การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมจำเป็นต้องเลือกก๊าซปกคลุมที่เหมาะสมเพื่อรักษาส่วนประกอบทางโลหะวิทยาและคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลที่เกี่ยวข้อง องค์ประกอบของก๊าซปกคลุมที่ใช้กันทั่วไปสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม ได้แก่ อาร์กอน ฮีเลียม ออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน และไฮโดรเจน (ดูรูปที่ 1) ก๊าซเหล่านี้จะถูกผสมในอัตราส่วนต่างๆ เพื่อให้เหมาะสมกับความต้องการของโหมดการส่งลวด ชนิดของลวด โลหะผสมพื้นฐาน รูปทรงของแนวเชื่อมที่ต้องการ และความเร็วในการเคลื่อนที่
เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมมีค่าการนำความร้อนต่ำ และการเชื่อมโลหะด้วยแก๊สแบบลัดวงจร (GMAW) มีลักษณะ "เย็น" กระบวนการนี้จึงต้องใช้แก๊สผสมสามชนิด (tri-mix) ซึ่งประกอบด้วยฮีเลียม (He) 85% ถึง 90% อาร์กอน (Ar) ไม่เกิน 10% และคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 2% ถึง 5% ส่วนผสมของแก๊สผสมสามชนิดที่ใช้กันทั่วไปจะมีฮีเลียม 90% อาร์กอน 7.5% และคาร์บอนไดออกไซด์ 2.5% ศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนสูงของฮีเลียมช่วยส่งเสริมการเกิดประกายไฟหลังจากการลัดวงจร เมื่อรวมกับค่าการนำความร้อนสูง การใช้ฮีเลียมจะช่วยเพิ่มความลื่นไหลของบ่อหลอม ส่วนประกอบของอาร์กอนในส่วนผสมของแก๊สผสมสามชนิดจะทำหน้าที่ปกป้องบ่อหลอมโดยทั่วไป ในขณะที่คาร์บอนไดออกไซด์ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาเพื่อทำให้ประกายไฟมีเสถียรภาพ (ดูรูปที่ 2 สำหรับวิธีที่แก๊สปกป้องชนิดต่างๆ ส่งผลต่อรูปทรงของรอยเชื่อม)
ก๊าซผสมสามองค์ประกอบบางชนิดอาจใช้ออกซิเจนเป็นสารทำให้คงตัว ในขณะที่บางชนิดใช้ส่วนผสมของฮีเลียม/คาร์บอนไดออกไซด์/ไนโตรเจนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เดียวกัน ผู้จัดจำหน่ายก๊าซบางรายมีส่วนผสมของก๊าซสูตรเฉพาะของตนเองซึ่งให้ประโยชน์ตามที่กล่าวอ้าง ตัวแทนจำหน่ายยังแนะนำส่วนผสมเหล่านี้สำหรับโหมดการส่งกำลังอื่นๆ ที่ให้ผลลัพธ์เดียวกันด้วย
ข้อผิดพลาดที่ใหญ่ที่สุดของผู้ผลิตคือการพยายามใช้ส่วนผสมของก๊าซเดียวกัน (75% อาร์กอน/25% คาร์บอนไดออกไซด์) กับเหล็กกล้าไร้สนิมในการเชื่อม GMAW เหมือนกับเหล็กกล้าอ่อน โดยส่วนใหญ่เป็นเพราะพวกเขาไม่ต้องการจัดการถังก๊าซเพิ่มเติม ส่วนผสมนี้มีคาร์บอนมากเกินไป อันที่จริง ก๊าซปกคลุมที่ใช้สำหรับลวดเชื่อมแข็งควรมีคาร์บอนไดออกไซด์ไม่เกิน 5% การใช้ปริมาณที่มากกว่านี้จะทำให้ได้โลหะวิทยาที่ไม่ถือว่าเป็นโลหะผสมเกรด L อีกต่อไป (เกรด L มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.03%) คาร์บอนที่มากเกินไปในก๊าซปกคลุมสามารถก่อให้เกิดโครเมียมคาร์ไบด์ ซึ่งลดความต้านทานการกัดกร่อนและคุณสมบัติทางกล นอกจากนี้ยังอาจเกิดเขม่าบนพื้นผิวรอยเชื่อมได้
หมายเหตุเพิ่มเติม เมื่อเลือกโลหะสำหรับการเชื่อม GMAW แบบสั้นสำหรับโลหะผสมพื้นฐานซีรีส์ 300 (308, 309, 316, 347) ผู้ผลิตควรเลือกเกรด LSi ลวดเชื่อม LSi มีปริมาณคาร์บอนต่ำ (0.02%) ดังนั้นจึงแนะนำเป็นพิเศษเมื่อมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน ปริมาณซิลิคอนที่สูงขึ้นช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของการเชื่อม เช่น การเปียก ช่วยให้รอยเชื่อมเรียบขึ้นและส่งเสริมการหลอมรวมที่ปลายรอยเชื่อม
ผู้ผลิตควรใช้ความระมัดระวังเมื่อใช้กระบวนการถ่ายโอนแบบลัดวงจร การหลอมรวมที่ไม่สมบูรณ์อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการดับของอาร์ค ทำให้กระบวนการนี้ด้อยคุณภาพสำหรับการใช้งานที่สำคัญ ในกรณีปริมาณมาก หากวัสดุสามารถรองรับความร้อนได้ (≥ 1/16 นิ้ว เป็นวัสดุที่บางที่สุดที่เชื่อมโดยใช้โหมดพัลส์สเปรย์) การถ่ายโอนแบบพัลส์สเปรย์จะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่า ในกรณีที่ความหนาของวัสดุและตำแหน่งการเชื่อมเอื้ออำนวย การเชื่อม GMAW แบบสเปรย์สเปรย์เป็นที่นิยมมากกว่า เนื่องจากให้การหลอมรวมที่สม่ำเสมอกว่า
โหมดการถ่ายเทความร้อนสูงเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซฮีเลียมเป็นก๊าซปกคลุม สำหรับการเชื่อมแบบสเปรย์ถ่ายโอนของโลหะผสมซีรีส์ 300 ตัวเลือกทั่วไปคือ อาร์กอน 98% และธาตุที่ทำปฏิกิริยาได้ 2% เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือออกซิเจน ก๊าซผสมบางชนิดอาจมีไนโตรเจนในปริมาณเล็กน้อย ไนโตรเจนมีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนและการนำความร้อนสูงกว่า ซึ่งช่วยส่งเสริมการเปียกและทำให้การเคลื่อนที่เร็วขึ้นหรือมีการซึมผ่านที่ดีขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดการบิดเบี้ยวอีกด้วย
สำหรับการเชื่อม GMAW แบบพ่นเป็นจังหวะ (pulsed spray transfer GMAW) ก๊าซอาร์กอน 100% อาจเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม เนื่องจากกระแสไฟฟ้าแบบพัลส์ช่วยทำให้การอาร์คมีเสถียรภาพ ก๊าซจึงไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์เสมอไป
การหลอมเหลวจะช้าลงสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกและเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ (อัตราส่วนเฟอร์ไรต์ต่อออสเทนไนต์ 50/50) สำหรับโลหะผสมเหล่านี้ ส่วนผสมของก๊าซ เช่น ~70% Ar/~30% He/2% CO2 จะช่วยให้การเปียกตัวดีขึ้นและเพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่ (ดูรูปที่ 3) ส่วนผสมที่คล้ายกันนี้สามารถใช้ในการเชื่อมโลหะผสมนิกเกลได้ แต่จะทำให้เกิดออกไซด์ของนิกเกลบนพื้นผิวรอยเชื่อม (เช่น การเติม CO2 หรือ O2 2% ก็เพียงพอที่จะเพิ่มปริมาณออกไซด์ ดังนั้นผู้ผลิตควรหลีกเลี่ยงหรือเตรียมพร้อมที่จะใช้เวลานานในการแก้ไขปัญหา) ออกไซด์เหล่านี้แข็งมากจนแปรงลวดมักจะไม่สามารถขจัดออกได้
ผู้ผลิตใช้ลวดเชื่อมสแตนเลสแบบมีไส้ฟลักซ์สำหรับการเชื่อมแบบนอกสถานที่ เนื่องจากระบบสแลกในลวดเหล่านี้ทำหน้าที่เป็น "ฐานรอง" ที่ช่วยพยุงบ่อหลอมโลหะขณะที่แข็งตัว เนื่องจากองค์ประกอบของฟลักซ์ช่วยลดผลกระทบของ CO2 ลวดเชื่อมสแตนเลสแบบมีไส้ฟลักซ์จึงได้รับการออกแบบให้ใช้กับส่วนผสมของก๊าซ 75% Ar/25% CO2 และ/หรือ 100% CO2 แม้ว่าลวดเชื่อมแบบมีไส้ฟลักซ์อาจมีราคาสูงกว่าต่อปอนด์ แต่ก็ควรทราบว่าความเร็วในการเชื่อมทุกตำแหน่งและอัตราการสะสมโลหะที่สูงขึ้นอาจช่วยลดต้นทุนการเชื่อมโดยรวมได้ นอกจากนี้ ลวดเชื่อมแบบมีไส้ฟลักซ์ยังใช้เอาต์พุต DC แรงดันคงที่แบบดั้งเดิม ทำให้ระบบการเชื่อมพื้นฐานมีต้นทุนต่ำกว่าและซับซ้อนน้อยกว่าระบบ GMAW แบบพัลส์
สำหรับโลหะผสมซีรีส์ 300 และ 400 นั้น อาร์กอน 100% ยังคงเป็นตัวเลือกมาตรฐานสำหรับการเชื่อมด้วยแก๊สทังสเตนอาร์ค (GTAW) ในระหว่างการเชื่อม GTAW ของโลหะผสมนิกเกลบางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการแบบใช้เครื่องจักร อาจมีการเติมไฮโดรเจนในปริมาณเล็กน้อย (ไม่เกิน 5%) เพื่อเพิ่มความเร็วในการเคลื่อนที่ (โปรดทราบว่า โลหะผสมนิกเกลไม่ไวต่อการแตกร้าวจากไฮโดรเจน ต่างจากเหล็กกล้าคาร์บอน)
สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าซูเปอร์ดูเพล็กซ์และเหล็กกล้าไร้สนิมซูเปอร์ดูเพล็กซ์นั้น ส่วนผสมของก๊าซ 98% Ar/2% N2 และ 98% Ar/3% N2 เป็นตัวเลือกที่ดีตามลำดับ นอกจากนี้ยังสามารถเติมฮีเลียมเพื่อเพิ่มความสามารถในการเปียกได้ประมาณ 30% เมื่อเชื่อมเหล็กกล้าซูเปอร์ดูเพล็กซ์หรือเหล็กกล้าไร้สนิมซูเปอร์ดูเพล็กซ์ เป้าหมายคือการสร้างรอยเชื่อมที่มีโครงสร้างจุลภาคที่สมดุลโดยมีเฟอร์ไรต์ประมาณ 50% และออสเทนไนต์ 50% เนื่องจากการก่อตัวของโครงสร้างจุลภาคขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว และเนื่องจากบ่อหลอมเหลวของการเชื่อม TIG เย็นตัวอย่างรวดเร็ว เฟอร์ไรต์ส่วนเกินจึงยังคงอยู่เมื่อใช้ Ar 100% เมื่อใช้ส่วนผสมของก๊าซที่มี N2 นั้น N2 จะผสมเข้าไปในบ่อหลอมเหลวและส่งเสริมการก่อตัวของออสเทนไนต์
เหล็กกล้าไร้สนิมจำเป็นต้องปกป้องทั้งสองด้านของรอยต่อเพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูงสุด หากไม่ปกป้องด้านหลัง อาจส่งผลให้เกิด "การเกิดน้ำตาล" หรือการออกซิเดชันอย่างรุนแรง ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวของการเชื่อมได้
การเชื่อมต่อแบบแน่นสนิทที่มีการประกบที่แน่นหนาสม่ำเสมอหรือการกักเก็บที่แน่นสนิทที่ด้านหลังของข้อต่อ อาจไม่จำเป็นต้องใช้ก๊าซช่วย ประเด็นหลักคือการป้องกันการเปลี่ยนสีมากเกินไปของบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนเนื่องจากการสะสมของออกไซด์ ซึ่งต้องใช้การกำจัดทางกล ในทางเทคนิค หากอุณหภูมิด้านหลังเกิน 500 องศาฟาเรนไฮต์ จะต้องใช้ก๊าซปกคลุม อย่างไรก็ตาม วิธีที่ระมัดระวังกว่าคือการใช้ 300 องศาฟาเรนไฮต์เป็นเกณฑ์ โดยในอุดมคติแล้ว ควรมีออกซิเจนในวัสดุรองรับต่ำกว่า 30 PPM ข้อยกเว้นคือหากด้านหลังของรอยเชื่อมจะถูกเซาะ ขัด และเชื่อมใหม่เพื่อให้ได้รอยเชื่อมที่ทะลุทะลวงเต็มที่
ก๊าซช่วยสองชนิดที่นิยมใช้คือ N2 (ราคาถูกที่สุด) และ Ar (ราคาแพงกว่า) สำหรับชิ้นส่วนประกอบขนาดเล็กหรือเมื่อมีแหล่งจ่าย Ar พร้อมใช้งาน การใช้ก๊าซนี้อาจสะดวกกว่าและไม่คุ้มค่ากับราคาที่ลดลงเมื่อเทียบกับ N2 สามารถเติมไฮโดรเจนได้ถึง 5% เพื่อลดการเกิดออกซิเดชัน มีตัวเลือกเชิงพาณิชย์หลากหลายให้เลือกใช้ แต่การสร้างอุปกรณ์ช่วยและแผ่นกั้นเพื่อการทำให้บริสุทธิ์เองนั้นเป็นที่นิยมเช่นกัน
การเติมโครเมียม 10.5% หรือมากกว่านั้น คือสิ่งที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมมีคุณสมบัติเป็นสแตนเลส การรักษาคุณสมบัติเหล่านี้ไว้ได้ต้องอาศัยเทคนิคที่ดีในการเลือกก๊าซปกคลุมสำหรับการเชื่อมที่ถูกต้องและการปกป้องด้านหลังของรอยเชื่อม เหล็กกล้าไร้สนิมมีราคาแพง และมีเหตุผลที่ดีในการใช้มัน การพยายามประหยัดค่าใช้จ่ายเมื่อพูดถึงก๊าซปกคลุมหรือการเลือกโลหะเติมสำหรับการเชื่อมนั้นไม่มีประโยชน์ ดังนั้นจึงควรทำงานร่วมกับผู้จัดจำหน่ายก๊าซและผู้เชี่ยวชาญด้านโลหะเติมที่มีความรู้เมื่อเลือกก๊าซและโลหะเติมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมเสมอ
ติดตามข่าวสาร กิจกรรม และเทคโนโลยีล่าสุดเกี่ยวกับโลหะทุกประเภทได้จากจดหมายข่าวรายเดือนสองฉบับของเรา ซึ่งจัดทำขึ้นโดยเฉพาะสำหรับผู้ผลิตในแคนาดา!
ขณะนี้สามารถเข้าถึงนิตยสาร Canadian Metalworking ฉบับดิจิทัลได้อย่างเต็มรูปแบบ เข้าถึงแหล่งข้อมูลอันมีค่าในอุตสาหกรรมได้อย่างง่ายดาย
ขณะนี้สามารถเข้าถึงนิตยสาร Made in Canada และ Welding ฉบับดิจิทัลได้อย่างเต็มรูปแบบ เข้าถึงแหล่งข้อมูลอุตสาหกรรมที่มีค่าได้อย่างง่ายดาย