Технология и режимы сварки никеля

Высокая стойкость против коррозии в ряде агрессивных сред, жаропрочность, большое омическое сопротивление и некоторые другие специальные свойства никеля и его сплавов обусловливают применение этих материалов в химическом машиностроении, электрохимической и других отраслях промышленности. При изготовлении сварной аппаратуры для химической промышленности используют преимущественно никель марки Н0 (не менее 99,93% Ni). В среднем для этого никеля в отожженном состоянии временное сопротивление 38—45 кгс/мм², относительное удлинение 32—50%. В сварных изделиях применяют сплавы никеля с медью, хромом, алюминием и другими элементами.

По технологии и технике сварки никель и его сплавы близки к стали и особенно к коррозионностойкой. При выборе метода и разработке технологии сварки наряду с предотвращением дефектов металлургического характера (пор и кристаллизационных трещин) необходимо особое внимание уделять получению требуемых эксплуатационных свойств соединений. При изготовлении никелевых конструкций наиболее широкое применение получила аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом. Этот метод благодаря большой универсальности и обеспечению высокого качества соединений вытесняет ручную дуговую сварку покрытыми электродами, газовую сварку и даже сварку под флюсом. В малом объеме применяется также аргоно-дуговая сварка плавящимся электродом. Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом осуществляется постоянным током прямой полярности.

Вредными примесями в никеле являются кремний, железо, медь, сера, висмут, свинец, фосфор, цинк, кадмий.

Главной причиной появления кристаллизационных трещин в металле никелевого шва является образование легкоплавкой сульфидной эвтектики Ni—NiS. Поэтому в основном металле содержание серы ограничивается 0,001%, что в 10—50 раз ниже, чем допустимое содержание ее в стали. Наличие марганца, связывающего серу в тугоплавкое соединение MnS, ослабляет ее вредное влияние. На этом основано применение присадочных проволок НМц2,5 и НМц5, содержащих около 2,5 и 5% Мn соответственно.

Введение марганца в никель снижает его коррозионную стойкость в щелочных средах. Поэтому использование подобных проволок допустимо только в тех случаях, когда содержащие марганец никелевые швы удовлетворяют требованиям эксплуатации. Весьма эффективно введение в проволоку небольших количеств титана для борьбы с трещинами в металле шва.

Склонность к порообразованию

Никель и его сплавы проявляют большую склонность к образованию пор вследствие хорошей растворимости в расплавленном металле азота, водорода, кислорода и резкого снижения растворимости при затвердевании металла. Легирование шва Ti, Сr и V уменьшает пористость, а легирование Мn, С, Si, Fe увеличивает. При аргонодуговой сварке вероятность образования пор уменьшается с повышением качества защиты зоны сварки.

Подготовка под сварку

При сварке Ni и его сплавов необходима тщательная зачистка кромок и прилегающих к ним участков на ширине 20—25 мм механическим путем, так как на них образуется налет, содержащий серу, с последующим обезжириванием в ацетоне, уайт-спирите или бензине. Химическое травление, как правило, не применяется, однако при наличии пленки окислов на поверхности металла рекомендуется обработка в растворе следующего состава: 1 л Н₂O, 1,5 л H₂SO₄, 2,25 л HNO₃, 30 г NaCl в течение 5—10 с с последующей промывкой в воде, нейтрализацией в 1 %-ном водном растворе аммиака и сушкой.

Металл в сварочной ванне при сварке никеля и его сплавов более вязок, чем при сварке сталей, и поэтому проплавляется на меньшую глубину, что требует значительной разделки кромок и увеличения их притупления. При сварке кислотостойкой аппаратуры следует избегать стыковых соединений с отбортовкой кромок, так как образующиеся в этом случае «карманы» могут вызвать появление щелевой коррозии при эксплуатации.

Газовая сварка

Газовую сварку преимущественно применяют при малой толщине (до 3—4 мм) Ni или его сплавов. В основном используется ацетилено-кислородное пламя нормальное или слегка восстановительное, β = 0,97÷1,0, так как избыток ацетилена может вызвать пористость металла шва. Электродную проволоку используют марок Н-1, НП-1, НП-2, а также применяют комплексно-легированные проволоки, содержащие Ti, Al, Mn, Si, марок НМцАТ3-1,5-0,6 и НМцТК1-1,5-2-0,15 (ТУ48-21-284—73).

В качестве присадочного материала используют проволоку из сплава НМц2,5, нихрома Х20Н80.

При газовой сварке Ni используют многокомпонентные флюсы: керамические типа ЖН-1 и плавленые фторидные и высокоосновные марок АН-Ф5, АН-Ф7, АН8, АН-29, 49-ОФ-6.

Для сварки никеля и его сплавов применяют «левый» и «правый» способы. При «левом» способе сварочная ванна более интенсивно взаимодействует с кислородом окружающей атмосферы, его следует применять для сварки тонких листов (1— 2 мм). При «правом» способе охлаждение сварочной ванны происходит медленнее, при этом уменьшается окисление расплавленного металла и пористость.

Сварку Ni следует выполнять без задержек и возврата на сваренный участок во избежание перегрева околошовной зоны, сопровождающегося образованием трещин. Следует также избегать многослойной газовой сварки. Металл толщиной 1 — 2 мм сваривают в один проход без скоса кромок. Для стыковых швов металла больших толщин делается V-образная разделка.

Сварные соединения из никеля, выполненные газовой сваркой, имеют σ_в = 274÷314 МПа, α = 90÷120°. Нормализация соединений при температуре 825—900 °С повышает их пластичность и вязкость.

Сварка нихрома затруднена образованием на поверхности ванны тугоплавкой пленки оксида хрома, которую удаляют механическим путем. Сварка нихрома выполняется с максимальной скоростью и без перерывов за один проход, так как повторное расплавление металла может привести к образованию трещин. Применяется пламя с небольшим избытком ацетилена при мощности 50—70 л/ч на 1 мм толщины. В качестве присадочного прутка используется проволока, близкая по составу к основному металлу, с пониженным содержанием С и содержанием Сг по верхнему пределу. Применяется флюс состава, % (по массе): 40 буры, 50 борной кислоты, 10 хлористого натрия или фтористого калия. После отжига предел прочности сварных соединений из нихрома составляет 343—441 МПа.