Способы сварки сталей аустенитного класса

Специфика и основные нюансы технологии сваривания для нержавеющей стали аустенитного класса

Сталь аустенитного типа получила широкое распространение в энергетическом, химическом и машиностроительном производствах, благодаря своим химико-физическим показателям.

Аустенитные стали: состав и свойства

Аустенитная сталь – это металл, в который были добавлены хром и никель в процентном соотношении 18% и 10% соответственно. Из-за этого они еще известны под цифровой аббревиатурой 18-10.

Главное преимущество этого класса стали – коррозионностойкость, благодаря добавлению хрома. Наличие добавки хрома в количестве 18% делает сталь устойчивой ко многим окислительным средам (например, в азотной кислоте).

Добавление в сталь никеля в количестве 9-12% превращает материал в аустенитный класс. Этот процесс увеличивает практичность применения стали, а именно повышает пластичность и снижает вероятность к появлению зерна.

• жаростойкость;
• жаропрочность;
• криогенность;
• коррозионностойкость.

Вместо хрома и никеля в составе аустенитной стали могут быть другие добавки: ферритизаторы и аустенизаторы.

Сложности и их устранение при сварке аустенитной стали

Помимо преимущественных характеристик, данная сталь имеет определенные особенности, что влияет на сложность сварного процесса. В первую очередь, из-за того, что у аустенитной стали есть предрасположенность к формированию микроскопичных надрывов и трещин горячего типа. Локализация этих дефектов происходит в основном шве и околошовной зоне. Таким процессам способствует форма кристаллизации этого металла (ячеисто-дендритная).

Методики, устраняющие кристаллизацию аустенитной стали:

1. Снижение уровня проплавления металла с помощью материалов для сварки из электрошлакового переплава или вакуумной выплавки.
2. Увеличение легирующих добавок, таких, как бор, что дает возможность создать эвтектику.
3. Модификация кристаллизационной схемы сварных швов. Этот способ считается универсальным, т. к. он увеличивает степень растворимости легирующих добавок в первичном железе. Таким образом, существенно снижается вероятность возникновения горячих трещин.

Сварные соединения аустенитных сталей эксплуатируются при высоких температурах, поэтому они должны не изменять своих характеристик (жаростойкость). Выполнить это сложно в силу того, что в охлажденном сварочном шве происходит закрепление неравновесных структур. Это уменьшает пластические способности сварного соединения уже при температуре +350 о С. Также в сталях этого класса нередко возникают трещины в зоне вокруг шва.

Данные проблемы способна решить наплавка дополнительного металлического слоя двухфазной структуры, по составу непохожая на основной металл.

Длительная эксплуатация приводит к возникновению трещин и поврежденных участков – от этого избавляются аустенизацией при температуре +1100 о С и последующим самонаклёпом или стабилизирующим отжигом.

Технологии сварки

Для минимизации возникновения дефектов в дальнейшем процессе эксплуатации хромоникелевых сталей необходимо правильно подобрать оптимальный способ сваривания аустенитной стали.

Основные способы сварки аустенитной стали:

• ручная дуговая;
• электрошлаковая;
• в атмосфере защитных газов.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка представляет собой достаточно маневренный способ. Это сваривание происходит таким образом, чтобы химический состав оставался неизменным при разных пространственных положениях и возможных позициях соединений.

Важно рассчитать размер наплавленного металла и степень проплавления основного металлического слоя. Выполнить эти условия возможно, изменяя состав покрытия используемых электродов. Покрытие подбирают для того, чтобы в итоге в сварочном шве не было горячих трещин и присутствовал в необходимом количестве первичный феррит. Для этого часто используют электроды с содержанием фтора и кальция.

Оптимальные рекомендации для ручной дуговой сварки:

• ниточные швы с помощью электродов сечением 3 миллиметра;
• 60-90 минут прокаливать сварочные электроды при температуре от 250 о С до 400 о С (выполнить это необходимо перед началом сварки). Это препятствует возникновению пор в соединительном шве.

Подходящие электроды используют на постоянном токе и обязательно с обратной полярностью. На максимальном токе сварка выполняется в положении снизу. А если работа необходима в вертикальном или потолочном расположении, нужно брать силу тока на 10-30% меньше.

Электрошлаковая сварка

Технология выполнения работы электрошлаковой сваркой сама по себе минимизирует возможность образования горячих трещин.

Преимущества данной техники сварки:

1. Отсутствие существенных деформаций в угловой и стыковой областях.
2. Неспешная скорость движения нагревательного оборудования.
3. Мягкая кристаллизация сварочной ванны.

Схема электрошлаковой сварки

Для данного типа сварки используют электроды в форме пластин с толщиной от 6 до 20 мм или проволоку с толщиной 3 мм.

Сварка в атмосфере защитных газов

Сварка в атмосфере защитных газов позволяет выполнять работы на изделиях разнообразной толщины. В этой технологии положительно работают активные и инертные газы. Сварщик за счет разнообразия защитных газов самостоятельно выбирает условия ввода в металл необходимого количества тепла и может менять эффективность электродуги.

Данный способ сваривания можно осуществлять в любом положении. Благодаря этому преимуществу такую сварку часто используют вместо дугового процесса, особенно если защитная среда создается с помощью аргона или гелия.

Для этого типа работы характерно использование вольфрамовых или плавящихся электродов. Они отлично подходят для изделий в 5-7 мм.

Сварка выполняется импульсной или горящей дугой. Оптимальнее использование первого вида, т. к. при импульсной работе снижается искажение конфигурации кромок, а также уменьшается длина околошовной зоны.

Вольфрамовые электроды можно использовать как с присадочным материалом, так и без него. Это зависит от толщины соединяемого места и конструкции детали.

Работа происходит на постоянном токе с прямой полярностью (в ручном или автоматическом режиме). Но следует помнить, что автоматическое сваривание нержавеющих сталей с высоким объемом алюминия выполняют, используя только переменный ток.

Для активных газов и смеси из газов применяются плавящиеся электроды. Стержни такого типа способствуют высокому качеству работы при использовании их в импульсно-дуговой сварке. Данная техника выполняется в смеси кислорода, углекислого газа и аргона, а также в чистом виде аргона.

Источник

Сварка аустенитных сталей. Свариваемость аустенитных сталей

Сварка аустенитных сталей очень сильно отличается от сварки ферритных сталей, имеющих более низкое содержание Cr и от сварки мартенситных сталей, хотя все они относятся к классу высоколегированных сталей. Свариваемость аустенитных сталей очень хорошая, предварительного подогрева и последующей термообработки не требуется. Как правило, они не склонны к образованию холодных трещин и горячих трещин при сварке, но это свойство касается самих сталей и не распространяется на сварные швы.

Аустенитные стали содержат в своём составе 17% Cr и больше. У таких сталей гораздо выше удлинение, вязкость и параметры перехода в хрупкое состояние. В отожжённом состоянии у них высокий показатель текучести и, при необходимости, эти стали можно упрочнять с деформацией, не опасаясь охрупчивания.

Основные марки и химический состав аустенитных сталей для сварки

К основным маркам свариваемых аустенитных сталей, согласно российским стандартам, относятся: 12Х17, 15Х6СЮ, 10Х13СЮ, 15Х11МФ, 15Х25Т, 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х21Н5Т, 20Х25Н20С2, 08Х17Н13М2Т, 08Х17Н15М3Т, 10Х17Н13М2Т, 17Х18М9, 12Х21Н5Т, 12Х17Г9АН4. Кроме вышеперечисленных марок, существуют ещё аустенитные стали и сплавы, но их сварка затрудняется, из-за их специальных свойств.

Влияние химического состава на свариваемость аустенитных сталей

Основной тип аустенитных хромоникелевых сталей — это Х18Н10. Структура подобных сталей аустенитная, с некоторым включением дельта-феррита (около 2-7%). При содержании никеля, в количестве около 8%, аустенит частично преобразовывается в мартенсит при комнатной температуре, если сталь подвергают пластической деформации.

Жаропрочные аустенитные стали содержат в своём составе до 25% хрома, а содержание никеля может достигать 38%. Жаропрочность стали увеличивают, легируя сталь кремнием (около 1%), или алюминия.

Структуру металла сварных швов в аустенитных сталях представлена на диаграмме Шеффлера. На диаграмме видна зависимость структуры металла от эквивалентов хрома и никеля. Но, кроме элементов, указанных в диаграмме, в выражение для расчёта эквивалента никеля можно процентное содержание меди с коэффициентов 0,6 и азота с коэффициентом 10-30. А в формулу для расчёта эквивалента хрома коэффициент процентного содержания вольфрама — 0,5 и титана — 2-5.

Диаграмма Шеффлера прменяют, обычно, для условий ручной дуговой сварки. При использовании других видов сварки структура металла сварных швов может отличаться от той, которая показана на диаграмме.

Основной задачей для обеспечения качества сварки является предотвращение образования холодных и горячих трещин. Опытным путём было установлено, что склонность металла сварного шва зависит от содержания феррита в стали. При содержании феррита в пределах 2-6% риск развития трещин существенно снижается.

Исследователь Делонг усовершенствовал диаграмму Шеффлера. Но содержание ферритной составляющей существенно изменяется при учёте процентного содержания азота с коэффициентом 30. Это необходимо учитывать для всех видов сварки металлов (сварка в защитных газах, сварка плавящимся электродом и неплавящимся). Поэтому, диаграмау Делонга также нельзя считать абсолютной.

Для оценки примерного содержания феррита Сефериан вывел следующее выражение: х=3*(Cr экв — 0,93Ni экв — 6,7), %

Присутствие нужного количества феррита (2-6%) позволяет решить вопрос отсутствия трещин при сварке аустенитных сталей. Но, вместе с тем, феррит понижает удлинение металла шва, снижает вязкость, повышает температуру перехода и отрицательно действует на коррозионную стойкость.

В наплавленном металле, кроме микротрещин могут образовываться и другие виды дефектов сварных швов. И связаны они с тем, что сульфиды и окислы, имеющиеся в составе стали, не могут всплыть на поверхность жидкой сварочной ванны из-за её высокой вязкости. Поэтому, для снижения вязкости расплавленного металла рекомендуется легировать сталь кремнием в количество 0,3-0,7%.

Но, если содержание кремния будет выше указанного предела, то риск возникновения трещин опять возрастает. Аналогичным образов влияет и марганец, хотя и в гораздо меньшем масштабе. Кроме всего вышеперечисленного, аустенитные хромоникелевые стали, с повышенным содержанием углерода, при сварке, склонны к отпускным трещинам.

Структурные изменения в металле при сварке аустенитных хромистых сталей

При сварке аустенитных сталей в зоне нагрева происходит рост зёрен. И происходит он более плавно, по сравнению с нелегированными конструкционными сталями. Но, если присутствует препятствие для этого в виде карбидной фазы, то рост зёрен в зоне термического влияния не происходит.

В зоне перегрева, помимо роста зёрен, растворяется карбидная фаза, в большинстве своём, это карбид Cr 23 C 6 . Кроме карбидов хрома образуются также карбиды других, стабилизирующих металлов — титана, ниобия и ванадия. Кроме карбидов Cr 23 C 6 появляются нитриды хрома Cr 2 N и карбиды Cr 7 C 3 . Растворение части карбидов приводит к тому, что по границам зёрен формируются тонкие плёнки этих карбидов. Из-за этого сталь сильно подвержена межкристаллитной коррозии.

Этих превращений можно избежать при стабилизации стали. Но в случае применения таких видов сварки, как электрошлаковая сварки, или же сварка под флюсом (высокопроизводительная), даже стабилизация не решает проблему межкристаллитной коррозии.

Повысить прочность металла сварных швов можно с помощью добавления небольшого количества азота.

Подогрев и термообработка при сварке аустенитной стали

При сварке аустенитных сталей, предварительный подогрев, с точки зрения структурных превращений, применять не обязательно. Но, в некоторых случаях, применяют подогрев до температуры 200°С с целью уменьшить внутренние напряжения.

Величина остаточных напряжений у таких сталей достаточно большая, из-за этого возникает риск коррозионного разрушения стали. Для того, чтобы этого избежать, выполняют термообработку сварных соединений.

В случае, если необходимо только уменьшить величину внутренних напряжений, то выбирают температуру отпуска 800-850°C. Если сварные соединения контактируют со средой, которая способствует формированию межкристаллитной коррозии, то уместным будет выполнение отжига при температуре 950-1050°C. Отжиг способствует растворению карбидных плёнок.

При выполнении термообработки нужно учитывать, что стали типа Х18Н8, Х18Н8М2, Х18Н8Т, Х18Н9Б, Х25Н12, Х25Н20 имеют склонность к формированию отпускных трещин.

Газовая сварка аустенитных сталей

При газовой сварке аустенитных сталей рекомендуется выбирать ацетиленокислородное сварочное пламя мощностью 70-75 л/ч из расчёта на 1мм свариваемой толщины. Не рекомендуется применять окислительный вид сварочного пламени, т.к. при его применении сильно выгорает хром. Сварочная проволока для газовой сварки аустенитных сталей рекомендуется следующих марок: Св-02Х19Н9Т, Св-08Х19Н10Б. Также применяют другие марки проволоки с низким содержанием углерода, легированные титаном или ниобием. При сварке тонкого металла (1-6мм), диаметр проволоки выбирают равным диаметру основного металла.

Часто применяют флюсы для газовой сварки, например, флюс марки НЖ-8. Компоненты флюса замешаны на жидком стекле и наносятся на сварные кромки изделия. Процесс сварки выполняют после полного высыхания флюса.

Сварку аустенитных сталей можно выполнять любыми способами сварки, без ограничения. Состав присадочных материалов обычно выбирают аналогичным составу свариваемых сталей. Если требования к показателям коррозионной стойкости высокие, то уместным будет применение присадочного материала, не содержащего ферритной основы.

Источник