В этой статье от компании Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. объясняется, на что следует обращать внимание при выборе присадочных материалов для сварки нержавеющей стали.
Возможности, которые делают нержавеющую сталь столь привлекательной — способность регулировать ее механические свойства и устойчивость к коррозии и окислению — также усложняют выбор подходящего присадочного металла для сварки. Для любой заданной комбинации основных материалов может подойти любой из нескольких типов электродов, в зависимости от стоимости, условий эксплуатации, желаемых механических свойств и множества вопросов, связанных со сваркой.
В этой статье представлена необходимая техническая информация, позволяющая читателю оценить сложность темы, а также даны ответы на наиболее часто задаваемые вопросы поставщикам присадочных материалов. В ней изложены общие рекомендации по выбору подходящих присадочных материалов для нержавеющей стали, а также объяснены все исключения из этих рекомендаций! В статье не рассматриваются сварочные процедуры, поскольку это тема для другой статьи.
Четыре сорта, многочисленные легирующие элементы
Существует четыре основных категории нержавеющих сталей:
аустенитный
мартенситный
ферритный
Двухуровневая квартира
Названия происходят от кристаллической структуры стали, обычно встречающейся при комнатной температуре. При нагревании низкоуглеродистой стали выше 912°C атомы стали перестраиваются из структуры, называемой ферритом при комнатной температуре, в кристаллическую структуру, называемую аустенитом. При охлаждении атомы возвращаются к своей первоначальной структуре, ферриту. Высокотемпературная структура, аустенит, является немагнитной, пластичной и обладает меньшей прочностью и большей пластичностью, чем форма феррита при комнатной температуре.
При добавлении в сталь более 16% кристаллической структуры при комнатной температуре, феррита, происходит ее стабилизация, и сталь остается в ферритном состоянии при всех температурах. Отсюда и название ферритная нержавеющая сталь. При добавлении в сталь более 17% хрома и 7% никеля высокотемпературная кристаллическая структура стали, аустенит, стабилизируется, сохраняясь при всех температурах, от самых низких до почти плавления.
Аустенитную нержавеющую сталь обычно называют хромоникелевой, а мартенситные и ферритные стали — хромоникелевой. Некоторые легирующие элементы, используемые в нержавеющих сталях и сварочных швах, выступают в качестве стабилизаторов аустенита, а другие — в качестве стабилизаторов феррита. Наиболее важными стабилизаторами аустенита являются никель, углерод, марганец и азот. Стабилизаторами феррита являются хром, кремний, молибден и ниобий. Баланс легирующих элементов определяет количество феррита в сварочном шве.
Аустенитные марки стали свариваются легче и качественнее, чем марки, содержащие менее 5% никеля. Сварные швы, полученные из аустенитных нержавеющих сталей, прочны, пластичны и ударны в состоянии после сварки. Обычно они не требуют предварительного нагрева или термообработки после сварки. На аустенитные марки приходится приблизительно 80% свариваемой нержавеющей стали, и эта вводная статья посвящена именно им.
Таблица 1: Типы нержавеющей стали и содержание в них хрома и никеля.
tstart{c,80%}
thead{Type|% Chromium|% Nickel|Types}
tdata{Аустенитные|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Мартензитный|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ферритный|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
иметь тенденцию{}
Как выбрать правильный присадочный металл из нержавеющей стали
Если основной материал в обеих пластинах одинаков, то первоначальный руководящий принцип заключался в следующем: «Начните с подбора основного материала». В некоторых случаях это хорошо работает; для соединения пластин типа 310 или 316 выберите соответствующий тип припоя.
Для соединения разнородных материалов следуйте этому основному принципу: «выбирайте присадочный материал, соответствующий более высоколегированному материалу». Для соединения сплавов 304 и 316 выбирайте присадочный материал марки 316.
К сожалению, «правило соответствия» имеет так много исключений, что лучше руководствоваться таблицей выбора присадочного металла. Например, нержавеющая сталь марки 304 является наиболее распространенным основным материалом, но электроды из этой марки не выпускаются.
Как сваривать нержавеющую сталь марки 304 без специального электрода для стали марки 304?
Для сварки нержавеющей стали типа 304 используйте присадочный материал типа 308, поскольку дополнительные легирующие элементы в составе типа 308 лучше стабилизируют зону сварки.
Однако, сталь марки 308L также является приемлемым наполнителем. Обозначение «L» после любого типа указывает на низкое содержание углерода. Нержавеющая сталь типа 3XXL имеет содержание углерода 0,03% или менее, тогда как стандартная нержавеющая сталь типа 3XX может иметь максимальное содержание углерода 0,08%.
Поскольку присадочный материал типа L относится к той же классификации, что и материалы, не относящиеся к типу L, производители могут и должны всерьез рассмотреть возможность использования присадочного материала типа L, поскольку более низкое содержание углерода снижает риск возникновения проблем, связанных с межкристаллитной коррозией. Более того, авторы утверждают, что присадочный материал типа L получил бы более широкое распространение, если бы производители просто обновили свои производственные процессы.
Производителям, использующим процесс GMAW, также может быть полезно рассмотреть возможность применения присадочного материала типа 3XXSi, поскольку добавление кремния улучшает пропитку сварного шва. В ситуациях, когда сварной шов имеет высокий или шероховатый профиль, или когда сварочная ванна плохо соединяется с краями углового или нахлесточного шва, использование электрода GMAW с кремнием может сгладить сварной шов и способствовать лучшему сплавлению.
Если вас беспокоит осаждение карбидов, рассмотрите возможность использования припоя типа 347, который содержит небольшое количество ниобия.
Как сваривать нержавеющую сталь с углеродистой сталью
Такая ситуация возникает в тех случаях, когда одна часть конструкции требует соединения коррозионностойкой наружной поверхности с несущим элементом из углеродистой стали для снижения затрат. При соединении основного материала, не содержащего легирующих элементов, с основным материалом, содержащим легирующие элементы, следует использовать перелегированный присадочный материал, чтобы степень разбавления в сварном шве уравновешивала или была выше, чем у нержавеющей стали в основном металле.
Для соединения углеродистой стали с марками 304 или 316, а также для соединения разнородных нержавеющих сталей, в большинстве случаев следует использовать электрод типа 309L. Если требуется более высокое содержание хрома, следует рассмотреть электрод типа 312.
Следует отметить, что аустенитные нержавеющие стали обладают коэффициентом теплового расширения примерно на 50 процентов выше, чем у углеродистой стали. При соединении материалов разная скорость расширения может привести к растрескиванию из-за внутренних напряжений, если не используются соответствующие электроды и методы сварки.
Используйте правильные процедуры подготовки сварного шва и очистки.
Как и в случае с другими металлами, сначала удалите масло, смазку, маркировку и грязь с помощью нехлорированного растворителя. После этого основным правилом подготовки сварного шва из нержавеющей стали является «Избегать загрязнения углеродистой сталью во избежание коррозии». Некоторые компании используют отдельные здания для цеха по обработке нержавеющей стали и цеха по обработке углеродистой стали, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение.
При подготовке кромок к сварке следует указывать шлифовальные круги и щетки из нержавеющей стали как предназначенные только для нержавеющей стали. Некоторые процедуры требуют очистки на расстоянии двух дюймов от шва. Подготовка шва также более важна, поскольку компенсация неровностей при работе с электродом сложнее, чем при сварке углеродистой стали.
Для предотвращения образования ржавчины используйте правильную процедуру очистки сварного шва после сварки.
Для начала вспомним, что делает нержавеющую сталь нержавеющей: реакция хрома с кислородом с образованием защитного слоя оксида хрома на поверхности материала. Нержавеющая сталь ржавеет из-за осаждения карбидов (см. ниже) и потому, что в процессе сварки металл сварного шва нагревается до такой степени, что на его поверхности может образоваться ферритный оксид. В состоянии после сварки на идеально целом сварном шве менее чем через 24 часа могут появиться «следы ржавчины» на границах зоны термического воздействия.
Для правильного формирования нового слоя чистого оксида хрома нержавеющая сталь требует послесварочной очистки путем полировки, травления, шлифовки или очистки щеткой. Опять же, используйте шлифовальные машины и щетки, специально предназначенные для этой задачи.
Почему сварочная проволока из нержавеющей стали обладает магнитными свойствами?
Полностью аустенитная нержавеющая сталь немагнитна. Однако высокие температуры сварки приводят к образованию относительно крупных зерен в микроструктуре, что делает сварной шов чувствительным к растрескиванию. Для снижения чувствительности к горячему растрескиванию производители электродов добавляют легирующие элементы, в том числе феррит. Ферритная фаза делает аустенитные зерна значительно мельче, благодаря чему сварной шов становится более устойчивым к растрескиванию.
Магнит не прилипнет к катушке аустенитной нержавеющей стали, но человек, держащий магнит, может почувствовать легкое притяжение из-за остаточного феррита. К сожалению, это заставляет некоторых пользователей думать, что их продукт неправильно маркирован или они используют неправильный присадочный металл (особенно если они сорвали этикетку с проволочной корзины).
Правильное количество феррита в электроде зависит от рабочей температуры применения. Например, слишком большое количество феррита приводит к снижению прочности сварного шва при низких температурах. Таким образом, присадочный материал типа 308 для трубопроводов СПГ имеет число феррита от 3 до 6, по сравнению с числом феррита 8 для стандартного присадочного материала типа 308. Вкратце, присадочные металлы могут казаться похожими на первый взгляд, но небольшие различия в составе имеют важное значение.
Существует ли простой способ сварки дуплексных нержавеющих сталей?
Как правило, дуплексные нержавеющие стали имеют микроструктуру, состоящую примерно из 50% феррита и 50% аустенита. Проще говоря, феррит обеспечивает высокую прочность и некоторую устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением, а аустенит — хорошую ударную вязкость. Сочетание этих двух фаз придает дуплексным сталям их привлекательные свойства. Существует широкий ассортимент дуплексных нержавеющих сталей, наиболее распространенной из которых является тип 2205; он содержит 22% хрома, 5% никеля, 3% молибдена и 0,15% азота.
При сварке дуплексной нержавеющей стали могут возникнуть проблемы, если в сварочном шве слишком много феррита (тепло от дуги заставляет атомы располагаться в ферритной матрице). Для компенсации присадочные материалы должны способствовать образованию аустенитной структуры за счет более высокого содержания легирующих элементов, обычно на 2–4% больше никеля, чем в основном металле. Например, порошковая проволока для сварки стали типа 2205 может содержать 8,85% никеля.
Желаемое содержание феррита после сварки может составлять от 25 до 55% (но может быть и выше). Следует отметить, что скорость охлаждения должна быть достаточно медленной, чтобы позволить аустениту восстановиться, но не настолько медленной, чтобы образовались интерметаллические фазы, и не слишком быстрой, чтобы образовался избыток феррита в зоне термического воздействия. Следуйте рекомендациям производителя относительно процесса сварки и выбранного присадочного металла.
Настройка параметров при сварке нержавеющей стали
Для сварщиков, постоянно корректирующих параметры (напряжение, сила тока, длина дуги, индуктивность, ширина импульса и т. д.) при сварке нержавеющей стали, типичной причиной является непостоянный состав присадочного металла. Учитывая важность легирующих элементов, колебания химического состава от партии к партии могут заметно влиять на качество сварки, например, на плохое пропитывание или затрудненное отделение шлака. Изменения диаметра электрода, чистоты поверхности, формы и спирали также влияют на качество сварки при использовании методов GMAW и FCAW.
Контроль осаждения карбидов в аустенитной нержавеющей стали.
При температурах в диапазоне 426-871 °C содержание углерода, превышающее 0,02%, мигрирует к границам зерен аустенитной структуры, где реагирует с хромом, образуя карбид хрома. Если хром связан с углеродом, он недоступен для обеспечения коррозионной стойкости. При воздействии агрессивной среды возникает межкристаллитная коррозия, приводящая к разрушению границ зерен.
Для контроля осаждения карбидов необходимо поддерживать содержание углерода на минимально возможном уровне (максимум 0,04%), используя для сварки низкоуглеродистые электроды. Углерод также может связываться с ниобием (ранее ниобием) и титаном, которые обладают большей способностью связываться с углеродом, чем хром. Для этой цели изготавливаются электроды типа 347.
Как подготовиться к обсуждению выбора присадочного металла
Как минимум, необходимо собрать информацию о конечном назначении сварной детали, включая условия эксплуатации (особенно рабочие температуры, воздействие коррозионных элементов и ожидаемую степень коррозионной стойкости) и желаемый срок службы. Информация о требуемых механических свойствах в условиях эксплуатации, включая прочность, ударную вязкость, пластичность и усталостную прочность, очень полезна.
Большинство ведущих производителей электродов предоставляют руководства по выбору присадочного металла, и авторы не могут не подчеркнуть этот момент: обратитесь к руководству по применению присадочного металла или свяжитесь с техническими специалистами производителя. Они готовы помочь в выборе правильного электрода из нержавеющей стали.
Для получения дополнительной информации о присадочных металлах из нержавеющей стали от компании TYUE и для связи со специалистами компании за консультацией посетите сайт www.tyuelec.com.
Дата публикации: 23 декабря 2022 г.