Производство многих современных конструкций трудно представить без операции сварки. Медицина, тяжелая промышленность, военная отрасль и другие направления полностью зависят от разработки новых методов получения прочных швов: экономичных, производительных и прецизионных. По мере появления новых направлений возникают и новые проблемы, решения которых отнюдь не всегда лежат на поверхности. Это сегодня возник вопрос массового производства оптоволоконных лазеров или стабилизации плазменного столба, но есть одна задача, решать которую придется на протяжении существования электродуговой методики.
Мимикрия сварочных швов
Ни для кого не секрет, что перед отладкой технологического процесса производства некоторой конструкции проводится тщательный предварительный анализ материалов. Изучаются условия эксплуатации, характеристики окружающей среды, вероятность физико-химического воздействия. После многочисленных теоретических выкладок и серии экспериментов выбранный материал утверждается и начинается весьма интересное зрелище. Вполне очевидно, что условия эксплуатации, влияющие на выбор металла, в большинстве случаев одинаковы для всей конструкции. Это означает, что нагрузка осуществляется не только на отдельно сваренные модули, но и на сам шов. На этот счет физическая химия утверждает, что проще всего получить близкие механические свойства можно при химическом сходстве основного материала и шва. С другой стороны, сварка высокохромистых сталей с получением похожего химического состава шва часто приводит к образованию горячих и холодных трещин. Кроме того, выделение карбидов и интерметаллидов вызывает ухудшение пластических показателей соединения. Избежать подобных неприятностей можно посредством предварительной термообработки и последующей аустенизации.
Иногда применяется сварное соединение с неполным сходством, когда необходимые свойства получаются за счет уменьшения/увеличения концентрации одного из элементов (или введения дополнительной присадки), однако производственники предпочитают вообще исключать получение швов, сходных по составу с высокохромистой сталью. Гораздо более устойчивыми являются аустенитно-ферритные швы, в основе которых лежит хромоникелевый материал с повышенным процентным содержанием никеля и добавкой марганца. Правда, если потребуется термодеформационная обработка, механические показатели металла шва резко изменятся в худшую сторону. Кроме того, на графике остаточных напряжений на границе с основным металлом будет ярко выраженный пик.
Контроль химического состава
Вполне очевидно, что контролировать химический состав сварочного шва гораздо проще посредством электродуговой сварки. Большинство работ проводится стальными покрытыми электродами, хотя порой применяются защитные среды на основе углекислоты или смеси инертных газов (иногда просто аргон), а также сварка под флюсом.
Расплав высокохромистой стали является отличным растворителем водорода, накопление которого в металле шва и околошовном объеме приводит к понижению механических показателей. Это является одной из причин образования холодных трещин. Понизить силу поглощения можно путем предварительного прокаливания электродов. Обычно температура и продолжительность термического воздействия указываются в прилагающемся паспорте; в среднем прокаливать нужно 2 часа при температуре 500°С.
Есть более выгодный прием, отличающийся меньшей ресурсоемкостью: шлакообразование. Уже школьная химия при большой концентрации водорода предполагает отказ от электродных покрытий с органическим газообразующим компонентом. Для сварки высокохромистых сталей лучше использовать фтористокальцивое покрытие, когда защитная среда образуется в результате распада карбонатов. Под воздействием температуры водород объединяется с продуктами разложения покрытия, образуя высококальциевые шлаки, попутно удаляющие из сварочной ванны серу и фосфор. Методика хороша тем, что нет нужды применять дополнительные присадки для выведения вышеуказанных примесей, содержание которых в высокохромистых сталях ограничивается весьма жестко.
Все описанное можно принять, как руководство к действию, правда, с маленькой поправкой. Представив себе реакцию распада простейшего карбоната, среди продуктов вы заметите углекислый газ. Диоксид углерода под действием высокой температуры распадается на отдельные атомы, насыщая сварочную ванну чистым кислородом. По сути, использование фторокальциевого электродного покрытия сродни внешней подаче углекислоты, которая без компенсаторов из защитной среды превращается в источник химически активного окислителя. Причем концентрация кислорода увеличивается по мере приближения к центру электрической дуги, приводя к выгоранию легирующих компонентов. Компенсировать влияние распада углекислого газа можно посредством внесения в сварочную ванну раскислителей. Чаще всего они добавляются в покрытие, хотя иногда вносятся непосредственно в стержень электрода.
Высокохромистые стали кроме решения многих эксплуатационных проблем несут в себе особые требования к составу флюса. Широко распространенные составы с высокой концентрацией марганца или кремния окисляют не только химически активный никель или молибден, но и сам хром. Увеличение содержания Mn и Si отрицательно сказывается на пластичности и вязкости, делая высоколегированную сталь хрупкой и неустойчивой перед процессами коррозии. И это не говоря о вреде образования окислов хрома в самом металле шва и выгорании легирующих компонентов. Бескислородные флюсы препятствуют обеднению хромом, однако в случае высоколегированных материалов не позволяют формировать прочный шов.
Т.о. для высокохромистых сталей используются высокоосновные флюсы (иногда позиционируются как безокислительные), химический состав которых обладает высокими буферными показателями, не изменяясь под действием расплава электрода. Также отметим, что некоторые производственники по ряду причин предпочитают слабоокислительные флюсы с небольшим содержанием железа. В этом случае применяется особая электродная проволока.
Сварка с инертными защитными газами
Защитная среда на основе аргона или смеси инертных газов заметно снижает выгорание легирующих компонентов. При условии использования вольфрамового электрода и посредством присадок удается получить материал шва с дополнительными или усиленными свойствами. Инертная газовая среда позволяет вносить в шов алюминий и даже титан, который в другой среде при наличии кислорода почти полностью выгорает. Это свойство заметно повышает стоимость предотвращения образования горячих и холодных трещин посредством подмены хрома в интерметаллидных процессах.
Без минусов, конечно же, не обошлось. Сварка высокохромистых сталей под инертными газами обладает пониженной производительностью, поэтому применяется в основном для соединения тонких листов, когда требуется повышенная защита от атмосферного воздуха. Аргон (или газовая смесь) не допускает образования азотистых соединений в металле шва, ведь даже десятая доля процента заметно повышает пористость материала, что для тонких изделий становится действительно серьезной проблемой.
Вместо эпилога
Выше уже не раз акцентировалось внимание на химическом составе шва и околошовной зоны. Для высокохромистых сталей материал и используемые присадки играют много большую роль, нежели для остальных углеродистых сталей. Отклонение от первоначальной концентрации легирующих компонентов даже на десятые доли процента может привести к полному несоответствию заявленным свойствам (особенно проблема актуальна для жаропрочных сталей). Вместе с тем, ферритные и мартенситные стали окружают человека повседневной жизни – нарушение состава шва, соединения высокохромистых сталей не только повышает процент производственного брака, но и ставит под вопрос Вашу безопасность и безопасность близких Вам людей.
Александр Гуща, специально для EquipNet.ru
Фотографии с сайта esab.ru, svarium.ru/wp-content
