Какие металлы можно сваривать плавлением?

Какие металлы можно сваривать плавлением?

Краткий ответ: большинство конструкционных металлов можно сваривать плавлением, но легкость и качество сварки во многом зависят от состава металла, термических свойств и металлургического поведения при нагревании. Углеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, медь, титан, никелевые сплавы и чугун. являются одними из наиболее часто свариваемых плавлением металлов в промышленности и строительстве. Для каждого материала требуются определенные параметры процесса, присадочные материалы и оборудование, включая специализированные машины для стыковой сварки для определенных применений с термопластической футеровкой или трубами.

Сварка плавлением заключается в плавлении основного металла — с наполнителем или без него — с образованием расплавленной ванны, которая затвердевает в непрерывное соединение. Этот процесс применим к металлам, поскольку они проводят тепло, плавятся при определенных температурах и могут повторно затвердевать с приемлемыми механическими свойствами, если термический цикл управляется правильно. Проблема заключается в том, что каждый металл имеет уникальную температуру плавления, теплопроводность, поведение при окислении и чувствительность к водороду или другим загрязнителям.

Понимание того, какие металлы хорошо реагируют на сварку плавлением, а какие требуют дополнительных мер предосторожности, имеет решающее значение для инженеров, производителей и групп по закупкам, выбирающих процессы сварки или машины для стыковой сварки для проектов трубопроводов, конструкций или прецизионного производства.

Carbon Steel: The Most Widely Fusion Welded Металл

На углеродистую сталь приходится подавляющее большинство сварочных работ плавлением, выполняемых во всем мире. Низкоуглеродистая сталь (с содержанием углерода менее 0,30%) считается хорошо свариваемой и при нормальных условиях требует минимального предварительного подогрева. Среднеуглеродистую сталь (0,30–0,60% углерода) можно сваривать плавлением, но для предотвращения растрескивания лучше использовать предварительный нагрев до температуры от 150 до 260 °C. Высокоуглеродистую сталь (с содержанием углерода более 0,60%) сваривать значительно труднее, и для снятия остаточных напряжений часто требуется термообработка после сварки.

Формула углеродного эквивалента (CE), обычно выражаемая как CE = C Mn/6 (Cr Mo V)/5 (Ni Cu)/15, используется для прогнозирования свариваемости. Значение CE ниже 0,40 обычно указывает на хорошую свариваемость без предварительного нагрева. , а значения выше 0,60 сигнализируют о высоком риске водородного растрескивания.

Обычные процессы сварки плавлением углеродистой стали включают MIG (GMAW), ТИГ (ГТАВ), SMAW (стержневая сварка) и дуговую сварку под флюсом (SAW). Для труб, таких как линии передачи нефти и газа, стандартной практикой является стыковая сварка плавлением и стыковые сварные соединения, выполненные с помощью автоматизированных сварочных систем. Машины для стыковой сварки, используемые при строительстве трубопроводов, применяют тепло и давление для образования непрерывного бесшовного соединения, которое соответствует механической целостности основной трубы.

Низколегированные стали и высокопрочные марки

Высокопрочные низколегированные стали (HSLA), используемые в конструкционных балках, сосудах под давлением и морских сооружениях, свариваются плавлением с тщательным контролем погонной энергии. Чрезмерное тепловложение может привести к укрупнению зернистой структуры зоны термического влияния (ЗТВ), что приведет к снижению ударной вязкости. Такие стандарты, как AWS D1.1 (Правила по структурной сварке) и ASME Раздел IX, регулируют аттестацию процедур сварки для этих марок, обеспечивая стабильные характеристики соединений.

Нержавеющая сталь: сварка плавлением с учетом коррозионной стойкости

Все основные семейства нержавеющих сталей — аустенитные, ферритные, мартенситные, дуплексные и дисперсионно-твердеющие — можно сваривать плавлением, хотя каждая группа представляет собой свои проблемы. Аустенитные нержавеющие стали, такие как 304 и 316, наиболее удобны для сварки. и обычно соединяются с использованием процессов ТИГ, MIG и плазменной дуги. Ключевой проблемой является сенсибилизация: когда аустенитная нержавеющая сталь выдерживается в диапазоне 425–850 °C, карбиды хрома выделяются на границах зерен, снижая стойкость к межкристаллитной коррозии.

Чтобы противостоять сенсибилизации, производители используют марки с низким содержанием углерода (например, 304L, 316L) или стабилизированные марки, содержащие титан или ниобий (например, 321, 347). Поддержание низких температур между проходами (обычно ниже 150°C для аустенитных марок) и использование соответствующих присадочных металлов, таких как ER308L или ER316L, помогает сохранить коррозионные характеристики готового сварного шва.

Дуплексные нержавеющие стали (например, 2205, 2507) требуют точного подвода тепла для поддержания сбалансированной аустенитно-ферритной микроструктуры. Слишком мало тепла способствует избытку феррита, снижая ударную вязкость; слишком много тепла вызывает выделение интерметаллической фазы. Для сварки дуплексных марок обычно требуется тепловложение от 0,5 до 2,5 кДж/мм и межпроходная температура ниже 100°C.

В пищевой, фармацевтической и полупроводниковой промышленности орбитальная сварка TIG является предпочтительным методом сварки плавлением труб и трубопроводов из нержавеющей стали, обеспечивающим стыковые сварные швы с полным проваром, контролируемым подводом тепла и минимальным загрязнением.

Алюминий: проблемы и решения сварки плавлением

Алюминий широко сваривается плавлением в аэрокосмической, морской, автомобильной и строительной промышленности. Наиболее часто свариваемые сплавы относятся к сериям 1ххх, 3ххх, 5ххх и 6ххх. Серия 5ххх (сплавы Al-Mg) и серия 6ххх (сплавы Al-Mg-Si) считаются наиболее свариваемыми. , в то время как сплавы серий 2ххх (Al-Cu) и 7ххх (Al-Zn) склонны к горячему растрескиванию и обычно считаются трудными или не поддающимися сварке без специальных процедур.

Алюминий плавится при температуре примерно 660°C, а его теплопроводность примерно в четыре раза выше, чем у стали, а это означает, что он быстро рассеивает тепло и требует более высокой силы тока для сварки плавлением. Его родной оксидный слой (Al₂O₃) плавится при температуре около 2050°C — гораздо выше температуры основного металла — поэтому его необходимо удалить механической очисткой или разрушить катодной очисткой дуги во время сварки TIG на переменном токе.

Сварка MIG (GMAW) с защитным газом аргоном и двухтактной системой подачи проволоки широко используется при производстве алюминия. Сварка TIG (GTAW) с использованием переменного тока предпочтительна для точных работ и более тонких сечений. Выбор присадочного сплава имеет решающее значение: ER4043 (Al-Si) обеспечивает хорошую текучесть и трещиностойкость, а ER5356 (Al-Mg) обеспечивает более высокую прочность и рекомендуется для основных металлов 5xxx и 6xxx.

Пористость является постоянной проблемой сварных швов алюминия, вызванной поглощением водорода из-за влаги на поверхности основного металла, присадочной проволоки или защитного газа. Строгие протоколы чистоты, включая обезжиривание, чистку специальной щеткой для нержавеющей стали и хранение присадочной проволоки в контролируемых условиях, необходимы для получения качественных сварных швов.

Свариваемость алюминия по сериям

Титан: сварка плавлением на территории реактивных металлов

Титан и его сплавы, включая технически чистые марки (CP) и Ti-6Al-4V, полностью свариваются плавлением, но требуют исключительной защиты от атмосферных загрязнений. Титан агрессивно реагирует с кислородом, азотом и водородом при температуре выше 300°C, образуя хрупкие оксиды и нитриды, которые нарушают целостность сварного шва. Зона сварки, задняя сторона сварного шва и любая область, температура которой еще превышает 300°C, должны быть защищены инертным газом — обычно аргоном или гелием — на протяжении всего цикла сварки и охлаждения.

Сварка TIG является доминирующим процессом сварки плавлением титана, который используется в аэрокосмической отрасли, производстве медицинских имплантатов и оборудовании химической обработки. Сварочные камеры или выдвижные щитки, поддерживающие инертную атмосферу вокруг сварочной ванны, входят в стандартную комплектацию. Правильно защищенный титановый сварной шов должен выглядеть ярко-серебристым; соломенный или золотой цвет указывает на незначительное окисление, а синий или белый — на сильное загрязнение, требующее вырезания и повторной сварки соединения.

Ti-6Al-4V, наиболее широко используемый титановый сплав, имеет температуру плавления около 1660°C и пригоден для сварки в отожженном состоянии. Для снятия остаточных напряжений иногда проводят послесварочный отжиг при температуре 700–850 °С. Электронно-лучевая сварка (EBW) и лазерная сварка (LBW) также используются для титана, особенно для высокоточных компонентов аэрокосмической промышленности, где минимальное тепловложение и искажения имеют решающее значение.

Никелевые сплавы: сварка плавлением для экстремальных условий эксплуатации

Сплавы на основе никеля, в том числе Инконель 625, Инконель 718, Хастеллой C-276 и Монель 400, используются в условиях высоких температур, высокого давления и высокой коррозионной активности, таких как газовые турбины, ядерные реакторы и химические перерабатывающие заводы. Все эти сплавы можно сваривать плавлением, хотя некоторые из них, особенно дисперсионно-твердеющие марки, такие как Inconel 718, требуют тщательно контролируемого предварительного нагрева, температуры между проходами и термообработки после сварки (PWHT), чтобы избежать растрескивания под действием старения.

Сварка TIG предпочтительна для никелевых сплавов в тонких секциях и критически важных областях, тогда как сварка MIG используется для более тяжелых сечений. Наполнитель Inconel 625 (ERNiCrMo-3) – один из самых универсальных вариантов. совместим с широким спектром основных металлов из никелевых сплавов и обычно используется для наплавки стыковых сварных соединений труб из углеродистой стали для повышения коррозионной стойкости.

Горячее растрескивание, вызванное появлением пленок жидкости с низкой температурой плавления на границах зерен, является основной проблемой при сварке никелевых сплавов плавлением. Стандартными мерами по смягчению последствий являются минимизация содержания серы и фосфора как в основном металле, так и в наполнителе, использование низкого тепловложения и предотвращение образования кратеров за счет правильного прекращения дуги.

Медь и медные сплавы: управление высокой теплопроводностью

Коммерчески чистую медь (C11000) и медные сплавы, такие как латунь (Cu-Zn), бронза (Cu-Sn) и медно-никелевый сплав (Cu-Ni), можно сваривать плавлением, хотя чрезвычайно высокая теплопроводность меди — примерно 385 Вт/м·К по сравнению с 50 Вт/м·К для углеродистой стали — усложняет эту задачу. Тепло рассеивается так быстро, что для достижения адекватного плавления часто перед сваркой требуется предварительный нагрев чистой меди до 400–600 °C.

Сварка TIG с полярностью DCEN и защитным газом аргон или аргон-гелий является наиболее распространенным методом сварки меди плавлением. Сварка MIG с присадочной проволокой из кремнистой бронзы (ERCuSi-A) используется для изготовления меди и медных сплавов в сантехнике, системах отопления, вентиляции и кондиционирования, а также в судостроении. Мельхиоровые сплавы (90/10 и 70/30) широко используются для сварки плавлением в системах трубопроводов морской воды. в военно-морском и оффшорном исполнении с использованием присадочной проволоки ERcuNi.

Латунь, содержащая более 20% цинка, представляет риск пористости из-за испарения цинка во время сварки. Для этих сплавов сварку плавлением обычно заменяют пайкой твердым припоем или пайкой, где это возможно, или выполняют с очень низким подводом тепла и наполнителем из кремнистой бронзы для устранения потерь цинка.

Чугун: осторожность при сварке плавлением

Чугун — особенно серый чугун и ковкий чугун — можно сваривать плавлением, но его высокое содержание углерода (обычно 2,5–4,0%) делает его склонным к растрескиванию в ЗТВ из-за образования твердого, хрупкого мартенсита или белого чугуна при быстром охлаждении. Успешная сварка чугуна плавлением почти всегда требует полного предварительного нагрева до 250–650 °С. и медленное охлаждение после сварки, часто достигаемое путем покрытия заготовки изолирующими покрытиями или закапывания ее в сухой песок.

Присадочные металлы на основе никеля (такие как ENi-CI и ENiFe-CI) предпочтительны для сварки чугуна, поскольку никель не образует карбидов и образует более мягкий, более поддающийся механической обработке наплавленный металл. SMAW (стержневая сварка) с использованием этих электродов является наиболее распространенным методом ремонтной сварки чугунных компонентов, таких как блоки двигателей, корпуса редукторов и корпуса насосов.

Холодная сварка — использование коротких прерывистых наплавленных валиков и легкая наклевка для снятия напряжений — является альтернативным методом для серого чугуна, когда предварительный нагрев нецелесообразен, хотя результаты менее надежны, чем горячая сварка с полным предварительным нагревом и термообработкой.

Металлы, которые нельзя или не следует сваривать плавлением

Не все металлы подходят для сварки плавлением. Некоторые из них либо не могут образовать прочный сварной шов из-за металлургической несовместимости, либо этот процесс приводит к неприемлемому ухудшению свойств.

• Вольфрам и молибден — Тугоплавкие металлы с температурой плавления выше 2600°С; Сварка плавлением возможна электронно-лучевой сваркой или лазером в вакууме, но непрактична при использовании традиционных дуговых процессов.
• Бериллий — Токсичные пары при плавке делают сварку плавлением серьезной опасностью для здоровья; диффузионная сварка является предпочтительной.
• Свинец и цинк — Очень низкие температуры плавления и высокое давление пара приводят к чрезмерному дымообразованию и ухудшению качества сварного шва; пайка является стандартным методом соединения.
• Высокоуглеродистые инструментальные стали (свыше 0,8% С) — Сварка плавлением технически возможна, но приводит к сильному растрескиванию ЗТВ; Для соединения большинства инструментальных сталей предпочтительнее использовать сварку трением или пайку.
• Разнородные комбинации металлов с большой разницей в температурах плавления. — Например, при сварке меди непосредственно со сталью образуются хрупкие интерметаллические фазы; Вместо этого обычно используется сварка взрывом или механическое крепление.

Роль Машины для стыковой сварки в области применения металлических трубопроводов

Хотя термин «аппараты для стыковой сварки» чаще всего ассоциируется с соединением термопластичных труб (ПЭВП, ПП, ПВДФ), конфигурация стыкового сварного соединения также является одним из наиболее важных типов соединений при сварке плавлением металлов. В металлических трубопроводах стыковая сварка — создание сварного шва с полным проваром по поперечному сечению стыкуемых концов трубы — является фундаментальным методом в нефтегазовой, водной инфраструктуре, энергетике и строительстве химических заводов.

Для металлических труб используются автоматизированные системы орбитальной сварки и механизированные машины для стыковой сварки, обеспечивающие стабильные и высококачественные кольцевые стыковые сварные швы. Эти машины зажимают секции труб, точно выравнивают их и подают сварочную дугу контролируемым и повторяемым образом. Автоматизированные машины для стыковой сварки стальных труб обеспечивают скорость сварки 200–500 мм/мин. и сертифицированы в соответствии с такими стандартами, как ASME B31.3, API 1104 и ISO 15614-1.

В системах труб из полиэтилена высокой плотности и полипропилена для городского водоснабжения, газораспределения и транспортировки промышленных жидкостей специальные машины для стыковой сварки используют нагретую пластину для одновременного расплавления обоих концов труб перед их сжатием под контролируемым давлением. Этот процесс не включает в себя дуговую сварку, а называется сваркой плавлением, поскольку соединение образуется путем плавления и повторного затвердевания основного материала без отдельного наполнителя. Машины варьируются от ручных гидравлических агрегатов для труб малого диаметра (63–250 мм) до полностью автоматизированных систем с ЧПУ для труб большого диаметра (до 1600 мм и более).

Ключевые параметры, контролируемые аппаратами стыковой сварки

• Температура нагревательной пластины — Для ПЭВП обычно 200–230 °С; отклонение более чем на ±10°C может привести к ослаблению соединений.
• Давление сварки — Применяется как на этапе нагрева, так и на этапе охлаждения; рассчитывается на основе наружного диаметра трубы и толщины стенки (коэффициент SDR).
• Время нагрева — Пропорционален толщине стенки; недогрев приводит к образованию холодных сварных швов, а перегрев ухудшает свойства полимера.
• Время охлаждения под давлением — Преждевременный сброс давления до того, как соединение остынет, может деформировать сварной валик и снизить прочность соединения.
• Откат борта — шарик расплава, образующийся при контакте, должен быть однородным и симметричным; асимметричные шарики указывают на несоосность или неравномерное распределение температуры.

Современные машины для стыковой сварки, используемые как в производстве металлических, так и пластиковых труб, все чаще включают в себя системы регистрации данных, которые записывают все параметры процесса для отслеживания. В регулируемых отраслях, таких как газораспределение и атомные водные системы, эти записи являются обязательными в соответствии со стандартами, включая ISO 12176-1 и EN 12007-3.

Выбор процесса сварки плавлением по типу металла

Выбор правильного процесса сварки плавлением для данного металла так же важен, как и знание того, можно ли вообще сваривать этот металл. Этот процесс влияет на тепловложение, экранирование, скорость осаждения, деформацию и, в конечном итоге, на механические и коррозионные свойства готового соединения.

Факторы, определяющие свариваемость любого металла плавлением

Помимо типа металла, несколько физических и химических факторов определяют, будет ли данный материал производить надежный сварной шов:

• Температура плавления и диапазон — Узкий диапазон плавления (характерен для чистых металлов) способствует хорошему контролю сварочной ванны; Сплавы с широким диапазоном затвердевания более склонны к горячему растрескиванию и сегрегации.
• Теплопроводность — Высокая проводимость (медь, алюминий) требует большего тепловложения; низкая проводимость (титан, нержавеющая сталь) концентрирует тепло и может способствовать росту зерна.
• Коэффициент теплового расширения — Большие различия между основным металлом и присадочным материалом или между соединяемыми разнородными металлами могут вызвать остаточное напряжение и деформацию.
• Реакция с атмосферой — Титан, цирконий и химически активные металлы требуют инертной защиты; Углеродистая сталь требует только базовой защиты от окисления и поглощения азота.
• Наличие элементов, вызывающих охрупчивание — Сера и фосфор в стали, висмут в медных сплавах и свинец в легкообрабатываемых марках могут вызвать образование горячих трещин; эти элементы должны быть сведены к минимуму в свариваемых марках.
• Фазовые превращения при охлаждении — Мартенситное превращение в высокоуглеродистых и некоторых легированных сталях может привести к образованию хрупких ЗТВ; это осуществляется посредством предварительного нагрева, контролируемого тепловложения и PWHT.

Понимание этих факторов позволяет инженерам-сварщикам разрабатывать процедуры, позволяющие последовательно создавать соединения, отвечающие механическим, размерным и эксплуатационным требованиям применения — будь то использование ручной TIG на прецизионной сборке из аэрокосмического титана или автоматизированный аппарат для стыковой сварки на муниципальном водопроводе из полиэтилена высокой плотности.

Резюме: Краткий обзор свариваемости металлов плавлением

Большинство конструкционных и конструкционных металлов можно сваривать плавлением при правильном процессе, параметрах и расходных материалах. Углеродистая сталь остается самым простым и наиболее распространенным материалом для сварки плавлением. За ними следуют аустенитные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы серий 5xxx и 6xxx. Титановые и никелевые сплавы сложны, но достижимы; Наибольшего ухода требуют чугун и высокоуглеродистые стали. Только небольшая группа — бериллий, латунь с высоким содержанием цинка, некоторые тугоплавкие металлы и некоторые инструментальные стали — обычно избегают сварки плавлением из-за ограничений безопасности, металлургии или качества.

Для соединений трубопроводов и труб стыковая сварка — будь то с помощью машин для стыковой сварки с горячей пластиной для термопластичных труб или автоматизированных систем орбитальной сварки для металлических труб — является одним из наиболее надежных и широко распространенных типов соединений в промышленном использовании. Выбор подходящего оборудования, соблюдение квалифицированных процедур сварки и понимание металлургического поведения основного материала — это три основных принципа получения сварных швов плавлением, которые будут безопасно работать на протяжении всего срока службы.