Сварка нержавеющих сталей

Раздел ГРНТИ: Сварка
Каховский Н.И.
Техника, 1968 г.

Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям.
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.