Сварка нержавейки полуавтоматом: газ, проволока, режимы и техника

Можно ли варить нержавейку полуавтоматом

Да. Полуавтоматическая сварка плавящейся проволокой в защитном газе (GMAW, в цехах — MIG/MAG) — штатный способ для аустенитных сталей AISI 304, 321, 316L и их российских аналогов. По ISO 4063 сварка сплошной проволокой в инертном газе — процесс 131 (MIG), в активной смеси — 135 (MAG). Смеси для нержавейки содержат 1–3 % кислорода или CO₂, поэтому формально это MAG, но на практике оба названия употребляют как синонимы.

Главный довод в пользу полуавтомата — скорость: по оценке Nickel Institute, GMAW примерно вчетверо производительнее аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (TIG). Проволока подаётся непрерывно, сварщик не прерывается на смену электрода или подачу присадки. Ток — постоянный, обратной полярности (плюс на горелке): так, по данным Nickel Institute, выполняют более 95 % полуавтоматической сварки нержавейки.

Ручная дуговая сварка электродами и TIG разобраны в статье «Как варить нержавейку: электроды, проволока и режимы сварки». Здесь — только полуавтомат.

Защитный газ: почему не углекислота

Для полуавтомата по чёрной стали обычно берут чистый CO₂ или смесь аргона с 10–25 % CO₂. Для нержавейки это не годится. В дуге углекислый газ распадается, свободный кислород соединяется с хромом, кремнием и марганцем, и они уходят в шлак, а углерод из газа переходит в шов. Lincoln Electric отмечает, что CO₂ в защитном газе снижает коррозионную стойкость многопроходных швов именно из-за науглероживания. К тому же в чистом CO₂ невозможен струйный перенос: металл переходит крупными каплями, с брызгами и обильным шлаком на поверхности шва.

Малая добавка активного газа, наоборот, нужна: она стабилизирует дугу и помогает валику растечься. По данным ASSDA, при 2–5 % CO₂ науглероживание настолько мало, что шов L-марок остаётся в пределах 0,03 % углерода. Кислород в смесях для нержавейки ограничивают 2 %, чтобы не выжигать легирующие элементы.

Группа M12 по ISO 14175 — аргон с 0,5–5 % CO₂, M13 — аргон с 0,5–3 % кислорода. Аргон в этих группах может быть частично или полностью заменён гелием, поэтому трёхкомпонентные гелиевые смеси тоже относятся к M12. В России классификация действует как ГОСТ Р ИСО 14175-2010. Производители проволоки ER308LSi и ER347Si указывают в паспортах именно M12 и M13.

Расход газа. В руководстве Lincoln Electric для короткой дуги на тонком листе проволокой 0,8 мм — 7–9,4 л/мин, для угловых швов проволокой 0,9–1,1 мм — 14 л/мин, для струйного и импульсного переноса — 12–19 л/мин. На сквозняке и при длинном вылете расход увеличивают, но избыточный поток подсасывает воздух и тоже даёт поры.

Проволока для сварки нержавейки полуавтоматом

Проволоку подбирают так, чтобы шов по составу соответствовал основному металлу или был чуть более легированным. Для полуавтомата выпускают варианты с повышенным кремнием — индекс Si в классе по AWS A5.9. В ER308LSi кремния 0,65–1,00 %, в обычной ER308L — 0,30–0,65 %, остальной состав одинаков. Кремний улучшает смачивание: по данным Nickel Institute и Lincoln Electric, такая проволока лучше растекается на короткой дуге, которая сама по себе даёт «холодный» выпуклый валик.

• 12Х18Н10Т и AISI 321 варят проволокой с ниобием ER347Si, а не с титаном: титан частично выгорает в дуге, особенно в смесях с кислородом. Шов со стабилизирующим ниобием стоек к межкристаллитной коррозии. Паспорта ER347Si допускают и нестабилизированные 304 и 304L.
• Российские марки по ГОСТ 2246-70 близки к зарубежным по хрому, никелю и молибдену, но индекса Si не имеют; в стандарте есть и отдельные марки с повышенным кремнием, например Св-04Х19Н9С2. Сравнение составов лучше делать по сертификату на конкретную проволоку.
• Диаметр. Для листа 1–3 мм на короткой дуге — 0,8–0,9 мм, для 3–6 мм и струйного переноса — 1,0–1,2 мм, 1,6 мм — для толстого металла в нижнем положении.

Порошковая проволока и сварка «без газа»

Порошковая проволока для нержавейки классифицируется по AWS A5.22: например, E308LT1-1 рассчитана на чистый CO₂, E308LT1-4 — на смесь аргона с 20–25 % CO₂. Флюс в сердечнике защищает металл, поэтому для неё углекислота допустима. Такая проволока выгодна на толстом металле и при сварке в положениях, но оставляет шлак, который удаляют после каждого прохода.

Самозащитная нержавеющая проволока, которой варят без газа, тоже существует — класс E308LT0-3. Она предназначена для нижнего и горизонтального положений и встречается в продаже редко. Обычная «безгазовая» проволока для чёрной стали нержавеющий шов не даст: наплавленный металл будет углеродистым и заржавеет.

Сварочную проволоку из нержавейки можно подобрать в разделе «Проволока нержавеющая».

Режимы сварки нержавейки полуавтоматом

Режим определяется в первую очередь типом переноса металла. При короткой дуге проволока касается ванны и переносит металл при каждом замыкании, тепловложение минимально. При струйном переносе металл летит мелкими каплями без замыканий, ванна горячая и жидкая. Импульсная дуга даёт струйный перенос при меньшем среднем токе.

Диапазоны короткой дуги — по Nickel Institute, токи перехода к струйному переносу — по Lincoln Electric. Минимальную толщину для струйного переноса Nickel Institute указывает около 3 мм, а Lincoln Electric применяет его в основном на металле от 6 мм.

Данные — из руководства Lincoln Electric C4.200 для проволоки ERXXXLSi, нижнее, горизонтальное и вертикальное сверху вниз положения. Проволока 0,045″ в нём обозначена как 1,1 мм; ближайший метрический размер — 1,2 мм, для неё ток немного выше. Для угловых швов 5–6 мм в нижнем положении то же руководство даёт и струйный режим: проволока 1,1 мм, Ar + 2 % O₂, 195–250 А, 24–26 В, подача 6,1–8,3 м/мин, газ 14–19 л/мин, вылет 16–19 мм.

Стыковые и нахлёсточные швы на тонком листе. Для проволоки 0,8 мм Nickel Institute и Lincoln Electric приводят: 1,6 мм — 85 А и подача 4,7 м/мин, 2 мм — 90 А и 4,9 м/мин, 3,2 мм — 125 А и 7,1 м/мин; напряжение 21–23 В, газ 7–9,4 л/мин, вылет 9,5–13 мм.

Напряжения в таблицах даны для гелиевой смеси. В аргоновых смесях M12 и M13 устойчивая короткая дуга, по данным Lincoln Electric, горит при напряжении до 6 В ниже, а более холодная дуга повышает риск несплавления. Таблицы — отправная точка: режим проверяют пробным швом на обрезке того же металла.

Для короткой дуги важна индуктивность источника: Lincoln Electric рекомендует аппараты с регулировкой наклона характеристики и индуктивности, а для гелиевой смеси — высокую индуктивность. От неё зависят жидкотекучесть ванны и количество брызг.

Подготовка полуавтомата и металла

1. Канал в рукаве горелки. Стальной спиральный канал после чёрной проволоки заменяют отдельным — тефлоновым или из тефлона с углеродом. Производитель горелок Trafimet рекомендует канал «тефлон + 2 % углерода» для проволоки ER308 и ER309. Канал с медным наконечником около 330 мм не даёт пластику деформироваться от нагрева у головки горелки.
2. Ролики и наконечник. Ролики с V-канавкой и наконечник — строго под диаметр проволоки. Прижим роликов — такой, чтобы проволока подавалась без проскальзывания и не сминалась.
3. Сопло и газ. Сопло очищают от брызг, расход проверяют на выходе из сопла, шланги — на подсос воздуха.
4. Полярность. Плюс — на горелке, минус — на изделии.
5. Кромки. Масло и маркер снимают растворителем, окалину — щёткой из нержавейки или абразивом, которым не работали по чёрной стали. Инструмент держат отдельно только для нержавейки.
6. Защита корня. Обратную сторону шва защищают газом: по данным Nickel Institute, поддув аргоном предотвращает окисление корня. Lincoln Electric подчёркивает, что воздух не должен касаться обратной стороны, пока металл кристаллизуется. Для труб ASSDA рекомендует поддув аргоном или азотом так, чтобы побежалость изнутри была не темнее бледно-соломенной. Для аустенитных сталей применяют и формир-газ — азот с водородом, группа N5 по ISO 14175.
7. Подкладка. Лист до 1,6 мм Lincoln Electric рекомендует варить на медной подкладке — она отводит тепло и удерживает ванну от провисания.

Техника сварки полуавтоматом

• Вылет проволоки. При короткой дуге — 10–13 мм, при струйном и импульсном переносе — 16–19 мм. Lincoln Electric советует держать вылет как можно короче: с ростом вылета падает ток и ухудшается газовая защита.
• Угол горелки. Горелку ведут углом вперёд, «от себя», с наклоном 5–20° при короткой дуге и до 5° при струйном и импульсном переносе. Так лучше видна разделка, а газ защищает металл перед ванной. Стыковые швы Lincoln Electric рекомендует варить углом вперёд, а на угловых, по его же данным, углом назад работать бывает проще и валик получается аккуратнее. В угловом шве горелку держат примерно под 45° к полкам.
• Без широких колебаний. Nickel Institute и Lincoln Electric рекомендуют ниточные валики вместо поперечных колебаний: шов быстрее проходит температурный интервал, в котором возникают горячие трещины. На тонком металле горелку перемещают только вдоль шва, на металле от 6 мм допустимы небольшие поперечные движения.
• Кратер. В конце шва кратер заваривают, иначе в нём остаются усадочные трещины.
• Межпроходная температура — не выше 150 °C: Kobelco указывает это ограничение для аустенитных сталей, чтобы избежать горячих трещин. Следующий проход начинают, когда металл остыл.
• Тепловложение. Оно растёт с током и напряжением и падает с ростом скорости сварки. Быстрый проход узким валиком лучше медленного широкого: меньше коробление, меньше побежалость и ниже риск выпадения карбидов хрома.

Почему нержавейка сильнее коробится, чем углеродистая сталь, и как на это влияют теплопроводность и тепловое расширение, разобрано в статье «Как варить нержавейку».

Что делать после сварки

Вокруг шва остаются цвета побежалости — от соломенного до синего и серого. Это оксидная плёнка, а под тёмными цветами, по данным ASSDA, металл обеднён хромом и хуже сопротивляется коррозии. В смесях с кислородом шов получается матово-серым, а на поверхности бывают островки оксидов кремния и марганца — с CO₂ их больше.

Травление снимает окалину вместе с обеднённым хромом слоем, пассивация затем восстанавливает защитную плёнку. Как это сделать пастой или электрохимически, описано в статье «Как почистить нержавейку и убрать цвета побежалости». Изделия целиком или только швы мы обрабатываем в своём цехе — см. услугу травление и пассивация нержавейки после сварки.

Отдельный риск — межкристаллитная коррозия: при нагреве до 450–850 °C по границам зёрен выпадают карбиды хрома. Для полуавтомата это ещё один довод в пользу L-марок и стабилизированной ниобием проволоки ER347Si: углекислота в защитной смеси добавляет в шов немного углерода.

Типичные ошибки и дефекты

Разнородные соединения. Нержавейку с углеродистой сталью варят проволокой ER309LSi. Nickel Institute показывает, что при 25 % разбавления углеродистой сталью шов из присадки 308 содержит мартенсит — твёрдую хрупкую фазу, а 309 даёт аустенит с ферритом. При струйном переносе разбавление составляет 20–40 %, поэтому для таких швов лучше короткая дуга с малым тепловложением. При сварке магнитной стали с аустенитной Lincoln Electric советует разделывать одну кромку, держать проволоку над неразделанной и варить короткой дугой, чтобы уменьшить отклонение дуги.