Способы сварки нержавеющей стали

Соединение листов или деталей из стали коррозионностойкого класса производится методом сваривания. Сварка нержавеющей стали происходит с учетом физико-химических особенностей материала, применяется несколько возможных вариантов сварных работ.

Факторы состава

Особенностью нержавеющих видов сплавов железа является то, что эта группа металлического материала относится к категории высоколегированных. В них содержится целый ряд элементов со своими характеристиками, которые приходится учитывать в работе.

Основное свойство – антикоррозийность, устойчивость к процессам ржавления, определяется содержанием хрома. В нержавеющих сталях процентная доля этого химического элемента бывает от 12 до 30%. Другие элементы также добавляют сплаву устойчивости к коррозийным воздействие, а также укрепляют стальной материал, добавляют прочности, твердости, влияют на иные свойства, включая свариваемость.
В совокупности они определяют особенности процесса сварки нержавеющих сплавов.

Какие элементы входят в состав нержавеющих сталей

Основные компоненты стали: железо, на котором базируются все виды этого металлического материала, хром и углерод.

Легирование стали хромом позволяет значительно укрепить защитные свойства железа по отношению к коррозии в различных средах, включая агрессивные. Если хрома более 13%, ржавления не происходит в обычной, неагрессивной и слабоагрессивной среде, если содержание – свыше 17%, коррозионностойкость проявляется в агрессивных средах, таких как кислоты, щелочи, морская вода и другие.
В химическом отношении это выглядит как появление на поверхности деталей, заготовок из нержавейки пассивирующего слоя окислов Cr. Пленка пропускает кислород, останавливая окислительные процессы на поверхности, они не проникают вглубь металла. Если возникают на поверхности дефекты — порезы, царапины, оксидная пленка разрушается, но вступление атомов хрома в реакцию с кислородом образует новый окисел, образующий защиту от ржавчины. Это полезное свойство создает определенные условия при сварке, которые необходимо учитывать.

В коррозионностойкой стали присутствуют и другие элементы: С – углерод, Si – кремний, Mn – марганец, S – сера, Ni – никель, P – фосфор и другие. Углерод существенным образом влияет на прочность материала, а никель стабилизирует аустенитную структуру металла, то есть укрепляет кристаллическую решетку исходного материала.
Добавление различных компонентов проводится на производстве по нормативным документам ГОСТ. Легирование проводится различными металлами, такими как Ti – титан (Т), Co – кобальт (К), Mo – молибден (М), Cu – медь (Д). Буквы скобках – это обозначение элементов для металлургического процесса по российским стандартам.

Физико-механические характеристики нержавеющей стали, влияющие на процессы сварки

Эффективность сварочных процессов определяется большим количеством входящих параметров. Основные из них – характеристики материала:

• Теплопроводящие свойства коррозионностойкой стали ниже, чем у железосодержащих сплавов низкоуглеродного класса. Разница может составлять 50-100%, это определяется маркой. Такие свойства приходится учитывать во время сварки, иначе может произойти прожог металла.
• Высокое электрическое сопротивление влияет на скорость сгорания электрода. Быстрое сгорание вызывается его активным и быстрым нагревом. Отсюда, существует рекомендация по отношению к сварочным стержням: желательно, что бы они были из хромоникелевых сплавов.
• Коэффициент линейного расширения достигает больших значений. Это вызывает необходимость выдерживания определенного зазора между электродом и свариваемым металлом. Он позволит обеспечить усадку шва, иначе возможно возникновение трещин и других дефектов.
• Температура сварного процесса проходит при температурах от 600 до 1200 гр. С.
• Возможность проявления межкристаллической коррозии.
  При повышении температуры выше 500 гр. С в коррозионностойких сплавах в структуре металла могут образовываться слои карбида хрома Cr3C2. Это вызывает необходимость правильной настройки режима сварки. Это применимо к деталям из хромоникелевых вариантов стали, в которых присутствует аустенитная структура.

Способы сварки нержавеющей стали

Сваривание сплавов с большим процентным содержанием хрома проходит с применением ряда технологий:

1. Аргонодуговая сварка с помощью стержней, изготовленных из вольфрама в режимах инверторного типа AC/DC TIG.
2. Дуговая сварка ручного типа покрытым электродом – режим ММА.
3. Сварка нержавейки полуавтоматом в газовой аргоновой среде MIG и с применением стержней из нержавеющей стали.
4. Холодная сварка под давлением без плавления металла.
5. Контактный точечный способ.
6. Применение лазера.
7. Плазменная сварка.

В современных технологиях задействуется большой спектр сварочного оборудования. Они предоставляют возможности работы на производстве, а также позволяют самостоятельным мастерам в условиях гаражной мастерской или дома проводить сварку стали.

Электроды для сварочного процесса

Важный момент- правильный подбор сварных стержней, которые предлагаются в самых разных вариантах. Специалисты отмечают, что сваривание нержавеющих сплавов можно осуществлять обычными электродами, но такой вариант рекомендуется только для деталей и изделий бытового ряда. Промышленные конструкции требуют для работы специальных расходных материалов. Они отличаются специализированными видами покрытий.

С точки зрения расходных материалов для нержавеющих сталей применяют два основных вида соединения кромок изделий:

• Использование покрытых электродов.
• Применение стержней, изготовленных их вольфрама.

Первые относятся к категории плавящихся металлических стержней. Они покрываются органическими и неорганическими веществами, которые при горении дуги создают защитное газовое облако. Оно собирается вокруг места сварки, образуя сварную ванну. Часть покрытия становится жидкой, садится на сплавляемый металл, образуя границу с кислородом воздуха. Таким способом свариваемый шов защищается от окружающей среды и элементов, находящихся в ней. Отлаживается стабильное горение стержня, меняются физико-химические свойства металлических изделий.

Второй вариант, вольфрамовые стержни – металлические неплавящиеся. К основному материалу добавляются другие элементы. Так получают стержни лантанированного, иттрированного, торированного вольфрама. Они работают в режиме сварки аргоном нержавейки, с переменным и постоянным током. Характеризуются хорошей износостойкостью, применяются для сваривания высоколегированных нержавеющих металлических материалов.

Варианты использования стержней помогают выбрать стандарты ГОСТ. В них описывается, какие электроды применимы при сварке сталей, которые легированы различными элементами: никелем, хромом и другими.

Примеры использования различных марок электродов

При задействовании технологии ММА — ручной дуговой сварки покрытым стержнем, широко используются электроды для металлов разных классов: АНЖР-1 и АНЖР-2.
На упаковке указывается, что это спецэлектроды. Их особенность – проведение сварочных работ в любых пространственных направлениях, за исключением положения сверху-вниз. Характеристика положения в пространстве прописывается в нормативных документах как ключевая для сварных работ.
АНЖР-1 работает на постоянном токе с обратной полярностью (+). Вариант покрытия — основной. Можно применять для стальных конструкций, которые сооружаются в промышленном масштабе. При применении стержни нужно предварительно подогревать. Предельная температура – 600 гр. С.
АНЖР-2 имеет те же характеристики, что и предыдущий тип, за исключением того, что не требуется предварительный подогрев и термообработка после сварки. Но температура эксплуатации от 450 до 550 гр. С.

Марка ЦТ-28. Электроды покрыты рутиловым покрытием, вариант основной. Работают при постоянном токе во всех пространственных направлениях, за исключением положения сверху-вниз. Характерная особенность — высокая жаростойкость и жаропрочность.

Специальные стержни для нержавеющих сплавов: ESAB, шведского производства. Изготавливаются из низкоуглеродистой стали, добавки идут в покрытие. Обладают свойством легкого поджига. Работают как на переменном, так и на постоянном токе. Среди них есть ряд вариантов для сваривания разнородных сплавов.

Вольфрамовые электроды требуют специального оборудования и внимательного отслеживания положения стержня: получение качественного шва требует вертикального положения. Сила тока различна, определяется толщинами свариваемого материала. Этот фактор определяет и диаметр рабочего сварного прутка.

ММА — ручная дуговая сварка с помощью инвертора и использованием покрытого электрода

Сварочный процесс по технологии ММА с применением стержней с покрытием – широко распространенный вариант работы. Отличается простотой исполнения, применим в домашней мастерской. Недостатком является невозможность получить высококачественный шов.

Для работы используются аппараты инверторного типа.
Инвертор – это блок, в котором собрано несколько устройств:

• Трансформатор, снижающий сетевое напряжение.
• Блок схем транзисторного типа.
• Дроссель, стабилизирующий пульсации тока.

Для работы с аппаратом — сварки нержавейки инвертором подбираются покрытые электроды определенного типа. Они различаются компонентами покрытия. Используется два вида плавящихся металлических стержней:

• С рутиловой обмазкой. Рутил — материал, в основе которого диоксид титана — TiO2. По стандарту обозначаются Р.
  Стержни характеризуются малой разбрызгиваемостью, обеспечивают поддержание стабильной дуги. Аппаратура постоянного тока обратной полярности (+). Работают со всеми пространственными направлениями, за исключением вертикального, и деталей с большой толщины. Отрицательный момент: шлаки, образующиеся на швах, приходится убирать молотком.
• С покрытием карбонатом кальция-магния CaMg (CO₃)₂. Это электроды смешанного типа, обозначение по стандартам – АЦ. Основная особенность –низкий расход на единицу наплавления металла. Работают в любом пространственном положении, кроме потолочного. Широко применяются при сваривании труб в системах трубопроводов.

Ручная и полуавтоматическая сварка коррозионностойкой стали в аргоне

Метод дуговой сварки в защитной ванне из активного инертного газа на основе плавящихся электродов. Аргонодуговое сваривание реализуется аппаратами, имеющими такое же название, либо инверторами.
Обозначается
— AC/DC TIG – сварка переменным током — AC, постоянным током — DC с использованием вольфрамового электрода в режиме ручной работы – TIG — Tungsten Inert Gas

— AC/DC MIG — сварка переменным током- AC, постоянным током- DC с использованием вольфрамового электрода в полуавтоматическом режиме – MIG — Metal Inert Gas . Происходит автоматическая подача присадочных компонентов.

Технология обеспечивает получение высококачественных швов небольшой толщины, отличающихся долговечностью и прочностью. Хорошо зарекомендовала себя при монтаже и соединении систем трубопроводов, которые пропускают различные среды под давлением, как жидкие, так и газообразные.

Работа с применением аргоновой технологии с неплавящимися стержнями из вольфрама отличается определенными особенностями:

• Есть возможность включения устройств постоянного и переменного тока.
• Режимы работы аппаратуры выбираются в зависимости от толщины изделий, которые нужно соединять. Параметры режима:
  — сила тока,
  — диаметр прутка и присадочной проволоки,
  — расход инертного газа,
  — скорость ведения сварочного процесса.
• Подбор присадки определяется степенью ее легирования. Она должна превышать уровень легирования свариваемого материала.
• Дугу поджигают бесконтактно, чтобы вольфрам прутка не попал на сталь.
• Необходимо ровно вести электрод, без колебательных движений. В противном случае происходит нарушение сварочного пространства, которое приводит к окислительным процессам и появлению дефектов.

Существуют способы экономии дорогостоящего вольфрамового материала стержня. После окончания процесса на краткий период времени – около 15 секунд, оставляют включенной подачу аргона. Газ защищает стержень от окисления.

При работе полуавтоматического оборудования используются техники

• Струйного переноса. Используется для изделий большой толщины.
• Сваривание короткой дугой. Хорошо работает на деталях с малыми толщинами.
• Импульсной сварки. Используется пульсирующий ток с неконтактным капельным переносом присадки в шов в момент кратковременного роста силы тока.

Холодное сваривание стали под давлением

Технология не предполагает температурного нагрева материала до стадии плавления. Соединение проходит под давлением, меняются кристаллические решетки металлов. Под давлением может находиться одно или оба свариваемых изделия или заготовки. Внутренняя структура стального материала изменяется, выделяется энергия, а сталь приобретает свойство пластичности. Процесс выглядит как вдавливание одной детали в другую с образованием диффузного слоя.

На прессы могут устанавливаться штампы для получения четких точечных или линейных вариантов соединений. Не образуются дефекты, не формируются трещины, отсутствуют внутренние напряжения металла., а также отсутствует окалина.

Контактная точечная сварка

Предполагает применение роликовой или точечной технологии. Сваривание проходит по точкам, расположенным на определенном расстоянии друг от друга. Детали собираются внахлест, помещаются между электродами.
Быстрый нагрев образует зону расплавления – жидкого ядра в обеих заготовках, образуется уплотняющий поясок, играющий защитную роль. Он предохраняет от разбрызгивания и взаимодействия со средой.
Когда ток перестает подаваться, металл быстро охладевает и твердеет. Усилие с электродов убирают не сразу, это позволяет провести проковку, то есть кристаллизацию под давлением. Получают прочный шов высокого класса, без трещин, дефектов, раковин и остаточных напряжений.
Технология позволяет работать на очень тонком нержавеющем материале – до 2х мм толщиной.

Лазерная сварка

Применение лазерных аппаратов соединения металлов и неметаллов – один из наиболее современных методов работы с материалами, включая коррозионностойкие.

Для технологии характерно сохранение прочностных свойств сплава, поскольку не требуется температурное воздействие, способное вызвать деформацию. Остывание проходит быстро, почти исключено появление дефектов и трещин. Структура характеризуется зернистостью минимальных размеров. Расплав заполняет целиком стыковое соединение.

Плазменная сварка

Используется принцип ионизации газа в плазмотроне под воздействием электрической дуги. Основывается на работе неплавящихся электродов из вольфрама с тугоплавкими добавками. Плазменный поток плавит край изделия, подлежащему свариванию. Работа проходит на оборудовании, которое работает как

• Ручное. Одним из контактов выступает сама свариваемая деталь. Свариваются изделия и детали до 3х мм толщиной.
• Автоматическое. В этом виде устройств дуга соединяет электрод и стенку камеры. Допустимо проводить сваривание изделий с большой толщиной– до 160 мм. Требуется предварительная разделка кромок. Формируется шов одним прохождением плазменного аппарата.

Технология процесса

Применение различных методов, таких как сварка нержавейки аргоном и другие, представляет собой достаточно сложный процесс. Это обусловлено особенностями коррозионноустойчивых сплавов. Процесс трудоемкий, сварщик должен обладать хорошими теоретическими знаниями и практическим опытом работы, чтобы обеспечит высококачественный шов.

Сварочный процесс проходит в несколько этапов:

• Подготовительный.
  • С поверхности, которая пойдет под сварку, удаляются следы ржавления, масляные потеки, различные загрязнения. Самый подходящий инструмент на этой стадии – металлическая щетка.
  • Проводится обработка кромок разделкой, в особенности, при толщине более 4-х мм. Для этого берут напильник или болгарку и разделывают кромку. В результате будет обеспечено нормальное проплавление материала и образуется оптимальная сварочная ванна.
  • Тонкие листы металла плотно сводятся и прихватываются для недопущения смещения по ходу производственного процесса.
  • Если толщина изделия больше 7 мм, ее подогревают до 150 гр. С. В домашней мастерской для этого берут паяльную лампу.

• Рабочий этап.
  • Поджигается электрическая дуга. Стержень подносят к поверхности, чтобы его активировать.
  • Соединение проходит на короткой дуге.
  • Когда шов доведен до конечного пункта, осуществляется технологический прием «замок». Если он проведен правильно, то исключает появление свищей и трещин.
  • Когда сварка завершена, металлу дают возможность остыть и «отдохнуть». Принудительное охлаждение может создать дефекты.
  • После этого можно провести зачистку шлаковой корки, применяя для этого различные инструменты, часто это делают с помощью молотка.
• Завершающая стадия — обработка изделия в месте шва. Она может проходить одним из двух методов:
  • механическим — шлифованием и полировкой железной щеткой, шлейф инструментом, наждачной бумагой;
  • химическим- с использованием соляной и серной кислот и дальнейшей промывкой.

Работа с нержавеющими сплавами требует от сварщика хорошего уровня теоретических знаний, хорошей практической подготовки. Приходится учитывать целый ряд параметров: свойства сплавов, характеристики аппаратуры, адекватный подбор расходных материалов- электродов. Оборудование требует точной настройки с учетом всех характеристик.

Используемая литература и источники:

• Скороходов В. Н., Одесский П. Д., Рудченко А. В. «Строительная сталь»
• Автоматическая электродуговая сварка. Под ред. Е. О. Патона. К., 1953.
• Руководство по электродуговой сварке под флюсом. Под ред. Б. Е. Патона. К., 1957.
• Статья на Википедии