Сварка нержавеющей стали 12Х18Н10Т, AISI 304 и 316L: присадка, газ, поддув корня и травление

Чем нержавейка отличается от обычной стали

У аустенитной стали 19Cr-9Ni, по данным IMOA, коэффициент линейного расширения в интервале 20–500 °C — 17,6·10⁻⁶ 1/K против 11,7·10⁻⁶ 1/K у углеродистой стали, а теплопроводность при 100 °C — около 28 % от теплопроводности углеродистой. Тепло задерживается у шва, металл дольше горячий и сильнее расширяется. Отсюда больше коробление и остаточные напряжения.

Электросопротивление у аустенита выше, а температура плавления ниже, поэтому IMOA указывает: для того же нагрева нужен меньший сварочный ток, чем на углеродистой стали. Из-за коробления прихватки ставят чаще.

Ферритные стали (12Х17, AISI 430) ведут себя иначе. Outokumpu отмечает, что они коробятся меньше аустенитных, но у шва растёт зерно — по ESAB это снижает вязкость. Поэтому их варят с минимальной погонной энергией и без газов с водородом или азотом. Lincoln Electric советует присадку с содержанием хрома не ниже, чем в основном металле, для разнородных соединений — аустенитные 309 или 312.

Способы: TIG, импульсный MIG, электроды

TIG — основной способ для тонкого листа, труб и корневых проходов. По справочнику ESAB нержавейку варят на постоянном токе прямой полярности (минус на электроде). Ориентир ESAB — 30–40 А на миллиметр толщины. TIG позволяет варить металл от 0,3 мм, а на толщинах от 5–6 мм им делают корень, заполняя разделку MIG или электродами.

MIG/MAG — для средних и больших толщин и серии. ESAB объясняет, что на чистом аргоне дуга нестабильна, поэтому в него добавляют 1–2 % кислорода или 2–3 % CO₂. Для L-марок учитывают, что 2 % CO₂ при струйном переносе добавляют в металл шва около 0,01 % углерода.

Импульсный MIG даёт струйный перенос — одна капля на импульс — при меньшем среднем токе. По ESAB это позволяет варить тонкий лист и во всех положениях, а тепловложение держать под контролем.

MMA удобен на монтаже: IMOA отмечает, что для него не нужны защитный газ и поддув, а сквозняк ему мешает меньше, чем TIG и MIG.

Общее сравнение способов — в статье «MIG/MAG, TIG и MMA».

Присадочный материал

Присадку подбирают так, чтобы металл шва не уступал основному по коррозионной стойкости. По IMOA для сварных конструкций почти всегда берут низкоуглеродистую (L) или стабилизированную присадку.

Коды EN ISO 14343-A — по справочнику ESAB. Буква перед кодом обозначает вид продукта: G — проволока для MIG/MAG, W — пруток для TIG.

Для 12Х18Н10Т есть нюанс. Lincoln Electric объясняет, что присадок типа 321 почти не выпускают: титан выгорает в дуге, поэтому берут 347 со стабилизатором ниобием. Производители допускают и 308L: например, у электрода BÖHLER FOX E308L-16 сталь 1.4541 (аналог 321) есть в перечне основных металлов.

Защитный газ и поддув корня

Лицевую сторону шва защищает газ горелки, обратную — поддув. IMOA рекомендует защищать и обратную сторону, чтобы шов без последующей обработки сохранял коррозионную стойкость. Для труб внутренний объём ограничивают заглушками по обе стороны от стыка.

Газы для поддува по IMOA — аргон, азот и формир-газ 90 % N₂ + 10 % H₂. ESAB приводит смеси азота с 5–10 % водорода. Водород восстанавливает оксиды, но ESAB допускает его только для аустенитных сталей. Азот растворяется в металле шва и снижает содержание феррита — это учитывают на сталях, склонных к горячим трещинам. Linde предупреждает, что азот не подходит для материалов, образующих нитриды, например для алюминия.

ESAB требует защищать корень одностороннего шва, если изделие потом не травят: при плохой защите корень сильно окисляется и может получиться пористым.

Погонная энергия и межваликовая температура

EN 1011-2 отсылает расчёт погонной энергии к EN 1011-1: энергию дуги умножают на коэффициент тепловой эффективности процесса.

Пример. Корень трубы из 12Х18Н10Т варят TIG, режим условный: U = 12 В, I = 110 А, v = 100 мм/мин.

• Энергия дуги: 12 · 110 · 60 / (100 · 1000) = 0,792 кДж/мм.
• Погонная энергия: 0,6 · 0,792 ≈ 0,48 кДж/мм.

Заполнение импульсным MAG, режим условный: U = 24 В, I = 180 А, v = 400 мм/мин. Энергия дуги 24 · 180 · 60 / 400 000 = 0,648 кДж/мм, погонная энергия 0,8 · 0,648 ≈ 0,52 кДж/мм.

С чем сравнивать. Outokumpu допускает для распространённых аустенитных марок до 2,5 кДж/мм, а для стабилизированных и полностью аустенитных — не более 1,5 кДж/мм из-за риска кристаллизационных трещин. Для электрода BÖHLER FOX E308L-16 производитель рекомендует не более 2,0 кДж/мм и межваликовую температуру не выше 305 °F (около 150 °C). Оба прохода примера укладываются в эти пределы. Конкретные значения задаёт технология сварки (WPS).

Межкристаллитная коррозия

По ESAB при нагреве до 500–850 °C углерод связывает хром в карбиды по границам зёрен, и в агрессивной среде металл разрушается вдоль этих границ. Lincoln Electric подчёркивает, что решает время: несколько секунд около 650 °C вредят больше, чем минуты при 450 или 790 °C. Узкая полоса у шва проходит этот интервал при каждой сварке.

Защита двумя путями — низкий углерод (L-марки: 304L, 316L, 03Х17Н14М3) или стабилизация титаном или ниобием (321, 347, 12Х18Н10Т). Технологически помогают сварка без подогрева, малая погонная энергия и быстрое охлаждение — медные подкладки и сварка участками. Подробно о марках и их составе — в статье «Нержавеющая сталь: 12Х18Н10Т, AISI 304, 316L и 430».

Побежалость: травление и пассивация

Цвета побежалости — от соломенного до синего — это утолщённая оксидная плёнка. По Euro Inox хром уходит в оксид, и слой металла под ним обеднён хромом. IMOA указывает, что побежалость заметно снижает стойкость к питтинговой и щелевой коррозии, особенно у стандартных аустенитных марок.

Два разных процесса:

• Травление снимает тонкий слой металла вместе с обеднённым хромом слоем. Обычно это смеси азотной и плавиковой кислот. Большие изделия травят в ванне или распылением, зону шва — пастой или гелем, либо электрохимически.
• Пассивация металл не снимает, а ускоряет образование пассивной плёнки окислителями — азотной или лимонной кислотой. По Euro Inox на чистой стали она идёт сама, кислотная пассивация — скорее исключение.

Время выдержки пасты зависит от марки стали. Euro Inox предупреждает: при передержке на поверхности появляется питтинг, а остатки кислоты нужно полностью смыть.

Как ограничить коробление

Lincoln Electric советует для аустенитной стали: жёсткие кондукторы и остывание в них, медные теплоотводящие подкладки под стык (на металле 2 мм и тоньше — обязательно), частые прихватки, обратноступенчатую сварку, малый ток и ниточные валики. Лишний наплавленный металл прочности почти не добавляет, а коробление увеличивает. Приёмы для любых сталей — в статье «Сварочные деформации: как уменьшить».

Медь не должна попадать в шов: IMOA предупреждает, что расплавленная медь вызывает трещины, поэтому дугу держат подальше от подкладки.