Сварка нержавеющих сталей

Каховский Н.И.

Техника, 1968 г.

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГОВОЙ СВАРКИ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Современные нержавеющие стали, даже не подвергнутые специальному металлургическому улучшению — вакуумному, электрошлаковому, плазменно-дуговому переплавам,— отличаются хорошей раскисленностью и высокой чистотой по кислороду и  вредным примесям. Поэтому с целью приблизить свойства металла шва к свойствам основного металла при сварке стали стремятся ограничить насыщение сварочной ванны кислородом, серой, фосфором, а в ряде случаев — углеродом и даже кремнием и, кроме того, обеспечить хорошее раскисление жидкого металла, а также измельчить структуру шва. Все это тем более важно, что литой металл шва, как правило, по пластичности и вязкости несколько уступает основному катаному металлу. Засорение же шва указанными примесями может привести  ухудшению его свойств и снижению работоспособности сварных изделий. Кроме того, несмотря на большую растворимость и полезность азота в высоколегированном металле по сравнению с углеродистым нелегированным или низколегированным, чрезмерное насыщение жидкого металла сварочной ванны азотом за счет воздуха (при сварке без защиты) может вызвать пористость шва особенно при многослойной сварке. Подтверждением этого является образование пор в многослойном шве в местах, где нарушалась защита зоны сварки из-за плохой подачи флюса или газа.

Контактирование жидкого металла с воздухом при сварке тем более нежелательно, так как одновременно с азотом в металл шва может попадать в большом количестве также и кислород. Причем кислород, попавший в большом количестве в металл вместе с азотом, остается в нем как в растворенном виде, так и в виде оксидных включений, ухудшая механические свойства. В последнее время установлено, что азот при контактировании с жидким металлом в чистом виде или в смеси с инертной средой (аргоном, гелием) растворяется в нем в значительно меньшем количестве, чем в присутствии кислорода [206, 26, 28]. Раньше считали [157, 61, 62], что присутствие кислорода в зоне сварки, например при сварке в углекислом газе, уменьшает насыщение металла шва азотом вследствие нерастворимости закиси азота в жидком металле. В. И. Дятлов полагает, что образовавшаяся при высоких температурах закись азота хорошо адсорбируется поверхностью жидкого металла капель электрода, затем при понижении температуры диссоциирует на поверхности, и атомы азота и кислорода растворяются в металле. Естественно, что при этом значительная часть азота и тем более кислорода образуют оксиды и нитриды.

В качестве защитной среды при дуговой сварке нержавеющих сталей так же, как и при сварке ответственных изделий из конструкционных сталей, применяют газы и шлаки, а чаще — комбинированную шлакогазовую защиту. К чисто газовым защитам относятся аргон, гелий, углекислый газ, смеси аргона с гелием, аргона с кислородом или углекислым газом, к шлаковым, точнее, к шлако-газовым защитам,— покрытия ручных металлических электродов, флюсы. В каждую из этих групп входят нейтральные защитные среды, не вступающие или частично вступающие во взаимодействие с жидким металлом, и активные защитные среды, вступающие в химическое взаимодействие с жидким металлом капель электродного металла и сварочной ванны.

Нейтральной газовой защитной средой, наиболее часто применяемой при сварке нержавеющих сталей, является аргон, реже— гелий или смесь этих газов. Из активных газов наиболее часто используют смеси аргона с кислородом или с углекислым газом, а также чистый углекислый газ. Для сварки хромоникелевых аустенитных и ферритно-аустенитных сталей можно также применять чистый азот, что в практике, однако, не имеет места.

В аргоне, применяемом для сварки, содержится не более 0,08% азота и не более 0,015% кислорода. При таком количестве примесей ощутимого насыщения металла шва азотом не наблюдается, что весьма важно при сварке черных сталей. При выполнении аустенитных швов, не содержащих ниобий и титан, наличие в аргоне до 6% азота оказывается не только не вредным, но даже полезным. В ряде же случаев, особенно при выполнении аустенитно-ферритных швов с заданным количеством ферритной фазы, при сварке хромистых мартенситных сталей проволоками, по составу близкими к основному металлу, содержащими титан, ниобий, чрезмерное насыщение сварочной ванны азотом оказывается нежелательным. Поэтому содержание азота в аргоне ограничивают.

Что касается углекислого газа, применяемого для сварки, то содержание в нем азота ограничивается 0,1%, так как насыщение последним сварочной ванны в присутствии кислорода, образующегося в дуге вследствие диссоциации углекислого газа, более значительно, чем при сварке в аргоне. Особенно опасно насыщение сварочной ванны азотом при сварке черных металлов или комбинированных соединений конструкционных углеродистых или низколегированных сталей с аустенитными. Достаточно чистый от примесей углекислый газ находит все возрастающее применение в качестве защитной среды Htтолько при сварке конструкционных, но и высоколегированных сталей.

Таким образом, при сварке можно применять следующие смеси газов: аргон + гелий, аргон + азот, аргон + кислород, аргон + углекислый газ. При сварке в чистом аргоне или смеси аргона с гелием вследствие весьма незначительного количества в них кислорода наплавленный металл мало отличается от электродного. Титана, например, из проволоки в шов переходит 80—90%. Шов при этом достаточно чист от шлаковых включений и газов. При сварке же в газах, содержащих кислород, в том числе и в углекислом газе, наблюдается интенсивное выгорание титана, марганца, кремния, в меньшей степени — хрома, ниобия. Так, при сварке в углекислом газе титан из хромоникелевой проволоки выгорает на 65—85%, марганец — на 30—40%, кремний—на 25—35%, хром —на 10—20%, ниобий—на 20—30%. Если в нержавеющих присадочных проволоках содержится свыше 0,07^0,08% углерода, то он выгорает при сварке в углекислом газе на 5—15%, а При содержании его в проволоке меньше

0,07—0,08% происходит некоторое науглероживание металла шва за счет газовой фазы [263, 279, 145J.

Переход элементов из проволоки в шов зависит от режима сварки. С повышением напряжения дуги возрастает время пребывания жидкого электродного металла в дуге (время накопления капли на электроде и переноса его в ванну), вследствие чего полнота реакций взаимодействия этого металла с защитной средой (газом, шлаком) при сварке возрастает. Увеличение силы тока действует в противоположном направлении [62, 157].

Для компенсации выгорания легкоокисляющихся элементов содержание их в проволоке и в электродах должно быть соответственно более высоким, чем требуемое количество этих элементов в металле шва. Кроме того, с целью уменьшения выгорания титана и ниобия, необходимых в ряде случаев для связывания углерода, в проволоку дополнительно вводят алюминий, отличающийся наиболее сильным из всех отмеченных элементов химическим сродством к кислороду. Так, например, при сварке в углекислом газе введение в проволоку 0,54% А1 уменьшило выгорание титана до 50—60% вместо 65—85% без алюминия и ниобия до 15—25% вместо 20—30%. При этом значительно уменьшилось выгорание марганца, а хром практически не выгорал и полностью перешел в шов.

Введение в хромоникелевую проволоку титана или, тем более, совместно титана, алюминия, большого количества кремния и марганца при сварке в углекислом газе способствует переходу углерода из газовой фазы в шов, что необходимо учитывать при изготовлении химической аппаратуры из нержавеющих сталей.

В качестве защитной среды при автоматической дуговой сварке широко применяют флюсы.