Hàn thép không gỉ đòi hỏi phải lựa chọn khí bảo vệ để duy trì thành phần luyện kim cũng như các tính chất vật lý và 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 khí này được kết hợp theo tỷ lệ khác nhau để phù hợp với nhu cầu của các phương thức cấp dây, loại dây, hợp kim cơ bản, hình dạng mối hàn mong muốn và tốc độ di chuyển.
Do tính dẫn nhiệt kém của thép không gỉ và bản chất tương đối “lạnh” của hàn hồ quang kim loại khí truyền ngắn mạch (GMAW), quy trình này yêu cầu hỗn hợp khí “ba thành phần” gồm 85% đến 90% heli (He), tối đa 10% argon (Ar) và 2% đến 5% carbon dioxide (CO2). Một hỗn hợp ba thành phần phổ biến chứa 90% He, 7-1/2% Ar và 2-1/2% CO2. Khả năng ion hóa cao của heli thúc đẩy sự hình thành hồ quang sau khi ngắn mạch; kết hợp với khả năng dẫn nhiệt cao, việc sử dụng He làm tăng tính lưu động của vũng nóng chảy. Thành phần Ar trong hỗn hợp ba thành phần 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 hình dạng mối hàn như thế nào).
Một số hỗn hợp ba thành phần có thể sử dụng oxy làm chất ổn định, trong khi những hỗn hợp khác sử dụng hỗn hợp He/CO2/N2 để đạt được hiệu quả tương tự. Một số nhà phân phối khí có các hỗn hợp khí độc quyền mang lại những lợi ích như đã hứa. Các đại lý cũng khuyến nghị sử dụng các hỗn hợp này cho các phương thức truyền tải khác với hiệu quả tương tự.
Sai lầm lớn nhất mà các nhà sản xuất thường mắc phải là cố gắng rút ngắn quá trình hàn GMAW thép không gỉ bằng hỗn hợp khí (75% Ar/25% CO2) giống như thép mềm, thường là vì họ không muốn phải quản lý thêm một bình khí. Hỗn hợp này chứa quá nhiều carbon. Trên thực tế, bất kỳ khí bảo vệ nào được sử dụng cho hàn dây đặc cũng chỉ nên chứa tối đa 5% carbon dioxide. Sử dụng lượng lớn hơn sẽ dẫn đến hợp kim không còn được coi là hợp kim loại L (hợp kim loại L có hàm lượng carbon dưới 0,03%). Lượng carbon dư thừa trong khí bảo vệ có thể tạo thành cacbua crom, làm giảm khả năng chống ăn mòn và các tính chất cơ học. Muội than cũng có thể xuất hiện trên bề mặt mối hàn.
Lưu ý thêm, khi lựa chọn kim loại để hàn GMAW cho các hợp kim cơ bản dòng 300 (308, 309, 316, 347), nhà sản xuất nên chọn loại LSi. Que hàn 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 silic cao hơn giúp cải thiện các đặc tính của mối hàn, chẳng hạn như khả năng thấm ướt, giúp làm phẳng đỉnh mối hàn và thúc đẩy sự nóng chảy ở chân mối hàn.
Các nhà sản xuất nên thận trọng khi sử dụng quy trình chuyển mạch ngắn mạch. Sự nóng chảy không hoàn toàn có thể xảy ra do hồ quang bị tắt, khiến quy trình này không đạt tiêu chuẩn cho các ứng dụng quan trọng. Trong các tình huống sản xuất số lượng lớn, nếu vật liệu có thể chịu được lượng nhiệt đầu vào (độ dày vật liệu mỏng nhất được hàn bằng chế độ phun xung xấp xỉ ≥ 1/16 inch), thì phương pháp chuyển mạch phun xung sẽ là lựa chọn tốt hơn. Trong trường hợp độ dày vật liệu và vị trí hàn cho phép, phương pháp hàn GMAW chuyển mạch phun được ưu tiên hơn vì nó mang lại sự nóng chảy đồng nhất hơn.
Các phương pháp truyền nhiệt cao này không cần khí bảo vệ He. Đối với hàn chuyển phun các hợp kim dòng 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 điện thế ion hóa và độ dẫn nhiệt cao hơn, giúp thúc đẩy quá trình làm ướt và cho phép di chuyển nhanh hơn hoặc cải thiện khả năng thấm; nó cũng làm giảm biến dạng.
Đối với phương pháp hàn GMAW phun xung, khí Ar 100% có thể là một lựa chọn chấp nhận được. Vì dòng điện xung ổn định hồ quang, nên khí này không phải lúc nào cũng cần các phần tử hoạt tính.
Vũng nóng chảy diễn ra chậm hơn đối với thép không gỉ ferrit và thép không gỉ song pha (tỷ lệ ferrit/austenit 50/50). Đối với các hợp kim này, hỗn hợp khí như ~70% Ar/~30% He/2% CO2 sẽ thúc đẩy khả năng thấm ướt tốt hơn và tăng tốc độ di chuyển (xem Hình 3). Các hỗn hợp tương tự có thể được sử dụng để hàn hợp kim niken, nhưng sẽ gây ra sự hình thành oxit niken 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 việc xử lý chúng). Chúng có tính mài mòn vì các oxit này rất cứng nên bàn chải sắt thường không thể loại bỏ chúng.
Các nhà sản xuất sử dụng dây thép không gỉ lõi thuốc để hàn ngoài vị trí vì hệ thống xỉ trong các dây này tạo ra một "giá đỡ" hỗ trợ vũng hàn khi nó đông đặc. Do thành phần thuốc làm giảm tác động của CO2, dây thép không gỉ lõi thuốc được thiết kế để sử dụng với hỗn hợp khí 75% Ar/25% CO2 và/hoặc 100% CO2. Mặc dù dây lõi thuốc có thể đắt hơn trên mỗi pound, nhưng cần lưu ý rằng tốc độ hàn ở mọi vị trí cao hơn và tốc độ lắng đọng cao hơn có thể làm giảm chi phí hàn tổng thể. Ngoài ra, dây lõi thuốc sử dụng đầu ra DC điện áp không đổi thông thường, làm cho hệ thống hàn cơ bản ít tốn kém 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 vonfram khí (GTAW). Trong quá trình hàn GTAW một số hợp kim niken, đặc biệt là với các quy trình cơ giới hóa, một lượng nhỏ hydro (lên đến 5%) có thể được thêm vào để tăng tốc độ di chuyển (lưu ý rằng không giống như thép cacbon, hợp kim niken không dễ bị nứt do hydro).
Đối với việc hàn thép siêu song pha và thép không gỉ siêu song pha, hỗn hợp khí 98% Ar/2% N2 và 98% Ar/3% N2 lần lượt là những lựa chọn tốt. Có thể thêm khí heli để cải thiện khả năng thấm ướt khoảng 30%. Khi hàn thép siêu song pha hoặc thép không gỉ siêu song pha, mục tiêu là tạo ra mối hàn có cấu trúc vi mô cân bằng với tỷ lệ xấp xỉ 50% ferit và 50% austenit. Vì sự hình thành cấu trúc vi mô phụ thuộc vào tốc độ làm nguội, và vì vũng hàn TIG nguội nhanh, nên lượng ferit dư thừa vẫn còn khi sử dụng 100% Ar. Khi sử dụng hỗn hợp khí có chứa N2, N2 sẽ hòa trộn vào vũng nóng chảy và thúc đẩy sự hình thành austenit.
Thép không gỉ cần bảo vệ cả hai mặt của mối nối để tạo ra mối hàn hoàn thiện có khả năng chống ăn mòn tối đa. Việc không bảo vệ mặt sau có thể dẫn đến hiện tượng "đường hóa", hay quá trình oxy hóa mạnh có thể dẫn đến hỏng mối hàn.
Các mối nối hàn giáp mí chặt với độ khít tuyệt vời hoặc độ kín khít ở phía sau mối nối có thể không cần khí bảo vệ. Ở đây, vấn đề chính là ngăn ngừa sự đổi màu quá mức của vùng ảnh hưởng nhiệt do sự tích tụ oxit, điều này sau đó đòi hỏi phải loại bỏ bằng cơ học. Về mặt kỹ thuật, nếu nhiệt độ mặt sau vượt quá 500 độ Fahrenheit, cần phải có khí bảo vệ. Tuy nhiên, một cách tiếp cận thận trọng hơn là sử dụng 300 độ Fahrenheit làm ngưỡng. Lý tưởng nhất, lớp bảo vệ nên có hàm lượng O2 dưới 30 PPM. Ngoại lệ là nếu mặt sau của mối hàn sẽ được khoét, mài và hàn lại để đạt được mối hàn xuyên thấu 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 nguồn Ar có sẵn, việc sử dụng khí này có thể thuận tiện hơn và không đáng để tiết kiệm chi phí so với sử dụng N2. Có thể thêm tới 5% hydro để giảm quá trình oxy hóa. Có nhiều lựa chọn thương mại khác nhau, nhưng các thiết bị hỗ trợ và đập lọc tự chế cũng khá phổ biến.
Việc bổ sung 10,5% hoặc hơn crom là yếu tố tạo nên đặc tính chống gỉ của thép không gỉ. 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 rất đắt tiền, và có những lý do chính đáng để sử dụng nó. Không nên tiết kiệm chi phí khi lựa chọn khí bảo vệ hoặc kim loại phụ để hàn thép không gỉ. Do đó, việc hợp tác với nhà phân phối khí và chuyên gia về kim loại phụ có kinh nghiệm khi lựa chọn khí và kim loại phụ để hàn thép không gỉ luôn là điều hợp lý.
Cập nhật những tin tức, sự kiện và công nghệ mới nhất về tất cả các loại kim loại thông qua hai bản tin hàng tháng được biên soạn dành riêng cho các nhà sản xuất Canada!
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của tạp chí Canadian Metalworking, bạn dễ dàng tiếp cận các nguồn tài liệu quý giá của ngành.
Giờ đây, với quyền truy cập đầy đủ vào phiên bản kỹ thuật số của Made in Canada và Welding, bạn có thể dễ dàng tiếp cận các nguồn tài nguyên quý giá của ngành.