Характеристики зварювання аустенітної нержавіючої сталі: під час зварювання виникають значні пружні та пластичні напруги та деформації, але холодні тріщини трапляються рідко. У зварних з’єднаннях немає зон загартування або значного укрупнення зерна, що забезпечує високу міцність на розрив зварного шва.
Основні проблеми при зварюванні аустенітної нержавіючої сталі: Значні зварювальні деформації; сприйнятливість до гарячого розтріскування через характеристики меж зерен і чутливість до певних мікродомішок (таких як S і P).
Зображення
Зображення
П’ять основних проблем зі зварюванням і заходи щодо їх пом’якшення для аустенітної нержавіючої сталі
01
Утворення карбідів хрому знижує стійкість зварного з'єднання до міжкристалічної корозії.
Міжкристалічна корозія: відповідно до теорії-збіднення хрому, коли зварний шов і зона-термічного впливу (ЗТВ) нагріваються в діапазоні температур сенсибілізації 450–850 градусів, карбіди хрому випадають в осад на межах зерен. Це створює зони-збіднення хромом на межах, що робить їх нездатними ефективно протистояти корозії.
(1) Наступні заходи можуть бути вжиті для пом’якшення міжкристалітної корозії в зварному шві та корозії в зоні сенсибілізації основного металу:
a. Знизити вміст вуглецю як в основному металі, так і в металі шва. Додайте стабілізуючі елементи (такі як Ti або Nb) до основного металу для переважного утворення карбідів типу MC-, таким чином запобігаючи утворенню Cr₂₃C₆.
b. Створіть дво{1}}фазну мікроструктуру в зварному шві, що складається з аустеніту та невеликої кількості фериту. Наявність фериту покращує зернисту структуру та збільшує загальну площу межі зерна, тим самим зменшуючи кількість опадів карбіду хрому на одиницю площі межі зерна.
Хром має більшу розчинність у фериті, тому Cr₂₃C₆ переважно утворюється у феритовій фазі, а не виснажує хром на межах зерен аустеніту. Крім того, ферит, диспергований всередині аустенітної матриці, діє як бар’єр, запобігаючи поширенню корозії в матеріал уздовж меж зерен.
в. Контролюйте час перебування в діапазоні температур сенсибілізації. Відрегулюйте термічний цикл зварювання, щоб мінімізувати час, витрачений на температуру від 600 градусів до 1000 градусів; Для цієї мети можна вибрати методи зварювання-високої{5}}енергії (такі як плазмове зварювання). Використовуйте меншу витрату тепла при зварюванні; продуйте задню частину зварного шва аргоном або використовуйте мідну основу для збільшення швидкості охолодження зварного з’єднання; мінімізуйте кількість запусків і зупинок дуги, щоб уникнути повторного нагрівання; і, для багатопрохідного зварювання, за можливості зварюйте поверхню, яка контактуватиме з корозійним середовищем, останньою.
d. Виконайте -обробку після зварювання розчином або стабілізуючий відпал (850–900 градусів) з подальшим охолодженням повітрям, щоб забезпечити повне виділення карбіду та прискорити дифузію хрому.
Зображення
(2) -ножовий удар (форма локалізованої корозії) у зварних з’єднаннях; можна вжити наступних профілактичних заходів:
Через високу дифузію вуглецю він відділяється на границях зерен під час охолодження, створюючи перенасичений стан, тоді як Ti та Nb залишаються всередині зерен через їх низьку дифузію. При повторному нагріванні зварного з’єднання в діапазоні температур сенсибілізації перенасичений вуглець виділяється на межах зерен у вигляді Cr₂3C₆.
a. Зменшити вміст вуглецю. Для нержавіючих сталей, що містять стабілізуючі елементи, вміст вуглецю не повинен перевищувати 0,06%.
b. Використовуйте відповідні процедури зварювання. Виберіть меншу потужність зварювального тепла, щоб скоротити час перебування перегрітої зони при високих температурах, і подбайте про те, щоб уникнути «проміжної-температурної сенсибілізації» під час зварювання.
Для двостороннього-зварювання шов зварного шва, який контактує з корозійним середовищем, має бути наплавлений останнім (це причина, чому внутрішнє зварювання виконується після зовнішнього зварювання для товстостінних-зварних труб великого-діаметра). Якщо це неможливо, параметри зварювання та геометрію шва слід відрегулювати, щоб мінімізувати сенсибілізуючий нагрів перегрітої зони, яка контактуватиме з корозійним середовищем.
в. Термообробка після -зварювання. Виконайте обробку розчином або стабілізаційну обробку після зварювання.
Зображення
02
Корозійне розтріскування під напругою
Для запобігання корозійному розтріскуванню під напругою можна вжити наступних заходів:
a. Правильний вибір матеріалу та відповідне коригування складу зварного шва. Аустенітні нержавіючі сталі Cr-Ni високої чистоти, Cr-Ni аустенітні нержавіючі сталі з високим вмістом-кремнію, феритні-аустенітні нержавіючі сталі та феритні нержавіючі сталі з високим вмістом-хрому виявляють гарну стійкість до корозії під напругою; метал зварного шва з дуплексною структурою аустеніту-фериту також забезпечує гарний опір.
b. Усуньте або зменшіть залишкову напругу. Виконайте термічну обробку-для зняття напруги-після зварювання та використовуйте механічні методи, такі як полірування, дробеструйне оброблення та оброблення молотком, щоб зменшити поверхневу залишкову напругу.
в. Раціональна конструкція конструкції, щоб уникнути значних концентрацій напруги.
Зображення
03
Зварювання гарячих тріщин (тріщини затвердіння зварного шва, тріщини розрідження в зоні термічного-впливу)
Схильність до гарячого розтріскування залежить насамперед від хімічного складу, мікроструктури та властивостей матеріалу. Нікель (Ni) легко утворює сполуки з низькою-температурою-плавлення або евтектики з такими домішками, як сірка (S) і фосфор (P); сегрегація таких елементів, як бор (B) і кремній (Si), також сприяє гарячому розтріскуванню.
Зварні шви мають тенденцію утворювати грубі стовпчасті зернисті структури з сильною спрямованістю, що сприяє виділенню шкідливих домішок і елементів. Це сприяє утворенню безперервних міжкристалічних рідких плівок, тим самим підвищуючи сприйнятливість до гарячого розтріскування. Не-рівномірне нагрівання під час зварювання може спричинити значні напруги розтягування, що ще більше сприяє утворенню гарячих тріщин.
Профілактичні заходи:
a. Суворо контролюйте вміст шкідливих домішок, таких як S і P.
b. Відрегулювати мікроструктуру металу шва. Зварні шви з дуплексною (дво-фазною) мікроструктурою демонструють добру стійкість до розтріскування; фаза дельта (δ) у зварному шві покращує зерна, усуває спрямованість одно-фазового аустеніту та зменшує сегрегацію шкідливих домішок на границях зерен. Крім того, δ-фаза може розчиняти більшу кількість S і P і знижувати міжфазну енергію, тим самим перешкоджаючи утворенню міжзеренних рідких плівок.
в. Відрегулювати склад сплаву наплавленого металу. Відповідне збільшення вмісту Mn, C і N в одно-фазній аустенітній сталі та додавання мікроелементів, таких як церій (Ce), цирконій (Zr) або тантал (Ta)-, які покращують мікроструктуру зварного шва та очищають межі зерен-, можуть зменшити схильність до гарячих тріщин.
d. Заходи процесу. Зведіть до мінімуму перегрів зварювальної ванни, щоб запобігти утворенню грубих стовпчастих зерен; використовувати низьке підведення тепла (низька лінійна енергія) і малий{2}}поперечний-переріз зварних валиків.
Наприклад, аустенітні сталі 25-20 схильні до розтріскування зрідження. Заходи для пом’якшення цього включають суворе обмеження вмісту домішок і розміру зерна в основному металі, використання методів зварювання з високою-енергетичною щільністю, використання низького підведення тепла та збільшення швидкості охолодження з’єднання. Зображення
04
Крихкість зварних з'єднань
Для жароміцних-сталей необхідно забезпечити пластичність зварних з’єднань, щоб запобігти високо{1}}температурній крихкості; для низько{2}}температурних сталей необхідна хороша низько{3}}температурна в’язкість, щоб запобігти крихкому руйнуванню зварних з’єднань за низьких температур.
Зображення
05
Значна зварювальна деформація
Завдяки низькій теплопровідності і високому коефіцієнту теплового розширення деформація при зварюванні має тенденцію бути значною; щоб запобігти цьому, можна використовувати пристосування. Вибір методів зварювання і матеріалів аустенітної нержавіючої сталі:
Аустенітну нержавіючу сталь можна зварювати за допомогою таких методів, як зварювання в інертному газі вольфраму (TIG), зварювання в інертному газі (MIG), плазмове дугове зварювання (PAW) і дугове зварювання під флюсом (SAW).
Аустенітна нержавіюча сталь має низьку температуру плавлення, низьку теплопровідність і високий питомий електричний опір; тому використовуються менші зварювальні струми. Слід використовувати вузькі зварні шви та вузькі зварні валики, щоб мінімізувати час витримки при високій-температурі, запобігти випаданню карбіду, зменшити напругу усадки зварного шва та зменшити схильність до гарячих тріщин.
Склад витратних матеріалів для зварювання-зокрема легуючих елементів, таких як Cr і Ni-має бути вищим, ніж основний метал. Зварювальні матеріали, що містять невелику кількість (4%–12%) фериту, використовуються для забезпечення гарної стійкості до розтріскування (проти холодного розтріскування, гарячого розтріскування та корозійного розтріскування під напругою) у зварному шві.
Якщо присутність феритової фази в зварному шві заборонена або неможлива, слід вибирати зварювальні матеріали, що містять легуючі елементи, такі як Mo і Mn.
Рівні C, S, P, Si та Nb у витратних матеріалах для зварювання повинні бути якомога нижчими; хоча Nb може спричинити розтріскування при затвердінні в повністю аустенітних зварних швах, присутність невеликої кількості фериту в зварному шві може ефективно запобігти цьому.
Витратні матеріали для зварювання, що містять Nb, зазвичай вибираються для зварних конструкцій, які потребують стабілізації після-зварювання або обробки-для зняття напруги. Зварювання під флюсом використовується для пластин середньої-товщини; втрати Cr і Ni від вигоряння можуть бути компенсовані перенесенням легуючих елементів із флюсу та зварювального дроту.
Через глибоке проварювання слід подбати про те, щоб запобігти утворенню гарячих тріщин у центрі зварного шва та уникнути зниження стійкості до корозії в зоні термічного-впливу (HAZ). Слід звернути увагу на вибір більш тонких зварювальних дротів і меншої тепловіддачі; зварювальний дріт повинен мати низький вміст Si, S і P.
Вміст фериту в зварювальних швах із жаростійкої нержавіючої сталі не має перевищувати 5%. Для аустенітних нержавіючих сталей із вмістом Cr і Ni понад 20% слід використовувати зварювальний дріт із високим-марганцем (6%–8%) і основний або нейтральний флюс; це запобігає накопиченню кремнію в зварному шві та підвищує стійкість до розтріскування.
Флюси, спеціально розроблені для аустенітної нержавіючої сталі, забезпечують мінімальне захоплення кремнію та можуть переносити легуючі елементи в зварний шов, щоб компенсувати втрати від вигорання, таким чином задовольняючи вимоги до властивостей зварного шва та хімічного складу.
