Технология сварки труб из высоколегированных 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

Особенности сварки труб из аустенитных сталей

13.1. Требования раздела 13 распространяются на ручную дуговую, ручную и автоматическую аргонодуговую и комбинированную сварку стыков пароперегревательных и других труб малого диаметра (менее 100 мм) со стенкой толщиной до 10 мм из аустенитных сталей марок 12Х18Н12Т, 12Х18Н10Т, 10Х13Г12БС2Н2Д2 (ДИ 59)*(10).

Для стыков труб с толщиной стенки до 5 мм предпочтительнее ручная аргонодуговая сварка, с большей толщиной — комбинированная или ручная дуговая электродом диаметром 2,5-3,0 мм.

Аргонодуговую сварку корневой части шва следует производить с поддувом аргона внутрь трубы или с использованием флюс-пасты в соответствии с требованиями п.9.1.12.

13.2. Сварка стыков труб из аустенитных сталей должна производиться с минимальным тепловложением. С этой целью следует:

ручную дуговую сварку выполнять электродами диаметром не более 3 мм, при этом сила тока должна быть для электродов диаметром 2,5 мм 60-75 А, диаметром 3 мм — 80-90 А;

ручную аргонодуговую сварку выполнять вольфрамовым электродом диаметром 2-3 мм при токе 70-100 А;

ручную дуговую сварку вести почти без поперечных колебаний электрода узкими валиками шириной не более трех диаметров электрода; при диаметре электрода 2,5 мм высота валика должна быть 2,5-4 мм, при диаметре электрода 3 мм высота валика — 3-5 мм;

при ручной аргонодуговой сварке валики накладывать шириной не более 6 мм, а высотой не более 3 мм;

при выполнении многопроходных швов наложение каждого последующего валика производить только после остывания металла шва и околошовной зоны (по 20-25 мм в каждую сторону от кромки разделки) до температуры ниже 100°С.

13.3. Приварка к трубам из аустенитных сталей сборочных приспособлений и других временных вспомогательных деталей, в том числе сварочного провода, не допускается (исключение составляет случай, оговоренный в п.6.2.3).

Вторичный провод к трубе следует присоединять с помощью хомута или струбцины.

13.4. Во избежание образования мелких поверхностных трещин нельзя допускать попадания на поверхность труб из аустенитных сталей брызг расплавленного металла или шлака. С этой целью поверхности свариваемых труб необходимо на длине не менее 100 мм от свариваемого стыка покрывать асбестовой тканью или асбестовым картоном либо наносить слой эмульсии КБЖ*(11), или смеси каолина (мела) с жидким стеклом, либо препарата «Дуга-1».

13.5. Конструкция сварного соединения должна соответствовать типу Тр-1 или Тр-2 (см. табл.6.2).

13.6. Оборудование поста ручной аргонодуговой сварки должно отвечать требованиям, изложенным в п.8.1.2, поста автоматической аргонодуговой сварки — в пп.9.1.2-9.1.4.

13.7. Марка электродов для ручной сварки и марка присадочной проволоки для ручной и автоматической аргонодуговой сварки подбираются в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.4.1 и 4.4. Диаметр проволоки для ручной аргонодуговой сварки должен быть 1,6-2 мм.

13.8. При сборке стыков труб необходимо выполнять требования подраздела 6.2.

13.9. Собранный в приспособлении стык должен быть прихвачен в одном или двух местах с соблюдением требований, изложенных в подразделе 6.3. Если вертикальный стык прихватывается в одном месте, то прихватка располагается в верхней его части, если в двух, то на вертикальных его участках в диаметрально противоположных точках; на горизонтальном стыке прихватки могут располагаться в любом месте, но в диаметрально противоположных точках окружности стыка.

Для наложения прихваточных швов ручным дуговым способом должны использоваться электроды той же марки, какие будут применены для сварки стыка. Прихватку аргонодуговым способом следует выполнять без присадочной проволоки; присадочная проволока применяется только в случае, если зазор в стыке превышает 0,5 мм.

13.10. При закреплении стыка одной прихваткой необходимо сразу после прихватки заварить корневой слой по всему периметру, начиная сварку со стороны, противоположной прихватке.

13.11. Ручная аргонодуговая сварка корневого слоя может выполняться с присадочной проволокой или без нее. При зазоре в стыке более 0,5 мм необходимо применять присадочную проволоку диаметром 1,6-2 мм.

13.12. Последовательность наложения слоев и валиков и их расположение в сечении шва должно быть таким же, как при сварке труб аналогичных размеров из углеродистой и низколегированной стали (см. подразделы 7.2 и 8.1).

Источник

Особенности технологий сварки легированных, аустенитных и жаропрочных сталей

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.

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.

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).

Термическая обработка сплавов

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

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.

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).

Трещины в сварном соединении

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.

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:

• АН-292, АНФ-7, АНФ-Ш, АН-26, АНФ-8 – для соединения конструкций из жаростойких и жаропрочных сплавов;
• АНФ-14, АНФ-6, 48-ОФ-6 – для сварки сталей с высокими антикоррозионными свойствами.

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.

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.

Ручная дуговая сварка

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.

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.

Соединение конструкций в защитной газовой атмосфере

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.

Плавящиеся сварочные стержни

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.

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.

Сваривание сталей под флюсом

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.

Бористый фторидный флюс АНФ-22 рекомендуется применять в тех случаях, когда есть высокая вероятность возникновения в процессе сварки трещин. А нейтральные составы типа 48-ОФ-Ю либо АНФ-5 идеально годятся для проведения сварочной операции с использованием проволок, в которые входит бор, титан или алюминий.

Флюсы для проведения сварочной операции

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.

Особенности сварки аустенитных сталей

Основные трудности сварки рассматриваемых сталей и сплавов обусловлены многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Главной и общей особенностью сварки является склонюсть к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер.

Они могут наблюдаться как в виде мельчайших микро-надрывов, так и видимых трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах.

Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжений усадки.

Металлу сварных швов свойственны ячеисто-дендритные формы кристаллизации, что приводит к образованию крупных столбчатых кристаллов и обогащению междендритных участков примесями, образующими легкоплавкие фазы. В аустенитных швах столбчатая структура выражена наиболее четко.

Применение методов, способствующих измельчению кристаллов и устранению столбчатой структуры, повышает стойкость швов против образования горячих трещин. Одним из таких методов является получение швов, имеющих в структуре некоторое количество первичного δ-феррита.

Положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах на предупреждение образования в них горячих трещин связано с изменением схемы кристаллизации и большей растворимостью в нем ликвирующих примесей. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного δ-феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т. е.

к уменьшению сечения столбчатых кристаллов, разделенных участками первичного δ-феррита. В результате вероятность образования горячих трещин по местам расположения жидких прослоек уменьшается. Получение аустенитноферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами, такими как хром, кремний, алюминий, молибден и др.

В изделиях, Работающих как коррозионно-стойкие при температурах до 400° С., допукается содержание феррита до 20–25%. В изделиях из жаропрочных и жаростойких сталей, работающих при более высоких температурах, с целью предупреждения сигматизации количество δ-феррита в швах ограничивают 4 – 5%.

В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитноферритной структурой затруднено. Возможность предотвращения в них горячих трещин достигается ограничением содержания в швах примесей, образующих легкоплавкие эвтектики (фосфора, серы).

для этого применяют сварочные материалы, изготовленные из сталей вакуумной выплавки или электрошлакового переплава, и ограничивают проплавление основного металла.

В некоторых случаях можно улучшить стойкость швов против горячих трещин повышением содержания ликвирующих примесей до концентраций, обеспечивающих получение на завершающих стадиях кристаллизации обильной эвтектики на поверхности кристаллитов, например при легировании стали бором (0,3 – 1,5%).

При этом уменьшаются деформации, накапливаемые в металле шва к концу кристаллизации, вследствие понижения верхней температуры эффективного интервала кристаллизации. Снижение действия силового фактора (ограничением тока, заполнением разделки валиками небольшого сечения, рациональной конструкцией соединения и др.) также является фактором предупреждения горячих трещин.

Кроме сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин, имеются и другие особенности сварки, обусловленные особенностями их использования.

К сварным соединениям жаропрочных сталей предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения при сварке приводят к фиксации неравновесных структур в металле шва.

В процессе эксплуатации при температурах выше 350°С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые структурные составляющие, приводящие к снижению пластических свойств металла шва.

Термическое старение при 350 – 500°С вызывает появление «475-градусной хрупкости», а при 500 – 650°С приводит к выпадению карбидов и одновременно к образованию σ- фазы.

Выдержка при 700 – 850°С интенсифицирует образование σ-фазы с соответствующим сильным охрупчиванием металла при более низких температурах и снижением прочности при высоких температурах. При этом возрастает роль и интерметаллидного упрочнения. В процессах теплового старения аустенитных сталей ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения, поэтому для уменьшения склонности сварных соединений жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате выпадения карбидов эффективно снижать содержание углерода в основном металле и металле шва.

В околошовной зоне некоторых жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин.

Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повышенной концентрации в металле околошовной зоны поверхностно-активных элементов (углерода, кислорода и др.

), которые совместно с другими примесями могут образовывать легкоплавкие эвтектики и в конечном итоге обусловливать появление горячих трещин. Кроме того, при длительной эксплуатации в этой зоне могут выделяться мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды.

Образование непрерывной прослойки карбидов и интерметаллидов по границам зерен приводит к охрупчиванию шва. При сварке этих сталей для предупреждения горячих трещин в шве часто получают наплавленный металл, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру.

Однако в процессе высокотемпературной эксплуатации происходит карбидное и интерметаллидное упрочнение такого наплавленного металла и соответствующее снижение его пластических свойств, что приводит к локализации в околошовной зоне деформаций и образованию в ней трещин.

Этому способствуют и значительные остаточные сварочные напряжения, а также рабочие напряжения. Предотвращение подобных локальных разрушений достигается термической обработкой: аустенизацией при 1050 – 1100°С для снятия остаточных сварочных напряжений, самонаклепа и придания сварному соединению более однородных свойств. В некоторых случаях аустенизация сопровождается последующим стабилизирующим отжигом при 750 – 800°С для получения относительно стабильных структур в результате выпадения карбидной и интерметаллидной фаз.

Локальные разрушения характерны для участка перегрева околошовной зоны и являются межкристаллическими разрушениями вследствие концентрации деформаций по границам зерен и развития процессов межзеренного проскальзывания.

Упрочнение границ зерен стали типа Х16Н9М2 за счет молибдена, образующего карбиды по границам зерен, а также уменьшение содержания углерода (до 0,02%) или увеличение содержания бора до 0,5% в сталях 1Х15Н24В4Т (ЭП164) и 1Х14Н14В2М (ЭИ257) соответственно повышает сопротивляемость сталей локальным разрушениям (табл. 1).

другим средством снижения склонности к локальным разрушениям является получение более пластичного металла шва.

Таблица 1. Сопротивление локальным разрушениям металла околошовной зоны ряда жаропрочных аустенитных сталей

При сварке высокопрочных сталей в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется произвести их аустенизацию для получения высоких пластических свойств металла, а упрочняющую термическую обработку проводить после сварки. Предварительный и сопутствующий нагрев до 350 – 450°С также уменьшает опасность образования холодных трещин.

При сварке жаростойких сталей под действием нагрева в металле швов могут наблюдаться такие же структурные изменения, как и при сварке жаропрочных сталей.

Большинство жаростойких сталей и сплавов имеют большой запас аустенитности и поэтому при сварке не претерпевают фазовых превращений, кроме карбидного и интерметаллидного дисперсионного твердения.

На этих сталях также возможно образование холодных трещин в шве и околошовной зоне, предупреждение которых в некоторых случаях может быть достигнуто предварительным нагревом до 250 – 550°С.

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основным требованием, которое предъявляется к сварным соединениям, является стойкость к различным видам коррозии.

Межкристаллитная и ножевая коррозия аустенитных сталей

Сварка жаропрочных сталей и сплавов: обеспечьте качественный крепеж

Представляя особую категорию, жаропрочные сплавы, среди которых при сварке используются и аустенитные материалы, нержавейка – все это требует тщательного подбора марок электродов. Правильно подобранные элементы помогут:

• Более качественно и аккуратно провести сборку всей конструкции.
• Обеспечить гарантированную долговечность сварного крепежа без трещин и разрывов.
• Прочно скреплять не только нержавейку, но и подслои.

Если интересует сварка жаропрочных сталей и сплавов – обратите особое внимание на то, что нержавейка может скрепляться как с низколегированным металлом, так и с нелегированными основами.

Качественно сваривая слои и подслои, мастера часто используют более совершенную термомеханическую технологию, покрывая всевозможные металлические изделия слоями других металлов.

Это называется плакированием, что проводится при сборке: металлических плит, листов, труб и проволоки.

Не везде можно использовать горячий прокат или прессование. Могут возникать трудности, когда в техпроцессе участвует жаропрочные сплавы или нержавеющая сталь.

Возникающие трудности при сварке

Представляя собой композиции, выполняемые на базе железа, жаропрочные стали, и сплавы отличаются большим количеством легирующих элементов. По общему объему такие добавки могут составлять предел 65%.

Чтобы сварка жаропрочной нержавеющей стали была проведена на самом высоком уровне, необходимо знать особые нюансы о работе с этим сплавом. Под жаропрочностью понимают устойчивость нержавейки к процессам разрушения, проходящим под высокой температурой воздействия.

Но это свойство зависит не только от выбранного режима температур, а и от временных факторов. При разрушениях особо прочного металла или сплава, когда наблюдается длительное высокотемпературное нагружение – это характеризуется диффузионной природой, где развивается дислокационная ползучесть.

В целях предотвратить ползучесть и обеспечить требуемый уровень жаропрочности нержавейки, принято использовать несколько способов.

Среди основных способов, предотвращающих ползучесть, увеличивающих жаропрочность железных сплавов, различают:

• Формирование дисперсных термостойких барьеров. Такие включения предотвратят скольжение дислокаций и их переползание на свободные места. В работе используют как интерметаллиды, так и карбиды. Жаропрочные стали принято различать на подкатегории – гетерогенные и гомогенные, что не подвержены термическому упрочнению, а также на упрочняемые в процессе термообработки.
• Подвижность вакансий, где проводят легирование, повышая технические характеристики γ-твердого раствора при помощи вольфрама, молибдена или других элементов.

Жаропрочные и жаростойкие сплавы из разряда жаростойкой нержавейки и аустенитной стали, не подвержены преобразованиям как при нагревании, так и при охлаждении.

Для упрочнения аустенитных сталей термическая обработка неприменима!

Жаростойкость и повышенную антикоррозионную стойкость таким сплавам обеспечивает хром. Благодаря наличию никеля, стабилизируется вся структура, увеличиваются показатели жаропрочности, технологичности и пластичности. Это способствует широкому применению аустенитной стали, используемой как универсальный конструкционный материал.

Отличаясь повышенной устойчивостью к коррозии, выделяясь жаро- и хладостойкостью, аустенитные сплавы применяют для сварки не только в условиях высоких и низких температур, но и при надежном монтаже в агрессивной среде.

Технология сварки

Выполняемая сварка жаропрочных сталей и сплавов чаще проходит с применением дуговой сварки, где применяются вольфрамовые электроды и среда защитных газов.

Процесс сборки конструкций проходит как в аргоне, так и с использование гелия.

Может выполняться не только ручная аргонодуговая сварка, но и более продуктивный способ, при использовании механизированной аргонодуговой сварки, где заранее приобретаются как плавящиеся, так и неплавящиеся электроды.

Для аустенитных сплавов и нержавейки, принято проводить и автоматическую сварку под флюсом. Стали из категории аустенитных (тип 18-8) свариваются достаточно прочно и без проблем.

Занимаясь подготовкой к сварке деталей из этих материалов, рекомендуется провести технологические операции, что применимы при подготовительных операциях, когда планируется сварка легированных или углеродистых сплавов.

Сложность этой разновидности крепежа обусловлена выраженной склонностью к накоплениям в околошовном секторе и в самом сварном шве, трещин, что могут сопровождаться микронадрывами. Дефект может возникнуть в сплавах, отличающихся крупной зернистостью макроструктур.

Сварные соединения аустенитных композиций выделяются спецификой кристаллизации и представляют ячеисто-дендритную структуру.

Это может повлечь к формированию достаточно массивных кристаллов (столбчатый тип).

В целях повышения уровня стойкости сварных швов, рекомендовано при помощи совершенных технологий, быстро устранять дефектные структуры на металлах и сплавах. Применяемые методики помогают:

• Эффективно измельчать кристаллы.
• Уменьшить в металле удельный вес фосфора и серы.
• Устранять горячие трещины при снижении глубины проплавляемого металла.

Для сварки использую материалы, что производят из стали с электрошлаковым переплавом или вакуумной выплавкой.

В целях уменьшения образующихся трещин – повышают легирующие добавки (бромом) до показателей, что обеспечат кристаллиты с обильной эвтектикой. Более универсальный способ в снижении образования трещин – это модификация швов.

Ее выполняют с применением добавок, в которые входят легирующие компоненты. Кроме молибдена и хрома, применяется кремний и алюминий.

Какие лучше выбирать электроды для сварки: работы с жаропрочными сплавами и нержавеющей сталью?

Выбор электродов зависит от специфики самого соединения, используемых сплавов и нержавейки.

Если планируется сварка жаропрочной нержавеющей стали – рекомендуется ознакомиться с приведенной выше таблицей и выбирать вольфрамовые электроды плавающего типа.

В ней указаны марки электродов, что приобретаются для более качественного монтажа посредством сварки инвертором. Имея сварочный аппарат, ознакомившись с особенностями сборки, уровнем сложности конструкции, сможете правильно подобрать электроды.

Нержавейку в форме труб применяют для транспортировки газов и жидкой структуры. Работа под нагрузкой для более прочного и долговечного монтажа нержавеющей трубы, обязывает пользоваться современным инвертором. В такой сварке нержавеющих секций применяется специальная проволока, характеризующаяся высокими показателями легирования.

Инверторную сварку осуществляют с положительной полярностью (постоянный или переменный ток). Легированная основа выполняет функции присадки. Сварку под флюсом используют для сборных конструкций при толщине стенки от 2 мм и до 60, а вот плазменную пайку для нержавейки рекомендовано практически для любых конструкций (без исключений).

Технология сварки высоколегированных (нержавеющих) и жаропрочных сталей и сплавов

Температура плавления стали типа 18-8 составляет 1475°С. Такие стали широко применяются в пищевой, химической, авиационно-космической, электротехнической промышленности

Высоколегированные стали

Трудности при сварке

Защитный газ необходимо предварительно просушить или добавить к нему 2-5% кислорода. Это обеспечит плотность шва.

Нужно поддерживать самую короткую дугу и добиваться получения шва с низким коэффициентом формы (отношением ширины шва к его толщине). Иначе в металле шва и околошовной зоны появятся горячие (кристаллизационные) трещины.

После сварки металл должен как можно быстрее остыть. Для этого используют медные, охлаждаемые водой, подкладки; промежуточное остывание слоев; охлаждение швов водой. Эго повысит коррозионную стойкость сварного соединения.

Подготовка к сварке

Кромки стыкуемых деталей из высоколегированных сталей лучше подготавливать механическим способом. Однако допускаются плазменная, электродуговая, газофлюсовая или воздушно-дуговая резка. При огневых способах резки обязательна механическая обработка кромок на глубину 2-3 мм

КОНСТРУКТИВНЫЕ РАЗМЕРЫ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Снимать фаску для получения скоса кромки можно только механическим способом. Перед сборкой свариваемые кромки защищают от окалины и загрязнений на ширину не менее 20 мм снаружи и изнутри, после чего обезжиривают.

Сборку стыков выполняют либо в инвентарных приспособлениях, либо с помощью прихваток. При этом необходимо учесть возможную усадку металла шва в процессе сварки.

Ставить прихватки в местах пересечения швов нельзя. К качеству прихваток предъявляются те же требования, что и к основному сварному шву. Прихватки с недопустимыми дефектами (горячие трещины, поры и т.д.

) следует удалить механическим способом.

Выбор параметров режима. Основные рекомендации те же, что при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Главная особенность сварки высоколегированных сталей – минимизация погонной энергии, вводимой в основной металл. Это достигается соблюдением следующих условий:

• короткая сварочная дуга;
• отсутствие поперечных колебаний горелки;
• максимально допустимая скорость сварки без перерывов и повторного нагрева одного и того же участка;
• минимально возможные токовые режимы.

Техника сварки. Основное правило: поддерживать короткую дугу, поскольку при этом расплавленный металл лучше защищен газом от воздуха. При сварке в аргоне W-электродом подавать присадочную проволоку в зону горения дуги следует равномерно, чтобы не допускать брызг расплавленного металла, которые, попадая на основной металл, могут вызвать очаги коррозии.

В начале сварки горелкой подогревают кромки и присадочную проволоку. После образования сварочной ванны выполняют сварку, равномерно перемещая горелку по стыку.

Необходимо следить за глубиной проплавления, отсутствием непровара.

По форме расплавленного металла сварочной ванны определяют качество проплавления: хорошее (ванна вытянута по направлению сварки) или недостаточное (ванна круглая или овальная)

Короткая дуга, сварка углом вперед, «ниточные» швы – все это обеспечивает получение швов с повышенной сопротивляемостью образованию горячих трещин. Значение сварочного тока уточняют при сварке пробных стыков

Окисленный конец проволоки удаляют кусачками или пассатижами

Сварка аустенитных сталей

Особенности сварки высоколегированных типов сталей, зависит прежде всего от количественного содержания в сплаве Cr.

Один из типов таких легированных сталей – аустенитные стали, имеют составляющую Cr, начиная от 17%, что делает эти марки сталей очень удобными для проведения сварочных работ.

Тем более что такие специфические качественные показатели, как удлинение, коэффициент вязкости и показатели при которых сталь теряет свои качества и начинает становиться хрупкой намного выше, чем у других представителей класса высоколегированных сталей – ферритных и мартенситных видов.

Рассматривая процесс сварки в аустенитных сплавах, нужно отметить, что в практическом рассмотрении они более приспособлены к сварочным работам поскольку не требуют дополнительной подготовки и обработки, а кроме этого сварочный шов в таких видах сталей не имеет тенденции к образованию трещин ни в процессе сварочных работ (горячих трещин) ни в обычном состоянии (холодных трещин).

Сортамент марок сталей аустенитного класса и их состав

Основной список марок сталей аустенитного класса поддающихся свариванию содержит стали марки серии 12Х…, 15Х…, но чаще всего используемая марка аустенитной стали с включением хромоникелевого компонента – Х18Н10.

Характеристики этого вида сталей зависят от многих факторов, каждый из которых по-своему влияет на качества сварочного шва и свойства стали в целом. 8% содержания никеля при пластической деформации стали преобразовывается в мартенсит уже при обычной комнатной температуре +21+23 градуса.

Жаропрочность таких сталей достигается достижением около 25% хрома в составе сплава, при этом никельсодержащая часть может достигнуть и 38% от общей массы.

При проведении сварочных работ необходимо понимать, что легирование этого сорта сталей производится внесением с компонент кремния или алюминия в доле около 1% массы.

Характеристики сварных швов в зависимости от содержания хрома и никеля определяются чаще всего по диаграмме Шеффлера. Это универсальная диаграмма для расчета сварных швов электродуговой сваркой.

Особенностью работы с графиком является возможность применения, кроме имеющихся коэффициентов дополнительных методов, например, использование в качестве расчетного эквивалента показателя содержания меди (коэф. 0,6) или азота применимого в пределах коэффициента 10-30 единиц.

Дополнительно можно использовать и другие коэффициенты, например, вольфрама – 0,5 или титана 2-5.

Использование в расчетах диаграмма Шеффлера применимо в основном к ручной дуговой сварке, поскольку изменения структуры сварного шва при других методах соединения, например, с использование газосварочного метода или пайки в диаграмме попросту не отображается.

Однако дуговая сварка аустенитных сталей характеризуемая качеством сварного шва и образования разрывов в виде трещин, как горячего, так и холодного периодов во многом соответствует данному графику и зависит от доли содержания феррита.

Повышение, ферритной составляющей в сварном шве от 2 до 6 %, обеспечивает существенное снижение вероятности образования трещин в швах.

Такие положительные качества присутствия феррита, с одной стороны, имеют и весьма негативные последствия – снижения вязкости металла соединения, увеличивает температуру и снижает коррозийную стойкость к основным факторам воздействия.

Особенностью наплавленного шва, когда в процессе сварки вязкость сварочной ванны будет особенно высокой, может проходить образование микротрещин, разрывов, отслоений и других видов дефектов сварочного шва.

Возможность устранения этих дефектов возможна применения легирования кремнием, с содержанием 0,3-0,7%.

Данный интервал позволяет избежать растрескивания шва, но необходимость четко придерживаться данного коридора значений вызвана тем, что при превышении этого значения происходит резкое увеличение процессов образования трещин.

По аналогии с кремнием, также влияет на сварочный шов и марганец, правда нужно отметить, что появление трещин оказывается намного меньше. Одной из особенностей аустенитных сталей хромоникелевого состава выступает специфические деформации сварного шва при остывании – отпускные трещины возникают при остывании места соединения в связи с высоким содержанием углерода в стали.

Особенности изменения структуры металла в процессе сварки аустенитных сталей

Особенностью дуговой сварки аустенитных сталей с содержанием хрома выступает увеличение объема зерен. Этот процесс протекает равномерно постепенно увеличивающиеся зерна в отличие от нелегированных марок конструкционных сталей. Естественным препятствием этого процесса выступает карбидная фаза сварки, во время которой рост зерен не проходит.

Карбидная фаза, растворение которой происходит в зоне перегрева, образует карбиды двух видов – карбид хрома Cr23C6 и карбид титана, образование других видов карбидов, например, ниобия и ванадия проходит несколько в меньшей степени.

Кроме карбидов в зоне появляются и нитриды Cr2N. В химическом плане, растворение небольшого количества этих соединений выливается в образовании пленки из растворенных карбидов по границе зерен.

Впоследствии эти процессы выступают как места образования очагов внутренней межкристаллитной коррозии.

Решить проблему коррозии можно путем стабилизации стали, но даже в случае применения отдельных видов сварки, таких, как сварка под флюсом или электрошлаковая сварка стабилизация стали не спасет от проявления коррозии. Единственным способом повысить прочность сварного шва при дуговой сварке аустенитных сталей выступает применения азота при сварке.

Способы термообработки свариваемых аустенитных сталей

Чаще всего для снятия внутренних напряжений перед сваркой применяется в качестве одного из методов обработки прогрев стали до 200°С. Прогретая сталь, при остывании сварного шва позволяет снять напряжения, но окончательно решить проблему коррозии не вследствие напряжений в месте сварки не удается.

Для решения проблемы коррозионных проявлений вследствие внутренних напряжений применим метод отпуска. Оптимальная температура для этого составляет около 800-850 °C. Для конструкций, применяемых в агрессивных средах, такая температура может быть увеличена до 950-1050°C. Такое повышение температуры способствует скорейшему разрушению карбидной пленки.

А вот относительно сталей типа Х18Н8 – Х25Н20 характерно при отпускании образование трещин.

Сварка газом аустенитных сталей

Структура стали с содержание хрома очень чувствительна к применению газосварочных технологий, ацетилено-кислородный метод для этого вида сталей наиболее приемлемый, поскольку в отличие от окислительного вида пламени он не сжигает хром. В качестве сварочной проволоки рекомендованы марки с пониженным содержание углерода и легированных ниобием или титаном. При работах с листовым материалом диаметр сварочной проволоки подбирается равным толщине основного материала.

Применение флюсов при газосварочных работах осуществляется с помощью обработки раствора флюса с жидким стеклом на кромки свариваемых поверхностей. Начало работ проводится после высыхания флюса

Дуговая сварка аустенитных сталей

Учитывая то, что сами по себе легированные стали обладают отличными конструктивными свойствами и легко поддаются сварочным работам, аустенитные стали не являются в этом перечне исключением. Единственным моментом, требующим основательной проработки, выступает необходимость использования наиболее подходящего расходного материала.

Одним из важнейших условий сварки с помощью ручной электродуговой сварки выступает отсутствие в сварочных электродах ферритной составляющей. Для сварки аустенитных сталей чаще применяю аустенитные электроды УОНИ-13/НЖ, использующие в качестве покрытия состав ЦЛ-2 или ЦЛ-4.

Применение аргонодуговой сварки для соединения тонких листовых материалов стали 12Х18Н9Т дает хорошие результаты с применением флюса. Вместе с тем, необходимо контролировать процесс сварки, поскольку может сложиться ситуация, когда будет резко возрастать количество углерода в сварном шве, что резко скажется на стойкости металла.

Практически для всего сортамента аустенитных сталей чаще всего применяются аустенитные электроды УОНИ-13/НЖ, это практически универсальные для этого вида сталей электрод. Расчет силы тока проводится из пропорции 30-35 Ампер на 1 мм диаметра электрода. Полярность при сварке выбирается обратная, а шов накладывается небольшими участками.

Источник