Заваряване на неръждаеми стомани

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 6/2021 • 17.09.2021

  • Посредством заваряване на неръждаеми стомани могат да бъдат произведени богат асортимент от индустриални изделия, включително в ХВП, машиностроенето, автомобилостроенето и авиационния отрасъл, транспорта, медицината, строителния сектор и т. н.

  • Заваряване на неръждаеми стоманени сплави в промишлеността се прилага и при ремонта и поддръжката на конструкции, съоръжения и съдове, изработени от такива материали

  • За целта се използва широка гама от ръчно и механизирано оборудване, като най-популярни са т. нар. МИГ/МАГ и ВИГ заваръчни апарати

 

Неръждаемите стомани се радват на изключително широка популярност в съвременната промишленост поради множеството си предимства в сравнение с други метали. Водеща характеристика на тази група материали е тяхната устойчивост на корозия, причинена от различни течни, химични и газообразни агенти. В допълнение неръждаемата стомана се отличава с голяма якост и дълготрайна издръжливост при неблагоприятни експлоатационни условия, лесна е за почистване и обслужване, подлежи на рециклиране и може да бъде заварявана подобно на меките стомани. Ето защо тя е предпочитан избор за изработката на богат асортимент от индустриални изделия и съдове, включително в хранително-вкусовата промишленост, машиностроенето, автомобилостроенето и авиационния сектор, медицината, водния отрасъл, строителството и архитектурата, отбраната, транспорта, целулозно-хартиената индустрия, химическата, нефтената и газова промишленост и др. Заваряването на неръждаеми стоманени сплави в промишлеността се прилага и при ремонта и поддръжката на конструкции, съоръжения и съдове, изработени от такива материали.

На пазара се предлагат множество видове неръждаеми стомани под различни търговски марки и с разнороден състав (популярни са и като инокс). Те могат да бъдат под формата на листове, плочи, пръти, тел, тръби и т. н. От тях се произвежда кухненско и домакинско оборудване, съдове, прибори, хирургични инструменти и апаратура, конструктивни елементи, химически резервоари и цистерни и т. н. За заваряване на неръждаеми стомани се използва широка гама от ръчно и механизирано оборудване, като най-популярни са т. нар. МИГ/МАГ и ВИГ заваръчни апарати.


Състав и видове

Корозионноустойчивите стомани са семейство сплави на основата на желязо с отлична якост и издръжливост на агресивни течности, газове и химикали. За да бъде причислена в тази категория, една стоманена сплав трябва да има минимум 10,5% съдържание на хром, като количеството му може да варира до около 30%. Голяма част от неръждаемите стомани имат добра нискотемпературна якост и пластичност. Повечето от тях проявяват добри якостни свойства и устойчивост на котлен камък и други натрупвания при високи температури.

Според химичния състав и микроструктурата си неръждаемите стоманени сплави се делят в четири категории: мартензитни, феритни, аустенитни и аустенитно-феритни, известни още като дуплекс стомани. Към някои от продуктите в сегмента се добавя никел, което намалява топлопроводимостта и електропроводимостта на сплавта. Хром-никеловите неръждаеми стомани са немагнитни и имат аустенитна микроструктура. Те съдържат малки количества въглерод, тъй като този елемент има тенденция да формира хромови карбиди, които не са устойчиви на корозия.

Към някои от хром-никеловите сплави се добавя манган. Обикновено тези стомани съдържат по-малко никел, като малка част от този елемент се заменя с манган, обикновено в съотношение две към едно. Тези стомани имат аустенитна микроструктура и са немагнитни.

Някои групи сплави в сегмента включват и молибден, който подобрява устойчивостта на пълзене на стоманата при повишени температури, както и на конвенционална и питингова корозия в редица приложения.


Видове неръждаеми стомани

Мангановите стомани не се втвърдяват чрез термична обработка и са немагнитни в отгрято състояние. Те могат леко да се намагнетизират при студена обработка или заваряване. Всички аустенитни неръждаеми стомани са заваряеми посредством популярните заваръчни процеси, с изключение на Тип 303, който има високо съдържание на сяра, и Тип 303Se, който съдържа селен за подобряване на обработваемостта.

Аустенитните неръждаеми стомани имат около 45% по-висок топлинен коефициент на разширение, по-високо електрическо съпротивление и по-ниска топлопроводимост от меките въглеродни стомани. Препоръчва се заваряване с висока скорост на движение на горелката, което намалява влагането на топлина и отлагането на карбид и свежда до минимум изкривяванията.

Точката на топене на аустенитните неръждаеми стомани е малко по-ниска от меките въглеродни сплави. В комбинация с по-ниската топлопроводимост този фактор обикновено изисква и по-нисък заваръчен ток. По-голямото топлинно разширение пък налага специални предпазни мерки по отношение на нагъването и изкривяването. Заваръчните шевове трябва да са на около два пъти по-малко разстояние един от друг от конвенционалните. Препоръчително е да се използват специални техники като заваряване с обратна стъпка, стъпално заваряване и “скитане” на заваръчната дъга. При по-тънки материали е много трудно изкривяването и нагъването да се избегнат напълно.

Феритните неръждаеми стомани не се втвърдяват при термична обработка и са магнитни. Всички сплави от тази категория се считат за заваряеми посредством по-голяма част от наличните заваръчни процеси, с изключение на Тип 430F, предназначен за свободна механична обработка, който има високо съдържание на сяра. Коефициентът на термично разширение е по-нисък от този при аустенитните сплави и е приблизително същият като при меката стомана. Не се препоръчват заваръчни процеси, които имат тенденция да увеличават улавянето на въглерод. Това включва газокислородното заваряване, електродъговото заваряване с въгленов електрод и заваряването в среда от въглероден диоксид.

Сплавите с по-ниско съдържание на хром проявяват тенденции към втвърдяване и образуване на структура от мартензитен тип в зоната на заваряване. Това намалява пластичността, здравината и устойчивостта на корозия при заваряване. За по-големи участъци е препоръчително предварително загряване на зоната до 200°C. За да се възстанови пълната устойчивост на корозия и да се подобри пластичността след заваряване, се препоръчва отгряване при 760 - 820°C, последвано от закаляване с вода или въздух. Ако здравината все още е компрометирана, тя може да се подобри чрез студена обработка на заваръчния шев. Ако термичната обработка след заваряване не е възможна и експлоатацията изисква устойчивост на удар, е добре да се използва аустенитен неръждаем метал при избора на добавъчен материал – заваръчна тел или филър. В останалите случаи заваръчната тел се избира в съответствие с основния метал.

Мартензитните неръждаеми стомани се втвърдяват при термична обработка и са магнитни. Нисковъглеродният тип може да се заварява без специални предпазни мерки. Когато предварително и последващо загряване не са възможни, се препоръчва използването на добавъчен материал от аустенитна неръждаема стомана с изключение на Тип 416Se. Отново не се препоръчват заваръчни процеси, които увеличават улавянето на въглерод, тъй като повишеното съдържание на този елемент увеличава чувствителността на пукнатини в зоната на заваряване.

Т. нар. дуплекс стомани проявяват аустенитни и феритни свойства, което прави изборът на добавъчен материал малко по-сложен. Много типове сплави от тази категория не се предлагат като филъри/пълнители поради факта, че добавъчният метал се охлажда много по-бързо от базовия материал. Лека промяна в химичния състав на филъра обаче позволява на заварката да има подобна якост и свойства като основния метал.


Особености и заваръчни методи

Макар да е малко по-трудна за заваряване в сравнение с меките въглеродни стомани, неръждаемата стомана масово се подлага на такава обработка в индустрията, а подходящи за целта са дълъг списък със заваръчни методи, включително електродъгово, електросъпротивително и индукционно заваряване. Към първата категория спадат процеси с нетопим електрод (газоволфрамова дъгова заварка – GTAW, плазмено дъгово заваряване), както и такива с топим (заваряване в среда от защитен газ – GMAW, дъгова заварка с флюс, дъгова заварка с покрити електроди – SMAW, подфлюсово заваряване – SAW, и заваряване с шпилки. В групата на електросъпротивителните и индукционните методи попадат: съпротивително точково заваряване, релефно електросъпротивително заваряване, електрошлаково заваряване, челно електросъпротивително заваряване със стопяване на краищата, както и високочестотно индукционно заваряване – HFIW. В практиката се използват още лазерно и електронно-лъчево заваряване, които се отличават с висока плътност на мощността и често се прилагат в автоматизирани заваръчни линии, например в автомобилостроенето.

От изброеното дотук е видно, че съществуващите заваръчни процеси са приложими и при неръждаемите стомани, като основна цел е получаването на здрави заварки с добри механични свойства, без допускане на порьозност и с особено внимание към запазването на корозионната устойчивост на базовия материал. Преди стартиране на процеса е важно зоната за заваряване да бъде щателно почистена от масла, следи от въглерод и други замърсявания, които биха компрометирали качеството на заварката. В индустрията обикновено тази група материали се обработва в специални цехове с висока чистота и атмосфера с повишено налягане. Тъй като хромът в състава им лесно се окислява, се предвижда защита от въздействието на кислорода върху стопения метал посредством инертна атмосфера (аргон, хелий, азот и др.)

Сред най-популярните промишлени методи за формиране на заваръчни съединения при производството на съдове, изделия и конструкции от неръждаема стомана са заваряването в инертна/активна защитна газова среда с плътен топящ се електроден тел (МИГ/МАГ заваряване), ВИГ (волфрамов електрод и инертен газ) заваряване, електродъгово заваряване с обмазани електроди и др.

Физичните свойства на неръждаемата стомана варират при различните видове в зависимост от състава на сплавта, но са сходни при тези, които са с една и съща микроструктура. Ето защо неръждаемите стомани от един и същ металургичен клас се отличават с близки заваръчни характеристики. Генерално се препоръчват методи, които позволяват по-кратко време на заваряване и по-малък обем стопен метал.


Избор на оборудване

На пазара се предлага богат асортимент от машини, оборудване и аксесоари за ръчно и механизирано заваряване на неръждаеми стоманени сплави – заваръчни трансформатори, инверторни апарати, полуавтоматични устройства и автомати, заваръчни горелки, дифузьори и дюзи, газоразпределители, регулираща апаратура, лично предпазно оборудване и т. н. Най-популярни в индустриалната практика при производството на изделия, поддръжката и ремонта на конструкции и съоръжения от неръждаема стомана са заваръчните апарати и машини за МИГ/МАГ и ВИГ заваряване, дъгова заварка с покрити електроди и за заваряване с ацетилен и кислород (с окси-ацетиленови горелки).

Всеки метод и тип оборудване има своите предимства и недостатъци, а изборът на решение се определя от състава, свойствата, структурата и дебелината на материала, типа на изработваното изделие или ремонтираното съоръжение, а често се съобразява и с условията на средата.

Машините за ВИГ заваряване се отличават с най-бавен заваръчен процес, но с високи естетически характеристики на шева. Методът позволява прецизно управление на заварката и нагъването и изкривяването могат да бъдат контролирани до голяма степен.

Заваръчните МИГ машини се считат за най-бързи и лесни за използване, което ги прави отлично решение за производствени нужди. Трудно е да се правят фини и прецизни заварки като при ВИГ оборудването, но за общи индустриални приложения бързината на работа ги превръща в предпочитан избор. В допълнение не е необходима пренастройка на машината след заваряването на меки стомани, тъй като заваръчните параметри са сходни. Обикновено се използва аргон или въглероден диоксид като защитна газова среда. Контролът на изкривяването не е толкова прецизен, колкото при ВИГ машините.

Апаратите за дъгова заварка с покрити електроди отново позволяват сравнително лесна работа, сходна с тази при обработката на меки стомани. Тук с особено внимание трябва да се подходи при шлаката, която проявява по-голяма тенденция да се разпръсква в сравнение с МИГ/МАГ и ВИГ апаратите.

На пазара са достъпни и по-универсализирани решения, позволяващи използването на повече от един тип заваръчен процес с едно и също оборудване. За обекти, които не са свързани с електропреносната мрежа, се предлагат модели със собствени генератори.

При работата с електроди от неръждаема стомана (например при дъгова заварка с обмазани електроди) базовият материал е необходимо да бъде с достатъчна дебелина, за да понесе голямото количество генерирана топлина в точката на заваряване.

При избора на машина е добре да бъдат отчетени няколко ключови фактора – какъв материал ще се заварява и в какъв диапазон от дебелини, в какви условия ще се работи (на открито или закрито), необходима ли е защитна газова среда и каква, какви са номиналните характеристики на апарата – мощност, режим на работа, възможности за управление и т. н.

 





ЕКСКЛУЗИВНО

Top