Нержавейка и алюминий: перегрев, поддув корня, побежалость, оксидная плёнка, поры и разупрочнение у шва

Чем нержавейка отличается от обычной стали

Распространённая нержавейка вроде 12Х18Н10Т или AISI 304 — аустенитная. По справочным данным она расширяется при нагреве примерно в полтора раза сильнее углеродистой стали, а тепло проводит в несколько раз хуже. Тепло задерживается у шва, металл дольше остаётся горячим. Отсюда сильнее коробление.

Что это значит на практике:

• для того же провара нужен меньший ток, чем на обычной стали той же толщины;
• прихватки ставят чаще — иначе зазор уйдёт ещё до сварки;
• подогрев не нужен: аустенитную сталь варят без подогрева;
• лишний металл в шве прочности почти не добавляет, а коробление увеличивает.

TIG ведут на постоянном токе прямой полярности — минус на электроде. Присадку берут с низким углеродом (буква L) или стабилизированную: под AISI 304 — 308L, под 316L — 316L, под 12Х18Н10Т обычно 347. Какую именно — пишет технология сварки (WPS), сварщик её не подбирает сам.

Перегрев и межкристаллитная коррозия

При нагреве примерно до 430–870 °C углерод связывает хром в карбиды по границам зёрен. Рядом с границей хрома становится мало, и в агрессивной среде металл разрушается вдоль границ. Это межкристаллитная коррозия. Важно не только сколько градусов, но и сколько времени: несколько секунд около 650 °C вредят больше, чем минуты при 450 или 790 °C.

Узкая полоса у каждого шва проходит этот интервал. Чем больше тепла и чем медленнее остывание, тем дольше она там задерживается.

Защищаются двумя путями. Материал: сталь с низким углеродом (304L, 316L) или стабилизированная титаном или ниобием (12Х18Н10Т, 321, 347). Технология: без подогрева, малая погонная энергия, ниточные валики, металл между проходами остужают до температуры из WPS. Ускорить остывание помогают медные подкладки и сварка участками. Посчитать погонную энергию режима можно в калькуляторе.

Поддув корня

Лицевую сторону шва защищает газ горелки. Обратную, корень, — поддув корня: инертный газ подают с обратной стороны и вытесняют воздух. В трубе объём ограничивают заглушками по обе стороны от стыка.

Без поддува корень одностороннего шва сильно окисляется, может получиться пористым и теряет стойкость к коррозии. Поддув обязателен, если корень потом не травят. Газы — аргон, азот или смесь азота с водородом. Водород допустим только для аустенитных сталей; азот не годится для алюминия. Каким газом и сколько продувать до зажигания дуги, пишет WPS.

Побежалость: травление и пассивация

Побежалость — цвета от соломенного до синего у шва. Это утолщённая оксидная плёнка: хром ушёл в неё, и металл под ней обеднён хромом. Такая поверхность хуже сопротивляется точечной (питтинговой) и щелевой коррозии.

Как её убирают:

• Травление снимает тонкий слой металла вместе с обеднённым слоем. Обычно это кислотные смеси — пастой или гелем на шов, в ванне или электрохимически.
• Пассивация металл не снимает, а помогает восстановить защитную плёнку.

Зачистка щёткой или кругом до блеска побежалость снимает, но после неё всё равно нужна обработка кислотой. Убирают всю видимую побежалость, включая обратную сторону шва, если она будет в контакте со средой. Пасту держат столько, сколько сказано в инструкции к ней: при передержке появляются точечные поражения. Остатки кислоты смывают полностью. С кислотами работают в средствах защиты по инструкции участка.

Алюминий: оксидная плёнка и ток

Оксид на поверхности алюминия плавится примерно при 2015 °C, а сам алюминий — около 650 °C. Если плёнку не разрушить, ванна не формируется и в шве остаются дефекты.

Плёнку разрушает дуга, когда электрод — плюс, а изделие — минус. Это катодная очистка. Поэтому:

• TIG алюминия ведут на переменном токе. В полуволне, когда электрод минус, идёт проплавление, когда плюс — очистка. Регулировка баланса меняет их соотношение;
• MIG — на постоянном токе обратной полярности, плюс на проволоке.

Для MIG тонкого алюминия нужен импульсный режим. Короткое замыкание на алюминии даёт холодный шов с несплавлением. Газ — аргон; на толстом металле — смеси аргона с гелием, гелий добавляет провара. Проволока мягкая: нужен неметаллический канал, ролики для алюминия и не пережатый прижим, на длинном шланге — подача «тяни-толкай».

Присадку выбирает технология. Две частые — 4043 (с кремнием, меньше склонна к горячим трещинам) и 5356 (с магнием, прочнее на срез, не темнеет при анодировании). Сплавы вроде АД31 и АД33 без присадки не варят — шов трещит. Кратер в конце шва заплавляют.

Алюминий: чистота и поры

Поры в алюминиевом шве почти всегда от водорода. Он хорошо растворяется в жидком алюминии и остаётся пузырями, когда металл застывает. Источники — масло и смазка на металле и проволоке, влага, белый налёт на старом металле, выхлоп пневмоинструмента, конденсат на холодных деталях.

Порядок подготовки:

1. Обезжирить растворителем без хлора — до прихваток, чтобы грязь не осталась в зазоре.
2. Снять оксид нержавеющей щёткой, которой чистят только алюминий, или чистым абразивом. Щёткой — только после обезжиривания.
3. Варить сразу после зачистки.

Если успеваете сделать только одно — обезжиривайте. Проволоку хранят так, чтобы на неё не попадали влага и масло. Как искать причину пор по шагам — в уроке о дефектах.

Алюминий: шов слабее основного металла

Сварка снимает упрочнение в зоне термического влияния (ЗТВ). У термоупрочнённых сплавов АД31 и АД33 прочность стыкового соединения определяет именно эта зона. Пример для сплава 6061-T6 (аналог АД33Т1): основной металл до сварки — типично около 310 МПа, а правила AWS D1.2 требуют от сварного стыка не меньше 165 МПа, то есть чуть больше половины. Вернуть прочность может только термообработка всего изделия после сварки.

Чем больше тепла, тем шире разупрочнённая зона. Поэтому лишний подогрев, медленная сварка и перегрев между проходами вредны. Для 6061-T6 правила AWS D1.2 ограничивают подогрев и межваликовую температуру 121 °C, а выдержку при ней — 15 минутами. Конкретные пределы — в WPS. Алюминий ещё и коробится: тепло он проводит примерно в пять раз лучше стали, а расширяется почти вдвое сильнее — приёмы против этого в уроке о деформациях.

Что проверить перед сваркой

• Марка металла и присадки совпадают с WPS; присадка для нержавейки — L или стабилизированная, как в технологии.
• Для нержавейки: подогрева нет, межваликовая температура известна, заглушки и поддув готовы, обратная сторона продута.
• Медная подкладка не попадёт под дугу; для травления есть паста и средства защиты.
• Для алюминия: род тока и полярность выставлены, ролики и канал для алюминия, проволока сухая и чистая.
• Кромки алюминия обезжирены, зачищены своей щёткой, и сварка начинается сразу после зачистки.