Вступ
Під час виробництва хімічного та нафтового обладнання, щоб заощадити дорогий нікель, сталь часто зварюють з нікелем та його сплавами.
Основні проблеми зварювання
Під час зварювання основними компонентами зварного шва є залізо та нікель, які здатні до нескінченної взаємної розчинності та не утворюють інтерметалевих сполук. Загалом, вміст нікелю у зварному шві відносно високий, тому в зоні сплавлення зварного з'єднання не утворюється дифузійний шар. Основною проблемою зварювання є схильність до утворення пористості та гарячих тріщин у зварному шві.
1. Пористість
При зварюванні сталі та нікелю та його сплавів основними факторами, що впливають на утворення пористості в зварному шві, є кисень, нікель та інші легуючі елементи.
① Вплив кисню. Під час зварювання рідкий метал може розчиняти більше кисню, а за високих температур кисень та окислення нікелю утворюють NiO. NiO може реагувати з воднем та вуглецем у рідкому металі, утворюючи водяну пару та чадний газ у розплавленій ванні, що призводить до затвердіння, і, в свою чергу, до утворення залишкової пористості у зварному шві. При зварюванні під флюсом чистого нікелю та Q235-A заліза та нікелю вміст азоту та водню не сильно змінюється, і чим вищий вміст кисню у шві, тим більша кількість пор у шві.
② Вплив нікелю. У залізо-нікелевому зварному шві розчинність кисню в залізі та нікелі різна, розчинність кисню в рідкому нікелі більша, ніж у рідкому залізі, тоді як розчинність кисню в твердому нікелі менша, ніж у твердому залізі, тому розчинність кисню в нікелевій кристалізації при раптовій зміні виражена більш виражена, ніж у залізній кристалізації при раптовій зміні. Таким чином, тенденція до пористості у зварному шві при вмісті нікелю 15%~30% невелика, а при великому вмісті нікелю тенденція до пористості ще більше збільшується до 60%~90%, а кількість розчиненої сталі обов'язково зменшується, що призводить до збільшення пористості.
③ Вплив інших легуючих елементів. Коли залізо-нікелевий зварний шв містить марганець, хром, молібден, алюміній, титан та інші легуючі елементи, або вони додаються до легуючих елементів, це може покращити антипористість зварного шва, завдяки тому, що марганець, титан та алюміній тощо відіграють роль деоксигенації, тоді як хром та молібден покращують розчинність зварного шва у твердому металі. Таким чином, нікель та нержавіюча сталь 1Cr18Ni9Ti мають більш антипористу структуру, ніж нікель та сталь Q235-A. Алюміній та титан також можуть зв'язувати азот у стабільних сполуках, що також може покращити антипористість зварного шва.
2. Термічний розтріскування
Основною причиною термічного розтріскування у зварному шві сталі, нікелю та його сплавів є високий вміст нікелю у зварному шві з дендритною організацією, на краях якого концентруються крупні зерна у вигляді низки низькоплавких співкристалів, що послаблює зв'язок між зернами та знижує стійкість зварного металу до розтріскування. Крім того, вміст нікелю в зварному металі занадто високий, щоб утворювати термічне розтріскування, що суттєво впливає на залізо-нікелевий зварний шв. Також великий вплив на схильність до термічного розтріскування зварного шва мають домішки кисню, сірки, фосфору та інших речовин.
При використанні безкисневого флюсу, через зниження якості кисню, сірки, фосфору та інших шкідливих домішок у зварному шві, особливо через зниження вмісту кисню, значно зменшується кількість розтріскування. Через кристалізація розплавленої ванни кисень та нікель можуть утворювати евтектику Ni + NiO з температурою евтектики 1438 ℃, а кисень також може посилити шкідливий вплив сірки. Тому, коли вміст кисню у зварному шві високий, схильність до термічного розтріскування більша.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb та інші легуючі елементи можуть покращити стійкість зварного металу до розтріскування. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb є метаморфічними агентами, можуть покращувати організацію зварного шва та порушувати напрямок його кристалізації. Al та Ti також є сильними розкислювачами, можуть зменшувати кількість кисню у зварному шві. Mn може утворювати тугоплавкі сполуки з S та MnS, що зменшує шкідливий вплив сірки.
Механічні властивості зварних з'єднань
Механічні властивості зварних з'єднань залізо-нікель пов'язані з матеріалами заповнювального металу та параметрами зварювання. Під час зварювання чистого нікелю та низьковуглецевої сталі, коли еквівалент нікелю у шві становить менше 30%, при швидкому охолодженні шва у шві утворюється мартенситна структура, що призводить до різкого зниження пластичності та в'язкості з'єднання. Тому, для досягнення кращої пластичності та в'язкості з'єднання, еквівалент нікелю у шві залізо-нікель повинен бути більше 30%.
Час публікації: 10 березня 2025 р.