Для сварки нержавеющей стали необходимо правильно подобрать защитный газ, чтобы сохранить ее металлургический состав и связанные с ним физические и механические свойства. К распространенным защитным газам для нержавеющей стали относятся аргон, гелий, кислород, диоксид углерода, азот и водород (см. рис. 1). Эти газы смешиваются в различных пропорциях в зависимости от способа подачи, типа проволоки, основных сплавов, желаемого профиля шва и скорости сварки.
Из-за низкой теплопроводности нержавеющей стали и относительно «холодного» характера сварки в среде защитного газа с коротким замыканием (GMAW) этот процесс требует использования «трехкомпонентной» газовой смеси, состоящей из 85–90% гелия (He), до 10% аргона (Ar) и 2–5% диоксида углерода (CO2). Обычно используемая трехкомпонентная смесь содержит 90% He, 7,5% Ar и 2,5% CO2. Высокий потенциал ионизации гелия способствует образованию дуги после короткого замыкания; в сочетании с его высокой теплопроводностью использование He повышает текучесть расплавленной ванны. Компонент Ar в составе трехкомпонентной смеси обеспечивает общую защиту сварочной ванны, а CO2 действует как реактивный компонент, стабилизирующий дугу (см. рисунок 2, показывающий, как различные защитные газы влияют на профиль сварочного шва).
В некоторых тройных смесях в качестве стабилизатора может использоваться кислород, в то время как в других для достижения того же эффекта используется смесь He/CO2/N2. Некоторые газораспределительные компании имеют собственные газовые смеси, обеспечивающие заявленные преимущества. Дилеры также рекомендуют эти смеси для других способов транспортировки с тем же эффектом.
Самая большая ошибка, которую допускают производители, — это попытка выполнить сварку нержавеющей стали методом GMAW с использованием той же газовой смеси (75 Ar/25 CO2), что и для низкоуглеродистой стали, обычно потому, что они не хотят возиться с дополнительным баллоном. Эта смесь содержит слишком много углерода. Фактически, любой защитный газ, используемый для сварки сплошной проволокой, должен содержать максимум 5% диоксида углерода. Использование больших количеств приводит к образованию металлургического сплава, который больше не считается сплавом L-класса (сплав L-класса имеет содержание углерода ниже 0,03%). Избыток углерода в защитном газе может привести к образованию карбидов хрома, которые снижают коррозионную стойкость и механические свойства. На поверхности сварного шва также может появиться сажа.
В качестве дополнительной информации следует отметить, что при выборе присадочных материалов для сварки GMAW с использованием основных сплавов серии 300 (308, 309, 316, 347) производителям следует выбирать марки LSi. Присадочные материалы LSi имеют низкое содержание углерода (0,02%) и поэтому особенно рекомендуются при наличии риска межкристаллитной коррозии. Более высокое содержание кремния улучшает свойства сварного шва, такие как смачиваемость, что способствует выравниванию верхней части сварного шва и улучшает сплавление в его основании.
Производителям следует проявлять осторожность при использовании процессов переноса с коротким замыканием. Неполное сплавление может произойти из-за гашения дуги, что делает этот процесс неподходящим для ответственных применений. В условиях больших объемов производства, если материал выдерживает заданную тепловую нагрузку (≥ 1/16 дюйма — это приблизительно самая тонкая толщина материала, свариваемого в импульсном режиме распыления), импульсный перенос будет лучшим выбором. Там, где толщина материала и место сварки это позволяют, предпочтительнее использовать струйную сварку GMAW, поскольку она обеспечивает более равномерное сплавление.
Эти режимы с высокой теплопередачей не требуют использования защитного газа на основе гелия. Для сварки распылением сплавов серии 300 обычно используется смесь, состоящая из 98% аргона и 2% реактивных элементов, таких как CO2 или O2. Некоторые газовые смеси могут также содержать небольшое количество азота. Азот обладает более высоким потенциалом ионизации и теплопроводностью, что способствует смачиванию и обеспечивает более быстрое перемещение или улучшенную проницаемость; он также уменьшает деформацию.
Для импульсной сварки GMAW с распылением 100% аргон может быть приемлемым выбором. Поскольку импульсный ток стабилизирует дугу, для этого газа не всегда требуются активные элементы.
Расплавление происходит медленнее для ферритных и дуплексных нержавеющих сталей (соотношение феррита и аустенита 50/50). Для этих сплавов газовая смесь, например, ~70% Ar/~30% He/2% CO2, способствует лучшему смачиванию и увеличивает скорость сварки (см. рис. 3). Аналогичные смеси можно использовать для сварки никелевых сплавов, но они вызывают образование оксидов никеля на поверхности сварного шва (например, добавление 2% CO2 или O2 достаточно для увеличения содержания оксидов, поэтому производителям следует избегать их или быть готовыми потратить много времени на их удаление). Абразивные материалы, поскольку эти оксиды настолько твердые, что проволочная щетка обычно их не удаляет.
Производители используют порошковую проволоку из нержавеющей стали для сварки вне сварочного аппарата, поскольку шлаковая система в этой проволоке образует «опору», поддерживающую сварочную ванну по мере ее затвердевания. Благодаря тому, что состав флюса смягчает воздействие CO2, порошковая проволока из нержавеющей стали предназначена для использования со смесями газов 75% Ar/25% CO2 и/или 100% CO2. Хотя порошковая проволока может стоить дороже за килограмм, стоит отметить, что более высокие скорости сварки во всех положениях и скорости наплавки могут снизить общие затраты на сварку. Кроме того, порошковая проволока использует обычный выход постоянного напряжения, что делает базовую сварочную систему менее дорогой и менее сложной, чем импульсные системы GMAW.
Для сплавов серий 300 и 400 стандартным методом газодуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW) остается 100% аргон. При сварке некоторых никелевых сплавов методом GTAW, особенно при механизированных процессах, для увеличения скорости перемещения может добавляться небольшое количество водорода (до 5%) (следует отметить, что в отличие от углеродистых сталей, никелевые сплавы не склонны к водородному растрескиванию).
Для сварки супердуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей хорошим выбором являются смеси 98% Ar/2% N2 и 98% Ar/3% N2 соответственно. Для улучшения смачиваемости примерно на 30% можно также добавить гелий. При сварке супердуплексных или супердуплексных нержавеющих сталей цель состоит в получении соединения со сбалансированной микроструктурой, состоящей примерно из 50% феррита и 50% аустенита. Поскольку формирование микроструктуры зависит от скорости охлаждения, и поскольку сварочная ванна TIG быстро остывает, при использовании 100% Ar остается избыток феррита. При использовании газовой смеси, содержащей N2, N2 перемешивается с расплавленной ванной и способствует образованию аустенита.
Для получения сварного шва с максимальной коррозионной стойкостью нержавеющая сталь должна быть защищена с обеих сторон соединения. Отсутствие защиты обратной стороны может привести к «осахариванию», или обширному окислению, которое может вызвать разрушение припоя.
Для герметичных стыковых соединений с неизменно отличной посадкой или плотной герметизацией задней части фитинга может не потребоваться защитный газ. В этом случае основная проблема заключается в предотвращении чрезмерного изменения цвета зоны термического воздействия из-за накопления оксидов, которое затем требует механического удаления. Технически, если температура на задней стороне превышает 500 градусов по Фаренгейту, требуется защитный газ. Однако более консервативный подход заключается в использовании 300 градусов по Фаренгейту в качестве порогового значения. В идеале, содержание O2 в подложке должно быть ниже 30 ppm. Исключением является случай, когда задняя сторона сварного шва будет обработана, зачищена и сварена для достижения полного проплавления.
В качестве вспомогательных газов чаще всего используются N2 (самый дешевый) и Ar (более дорогой). Для небольших сборок или при наличии доступных источников Ar может быть удобнее использовать этот газ, и экономия на N2 может оказаться нецелесообразной. Для снижения окисления можно добавить до 5% водорода. Существует множество коммерческих вариантов, но распространены самодельные вспомогательные газы и очистные сооружения.
Добавление 10,5% или более хрома придает нержавеющей стали ее нержавеющие свойства. Поддержание этих свойств требует хорошей техники в выборе правильного защитного газа для сварки и защиты обратной стороны шва. Нержавеющая сталь дорога, и есть веские причины для ее использования. Нет смысла экономить на защитном газе или присадочных металлах. Поэтому всегда имеет смысл сотрудничать с опытным поставщиком газов и специалистом по присадочным металлам при выборе газа и присадочного металла для сварки нержавеющей стали.
Будьте в курсе последних новостей, событий и технологий в области всех металлов благодаря нашим двум ежемесячным информационным бюллетеням, которые мы выпускаем специально для канадских производителей!
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала Canadian Metalworking, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала Made in Canada and Welding, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.