Spawanie stali nierdzewnej wymaga doboru gazu osłonowego w celu utrzymania jej składu metalurgicznego oraz związanych z nim właściwości fizycznych i mechanicznych. Typowe gazy osłonowe dla stali nierdzewnej to argon, hel, tlen, dwutlenek węgla, azot i wodór (patrz rysunek 1). Gazy te są łączone w różnych proporcjach, aby spełnić wymagania różnych trybów dostarczania, typów drutu, stopów bazowych, pożądanego profilu ściegu i prędkości posuwu.
Ze względu na słabą przewodność cieplną stali nierdzewnej i stosunkowo „zimną” naturę spawania łukiem elektrycznym w osłonie gazu zwarciowego (GMAW), proces ten wymaga gazu „tri-mix” składającego się z 85% do 90% helu (He), do 10% argonu (Ar) i 2% do 5% dwutlenku węgla (CO2). Typowa mieszanka triblend 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, użycie He zwiększa płynność jeziorka stopionego metalu. Składnik Ar w Trimix zapewnia ogólną osłonę jeziorka spawalniczego, podczas gdy CO2 działa jako składnik reaktywny, stabilizując łuk (patrz rysunek 2, aby zobaczyć, w jaki sposób 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 zastrzeżone mieszanki gazów, które zapewniają obiecane korzyści. Dealerzy zalecają również te mieszanki do innych trybów transmisji, dając 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 zużywać dodatkowej butli. Ta mieszanka zawiera zbyt dużo węgla. W rzeczywistości każdy gaz osłonowy stosowany 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%). Nadmiar węgla w gazie osłonowym może tworzyć węgliki 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 mają niską zawartość 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 wspomaga stopienie się jej brzegu.
Producenci powinni zachować ostrożność podczas stosowania procesów zwarciowego transferu spawalniczego. Z powodu gaszenia łuku elektrycznego może dojść do niepełnego stopienia, co sprawia, że ​​proces ten nie nadaje się do zastosowań krytycznych. W przypadku dużych objętości, jeśli materiał może wytrzymać dopływ ciepła (≥ 1/16 cala to w przybliżeniu najcieńszy materiał spawany w trybie natryskiwania pulsacyjnego), lepszym wyborem będzie transfer natryskowy pulsacyjny. Jeśli grubość materiału i miejsce spawania to umożliwiają, preferowany jest transfer natryskowy GMAW, ponieważ zapewnia on bardziej spójne stopienie.
Te tryby o wysokim współczynniku wymiany ciepła nie wymagają osłony gazowej He. W przypadku spawania natryskowego stopów serii 300 powszechnym wyborem jest 98% Ar i 2% reaktywnych pierwiastków, takich jak CO2 lub O2. Niektóre mieszanki gazów 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.
Jezioro stopione jest wolniejsze w przypadku stali nierdzewnych ferrytycznych i stali nierdzewnych dupleksowych (stosunek ferrytu do austenitu 50/50). W przypadku tych stopów mieszanka gazów, taka jak ~70% Ar/~30% He/2% CO2, będzie sprzyjać lepszemu zwilżaniu i zwiększy prędkość przesuwu (patrz rysunek 3). Podobne mieszanki można stosować do spawania stopów niklu, ale spowodują one tworzenie się tlenków niklu na powierzchni spoiny (np. dodanie 2% CO2 lub O2 wystarczy, aby zwiększyć zawartość tlenku, więc producenci powinni ich unikać lub być przygotowani na poświęcenie im dużo czasu). Ścierne, ponieważ te tlenki są tak twarde, że szczotka druciana zwykle ich nie usunie).
Producenci używają drutów ze stali nierdzewnej z rdzeniem topnikowym do spawania poza miejscem spawania, ponieważ system żużla w tych drutach zapewnia „półkę”, która podtrzymuje jeziorko spawalnicze podczas jego krzepnięcia. Ponieważ skład topnika łagodzi skutki działania CO2, drut ze stali nierdzewnej z rdzeniem topnikowym 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 osadzania mogą zmniejszyć ogólne koszty spawania. Ponadto drut rdzeniowy z rdzeniem topnikowym wykorzystuje konwencjonalne stałe napięcie wyjściowe DC, dzięki czemu podstawowy system spawalniczy jest mniej kosztowny 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, zwłaszcza 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 98% Ar/2% N2 i 98% Ar/3% N2. Można również dodać hel, aby poprawić zwilżalność o około 30%. Podczas spawania stali nierdzewnych superduplex lub superduplex celem jest wytworzenie złącza o zrównoważonej mikrostrukturze składającej się w przybliżeniu w 50% z ferrytu i w 50% z austenitu. Ponieważ tworzenie się mikrostruktury zależy od szybkości chłodzenia, a jeziorko spawalnicze TIG stygnie szybko, nadmiar ferrytu pozostaje, gdy używane jest 100% Ar. Gdy używana jest mieszanka gazowa zawierająca N2, N2 miesza się ze jeziorkiem stopionego materiału i wspomaga tworzenie się austenitu.
Aby uzyskać spaw o maksymalnej odporności na korozję, stal nierdzewna musi chronić obie strony złącza. Brak ochrony tylnej strony może skutkować „sacharizacją”, czyli nadmiernym utlenianiem, co może skutkować uszkodzeniem 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 odbarwieniu 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 jako progu 300 stopni Fahrenheita. W idealnym przypadku podkład powinien mieć poniżej 30 PPM O2. Wyjątkiem jest sytuacja, gdy tylna strona spoiny zostanie wyżłobiona, oszlifowana i zespawana w celu uzyskania spoiny o pełnej penetracji.
Dwa gazy pomocnicze z wyboru to N2 (najtańszy) i Ar (droższy). W przypadku małych zespołów lub gdy źródła Ar są łatwo dostępne, wygodniejsze może okazać się użycie tego gazu i nieopłacalne jest oszczędzanie na N2. W celu zmniejszenia utleniania można dodać do 5% wodoru. Dostępnych jest wiele komercyjnych opcji, ale powszechne są domowej roboty 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 edycji cyfrowej czasopisma Made in Canada and Welding, masz łatwy dostęp do cennych zasobów branżowych.