УДК 621.791

In work welding methods austenitic type 18-10 steels are considered. The new effective way of welding with application the constricted ardent arc in the automatic mode is offered, allowing to carry out welding of metal by thickness of 5 mm for one pass.

Researches formed the defects at welding, the analysis of defects, the reasons of formation defects. The optimum level of quality welded connections on deficiency is established and recommendations about welding 08Х18Н10Т became made by the constricted ardent arc.

1. Введение

Аустенитные стали марок 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т и др. относятся к известной группе хромоникелиевых сталей, типа 18-10, которые используют для широкой номенклатуры изделий в химической, нефтяной, энергетической промышленности и других отраслях. Эти стали хорошо выдерживают действие агрессивных сред типа HNO₃ различной концентрации и различных температур, серной кислоты H₂SO₄ 100% концентрации при рабочих температурах до 70^о С, атмосферных условий и др.

Основным элементом, обусловливающим высокую коррозионную стойкость сталей типа 18-10, является хром, обеспечивающий способность стали к пассивации. Присутствие хрома в стали в количестве 18% делает сталь стойкой во многих средах окислительного характера в широком диапазоне концентраций и температур. Благодаря наличию в стали никеля в количестве 9-12% обеспечивается аустенитная структура, что гарантирует высокую технологичность стали в сочетании с уникальным комплексом служебных свойств. Это позволяет использовать стали типа 8-10 в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

Целью и задачами настоящей статьи является выбор эффективного способа сварки аустенитных сталей, исследование и анализ дефектности сварных соединений и ЗТВ, разработка рекомендаций по минимизации дефектов сварки.

2. Свариваемость сталей типа 18-10

Стали типа 18-10 имеют основу железа и легированы элементами хрома, никеля, титана. Эти стали относятся к трудносвариваемым. При сварке в сварных швах и околошовной зоне возможно образование горячих трещин межкристаллитного характера в виде мелких надрывов, видимых при внешнем осмотре и контроля цветной дефектоскопией. Длительное воздействие нагрева и, особенно, при неблагоприятном термическом цикле сварки, а также в процессе эксплуатации изделия, снижается стойкость сварных соединений к межкристаллитной коррозии. В процессе сварки возможно образование закалочных структур, выгорание легирующих примесей.

Недостаточная теплопроводность стали приводит к перегреву отдельных участков сварного шва. Высокий коэффициент теплового расширения и литейной усадки создают напряжения и деформации в конструкции соединений. Сложности сварки усугубляются повышенным электросопротивлением металла.

Проблемой свариваемости хромоникелиевых сталей является образование крупных столбчатых кристаллов, наличие в междендритных участках примесей легкоплавких фаз, рост зерна и микрохимическая неоднородность металла у линии сплавления (ликвация элементов P, S, C, Si). Указанные явления предопределяют склонность сталей к горячим кристаллизационным трещинам в шве и по линии сплавления.

Существенной проблемой сварки этих сталей является склонность к межкристаллитной коррозии шва и зоны термического влияния, коррозионные растрескивания и хрупкое разрушение при криогенных температурах.

Обычно оценка свариваемости аустенитных сталей производится путем сварки технологических проб или расчетным способом по соотношениям Cr_э/Ni_э.

3. Способы сварки аустенитных сталей

Применяемые на практике способы сварки приведены в таблице 1.

Как видно из нее, предпочтительные способы сварки аустенитных сталей – это сварка используя флюс для сварки и сварка в защитных газах. Возможно применение электрошлаковой сварки больших толщин, сварки в углекислом газе (разбрызгивание и выгорание титана), электронно-лучевой сварки, диффузионной, контактной, сварки трением.

Таблица 1. Некоторые способы сварки аустенитных сталей

Способ сварки	Особенности процесса
Ручная дуговая сварка	Электроды по ГОСТ 10052, ГОСТ 9466. Сварка ведется ниточными швами, диаметр электрода ≤ 3.2 мм. Прокалка электродов перед сваркой обязательна.Низкий уровень производительности, высокий уровень дефектности > 20%.
Ручная сварка в защитных газах вольфрамовым электродом Механизированная сварка плавящимся электродом	Повышается стабильность дуги, снижается выгорание легирующих элементов. Обычно сваривают толщину металла до 7 мм. Дуга стабильна, разбрызгивание минимально. Добавка в аргон до 3% О2 и 10%-15% СО2 позволяют снижать критический ток и вероятность образования пор.Производительность удовлетворительная, уровень дефектности (15%-19%).
Сварка под флюсом	Основной способ сварки аустенитных сталей толщиной 3.0 … 30 мм для химической и нефтехимической аппаратуры. Стабильность структуры и химических элементов по всей длине шва. Наплавка швов небольшого сечения. Диаметр электродной проволоки 2.0 … 3.0мм.Высокая производительность, уровень дефектности (9% … 12%)

4. Выбор способа сварки

Способы сварки (Таблица 1) не удовлетворяли производство по условиям работы, качеству и производительности. Необходимо было изыскать более прогрессивный способ формирования сварного соединения с высоким качеством и оптимальной производительностью (подготовительные, сборочные и сварочные работы составляют более 60% общего времени изготовления контейнера, весьма трудоемкий процесс исправления дефектности сварных швов).

На основании исследования практических схем сварки установлено что применительно к конструкции ответственных контейнеров, наиболее эффективным может быть способ, обеспечиваемый высокотемпературной сварочной плазмой с применением автоматической сварки и стабилизации процессов.

Главная проблема выбора режимов сварки – предотвращение горячих трещин и других опасных дефектов сварки; установление оптимальной силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки и защиты расплавленного металла шва, правильного выбора сварочных материалов, оборудования и др.

При установлении режимов сварки следует обеспечивать такие условия, чтобы доля участия основного металла в шве была минимальной. Необходимо обеспечивать оптимально высокую скорость охлаждения металла в области критических температур (500–800°С).

5. Сварка контейнеров из стали 08Х18Н10Т

Способы сварки, плазмообразующие и защитные газы, режимы, материалы, разделка кромок и др. применяли впервые на СЗАО «Осиповичский вагоностроительный завод». Продольные и кольцевые швы контейнеров, в соответствии с рекомендациями, выполняли автоматической сваркой с использованием сварочной плазмы.

Для сварки продольных швов используют установку SAF (Франция).

Сварочная установка SAF состоит из станины для фиксирования и плотного прижатия между собой свариваемых кромок, передвижного портала для перемещения сварочной плазменной головки SP-6 и сварочной головки для TIG сварки (в нашем случае сварка TIG не используется), механизма подачи сварочной проволоки диаметром 1.2мм в зону сварки, источников питания Nertinox TN500, пульта управления с системой видеонаблюдения.

Для сварки применяют проволоку марки 316Lsi, обеспечивающую получение бездефектного металла шва (аналог проволоки СВ-06Х19Н9Т и СВ-08Х20Н9Г7Т).

В процессе плазменной сварки продольных швов царг цистерны контейнера применяют следующие газы: для образования плазменной дуги – смесь аргона с водородом (расход 11-12 л/мин), для защиты сварочной ванны – газ аргон (расход 15-17 л/мин), для защиты корня шва – газ азот (расход 25-30 л/мин).

Для сварки кольцевых швов используется комплексная установка FCW-P (Фрониус, Австрия).

Автоматическая плазменная установка FCW-P состоит из источника питания TransTig 4000/5000, плазменной головки Robacta PTW3500, плазмомодуля E-set Aufnahme Plasmamodul, блока подачи сварочной проволоки, шкафа управления, системы видеонаблюдения и дистанционного пульта управления.

В процессе плазменной сварки кольцевых швов используют следующие газы: для образования плазменной дуги – аргон 100% чистоты, для защиты сварочной ванны – аргон (15-17 л/мин), для защиты корня шва – азот (24-27 л/мин). Сварка продольных швов и обечаек толщиной 5 мм, выполняется без разделки кромок, с зазором не более 0.4 мм.

Особо сложной является сварка кольцевых швов (рис. 1, рис. 2). Применение эксклюзивной автоматической плазменной головки плазмамодуля, системы видеонаблюдения, дистанционного управления, устройства для получения обратного валика шва и соответствующей газовой защиты, позволило решить главную проблему – обеспечение полного провара стыка и снижение порообразования.

 Таблица 2. Основные параметры режима сварки продольных швов

Тип соединения	Число слоев, проходов	Диаметр присадочной проволоки, мм	Ток, А	Напряже-ние, В	Скорость сварки, см/мин	Диаметр вольфрамового электрода, мм
Встык без разделки кромок	1	1.2	150–160	20–22	22–24	4.0

Полярность сварки – прямая. Вольфрамовый электрод – ториевый, марки ВТ–40. На каждой емкости сваривали три продольных шва.

Таблица 3. Основные параметры режима сварки кольцевых швов

Тип соединения	Число слоев, проходов	Диаметр присадочной проволоки, мм	Ток, А	Напряжение, В	Скорость сварки, см/мин	Диаметр вольфрамового электрода, мм
Встык без разделки кромок	1	1.2	200–210	22–24	18–20	4.0

Прихватки при сборке стыка под плазменную сварку производятся TIG сваркой. На каждой емкости сваривают 4 кольцевых шва. Полярность прямая. Перенос металла с присадочной проволоки в ванночку – мелкокапельный.

Люк, а также все фланцы обечайки и днища приваривают аргонодуговой сваркой с применением защитного газа аргона.

6. Контроль качества сварных соединений

К качеству всех сварных соединений емкости предъявляются высокие требования (нормативы Российского морского регистра судоходства):

• стопроцентный контроль внешним осмотром и измерениями;
• стопроцентный контроль рентгенографией;
• стопроцентный контроль стилоскопированием;
• выборочный контроль по МКК;
• выборочный контроль на механические испытания, металлографию, и др.

Не допускаются дефекты типа трещина, типа непровар, шлаковые включения. Не допускаются поры величиной более 0.1 мм на участке длиной 100 мм, подрез не более 0.3 мм, валик усиления шва более 1.5 мм.

При выборочном анализе дефектности в объеме 2 контейнеров по внешнему виду и рентгенографии установлено, что уровень качества сварных соединений (по дефектности) составляет 80% … 82%.

Общая сумма выявленных дефектов на двух емкостях составила 69. Уровень брака составил 69/352=0.2, где 352 – количество рентгеновских снимков.

7. Заключение

Уровень качества сварных соединений емкостных контейнеров на данном этапе изготовления следует считать удовлетворительным. Дальнейшее снижение дефектности до нуля должно быть связано с обеспечением правильного состава и постоянства качества защитных газовых смесей, тщательной подготовкой, сборкой и зачисткой свариваемых кромок. Повышение профессионализма сварщиков.

8. Рекомендации при сварке стали 08Х18Н10Т:

• Сварка с применением электродных материалов одинакового или сходного с основным металлом по химическому составу;
• Применение рациональных способов и режимов сварки, в первую очередь с пониженной погонной энергией за счет снижения тока и повышения скорости сварки;
• Необходимо постоянно и тщательно подготавливать кромки под сварку, осуществлять зачистку их после сборки перед сваркой;
•  Полностью исключить неблагоприятные изменения исходной структуры основного металла;
• Снижение содержания углерода в стали и швах за счет применения низкоуглеродистых основных и сварочных материалов;
• Постоянно контролировать качество защитных газов.

Список использованных источников

1. Денисов Л.С. Повышение качества сварки в строительстве – М.: Стройиздат. – 1982. – 160 с.

2. Сварка и свариваемые материалы, в 3–х т., т. 1. Свариваемость материалов / под ред. Э.Л. Макарова – М.: Металлургия, 1991. – 528 с.

3. Денисов Л.С. Повышение качества сварки – путь к надежной эксплуатации энергетического оборудования / Энергетическая стратегия, № 6. – 2009. – С. 51–55.

4. ГОСТ 5632. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные.