовые детали Некоторые элементы котельных установок Аппаратура для гипохлорида натрия, азотной и фосфорной кислот

Химическая аппаратура, цилиндры газовых турбин Диски компенсаторов, лоиатки и другие нагруженные детали Рабочие и направляющие лопатки паровых турбин Роторы, диски, лопагки, болты

Лоиатки паровых тунбин, клапаны, трубы, болты

Таким образом, при ~0,05—0,06% С стали с содержанием до 12—13% Сг будут относиться к мартенситному классу; при 13— 16% Сг — к мартенситно-ферритному, а при Сг > 16% — к фер - ритному. При большей концентрации углерода соответственно граничные значения по хрому смещаются в область его больших концентраций.

Свариваемость хромистых сталей и свойства сварных соединений в значительной степени зависят от того, к какому классу относится свариваемый металл. Свариваемость мартенситио-феррит - ных сталей практически приближается к сталям мартенситного класса. Составы наиболее распространенных высоколегированных хромистых сталей, выпускаемых в СССР и их примерное назначение., приведены в табл. 64.

Свойства сварных соединений высокохромистых сталей, наиболее близкие к свойствам катаного или кованого основного металла, могут быть получены только в тех случаях, если химический состав металла швов подобен свойствам свариваемого металла и после сварки возможна термообработка в виде высокого отпуска. Однако это не всегда выполнимо, особенно в условиях монтажа или ремонта.

Применение швов состава, аналогичного свариваемому, без усложнения технологии (предварительного и сопутствующего подогрева) и последующей термообработки во многих случаях приводит к появлению в сварных швах и в зоне термического влияния трещин и к низкой деформационной способности сварных соединений.

Поэтому в таких случаях приходится отказываться от получения швов, подобных по составу свариваемой хромистой стали. Более работоспособные сварные соединения получаются при аустенитной или аустенитно-ферритной структуре металла сварных швов, обычно хромопикелевых с достаточным количеством аустенизаторов, в основном никеля и марганца. При таких швах последующая термообработка по режиму, благоприятному для измененного сварочным термодеформационным циклом основного металла, как правило, ухудшает свойства металла шва и вызывает резкие перепады остаточных напряжений вблизи границы сплавления. Поэтому термообработку для таких сварных соединений обычно не применяют.

Однако даже при получении швов состава, подобного составу основного металла, необходимо учитывать, что часть наиболее ценных свойств сварных соединений может быть получена, когда шов по составу несколько отличается от свариваемой стали, например имеет меньшую концентрацию углерода, содержит некоторое количество титана и т. д. В связи с тем, что такое регулирование состава металла шва легче обеспечивается при дуговой сварке, эти виды сварки наиболее распространены при изготовлении и ремонте изделий из высокохромистых сталей. До последнего времени большинство сварочных работ с этими сталями выполняют ручной дуговой сваркой стальными покрытыми электродами. Наряду с этим используют дуговую сварку плавящимся электродом в углекислом газе, в инертных газах (аргоне, аргоногелиевых смесях) и сварку под специальными флюсами.

В связи с тем, что растворяющийся при сварке в расплавленном металле водород значительно усиливает склонность к образованию холодных трещин в хрупком металле швов и околошовной зоны, для ручной сварки высокохромистых сталей не следует применять электродные покрытия, содержащие в качестве газообразующих органические соединения. В этом случае используют электродные покрытия фторпстокальцпевого TTlHUj при которых
газовая защита сварочной зоны образуется за счет распада карбонатов покрытия, в основном мрамора.

Образующиеся при этом высококальциевые шлаки благоприятны для удаления из сварочной ванны серы и фосфора — вредных примесей, ограничиваемых в высокохромистых сталях в большей степени, чем в обычных углеродистых (см. табл. 64). Окислительное влияние газовой фазы (С02 и продуктов ее распада) компенсируется использованием электродов, содержащих раскислители в металлическом стержне или чаще в покрытии.

Для уменьшения возможного поглощения водорода при сварке электроды перед сваркой следует прокаливать при повышенных температурах (450—500° С, длительность 2 ч). Сварку выполняют постоянным током обратной полярности.

Весьма благоприятные металлургические условия при сварке высокохромистых сталей создает сварка в инертных защитных газах, как правило, в аргоне и в некоторых смесях на его основе. Причем в основном используют сварку неплавящпмея вольфрамовым электродом, а присадочный материал подбирают аналогичным желаемому составу наплавленного металла. При этом виде сварки в шов удается вводить почти без потерь такие весьма активные элементы (улучшающие свойства металла шва), как титан и алюминий. Однако по причинам понижения производительности сварки и ее низкой экономичности применение этого метода обычно ограничивается изготовлением изделий малых толщин и выполнением корневого валика в многослойных швах металла больших толщин, например в изделиях турбостроения.

В связи с тем, что ценный для свойств металла шва азот (для большинства таких сталей) при содержании его более 0,08% может вызывать пористость, его количество в металле шва следует ограничивать, обеспечивая хорошую газовую защиту расплавленного металла от воздуха, и не допускать большего его количества в защитном газе.

Сварка плавящимся электродом в углекислом газе хотя и обеспечивает обычно достаточное оттеснение воздуха от сварочной зоны, однако оказывает значительное окислительное воздействие на металл. Для борьбы с недопустимым окислением металла шва в электродную проволоку необходимо вводить специальные раскислители в количествах, достаточных для предохранения от выгорания основных элементов, определяющих свойства металла шва. Принципиально возможна и разработка порошковых проволок для сварки рассматриваемых сталей.

Сварка под флюсом также требует разработки специальных сварочных материалов. Широко применяемые окислительные высококремнистые, высокомарганцовистые флюсы не пригодны для сварки высокохромистых сталей в связи с происходящими при этом процессами окисления не только активных легирующих

элементов, по п основного легирующего элемента — хрома. Так, развитие реакций

4 [Сг] + 3 (Si02) 2 (Сг208) + 3 [Si];

2 [Сг] + 3 (МпО) (Сг203) 3 [Мп]

приводит и к выгоранию хрома (иногда в количествах до 2%) и появлению в металле швов дополнительных количеств кремния, марганца и окислов. В ряде случаев повышение концентрации кремния, а также марганца в высокохромистом металле вредно для его свойств, в частности уменьшает его пластичность и вязкость.

При выборе вида сварки, сварочных материалов п режимов сварки высокохромистых сталей, особенно жаропрочных, необходимо учитывать, что даже небольшие отклонения в химическом составе металла швов (по ряду элементов в пределах десятых долей процента) могут приводить к значительному изменению их служебных свойств. Причиной этому, как правило, является гетерогенность структуры металла (например, наличие зерен структурно-свободного феррита в сорбитной основе отпущенного мартенсита).

При использовании аустенитного или аустенитно-ферритного наплавленного металла обязательно необходимо учитывать и долю основного металла, попадающего в металл шва и тем самым влияющего на его состав, структуру и свойства.

СВАРКА МАРТЕНСИТНЫХ И МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Стали мартенситного класса в условиях сварочного термического цикла в участках зоны термического влияния (а также и в металле шва, если он подобен по составу свариваемому металлу) закаливаются на мартенсит. Высокая твердость и низкая деформационная способность металла с мартенситной структурой в результате

дефор наций, сопровождающих сварку, а также длительного воздействия высоких остаточных и структурных напряжений, всегда имеющихся в сварных соединениях в исходном состоянии после сварки, приводят к возможности образования холодных трещин. Они, как правило, образуются на последней стадии непрерывного охлаждения (обычно при температурах 100° С и более низких) или при выдержке металла при комнатных температурах. Водород, находящийся в металле сварного соединения и диффундирующий в него даже при низких температурах, значительно способствует образованию холодных трещин.

Крупнозернистый металл швов и в зоне термического влияния более склонен к образованию трещин, чем мелкозернистый. Поэтому модифицирование металла швов, предупреждающее рост зерна (например, титаном), и применение более жестких режимов (с меньшей погонной энергией) являются мерами, уменьшающими вероятность образования трещин.

Повышение жесткости свариваемых изделий увеличивает вероятность образования трещин, причем тем в большей степени, чем меньшей деформационной способностью обладает закаленный металл (больше содержания в нем углерода). Так, сварка в углекислом газе без предварительного подогрева в изделиях небольшой жесткости не вызывает трещин при толщине сталей 08X13 до 18 мм, 12X13 до 10—12 мм и 20X13 до 8—10 мм.

Радикальная мера предотвращения трещин — применение предварительного и сопутствующего сварке подогрева. Обычно для хромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритных классов рекомендуется общий (пли иногда местный) подогрев до температуры 200—450° С. Температуру подогрева повышают с увеличением склонности к закалке (в основном с увеличением концентрации углерода в стали) и жесткости изделия. Однако возможно и даже предпочтительней не нагревать металл до температур, вызывающих повышение хрупкости, например в связи с синеломкостью, и ограничивать температуру сопутствующего сварке подогрева.

Так, для стали 08X13 такой температурой оказывается 100— 120° С. Соответственно могут быть ограничены и температуры подогрева для других сталей, например 12X13, 20X13. Верхний предел сопутствующего подогрева следует ограничивать переходом стали к отпускной хрупкости или синеломкости, т. е. температурой для различных сталей в интервале 200—250° С. При любом виде сопутствующего подогрева чрезвычайно опасны резкие охлаждения ветром или сквозняками, так как при этом весьма вероятно появление трещин.

Ни низкий, ни достаточно высокий подогрев не предохраняют от прохождения распада по мартенептному механизму. Поэтому в состоянии после сварки с характерным для этих условий быстрым охлаждением сварные соединения имеют высокую твердость и достаточно низкую вязкость (рис. 133). Сталь 08X13 при верх
нем пределе по углероду и нижнем по хрому приближается к сталям мартенситно-ферритного класса, но имеет все же более низкую твердость и более высокое значение ударной вязкости. Для сталей 20X13 и 12X13 ударная вязкость в основном металле вблизи шва падает с 8—18 до 1—3 кге-м/см2 соответственно.

Для улучшения структуры и свойств необходим высокий отпуск (рис. 134). Структура после отпуска характеризуется обычно сорбитом отпуска, с тем или иным количеством свободного феррита. Более высокие свойства получатся при почти полном и полном отсутствии в структуре свободного феррита. Однако термообработка не может проводиться вне временной связи со сварочной операцией. Если непосредственно после сварки остудить изделие до комнатных температур, то образуется структура мартенсита. Последующий ее высокий отпуск при термообработке

Сварка нержавейки

Внимание!
Информация собранна в разных источниках, в том числе из личного опыта сварщиков, монтажников и технологов.

В этой статье речь пойдёт только о популярных и ходовых марках стали. И без учёта требований ГОСТ так как по стандарту большую часть нержавеющих сплавов вообще нельзя варить. Например по ГОСТ 14771-76 варить нержавейку можно только дуговым способом в защитном газе.

Это отчасти верно и сталь AISI-304 сваривается лучше, чем AISI-430 (12Х17), но это не совсем так, 430 марку можно так же надёжно сваривать, как и любую другую при соблюдении определённой технологии и материалов.

AISI-430 относится к ферритным сплавам и не содержит никеля и при обычном способе сварки швы получаются хрупкими. Поэтому для устранения этого негативного факта её надо варить с высоколегированной присадочной проволокой и будет прочно, главное долго не перегревать, а также избегать резкого охлаждения металла и провести стабилизирующий отжиг.

Ферритные марки требующие соблюдение технологи сварки и сварочных материалов:
Хром в составе ухудшает качество шва.
AISI-409 (08Х13), содержание хрома 10,5-11,7%
AISI-430 (12Х17), содержание хрома 16,0-18,0%
AISI-439 (08Х17Т), содержание хрома 17,0-19,0%

Сварка аустенитных марок AISI-201/304/316/321

Свариваемость этих сплавов: легко сваривается разными видами сварки, гарантируя хорошее качество шва.
Электродами НИИ-48Г, ГС-1, ДС-12
Аргонно-дуговой сваркой на полуавтоматах проволокой 08Х20Н9Г7Т, 08Х21Н10Г6
Под флюсом АН-48 с использованием вышеуказанных сварочных материалов.
Испытания показали, что шов получается стойким к межкристаллической коррозии (МКК).

Для предупреждения образования в швах и околошовной зоне горячих трещин рекомендуется:
Следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать припой и сварочные материалы с минимальным содержанием (серы, фосфора, свинца, олова, висмута). Применение для сварки постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке покрытыми электродами следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах, предупреждая подсос воздуха, следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитных газов. Необходимо также принимать меры к удалению влаги из флюса и покрытия электродов, обеспечивая их необходимую прокалку.
Благоприятно и легирование швов повышенным количеством молибдена, марганца и вольфрама, подавляющих процесс образования горячих трещин.

Сварка ферритных марок AISI-409/430/439

В ферритных марках никель заменён на марганец это не способствует хорошей свариваемости.
При сварке хромистых ферритных сталей появляются определённые трудности. При нагревании до температуры 600…900° С хром, вступает в реакцию с углеродом, образовывая карбиды. Кристаллиты карбидов, находящиеся внутри металла, становятся причиной межкристаллитной коррозии, которая существенно ухудшает механические свойства стали.
Хром имеет свойство сильно окисляться. При окислении хрома образуются частые тугоплавкие окислы, которые, также, отрицательно влияют на свариваемость сталей этого типа.

Оптимально использовать дуговую сварку в инертных газах при соблюдении минимального энерговклада в свариваемый шов. Рекомендуется сварка «сверху» (то есть, когда свариваемая поверхность расположена ниже сварочного инструмента). В качестве присадочного материала можно использовать аустенитную проволоку 309Lsi( Cв-07Х25Н13, Св-08Х25Н13БТЮ) и т.п. Можно использовать электроды или присадочные проволоки на основе ферритной хромистой стали марки AISI 430.

Для того, чтобы гарантировать адекватную коррозионную стойкость необходимо убрать окалину и цвета побежалости травлением или механической обработкой щетками из нержавеющей стали и пропассивировать холодным 10-20% раствором азотной кислоты. Необходима последующая тщательная промывка холодной водой и сушка.

ферритные сплавы имеют достаточную свариваемость для многих «статических» применений. Однако шов может быть хрупким при газовой сварке (при нагревании происходит рост зерен в микроструктуре металла). Свойства усталости 430 AISI в сваренном состоянии низкие, и ее не рекомендует для применений, где используется растяжение, или другие воздействия.

Сварка стали AISI-304/430 видео

Технология сварки ферритных хромистых сталей

Сварку ферритных сталей выполняют с предварительным подогревом до температуры 300-400°C и последующим, после сварки, высоким отпуском (нагрев до температуры 650-750°C и последующее медленное охлаждение). Высокий отпуск необходим при сварке сталей этого класса для снятия внутренних напряжений и восстановления начальных механических свойств стали.

Для сварки ферритных, сталей, применяют электроды из сварочной проволоки следующих марок: Св-01Х19Н9, Св-04Х19Н9, Св-07Х25Н13 с покрытием, имеющем в своём составе плавиковый шпат и окись марганца. Применение этих электродов позволяет получить жидкий шлак, который хорошо растворяет окислы хрома. Рекомендуют следующие покрытия: ЦЛ-2, ЦТ, УОНИ-13/НЖ.

Для сварки ферритных, как и для большинства высоколегированных сталей, применяют постоянный ток обратной полярности, при малых сварочных токах. Величину тока определяют из следующей пропорции: 25-30 А на миллиметр диаметра электрода. И делается это из тех соображений, что большинство высоколегированных сталей при сварке легко перегреваются, т.к. обладают малой теплопроводностью.

Отожженная 430-я сталь является самой мягкой и податливой и может использоваться для холодной формовки. Диапазон температуры отжига 780°C сопровождается последующим охлаждением на воздухе.
Отпуск после сварки обычно не требуется, хотя 200-300°C — рекомендованный диапазон температуры отпуска.

Как обработать швы нержавейки после сварки

Способ травление
Эффективным методом обработки сварных швов является травление. Если правильно выполнить метод травления, то это позволит качественно устранить оксидный слой и зону с низким содержанием хрома. Обработка по этому методу выполнения путем покрытия, погружения или наружного нанесения пасты, все зависит от условий. В основном, при травлении используют смешанные кислоты (азотная кислота/плавиковая кислота) в пропорциях 8 – 20% азотной кислоты и 0,5 – 5% плавиковой кислоты, с добавлением H2O (вода). Время травления зависит не только от концентрации кислот, но и от температуры, сорта проката и толщины окалины (кислотоупорный прокат по сравнению с нержавеющим прокатом требует продолжительной обработки). После метода травления конструкция становится стойкой к воздействию коррозии.

Способ шлифовка и полировка (для поворотов перил)
Для него из инструментов вам потребуются болгарка и шлифовальные круги для нее с разной степенью зернистости, так как вся обработка делается последовательно в несколько заходов.

Сначала убираются все наплавы наиболее жестким материалом. Если сильных наплавов нет, можно сразу переходить к более мелкозернистым материалам.
Часть, которая будет шлифоваться, ограничивается клейкой алюминиевой лентой. Она прикрепляется к поверхности в несколько слоев, чтобы граница была заметнее.
Не заклеенная поверхность обрабатывается аккуратно, давить на инструмент не нужно.
Лента снимается, ею заклеивается обработанная часть, чтобы ограничить уже другую, для зачистки следующей зоны.
После каждой шлифовки поверхность промывается водой и вытирается насухо. Так продолжается, пока все круги, вплоть до самого мелкозернистого, не будут использованы. Обычно хватает трех кругов, с зернистостью 180, потом 320 и 600. Все заканчивается войлочным кругом, потом начинается процедура полировки.

Сначала шов зачищают диском с вулканитом, его можно надеть прямо на дрель. Это мягкий материал, похожий на резину, поэтому он не оставит царапин, но сможет повлиять на соединение и запилить его до наиболее ровного состояния.

После на обработанную поверхность наносится паста для полировки. Чтобы она правильно распределилась, шов нужно обработать другим кругом, войлочным, который тоже надевается на дрель. Делайте продольные движения по всему шву, чтобы паста распределилась равномерно. Размер круга подбирается в зависимости от величины и вида изделия, так как без маленьких кругов углы не обработать.

Полировочная обработка швов ведется до того момента, пока нержавейке после сварки не вернется ее зеркальный вид, а матовые пятна не исчезнут.

Шлифовка полировка сварного шва видео

Подготовка к сварке

Перед тем, как приступить к выполнению сварочных работ нужно провести предварительную подготовку стали. Края детали необходимо защитить от блеска, а так же произвести обезжиривание свариваемой поверхности с помощью органического растворителя, например ацетона.
Существует несколько способов, которыми можно воспользоваться, для получения качественного результата:
Ручная дуговая сварка (MMA). Рекомендуется использовать, если не предъявляется завышенных требований к качеству стыка. Главной проблемой будет подбор нужного электрода к конкретной марке стали. Самыми популярными вариантами электродов выступают карбонатные или рутиловые. В первом случае сварка осуществляется постоянным током, во втором — переменным.
Сварка неплавящимися вольфрамовыми электродами в инертной среде аргона (TIG). При данном виде сварки можно получить шов высокого качества, для этого будет нужно использовать высоколегированную проволоку.
Полуавтоматическая сварка в защитной среде инертных газов. Является преимущественным методом сварки, так как с помощью него можно работать с материалом различной толщины. В качестве среды чаще всего применяют смесь аргона и диоксида углерода. Процентное содержание последнего не советуется превышать более 2%, так как это может вызвать дефекты сварки.

Отдельные нюансы работы с нержавеющей сталью

Перед тем, как начать сварку, обратите внимание на следующие моменты:
Нержавеющая сталь обладает небольшим коэффициентом теплопроводности. Для того, чтобы избежать повышенное нагревание детали в районе шва, необходимо уменьшить сварочный ток на 25-30%.
При сварке осуществляется сильный нагрев электродов, такие условия их сильно изнашивают.
Если деталь достаточно толстая, зазор между швами нужно оставлять побольше, в противном случае возможно появление трещин.
Производить охлаждение швов желательно как можно быстрее, так как велика вероятности уменьшения антикоррозийных свойств металла.
При выборе метода сварки необходимо руководствоваться толщиной и маркой металла, а так же качеством ожидаемого результата.

FAQ сварка нержавейки

Какую нержавеющую сталь лучше выбрать для сварки?

Есть мнение, что разные сплавы нержавеющей стали имеют разную свариваемость и поэтому если планируются сварочные работы, то необходимо выбрать какую-то определённую марку нержавеющей стали, например AISI-304.
Это отчасти верно и сталь AISI-304 сваривается лучше, чем AISI-430, но это не совсем так, 430 марку можно так же надёжно сваривать, как и любую другую при соблюдении определённой технологии и материалов.

Чем лучше варить аустенитные марки?

Какие электроды лучше использовать для сварки ферритных сплавов?

Как обрабатывать швы нержавейки после сварки?

Есть два способа - химическое травление и механическая обработка.
При травлении используют смешанные кислоты (азотная кислота/плавиковая кислота) в пропорциях 8 – 20% азотной кислоты и 0,5 – 5% плавиковой кислоты, с добавлением H2O (вода).
При механической обработке шов шлифуется болгаркой, после наносится специальная паста и шлифуется войлоком до зеркального вида.

Читайте также: