Svetsning av rostfritt stål kräver val av skyddsgas för att bibehålla dess metallurgiska sammansättning och tillhörande fysikaliska och mekaniska egenskaper. Vanliga skyddsgaselement för rostfritt stål inkluderar argon, helium, syre, koldioxid, kväve och väte (se figur 1). Dessa gaser kombineras i olika förhållanden för att passa behoven hos olika leveranssätt, trådtyper, baslegeringar, önskad pärlprofil och rörelsehastighet.
På grund av den dåliga värmeledningsförmågan hos rostfritt stål och den relativt "kalla" naturen hos kortslutningssvetsning med transfergas (GMAW) kräver processen en "triblandad" gas bestående av 85 % till 90 % helium (He), upp till 10 % argon (Ar) och 2 % till 5 % koldioxid (CO2). En vanlig triblandningsblandning innehåller 90 % He, 7,5 % Ar och 2,5 % CO2. Heliums höga joniseringspotential främjar ljusbågsbildning efter en kortslutning; i kombination med dess höga värmeledningsförmåga ökar användningen av He smältbadets fluiditet. Ar-komponenten i Trimix ger generell avskärmning av svetsbadet, medan CO2 fungerar som en reaktiv komponent för att stabilisera ljusbågen (se figur 2 för hur olika skyddsgaser påverkar svetssträngens profil).
Vissa ternära blandningar kan använda syre som stabilisator, medan andra använder en He/CO2/N2-blandning för att uppnå samma effekt. Vissa gasdistributörer har egna gasblandningar som ger de utlovade fördelarna. Återförsäljare rekommenderar även dessa blandningar för andra transmissionslägen med samma effekt.
Det största misstaget tillverkare gör är att försöka kortsluta GMAW-rostfritt stål med samma gasblandning (75 Ar/25 CO2) som kolstål, vanligtvis för att de inte vill hantera en extra cylinder. Denna blandning innehåller för mycket kol. Faktum är att all skyddsgas som används för solid tråd bör innehålla maximalt 5 % koldioxid. Användning av större mängder resulterar i en metallurgi som inte längre anses vara en L-kvalitetslegering (L-kvalitet har en kolhalt under 0,03 %). För mycket kol i skyddsgasen kan bilda kromkarbider, vilket minskar korrosionsbeständigheten och de mekaniska egenskaperna. Sot kan också förekomma på svetsytan.
Som en sidoanteckning, när tillverkare väljer metaller för kortslutning av GMAW för baslegeringar i 300-serien (308, 309, 316, 347), bör de välja LSi-kvaliteten. LSi-fyllmedel har en låg kolhalt (0,02 %) och rekommenderas därför särskilt när det finns risk för interkristallin korrosion. Högre kiselhalt förbättrar svetsegenskaperna, såsom vätning, för att hjälpa till att platta till svetskronan och främja sammansmältning vid tån.
Tillverkare bör vara försiktiga när de använder kortslutningsöverföringsprocesser. Ofullständig svetsning kan uppstå på grund av släckning av ljusbågen, vilket gör processen undermålig för kritiska tillämpningar. I situationer med hög volym, om materialet kan stödja sin värmeinmatning (≥ 1/16 tum är ungefär det tunnaste materialet som svetsas med pulssprutningsläge), är en pulssprutöverföring ett bättre val. Där materialtjocklek och svetsplats tillåter det, föredras sprutöverföring (GMAW) eftersom det ger en mer konsekvent svetsning.
Dessa lägen med hög värmeöverföring kräver inte He-skyddsgas. För sprutöverföringssvetsning av legeringar i 300-serien är ett vanligt val 98 % Ar och 2 % reaktiva element som CO2 eller O2. Vissa gasblandningar kan också innehålla små mängder N2. N2 har en högre joniseringspotential och värmeledningsförmåga, vilket främjar vätning och möjliggör snabbare svetsning eller förbättrad permeabilitet; det minskar också distorsion.
För pulsad sprayöverföring (GMAW) kan 100 % Ar vara ett acceptabelt val. Eftersom den pulsade strömmen stabiliserar bågen kräver gasen inte alltid aktiva element.
Smältbadet är långsammare för ferritiska rostfria stål och duplexa rostfria stål (50/50 förhållande ferrit till austenit). För dessa legeringar kommer en gasblandning som ~70 % Ar/~30 % He/2 % CO2 att främja bättre vätning och öka svetshastigheten (se figur 3). Liknande blandningar kan användas för att svetsa nickellegeringar, men kommer att orsaka att nickeloxider bildas på svetsytan (t.ex. räcker det med att tillsätta 2 % CO2 eller O2 för att öka oxidhalten, så tillverkare bör undvika dem eller vara beredda att lägga mycket tid på dem). Slipande eftersom dessa oxider är så hårda att en stålborste vanligtvis inte tar bort dem).
Tillverkare använder flussfyllda rostfria ståltrådar för out-of-situ-svetsning eftersom slaggsystemet i dessa trådar bildar en "hylla" som stöder smältbadet när det stelnar. Eftersom flusskompositionen mildrar effekterna av CO2 är flussfylld rostfri ståltråd konstruerad för användning med gasblandningar på 75 % Ar/25 % CO2 och/eller 100 % CO2. Även om flussfylld tråd kan kosta mer per pund, är det värt att notera att högre svetshastigheter och avsättningshastigheter för alla positioner kan minska de totala svetskostnaderna. Dessutom använder flussfylld tråd en konventionell konstantspänningslikströmsutgång, vilket gör det grundläggande svetssystemet billigare och mindre komplext än pulserade GMAW-system.
För legeringar i 300- och 400-serien är 100 % Ar fortfarande standardvalet för gasvolframbågsvetsning (GTAW). Under GTAW av vissa nickellegeringar, särskilt med mekaniserade processer, kan små mängder väte (upp till 5 %) tillsättas för att öka förflyttningshastigheten (observera att till skillnad från kolstål är nickellegeringar inte benägna att orsaka vätesprickbildning).
För svetsning av superduplex- och superduplexrostfria stål är 98 % Ar/2 % N2 respektive 98 % Ar/3 % N2 bra val. Helium kan också tillsättas för att förbättra vätbarheten med cirka 30 %. Vid svetsning av superduplex- eller superduplexrostfria stål är målet att producera en fog med en balanserad mikrostruktur på cirka 50 % ferrit och 50 % austenit. Eftersom bildandet av mikrostrukturen beror på kylningshastigheten, och eftersom TIG-svetsbadet kyls ner snabbt, kvarstår överskott av ferrit när 100 % Ar används. När en gasblandning som innehåller N2 används, rörs N2 in i smältbadet och främjar austenitbildning.
Rostfritt stål behöver skydda båda sidor av fogen för att producera en färdig svets med maximal korrosionsbeständighet. Underlåtenhet att skydda baksidan kan resultera i "sockrifiering", eller omfattande oxidation som kan leda till lödfel.
Täta stumkopplingar med genomgående utmärkt passform eller tät inneslutning på baksidan av kopplingen behöver eventuellt inte stödgas. Här är huvudproblemet att förhindra överdriven missfärgning av den värmepåverkade zonen på grund av oxiduppbyggnad, vilket sedan kräver mekaniskt avlägsnande. Tekniskt sett krävs en skyddsgas om baksidans temperatur överstiger 500 grader Fahrenheit. En mer konservativ metod är dock att använda 300 grader Fahrenheit som tröskelvärde. Helst bör baksidan vara under 30 PPM O2. Undantaget är om baksidan av svetsen ska mejslas, slipas och svetsas för att uppnå en fullständig svetsgenomträngning.
De två stödgaserna man väljer är N2 (billigast) och Ar (dyrare). För små enheter eller när Ar-källor är lättillgängliga kan det vara mer praktiskt att använda denna gas och inte värt N2-besparingarna. Upp till 5 % väte kan tillsättas för att minska oxidation. En mängd olika kommersiella alternativ finns tillgängliga, men hemmagjorda stöd och reningsdammar är vanliga.
Tillsatsen av 10,5 % eller mer krom är det som ger rostfritt stål dess rostfria egenskaper. Att bibehålla dessa egenskaper kräver god teknik för att välja rätt svetsskyddsgas och skydda fogens baksida. Rostfritt stål är dyrt, och det finns goda skäl att använda det. Det är ingen idé att försöka ta genvägar när det gäller skyddsgas eller att välja tillsatsmaterial för detta. Därför är det alltid klokt att samarbeta med en kunnig gasdistributör och tillsatsmaterialspecialist när man väljer en gas och tillsatsmaterial för svetsning av rostfritt stål.
Håll dig uppdaterad med de senaste nyheterna, evenemangen och tekniken om alla metaller från våra två månatliga nyhetsbrev som skrivs exklusivt för kanadensiska tillverkare!
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av Canadian Metalworking, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.
Nu med full tillgång till den digitala utgåvan av Made in Canada and Welding, enkel tillgång till värdefulla branschresurser.