Charakterystyka spawania stali nierdzewnej austenitycznej: ilość sprężystych i plastycznych naprężeń i odkształceń podczas spawania jest duża, ale pęknięcia na zimno występują rzadko. W spoinie nie ma strefy hartowania i zgrubienia ziarna, więc wytrzymałość na rozciąganie spoiny jest wysoka.
Główne problemy związane ze spawaniem stali nierdzewnej austenitycznej: odkształcenia spawalnicze są duże; ze względu na charakterystykę granic ziaren i wrażliwość na pewne śladowe zanieczyszczenia (S, P) łatwo jest wytwarzać pęknięcia na gorąco.
Pięć głównych problemów spawalniczych stali nierdzewnych austenitycznych i ich rozwiązania
01Powstawanie węglika chromu obniża odporność na korozję międzykrystaliczną połączeń spawanych.
Korozja międzykrystaliczna: Zgodnie z teorią ubogiego chromu, gdy spoina i strefa wpływu ciepła zostaną podgrzane do temperatury uwrażliwienia 450-850 stopnia, węglik chromu wytrąci się na granicy ziaren, co spowoduje powstanie granicy ziaren ubogiego chromu, który nie jest wystarczająco odporny na korozję.
(1) W przypadku korozji międzykrystalicznej spoiny i korozji strefy uwrażliwionej temperatury na materiale docelowym, w celu ograniczenia korozji można zastosować następujące środki:
a. Zmniejsz zawartość węgla w metalu bazowym i spoinie oraz dodaj elementy stabilizujące Ti, Nb i inne elementy do metalu bazowego, aby preferencyjnie utworzyć MC, zapobiegając tworzeniu się Cr23C6.
b. Spraw, aby spoina miała strukturę dwufazową austenitu i niewielkiej ilości ferrytu. Gdy w spoinie znajduje się pewna ilość ferrytu, ziarna można uszlachetnić, można zwiększyć powierzchnię ziaren i zmniejszyć ilość wytrącania węglika chromu na jednostkę powierzchni granicy ziarna. Chrom ma dużą rozpuszczalność w ferrycie, a Cr23C6 jest preferencyjnie formowany w ferrycie, nie powodując zubożenia granicy ziarna austenitu w chrom; ferryt rozproszony między austenitem może zapobiegać korozji wzdłuż granicy ziarna do wewnętrznej dyfuzji.
c. Kontroluj czas przebywania w zakresie temperatur uwrażliwienia. Dostosuj cykl cieplny spawania, aby skrócić czas przebywania w 600-1000 stopniu tak bardzo, jak to możliwe, wybierz metodę spawania o wysokiej gęstości energii (taką jak spawanie łukiem plazmowym w osłonie argonu), wybierz mniejszą energię linii spawania i przepuść gaz argonowy na odwrocie spoiny lub użyj podkładki miedzianej. Zwiększ szybkość chłodzenia spoiny, zmniejsz liczbę łuków i łuków, aby uniknąć powtarzającego się nagrzewania, a podczas spawania wielowarstwowego zastosuj ostatnie spawanie na powierzchni styku z medium korozyjnym.
d. Po spawaniu należy przeprowadzić obróbkę rozpuszczającą lub wyżarzanie stabilizujące (850-900 stopnia) i chłodzenie na powietrzu po utrwaleniu cieplnym, tak aby węgliki mogły się całkowicie wytrącić, a dyfuzja chromu mogła zostać przyspieszona).
(2) Korozja nożowa spoin spawanych, z tego powodu można podjąć następujące środki zapobiegawcze:
Ze względu na silną dyfuzyjność węgla, będzie on oddzielał się na granicy ziaren, tworząc stan przesycony podczas procesu chłodzenia, podczas gdy Ti i Nb pozostaną w krysztale ze względu na ich niską dyfuzyjność. Gdy spoina zostanie ponownie podgrzana w zakresie temperatur sensybilizacji, przesycony węgiel wytrąci się w postaci Cr23C6 w międzyziarnowym.
a. Zmniejsz zawartość węgla. W przypadku stali nierdzewnej zawierającej elementy stabilizujące zawartość węgla nie powinna przekraczać 0.06%.
b. Użyj rozsądnego procesu spawania. Wybierz mniejszą energię linii spawania, aby skrócić czas przebywania przegrzanego obszaru w wysokiej temperaturze i zwróć uwagę, aby uniknąć efektu „uczulenia na średnią temperaturę” podczas procesu spawania. Podczas spawania dwustronnego spoina spawalnicza mająca kontakt z medium korozyjnym powinna być spawana jako ostatnia (to jest powód, dla którego spawanie wewnętrzne rury spawanej o dużej średnicy i grubych ściankach wykonuje się po spawaniu zewnętrznym). Przegrzany obszar mający kontakt z medium korozyjnym jest ponownie podgrzewany przez uczulenie.
c. Obróbka cieplna po spawaniu. Po spawaniu przeprowadza się obróbkę rozpuszczającą lub stabilizującą.
02. Pękanie korozyjne naprężeniowe
Aby zapobiec powstawaniu pęknięć korozyjnych naprężeniowych, można podjąć następujące środki zaradcze:
a. Prawidłowy dobór materiałów i rozsądne dostosowanie składu spoiny. Wysokoczysta chromowo-niklowa austenityczna stal nierdzewna, wysokokrzemowa chromowo-niklowa austenityczna stal nierdzewna, ferrytyczno-austenityczna stal nierdzewna, wysokochromowa ferrytyczna stal nierdzewna itp. mają dobrą odporność na korozję naprężeniową, a metalem spoiny jest austenityczna stal nierdzewna. Odporność na korozję naprężeniową jest dobra, gdy struktura stali dwufazowej jest ferrytyczna i ferrytyczna.
b. Wyeliminuj lub zmniejsz naprężenia szczątkowe. Przeprowadzana jest obróbka cieplna odprężająca po spawaniu, a w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych powierzchni stosuje się metody mechaniczne, takie jak polerowanie, śrutowanie i młotkowanie.
c. Rozsądny projekt konstrukcyjny w celu uniknięcia dużych koncentracji naprężeń.
03Spawanie pęknięć na gorąco (pęknięcia krystalizacyjne spoin, pęknięcia upłynniające stref wpływu ciepła)
Podatność na pęknięcia termiczne zależy głównie od składu chemicznego, struktury i właściwości materiału. Ni łatwo tworzy związki o niskiej temperaturze topnienia lub eutektyki z zanieczyszczeniami takimi jak S i P, a segregacja boru i krzemu spowoduje pękanie termiczne. Spoina łatwo tworzy gruboziarnistą strukturę ziarna kolumnowego o silnej kierunkowości, co sprzyja segregacji szkodliwych zanieczyszczeń i pierwiastków. W ten sposób sprzyja tworzeniu się ciągłego międzykrystalicznego filmu ciekłego i poprawia wrażliwość na pękanie termiczne. Jeśli spawanie jest nierównomiernie podgrzewane, łatwo tworzy się duże naprężenie rozciągające i sprzyja powstawaniu pęknięć na gorąco podczas spawania.
Środki zapobiegawcze:
a. Ściśle kontrolować zawartość szkodliwych zanieczyszczeń S i P.
b. Dostosuj teksturę metalu spoiny. Dwufazowa struktura spoiny ma dobrą odporność na pękanie. Faza delta w spoinie może udoskonalić ziarna, wyeliminować kierunkowość jednofazowego austenitu, zmniejszyć segregację szkodliwych zanieczyszczeń na granicy ziaren, a faza delta może rozpuścić więcej S, P i może zmniejszyć energię międzyfazową oraz zorganizować tworzenie międzykrystalicznego filmu ciekłego.
c. Dostosuj skład stopu metalu spoiny. Odpowiednio zwiększ zawartość Mn, C i N w jednofazowej stali austenitycznej i dodaj niewielką ilość pierwiastków śladowych, takich jak cer, kilof i tantal (które mogą udoskonalić strukturę spoiny i oczyścić granice ziaren), aby zmniejszyć wrażliwość na pęknięcia na gorąco.
d. środki procesowe. Zminimalizuj przegrzanie jeziorka stopionego metalu, aby zapobiec tworzeniu się grubych kryształów kolumnowych, i użyj małej energii liniowej i małych przekrojów spoin.
Na przykład stale austenityczne typu 25-20 są podatne na pęknięcia upłynniające. Poprzez ścisłe ograniczenie zawartości zanieczyszczeń i wielkości ziarna metalu bazowego, przyjęcie metod spawania o wysokiej gęstości energii, małej energii liniowej i zwiększenie szybkości chłodzenia połączeń i innych środków.
04Kruchość spoin
Stal o wysokiej wytrzymałości na gorąco powinna zapewniać plastyczność spoiny i zapobiegać kruchości w wysokiej temperaturze; od stali o niskiej temperaturze wymaga się dobrej wytrzymałości w niskiej temperaturze, aby zapobiegać kruchości spoiny w niskiej temperaturze.
05Odkształcenie spawalnicze jest duże
Ze względu na niską przewodność cieplną i duży współczynnik rozszerzalności, odkształcenie spawalnicze jest duże, a do zapobiegania odkształceniom można użyć osprzętu. Metody spawania i dobór materiałów spawalniczych do stali nierdzewnych austenitycznych:
Austenityczną stal nierdzewną można spawać metodą spawania łukiem argonowo-wolframowym (TIG), spawania łukiem argonowo-elektrodowym (MIG), spawania łukiem argonowo-plazmowym (PAW) i spawania łukiem krytym (SAW). Austenityczna stal nierdzewna ma niski prąd spawania ze względu na niską temperaturę topnienia, niską przewodność cieplną i wysoką rezystywność. Wąskie spoiny i ściegi powinny być stosowane w celu skrócenia czasu przebywania w wysokiej temperaturze, zapobiegania wytrącaniu się węglika, zmniejszania naprężeń skurczowych spoiny i zmniejszania wrażliwości na pęknięcia termiczne.
Skład materiałów spawalniczych, zwłaszcza pierwiastków stopowych Cr i Ni, jest wyższy niż skład metalu bazowego. Materiały spawalnicze zawierające niewielką ilość (4-12%) ferrytu są używane w celu zapewnienia dobrej odporności na pęknięcia (pęknięcia na zimno, pęknięcia na gorąco, pęknięcia korozyjne naprężeniowe) spoiny. Gdy faza ferrytu jest niedopuszczalna lub niemożliwa w spoinie, należy wybrać materiały spawalnicze zawierające Mo, Mn i inne pierwiastki stopowe.
Zawartość C, S, P, Si i Nb w materiałach spawalniczych powinna być jak najniższa. Nb powoduje pęknięcia krzepnięcia w czystych spoinach austenitycznych, ale można skutecznie uniknąć niewielkiej ilości ferrytu w spoinach. W przypadku konstrukcji spawanych, które muszą zostać ustabilizowane lub odprężone po spawaniu, zazwyczaj wybiera się materiały spawalnicze zawierające Nb. Spawanie łukiem krytym jest stosowane do spawania płyt średnich, a stratę Cr i Ni można uzupełnić o przejście pierwiastków stopowych w topniku i drucie spawalniczym; ze względu na dużą głębokość penetracji należy zachować ostrożność, aby zapobiec powstawaniu pęknięć na gorąco w środku spoiny i odporności na korozję strefy wpływu ciepła. Redukcja płciowa. Należy zwrócić uwagę na dobór cieńszego drutu spawalniczego i mniejszej energii linii spawania, a drut spawalniczy powinien mieć niską zawartość Si, S i P. Zawartość ferrytu w spoinie ze stali nierdzewnej odpornej na ciepło nie powinna przekraczać 5%. W przypadku stali nierdzewnej austenitycznej o zawartości Cr i Ni większej niż 20% należy stosować drut spawalniczy o wysokiej zawartości Mn (6-8%), a jako topnik należy stosować topnik alkaliczny lub neutralny, aby zapobiec dodaniu Si do spoiny i poprawić jej odporność na pękanie. Specjalny topnik do stali nierdzewnej austenitycznej ma bardzo mały dodatek Si, który może przenosić stop do spoiny, aby zrekompensować utratę pierwiastków stopowych w wyniku spalania, aby spełnić wymagania dotyczące wydajności spoiny i składu chemicznego.
