Сварка жаростойких сплавов: проблемы и лучшие практики.

Сварка жаростойких сплавов сложнее, чем сварка обычной стали, поскольку даже небольшие ошибки могут привести к преждевременному выходу изделия из строя. Если шов загрязнен, присадочный материал использован неправильно или нарушен контроль температуры, сварной шов, который на первый взгляд выглядит приемлемо, может недолго прослужить при высоких температурах.

В этом руководстве мы покажем вам, где обычно выходят из строя эти сварные швы, как риски меняются в зависимости от семейства сплавов, и что следует проверять до, во время и после сварки.

Почему жаростойкие сплавы свариваются сложнее, чем обычные стали?

Жаростойкие сплавы сложнее сваривать, поскольку они оставляют меньше места для ошибок при длительной термической обработке. Стандартная сталь часто дает некоторый запас прочности. Эти сплавы, как правило, этого не обеспечивают.

Эксплуатация при высоких температурах снижает вероятность дефектов.

Жаростойкие детали часто эксплуатируются в течение длительного времени в трубах печей, выхлопных системах, деталях риформеров и горячих трубопроводах. В таких условиях даже небольшие дефекты сварных швов становятся более серьезными.

Эти сплавы менее прощают ошибки по трем основным причинам:

• Ползучесть может со временем разрастаться, превращая небольшие дефекты в более крупные трещины: длительное воздействие тепла и нагрузки может превратить незначительный дефект в более крупную трещину.
• Циклические изменения температуры создают дополнительную нагрузку на сустав: многократное нагревание и охлаждение могут привести к появлению слабых мест, которые на первый взгляд казались безобидными.
• Окисление ускоряет разрушение в слабых зонах: как только сварной шов поврежден, окисление может ускорить процесс разрушения.

Недостаточное сплавление, которое в низкоуглеродистой стали может оставаться незаметным в течение многих лет, в сплаве, предназначенном для высоких температур, гораздо раньше может стать реальной проблемой в процессе эксплуатации.

Блокирование оксидных отложений и загрязнений

Загрязненные поверхности создают больше проблем при сварке жаростойких сплавов, поскольку загрязнение может блокировать плавление и загрязнять сварочную ванну на ранней стадии. Даже небольшое количество заводской грязи может испортить корневой шов.

Перед сваркой обратите внимание на следующее:

• Оксидная окалина
• Масло и смазка
• Серосодержащий остаток
• Чернила для маркеров и магазинная грязь

Если корневой шов начинается с загрязненного соединения, то, как правило, качество остальной части сварного шва после этого не улучшается.

Термическое расширение и затвердевание повышают риск образования трещин.

Некоторые жаростойкие сплавы легче трескаются, потому что сварной шов расширяется, сжимается и затвердевает под воздействием высоких напряжений. Никелевые сплавы — распространенный пример.

Риск взлома возрастает при наличии следующих условий:

• Высокая степень фиксации суставов
• Некачественная подгонка
• Узкие, глубокие бусины
• Слишком сильная жара в одном месте

Это одна из причин, почему форма и подгонка валика имеют такое большое значение в таких работах.

Изменения в зоне термического воздействия могут снизить долговременную устойчивость.

Зона термического влияния может потерять часть структуры, обеспечивающей прочность основного металла при длительной эксплуатации. На ферритных сталях, устойчивых к ползучести, эта слабая зона может образоваться рядом со сварным швом и растрескаться позже в процессе эксплуатации.

Вот почему необходим более строгий контроль над:

• Разогрейте
• Межпроходная температура
• ТОПС
• Ограничения по процедуре для конкретного класса

При сварке ферритной стали, используемой в горячем режиме, работа не заканчивается, когда шов выглядит хорошо. Последующая термическая история по-прежнему имеет значение.

Каким образом никелевые сплавы и высокохромистые ферритные стали создают различные сварочные риски?

Сплавы на основе никеля и высокохромистые ферритные стали разрушаются по-разному, поэтому при их сварке следует придерживаться разных подходов. Оба материала используются в условиях высоких температур, но риски при сварке возникают в разных местах.

Сплавы на основе никеля склонны к образованию горячих трещин и медленному формированию сварочных ванн.

Сплавы на основе никеля более склонны к образованию горячих трещин, и сварочная ванна часто кажется более медленной и тяжелой. Это может привести к формированию вредных привычек у сварщиков, если они не будут осторожны.

К числу распространенных проблемных мест относятся:

• Слишком долгая пауза
• Слишком сильное расширение бусины
• Допускать попадание загрязнений в бассейн
• Потеря однородности бусин

При обработке тонких участков или корней методом TIG часто обеспечивается лучший контроль за образованием лужи.

Высокохромистые ферритные стали более чувствительны к упрочнению в зоне термического влияния и замедленному растрескиванию.

Высокохромистые ферритные стали более чувствительны к образованию твердой зоны термического влияния и отложенному растрескиванию после сварки. Это может ввести в заблуждение, поскольку на первый взгляд сварной шов может выглядеть приемлемо.

Риск возрастает при одновременном наличии этих трех условий:

• Водород присутствует
• Охлаждение происходит слишком быстро.
• Сустав обладает высокой степенью фиксации.

Именно поэтому для некоторых ферритных сварных швов требуется время выдержки и последующий повторный осмотр, а не быстрая визуальная проверка и одобрительный жест.

Правила использования присадочного металла не одинаковы для обоих типов сплавов.

Выбор присадочного материала должен основываться на семействе сплавов, условиях эксплуатации и квалифицированной процедуре, а не на производственных привычках. Присадочный материал, подходящий для одного семейства сплавов, может создать долгосрочные проблемы для другого.

Простой способ подумать об этом:

• Сплавы на основе никеля: присадочный материал часто должен обеспечивать соответствие химического состава и устойчивость к растрескиванию.
• Высокохромистые ферритные стали: присадочный материал часто должен обеспечивать прочность, устойчивость к термической обработке и срок службы.
• В обоих случаях: тип присадочного материала должен определяться показателем водопроницаемости (WPS) и маркой основного металла, а не тем прутком, который лучше всего подходит для вашего верстака.

Это звучит очевидно, но путаница с заполнителями всё равно случается чаще, чем должна.

Состояние основного металла и предшествующая эксплуатация могут повысить риск образования сварных швов.

Использованные детали, подвергавшиеся горячему воздействию, могут иметь повреждения, изменяющие свойства сварного шва. При ремонте старых выпускных коллекторов, труб или труб для печей не следует обращаться с ними как с новыми, чистыми деталями.

Проверьте наличие таких условий, как:

• Наращивание масштаба
• цементация
• обезуглероживание
• Ползучий урон
• История старых ремонтов

При выполнении ремонтных сварных швов имеет значение прошлый опыт эксплуатации металла. Иногда это имеет очень большое значение.

Что следует проверить перед сваркой жаростойких сплавов?

Перед сваркой жаростойких сплавов проверьте чистоту, инструменты, посадку деталей, расходные материалы и ограничения по технологической карте сварки (WPS). Большинство проблем, которых можно избежать, начинаются еще до начала сварки, поэтому тщательная подготовка к сварке быстро окупается.

Удалите оксиды, жир, серу и загрязнения, образовавшиеся в цеху.

Перед сваркой очистите шов и присадочный материал, поскольку загрязнение — один из самых быстрых способов испортить качество сварного шва. Не рассчитывайте, что сварочная дуга прожжет его насквозь.

Перед сваркой снимите:

• Оксидная окалина
• Смазка и масло
• Краска и влага
• Серосодержащий остаток
• Грязные линии от маркера
• Необработанная магазинная грязь

Очистите как поверхности соединения, так и присадочную проволоку. Начните с подходящего растворителя, затем используйте соответствующий метод механической очистки для данного сплава.

Используйте специальные инструменты, чтобы избежать перекрестного заражения.

Используйте специальные щетки, диски и рабочие поверхности, чтобы предотвратить попадание загрязнений в сварной шов. Использование общих инструментов — распространенный способ сэкономить время, который создает серьезные проблемы при работе с легированными сплавами.

В ваш набор инструментов для подготовки сплавов должны входить:

• Специальные щетки из нержавеющей стали или сплавов
• Очистка шлифовальных дисков
• Раздельные рабочие поверхности
• Инструменты с четкой маркировкой. Только для использования со сплавами.

Использование щетки из углеродистой стали для ремонта никелевых сплавов может занести загрязнения туда, куда вам не следует.

Перед сваркой проверьте конструкцию соединения, подгонку и крепление.

Перед сваркой проверьте геометрию соединения, поскольку некачественная подгонка повышает риск образования трещин и затрудняет контроль процесса сварки. Это особенно важно для толстых или труднодоступных деталей.

Просмотрите такие пункты, как:

• Угол соединения
• Открытие корня
• Земля
• План поддержки
• Качество клея
• Установка зажима
• Общий уровень сдержанности

Если форма канавки вынуждает вас использовать широкое и интенсивное плетение, чтобы добраться до боковой стенки, то перед началом сварки необходимо доработать схему сварки.

Перед началом работы подтвердите ограничения по наполнителю, экранированию и WPS.

Перед запуском дуги обязательно проверьте присадочный материал, схему защиты и пределы процедуры. Быстрая проверка на стенде обойдется дешевле, чем неудачный ремонт или незапланированная остановка производства.

Сначала проверьте следующие пункты:

• Классификация наполнителей
• Состояние партии наполнителя
• Защитный газ
• План чистки
• Диапазон предварительного нагрева
• Ограничение межпроходного расстояния
• Требования к термообработке воды

На этом этапе многие мастерские спешат. Именно этот этап позволяет избежать большого количества переделок.

Какие меры контроля процесса сварки имеют наибольшее значение?

В процессе сварки следите за подводимой температурой, температурой между проходами, глубиной проплавления, степенью разбавления, формой сварного шва, площадью защитного покрытия и скоростью перемещения. Эти параметры определяют, будет ли сварной шов выглядеть прочным сейчас и выдержит ли он последующее воздействие высоких температур.

Если вы потеряете контроль хотя бы над одним или двумя из них, вы можете получить худший вид ремонта: сварной шов, который выглядит прилично на поверхности, все равно разрушится под поверхностью.

i) Поддерживайте температуру подводимого тепла и температуру между проходами в пределах допустимого диапазона.

Контроль температуры влияет как на плавление, так и на долговременную стабильность. Слишком высокая температура может расширить слабые зоны в зоне термического воздействия. Слишком низкая температура может привести к отсутствию плавления.

Во время сварки обращайте внимание на три основных момента:

• Измеряйте фактическую температуру между проходами: не полагайтесь только на запланированное значение, особенно для толстых или сильно ограниченных швов.
• Избегайте перегрева при многократных проходах сварки: по мере выполнения сварки заготовка может удерживать больше тепла, чем ожидалось.
• Оставайтесь в пределах зоны действия системы WPS: это то место, где «достаточно близко» обычно недостаточно близко. 

ii) Контроль проникновения, разбавления и формы гранул посредством настройки.

Ваша установка должна обеспечивать качественное сплавление без создания нестабильного профиля шва. При сварке жаростойких сплавов узкие глубокие швы и чрезмерное разбавление приводят к проблемам быстрее, чем ожидают многие сварщики.

При подготовке сварного шва избегайте следующих ошибок:

• Узкие, глубокие бусины
• Плохое слияние боковых стенок
• Избыточное разбавление

Если профиль бусины выглядит неправильно уже на первых этапах, не стоит предполагать, что это исправится само собой. Обычно этого не происходит.

iii) Поддерживайте стабильное экранирующее покрытие во время корневого и горячего прохода.

Надежная защита предотвращает попадание воздуха и загрязнений в сварочную ванну. Это особенно важно при корневых швах, горячих швах и при работе с чувствительными к окислению сплавами.

Обратите пристальное внимание на:

• Стабильность газового потока
• Угол наклона горелки
• Позиция Кубка
• Проекты, касающиеся совместного предприятия.
• Качество очистки корней там, где это необходимо.

Недостаточная защита может очень быстро свести на нет даже самую качественную сварку.

iv) Отрегулируйте скорость перемещения и стратегию нанесения покрытия на толстых или ограниченных в движении швах.

Скорость перемещения влияет как на накопление тепла, так и на качество сварки. Слишком медленное перемещение приводит к перегреву шва. Слишком быстрое перемещение может привести к тому, что сварной шов не закрепится на боковой стенке.

Для толстых или сильно ограниченных соединений используйте план вместо импровизации:

• Используйте последовательность нанесения бусин, которая контролирует накопление тепла.
• Избегайте случайных шаблонов заливки.
• Посмотрите, как сустав реагирует после каждого прохода.

Когда борозда глубока, а сдерживание велико, стратегия "просто продолжай заполнять её" не является реальной.

Какие методы сварки, способы защиты и расходные материалы наиболее эффективны?

Выбор процесса сварки и расходных материалов зависит от толщины сечения, доступа к шву, семейства сплавов и рабочей температуры. Во многих случаях TIG-сварка обеспечивает наилучший контроль при сварке корневых швов и тонких участков, в то время как более ресурсоемкие процессы сварки целесообразнее для заполняющих проходов или сварных соединений больших размеров.

• Сварка GTAW обеспечивает наилучший контроль при обработке тонких срезов и корневых швов: Сварка TIG обеспечивает стабильную дугу и точный контроль сварочной ванны, что помогает при работе с тонкостенными трубами, открытыми корнями труб и при выполнении ремонтных работ. Это делает ее отличным выбором для обработки корней никелевых сплавов и выполнения прецизионных работ.
• ГМАВ or SMAW Может повысить производительность, но требует более жесткого контроля за соблюдением процедур: Сварка MIG и дуговая сварка электродами позволяют ускорить заливку металла, полевой ремонт и изготовление крупных конструкций, но для этого необходимы хорошее газовое покрытие, правильные расходные материалы и точный контроль параметров. ДаСварщик Предлагает как TIG, так и MIG оборудование для оптовых закупок и использования в цехах, что позволяет выполнять работы, требующие как контроля корней деревьев, так и эффективного заполнения пустот.
• Выбор присадочного металла должен соответствовать рабочей температуре и химическому составу: Подбирайте присадочный материал в соответствии с семейством сплавов, условиями эксплуатации и требуемыми свойствами сварного шва. Не выбирайте присадочный материал, основываясь только на том, что уже есть в шкафу.
• Для некоторых соединений необходима продувка корней, использование обратного газа или защитных экранов: Для труб с открытым корнем шва, тонкостенных труб и соединений, чувствительных к окислению, может потребоваться продувка газом или дополнительная защита за сварным швом. Планируйте продувку до начала подгонки, а не после того, как корень шва будет обработан наполовину.

Когда действительно необходимы предварительный нагрев, термическая обработка после сварки и другие виды термообработки?

Предварительный нагрев и термическая обработка после сварки необходимы, если этого требует марка сплава, толщина, уровень ограничения деформации или нормативные документы. В ферритных сталях, устойчивых к ползучести, они часто являются ключевым фактором качества сварного шва. В случае никелевых сплавов неправильная термическая обработка может принести больше вреда, чем пользы.

• Предварительный нагрев в основном способствует закаливаемости ферритных и ползучих сталей: Предварительный нагрев замедляет охлаждение и снижает риск водородного растрескивания в подверженных этому явлению ферритных сталях. Для многих никелевых сплавов он гораздо менее важен.
• Термическая обработка после сварки должна соответствовать марке материала, толщине и требованиям нормативных документов: Термообработка после сварки (PWHT) может отпускать твердые зоны и улучшать эксплуатационные характеристики ферритных сталей, если этого требует процедура. Используйте только сертифицированный диапазон.
• Неправильная термообработка может ухудшить свойства материала или привести к образованию новых трещин: В работе TWI, посвященной растрескиванию IV типа, отмечается, что некачественная термообработка может способствовать последующему разрушению ферритных сварных соединений.
• Практические правила работы в бит-шопе с использованием квалифицированных окон для измерения времени и температуры: «Мы всегда так делаем» — это не стандартная процедура. Используйте WPS, PQR, данные о марках материалов и предельные значения, установленные нормативными документами.

Какие неисправности могут проявиться после сварки и в процессе эксплуатации?

К числу дефектов, которые могут проявиться после сварки, относятся холодное растрескивание, растрескивание при повторном нагреве, повреждения типа IV, непровар и дефекты, связанные с оксидами. Некоторые из них проявляются в течение нескольких часов, другие — в течение многих лет при эксплуатации в горячем состоянии.

Холодное растрескивание в зоне термического воздействия

Холодное растрескивание в зоне термического влияния связано с водородом, твердыми микроструктурами и ограничением деформации. При необходимости, после выдержки в течение определенного времени следует повторно осмотреть подверженные растрескиванию ферритные сварные швы. Эта дополнительная проверка позволяет выявить трещины, которые не были видны сразу после сварки.

Растрескивание при повторном нагреве во время термической обработки или ремонта.

Растрескивание при повторном нагреве может проявиться во время термической обработки после сварки или последующего нагрева при ремонте. Это одна из причин, почему ремонтные сварные швы на старых деталях, эксплуатируемых в горячем состоянии, заслуживают тщательного осмотра перед повторным нагревом.

Повреждения IV типа в ферритных сталях, устойчивых к ползучести.

В зоне термического воздействия (ЗТВ) сварных соединений из ползучей ферритной стали при длительной эксплуатации в условиях высоких температур образуются повреждения IV типа. TWI описывает их как растрескивание при ползучести на границе раздела основного металла и ЗТВ, часто в мелкозернистой или межкристаллитной ЗТВ.

Отсутствие плавления, захват оксидов и их последствия для эксплуатации.

Недостаточное сплавление и захват оксидов снижают эффективную траекторию передачи нагрузки в соединении. В условиях высоких температур эти дефекты могут стать причиной образования трещин под воздействием термических напряжений и ползучести.

Перед ремонтными работами используйте эту таблицу рисков при сварке жаростойких сплавов.

Используйте методы с низким содержанием водорода, применяйте предварительный нагрев там, где это необходимо, и проводите повторную проверку позже.	Что обычно является причиной этого?	Что делать
Горячее Крекинг	Загрязнённое соединение, плохая форма бусины, высокое сопротивление	Улучшение очистки, контроль профиля гранул, снижение сопротивления.
Холодное крекирование ОЗХ	Водород, твердая зона термического воздействия, быстрое охлаждение	Используйте методы с низким содержанием водорода, применяйте предварительный нагрев там, где это необходимо, и проводите повторную проверку позже.
Захват оксидов	Плохая подготовка, некачественная защита, грязный наполнитель	Очистите основной металл и присадочный материал, тщательно защитите сварочную ванну.
Повреждения IV типа	Слабая зона термического влияния в ферритной стали, устойчивой к ползучести	Следуйте установленным стандартам термообработки и процедурам, соответствующим требованиям эксплуатации.
Отсутствие слияния	Низкий нагрев, неудачный угол, быстрая поездка	Отрегулируйте параметры, угол наклона горелки и подготовку соединения.

Как проверить и повысить надежность сварных швов в реальных условиях эксплуатации?

Вы проверяете и повышаете надежность сварных швов, сочетая визуальный контроль, отложенную повторную проверку при необходимости, правильный метод неразрушающего контроля и улучшенную конструкцию соединения. Контроль — это не один этап, а цепочка действий.

Визуальный осмотр — это только первый этап проверки.

Визуальный осмотр выявляет проблемы с формой валика, подрезы, нахлесты, дуговые швы и видимое окисление. Он не доказывает прочное соединение внутри шва.

Повторно проверьте сварные швы, чувствительные к отложенному растрескиванию.

Повторно проверьте ферритные сварные швы, чувствительные к замедленному растрескиванию, после истечения времени выдержки, требуемого вашей процедурой или стандартом заказчика. Это важно для толстых участков, закаливаемых сталей и ремонтных работ с ограниченным доступом.

Подберите метод неразрушающего контроля в соответствии с семейством сплавов и ожидаемым типом дефекта.

Подберите метод неразрушающего контроля в соответствии с вероятным дефектом. Для трещин, выходящих за пределы поверхности, может потребоваться продольный или поперечный контроль, если это разрешено. Для внутренних дефектов может потребоваться рентгенография или ультразвуковой контроль. Пористость и дефекты, связанные с оксидами, часто хорошо видны на рентгенограммах, как отмечает ESAB в своих рекомендациях по оценке пористости сварных швов.

По возможности уменьшите сдержанность, нервозность и концентрацию стресса.

По возможности уменьшите сопротивление, резкие переходы, неправильную геометрию ремонта и концентраторы напряжений. Небольшая шлифовка в области сварного шва может помочь более чем на один дополнительный проход ремонта.

Заключение

Сварка жаростойких сплавов требует строгого контроля на каждом этапе: чистая подготовка, правильный присадочный материал, надежная защита, качественная подгонка и квалифицированная термообработка там, где это необходимо. Эти сварные швы менее требовательны к качеству, чем сварка стандартной стали, поэтому небольшие нарушения могут привести к преждевременным отказам в эксплуатации.

На практике наилучшие результаты обычно достигаются путем подбора процесса в соответствии с заданием. TIG-сварка целесообразна, когда требуется лучший контроль корня шва, более чистый старт или большая точность при сварке тонких участков. Процессы с большей толщиной наплавленного металла более целесообразны, когда процедура их поддерживает, а производительность имеет значение при сварке крупных конструкций.

Если ваша мастерская регулярно работает с металлическими сплавами, стоит проверить, соответствует ли ваше текущее сварочное оборудование наиболее часто выполняемым вами работам. Надежный поставщик сварочного оборудования поможет вам сравнить подходящие варианты. Сварщик TIG or Сварщик MIG для ремонтных работ, изготовления деталей и использования в цехах массового производства.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)