Hàn thép không gỉ đòi hỏi phải lựa chọn khí bảo vệ để duy trì thành phần luyện kim và các tính chất vật lý, cơ học liên quan. Các thành phần khí bảo vệ phổ biến cho thép không gỉ bao gồm argon, heli, oxy, carbon dioxide, nitơ và hydro (xem Hình 1). Các loại khí này được kết hợp theo tỷ lệ khác nhau để phù hợp với nhu cầu của các chế độ cung cấp, loại dây, hợp kim cơ bản, hình dạng hạt mong muốn và tốc độ di chuyển khác nhau.
Do độ dẫn nhiệt kém của thép không gỉ và bản chất tương đối "lạnh" của hàn hồ quang kim loại bằng khí truyền ngắn mạch (GMAW), quy trình này yêu cầu khí "trộn ba" bao gồm 85% đến 90% heli (He), lên đến 10% Argon (Ar) và 2% đến 5% Cacbon Dioxide (CO2). Một hỗn hợp ba hỗn hợp thông thường chứa 90% He, 7-1/2% Ar và 2-1/2% CO2. Điện thế ion hóa cao của heli thúc đẩy hồ quang sau khi ngắn mạch; kết hợp với độ dẫn nhiệt cao, việc sử dụng He làm tăng tính lưu động của vũng hàn nóng chảy. Thành phần Ar của Trimix cung cấp khả năng che chắn chung cho vũng hàn, trong khi CO2 hoạt động như một thành phần phản ứng để ổn định hồ quang (xem Hình 2 để biết các loại khí che chắn khác nhau ảnh hưởng đến cấu hình mối hàn như thế nào).
Một số hỗn hợp ba thành phần có thể sử dụng oxy làm chất ổn định, trong khi một số khác sử dụng hỗn hợp He/CO2/N2 để đạt được hiệu quả tương tự. Một số nhà phân phối khí có hỗn hợp khí độc quyền mang lại những lợi ích như đã hứa. Các đại lý cũng khuyến nghị các hỗn hợp này cho các chế độ truyền động khác có hiệu quả tương tự.
Sai lầm lớn nhất mà các nhà sản xuất mắc phải là cố gắng làm ngắn mạch thép không gỉ GMAW bằng cùng một hỗn hợp khí (75 Ar/25 CO2) như thép mềm, thường là vì họ không muốn quản lý thêm một xi lanh. Hỗn hợp này chứa quá nhiều cacbon. Trên thực tế, bất kỳ khí bảo vệ nào được sử dụng cho dây rắn đều phải chứa tối đa 5% cacbon dioxit. Sử dụng lượng lớn hơn sẽ dẫn đến luyện kim không còn được coi là hợp kim cấp L (cấp L có hàm lượng cacbon dưới 0,03%). Cacbon dư thừa trong khí bảo vệ có thể tạo thành crom cacbua, làm giảm khả năng chống ăn mòn và các tính chất cơ học. Bồ hóng cũng có thể xuất hiện trên bề mặt mối hàn.
Một lưu ý nhỏ, khi lựa chọn kim loại để hàn ngắn mạch GMAW cho hợp kim cơ sở dòng 300 (308, 309, 316, 347), nhà sản xuất nên chọn loại LSi. Chất độn LSi có hàm lượng carbon thấp (0,02%) và do đó đặc biệt được khuyến nghị khi có nguy cơ ăn mòn giữa các hạt. Hàm lượng silicon cao hơn giúp cải thiện các đặc tính của mối hàn, chẳng hạn như khả năng làm ướt, giúp làm phẳng đỉnh mối hàn và thúc đẩy quá trình nóng chảy ở chân mối hàn.
Các nhà sản xuất nên thận trọng khi sử dụng quy trình chuyển giao ngắn mạch. Có thể xảy ra hiện tượng nóng chảy không hoàn toàn do dập tắt hồ quang, khiến quy trình không đạt tiêu chuẩn cho các ứng dụng quan trọng. Trong các tình huống khối lượng lớn, nếu vật liệu có thể chịu được nhiệt đầu vào (≥ 1/16 inch là vật liệu mỏng nhất được hàn bằng chế độ phun xung), thì chuyển giao phun xung sẽ là lựa chọn tốt hơn. Khi độ dày vật liệu và vị trí mối hàn hỗ trợ, chuyển giao phun GMAW được ưu tiên vì nó cung cấp nhiệt nóng chảy đồng đều hơn.
Các chế độ truyền nhiệt cao này không yêu cầu khí bảo vệ He. Đối với hàn phun chuyển tiếp hợp kim loại 300, lựa chọn phổ biến là 98% Ar và 2% các nguyên tố phản ứng như CO2 hoặc O2. Một số hỗn hợp khí cũng có thể chứa một lượng nhỏ N2. N2 có thế ion hóa và độ dẫn nhiệt cao hơn, giúp tăng khả năng làm ướt và cho phép di chuyển nhanh hơn hoặc cải thiện độ thấm; nó cũng làm giảm sự biến dạng.
Đối với phương pháp hàn phun xung GMAW, 100% Ar có thể là lựa chọn chấp nhận được. Vì dòng điện xung ổn định hồ quang nên khí không phải lúc nào cũng cần đến các thành phần hoạt động.
Bể nóng chảy chậm hơn đối với thép không gỉ ferritic và thép không gỉ duplex (tỷ lệ ferit so với austenit là 50/50). Đối với các hợp kim này, hỗn hợp khí như ~70% Ar/~30% He/2% CO2 sẽ thúc đẩy quá trình làm ướt tốt hơn và tăng tốc độ di chuyển (xem Hình 3). Có thể sử dụng các hỗn hợp tương tự để hàn hợp kim niken, nhưng sẽ khiến oxit niken hình thành trên bề mặt mối hàn (ví dụ, thêm 2% CO2 hoặc O2 là đủ để tăng hàm lượng oxit, vì vậy các nhà sản xuất nên tránh chúng hoặc chuẩn bị dành nhiều thời gian cho chúng). Có tính mài mòn vì các oxit này rất cứng đến mức bàn chải sắt thường không loại bỏ được chúng).
Các nhà sản xuất sử dụng dây thép không gỉ có lõi thuốc để hàn ngoài hiện trường vì hệ thống xỉ trong những dây này tạo ra một "giá đỡ" hỗ trợ vũng hàn khi nó đông cứng. Vì thành phần thuốc làm giảm tác động của CO2, dây thép không gỉ có lõi thuốc được thiết kế để sử dụng với hỗn hợp khí 75% Ar/25% CO2 và/hoặc 100% CO2. Mặc dù dây có lõi thuốc có thể đắt hơn trên mỗi pound, nhưng cần lưu ý rằng tốc độ hàn mọi vị trí và tỷ lệ lắng đọng cao hơn có thể làm giảm tổng chi phí hàn. Ngoài ra, dây có lõi thuốc sử dụng đầu ra DC điện áp không đổi thông thường, giúp hệ thống hàn cơ bản ít tốn kém hơn và ít phức tạp hơn so với hệ thống GMAW xung.
Đối với hợp kim dòng 300 và 400, 100% Ar vẫn là lựa chọn tiêu chuẩn cho hàn hồ quang khí vonfram (GTAW). Trong quá trình hàn GTAW của một số hợp kim niken, đặc biệt là với các quy trình cơ giới hóa, có thể thêm một lượng nhỏ hydro (lên đến 5%) để tăng tốc độ hàn (lưu ý rằng không giống như thép cacbon, hợp kim niken không dễ bị nứt do hydro).
Đối với hàn thép không gỉ superduplex và superduplex, 98% Ar/2% N2 và 98% Ar/3% N2 là những lựa chọn tốt tương ứng. Cũng có thể thêm heli để cải thiện khả năng thấm ướt khoảng 30%. Khi hàn thép không gỉ super duplex hoặc super duplex, mục tiêu là tạo ra mối hàn có cấu trúc vi mô cân bằng gồm khoảng 50% ferit và 50% austenit. Vì sự hình thành cấu trúc vi mô phụ thuộc vào tốc độ làm mát và vì vũng hàn TIG nguội nhanh nên vẫn còn lượng ferit dư khi sử dụng 100% Ar. Khi sử dụng hỗn hợp khí có chứa N2, N2 sẽ khuấy vào vũng nóng chảy và thúc đẩy sự hình thành austenit.
Thép không gỉ cần được bảo vệ cả hai mặt của mối hàn để tạo ra mối hàn hoàn thiện có khả năng chống ăn mòn tối đa. Nếu không bảo vệ mặt sau, có thể dẫn đến “đường hóa” hoặc quá trình oxy hóa sâu có thể dẫn đến hỏng mối hàn.
Các phụ kiện mông khít với độ vừa vặn tuyệt vời liên tục hoặc độ kín khít ở phía sau của phụ kiện có thể không cần khí hỗ trợ. Ở đây, vấn đề chính là ngăn ngừa sự đổi màu quá mức của vùng bị ảnh hưởng bởi nhiệt do tích tụ oxit, sau đó cần phải loại bỏ bằng cơ học. Về mặt kỹ thuật, nếu nhiệt độ mặt sau vượt quá 500 độ F, thì cần phải có khí bảo vệ. Tuy nhiên, một cách tiếp cận bảo thủ hơn là sử dụng 300 độ F làm ngưỡng. Lý tưởng nhất là lớp lót phải dưới 30 PPM O2. Ngoại lệ là nếu mặt sau của mối hàn sẽ được khoét, mài và hàn để đạt được mối hàn thâm nhập hoàn toàn.
Hai loại khí hỗ trợ được lựa chọn là N2 (rẻ nhất) và Ar (đắt hơn). Đối với các cụm lắp ráp nhỏ hoặc khi có sẵn nguồn Ar, có thể sử dụng loại khí này thuận tiện hơn và không đáng để tiết kiệm N2. Có thể thêm tới 5% hydro để giảm quá trình oxy hóa. Có nhiều lựa chọn thương mại khác nhau, nhưng các chất hỗ trợ và đập lọc tự chế là phổ biến.
Việc bổ sung 10,5% hoặc nhiều hơn crom là yếu tố tạo nên các đặc tính không gỉ của thép không gỉ. Việc duy trì các đặc tính này đòi hỏi kỹ thuật tốt trong việc lựa chọn khí bảo vệ hàn phù hợp và bảo vệ mặt sau của mối hàn. Thép không gỉ đắt tiền và có nhiều lý do chính đáng để sử dụng nó. Không có lý do gì để cố gắng cắt giảm chi phí khi nói đến khí bảo vệ hoặc lựa chọn kim loại phụ cho việc này. Do đó, việc hợp tác với một nhà phân phối khí và chuyên gia về kim loại phụ có hiểu biết luôn là điều hợp lý khi lựa chọn khí và kim loại phụ để hàn thép không gỉ.
Cập nhật những tin tức, sự kiện và công nghệ mới nhất về mọi kim loại từ hai bản tin hàng tháng của chúng tôi được viết riêng cho các nhà sản xuất Canada!
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của Canadian Metalworking, dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.
Bây giờ bạn có thể truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của Made in Canada và Welding, dễ dàng truy cập vào các nguồn tài nguyên giá trị của ngành.