У цій статті від Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. пояснюється, що слід враховувати під час визначення присадних металів для зварювання нержавіючої сталі.
Можливості, що роблять нержавіючу сталь такою привабливою – можливість налаштовувати її механічні властивості та стійкість до корозії та окислення – також збільшують складність вибору відповідного присадного металу для зварювання. Для будь-якої заданої комбінації основного матеріалу може підійти будь-який з кількох типів електродів, залежно від питань вартості, умов експлуатації, бажаних механічних властивостей та низки питань, пов'язаних зі зварюванням.
Ця стаття надає необхідну технічну інформацію, щоб читач зрозумів складність теми, а також відповідає на деякі найпоширеніші запитання, що ставляться постачальникам присадного металу. Вона встановлює загальні рекомендації щодо вибору відповідних присадних металів з нержавіючої сталі, а потім пояснює всі винятки з цих рекомендацій! Стаття не охоплює процедури зварювання, оскільки це тема для окремої статті.
Чотири марки, численні легуючі елементи
Існує чотири основні категорії нержавіючих сталей:
аустенітний
мартенситний
феритний
Дуплекс
Назви походять від кристалічної структури сталі, яка зазвичай зустрічається за кімнатної температури. Коли низьковуглецеву сталь нагрівають вище 912°C, атоми сталі перегруповуються зі структури, яка називається феритом за кімнатної температури, в кристалічну структуру, яка називається аустеніт. При охолодженні атоми повертаються до своєї початкової структури – фериту. Високотемпературна структура, аустеніт, є немагнітною, пластичною та має меншу міцність і більшу пластичність, ніж ферит за кімнатної температури.
Коли до сталі додають понад 16% хрому, кристалічна структура кімнатної температури, ферит, стабілізується, і сталь залишається у феритному стані за всіх температур. Звідси до цього сплаву застосовується назва феритна нержавіюча сталь. Коли до сталі додають понад 17% хрому та 7% нікелю, високотемпературна кристалічна структура сталі, аустеніт, стабілізується таким чином, що вона зберігається за всіх температур від найнижчої до майже плавлення.
Аустенітну нержавіючу сталь зазвичай називають хромонікелевим типом, а мартенситну та феритну сталі зазвичай називають прямим хромом. Деякі легуючі елементи, що використовуються в нержавіючих сталях та зварних металах, діють як стабілізатори аустеніту, а інші - як стабілізатори фериту. Найважливішими стабілізаторами аустеніту є нікель, вуглець, марганець та азот. Феритовими стабілізаторами є хром, кремній, молібден та ніобій. Балансування легуючих елементів контролює кількість фериту в зварному металі.
Аустенітні марки сталі зварюються легше та задовільніше, ніж ті, що містять менше 5% нікелю. Зварні з'єднання, отримані з аустенітних нержавіючих сталей, є міцними, пластичними та в'язкими у стані після зварювання. Зазвичай вони не потребують попереднього нагрівання або післязварювальної термічної обробки. Аустенітні марки становлять приблизно 80% зварюваної нержавіючої сталі, і ця вступна стаття зосереджена саме на них.
Таблиця 1: Типи нержавіючої сталі та вміст у них хрому та нікелю.
tstart{c,80%}
thead{Тип|% Хром|% Нікель|Види}
tdata{Аустенітний|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Мартенситний|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Феритова|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Дуплекс|18 - 28%|4 - 8%|2205}
схильні
Як вибрати правильний присадний метал з нержавіючої сталі
Якщо основний матеріал в обох пластинах однаковий, початковим керівним принципом було: «Почніть з підбору основного матеріалу». У деяких випадках це добре працює; щоб з’єднати тип 310 або 316, виберіть відповідний тип наповнювача.
Щоб з'єднати різнорідні матеріали, дотримуйтесь цього керівного принципу: «виберіть наповнювач, який відповідає більш легованому матеріалу». Щоб з'єднати сталь 304 з сталлю 316, виберіть наповнювач марки 316.
На жаль, «правило відповідності» має так багато винятків, що кращим принципом є наступне: зверніться до таблиці вибору присадного металу. Наприклад, тип 304 є найпоширенішим базовим матеріалом з нержавіючої сталі, але ніхто не пропонує електрод типу 304.
Як зварювати нержавіючу сталь типу 304 без електрода типу 304
Для зварювання нержавіючої сталі типу 304 використовуйте наповнювач типу 308, оскільки додаткові легуючі елементи в типі 308 краще стабілізують зону зварювання.
Однак, 308L також є прийнятним наповнювачем. Позначення «L» після будь-якого типу вказує на низький вміст вуглецю. Нержавіюча сталь типу 3XXL має вміст вуглецю 0,03% або менше, тоді як стандартна нержавіюча сталь типу 3XX може мати максимальний вміст вуглецю 0,08%.
Оскільки наповнювач типу L належить до тієї ж класифікації, що й продукт не-L, виробники можуть і повинні серйозно розглянути можливість використання наповнювача типу L, оскільки нижчий вміст вуглецю знижує ризик міжкристалічної корозії. Фактично, автори стверджують, що наповнювач типу L використовувався б ширше, якби виробники просто оновили свої процедури.
Виробники, які використовують процес GMAW, також можуть розглянути можливість використання наповнювача типу 3XXSi, оскільки додавання кремнію покращує змочування. У ситуаціях, коли зварний шов має високий або шорсткий виступ, або коли зварювальна ванна погано з'єднується з кінчиками кутового або нахлесточного з'єднання, використання кремнієвого електрода GMAW типу може згладити зварний шов і сприяти кращому сплавленню.
Якщо вас турбує осадження карбіду, розгляньте використання наповнювача типу 347, який містить невелику кількість ніобію.
Як зварювати нержавіючу сталь з вуглецевою сталлю
Така ситуація виникає в тих випадках, коли одна частина конструкції потребує корозійностійкої зовнішньої поверхні, з'єднаної з елементом конструкції з вуглецевої сталі для зниження вартості. Під час з'єднання основного матеріалу без легуючих елементів з основним матеріалом з легуючими елементами використовуйте надмірно легований наповнювач, щоб розрідження в металі шва збалансувалося або було більш легованим, ніж нержавіючий основний метал.
Для з'єднання вуглецевої сталі зі сталлю типу 304 або 316, а також для з'єднання різнорідних нержавіючих сталей, для більшості застосувань слід використовувати електрод типу 309L. Якщо потрібен вищий вміст Cr, слід використовувати електрод типу 312.
Як застереження, аустенітні нержавіючі сталі демонструють швидкість розширення, яка приблизно на 50 відсотків вища, ніж у вуглецевої сталі. Під час з'єднання різні швидкості розширення можуть спричинити розтріскування через внутрішні напруження, якщо не використовувати правильний електрод та процедуру зварювання.
Використовуйте правильні процедури очищення під час підготовки зварювання
Як і у випадку з іншими металами, спочатку видаліть олію, мастило, маркування та бруд за допомогою розчинника без хлору. Після цього основним правилом підготовки зварних швів нержавіючої сталі є «Уникайте забруднення вуглецевою сталлю, щоб запобігти корозії». Деякі компанії використовують окремі будівлі для своїх «цехів нержавіючої сталі» та «цехів вуглецю», щоб запобігти перехресному забрудненню.
Під час підготовки крайок до зварювання позначте шліфувальні круги та щітки з нержавіючої сталі як «лише для нержавіючої сталі». Деякі процедури вимагають очищення на відстані двох дюймів від місця з'єднання. Підготовка з'єднання також є більш важливою, оскільки компенсувати нерівності під час маніпуляцій з електродом складніше, ніж з вуглецевою сталлю.
Використовуйте правильну процедуру очищення після зварювання, щоб запобігти іржі
Для початку згадайте, що робить нержавіючу сталь нержавіючою: реакція хрому з киснем, що утворює захисний шар оксиду хрому на поверхні матеріалу. Нержавіюча сталь іржавіє через виділення карбіду (див. нижче), а також тому, що процес зварювання нагріває метал шва до точки, коли на поверхні шва може утворюватися феритний оксид. Залишений у стані після зварювання, ідеально чистий зварний шов може показати «сліди іржі» на межах зони термічного впливу менш ніж за 24 години.
Щоб новий шар чистого оксиду хрому міг належним чином утворитися, нержавіюча сталь потребує післязварювального очищення шляхом полірування, травлення, шліфування або обробки щіткою. Знову ж таки, використовуйте шліфувальні машини та щітки, призначені для цього завдання.
Чому зварювальний дріт з нержавіючої сталі магнітний?
Повністю аустенітна нержавіюча сталь не є магнітною. Однак, температура зварювання створює відносно велике зерно в мікроструктурі, що робить зварний шов чутливим до утворення тріщин. Щоб зменшити чутливість до гарячих тріщин, виробники електродів додають легуючі елементи, включаючи ферит. Феритова фаза робить аустенітні зерна набагато дрібнішими, тому зварний шов стає більш стійким до утворення тріщин.
Магніт не прилипне до котушки з аустенітним наповнювачем з нержавіючої сталі, але людина, яка тримає магніт, може відчути легке натягування через залишок фериту. На жаль, це змушує деяких користувачів думати, що їхній продукт неправильно маркований або вони використовують неправильний присадний метал (особливо якщо вони зірвали етикетку з дротяного кошика).
Правильна кількість фериту в електроді залежить від робочої температури застосування. Наприклад, занадто велика кількість фериту призводить до втрати міцності зварного шва за низьких температур. Таким чином, наповнювач типу 308 для трубопроводів ЗПГ має феритове число від 3 до 6, порівняно з феритовим числом 8 для стандартного наповнювача типу 308. Коротше кажучи, присадочні метали можуть здаватися схожими на перший погляд, але невеликі відмінності у складі є важливими.
Чи існує простий спосіб зварювання дуплексних нержавіючих сталей?
Зазвичай, дуплексні нержавіючі сталі мають мікроструктуру, що складається приблизно з 50% фериту та 50% аустеніту. Простими словами, ферит забезпечує високу міцність і певну стійкість до корозійного розтріскування під напругою, тоді як аустеніт забезпечує добру в'язкість. Ці дві фази в поєднанні надають дуплексним сталям їхні привабливі властивості. Доступний широкий асортимент дуплексних нержавіючих сталей, найпоширенішою з яких є тип 2205; він містить 22% хрому, 5% нікелю, 3% молібдену та 0,15% азоту.
Під час зварювання дуплексної нержавіючої сталі проблеми можуть виникнути, якщо зварний метал містить забагато фериту (тепло від дуги змушує атоми розташовуватися у феритовій матриці). Для компенсації присадні метали повинні сприяти аустенітній структурі з вищим вмістом сплаву, зазвичай на 2-4% більше нікелю, ніж в основному металі. Наприклад, порошковий дріт для зварювання типу 2205 може містити 8,85% нікелю.
Бажаний вміст фериту після зварювання може коливатися від 25 до 55% (але може бути й вищим). Зверніть увагу, що швидкість охолодження має бути достатньо повільною, щоб дозволити аустеніту переформуватися, але не настільки повільною, щоб утворилися інтерметалеїдні фази, і не занадто швидкою, щоб утворився надлишок фериту в зоні термічного впливу. Дотримуйтесь рекомендованих виробником процедур для процесу зварювання та вибраного присадного металу.
Регулювання параметрів при зварюванні нержавіючої сталі
Для виробників, які постійно регулюють параметри (напругу, силу струму, довжину дуги, індуктивність, тривалість імпульсу тощо) під час зварювання нержавіючої сталі, типовою причиною є нестабільний склад присадного металу. Враховуючи важливість легуючих елементів, варіації хімічного складу від партії до партії можуть мати помітний вплив на характеристики зварювання, наприклад, погане змочування або утруднене відділення шлаку. Варіації діаметра електрода, чистоти поверхні, форми лиття та спіралі також впливають на продуктивність зварювання методом GMAW та FCAW.
Контроль карбідного осадження в аустенітній нержавіючій сталі
За температур у діапазоні 426-871°C вміст вуглецю понад 0,02% мігрує до меж зерен аустенітної структури, де він реагує з хромом, утворюючи карбід хрому. Якщо хром зв'язаний з вуглецем, він не може забезпечити стійкість до корозії. Під впливом агресивного середовища виникає міжкристалічна корозія, що призводить до руйнування меж зерен.
Щоб контролювати утворення карбіду, слід підтримувати вміст вуглецю на якомога нижчому рівні (максимум 0,04%), зварюючи низьковуглецевими електродами. Вуглець також може зв'язуватися ніобієм (раніше колумбій) та титаном, які мають сильнішу спорідненість з вуглецем, ніж хром. Для цієї мети виготовляються електроди типу 347.
Як підготуватися до обговорення вибору присадного металу
Як мінімум, зберіть інформацію про кінцеве використання зварної деталі, включаючи умови експлуатації (особливо робочі температури, вплив агресивних елементів та ступінь очікуваної корозійної стійкості) та бажаний термін служби. Інформація про необхідні механічні властивості в робочих умовах, включаючи міцність, ударну в'язкість, пластичність та втому, дуже допомагає.
Більшість провідних виробників електродів надають посібники з вибору присадного металу, і автори не можуть переоцінити цей момент: зверніться до посібника із застосування присадного металу або зверніться до технічних експертів виробника. Вони допоможуть вам вибрати правильний електрод з нержавіючої сталі.
Щоб отримати додаткову інформацію про присадні метали TYUE для нержавіючої сталі та зв'язатися з експертами компанії за консультацією, відвідайте веб-сайт www.tyuelec.com.
Час публікації: 23 грудня 2022 р.