Сварочные характеристики аустенитной нержавеющей стали: Во время сварки возникают значительные упругие и пластические напряжения и деформации, однако образование холодных трещин происходит редко. Сварные соединения не имеют зон закалки-закалки или значительного укрупнения зерен, что обеспечивает высокую прочность сварного шва на разрыв.
Ключевые проблемы при сварке аустенитной нержавеющей стали: Значительная сварочная деформация; склонность к горячему растрескиванию из-за характеристик границ зерен и чувствительности к некоторым микропримесям (таким как S и P).
Изображение
Изображение
Пять основных проблем сварки и меры по их устранению для аустенитной нержавеющей стали
01
Образование карбидов хрома снижает стойкость сварного соединения к межкристаллитной коррозии.
Межкристаллитная коррозия. Согласно теории-истощения хрома, когда сварной шов и зона термического-влияния (ЗТВ) нагреваются в диапазоне температур сенсибилизации 450–850 градусов, карбиды хрома выпадают в осадок на границах зерен. Это создает на границах зоны,-обедненные хромом, что делает их неспособными эффективно противостоять коррозии.
(1) Для уменьшения межкристаллитной коррозии в сварном шве и коррозии в зоне сенсибилизации основного металла могут быть приняты следующие меры:
а. Уменьшите содержание углерода как в основном металле, так и в металле сварного шва. Добавьте стабилизирующие элементы (такие как Ti или Nb) к основному металлу, чтобы преимущественно образовать карбиды типа MC-, тем самым предотвращая образование Cr₂₃C₆.
б. Создайте в сварном шве двухфазную микроструктуру, состоящую из аустенита и небольшого количества феррита. Наличие феррита измельчает структуру зерна и увеличивает общую площадь границ зерен, тем самым уменьшая количество выделений карбида хрома на единицу площади границ зерен.
Хром имеет более высокую растворимость в феррите, поэтому Cr₂₃C₆ образуется преимущественно внутри ферритной фазы, а не обедняет хром на границах зерен аустенита. Кроме того, феррит, диспергированный в аустенитной матрице, действует как барьер, предотвращая распространение коррозии в материал по границам зерен.
в. Контролируйте время пребывания в пределах температурного диапазона сенсибилизации. Отрегулируйте тепловой цикл сварки, чтобы минимизировать время, затрачиваемое на температуру от 600 до 1000 градусов; Для этой цели можно выбрать методы сварки с высокой-энергией-плотностью (например, плазменно-дуговую сварку). Используйте меньшее тепловложение при сварке; продуть тыльную сторону сварного шва аргоном или использовать медную подложку, чтобы увеличить скорость охлаждения сварного соединения; минимизируйте количество включений и остановок дуги, чтобы избежать повторного нагрева; а при многопроходной сварке по возможности сваривайте поверхность, которая будет контактировать с коррозионной средой, в последнюю очередь.
д. Выполните обработку раствором после-сварки или стабилизирующий отжиг (850–900 градусов) с последующим воздушным охлаждением, чтобы обеспечить полное осаждение карбидов и ускорить диффузию хрома.
Изображение
(2) Ножевое-повреждение (разновидность локализованной коррозии) в сварных соединениях; можно принять следующие профилактические меры:
Из-за высокого коэффициента диффузии углерода он сегрегирует по границам зерен при охлаждении, создавая пересыщенное состояние, тогда как Ti и Nb остаются внутри зерен из-за их низкого коэффициента диффузии. При повторном нагреве сварного соединения в диапазоне температур сенсибилизации на границах зерен выделяется пересыщенный углерод в виде Cr₂₃C₆.
а. Уменьшите содержание углерода. Для нержавеющих сталей, содержащих стабилизирующие элементы, содержание углерода не должно превышать 0,06%.
б. Используйте соответствующие процедуры сварки. Выберите более низкое тепловложение при сварке, чтобы сократить время пребывания перегретой зоны при высоких температурах, и позаботьтесь о том, чтобы избежать «промежуточной-температурной сенсибилизации» во время сварки.
При двусторонней-сварке сварной валик, контактирующий с коррозионно-активной средой, следует наплавлять в последнюю очередь (по этой причине внутреннюю сварку выполняют после наружной сварки для толстостенных сварных труб большого-диаметра-). Если это невозможно, параметры сварки и геометрию сварного шва следует отрегулировать так, чтобы свести к минимуму сенсибилизирующий нагрев перегретой зоны, которая будет контактировать с коррозионной средой.
в. Термическая обработка после-сварки. После сварки выполните обработку раствором или стабилизирующую обработку.
Изображение
02
Коррозионное растрескивание под напряжением
Для предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением могут быть приняты следующие меры:
а. Правильный выбор материала и соответствующая регулировка состава сварного шва. Аустенитные нержавеющие стали с высоким-чистотой Cr-Ni, аустенитные нержавеющие стали с высоким содержанием-Cr-Ni, ферритные-аустенитные нержавеющие стали и ферритные нержавеющие стали с высоким-хромием демонстрируют хорошую стойкость к коррозии под напряжением; Наплавленный металл с дуплексной аустенитной-ферритной структурой также обладает хорошей стойкостью.
б. Устранить или уменьшить остаточное напряжение. Выполните термообработку для снятия-сварного напряжения-снятие напряжения и используйте механические методы, такие как полировка, дробеструйная обработка и упрочнение (ударка молотком), чтобы уменьшить поверхностное остаточное напряжение.
в. Рациональная конструкция конструкции, позволяющая избежать значительной концентрации напряжений.
Изображение
03
Заварка горячих трещин (трещины затвердевания шва, трещины зоны термического-разжижения)
Склонность к горячему растрескиванию зависит, прежде всего, от химического состава, микроструктуры и свойств материала. Никель (Ni) легко образует соединения с низкой-точкой-плавления или эвтектики с такими примесями, как сера (S) и фосфор (P); сегрегация таких элементов, как бор (B) и кремний (Si), также способствует образованию горячих трещин.
Сварные швы имеют тенденцию образовывать крупнозернистую столбчатую структуру с сильной направленностью, что способствует отделению вредных примесей и элементов. Это способствует образованию сплошных межзеренных пленок жидкости, тем самым повышая склонность к горячему растрескиванию. Не-неравномерный нагрев во время сварки может вызвать значительные растягивающие напряжения, что еще больше способствует образованию горячих трещин.
Профилактические меры:
а. Строго контролируйте содержание вредных примесей, таких как S и P.
б. Отрегулируйте микроструктуру металла сварного шва. Сварные швы с дуплексной (двух-фазной) микроструктурой обладают хорошей трещиностойкостью; дельта-фаза (δ) в сварном шве измельчает зерна, устраняет направленность однофазного аустенита и уменьшает сегрегацию вредных примесей на границах зерен. Кроме того, δ-фаза может растворять большие количества S и P и снижать межфазную энергию, тем самым ингибируя образование межзеренных жидких пленок.
в. Отрегулируйте состав сплава металла сварного шва. Соответствующее увеличение содержания Mn, C и N в однофазной аустенитной стали и добавление микроэлементов, таких как церий (Ce), цирконий (Zr) или тантал (Ta)-, которые улучшают микроструктуру сварного шва и очищают границы зерен-, могут снизить склонность к образованию горячих трещин.
д. Процессуальные меры. Свести к минимуму перегрев сварочной ванны во избежание образования крупных столбчатых зерен; использовать низкое тепловложение (низкая линейная энергия) и сварные швы небольшого-поперечного-сварного сечения.
Например, аустенитные стали типа 25-20 склонны к растрескиванию при разжижении. Меры по смягчению этого явления включают строгое ограничение содержания примесей и размера зерен в основном металле, использование методов сварки с высокой-плотностью энергии, низкое тепловложение и увеличение скорости охлаждения соединения. Изображение
04
Охрупчивание сварных соединений
Для жаропрочных-сталей необходимо обеспечить пластичность сварных соединений во избежание высоко-температурного охрупчивания; для низкотемпературных сталей необходима хорошая низкотемпературная-вязкость для предотвращения хрупкого разрушения сварных соединений при низких температурах.
Изображение
05
Значительная сварочная деформация
Из-за низкой теплопроводности и высокого коэффициента теплового расширения сварочная деформация имеет тенденцию быть значительной; Чтобы предотвратить это, можно использовать приспособления. Выбор методов сварки и материалов для аустенитной нержавеющей стали:
Аустенитную нержавеющую сталь можно сваривать такими методами, как сварка вольфрамовым инертным газом (TIG), сварка металлов в инертном газе (MIG), плазменная дуговая сварка (PAW) и дуговая сварка под флюсом (SAW).
Аустенитная нержавеющая сталь имеет низкую температуру плавления, низкую теплопроводность и высокое электрическое сопротивление; поэтому используются более низкие сварочные токи. Необходимо использовать узкие сварные швы и узкие сварные валики, чтобы свести к минимуму время выдержки при высоких -температурах, предотвратить выделение карбидов, уменьшить напряжение усадки сварного шва и снизить склонность к горячему растрескиванию.
Состав сварочных материалов,-особенно легирующих элементов, таких как Cr и Ni,-должен быть выше, чем у основного металла. Для обеспечения хорошей трещиностойкости (от холодного, горячего и коррозионного растрескивания под напряжением) сварного шва применяют сварочные материалы, содержащие небольшое количество (4–12%) феррита.
Когда наличие ферритной фазы в сварном шве запрещено или невозможно, следует выбирать сварочные материалы, содержащие легирующие элементы, такие как Mo и Mn.
Уровни C, S, P, Si и Nb в сварочных материалах должны поддерживаться как можно более низкими; хотя Nb может вызвать растрескивание при затвердевании в полностью аустенитных сварных швах, присутствие небольшого количества феррита в сварном шве может эффективно предотвратить это.
Сварочные материалы, содержащие Nb, обычно выбираются для сварных конструкций, требующих обработки после-стабилизации или снятия напряжений-. Дуговая сварка под флюсом используется для пластин средней-толщины; потери при выгорании Cr и Ni можно компенсировать за счет переноса легирующих элементов из флюса и сварочной проволоки.
Из-за глубокого проплавления необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить образования горячих трещин в центре сварного шва и не допустить снижения коррозионной стойкости в зоне термического-влияния (ЗТВ). Следует обратить внимание на выбор более тонкой сварочной проволоки и меньшего тепловложения; сварочная проволока должна иметь низкое содержание Si, S и P.
Содержание феррита в сварных швах жаропрочных-нержавеющих сталей не должно превышать 5 %. Для аустенитных нержавеющих сталей с содержанием Cr и Ni более 20 % следует использовать сварочную проволоку с высоким-марганцем (6–8%) и основной или нейтральный флюс; это предотвращает попадание кремния в сварной шов и повышает устойчивость к растрескиванию.
Флюсы, специально разработанные для аустенитной нержавеющей стали, обеспечивают минимальное поглощение кремния и могут переносить легирующие элементы в сварной шов, чтобы компенсировать потери от пригорания, тем самым удовлетворяя требованиям к свойствам сварного шва и химическому составу.
