Как сваривать нержавеющую сталь

Введение в нержавеющую сталь

Прежде чем приступить к сварке нержавеющей стали, следует дать общее описание материала. Нержавеющие стали представляют собой класс материалов на основе железа, обладающих определенной устойчивостью к ржавлению и коррозии в некоторых средах благодаря наличию в их составе хрома. Хром помогает создать прочный непроницаемый слой оксида хрома на поверхности материала, который защищает поверхность от ржавчины и коррозии. Следует знать, что выражение «нержавеющая сталь» представляет собой огромный класс различных материалов. Это не технический термин, обозначающий какой-либо конкретный металл, и его нельзя использовать в практических целях, например при покупке.

Три класса

Три более общих класса нержавеющих сталей — аустенитные, ферритные и мартенситные — обозначены ссылкой на их металлургическую структуру. Более конкретно, они используют идентификатор, который относится к внешнему виду их микроструктуры, видимой под микроскопом или с помощью рентгеновской дифракции. Эти микроструктуры могут присутствовать в определенной стали, поэтому они используются для обозначения преобладающей структуры в нержавеющей стали. Свойства каждого класса могут по-разному влиять на процесс сварки, поэтому важно заранее определить, какой тип используется.

1. Аустенитная

При сварке нержавеющей стали аустенитные нержавеющие стали считаются наиболее легко свариваемыми из трех классов. Они известны как «серия 300», что относится к стандартной классификации, разработанной Американским институтом чугуна и стали (AISI) и Обществом автомобильных инженеров (SAE). Важным подклассом, известным как «18/8», являются легирующие элементы, состоящие из 18 % хрома и 8 % никеля.

Основные характеристики аустенитных нержавеющих сталей следующие:

• Не магнитится или только слегка магнитится
• Не подвергается воздействию 10-процентного раствора азотной кислоты (HNO3) в спирте.
• Не затвердевает при термообработке.
• Деформационное упрочнение — довольно пластичный и легко деформируемый при механической обработке, что увеличивает как твердость, так и прочность.
• Легко сваривается с соблюдением необходимых мер предосторожности.
• Теплопроводность от одной трети до половины теплопроводности других сталей
• Коэффициент теплового расширения на 30-40 процентов, иногда даже на 50%.

При сварке нержавеющих сталей две последние характеристики по-разному влияют на результат, вызывая большую деформацию, чем при сварке других сталей.

Не все аустенитные нержавеющие стали серии 300 обладают одинаковой свариваемостью. Добавление серы или селена, используемых для улучшения обрабатываемости (как в типе 303), приводит к сильному горячему растрескиванию сварного шва, что делает этот конкретный материал «непригодным для сварки».

Будьте осторожны при сварке аустенитных нержавеющих сталей. На характеристики коррозионной стойкости этих нержавеющих сталей может отрицательно повлиять процесс сенсибилизации, происходящий в температурных интервалах от 600 до 900 градусов Цельсия (от 1100 до 1650 градусов по Фаренгейту). Это способствует скоплению карбидов хрома на границах зерен и параллельной потере антикоррозионного хрома из основного металла.

Вышеупомянутый температурный диапазон возникает естественным образом не в зоне сварки, где температура выше и сохраняется только в течение короткого времени, а в двух полосах металла по обе стороны от наплавленного валика. Это зона термического влияния (ЗТВ), где происходит вредное воздействие.

В чувствительном суставе хром, который является основным «нержавеющим» ингредиентом, становится секвестрированным или выведенным из игры и локально недоступным для защитного действия. При неправильном подходе сварка нержавеющих сталей 18/8 может привести к потере их защитных свойств на чувствительных путях, а свариваемый материал становится склонным к межкристаллитному разрушению в коррозионной среде.

Существует три стратегии, которые можно использовать для снижения неблагоприятного воздействия процесса сенсибилизации на нержавеющие стали серии 300. Одним из них является использование версии с очень низким содержанием углерода (например, 304L, где L означает низкоуглеродистый), когда для производства карбидов хрома доступно не так много углерода.

Другая стратегия заключается в использовании основного металла другого типа, включая титан (тип 321) или колумбий (тип 347), которые образуют карбиды титана или колумбия, в результате чего углерод становится недоступным для хрома в процессе сенсибилизации. Это позволяет хрому выполнять свои антикоррозионные задачи.

Примечание :Присадочным металлом для этого материала всегда должен быть колумбий. Почему? Потому что титан является реакционноспособным и не может быть легко извлечен во время осаждения. Это означает, что он не будет доступен, когда он больше всего нужен. Колумбий, однако, не реактивен. Он останется на месте во время процесса плавления, а когда материал нагреется до температуры сенсибилизации, он выполнит работу по производству карбидов колумбия, спасая положение.

Третья стратегия заключается в проведении термообработки на твердый раствор при повышенной температуре (1050 по Цельсию или 1900 по Фаренгейту), которая устранит подверженность коррозии. Эта стратегия использует твердый раствор карбидов хрома, который образовался в процессе сварки обычной нержавеющей стали 18/8. Однако этот процесс сталкивается с такими проблемами, как образование тяжелых оксидов, если он не выполняется в вакууме или другой защитной атмосфере, свободной от загрязнений. Тип 309 и 310, используемые для применения при повышенных температурах, и тип 316 или более качественный тип 316L, используемый для повышенной коррозионной стойкости, как правило, не склонны к сенсибилизации и используются с присадочными проволоками аналогичного состава.

2. Ферритный

Второй класс нержавеющей стали называется ферритной нержавеющей сталью. Эта сталь ферромагнитна, но не может быть закалена термической обработкой. Это распространенный тип нержавеющей стали, используемый в компонентах выхлопной системы автомобилей. Ограниченное количество ферритной структуры, присутствующее в основном в аустенитной структуре, считается полезным, поскольку снижает вероятность образования горячих трещин. Сварка нержавеющих ферритных сталей может легко выполняться с использованием процессов дуговой сварки с ферритным или аустенитным присадочным металлом. Для улучшения свойств может потребоваться термообработка после сварки.

3. мартенситный

Мартенситные нержавеющие стали обладают магнитными свойствами и полностью упрочняются путем термической обработки. Сварка нержавеющей стали этого типа не рекомендуется, хотя и возможна при использовании специальных методов. Сварка может привести к образованию трещин, особенно если содержание углерода недостаточно низкое. Может потребоваться предварительный нагрев и последующая термообработка.

Одно последнее занятие

Чтобы завершить обзор сварки нержавеющих сталей, следует упомянуть четвертый класс материалов, не упомянутых выше, — дисперсионно-твердеющие (PH) нержавеющие стали, которые довольно хорошо поддаются сварке. Однако необходимо соблюдать точные инструкции относительно термической обработки, чтобы развить требуемые свойства.

Сварочные процессы для нержавеющей стали

Существует множество различных видов сварки, которые можно использовать при сварке нержавеющей стали. Все они имеют свои преимущества и недостатки, и все они требуют специальных инструкций, чтобы каждый раз обеспечивать надлежащий и прочный сварной шов.

Сварка трением

Сварка трением нержавеющих сталей практически не представляет проблем, за исключением тех типов нержавеющей стали, которые не должны подвергаться сварке. Он используется для сварки нержавеющей стали не только с другими заготовками из нержавеющей стали, но и с различными металлами, такими как медь и алюминий. Перед сваркой всегда следует знать о типе и состоянии материала, а также о воздействии тепла вблизи стыка. Некоторые элементы, такие как сера или селен, могут ухудшить окончательную надежность сварных соединений.

Сварка сопротивлением

Сварку сопротивлением можно использовать для большинства нержавеющих сталей. Аустенитная сталь серии 300 серии 300 может легко использоваться контактной сваркой, как и ферритные стали. Тем не менее, мартенситные нержавеющие стали могут представлять проблему, так как сварной шов становится хрупким, если его не размягчить должным образом с помощью отпуска после сварки.

Процесс сварки сопротивлением в настоящее время используется для нержавеющей стали с адаптациями, чтобы справиться с различиями в электрическом сопротивлении и низкой теплопроводностью, а также с высоким коэффициентом теплового расширения, более высокой температурой плавления и высокой прочностью при повышенных температурах. Усилие на электроде больше, а время и сила тока меньше для низкоуглеродистых сталей.

Все нержавеющие стали должны быть очищены не только от грязи, масла, жира или краски перед процессом сварки сопротивлением (или любым другим процессом сварки), но также должны быть очищены от естественно образующегося слоя оксида хрома. Его необходимо удалить проволочной щеткой из нержавеющей стали.

Дуговая сварка

Дуговая сварка может использоваться при сварке нержавеющей стали, если используется соответствующий флюс. Это делает процесс гораздо менее пригодным для сварки TIG, если нет другого выбора. TIG-сварка нержавеющей стали требует устранения всех следов остаточного флюса на детали после процесса сварки, что удлиняет операцию и увеличивает затраты. Обычно используется дуговая сварка, при этом особое внимание уделяется классу и состоянию свариваемого материала, а также контролю за чувствительностью и деформациями.

Все типы дуговых процессов могут использоваться для сварки нержавеющих сталей с должным вниманием к форме, размерам и подготовке соединения. В частности, дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW) широко используется из-за ее гибкости. Следует отметить, что электроды бывают двух типов в зависимости от состава покрытия, что может повлиять на выбор используемого тока.

Есть много присадочных металлов, которые можно использовать во время дугового процесса. Классификацию присадочных металлов из нержавеющей стали можно найти в AWS A5.9/A5.9M:2006 Американского общества сварщиков – Спецификация для электродов и стержней для сварки нержавеющей стали без покрытия.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) нержавеющих сталей легко выполняется с хорошими результатами даже при очень глубоких сварных швах. Замечательно высокое отношение глубины к ширине позволяет EBW соединять конфигурации, невозможные с другими средствами. Поскольку подводимая теплота невелика, а зона термического влияния имеет ограниченную протяженность, механические свойства часто не наносят значительного ущерба, поэтому дальнейшая термическая обработка не требуется.

Лазерная сварка

Лазерная сварка также может использоваться при сварке нержавеющих сталей, если в листе предусмотрены меры предосторожности, чтобы изолировать сварку от воздуха и ограничить свойства повреждения, возникающие во время термообработки.

В конце концов, сварка нержавеющей стали – это совсем не сложный процесс. Просто требуется некоторое внимание к деталям, когда речь идет о материалах заготовок, присадочных металлах и типе используемой сварки. Если все это соответствует номиналу, вы можете успешно сваривать детали из нержавеющей стали.

Связаться с RobotWorx

Вам интересно узнать больше о сварке нержавеющей стали или о роботах, которые могут выполнять этот вид сварки? Тогда вам следует позвонить в RobotWorx! RobotWorx предоставляет решения от нескольких робототехнических компаний, включая Fanuc, Motoman, KUKA, Universal Robots и ABB. У нас есть различные роботы, которые могут удовлетворить ваши потребности в сварке нержавеющей стали. Для получения дополнительной информации свяжитесь с RobotWorx через Интернет или по телефону 877-762-6881.