Освоение сварки нержавеющей стали: техники и советы

Введение в нержавеющую сталь

Прежде чем переходить к сварке нержавейки, дадим общее описание материала. Нержавеющие стали — класс железосодержащих материалов с устойчивостью к ржавлению и коррозии в некоторых средах благодаря хрому в составе. Хром образует прочный непроницаемый слой хромового оксида на поверхности, защищающий от ржавчины и коррозии. Важно знать: термин «нержавеющая сталь» охватывает огромный класс материалов, это не технический термин для конкретного металла и не подходит для практических целей закупки.

Три класса

Три общих класса — аустенитные, ферритные и мартенситные — определяются по металлургической структуре, точнее по виду микроструктуры под микроскопом или рентгеновской дифракцией. Эти структуры могут присутствовать в определенной стали, указывая на преобладающую структуру. Свойства каждого класса по-разному влияют на сварку, поэтому важно заранее определить тип.

1. Аустенитные

При сварке нержавейки аустенитные стали считаются самыми легко свариваемыми из трех классов. Известны как «серия 300» — классификация AISI и SAE. Важный подкласс «18/8» имеет 18% хрома и 8% никеля.

Основные характеристики:

• Неметаллические или слабо магнитные
• Не атакуются 10% раствором азотной кислоты в спирте
• Не закаляются термической обработкой
• Рабочее упрочнение — khá dúctile, легко деформируются механически, повышая твердость и прочность
• Легко свариваются с необходимыми предосторожностями
• Теплопроводность 1/3–1/2 от других сталей
• Коэффициент термического расширения на 30–40%, иногда 50% выше

Последние две характеристики при сварке вызывают большие деформации, чем в других сталях.

Не все аустенитные стали серии 300 одинаково свариваемы. Добавка серы или селена для улучшения обрабатываемости (тип 303) вызывает сильное горячее трещинообразование, делая материал «несвариваемым».

Осторожность при сварке аустенитных сталей. Коррозионная стойкость может ухудшиться из-за процесса sensibilization (чувствительности) при 600–900 °C (1100–1650 °F). Это способствует выделению карбидов хрома на границах зерен и потере антикоррозийного хрома из базового металла.

Этот температурный диапазон возникает не в зоне шва (где температура выше и длится недолго), а в двух полосах металла по бокам шва — в зоне термического влияния (ЗТВ), где происходят вредные эффекты.

В сенсибилизированном соединении хром, главный «нержавеющий» ингредиент, становится локально недоступен для защиты. Если не устранить, сварка стали 18/8 может вызвать потерю защитных свойств по сенсибилизированным путям, и сварной материал станет подвержен интергранулярной атаке в коррозионной среде.

Три стратегии снижения негативных эффектов сенсибилизации в серии 300:

1. Использовать ультранизкоуглеродистый вариант (304L, L — low-carbon), где мало углерода для образования карбидов хрома.
2. Использовать другой базовый металл с титаном (тип 321) или колумбием (тип 347), образующими карбиды титана/колумбия, делающими углерод недоступным для хрома при сенсибилизации. Хром остается свободным для антикоррозийной работы.
   Примечание: Наполнительный металл для этого материала, если требуется, должен всегда быть колумбиевым. Титан реактівен и не восстанавливается при отсадывании, поэтому недоступен когда нужен. Колумбий нереактивен, остается при плавлении и при нагреве до диапазона сенсибилизации производит колумбиевые карбиды, спасая положение.
3. Выполнить термическую обработку растворения при высокой температуре (1050 °C или 1900 °F), восстанавливающую коррозионную стойкость. Процесс вводит твердый раствор карбидов хрома, возникших при сварке обычной стали 18/8. Но сталкивается с проблемой образования тяжелых оксидов, если не в вакууме или защитной атмосфере. Типы 309, 310 для высоких температур, 316/316L для повышенной коррозионной стойкости — обычно не склонны к сенсибилизации, используются с наполнителями похожего состава.

2. Ферритные

Второй класс — ферритные нержавеющие стали. Ферромагнитные, не закаляются термически. Часто используются в выхлопных системах авто. Ограниченное количество ферритной структуры в основном аустенитной считается полезным — снижает риск горячих трещин. Сварка ферритных сталей легко выполняется дуговыми процессами с ферритным или аустенитным наполнителем. Может потребоваться послесварочная термообработка для улучшения свойств.

3. Мартенситные

Мартенситные нержавеющие стали магнитны и полностью закаляются термически. Сварка этого типа не рекомендуется, хотя возможна со специальными техниками. Может давать трещины, особенно если углерод не достаточно низок. Могут потребоваться предварительная и послесварочная термообработки.

Еще один класс

Для полноты — четвертый класс: выделенно-закаляемые (PH) нержавеющие стали, довольно хорошо свариваемы. Но требуются точные инструкции по термообработке для развития нужных свойств.

Сварочные процессы для нержавейки

Существует много типов сварки для нержавейки, у всех есть плюсы и минусы, все требуют специфических инструкций для качественного шва.

Тресковая сварка

Тресковая сварка нержавейки почти не дает проблем, кроме свободно-режущих типов, которые не должны свариваться вовсе. Используется для сварки нержавейки не только с нержавейкой, но и с другими металлами — медью, алюминием. Всегда учитывайте тип и состояние материала, а также эффекты тепла у стыка. Элементы вроде серы или селена могут ухудшить качество шва.

Контактная сварка

Контактная сварка применима к большинству нержавеющих сталей. 300-я серия аустенитных и ферритные стали легко поддаются контактной сварке. Мартенситные могут давать проблему — шов хрупкий, если не размягчить послесварочным отпуском.

Процесс адаптирован для различий в электрическом сопротивлении, низкой теплопроводности, высоком коэффициенте термического расширения, высокой температуре плавления и высокой прочности при высоких температурах. Усилие электродов выше, время и ток ниже для низкоуглеродистых сталей.

Все нержавеющие стали перед контактной сваркой (и любой сваркой) должны быть очищены не только от грязи, масла, жира, краски, но и от естественного слоя хромового оксида. Удаляется нержавеющей металлической щеткой.

Дуговая сварка

Дуговая сварка применима при использовании правильного флюса. Это делает процесс менее пригодным для TIG-сварки, если нет другого выбора. TIG-сварка нержавейки требует удаления всех следов флюса после сварки, что удлиняет операцию и увеличивает затраты. Дуговая сварка широко используется с вниманием к классу, состоянию материала, сенсибилизации и деформациям.

Все дуговые процессы применимы с учетом формы, размеров и подготовки стыка. В частности, ручная дуговая сварка (SMAW) популярна за гибкость. Электроды бывают двух типов по составу покрытия, влияющим на выбор тока.

Существует много наполнительных металлов для дугового процесса. Классификация наполнителей для нержавейки в AWS A5.9/A5.9M:2006.

Электронно-лучевая сварка

Электронно-лучевая сварка (EBW) нержавейки выполняется с хорошими результатами, даже в глубоких швах. Высокое отношение глубины к ширине позволяет соединять конфигурации, невозможные другими способами. Низкий тепловой вклад и ограниченная ЗТВ часто не повреждают механические свойства, не требуя дальнейшей термообработки.

Лазерная сварка

Лазерная сварка также применима при предосторожностях по изоляции от воздуха и ограничению повреждений свойств при нагреве.

В итоге, сварка нержавейки не сложна. Нужно внимание к деталям: материалу заготовки, наполнительным металлам, типу сварки. Если всё в порядке — вы успешно сварите детали из нержавейки.

Свяжитесь с RobotWorx

Интересуетесь сваркой нержавейки или роботами для этого? Звоните RobotWorx! Мы предоставляем решения Fanuc, Motoman, KUKA, Universal Robots, ABB. У нас есть роботы для ваших задач по сварке нержавейки. Контакты: онлайн или 877-762-6881.