Применение лазерной сварки нержавеющей стали 5

Теплопоступление, скорость охлаждения и металлургический контроль

Лазерная сварка по своей сути представляет собой процесс с низким тепловым воздействием и высокой скоростью охлаждения, что является одной из причин её высокой эффективности при работе с нержавеющей сталью. Однако “низкое тепловое воздействие” не всегда означает “хороший результат” — неправильный уровень теплового воздействия или профиль охлаждения могут привести к неполному сплавлению, избыточному образованию феррита или микроструктурным дефектам, которые ухудшают как прочность, так и коррозионную стойкость. Регулируя мощность лазера, скорость перемещения, фокусировку луча и выбор присадочного материала, сварщики могут контролировать не только форму сварного шва, но и саму металлургию.

Сохраняйте низкую тепловую нагрузку — но не слишком низкую

· Почему слабый огонь — это хорошо:

1. Снижает деформации и остаточные напряжения, что особенно важно для тонколистового аустенитного проката с высоким коэффициентом теплового расширения.

2. Минимизирует появление термических окрасок и образование оксидов, что снижает необходимость в очистке после сварки.

· Почему слишком низкий уровень — это плохо:

1. Недостаточная глубина проварки и отсутствие дефектов слияния.

2. Чрезмерно быстрое затвердевание может привести к удержанию газов и увеличению пористости.

3. В некоторых марках стали сверхбыстрое охлаждение может привести к формированию хрупких или нестабильных фаз в микроструктуре.

· Рычаги управления:

1. Мощность (Вт): более высокая мощность обеспечивает более глубокое проникновение, но повышает риск перегрева в тонких участках.

2. Скорость перемещения (мм/с): более высокая скорость перемещения снижает общий приток тепла, но может привести к проблемам с плавлением.

3. Размер пятна (мм): меньшие пятна концентрируют энергию; более крупные пятна увеличивают ширину валика, но уменьшают глубину проникновения.

· Практическое правило: следите за энергией на единицу длины (Дж/мм) — стремитесь к минимальному значению, при котором достигается полное сплавление без дефектов; как правило, для тонких листов оно составляет 30–60 Дж/мм, а для более толстых дуплексных профилей — выше.

Ферит в аустенитных сварных швах

· Образование в области металлургии:

1. При полностью аустенитном затвердевании возникает склонность к образованию трещин затвердевания, поскольку при этом не происходит поглощения примесей с низкой температурой плавления на границах зерен.

2. Введение в сварной шов феррита 3–8% типа “дельта” позволяет смягчить эту проблему, создавая «поглотитель» для примесей.

· Риски, связанные с использованием лазеров:

1. Высокие скорости охлаждения могут привести к застыванию структуры в процессе затвердевания до того, как успеет образоваться феррит, что повышает риск образования трещин в некоторых сплавах.

· Методы контроля:

1. Используйте слегка перележенный присадочный материал (ER308L, ER316L) для увеличения содержания феррита.

2. Избегайте чрезмерно высоких скоростей движения на участках с уклоном, требующих особого внимания.

3. В критически важных областях применения (особенно в пищевой промышленности и при работе в криогенных условиях) проверьте содержание феррита с помощью ферритоскопа.

Interpass и Preheat

· Температура прохождения:

1. Для большинства аустенитных марок: поддерживайте температуру ниже 150 ℃, чтобы избежать выделения карбидов хрома (сенсибилизации), что снижает коррозионную стойкость.

2. Для дуплексных марок: поддерживать температуру на уровне <150 ℃, чтобы предотвратить выпадение вторичных фаз и регулировать соотношение феррита и аустенита.

· Предварительный нагрев:

1. Редко требуется для аустенитных или дуплексных марок стали.

2. Необходимо для мартенситных и преципитационно-упрочняемых нержавеющих сталей (100–300 ℃) во избежание растрескивания при закалке и скачков твердости в зоне термического влияния (HAZ).

3. Его следует наносить равномерно, чтобы избежать неравномерного расширения.

· Примечание, касающееся лазерной сварки: при однопроходной лазерной сварке температура редко превышает допустимые пределы междупроходной температуры, однако при многопроходной гибридной лазерно-дуговой сварке накопление тепла может стать проблемой.

Двухфазный баланс

· Целевое значение: ~50% феррит / ~50% аустенит в зоне сварного шва.

· Риски, связанные с лазерной сваркой:

1. Высокие скорости охлаждения, как правило, приводят к закреплению избыточного феррита (>65%), что ведет к снижению ударной вязкости и стойкости к точечной коррозии.

2. Перегрев также может привести к неполному восстановлению аустенита.

· Стратегии управления:

1. Использовать наполнители с высоким содержанием никеля (например, ER2209 для дуплексной стали 2205) для стимулирования образования аустенита.

2. Незначительно увеличить подачу тепла по сравнению с сваркой аустенитных материалов — это позволяет достаточно замедлить охлаждение для обеспечения фазового превращения без риска роста зерен.

3. Поддерживайте низкую межпроходную температуру, чтобы предотвратить образование сигма-фазы.

· Проверка: В отраслях с высокими техническими требованиями (оффшорные работы, опреснение воды) содержание феррита после сварки регулярно проверяется с помощью портативных приборов для измерения содержания феррита.

При лазерной сварке нержавеющей стали принос тепла является важным металлургическим фактором: его избыток приводит к деформации и повышенной чувствительности, а недостаток — к недостаточному сплавлению, образованию избыточного количества феррита или растрескиванию. Аустенитные сварные швы требуют небольшого количества феррита для предотвращения горячего растрескивания, мартенситные и PH-марки могут нуждаться в предварительном нагреве, а дуплексные стали требуют тщательного контроля привода тепла для сохранения фазового баланса. Самый быстрый способ лишить нержавеющую сталь коррозионной стойкости — игнорировать взаимосвязь между параметрами лазера, скоростью охлаждения и микроструктурой; лучший способ сохранить эту стойкость — целенаправленно контролировать эти факторы.