Введение
При производстве химического и нефтеперерабатывающего оборудования, чтобы сэкономить дорогостоящий никель, сталь часто сваривают с никелем и его сплавами.
Основные проблемы сварки
При сварке основными компонентами в сварном шве являются железо и никель, которые обладают бесконечной взаимной растворимостью и не образуют интерметаллических соединений. Как правило, содержание никеля в сварном шве относительно высокое, поэтому в зоне плавления сварного соединения диффузионный слой не образуется. Главная проблема сварки — склонность к образованию пористости и горячих трещин в сварном шве.
1. Пористость
При сварке стали, никеля и его сплавов основными факторами, влияющими на образование пористости в сварном шве, являются кислород, никель и другие легирующие элементы.
① Влияние кислорода. При сварке жидкий металл может растворять больше кислорода, а кислород при высоких температурах и окислении никеля приводит к образованию NiO. NiO может реагировать с водородом и углеродом в жидком металле, образуя водяной пар и оксид углерода в расплавленной ванне при затвердевании, что приводит к слишком позднему выходу паров и образованию пор в сварном шве. При сварке под флюсом чистого никеля и стали Q235-A содержание азота и водорода практически не меняется, но чем выше содержание кислорода в сварном шве, тем больше пор в сварном шве.
② Влияние никеля. В железо-никелевом сварном шве растворимость кислорода в железе и никеле различна: растворимость кислорода в жидком никеле выше, чем в жидком железе, а растворимость кислорода в твердом никеле ниже, чем в твердом железе. Следовательно, растворимость кислорода при резком изменении кристаллизации никеля более выражена, чем при резком изменении кристаллизации железа. Поэтому тенденция к образованию пористости в сварном шве при содержании Ni 15%–30% невелика, а при высоком содержании Ni тенденция к образованию пористости возрастает до 60%–90%, при этом количество растворенной стали неизбежно уменьшается, что приводит к увеличению тенденции к образованию пористости.
③ Влияние других легирующих элементов. Когда железо-никелевый сварной шов содержит марганец, хром, молибден, алюминий, титан и другие легирующие элементы или их количество соответствует составу, это может улучшить антипористость сварного шва. Это связано с тем, что марганец, титан и алюминий и др. играют роль деоксигенации, в то время как хром и молибден улучшают растворимость сварного шва в твердом металле. Таким образом, антипористость сварного шва из никеля и нержавеющей стали 1Cr18Ni9Ti выше, чем у сварного шва из никеля и стали Q235-A. Алюминий и титан также могут связывать азот в стабильных соединениях, что также может улучшить антипористость сварного шва.
2. Термический крекинг
В сварном шве сталь, никель и его сплавы являются основной причиной термического растрескивания, поскольку из-за высокой концентрации никеля в сварном шве с дендритной структурой на краях крупных зерен концентрируется множество низкоплавких сокристаллов, что ослабляет связь между зернами и снижает сопротивление сварного шва растрескиванию. Кроме того, слишком высокое содержание никеля в сварном шве оказывает значительное влияние на образование термических трещин в железо-никелевых сварных швах, а кислород, сера, фосфор и другие примеси также оказывают существенное влияние на склонность сварного шва к термическому растрескиванию.
При использовании бескислородного флюса из-за снижения качества кислорода, серы, фосфора и других вредных примесей в сварном шве, особенно при снижении содержания кислорода, значительно уменьшается количество трещин. Поскольку при кристаллизации расплавленной ванны кислород и никель могут образовывать эвтектику Ni + NiO, эвтектическая температура которой составляет 1438 ℃, а кислород также может усиливать вредное воздействие серы. Поэтому при высоком содержании кислорода в сварном шве склонность к термическому растрескиванию возрастает.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb и другие легирующие элементы могут улучшить трещиностойкость сварного шва. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb являются метаморфическими агентами, способными измельчать структуру сварного шва и нарушать направление его кристаллизации. Al и Ti также являются сильными раскислителями, способными уменьшить количество кислорода в сварном шве. Mn может образовывать тугоплавкие соединения с S, MnS, что снижает вредное воздействие серы.
Механические свойства сварных соединений
Механические свойства сварных соединений железо-никеля зависят от присадочного металла и параметров сварки. При сварке чистого никеля и низкоуглеродистой стали, если содержание никеля в сварном шве составляет менее 30%, при быстром охлаждении шва в нем образуется мартенситная структура, что приводит к резкому снижению пластичности и ударной вязкости соединения. Поэтому для достижения лучшей пластичности и ударной вязкости соединения содержание никеля в сварном шве железо-никеля должно быть более 30%.
Дата публикации: 10 марта 2025 г.