Сварочные материалы: выбор, контроль, хранение и прокалка

• ГОСТ Р 59023.1-2020сведения о материалах для сварки и наплавки оборудования и трубопроводов АЭУ
• не более 3прокалок покрытых электродов допускают нормы НП-104-18
• ≥ 15 °C, ≤ 50 %температура и влажность воздуха в кладовой электродов и флюсов
• 135–960 °Cтемпературы прокалки электродов и флюсов разных марок

Что входит в сварочные материалы

Металл шва лишь отчасти берётся из самих деталей: при большинстве способов дуговой сварки значительную его часть даёт присадочный металл, а от воздуха сварочную ванну защищают шлак или газ. Всё, что плавится в шов или защищает его, называют сварочными материалами.

• Покрытые электроды. Металлический стержень с покрытием из минералов, ферросплавов и связующего. Стержень становится металлом шва, а покрытие даёт газ и шлак, которые защищают ванну, раскисляет и легирует металл. ГОСТ 9466-75 различает кислые, основные, рутиловые и целлюлозные покрытия; ответственные швы перлитных сталей обычно варят электродами с основным покрытием — подробнее в статье «Ручная дуговая сварка».
• Сплошная проволока. Плавящийся электрод при сварке под флюсом и в защитных газах и присадка при аргонодуговой сварке. Марки стальной сварочной проволоки по ГОСТ 2246-70 начинаются с «Св»: Св-08Г2С, Св-04Х19Н11М3, Св-08Х19Н10Г2Б.
• Порошковая проволока. Металлическая оболочка с порошком — электрод, у которого покрытие спрятано внутрь.
• Лента. Широкий тонкий электрод: лентой под флюсом наплавляют антикоррозионный слой на внутренние поверхности корпусов и сосудов.
• Флюсы. Гранулированный материал для сварки и наплавки под флюсом и электрошлаковой сварки. Плавленые флюсы получают сплавлением и грануляцией, керамические — из смеси порошков со связующим; через керамический флюс шов можно легировать.
• Защитные газы. Аргон, гелий, углекислый газ и их смеси вытесняют воздух из зоны дуги, а аргоном к тому же поддувают изнутри корень шва труб.
• Вольфрамовые электроды. Неплавящиеся: дуга горит между ними и деталью, а частицы вольфрама в шве считаются дефектом.

Свойства шва задаёт сочетание материалов: одна и та же проволока под разными флюсами или в разных газах даёт разный металл. Поэтому проверяют пару «проволока — флюс» или «проволока — газ», и в технологии записывают именно её.

Сварочные материалы (схема). Покрытый электрод — металлический стержень, который станет металлом шва, и покрытие, которое при сварке даёт газовую защиту, шлак и легирующие элементы. Проволоку, флюс и защитный газ подбирают под основной металл и способ сварки. Электроды и флюс перед работой прокаливают в печи, сварщику выдают небольшими порциями в термопенале, а прокалку и выдачу записывают в журнал.

Как выбирают и какие допущены

Главное правило выбора — шов не должен уступать соединяемым деталям ни в прочности, ни в вязкости, ни в коррозионной стойкости. Как оно работает для перлитных, аустенитных и разнородных соединений, рассказано в статье «Сварка в атомном машиностроении». Здесь важнее другое: для атомного оборудования выбор ограничен заранее.

Нормы НП-104-18 «Сварка и наплавка оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок» отсылают к ГОСТ Р 59023.1-2020, где собраны сведения о материалах для сварки и наплавки такого оборудования. Качество материалов должно отвечать стандартам и техническим условиям из Сводного перечня документов по стандартизации, обязательных в атомной отрасли, и подтверждаться сертификатами изготовителей. Материал, которого там нет, применяют только после аттестационных испытаний и включения документа на него в Сводный перечень.

Марку для конкретного шва выбирает технолог и записывает в технологическую документацию: марку и диаметр электрода или проволоки, марку и размеры ленты, сочетание с флюсом или газом, требования к прокалке и газовой защите. Конструкторская документация задаёт другое — категории сварных соединений и свойства металла шва, которые нужно подтвердить сверх обязательных, например стойкость к межкристаллитной коррозии.

Учитывают и то, что будет со швом дальше. Если изделие после сварки отпускают, металл шва должен сохранить свойства и после отпуска, поэтому контрольный шов при проверке материалов проходит ту же термообработку, что и изделие. Если изделие варят с подогревом, с подогревом варят и контрольный шов.

Проверка каждой партии

Сварочные материалы поставляют партиями, и каждую сопровождает сертификат изготовителя, а баллоны с газом — этикетка. На пачке электродов по ГОСТ 9466-75, кроме марки, партии и даты изготовления, указывают допустимое содержание влаги в покрытии и режим повторной прокалки. Как читать сертификат, рассказано в статье «Сертификат на металл и входной контроль» — для сварочных материалов правила те же.

По НП-104-18 каждую партию до применения проверяет организация, которая будет ею варить, а не поставщик. Сначала — документы: есть ли сертификат, полны ли данные и отвечают ли они стандарту на материал, есть ли на каждом упаковочном месте марка, размер и номер партии.

Затем осматривают упаковку и сам материал. Покрытие электродов должно быть плотным и прочным, без вздутий, пор и трещин; по ГОСТ 9466-75 оно не должно разрушаться при падении электрода плашмя на стальную плиту с высоты 1 м, а при диаметре 4 мм и больше — с 0,5 м. У проволоки и ленты смотрят размеры, поверхность и маркировку с двух сторон бухты, у флюса — цвет, однородность и размер зёрен.

Главная часть проверки — контрольный шов или контрольная наплавка из материалов этой партии на производственных режимах. Электроды проверяют по каждой партии, проволоку и ленту — по каждой плавке: в сочетании с флюсом каждой партии или с газом одной марки и одного сорта. Шов сначала проходит неразрушающий контроль, и только потом из него вырезают образцы.

В образцах определяют химический состав и механические свойства металла шва, а если этого требуют чертёж или стандарт на материал — свойства при повышенной температуре, ударную вязкость или критическую температуру хрупкости, содержание ферритной фазы и стойкость к межкристаллитной коррозии. Чтобы металл пластины не разбавил проверяемый, в контрольной наплавке первые два слоя, а при разных структурных классах пластины и наплавки — четыре, служат подслоем. Образцы на феррит вырезают до термообработки.

Не прошедшее испытание повторяют на удвоенном количестве образцов, и этот результат окончательный, а при неудаче с ферритом сваривают новый контрольный шов. Если в сертификате уже есть результаты нужных испытаний и они отвечают нормам, металл шва заново можно не испытывать. Результаты записывают в журнал контроля сварочных материалов.

Как проверяют партию сварочных материалов

1. Документысертификат, полнота данных, марка, размер и номер партии на упаковке
2. Осмотрупаковка, размеры, покрытие электродов, поверхность проволоки, цвет флюса
3. Контрольный шовматериалами этой партии на производственных режимах
4. Неразрушающий контрольдо того, как из шва вырежут образцы
5. Испытания образцовхимический состав и механические свойства металла шва
6. Журналрезультаты — в журнал контроля сварочных материалов

Проверяет организация, которая будет варить этой партией, — до применения.

Хранение и прокалка

Сварочные материалы хранят по партиям, а проволоку и ленту — по плавкам, так, чтобы они не загрязнились, не заржавели и не повредились. Порядок учёта, хранения и выдачи устанавливает само предприятие, но у каждой упаковки должны быть видны марка, партия и статус: проверена, на проверке или забракована.

Электроды и флюсы после поставки держат в кладовой при температуре не ниже 15 °C и относительной влажности воздуха не выше 50 %: электроды — в упаковке изготовителя, флюсы — в закрытых мешках из водонепроницаемой ткани или плёнки. Срок годности электродов ГОСТ 9466-75 не ограничивает, если соблюдены условия хранения, а набранную покрытием влагу снимает прокалка.

Влага опасна водородом. В дуге вода разлагается, водород растворяется в ванне и при остывании частью выходит пузырями — порами, а частью уходит в зону термического влияния, где в закалённом металле под остаточными напряжениями вызывает холодные трещины, иногда через часы и сутки после сварки. Против них работают подогрев, о котором рассказано в статье 18, и сухие материалы. Для некоторых марок электродов и флюсов нормы проверяют прокалку прямо по водороду: в наплавленном металле его должно быть не больше 2,5 см³ на 100 г при ручной сварке и 3,0 см³ — под флюсом.

Режим прокалки берут из документа на конкретную марку, а если там его нет — из таблицы в НП-104-18; ориентиры из неё — ниже. Разброс большой, и одна температура на все случаи — ошибка: недогретое покрытие остаётся влажным, а перегретое теряет прочность и часть компонентов.

Флюс прокаливают в электропечах на противнях из жаростойкой стали, а температуру контролируют термопарой в самом слое флюса, на половине его высоты. Число прокалок ограничено: электроды — не больше трёх раз, флюсы ОФ-6, ОФ-10 и ОФ-40 — не больше пяти, не считая прокалки при изготовлении. Дату и режим каждой прокалки записывают в журнал, и по нему видно, можно ли прокалить партию ещё раз.

От печи до сварщика

Прокалённые электроды и флюсы хранят в герметичной таре или в сушильных шкафах при температуре около 80 °C, и тогда срок их хранения не ограничен. Если же они лежат в обычной кладовой, без проверки влажности и повторной прокалки их применяют ограниченное время: электроды с основным покрытием для перлитных и высокохромистых сталей — до 5 суток, остальные электроды и другие флюсы — до 15 суток, а флюсы ОФ-6, ОФ-10 и ОФ-40 — до 3 суток. Для порошковой проволоки и ленты сроки те же, что для электродов.

Сколько прокалённые материалы могут лежать в кладовой без проверки влаги

• до 5 сутокэлектроды с основным покрытием
• до 15 сутокостальные электроды
• до 3 сутокфлюсы ОФ-6, ОФ-10 и ОФ-40
• до 15 сутокдругие флюсы

Электроды с основным покрытием — для перлитных и высокохромистых сталей. В сушильном шкафу при температуре около 80 °C срок не ограничен.

На участок прокалённые материалы несут в закрытой таре. Электроды выдают сварщику небольшими порциями — на ближайшие часы работы, — а у рабочего места держат в термопенале, переносном подогреваемом контейнере. Остаток возвращают и учитывают; пролежавшие вне тары дольше допустимого снова прокаливают, и такая прокалка идёт в счёт трёх разрешённых.

Перед сваркой проверяют маркировку материалов, документы о результатах их контроля, влажность флюса и покрытия электродов или соблюдение сроков после прокалки, состояние поверхности проволоки.

Проволока, газы и вольфрам

Проволоку и ленту берегут от ржавчины, масла и грязи — это те же источники водорода и пор. По ГОСТ 2246-70 поверхность проволоки должна быть чистой, без окалины, ржавчины, масла и других загрязнений, а высоколегированную поставляют травленой или светлой, без следов смазки.

Нержавеющую проволоку хранят отдельно от углеродистой: на вид их легко спутать. Поэтому марку легированной проволоки многие предприятия подтверждают анализом на каждой бухте — о переносных спектрометрах рассказано в статье «Металлография и химический анализ».

Защитный газ принимают по сертификату или этикетке баллона с маркой и сортом. Для аргона ГОСТ 10157-2016 устанавливает два сорта: в высшем аргона не меньше 99,993 %, а водяных паров не больше 0,0009 %, что соответствует точке росы не выше −61 °C; в первом — не меньше 99,987 % аргона. Влага в газе — тот же водород, а примеси кислорода и азота ослабляют защиту, поэтому сорт газа задаёт технология. Аргон тяжелее воздуха и скапливается в приямках и внутри сосудов, поэтому при сварке в замкнутых объёмах нужны вентиляция и контроль кислорода в воздухе.

Аргон по ГОСТ 10157-2016

• ≥ 99,993 %аргона в газе высшего сорта
• ≤ 0,0009 %водяных паров в высшем сорте
• ≤ −61 °Cточка росы аргона высшего сорта
• ≥ 99,987 %аргона в первом сорте

Вольфрамовые электроды по ГОСТ 23949-80 делают из чистого вольфрама (марка ЭВЧ) и с активирующими добавками — оксидов лантана (ЭВЛ), иттрия (ЭВИ-1, ЭВИ-2, ЭВИ-3) или диоксида тория (ЭВТ-15). Добавки облегчают зажигание дуги и делают её устойчивее. Торий слабо радиоактивен, поэтому пыль от заточки таких электродов улавливают, а сами их нередко заменяют лантанированными. Если конец электрода коснулся ванны, его перетачивают.

Типичные ошибки и документы

Многие ошибки возникают не при выборе марки, а по пути со склада к шву.

• Смешанные партии. Электроды двух партий в одном пенале, бухта без бирки, флюс разных партий в одном бункере. Если партию забракуют, уже не найти, какие швы ею сварены.
• Непрокалённые электроды. Пачку пустили в работу, потому что она новая и на вид сухая, — а влага в покрытии даёт поры и риск холодных трещин.
• Перекалённые электроды. Четвёртая прокалка или прокалка не по режиму марки: покрытие осыпается, его компоненты выгорают, шов получает не тот состав.
• Не та проволока. На нержавеющей стали — углеродистая или нестабилизированная проволока вместо стабилизированной ниобием: шов теряет коррозионную стойкость, а внешне разницы не видно.
• Сырой флюс. Флюс, простоявший в открытом бункере дольше допустимого или смешанный со шлаковой коркой и пылью, — источник пор и водорода.
• Газ не из того баллона. Баллон без этикетки, газ другого сорта, смесь не того состава или подсос воздуха через негерметичный шланг: корень нержавеющего шва окисляется.

Документы по сварочным материалам — сертификаты изготовителей, журнал контроля с протоколами испытаний контрольных швов и наплавок, журнал прокалки, учёт выдачи и возврата. В сварочной документации для каждого шва записывают марки и партии материалов, и по номеру шва даже через годы можно дойти до сертификата и протокола.

Заказчику не нужно выбирать марку электрода — это работа технолога. В конструкторской документации и технических условиях задают категории сварных соединений и дополнительные требования к металлу шва, а заказчик на приёмке и при аудите изготовителя просит показать журналы контроля и прокалки. Если в журнале прокалки пусто, а в журнале сварки не записаны партии, шов формально есть, а его истории — нет.

Термины

• Сварочные материалыЭлектроды, проволока, лента, флюсы, защитные газы и другие материалы, которые образуют металл шва или защищают его при сварке.
• Покрытый электродМеталлический стержень с покрытием, которое при сварке даёт газ и шлак, раскисляет и легирует металл шва.
• ФлюсГранулированный материал, который при сварке и наплавке под флюсом и при электрошлаковой сварке защищает металл и образует шлак.
• Партия сварочных материаловКоличество материала, которое принимают и проверяют как одно целое по одному документу; что считать партией, задаёт стандарт на материал.
• Контрольный шовШов, сваренный материалами проверяемой партии на производственных режимах, из которого вырезают образцы для испытаний металла шва.
• ПрокалкаВыдержка электродов или флюса в печи при заданной температуре перед применением, чтобы удалить из них влагу.
• ТермопеналПереносной подогреваемый контейнер, в котором прокалённые электроды хранят у рабочего места сварщика.
• Сводный переченьПеречень документов по стандартизации в области использования атомной энергии, применяемых на обязательной основе.

Частые вопросы

Зачем прокаливают сварочные электроды?

Покрытие впитывает влагу из воздуха, а в дуге вода разлагается и даёт водород, который вызывает поры и холодные трещины. Прокалка по режиму, указанному для марки, удаляет влагу; по НП-104-18 электроды прокаливают не больше трёх раз.

Как хранят электроды и флюсы на предприятии?

По партиям, в кладовой при температуре не ниже 15 °C и влажности воздуха не выше 50 %: электроды — в упаковке изготовителя, флюсы — в закрытых мешках. Прокалённые материалы держат в сушильных шкафах при температуре около 80 °C или в герметичной таре.

Что проверяют у партии сварочных материалов перед применением?

Сертификат и маркировку, упаковку и состояние материала, а затем металл контрольного шва или наплавки: химический состав и механические свойства, а если этого требуют чертёж или стандарт на материал — ударную вязкость, содержание феррита и стойкость к межкристаллитной коррозии.

Какой аргон нужен для сварки?

Сорт газа задаёт технология сварки. По ГОСТ 10157-2016 в аргоне высшего сорта не меньше 99,993 % аргона и не больше 0,0009 % водяных паров, в первом сорте — не меньше 99,987 % аргона.

Можно ли варить оборудование АЭС материалом, которого нет в нормах?

Только после аттестационных испытаний этого материала и включения документа на него в Сводный перечень документов по стандартизации. До этого для сварки и наплавки такого оборудования его не применяют.