Вы когда-нибудь задумывались о том, как эффективно сваривать различные типы нержавеющей стали? Эта статья посвящена специализированным методам сварки мартенситной и дуплексной нержавеющей стали, в ней подробно описаны проблемы и решения, характерные для каждого типа. Изучив методы предварительного нагрева, выбор материала и послесварочную обработку, вы узнаете, как добиться прочных и долговечных сварных швов и свести к минимуму такие риски, как холодное растрескивание и охрупчивание. В этом руководстве содержатся важные сведения для всех, кто хочет освоить тонкости сварки этих сложных материалов.
Мартенситная нержавеющая сталь - это уникальный класс черных сплавов, характеризующийся мартенситной кристаллической структурой при комнатной температуре. Эта микроструктура возникает в результате быстрого охлаждения (закалки) из аустенитной фазы, в результате чего образуется твердая, метастабильная структура. Отличительной особенностью мартенситных нержавеющих сталей является их способность претерпевать значительные изменения механических свойств в процессе термообработки.
Эти сплавы славятся своей прокаливаемостью, которая достигается благодаря тщательно контролируемому циклу термообработки - аустенизации, закалке и отпуску. Этот процесс позволяет изменять такие свойства, как твердость, прочность и вязкость, в соответствии с конкретными требованиями.
Мартенситные нержавеющие стали обычно содержат 11,5-18% хрома, который обеспечивает коррозионную стойкость, и 0,1-1,2% углерода, который обеспечивает образование мартенсита и способствует повышению твердости. Некоторые марки могут также включать небольшое количество никеля, молибдена или ванадия для улучшения специфических свойств.
К распространенным маркам мартенситной нержавеющей стали относятся:
Похожие статьи: Марки нержавеющей стали
Мартенситная нержавеющая сталь может быть сварена с помощью различных методов электродуговой сварки, каждый из которых обладает определенными преимуществами в зависимости от области применения и желаемых результатов.
Дуговая сварка в среде защитного металла (SMAW), также известная как сварка палкой, остается основным методом благодаря своей универсальности и экономичности. Однако в последние годы все большее распространение получают такие передовые технологии, как газовая дуговая сварка металлов (GMAW) в среде углекислого газа или газовая дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW) в среде смешанного защитного газа аргон-углекислый газ. Эти методы значительно снижают содержание водорода в сварочной ванне, тем самым минимизируя риск холодного растрескивания в зоне термического влияния (HAZ), вызванного водородом.
Для достижения оптимальных результатов при сварке мартенситных нержавеющих сталей часто требуется предварительный подогрев и послесварочная термообработка. Предварительный подогрев до 200-300°C (392-572°F) помогает снизить скорость охлаждения и тепловые напряжения, а послесварочная термообработка при 650-750°C (1202-1382°F) позволяет снять остаточные напряжения и закалить мартенситную структуру, повышая механические свойства и коррозионную стойкость сварного шва.
При выборе присадочных металлов важно выбирать составы, которые близко соответствуют основному металлу или обеспечивают прочность, немного превышающую его. Электроды с низким содержанием водорода (E410 или E410NiMo) предпочтительны для SMAW, а проволока ER410 или ER410NiMo подходит для процессов GMAW и GTAW.
Новые технологии, такие как лазерно-лучевая сварка (LBW) и электронно-лучевая сварка (EBW), также демонстрируют перспективность для соединения мартенситных нержавеющих сталей, обеспечивая высокую точность и минимальное тепловыделение, что может быть полезно для тонких секций или термочувствительных компонентов.
Обычно, когда требуется более высокая прочность сварного шва, используют мартенситный сплав Cr13. сварка нержавеющей стали Стержни и проволока используются для того, чтобы химический состав металла шва был аналогичен составу основного металла, но это увеличивает вероятность образования холодных трещин.
Соображения:
a. Перед сваркой необходим предварительный подогрев, температура которого не должна превышать 450°C для предотвращения охрупчивания при 475°C.
После сварки необходимо провести термическую обработку.
После охлаждения до 150-200°C следует провести послесварочную термообработку в течение 2 часов, чтобы обеспечить трансформацию всех частей аустенит в мартенсит, затем следует высокотемпературный отпуск, при котором температура повышается до 730-790°C.
Время выдержки должно составлять 10 минут на 1 мм толщины листа, но не менее 2 часов, после чего его следует охладить на воздухе.
b. Для предотвращения растрескивания содержание S и P в сварочных прутках и проволоках должно быть менее 0,015%, а содержание Si не должно быть более 0,3%.
Увеличение содержания Si может привести к образованию крупнозернистого первичного феррита, что снижает пластичность соединения.
Сайт содержание углерода обычно ниже, чем у основного металла, что может снизить его прокаливаемость.
Металл шва аустенитной стали Cr Ni обладает высоким уровнем пластичности, что позволяет смягчить напряжение, возникающее во время мартенситного превращения в зоне термического влияния.
Кроме того, сварные швы из аустенитной нержавеющей стали типа Cr Ni обладают высокой растворимостью водорода, что может снизить диффузию водорода из металла шва в зону термического влияния и эффективно предотвратить холодные трещиныТаким образом, предварительный нагрев не требуется.
Однако прочность сварного шва относительно низкая и не может быть повышена за счет послесварочной термообработки.
Мартенситная нержавеющая сталь отличается высоким содержанием хрома, что значительно повышает ее способность к закалке.
Независимо от исходного состояния перед сваркой, сварка всегда приводит к образованию мартенсит около шва.
По мере увеличения степени закалки соединение становится более склонным к холодному растрескиванию, особенно в присутствии водорода. В таких условиях мартенситная нержавеющая сталь также склонна к образованию опасных замедленных трещин, вызванных водородом.
Mсмягчения:
Мартенситные нержавеющие стали, особенно с высоким содержанием ферритообразующих элементов, имеют повышенную склонность к росту зерна.
Медленная скорость охлаждения может привести к образованию крупнозернистого феррита и карбида в зоне термического влияния сварки (ЗТВ), в то время как быстрая скорость охлаждения может вызвать закалку и образование крупнозернистого мартенсита в ЗТВ.
Эти грубые структуры снижают пластичность и вязкость HAZ мартенситной нержавеющей стали, делая ее хрупкой.
Меры противодействия:
Предварительный подогрев перед сваркой - важнейший метод предотвращения холодных трещин и обеспечения структурной целостности сварного соединения. Этот процесс снижает скорость охлаждения в зоне термического влияния (ЗТВ) и минимизирует остаточные напряжения, тем самым уменьшая риск образования трещин, вызванных водородом.
Для сталей с содержанием углерода от 0,1% до 0,2% рекомендуемая температура предварительного нагрева обычно составляет от 200°C до 260°C (392°F-500°F). Этот диапазон температур достаточен для вытеснения влаги и уменьшения теплового градиента между сварным швом и основным металлом.
Высокопрочные стали, особенно с пределом текучести более 690 МПа (100 ksi), часто требуют более высоких температур предварительного нагрева. Для таких материалов обычно используется предварительный нагрев до температуры от 400 до 450 °C (от 752 до 842 °F). Этот повышенный температурный диапазон помогает дополнительно снизить скорость охлаждения и справиться с образованием твердых, хрупких микроструктур в HAZ.
Важно отметить, что оптимальная температура предварительного подогрева зависит не только от содержания углерода, но и от других легирующих элементов, толщины секции, температуры окружающей среды и конкретного используемого процесса сварки. Инженеры-сварщики должны обратиться к соответствующим стандартам (например, AWS D1.1 или ISO 13916) и провести необходимые расчеты (например, углеродного эквивалента), чтобы определить наиболее подходящий режим предварительного подогрева для каждого конкретного случая.
Послесварочное охлаждение - важный этап процесса сварки, особенно для высокопрочных сталей и толстых секций. Сварное изделие не следует сразу нагревать от температуры сварки до температуры отпуска, так как аустенит, образовавшийся во время сварки, может не полностью трансформироваться.
Немедленный нагрев и отпуск после сварки может привести к нескольким негативным последствиям:
Эти микроструктурные изменения значительно снижают вязкость и общие механические свойства сварного соединения.
Для смягчения этих проблем необходим контролируемый процесс охлаждения:
1. Для низкопрочных сварных соединений:
2. Для высокопрочных и толстых сварных соединений:
Этот контролируемый процесс охлаждения гарантирует, что:
Конкретная скорость охлаждения и промежуточные температуры выдержки могут варьироваться в зависимости от состава материала, толщины секции и требуемых механических свойств. Для достижения оптимальных результатов необходимо следовать спецификации сварочного процесса (WPS) или проконсультироваться с экспертами-металлургами.
В некоторых случаях могут применяться усовершенствованные методы охлаждения, такие как принудительное воздушное охлаждение или даже закалка, но они должны тщательно контролироваться, чтобы избежать возникновения новых проблем, таких как деформация или растрескивание.
Послесварочная термическая обработка (PWHT) - это важный процесс, предназначенный для оптимизации механических свойств и структурной целостности сварных деталей. Ее основными задачами являются снижение твердости сварного шва и зоны термического влияния (ЗТВ), повышение пластичности и вязкости, а также снижение остаточных напряжений при сварке.
Обычно PWHT включает в себя два основных процесса: отпуск и полный отжиг. Для отпуска рекомендуемый диапазон температур составляет 650-750°C (1202-1382°F). Компонент следует выдерживать при этой температуре в течение примерно 1 часа, после чего следует контролируемое воздушное охлаждение. Этот процесс эффективно снимает внутренние напряжения, сохраняя баланс между прочностью и пластичностью.
В случаях, когда требуется послесварочная обработка, для достижения минимальной твердости и максимальной обрабатываемости можно применить полный отжиг. Процесс отжига включает в себя нагрев сварной детали до температуры в диапазоне 830-880°C (1526-1616°F) и поддержание этой температуры в течение 2 часов. Затем деталь подвергается медленному охлаждению в печи до 595°C (1103°F), после чего охлаждается воздухом до комнатной температуры. Такая контролируемая скорость охлаждения очень важна для достижения желаемой микроструктуры и свойств.
Важно отметить, что конкретные параметры PWHT могут варьироваться в зависимости от таких факторов, как состав материала, толщина профиля и требования к эксплуатации. Для критических применений рекомендуется обратиться к соответствующим отраслевым стандартам (например, ASME BPVC Section IX) и провести механические испытания для подтверждения эффективности процесса термообработки.
Выбор сварочных электродов для мартенситной нержавеющей стали очень важен и подразделяется на две основные категории: электроды для хромистой нержавеющей стали и хромоникелевые электроды для аустенитной нержавеющей стали. Этот выбор существенно влияет на механические свойства, коррозионную стойкость и общую целостность сварного шва.
Обычно используются электроды из хромистой нержавеющей стали, такие как E410-15 (AWS A5.4) или E410-16. Эти электроды, соответствующие китайским стандартам E1-13-15 (G207) и E1-13-16 (G202) соответственно, обладают хорошей прочностью и умеренной коррозионной стойкостью. Они особенно подходят, когда необходимо подобрать состав основного металла.
В областях применения, требующих повышенной пластичности и коррозионной стойкости, предпочтительны хромоникелевые электроды из аустенитной нержавеющей стали. К популярным вариантам относятся:
Электроды марки "L" (например, 308L, 316L) имеют более низкое содержание углерода, что снижает риск сенсибилизации и повышает устойчивость к межкристаллитной коррозии при работе при высоких температурах.
Выбор между этими электродами зависит от таких факторов, как:
Дуплексная нержавеющая сталь обладает как преимуществами, так и недостатками аустенитной и ферритной стали, а также уменьшает их соответствующие недостатки.
(1) Риск горячего растрескивания значительно ниже по сравнению с аустенитной сталью.
(2) Риск холодного растрескивания значительно ниже по сравнению с обычными низколегированными сплавами высокопрочная сталь.
(3) После охлаждения в зоне термического влияния сохраняется большее количество феррита, что повышает риск коррозии и водородно-индуцированного растрескивания (охрупчивания).
(4) The сварное соединение Дуплексная нержавеющая сталь склонна к выпадению δ-фазы, интерметаллического соединения Cr и Fe.
Температура его образования колеблется от 600°C до 1000°C и может варьироваться в зависимости от конкретной марки стали.
Таблица 1 Температурный диапазон обработки раствором, фаза δ и 475 ℃ хрупкость дуплексной нержавеющей стали
| Содержание | Двухфазная сталь 2205, 2507 и др. | Супердуплексная сталь 00Cr25Ni7Mo3CuN |
| Температура твердого раствора/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| Температура отслаивания при нагревании на воздухе/℃ | 1000 | 1000 |
| Температура образования фазы δ/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 ° C температура охрупчивания/℃ | 300~525 | 300~525 |
Сайт процесс сварки Для дуплексной нержавеющей стали сначала используется сварка TIG, а затем электродуговая сварка.
При использовании дуговой сварки под флюсом необходимо тщательно контролировать температуру нагрева и температуру межфазного промежутка, а также избегать чрезмерного разбавления.
Примечание:
Если используется сварка TIG, необходимо добавить 1-2% азота в защитный газ (добавление более 2% азота может увеличить пористость и вызвать нестабильность дуги). Добавление азота способствует поглощению азота из металла шва, предотвращая потерю азота за счет диффузии в зоне поверхности шва, и способствует стабилизации аустенитной фазы в сварное соединение.
Сварочные материалы с повышенным содержанием аустенитообразующих элементов (таких как Ni, N) выбираются для стимулирования превращения феррита в сварном шве в аустенит.
Электрод или сварочная проволока 22.8.3L обычно используется для сварки стали 2205, а электрод 25.10.4L или 25.10.4R - для сварки стали 2507.
Таблица 2 Сварочные материалы и FN типичной дуплексной нержавеющей стали
| Основной металл | Сварочный материал | Химический состав | Имя | FN（%） | ||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Мо | N | Cu | W | ||||
| 2507 | Сварочная проволока | 0.02 | 0.3 | 0.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | 2507/P100 | 40~100 |
| 0.02 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | Сэндивик 25.10.4L | |||||
| Сварочный стержень | 0.03 | 0.5 | 1 | 25 | 9.5 | 3.6 | 0.22 | - | - | Avesta 2507/p100 | ||
| 0.04 | 25 | 10.5 | 4 | 0.25 | - | - | Сэндивик 25.10.4L | |||||
| Zeron100 | Сварочная проволокаСварочный стержень | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.4CuWL 22.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | Сварочная проволока | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | Сэндивик 22.8.3L | 40~60 |
| Сварочный стержень | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | Сэндивик 22.8.3R | ||
(1) В процессе сварки управление энергией сварки, температурой промежуточного слоя, предварительным подогревом и толщиной материала влияет на скорость охлаждения и впоследствии на структуру и свойства сварного шва и зоны термического влияния.
Для достижения оптимальных свойств металла шва рекомендуется контролировать максимальную температуру межпроходного шва на уровне 100°C. При необходимости послесварочной термообработки ограничения по температуре межпроходного шва могут быть сняты.
(2) Предпочтительно избегать послесварочной термообработки для дуплексной нержавеющей стали.
Если необходима термическая обработка после сварки, закаливание водой является используемым методом. При термообработке нагрев должен быть быстрым, а время выдержки при температуре термообработки должно составлять 5-30 минут, достаточных для восстановления фазового равновесия.
Окисление металла является проблемой во время термообработки, поэтому следует рассмотреть возможность использования инертного газа для защиты.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO