Сварка никелевых сплавов: комплексные технологии и лучшие практики

Что такое никелевые сплавы?

Никелевые сплавы выбирают за универсальность, коррозионную стойкость и работу при высоких температурах. Применяются в экстремальных условиях: турбины самолетов и паровые турбины, атомные станции, нефтехимия и химическая промышленность.

Шовные зоны должны иметь стабильные свойства, иначе изделие не выдержит агрессивной среды. Качество шва критично — дефекты недопустимы.

Исторически никелевые сплавы — с содержанием Ni >50%. Современные сплавы содержат еще больше никеля. 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 никелевых сплавов

Используются дуговые процессы: MMA (ручная дуговая), MIG, TIG. При сварке электродами (MMA) шов получается прочнее основного металла. При MIG-сварке никеля защитный газ — смесь 50% He / 50% Ar.

Все обычные процессы подходят, кроме ковковой и газосварочной (кислород-ацетилен) сварки. Деформированные никелевые сплавы сварщиваются в условиях, похожих на аустенитные нержавейки. Литые сплавы с высоким кремнием дают трудности.

Наиболее распространенные процессы для незакаляемых (твердыми раствором) деформированных сплавов: GTAW (TIG), GMAW (MIG), SMAW (MMA). SAW (под флюсом) и ESW (электрошлаковая) имеют ограниченное применение, как и PAW (плазменная дуговая). Для закаляемых выделением фаз сплавов предпочтителен GTAW, но также применяют GMAW и SMAW.

Никелевые сплавы обычно сварщивают в состоянии после твердого раствора. Закаляемые сплавы должны быть отожжены перед сваркой, если были остаточные напряжения.

Типичные проблемы при сварке никелевых сплавов

Главная и серьезная проблема — горячие трещины. Возникают на границе плавления, в ЗТВ или в металле шва (чаще всего на границе плавления).

Причина — сера в сплаве или на поверхности; также вредны висмут, свинец, фосфор, бор. Необходимо идеально очистить ЗТВ и металл шва от масел, грязи, загрязнений. Избыток серы в наполнителе или основном металле также опасен.

Подготовка: обезжиривание, затем тщательное чистка нержавейной или стальной металлической щеткой. Растворитель должен быть для никелевых сплавов. Сварка в течение 8 часов после чистки, чтобы избежать повторного загрязнения.

Тепловая обработка только в электрической печи или на сернисто-свободном топливе, в вакууме или инертной среде.

Если деталь эксплуатировалась или ремонтируется — удалить заграза посадкой или шлифовкой в зоне ремонта.

Пористость — тоже проблема, особенно от кислорода/водорода (воздух в ванне). Нужен эффективный газовый перж и защита с лицевой и корневой сторон, идеальные газовые шланги, зона сварки защищена от сквозняков.

Подготовка к сварке никелевых сплавов

Критически важна. Главное — обеспечить доступ горелки и возможность полного проплавления.

Лучший стык «впритык» — квадратный, но ограничен толщиной. Поэтому часто используют U- или V-образную подготовку с углом 30–40° при толщине 10 мм для проплавления и наполнения.

Газовая подготовка: можно добавить до 10% водорода в инертную смесь — улучшает текучесть ванны.

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

После сварки может потребоваться шлифовка для удаления адгерирующего оксидного слоя на поверхности ванны — металлическая щетка может не справиться.

Послесварочная обработка

Тепловая или химическая обработка для восстановления коррозионной стойкости не требуется, но в некоторых случаях полное отжигание улучшает её.

Тепловая обработка может понадобиться по спецификации: снятие напряжений в сварных конструкциях для предотвращения закалки при старении или коррозионного растрескивания в парах фтористоводородной кислоты или едком натре. Если сварка внесла средние/высокие остаточные напряжения, закаляемые сплавы требуют отжига для снятия напряжений после сварки и перед закалкой.

Никель и сплавы чувствительны к ломкости от свинца, серы, фосфора и других низкоплавких элементов. Они могут быть в смазках, красках, маркерах, охлаждающих жидкостях, грязи. Заготовки должны быть абсолютно чистыми перед нагревом/сваркой. Масла, жиры — парообезжиривание или ацетон. Краски — хлорорид метиления, щелочные очистители (после них — обязательное промывание горячей водой). Маркирующая краска — спирт. Встроенные загрязнения — шлифовка, абразивная обработка, 10% HCl с последующим промыванием. Оксиды удаляют шлифовкой, механической обработкой, абразивом или декапированием.

Никелевые сплавы (литые и деформированные, твердые раствором и закаляемые) сварщиваются GTAW. Наполнитель рекомендуется. Полярность DCEN (прямая, электрод минус) для ручной и механизированной сварки.

Защитные газы

Аргон, гелий или их смесь. Добавки O₂, CO₂, N₂ в аргон вызывают пористость и эрозию электрода. Аргон с 5% H₂ можно использовать — помогает избежать пористости в чистом никеле и снижает оксиды.

Сварка литых никелевых сплавов

GTAW, GMAW, SMAW. Для лучших результатов литье отжигают перед сваркой — снятие литейных напряжений и гомогенизация структуры.

Легкая заковыка застывшего металла после первого прохода снимает напряжения и уменьшает трещины на стыке шва и литья. Заковыка последующих проходов малоэффективна. Желательно снятие напряжений после сварки.