Spawanie stali nierdzewnej wymaga doboru gazu osłonowego w celu zachowania jej składu metalurgicznego oraz związanych z nim właściwości fizycznych i mechanicznych. Typowymi gazami osłonowymi dla stali nierdzewnej są argon, hel, tlen, dwutlenek węgla, azot i wodór (patrz rysunek 1). Gazy te są łączone w różnych proporcjach, aby spełnić wymagania różnych sposobów spawania, typów drutu, stopów bazowych, pożądanego profilu ściegu i prędkości spawania.
Ze względu na słabą przewodność cieplną stali nierdzewnej i stosunkowo „zimną” naturę spawania łukowego elektrodą metalową z przenoszeniem gazu zwarciowego (GMAW), proces wymaga gazu „tri-mix” składającego się z 85% do 90% helu (He), do 10% argonu (Ar) i 2% do 5% dwutlenku węgla (CO2). Popularna mieszanka tri-blend zawiera 90% He, 7-1/2% Ar i 2-1/2% CO2. Wysoki potencjał jonizacji helu sprzyja łukowi elektrycznemu po zwarciu; w połączeniu z jego wysoką przewodnością cieplną, zastosowanie He zwiększa płynność jeziorka stopionego materiału. Składnik Ar w Trimix zapewnia ogólną osłonę jeziorka spawalniczego, podczas gdy CO2 działa jako składnik reaktywny, stabilizując łuk (patrz rysunek 2, aby zobaczyć, jak różne gazy osłonowe wpływają na profil ściegu spoiny).
Niektóre mieszanki trójskładnikowe mogą wykorzystywać tlen jako stabilizator, podczas gdy inne, aby uzyskać ten sam efekt, stosują mieszankę He/CO2/N2. Niektórzy dystrybutorzy gazu mają opatentowane mieszanki gazów, które zapewniają obiecane korzyści. Dealerzy zalecają również stosowanie tych mieszanek w innych trybach transmisji, aby uzyskać ten sam efekt.
Największym błędem popełnianym przez producentów jest próba zwarcia stali nierdzewnej GMAW tą samą mieszanką gazów (75 Ar/25 CO2) co stali miękkiej, zwykle dlatego, że nie chcą mieć dodatkowej butli. Taka mieszanka zawiera zbyt dużo węgla. W rzeczywistości każdy gaz osłonowy używany do drutu litego powinien zawierać maksymalnie 5% dwutlenku węgla. Użycie większych ilości powoduje, że stop nie jest już uważany za stop klasy L (stop klasy L ma zawartość węgla poniżej 0,03%). Nadmierna zawartość węgla w gazie osłonowym może powodować tworzenie się węglików chromu, które zmniejszają odporność na korozję i właściwości mechaniczne. Na powierzchni spoiny może również pojawić się sadza.
Jako ciekawostkę dodam, że wybierając metale do spawania metodą GMAW w przypadku stopów bazowych serii 300 (308, 309, 316, 347), producenci powinni wybrać gatunek LSi. Spoiwa LSi charakteryzują się niską zawartością węgla (0,02%) i dlatego są szczególnie zalecane, gdy istnieje ryzyko korozji międzykrystalicznej. Wyższa zawartość krzemu poprawia właściwości spoiny, takie jak zwilżalność, co pomaga spłaszczyć wierzchołek spoiny i sprzyja stopieniu się jej brzegu.
Producenci powinni zachować ostrożność podczas stosowania procesów zwarciowego spawania. Z powodu gaszenia łuku elektrycznego może dojść do niepełnego stopienia, co sprawia, że ​​proces nie nadaje się do zastosowań krytycznych. W przypadku dużych objętości, jeśli materiał może wytrzymać dawkę wprowadzanego ciepła (≥ 1/16 cala to w przybliżeniu najcieńszy materiał spawany w trybie natryskiwania pulsacyjnego), lepszym wyborem będzie spawanie natryskowe z zastosowaniem natryskiwania pulsacyjnego. Jeśli grubość materiału i miejsce spawania na to pozwalają, preferowane jest spawanie natryskowe metodą GMAW, ponieważ zapewnia ono bardziej spójne stopienie.
Te tryby wysokiego przenoszenia ciepła nie wymagają osłony gazowej He. W przypadku spawania natryskowego stopów serii 300, powszechnym wyborem jest 98% Ar i 2% pierwiastków reaktywnych, takich jak CO2 lub O2. Niektóre mieszanki gazowe mogą również zawierać niewielkie ilości N2. N2 ma wyższy potencjał jonizacji i przewodność cieplną, co sprzyja zwilżaniu i umożliwia szybsze przemieszczanie lub lepszą przepuszczalność; zmniejsza również odkształcenia.
W przypadku spawania natryskowego GMAW z impulsem, 100% Ar może być akceptowalnym wyborem. Ponieważ prąd impulsowy stabilizuje łuk, gaz nie zawsze wymaga aktywnych elementów.
Jeziorko stopu jest wolniejsze w przypadku ferrytycznych stali nierdzewnych i stali dupleksowych (stosunek ferrytu do austenitu 50/50). W przypadku tych stopów mieszanka gazowa, np. ~70% Ar/~30% He/2% CO2, zapewni lepsze zwilżanie i zwiększy prędkość spawania (patrz rysunek 3). Podobne mieszanki można stosować do spawania stopów niklu, ale spoina będzie się wiązać z tworzeniem tlenków niklu na powierzchni spoiny (np. dodanie 2% CO2 lub O2 wystarczy, aby zwiększyć zawartość tlenków, dlatego producenci powinni ich unikać lub być przygotowani na poświęcenie im dużo czasu). Materiały te są ścierne, ponieważ tlenki te są tak twarde, że szczotka druciana zazwyczaj nie jest w stanie ich usunąć).
Producenci używają drutów rdzeniowy ze stali nierdzewnej do spawania poza miejscem spawania, ponieważ układ żużla w tych drutach tworzy „półkę”, która podtrzymuje jeziorko spawalnicze podczas jego krzepnięcia. Ponieważ skład topnika łagodzi wpływ CO2, drut rdzeniowy ze stali nierdzewnej jest przeznaczony do stosowania z mieszankami gazowymi 75% Ar/25% CO2 i/lub 100% CO2. Chociaż drut rdzeniowy może kosztować więcej za funt, warto zauważyć, że wyższe prędkości spawania we wszystkich pozycjach i wskaźniki stapiania mogą zmniejszyć ogólne koszty spawania. Ponadto drut rdzeniowy wykorzystuje konwencjonalne stałe napięcie wyjściowe DC, dzięki czemu podstawowy system spawalniczy jest tańszy i mniej skomplikowany niż systemy GMAW z impulsami.
W przypadku stopów serii 300 i 400, 100% Ar pozostaje standardowym wyborem w przypadku spawania łukiem wolframowym w osłonie gazu obojętnego (GTAW). Podczas spawania metodą GTAW niektórych stopów niklu, szczególnie w procesach zmechanizowanych, można dodać niewielkie ilości wodoru (do 5%) w celu zwiększenia prędkości spawania (należy pamiętać, że w przeciwieństwie do stali węglowych stopy niklu nie są podatne na pękanie wodorowe).
Do spawania stali nierdzewnych superduplex i superduplex dobrym wyborem są odpowiednio mieszanki 98% Ar/2% N2 i 98% Ar/3% N2. Można również dodać hel, aby poprawić zwilżalność o około 30%. Podczas spawania stali nierdzewnych superduplex i superduplex celem jest uzyskanie złącza o zrównoważonej mikrostrukturze, składającej się w przybliżeniu w 50% z ferrytu i w 50% z austenitu. Ponieważ kształtowanie się mikrostruktury zależy od szybkości chłodzenia, a jeziorko spawalnicze TIG stygnie szybko, nadmiar ferrytu pozostaje przy stosowaniu 100% Ar. Gdy używana jest mieszanka gazowa zawierająca N2, N2 miesza się ze jeziorkiem stopionego materiału i sprzyja tworzeniu się austenitu.
Aby uzyskać spaw o maksymalnej odporności na korozję, stal nierdzewna musi chronić obie strony złącza. Brak ochrony tylnej strony może skutkować „sacharfikacją”, czyli nadmiernym utlenianiem, które może spowodować uszkodzenie lutu.
Ściśle przylegające złącza doczołowe o niezmiennie doskonałym dopasowaniu lub szczelnym zamknięciu z tyłu złącza mogą nie wymagać gazu podporowego. W tym przypadku głównym problemem jest zapobieganie nadmiernemu przebarwieniu strefy wpływu ciepła z powodu nagromadzenia się tlenku, który następnie wymaga mechanicznego usunięcia. Technicznie rzecz biorąc, jeśli temperatura tylnej strony przekracza 500 stopni Fahrenheita, wymagany jest gaz osłonowy. Jednak bardziej konserwatywnym podejściem jest przyjęcie temperatury 300 stopni Fahrenheita jako progu. W idealnym przypadku podkład powinien mieć poniżej 30 PPM O2. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy tylna strona spoiny będzie wyżłobiona, oszlifowana i spawana w celu uzyskania spoiny z pełną penetracją.
Dwoma gazami pomocniczymi z wyboru są N2 (najtańszy) i Ar (droższy). W przypadku małych zespołów lub gdy źródła Ar są łatwo dostępne, użycie tego gazu może być wygodniejsze i nieopłacalne ze względu na oszczędność na N2. Aby zmniejszyć utlenianie, można dodać do 5% wodoru. Dostępnych jest wiele komercyjnych rozwiązań, ale powszechnie stosuje się domowe materiały pomocnicze i zapory oczyszczające.
Dodatek 10,5% lub więcej chromu nadaje stali nierdzewnej jej właściwości nierdzewne. Utrzymanie tych właściwości wymaga dobrej techniki doboru właściwego gazu osłonowego do spawania i ochrony tylnej strony złącza. Stal nierdzewna jest droga i istnieją dobre powody, aby jej używać. Nie ma sensu iść na łatwiznę, jeśli chodzi o gaz osłonowy lub dobór spoiwa. Dlatego zawsze warto współpracować z doświadczonym dystrybutorem gazu i specjalistą od spoiw przy wyborze gazu i spoiwa do spawania stali nierdzewnej.
Bądź na bieżąco z najnowszymi wiadomościami, wydarzeniami i technologiami dotyczącymi wszystkich metali dzięki naszym dwóm miesięcznym newsletterom pisanym wyłącznie dla kanadyjskich producentów!
Teraz, dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego Canadian Metalworking, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.
Teraz dzięki pełnemu dostępowi do wydania cyfrowego czasopisma Made in Canada and Welding masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.