Сварка нержавеющей стали требует выбора защитного газа для сохранения ее металлургического состава и связанных с ним физико-механических свойств. Обычные элементы защитного газа для нержавеющей стали включают аргон, гелий, кислород, углекислый газ, азот и водород (см. рисунок 1). Эти газы смешиваются в различных соотношениях для соответствия потребностям различных режимов подачи, типов проволоки, основных сплавов, желаемого профиля шва и скорости перемещения.
Из-за плохой теплопроводности нержавеющей стали и относительно «холодной» природы дуговой сварки металлическим электродом с коротким замыканием (GMAW) для этого процесса требуется «трехкомпонентный» газ, состоящий из 85–90 % гелия (He), до 10 % аргона (Ar) и 2–5 % углекислого газа (CO2). Обычная трехкомпонентная смесь содержит 90 % He, 7–1/2 % Ar и 2–1/2 % CO2. Высокий ионизационный потенциал гелия способствует образованию дуги после короткого замыкания; в сочетании с его высокой теплопроводностью использование He увеличивает текучесть расплавленной ванны. Компонент Ar в составе Trimix обеспечивает общую защиту сварочной ванны, в то время как CO2 действует как реактивный компонент для стабилизации дуги (см. рисунок 2, как различные защитные газы влияют на профиль сварного шва).
В некоторых тройных смесях в качестве стабилизатора может использоваться кислород, в то время как в других для достижения того же эффекта используется смесь He/CO2/N2. У некоторых дистрибьюторов газа есть фирменные газовые смеси, которые обеспечивают обещанные преимущества. Дилеры также рекомендуют эти смеси для других режимов трансмиссии с тем же эффектом.
Самая большая ошибка, которую допускают производители, — это попытка закоротить нержавеющую сталь GMAW той же газовой смесью (75 Ar/25 CO2), что и мягкую сталь, обычно потому, что они не хотят иметь дело с дополнительным цилиндром. Эта смесь содержит слишком много углерода. Фактически, любой защитный газ, используемый для сплошной проволоки, должен содержать максимум 5% углекислого газа. Использование большего количества приводит к тому, что металлургия больше не считается сплавом марки L (марка L имеет содержание углерода менее 0,03%). Избыточное количество углерода в защитном газе может образовывать карбиды хрома, которые снижают коррозионную стойкость и механические свойства. Сажа также может появляться на поверхности сварного шва.
В качестве примечания: при выборе металлов для сварки GMAW на основе сплавов серии 300 (308, 309, 316, 347) производителям следует выбирать марку LSi. Присадочные материалы LSi имеют низкое содержание углерода (0,02%) и поэтому особенно рекомендуются в случаях, когда существует риск межкристаллитной коррозии. Более высокое содержание кремния улучшает свойства сварного шва, такие как смачивание, помогая сгладить вершину шва и способствуя сплавлению в области кромки.
Производители должны проявлять осторожность при использовании процессов переноса с коротким замыканием. Из-за гашения дуги может возникнуть неполное сплавление, что делает процесс неподходящим для критически важных применений. В ситуациях с большими объемами, если материал может выдерживать подводимое тепло (≥ ​​1/16 дюйма — это примерно самый тонкий материал, свариваемый в режиме импульсного распыления), перенос импульсным распылением будет лучшим выбором. Если толщина материала и расположение шва позволяют это, предпочтительным является перенос струйным методом GMAW, поскольку он обеспечивает более равномерное сплавление.
Эти режимы высокой теплопередачи не требуют использования защитного газа He. Для струйной сварки сплавов серии 300 обычным выбором является смесь с 98% Ar и 2% реактивных элементов, таких как CO2 или O2. Некоторые газовые смеси могут также содержать небольшое количество N2. N2 имеет более высокий потенциал ионизации и теплопроводность, что способствует смачиванию и обеспечивает более быстрое перемещение или повышенную проницаемость; он также уменьшает деформацию.
Для импульсной струйной сварки GMAW приемлемым выбором может быть 100% Ar. Поскольку импульсный ток стабилизирует дугу, газ не всегда требует активных элементов.
Расплавленная ванна медленнее для ферритных нержавеющих сталей и дуплексных нержавеющих сталей (соотношение феррита к аустениту 50/50). Для этих сплавов газовая смесь, такая как ~70% Ar/~30% He/2% CO2, будет способствовать лучшему смачиванию и увеличению скорости перемещения (см. Рисунок 3). Аналогичные смеси можно использовать для сварки никелевых сплавов, но они приведут к образованию оксидов никеля на поверхности сварного шва (например, добавления 2% CO2 или O2 достаточно для увеличения содержания оксида, поэтому производители должны избегать их или быть готовыми потратить на них много времени). Абразивные, потому что эти оксиды настолько твердые, что проволочная щетка обычно их не удаляет).
Производители используют проволоку из нержавеющей стали с флюсовым сердечником для сварки вне рабочего места, поскольку шлаковая система в этих проволоках обеспечивает «полку», которая поддерживает сварочную ванну по мере ее затвердевания. Поскольку состав флюса смягчает воздействие CO2, проволока из нержавеющей стали с флюсовым сердечником предназначена для использования с газовыми смесями 75% Ar/25% CO2 и/или 100% CO2. Хотя проволока с флюсовым сердечником может стоить дороже за фунт, стоит отметить, что более высокие скорости сварки во всех положениях и производительности наплавки могут снизить общие затраты на сварку. Кроме того, проволока с флюсовым сердечником использует обычный выход постоянного напряжения, что делает базовую систему сварки менее дорогостоящей и менее сложной, чем системы импульсной GMAW.
Для сплавов серий 300 и 400 100% Ar остается стандартным выбором для газовой дуговой сварки вольфрамовым электродом (GTAW). Во время сварки GTAW некоторых никелевых сплавов, особенно при механизированных процессах, для увеличения скорости сварки можно добавлять небольшое количество водорода (до 5%) (обратите внимание, что в отличие от углеродистых сталей никелевые сплавы не склонны к водородному растрескиванию).
Для сварки супердуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей хорошим выбором являются 98% Ar/2% N2 и 98% Ar/3% N2 соответственно. Также можно добавлять гелий для улучшения смачиваемости примерно на 30%. При сварке супердуплексных или супердуплексных нержавеющих сталей целью является получение соединения со сбалансированной микроструктурой примерно из 50% феррита и 50% аустенита. Поскольку формирование микроструктуры зависит от скорости охлаждения, а сварочная ванна TIG быстро охлаждается, при использовании 100% Ar остается избыточный феррит. При использовании газовой смеси, содержащей N2, N2 перемешивается с расплавленной ванной и способствует образованию аустенита.
Нержавеющая сталь должна защищать обе стороны соединения, чтобы обеспечить максимальную коррозионную стойкость готового сварного шва. Отсутствие защиты обратной стороны может привести к «осахариванию» или обширному окислению, что может привести к разрушению пайки.
Плотно прилегающие стыковые соединения с неизменно превосходной посадкой или плотным удержанием в задней части фитинга могут не требовать использования поддерживающего газа. Здесь основной проблемой является предотвращение чрезмерного изменения цвета зоны термического воздействия из-за накопления оксидов, которое затем требует механического удаления. Технически, если температура задней стороны превышает 500 градусов по Фаренгейту, требуется защитный газ. Однако более консервативный подход заключается в использовании 300 градусов по Фаренгейту в качестве порогового значения. В идеале подложка должна иметь содержание O2 ниже 30 частей на миллион. Исключением является случай, когда задняя часть сварного шва будет выдолблена, отшлифована и сварена для достижения полного провара.
Два основных газа, которые можно выбрать, — это N2 (самый дешевый) и Ar (более дорогой). Для небольших сборок или при наличии легкодоступных источников Ar может быть удобнее использовать этот газ, и экономия N2 не окупится. Для снижения окисления можно добавить до 5% водорода. Доступны различные коммерческие варианты, но распространены самодельные опоры и очистные плотины.
Добавление 10,5% или более хрома придает нержавеющей стали ее нержавеющие свойства. Поддержание этих свойств требует хорошей техники при выборе правильного защитного газа для сварки и защиты обратной стороны соединения. Нержавеющая сталь стоит дорого, и есть веские причины использовать ее. Нет смысла пытаться сэкономить, когда дело касается защитного газа или выбора присадочных металлов для нее. Поэтому всегда имеет смысл работать со знающим дистрибьютором газа и специалистом по присадочным металлам при выборе газа и присадочного металла для сварки нержавеющей стали.
Будьте в курсе последних новостей, событий и технологий в сфере всех металлов из наших двух ежемесячных информационных бюллетеней, написанных специально для канадских производителей!
Теперь с полным доступом к цифровому изданию журнала Canadian Metalworking вы получите легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Теперь с полным доступом к цифровому изданию Made in Canada и Welding вы получите легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.