Мастерство сварки никелевых сплавов: экспертные техники и советы

Никелевые сплавы выбирают за исключительную универсальность, коррозионную стойкость и работоспособность при высоких температурах. Неудивительно, что они популярны в экстремальных условиях: авиационные и паровые турбины, атомные станции, нефтехимия и химическая промышленность.

Учитывая применение в суровых средах, зоны сварки никелевых сплавов должны обладать стабильными свойствами — только так сварное изделие выдержит экстремальные нагрузки. Качество шва критически важно: даже незначительные дефекты могут ухудшить характеристики в агрессивных средах.

Что такое никелевые сплавы?

Никелевые сплавы — это сплавы, где никель (универсальный элемент) является основным компонентом. Исторически считались сплавы с >50% Ni, но современные марки обычно содержат никель значительно больше 50%. Примеры:

• Inconel 718: 19Cr 3Mo 0.9Ti 5.1Cb 0.5Al 18Fe баланс Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1.5Co 9Mo 0.6W 18.5Fe баланс Ni

Сварка никеля

Сварка никеля выполняется различными никелевыми сплавами. Применяются дуговые процессы: ручная дуговая (MMA), МИГ, ВП (TIG). При сварке электродами (MMA) шов получается прочнее основного металла. Для МИГ-сварки никеля защитный газ — смесь 50% гелий / 50% аргон.

Все обычные сварные процессы подходят для никелевых сплавов. Главное отличие — в тепловом расширении: у никелевых сплавов коэффициент ниже, чем у нержавеющей стали, а методы контроля деформаций аналогичны углеродистой стали.

Никелевые сплавы можно надежно соединять всеми методами, кроме кузнечной сварки и газовой (окси-ацетиленовой). Деформируемые никелевые сплавы сваркиваются в режимах, похожих на аустенитные нержавеющие стали. Литые никелевые сплавы, особенно с высоким кремнием, создают трудности при сварке.

Наиболее применяемые процессы для незакаляемых (укрепленных твердым раствором) деформируемых никелевых сплавов: ВП-аргоновая (GTAW), МИГ (GMAW), ручная дуговая (SMAW). Подфлюсовая (SAW) и электрошлаковая (ESW) сварка имеют ограниченное применение, как и плазменная дуговая (PAW). Для закаляемых выделением (PH) сплавов предпочтительна GTAW, но также используются GMAW и SMAW.

Никелевые сплавы обычно сваркиваются в состоянии после твердого раствора. PH-сплавы должны быть отожжены перед сваркой, если они подвергались операциям, вносящим высокие остаточные напряжения.

Частые проблемы при сварке никелевых сплавов

Самая серьезная и частая проблема — горячие трещины. Они возникают на линии плавления, в ЗТВ или в наплавленном металле (чаще всего на линии плавления).

Обычно причина — сера в сплаве или на поверхности, также негативно влияют висмут, свинец, фосфор, бор. Для профилактики ЗТВ и наплавленный металл должны быть полностью очищены от масла, смазки, грязи и других загрязнений. Избыток серы в наплавке или основном металле также опасен.

Подготовка: обезжиривание, затем тщательное чистка нержавеющей или машинной металлической щеткой. Растворитель должен быть предназначен для никелевых сплавов. Сварка должна начинаться в течение 8 часов после очистки, чтобы избежать повторного загрязнения.

Тепловая обработка только в электрической печи или на серофрее топке, в вакууме или инертной среде.

Если материал уже эксплуатировался или ремонтируется, поверхность зоны сварки нужно зачистить шлифованием или механической обработкой для удаления застрявших загрязнений.

Пористость — еще одна проблема, особенно когда кислород или водород загрязняют поверхность в виде заловленного воздуха в ванне сварки. Противодействие: эффективная газовая защита и продувка с лицевой и корневой сторон, все газовые шланги в идеальном состоянии, сварная зона изолирована от сквозняков.

Подготовка к сварке никелевых сплавов

Подготовка кромок критически важна. Главное — обеспечить достаточный доступ для горелки и возможность полного провара, если требуется.

Лучший дизайн стыка «встык» — квадратный, но он ограничен толщиной из-за невозможности прожечь. Поэтому часто используют U- или V-образную подготовку с углом 30–40° при толщине 10 мм для обеспечения провара и наполнения.

По газовой подготовке: полезно добавить до 10% водорода в инертную смесь — это улучшает текучесть ванны сварки.

Предварительный нагрев не требуется, кроме удаления конденсата. Максимальная межпроходная температура обычно 250 °C, для некоторых сплавов — только 100 °C.

После сварки может потребоваться шлифовка для удаления адгерирующего оксидного слоя на поверхности ванны — металлической щеткой часто недостаточно.

Послесварная обработка

Ни термическая, ни химическая послесварная обработка не требуется для сохранения или восстановления коррозионной стойкости, хотя в некоторых случаях полное отжигание в твердом растворе улучшает её.

Тепловая обработка может быть необходима по требованиям спецификаций: снятие напряжений конструкции для предотвращения закалки при старении или коррозионного трещинозаразжения (SCC) в парах фторидоворода или едком щелоче. Если сварка вносит средние/высокие остаточные напряжения, PH-сплавы требуют отжиг для снятия напряжений после сварки и перед закалкой.

Никель и его сплавы чувствительны к ломкости от свинца, серы, фосфора и других низкоплавких элементов. Они могут содержаться в смазках, маслах, красках, маркерах, чернилах, смазках для формовочных операций, охлаждающих жидкостях, цеховой грязи, технологических химикатах.

Заготовки должны быть полностью свободны от посторонних материалов перед нагревом или сваркой. Цеховая грязь, масло, смазку удаляют паровым обезжириванием или протиранием ацетоном/другим нетоксичным растворителем.

Краска и нерастворимые в обезжиривателях материалы могут требовать хлорид метилена, щелочных очистителей или специальных составов. Если щелочные очистители содержат карбонат натрия, их самих нужно удалить перед сваркой (промывка горячей водой под давлением). Маркировочные чернила удаляются спиртом.

Вмазавшиеся в металл технологические вещества удаляют шлифованием, абразивной очисткой, протиранием 10% HCl с последующим тщательным водяным промыванием. Оксиды также нужно удалить из зоны сварки (разница температур плавления оксидов и основного металла). Оксиды снимают шлифованием, механической обработкой, абразивной очисткой или травлением.

Никелевые сплавы (литые и деформируемые, укрепленные твердым раствором или закаляемые выделением) можно сваркивать ВП-аргоновкой (GTAW). Добавка наплавки обычно рекомендуется. Прямой ток с отрицательным электродом (DCEN) рекомендуется для ручной и механизированной сварки.

Защитный газ

Для сварки никеля и его сплавов используют аргон, гелий или их смесь. Добавки кислорода, CO₂ или азота к аргону обычно вызывают пористость или эрозию электрода. Аргон с малой добавкой водорода (обычно 5%) можно использовать — помогает избежать пористости в чистом никеле и уменьшает образование оксидов.

Сварка литых никелевых сплавов

Литые никелевые сплавы можно соединять GTAW, GMAW, SMAW. Для оптимальных результатов литье лучше отжечь в твердом растворе перед сваркой — снимает литейные напряжения и гомогенизирует структуру.

Легкая уковка застывшего металла после первого прохода снимает напряжения и уменьшает трещины на стыке наплавки и литьевого металла. Уковка последующих проходов малоэффективна. Желательно также снятие напряжений после сварки.