Особенности сварки нержавеющих сталей

Повсеместное распространение изделий из нержавеющих сталей логичным образом поставило вопрос монтажа как отдельных частей конструкции друг с другом, так и всего изделия с опорной поверхностью. Поручни, ограждения, рекламные стойки, лестницы и колесоотбойники - вот лишь малая часть применения этого универсального металла. В изготовлении большинства из этих вещей используют аустенитную сталь – содержащую около 30% легирующего элемента, что придает этому сплаву повышенные антикоррозийные свойства, пластичность и прочность. Вследствие содержания высокого процента хрома и никеля, процесс сварки нержавеющих сталей имеет свои отличительные особенности. Применение традиционных методов нежелательно по причине того, что легирующий элемент образовывает карбидные соединения (например, карбид хрома), которые ухудшают свойства стали.

Аустенитные нержавеющие стали (в частности, популярная в изготовлении разнообразных декоративных конструкций и ограждений марка AISI 304) имеют ряд специфических свойств, которые необходимо учитывать в процессе сварки:

• Низкая теплопроводность
• Высокий коэффициент линейного сопротивления
• Межкристаллитная коррозия

Последнее свойство заключается в том,  что при нагревании стали выше определенной температуры (500 градусов), она существенно теряет свои антикоррозийные свойства, и в шве могут образовываться трещины. При этом межкристаллитная коррозия может проявляться как в металле шва, так и в основном металле и даже на некотором расстоянии от шва сварки.  Коварство данного явления заключается в том, что дефект может себя раскрыть не сразу, а через какое-то время, в том числе во время эксплуатации изделия, что несет в себе опасность. В теле шва коррозия образуется при длительном нагреве, который приводит к карбидации хрома из-за повышенного содержания углерода. Коррозия основного металла также обусловлена длительным воздействием критически высоких температур на окружающую поверхность металла. Чтобы избежать межкристаллитной коррозии, применяют ряд мер: легирование дополнительными элементами (ниобий, титан, ванадий), закалка при температуре свыше 1000 градусов и другие. Кроме того, при сварке сталь необходимо мгновенно охлаждать.

Существует несколько способов сварки нержавеющей стали. Наиболее оптимальным способом сварки аустенитных сталей является сварка в аргоновой среде с применением вольфрамовых электродов. Такой метод при правильном подходе к работе гарантирует отличную прочность шва, способного выдерживать большие нагрузки, и позволяет работать с тонкими изделиями. Использование инертных газов приводит к увеличению стабильности дуги. Требуемый химический состав сплава достигается применением присадочной проволоки определенного легированного состава, либо изменением защитной атмосферы при использовании плавящегося электрода. Еще одним достоинством сварки с использованием аргона является возможность образования сварных швов в разных пространственных положениях.

Каким критерием руководствоваться при выборе типа электрода? Вольфрамовым (неплавящимся) электродом обычно производят сварку заготовки толщиной до 5 мм (за определенными исключениями). В зависимости от толщины принимается решение по использованию присадочной проволоки. Процесс сварки проходит на постоянном токе прямой полярности, за исключением стали с повышенным содержанием алюминия – в этом случае целесообразно использовать переменный ток.

Также распространена импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом. Она позволяет достичь измельчения шовного материала и уменьшить температуру свариваемой области, что благоприятно отражается на устойчивости шва к образованию повреждений. В определенных случаях при сварке высоколегированной стали плавящимся электродом, в защитную аргоновую среду добавляют кислород либо углекислый газ CO₂, что позволяет добиться большей стабильности в работе электрической дуги и избежать процесса порообразования в сварном шве. При этом необходимо учитывать ряд особенностей такого процесса. Так, при сварке с помощью углекислого газа сталей с повышенным содержанием хрома на поверхности возникает трудноудаляемая пленка, которая препятствует многослойной сварке. 

Сварка высоколегированных сталей с содержанием титана или алюминия  должна осуществляться на плотностях тока, обеспечивающих струйный перенос электродного металла. Это позволяет избежать разбрызгивания металла, что облегчает образование сварных швов в разных пространственных положениях. Кроме того, в таких случаях целесообразно применять электроды с защитным покрытием, адекватным составу сплава. Такое долегирование позволяет обеспечить требуемый химический состав металла.

Когда стоит вопрос сварки малоуглеродистых сталей (содержание ниже 0,08%), надо учитывать проблему науглероживания шовного материала. Подобное изменение химического состава негативным образом отражается на антикоррозийных свойствах стали. 

Еще одним способом сварки аустенитных сплавов является сварка под флюсом (ГОСТ 8713-79). Ее преимущество состоит в стабильности состава шва на всем его протяжении. Достигается это за счет того, что нет необходимости в смене электрода, отсутствуют разрывы электрической дуги, достигается повышенная защита сварочной зоны от окисления легирующих элементов кислородом. Для флюса используются фторидные и защитно-легирующие составы, либо флюсы на основе оксида, наносят его на присадочный материал и околосварную зону с обратной стороны. Электрод при этом должен обладать высоколегированными характеристиками.

При аргонодуговой сварке не допускаются колебания электрода, так как это может привести к окислению шва. Для защиты сварочной ванны от попадания вольфрама оптимально использовать бесконтактный поджог электрической дуги. Для того чтобы электрод прослужил дольше, после окончания сварки подачу защитного газа прерывают не сразу, а через 15 секунд, что позволяет избежать окисления раскаленного вольфрамового электрода.