Caracteristicile de sudare ale oțelului inoxidabil austenitic și selecția tijei de sudură

Oțelul inoxidabil austenitic are o sudabilitate bună și este în prezent cel mai utilizat în industrie. În general, în timpul sudării nu sunt necesare măsuri tehnologice speciale. Această lucrare analizează în detaliu apariția fisurilor la cald, a coroziunii intergranulare, a fisurilor prin coroziune sub tensiune, a fragilizării îmbinărilor sudate (fragilare la temperatură scăzută, fragilizare în fază sigma, fragilizare a liniei de fuziune) cauze și măsuri preventive,

Prin analiza teoretică și practică a caracteristicilor de sudare sunt introduse principiile de selecție și metodele de selecție a electrozilor pentru oțelul inoxidabil austenitic în sudarea diferitelor materiale și în diferite condiții de mediu de lucru.

Oțelul inoxidabil este din ce în ce mai utilizat pe scară largă în industria aviației, a petrolului, chimică și a energiei atomice. Oțelul inoxidabil este împărțit în oțel inoxidabil crom, oțel inoxidabil crom-nichel în funcție de compoziția chimică și oțel inoxidabil feritic, oțel inoxidabil martensitic, oțel inoxidabil austenitic și oțel inoxidabil austenitic-feritic duplex.

Dintre oțelurile inoxidabile, oțelul inoxidabil austenitic (oțel inoxidabil de tip 18-8) are o rezistență mai bună la coroziune decât alte oțeluri inoxidabile; rezistența sa este mai mică, dar plasticitatea și duritatea sunt excelente; performanța sa de sudare este bună și este utilizat în principal pentru containere chimice, echipamente și este cel mai utilizat oțel inoxidabil în industrie în prezent.

Deși oțelul inoxidabil austenitic are multe avantaje, dacă procesul de sudare este incorect sau materialul de sudare este selectat necorespunzător, vor apărea multe defecte, care vor afecta în cele din urmă performanța.

Caracteristicile de sudare ale oțelului inoxidabil austenitic

• Predispus la fisuri termice

Fisurile fierbinți ale oțelului inoxidabil austenitic sunt relativ ușor de produs defecte în timpul sudării, inclusiv fisuri longitudinale și transversale ale sudurilor, fisuri de bavuri, fisuri de rădăcină ale sudării pe suport și fisuri interstrat ale sudării multistrat etc., în special atunci când conținutul de nichel este relativ ridicat. Oțelurile inoxidabile austenitice sunt mai ușor de produs.

1. Cauza

(1) Liniile de fază lichidă și solidă ale oțelului inoxidabil austenitic au un interval mare, un timp de cristalizare lung și o orientare cristalografică de austenită monofazată este puternică, astfel încât segregarea impurităților este relativ gravă.

(2) Conductivitatea termică este mică, iar coeficientul de dilatare liniară este mare, ceea ce va genera o tensiune internă de sudare mare (de obicei, tensiunea de întindere a sudurii și a zonei afectate de căldură) în timpul sudării.

(3) Componentele din oțel inoxidabil austenitic, cum ar fi C, S, P, Ni etc., vor forma un eutectic cu punct de topire scăzut în bazinul topit. De exemplu, punctul de topire al Ni3S2 format din S și Ni este de 645 de grade, în timp ce punctul de topire al eutecticii Ni-Ni3S2 este de numai 625 de grade.

2. Măsuri preventive

(1) Utilizați sudarea cu structură dublă pentru a face metalul de sudare ca structură dublă fază de austenită și ferită cât mai mult posibil și controlați conținutul de ferită sub 3 până la 5%, ceea ce poate perturba direcția cristalelor columnare de austenită. rafinamentul cerealelor. Iar ferita poate dizolva mai multe impurități decât austenita, reducând astfel segregarea eutecticilor cu punct de topire scăzut în limitele granulelor austenitei.

(2) Măsuri ale procesului de sudare În procesul de sudare, încercați să utilizați electrozi de înaltă calitate cu acoperire alcalină, utilizați energie de linie mică, curent mic, sudare rapidă fără balansare, încercați să umpleți groapa arcului la sfârșit și utilizați sudarea cu arc cu argon pentru fund, etc. Reduceți stresul de sudură și fisurile craterelor.

(3) Controlați compoziția chimică Limitați strict conținutul de impurități precum S și P din sudare pentru a reduce punctul de topire scăzut eutectic.

• Coroziunea intergranulară

Coroziunea are loc între boabe, ceea ce are ca rezultat o pierdere a legăturii dintre cereale, pierderea aproape completă a rezistenței și fracturarea de-a lungul limitelor de cereale atunci când sunt solicitate.

1. cauza

Conform teoriei epuizării cromului, atunci când sudarea și zona afectată de căldură sunt încălzite la temperatura de sensibilizare de 450 până la 850 de grade (zonă de temperatură periculoasă), datorită razei atomice mari a Cr, viteza de difuzie este mică, iar carbonul suprasaturat tinde spre boabe de austenită. Limita difuzează și formează Cr23C6 la limita granulelor cu compusul de crom la limita granulelor, rezultând o limită a granulelor cu crom slab, care nu este suficient pentru a rezista la coroziune.

2. Măsuri preventive

(1) Controlul conținutului de carbon

Utilizați consumabile de sudură din oțel inoxidabil cu conținut scăzut de carbon sau ultra scăzut de carbon (W(C) Mai mic sau egal cu 0,03%). Cum ar fi A002 și așa mai departe.

(2) Adăugați stabilizator

Adăugarea de Ti, Nb și alte elemente care au o afinitate mai puternică cu C decât cu Cr în oțel și materiale de sudură se pot combina cu C pentru a forma carburi stabile, evitând astfel epuizarea cromului la limitele granulelor austenite. Oțelul inoxidabil și materialele de sudură utilizate în mod obișnuit conțin Ti, Nb, cum ar fi oțel 1Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni12MO2Ti, electrod E347-15, sârmă de sudură H{0Cr19Ni9Ti etc.

(3) Adoptă organizarea bidirecțională

O anumită cantitate de elemente care formează ferită, cum ar fi Cr, Si, AL, MO etc., sunt topite în sudură de către firul sau electrodul de sudare, astfel încât sudarea este formată într-o structură dublă de austenită + ferită. , deoarece Cr este în Rata de difuzie în ferită este mai rapidă decât cea în austenită, deci Cr difuzează mai repede la granițele de granule în ferită, ceea ce atenuează fenomenul de epuizare a cromului în limitele de granule de austenită. În general, conținutul de ferită din metalul de sudură este controlat să fie de 5% până la 10%. Dacă există prea multă ferită, sudura va deveni fragilă.

(4) Răcire rapidă

Deoarece oțelul inoxidabil austenitic nu provoacă întărire, în timpul procesului de sudare, puteți încerca să creșteți viteza de răcire a îmbinării sudate, cum ar fi răcirea cu o placă de suport de cupru sau udarea directă sub sudura.

În procesul de sudare, măsuri precum curent scăzut, viteză mare de sudare, arc scurt și sudare cu mai multe treceri pot fi utilizate pentru a scurta timpul în care îmbinarea sudată rămâne în zona de temperatură periculoasă, astfel încât să se evite formarea unui crom. -zonă epuizată.

(5) Efectuați tratament cu soluție sau tratament termic de omogenizare. După sudare, încălziți îmbinarea sudată la 1050-1100 grad, astfel încât carburile să fie redizolvate în austenită și apoi răcite rapid pentru a forma o structură stabilă de austenită monofazată.

În plus, se poate efectua și un tratament termic de omogenizare la 850-900 grade timp de 2 ore. În acest moment, Cr-ul din boabele de austenită difuzează până la limitele boabelor, iar conținutul de Cr la granițele granulelor ajunge din nou la peste 12%, astfel încât nu se vor forma boabe. corodat.

• Fisurare prin coroziune sub tensiune

Deteriorarea metalului prin coroziune sub acțiunea combinată a tensiunii și a mediului coroziv. Conform cazurilor de fisurare prin coroziune sub tensiune și studiilor experimentale ale echipamentelor și pieselor din oțel inoxidabil, se poate considera că sub acțiunea combinată a unei anumite tensiuni statice de întindere și a unui mediu electrochimic specific la o anumită temperatură, oțelul inoxidabil existent are posibilitatea de a producând coroziune sub tensiune.

Una dintre cele mai mari caracteristici ale coroziunii la stres este selectivitatea în combinația de medii și materiale corozive. Este ușor de provocat coroziune prin stres a oțelului inoxidabil austenitic, în principal acid clorhidric și ioni de clorură care conțin clorură, precum și acid sulfuric, acid azotic, hidroxid (alcali), apă de mare, vapori de apă, soluție apoasă H2S, NaHCO concentrat{{1} }NH3+soluție apoasă de NaCl și alte medii Așteptați.

1. Cauza

Fisurarea prin coroziune prin efort este un fenomen de fisurare intarziat care apare atunci cand imbinarile sudate sunt supuse la tensiuni de tractiune intr-un mediu corosiv specific. Fisurarea prin coroziune sub tensiune a îmbinărilor sudate din oțel inoxidabil austenitic este o formă de defecțiune gravă a îmbinărilor sudate, care se manifestă ca defecțiune fragilă fără deformare plastică.

2. Măsuri preventive

(1) Formulați în mod rezonabil procesul de formare și procesul de asamblare pentru a minimiza gradul de deformare a lucrărilor la rece, pentru a evita asamblarea forțată și pentru a preveni tot felul de cicatrici în timpul procesului de asamblare (toate tipurile de cicatrici de asamblare și arsuri de arc vor deveni sursa de fisuri a SCC). , care este ușor de provocat coroziune.

(2) Selecția rezonabilă a consumabilelor de sudură Cusătura de sudură și metalul de bază ar trebui să se potrivească bine, fără nicio structură proastă, cum ar fi îngroșarea granulelor și martensita tare și fragilă.

(3) Adoptați un proces de sudare adecvat pentru a vă asigura că cusătura de sudură este bine formată și nu produce nicio concentrare a tensiunii sau defecte de pitting, cum ar fi decuparea, etc., adoptați o secvență de sudare rezonabilă pentru a reduce nivelul tensiunii reziduale de sudare. De exemplu, evitați sudurile încrucișate, schimbați canelura în formă de Y într-o canelură în formă de X, reduceți în mod corespunzător unghiul canelurii, utilizați un cordon de sudură scurt și utilizați o energie de linie mică.

(4) Tratament termic post-sudare pentru tratamentul de reducere a tensiunilor, cum ar fi recoacere completă sau recoacere după sudare; ciocanul post-sudare sau peening-ul este utilizat atunci când tratamentul termic este dificil de implementat.

(5) Măsuri de management al producției pentru controlul impurităților din mediu, cum ar fi O2, N2, H2O etc. în mediu lichid de amoniac, H2S în gaz petrolier lichefiat, O2, Fe3+, Cr{6+, etc. în soluție de clorură, tratament anticoroziv: cum ar fi stratul de acoperire, căptușeala sau protecție catodică etc., adăugați inhibitor de coroziune.

• Fragilarea îmbinărilor sudate

După ce sudarea oțelului inoxidabil austenitic este încălzită la temperatură ridicată pentru o perioadă de timp, fenomenul de duritate la impact va scădea, ceea ce se numește fragilizare.

1. Fragilarea la temperatură scăzută a metalului de sudură (fragilare la 475 de grade)

(1) Cauza

Structura de sudură în dublă fază care conține mai multe faze de ferită (mai mult de 15% până la 20%), după încălzire la 350 până la 500 de grade, plasticitatea și duritatea vor scădea semnificativ. Deoarece viteza de fragilizare este cea mai rapidă la 475 de grade, se numește fragilizare de 475 de grade.

Pentru îmbinările sudate din oțel inoxidabil austenitic, rezistența la coroziune sau rezistența la oxidare nu este întotdeauna cea mai critică proprietate, dar atunci când este utilizată la temperaturi scăzute, duritatea plastică a metalului sudat devine proprietatea critică.

Pentru a îndeplini cerințele de duritate la temperaturi scăzute, structura de sudură speră de obicei să obțină o singură structură de austenită pentru a evita existența feritei delta. Prezența feritei delta deteriorează întotdeauna rezistența la temperatură scăzută și, cu cât conținutul este mai mare, cu atât această fragilizare este mai gravă.

(2) Măsuri preventive

①Pe premisa asigurării rezistenței la fisuri și a rezistenței la coroziune a metalului de sudură, faza de ferită trebuie controlată la un nivel scăzut, aproximativ 5%.

②Sudurile care au fost fragilizate la 475 de grade pot fi eliminate prin călire la 900 de grade.

2. Fragilarea în fază sigma a îmbinărilor sudate

(1) Cauze

The long-term use of austenitic stainless steel welded joints in the temperature range of 375 to 875 ° C will produce an inter-FeCr compound called σ phase. The σ phase is hard and brittle (HRC>68).

Ca urmare a precipitării fazei σ, duritatea la impact a sudurii scade brusc, ceea ce se numește fragilizare în faza σ. Faza σ apare în general doar în sudarea structurii dublă; când temperatura de serviciu depășește 800 ~ 850 de grade, faza σ va precipita și în sudarea cu austenită monofazată.

(2) Măsuri preventive

①Limitați conținutul de ferită din metalul de sudură (mai puțin de 15%); utilizați materiale de sudură superaliate, adică materiale de sudură cu conținut ridicat de nichel și controlați strict conținutul de Cr, Mo, Ti, Nb și alte elemente.

② Se adoptă specificații mici pentru a reduce timpul de rezidență al metalului de sudură la temperatură ridicată

③ Faza σ care a fost precipitată este supusă unui tratament cu soluție solidă atunci când condițiile permit, astfel încât faza σ este dizolvată în austenită.

④Încălziți îmbinarea sudată la 1000-1050 grade, apoi răciți-o rapid. Faza σ nu este produsă în general în oțel 1Cr18Ni9Ti.

3. Linia de fuziune este fragilă

(1) Cauze

Când oțelul inoxidabil austenitic este utilizat pentru o lungă perioadă de timp la temperatură ridicată, se va produce o fractură fragilă de-a lungul câtorva granule în afara liniei de fuziune.

(2) Măsuri de prevenire și control

Adăugarea de Mo la oțel poate îmbunătăți capacitatea oțelului de a rezista ruperii fragile la temperaturi înalte.

Prin analiza de mai sus, numai selecția rezonabilă a măsurilor de proces de sudare de mai sus sau a materialelor de sudare poate evita defectele de sudare de mai sus. Oțelul inoxidabil austenitic are o sudabilitate excelentă și aproape toate metodele de sudare pot fi utilizate pentru sudarea oțelului inoxidabil austenitic.

Printre diferitele metode de sudare, sudarea cu arc cu electrozi are avantajele de a se adapta la diferite poziții și diferite grosimi ale plăcilor și este utilizată pe scară largă. Următoarele se concentrează pe analiza principiilor și metodelor de selecție a electrozilor din oțel inoxidabil austenitic în diferite utilizări.

Puncte cheie pentru selectarea electrozilor pentru oțel inoxidabil austenitic

Oțelul inoxidabil este folosit în principal pentru rezistența la coroziune, dar este folosit și ca oțel rezistent la căldură și oțel la temperaturi joase. Prin urmare, atunci când sudați oțel inoxidabil, performanța electrodului trebuie să se potrivească cu scopul oțelului inoxidabil. Electrozii din oțel inoxidabil trebuie selectați în funcție de metalul de bază și de condițiile de lucru (inclusiv temperatura de lucru și mediul de contact etc.).

(1) Punctul 1

În general, selectarea electrodului se poate referi la materialul metalului de bază și selectarea electrodului cu aceeași compoziție sau similară cu cea a metalului de bază. Cum ar fi: A102 corespunde 0Cr18Ni9, A137 corespunde 1Cr18Ni9Ti.

(2) Punctul 2

Deoarece conținutul de carbon are o mare influență asupra rezistenței la coroziune a oțelului inoxidabil, în general se alege electrodul din oțel inoxidabil al cărui conținut de carbon al metalului depus nu este mai mare decât cel al metalului de bază. Cum ar fi 316L trebuie să folosească electrodul A022.

(3) Punctul 3

Metalul sudat al oțelului inoxidabil austenitic trebuie să asigure proprietățile mecanice. Acest lucru poate fi verificat prin calificarea procedurii de sudare.

(4) Punctul 4 (oțel austenitic rezistent la căldură)

Pentru oțelul inoxidabil rezistent la căldură (oțel austenitic rezistent la căldură) care lucrează la temperatură ridicată, electrodul selectat trebuie să îndeplinească în principal rezistența la fisurare la cald a metalului de sudură și performanța la temperatură ridicată a îmbinării sudate.

1. Pentru oțelurile austenitice rezistente la căldură cu Cr/Ni mai mare sau egal cu 1, cum ar fi 1Cr18Ni9Ti etc., se folosesc în general electrozi din oțel inoxidabil austenitic-feritic și este recomandabil ca metalul de sudură să conțină 2-5 % ferită. Când conținutul de ferită este prea scăzut, rezistența la fisurare a metalului de sudură este slabă; dacă este prea mare, este ușor să se formeze o fază de fragilizare sigma în timpul utilizării pe termen lung la temperatură ridicată sau tratament termic, rezultând fisuri.

Cum ar fi A002, A102, A137. În unele aplicații speciale, atunci când toate metalele de sudură austenitice pot fi necesare, cum ar fi electrozii A402, A407, etc.

2. Pentru oțeluri austenitice stabile rezistente la căldură cu Cr/Ni<1, such as Cr16Ni25Mo6, etc., it is generally necessary to increase the Mo, W, Mn in the weld metal while ensuring that the chemical composition of the weld metal is approximately similar to that of the base metal. The content of such elements can improve the crack resistance of the weld while ensuring the thermal strength of the weld metal. Such as using A502, A507.

(5) Punctul 5 (oțel inoxidabil rezistent la coroziune)

Pentru oțelul inoxidabil rezistent la coroziune care lucrează în diverse medii corozive, electrodul trebuie selectat în funcție de mediu și temperatura de lucru, iar rezistența sa la coroziune trebuie asigurată (efectuați testul de performanță la coroziune a îmbinărilor sudate).

1. Pentru mediul cu temperatura de lucru peste 300 de grade și corozivitate puternică, trebuie utilizat electrodul care conține element de stabilizare Ti sau Nb sau oțel inoxidabil cu carbon ultrascăzut. Cum ar fi A137 sau A002 și așa mai departe.

2. Pentru mediul care conține acid sulfuric diluat sau acid clorhidric, se folosesc adesea electrozi din oțel inoxidabil care conțin Mo sau Mo și Cu, cum ar fi: A032, A052 etc.

3. Pentru echipamente cu coroziune slabă sau numai pentru evitarea poluării cu rugină, se pot folosi electrozi din oțel inoxidabil fără Ti sau Nb. Pentru a asigura rezistența la coroziune sub tensiune a metalului de sudură, se folosesc consumabile de sudare supraaliate, adică conținutul de elemente de aliaj rezistente la coroziune (Cr, Ni etc.) în metalul de sudură este mai mare decât cel al metalului de bază. . De exemplu, utilizați materiale de sudare de tip 00Cr18Ni12Mo2 (cum ar fi A022) pentru a suda 00suduri Cr19Ni10.

(6) Punctul 6

Pentru oțelul inoxidabil austenitic care lucrează în condiții de temperatură scăzută, duritatea la impact la temperatură scăzută a îmbinării sudate la temperatura de serviciu ar trebui să fie garantată, astfel încât se folosesc electrozi austenitici puri. Cum ar fi A402, A407.

(7) Punctul 7

Sunt disponibili și electrozi din aliaj pe bază de nichel. De exemplu, oțelul inoxidabil super austenitic de tip Mo6 este sudat cu consumabile de sudare pe bază de nichel cu Mo până la 9%.

(8) Punctul 8: Selectarea tipului de acoperire a electrodului

1. Deoarece metalul de sudare din oțel austenitic cu două faze conține în sine o anumită cantitate de ferită, are plasticitate și duritate bune. Din perspectiva rezistenței la fisurarea metalului de sudare, se compară învelișul de bază și electrodul de acoperire de tip titan calciu. Diferența nu este la fel de semnificativă ca pentru electrozii din oțel carbon. Prin urmare, în aplicațiile practice, se acordă mai multă atenție performanței procesului de sudare și se folosesc majoritatea electrozilor cu cod de tip de acoperire 17 sau 16 (cum ar fi A102A, A102, A132 etc.).

2. Numai atunci când rigiditatea structurală este foarte mare sau rezistența la fisurare a metalului de sudură este slabă (cum ar fi oțel inoxidabil cu crom martensitic, oțel inoxidabil cu crom-nichel austenitic pur etc.), alegerea codului de acoperire 15 poate fi luată în considerare . Electrozi din oțel inoxidabil acoperiți de bază (cum ar fi A107, A407 etc.).

În concluzie

În concluzie, sudarea oțelului inoxidabil austenitic are caracteristicile sale unice, iar selecția electrozilor de sudare pentru oțel inoxidabil austenitic este deosebit de remarcabilă. Sa dovedit printr-o practică pe termen lung că măsurile de mai sus pot fi utilizate pentru a realiza suduri diferite pentru diferite materiale. Metode și electrozi din diferite materiale, electrozii din oțel inoxidabil trebuie selectați în funcție de metalul de bază și condițiile de lucru (inclusiv temperatura de lucru și mediu de contact etc.). Are o bună semnificație de ghidare pentru noi, astfel încât este posibil să atingem calitatea așteptată de sudare.