Сварка нержавеющей стали: способы, присадки и ошибки

Чем нержавеющая сталь отличается при сварке

У аустенитной нержавеющей стали три особенности, которые определяют технологию. Во-первых, она плохо проводит тепло: у нее теплопроводность в несколько раз ниже, чем у углеродистой стали, поэтому тепло концентрируется в зоне шва и деформации заметнее. Во-вторых, она сильно расширяется при нагреве, поэтому листы «ведет», а тонкие детали коробятся. В-третьих, при нагреве хром связывается с углеродом в карбиды по границам зерен, и околошовная зона теряет защитные свойства.

Опасный диапазон температур – примерно от 450 до 850 °C. Чем дольше металл находится в этом диапазоне, тем выше риск межкристаллитной коррозии. Поэтому режим сварки выбирают так, чтобы быстро проходить опасную область: работают на минимально достаточном токе, ведут сварку короткими валиками и ограничивают температуру металла между проходами. Для ответственных узлов берут стали с пониженным углеродом (304L, 316L) или стабилизированные титаном, подробнее – в статье о стали 12Х18Н10Т.

Способы сварки нержавеющей стали

Для нержавейки применяют те же способы, что и для других сталей, но с поправками на защиту и режимы.

Чаще всего корни швов и тонкий металл варят аргонодуговой сваркой, а толстостенные обечайки и днища – полуавтоматической или автоматической. Выбор определяет толщина, пространственное положение шва, требования к внешнему виду и место работы: в цехе или на площадке.

Присадочные материалы и защитные газы

Присадку подбирают по основному металлу так, чтобы шов был не слабее его по стойкости. Для стали 304 берут присадку типа 308L, для 316 – типа 316L, которая, как и основной металл, содержит молибден. Для стабилизированных сталей используют присадки, легированные ниобием или титаном. Если нержавеющую сталь приваривают к углеродистой, ставят присадку с повышенным содержанием хрома и никеля, например типа 309L: она компенсирует разбавление шва железом и снижает риск трещин.

В шве аустенитной стали допустима небольшая доля ферритной фазы, которая препятствует горячим трещинам, поэтому присадки для аустенитных сталей подбирают так, чтобы в шве было несколько процентов феррита. Защитным газом при аргонодуговой сварке служит чистый аргон, а для полуавтоматической сварки применяют аргон с небольшой добавкой углекислого газа или кислорода. Чем меньше активных добавок, тем светлее и чище поверхность шва.

Подготовка и защита обратной стороны шва

Перед сваркой кромки очищают от масла, краски и следов обычной стали, обезжиривают и при необходимости фаскуют. Зазор в стыке выдерживают минимальным и равномерным: большой зазор требует больше наплавленного металла и больше тепла, а значит, увеличивает деформацию и время нахождения металла в опасном диапазоне температур. Прихватки ставят той же присадкой и тем же способом, что и основной шов, и зачищают перед сваркой. Нержавеющий металл нельзя обрабатывать теми же щетками и абразивами, которыми зачищали углеродистую сталь: частицы железа внедряются в поверхность и позже дают очаги ржавчины. Поэтому для нержавейки держат отдельный инструмент, а рабочее место отделяют от обработки черного металла.

Обратную сторону шва при сварке труб и обечаек защищают поддувом аргона. Без него корень шва окисляется, покрывается рыхлой окалиной и теряет стойкость; визуально это видно по темным тонам и шероховатости. Поддув ставят при сварке корня и первых проходов, а в замкнутых полостях заранее продумывают подвод и отвод газа.

Дефекты и как их избежать

• Деформации. Снижаются жесткими прихватками, чередованием направления швов, сваркой на медных подкладках, малым тепловложением.
• Межкристаллитная коррозия. Предотвращается применением сталей с пониженным углеродом или стабилизированных и короткой выдержкой в опасном диапазоне температур.
• Горячие трещины. Возникают, когда в шве нет феррита из-за неподходящей присадки, при загрязнении кромок и при узком глубоком валике; помогает присадка с нужной долей феррита и умеренный ток.
• Окалина и цвета побежалости. Появляются при недостаточной газовой защите и перегреве; убираются травлением или шлифовкой.
• Поры и непровары. Следствие загрязнения кромок, сквозняков, влаги в газе или неправильных режимов.
• Точечная коррозия на шве. Возникает, если после сварки не удалена окалина и обедненный хромом слой.

Сварка нержавеющей стали с углеродистой

В реальных аппаратах нержавеющие и черные детали соединяют постоянно: нержавеющий корпус стоит на опорах из углеродистой стали, к нему привариваются кронштейны и площадки обслуживания. Такой шов называют разнородным. В нем перемешиваются два состава, поэтому на этом участке металл шва беднее хромом, чем основной. Если взять присадку для нержавеющей стали без запаса по легированию, шов окажется хрупким, а при использовании обычной присадки – нестойким к коррозии.

Практическое правило такое: разнородные швы выполняют присадкой с повышенным содержанием хрома и никеля, а в зоне контакта со средой стараются не использовать углеродистую сталь вовсе. Снаружи аппарата углеродистую деталь и зону стыка окрашивают: во влажной среде черный металл рядом с нержавейкой ржавеет быстрее, и ржавые потеки переходят на нержавеющую поверхность. Нержавеющие поверхности при этом защищают от искр и брызг от резки и сварки черного металла: их частицы прожигают пленку и становятся очагами коррозии.

Обработка швов после сварки

После сварки поверхность нужно вернуть в состояние, при котором восстанавливается защитная пленка. Окалину и цвета побежалости удаляют механически – шлифовкой – или химически: травильными пастами и растворами. Затем поверхность промывают и пассивируют, чтобы на ней образовалась стойкая оксидная пленка. Как это делают и как проверяют результат, описано в статье о пассивации нержавеющей стали. Для пищевых аппаратов шов дополнительно шлифуют до гладкого состояния, чтобы в нем не задерживались остатки продукта.

Контроль качества швов

Внешний осмотр дает основную информацию: форма и ширина шва, подрезы, наплывы, поры и цвет поверхности. Для ответственных аппаратов осмотр дополняют капиллярным контролем, который выявляет поверхностные трещины, и радиографическим или ультразвуковым – для внутренних дефектов. Требования к объему контроля устанавливает ГОСТ 34347-2017 на сварные сосуды и аппараты и условия задания, поэтому объем контроля стоит прописать в ТЗ заранее. Отдельно оговаривают, кто и по каким документам принимает сварные соединения, как их клеймят и что делать с дефектами: дефектный участок вырезают или вышлифовывают и заваривают заново – наплавка поверх оставляет дефект внутри шва.

Сварка нержавейки в емкостях на заказ

Нержавеющие емкости и аппараты из AISI 304, 316 и 12Х18Н10Т мы изготавливаем по вашему ТЗ: разрабатываем КМ/КМД с 3D-моделью, а требования к обработке швов и пассивации фиксируем в задании и выполняем при изготовлении. В задании укажите марку стали, среду и ее температуру, что нужно сделать с внутренними швами – зачистить, отшлифовать, пассивировать, – и объем контроля швов, если его задает ваш проект. Если в емкости нужны нержавеющие части и углеродистые опоры, схему соединения материалов согласуем на стадии КМД. Марки и их различия разобраны в статье об AISI 304 и 316, а готовые конструкции – на странице емкостей из нержавеющей стали. Задание и данные для расчета присылайте через раздел «Контакты».