Аустенитные нержавеющие сталиобычно обладают микроструктурой, состоящей из чистого аустенита при комнатной температуре; однако некоторые варианты содержат небольшое количество феррита, который помогает предотвратить образование горячих трещин. Благодаря своей превосходной свариваемости аустенитные нержавеющие стали широко используются в таких отраслях, как химическая обработка и производство сосудов под давлением для нефтяного сектора. Тем не менее, если сварочные операции выполняются неправильно, аустенитные нержавеющие стали подвержены различным проблемам, включая межкристаллитную коррозию, горячее растрескивание, коррозионное растрескивание под напряжением и плохое образование сварного шва.
Каковы проблемы со сваркой аустенитной нержавеющей стали?
I. Межкристаллитная коррозия
а. Причины межкристаллитной коррозии
Межкристаллитная коррозия возникает по границам зерен; следовательно, это называется межкристаллитной коррозией. Это представляет собой одну из самых опасных форм деградации аустенитных нержавеющих сталей. Для него характерна коррозия, глубоко проникающая в металл по границам зерен, приводящая к снижению как механических свойств, так и коррозионной стойкости металла.
Когда аустенитная нержавеющая сталь выдерживается в диапазоне температур от 450 до 850 градусов в течение определенного периода, карбиды хрома (Cr23C6) выделяются на границах зерен. Хром, необходимый для этого осаждения, извлекается в основном из поверхностных слоев зерен; если хром из внутренней части зерна не может диффундировать наружу достаточно быстро, чтобы пополнить эти поверхностные слои, содержание хрома на границах зерен,-особенно в поверхностных слоях зерен,-упадет, создавая «зону,-обедненную хромом». Под воздействием агрессивных агрессивных сред эти обедненные хромом зоны на границах зерен становятся подвержены воздействию, что приводит к межкристаллитной коррозии. Нержавеющая сталь, подверженная межкристаллитной коррозии, может не иметь видимых изменений на поверхности; однако под воздействием напряжения он разрушается по границам зерен, что приводит к почти полной потере структурной прочности.
б. Меры по предотвращению межкристаллитной коррозии
Выбирайте электроды для сварки нержавеющей стали со сверх-низким содержанием углерода (C менее или равно 0,03%) или электроды, содержащие стабилизирующие элементы, такие как титан или ниобий.
Используйте параметры сварки с низким-тепловым-вложением. Цель состоит в том, чтобы минимизировать время пребывания в критическом диапазоне температур (450–850 градусов). Это достигается за счет использования низких сварочных токов, высоких скоростей перемещения, короткой длины дуги и предотвращения поперечных движений. К сварному шву можно применять методы принудительного охлаждения (например, с использованием медных подкладок или водяного охлаждения), чтобы ускорить скорость охлаждения сварного соединения и уменьшить размер зоны термического -влияния (ЗТВ).
При многопроходной сварке необходимо строго контролировать температуру между-проходами; Перед наплавкой следующего прохода предыдущему сварному валику необходимо дать остыть до температуры ниже 60 градусов. Сварной шов на стороне детали, которая будет контактировать с агрессивной средой, следует сваривать в последнюю очередь. Необходимо выполнить обработку раствором после-сварки: заготовку нагревают до температуры от 1050 до 1150 градусов с последующей закалкой. Этот процесс приводит к повторному растворению выделений Cr23C6 на границах зерен во внутреннюю часть зерен, тем самым восстанавливая однородную аустенитную микроструктуру.
II. Горячее Крекинг
Причины горячего растрескивания
Большой температурный интервал между линиями ликвидуса и солидуса-означает широкий диапазон температур в процессе затвердевания-приводит к сильной сегрегации легкоплавких-примесей-точки плавления, которые имеют тенденцию концентрироваться на границах зерен. Кроме того, высокий коэффициент теплового расширения приводит к значительным напряжениям при охлаждении и усадке.
Меры по борьбе с горячим растрескиванием
Контролировать микроструктуру металла шва; в идеале металл шва должен иметь дуплексную структуру с содержанием феррита на уровне 3–5% или ниже. Это связано с тем, что феррит обладает способностью растворять значительные количества вредных примесей, таких как сера (S) и фосфор (P). Контролировать химический состав; снижение содержания никеля, углерода, серы и фосфора в металле сварного шва-при одновременном повышении содержания таких элементов, как хром, молибден, кремний и марганец-может эффективно свести к минимуму возникновение горячих трещин.
Выберите подходящий тип покрытия электрода. Использование электродов с низким-водородным-покрытием способствует измельчению зерна в металле сварного шва, уменьшению сегрегации примесей и повышению трещиностойкости. И наоборот, электроды с покрытием кислого-типа обладают сильными окислительными свойствами, что приводит к значительному выгоранию-легирующих элементов и, как следствие, снижению трещиностойкости; более того, они приводят к образованию крупнозернистой структуры, что делает сварной шов очень восприимчивым к образованию горячих трещин. Используйте соответствующие параметры сварки и скорости охлаждения. Используйте параметры «холодной» сварки,-в частности, низкий ток и высокую скорость перемещения-, чтобы предотвратить перегрев сварочной ванны и обеспечить быстрое охлаждение; это сводит к минимуму сегрегацию и повышает устойчивость к растрескиванию. При многопроходной сварке строго контролируйте температуру между проходами; перед наплавкой следующего сварного шва убедитесь, что предыдущий сварной валик остыл до 60 градусов.
III. Коррозионное растрескивание под напряжением
Причины коррозионного растрескивания под напряжением
Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) — это явление замедленного растрескивания, которое возникает в сварных соединениях под воздействием растягивающего напряжения в определенной агрессивной среде. В сварных соединениях аустенитной нержавеющей стали SCC представляет собой особенно серьезный вид разрушения, проявляющийся в виде хрупкого разрушения, не сопровождающегося какой-либо макроскопической пластической деформацией.
Меры против коррозионного растрескивания под напряжением
Установите соответствующие процедуры формования, обработки и сборки, чтобы максимально минимизировать деформацию,-вызванную охлаждением; избегать принудительных собраний; и предотвратить появление различных поверхностных дефектов в процессе сборки (поскольку различные царапины-, связанные со сборкой, и удары дуги могут служить местами зарождения трещин для SCC и склонны к развитию коррозионных язв). Выбирайте сварочные материалы разумно. Металл сварного шва и основной металл должны быть хорошо подобраны-во избежание образования нежелательных микроструктур-таких как укрупнение зерен или твердый хрупкий мартенсит. Используйте соответствующие сварочные процессы. Убедитесь, что сварной шов имеет хорошую морфологию и не имеет дефектов, которые могут вызвать концентрацию напряжений или питтинг (например, подрезы); кроме того, выберите рациональную последовательность сварки, чтобы минимизировать остаточные сварочные напряжения. Применяйте методы-для снятия стресса. Обычно это включает термообработку после-сварки, такую как полный отжиг или отжиг; в случаях, когда термообработку выполнить сложно, можно использовать альтернативные методы,-такие как после-упрочнение сварки или дробеструйная обработка-.
IV. Плохое формирование сварного шва
а. Причины плохого формирования сварного шва
При сварке аустенитных нержавеющих сталей высокое содержание легирующих элементов в металле шва приводит к плохой текучести сварочной ванны, что зачастую приводит к плохому формированию поверхности сварного валика. В первую очередь это проявляется в ухудшении качества формования на обратной стороне корневого прохода и шероховатой поверхности на головном проходе. Хотя влияние плохого формирования поверхности на характеристики сварного шва не особенно очевидно в условиях окружающей среды или при высоких-температурах эксплуатации, в условиях низких-температур концентрации напряжений, вызванные такими дефектами, могут влиять на низкотемпературные-характеристики сварного шва так же существенно, как и внутренние дефекты сварного шва.
б. Меры по предотвращению плохого образования сварного шва
Проблемы, связанные с плохим формированием сварного валика,-а также проблема межкристаллитной коррозии в зоне термического-зоны термического влияния (ЗТВ)-могут быть эффективно решены за счет оптимизации сварочных процессов. В частности, использование газовой вольфрамовой дуговой сварки (GTAW) для корневого прохода в сочетании с использованием низкого подвода тепла при сварке позволяет эффективно контролировать степень, в которой ЗТВ подвергается воздействию диапазона температур сенсибилизации.
заключение
Аустенитная нержавеющая сталь — широко используемый материал в химической и нефтехимической промышленности; однако его сварка подвержена четырем основным типам дефектов,-таким как межкристаллитная коррозия и горячие трещины,-основные причины которых в значительной степени связаны с контролем температуры, сегрегацией элементов и остаточными напряжениями. В лучшем случае эти проблемы просто ухудшают морфологию сварного шва; в худшем случае они резко ухудшают характеристики материала или даже вызывают хрупкое разрушение. Следовательно, эффективные стратегии предотвращения и контроля требуют комплексного управления на нескольких этапах,-включая выбор электрода, оптимизацию параметров сварки и после-обработку после сварки-с точным контролем погонной энергии, играющим решающую роль.