Как сваривать никелевые сплавы — полное руководство

Никелевые сплавы обычно выбирают из-за их превосходной универсальности, коррозионной стойкости и работоспособности при высоких температурах. Неудивительно, что это делает никелевые сплавы популярным выбором для использования в экстремальных условиях, особенно в авиационных турбинах, паровых турбинах, атомных электростанциях, а также в нефтехимической и химической промышленности.

Учитывая его использование в экстремальных условиях, зоны сварки никелевых сплавов должны иметь стабильные свойства, это единственный способ, при котором готовое сварное изделие выдержит экстремальные условия. Кроме того, важно, чтобы сварной шов был высокого качества и содержал очень мало дефектов, так как они также могут повлиять на работу в суровых условиях.

Что такое никелевые сплавы?

Никелевые сплавы обычно определяются как сплавы, в которых в качестве основного элемента используется никель, универсальный элемент. Исторически никелевые сплавы определялись как сплавы с содержанием никеля более 50%. Однако используемые сегодня никелевые сплавы обычно имеют более высокое содержание никеля, чем 50%. Например:

• Инконель 718:19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe остаток Ni
• Хастеллой X:22Cr, 1,5Co, 9Mo, 0,6W, 18,5Fe, остаток Ni

Сварка никеля

Сварка никеля выполняется с использованием одного из многих доступных никелевых сплавов. Можно использовать дуговую сварку, включая процессы Stick, MIG и TIG. Использование электродной сварки, в частности, создаст сварной шов, более прочный, чем основной металл. Для сварки никеля MIG в качестве защитного газа используется смесь гелия и аргона в соотношении 50/50.

Все обычные сварочные процессы подходят для сварки никелевых сплавов. Основное отличие заключается в тепловом расширении. Никелевые сплавы имеют более низкий коэффициент теплового расширения, чем нержавеющая сталь, а методы контроля деформации фактически аналогичны тем, которые используются для углеродистой стали.

Никелевые сплавы надежно соединяются всеми видами сварочных процессов и методов, за исключением кузнечной сварки и кислородно-ацетиленовой сварки. Деформируемые никелевые сплавы можно сваривать в условиях, аналогичных тем, которые используются для сварки аустенитной нержавеющей стали. Литейные никелевые сплавы, особенно сплавы с высоким содержанием кремния, представляют трудности при сварке.

Наиболее широко используемыми процессами для сварки деформируемых никелевых сплавов, не подверженных старению (упрочненных твердым раствором), являются дуговая сварка в среде защитного газа (GTAW), дуговая сварка в среде защитного газа (GMAW) и дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW). ). Дуговая сварка под флюсом (SAW) и электрошлаковая сварка (ESW) имеют ограниченное применение, как и дуговая плазменная сварка (PAW). Хотя процесс GTAW предпочтительнее для сварки дисперсионно-твердеющих сплавов, также используются процессы GMAW и SMAW.

Никелевые сплавы обычно сваривают в наплавленных условиях. Дисперсионно-твердые сплавы (PH) должны быть отожжены перед сваркой, если они подвергались каким-либо операциям, вносящим высокие остаточные напряжения.

Распространенные проблемы при сварке никелевых сплавов

Наиболее распространенной и серьезной проблемой, возникающей при сварке никелевых сплавов, является горячее растрескивание. Это происходит либо в линии сплавления, либо в ЗТВ, либо в металле сварного шва (зона сплавления), хотя линия сплавления является наиболее часто затрагиваемой зоной.

Обычно это растрескивание вызывает сера в сплаве или на поверхности, хотя висмут, свинец, фосфор и бор также могут оказывать негативное влияние. Чтобы предотвратить это, важно, чтобы ЗТВ и металл сварного шва были полностью очищены от масла, смазки, грязи и других загрязняющих веществ. Избыток серы в наполнителе сварного шва или в основном материале также может вызвать проблемы.

Для подготовки материала требуется обезжиривание с последующей тщательной очисткой нержавеющей стали или машинной проволочной щеткой. Убедитесь, что вы используете растворитель, предназначенный для никелевых сплавов, и что сварка выполняется в течение восьми часов после очистки, чтобы предотвратить последующее загрязнение.

Термическую обработку следует проводить только в электропечи или на бессернистом топливе, в вакууме или инертной среде.

Если материал уже использовался или ремонтируется, его следует отшлифовать или обработать, чтобы удалить любые загрязнения, которые могли попасть на поверхность зоны ремонта сварного шва.

Пористость также является проблемой, особенно когда кислород или водород вызывают загрязнение поверхности в виде захвата воздуха в сварочной ванне. Чтобы противостоять этому, требуется эффективная продувка газом и защита на лицевой и корневой сторонах сварного шва, а все газовые шланги должны быть в идеальном состоянии. Зона сварки также должна быть защищена от сквозняков.

Подготовка под сварку никелевых сплавов

Подготовка сварного шва имеет важное значение при сварке никелевых сплавов. Наиболее важным аспектом конструкции является обеспечение достаточного доступа для сварочной горелки и полного проплавления, если это необходимо.

Наилучшая конструкция стыкового соединения — это квадратный стык, но он ограничен толщиной из-за невозможности проникнуть в соединение. Таким образом, часто используется U-образная или V-образная подготовка с углом от 30° до 40° при толщине 10 мм, чтобы обеспечить проникновение и последующие заполняющие проходы.

Что касается подготовки газа, может быть полезно добавить до 10% водорода в смесь инертного газа, так как это улучшает текучесть в сварочной ванне.

Для сварки никелевых сплавов предварительный подогрев не требуется, если только не требуется удаление конденсата. Для сварки никеля обычно требуется максимальная межпроходная температура 250 ̊C, хотя для некоторых сплавов следует использовать максимальную температуру 100 ̊C.

Может потребоваться последующая шлифовка для удаления прилипшего оксидного слоя, который может образовываться на поверхности сварочной ванны. Иногда очистки металлической щеткой недостаточно для удаления остатков после сварки.

Обработка после сварки

Никакой послесварочной обработки, термической или химической, для поддержания или восстановления коррозионной стойкости не требуется, хотя в некоторых случаях полный отжиг на раствор улучшает коррозионную стойкость.

Термическая обработка может быть необходима для выполнения требований спецификации, таких как снятие напряжения с изготовленной конструкции, чтобы избежать старения или коррозионного растрескивания сварного соединения под напряжением (SCC) в парах плавиковой кислоты или каустической соды. Если сварка вызывает остаточные напряжения от умеренных до высоких, то сплавы PH потребуют отжига для снятия напряжения после сварки и перед старением.

Никель и никелевые сплавы подвержены охрупчиванию под действием свинца, серы, фосфора и других легкоплавких элементов. Эти материалы могут содержаться в смазке, масле, краске, мелках или чернилах для маркировки, формовочных смазках, смазочно-охлаждающих жидкостях, заводской грязи и химикатах для обработки.

Заготовки должны быть полностью очищены от посторонних материалов перед их нагревом или сваркой. Цеховую грязь, масло и жир можно удалить обезжириванием паром или протиранием ацетоном или другим нетоксичным растворителем.

Краска и другие материалы, которые не растворяются в обезжиривающих растворителях, могут потребовать использования хлористого метилена, щелочных очистителей или специальных составов. Если используются щелочные очистители, содержащие карбонат натрия, то перед сваркой необходимо удалить сами очистители. Рекомендуется опрыскивание или мытье горячей водой. Маркировочные чернила обычно можно удалить спиртом.

Обрабатываемый материал, въевшийся в обрабатываемый металл, можно удалить шлифованием, абразивоструйной очисткой и обтиранием 10% раствором HCl с последующей тщательной промывкой водой. Оксиды также должны быть удалены из области, задействованной в операции сварки, в первую очередь из-за разницы между температурами плавления оксида и основного металла. Оксиды обычно удаляются шлифованием, механической обработкой, абразивоструйной очисткой или травлением.

Никелевые сплавы, как литые, так и деформируемые, упрочненные твердым раствором или дисперсионно-упрочняемые, можно сваривать методом GTAW. Обычно рекомендуется добавление наполнителя. Отрицательный электрод постоянного тока (DCEN) рекомендуется как для ручной, так и для машинной сварки.

Защитный газ

В качестве защитного газа для сварки никеля и никелевых сплавов используется либо аргон, либо гелий, либо их смесь. Добавление кислорода, двуокиси углерода или азота к газообразному аргону обычно вызывает пористость или эрозию электрода. Можно использовать аргон с небольшим количеством водорода (обычно 5%), что может помочь избежать пористости чистого никеля, а также уменьшить образование оксидов во время сварки.

Сварка литых никелевых сплавов

Литые никелевые сплавы можно соединять с помощью процессов GTAW, GMAW и SMAW. Для получения оптимальных результатов отливку следует подвергнуть отжигу на твердый раствор перед сваркой, чтобы снять некоторые напряжения в отливке и обеспечить некоторую гомогенизацию структуры отливки.

Легкая проклепка затвердевшего металла после первого прохода снимет напряжения и, таким образом, уменьшит трещинообразование на стыке металла шва и литого металла. Проклевка последующих проходов приносит мало пользы, если вообще имеет. Снятие напряжения после сварки также желательно.