W tym artykule firmy Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. wyjaśniono, co należy wziąć pod uwagę przy określaniu materiałów wypełniających do spawania stali nierdzewnej.
Możliwości, które czynią stal nierdzewną tak atrakcyjną – możliwość dopasowania jej właściwości mechanicznych oraz odporności na korozję i utlenianie – dodatkowo zwiększają złożoność wyboru odpowiedniego spoiwa do spawania. Dla dowolnej kombinacji materiałów bazowych, odpowiedni może być dowolny z kilku rodzajów elektrod, w zależności od kosztów, warunków pracy, pożądanych właściwości mechanicznych i szeregu innych kwestii związanych ze spawaniem.
Niniejszy artykuł dostarcza niezbędnych informacji technicznych, które pozwolą czytelnikowi zrozumieć złożoność tematu, a następnie odpowiada na najczęściej zadawane pytania dostawców spoiw. Zawiera ogólne wytyczne dotyczące wyboru odpowiednich spoiw do stali nierdzewnej – a następnie wyjaśnia wszystkie wyjątki od tych wytycznych! Artykuł nie omawia procedur spawania, ponieważ jest to temat na inny artykuł.
Cztery gatunki, liczne pierwiastki stopowe
Istnieją cztery główne kategorie stali nierdzewnych:
austenityczny
martenzytyczny
ferrytyczny
Dupleks
Nazwy te pochodzą od struktury krystalicznej stali, która normalnie występuje w temperaturze pokojowej. Gdy stal niskowęglowa jest podgrzewana do temperatury powyżej 912°C, atomy stali ulegają przekształceniu ze struktury zwanej ferrytem w temperaturze pokojowej w strukturę krystaliczną zwaną austenitem. Po ochłodzeniu atomy powracają do swojej pierwotnej struktury, ferrytu. Struktura wysokotemperaturowa, austenit, jest niemagnetyczna, plastyczna i charakteryzuje się niższą wytrzymałością oraz większą ciągliwością niż ferryt w temperaturze pokojowej.
Po dodaniu do stali ponad 16% chromu, struktura krystaliczna stali, ferryt, ulega stabilizacji w temperaturze pokojowej, a stal pozostaje ferrytyczna w każdej temperaturze. Stąd nazwa ferrytyczna stal nierdzewna, stosowana do tego stopu. Po dodaniu do stali ponad 17% chromu i 7% niklu, wysokotemperaturowa struktura krystaliczna stali, austenit, ulega stabilizacji, dzięki czemu zachowuje się w każdej temperaturze, od najniższej do bliskiej temperatury topnienia.
Stal nierdzewna austenityczna jest powszechnie określana jako typ „chromowo-niklowy”, a stale martenzytyczne i ferrytyczne jako „chromowe”. Niektóre pierwiastki stopowe stosowane w stalach nierdzewnych i spoinach działają jak stabilizatory austenitu, a inne jak stabilizatory ferrytu. Najważniejszymi stabilizatorami austenitu są nikiel, węgiel, mangan i azot. Stabilizatorami ferrytu są chrom, krzem, molibden i niob. Zrównoważenie pierwiastków stopowych kontroluje ilość ferrytu w spoinie.
Gatunki austenityczne są łatwiejsze i bardziej satysfakcjonujące w spawaniu niż te zawierające mniej niż 5% niklu. Połączenia spawane wykonane ze stali austenitycznych są wytrzymałe, ciągliwe i odporne na obciążenia dynamiczne w stanie po spawaniu. Zazwyczaj nie wymagają podgrzewania wstępnego ani obróbki cieplnej po spawaniu. Gatunki austenityczne stanowią około 80% spawanej stali nierdzewnej i to na nich skupia się niniejszy artykuł wprowadzający.
Tabela 1: Rodzaje stali nierdzewnej oraz zawartość chromu i niklu.
tstart{c,80%}
wątek{Typ|% chromu|% niklu|Typy}
tdata{Austenityczna|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martenzytyczny|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferrytyczny|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
mieć skłonności{}
Jak wybrać odpowiedni materiał wypełniający ze stali nierdzewnej
Jeśli materiał bazowy obu płyt jest taki sam, pierwotną zasadą było „Zacznij od dopasowania materiału bazowego”. W niektórych przypadkach działa to dobrze; aby połączyć typ 310 lub 316, należy wybrać odpowiedni typ wypełniacza.
Aby połączyć różne materiały, należy kierować się następującą zasadą: „wybierz spoiwo pasujące do materiału o wyższej zawartości stopu”. Aby połączyć materiał 304 z materiałem 316, wybierz spoiwo 316.
Niestety, „zasada dopasowania” ma tak wiele wyjątków, że lepszą zasadą jest zapoznanie się z tabelą doboru spoiwa. Na przykład, typ 304 jest najpopularniejszym materiałem bazowym dla stali nierdzewnej, ale nikt nie oferuje elektrody tego typu.
Jak spawać stal nierdzewną typu 304 bez elektrody typu 304
Do spawania stali nierdzewnej typu 304 należy użyć spoiwa typu 308, gdyż dodatkowe elementy stopowe w stali typu 308 lepiej stabilizują obszar spoiny.
Jednak stal 308L jest również akceptowalnym wypełniaczem. Oznaczenie „L” po nazwie typu wskazuje na niską zawartość węgla. Stal nierdzewna typu 3XXL ma zawartość węgla 0,03% lub mniej, podczas gdy standardowa stal nierdzewna typu 3XX może mieć maksymalną zawartość węgla 0,08%.
Ponieważ wypełniacz typu L mieści się w tej samej klasyfikacji co produkt inny niż L, producenci mogą, a nawet powinni, rozważyć jego użycie, ponieważ niższa zawartość węgla zmniejsza ryzyko wystąpienia korozji międzykrystalicznej. Autorzy twierdzą wręcz, że wypełniacz typu L byłby szerzej stosowany, gdyby producenci po prostu zaktualizowali swoje procedury.
Producenci stosujący proces GMAW mogą również rozważyć użycie spoiwa typu 3XXSi, ponieważ dodatek krzemu poprawia zwilżalność. W sytuacjach, gdy spoina ma wysoką lub chropowatą koronę, lub gdy jeziorko spawalnicze nie przylega dobrze do brzegów spoiny pachwinowej lub zakładkowej, użycie elektrody Si Type GMAW może wygładzić ścieg spoiny i zapewnić lepsze wtopienie.
Jeśli problemem jest wytrącanie się węglików, należy rozważyć zastosowanie wypełniacza typu 347, który zawiera niewielką ilość niobu.
Jak spawać stal nierdzewną ze stalą węglową
Taka sytuacja występuje w zastosowaniach, w których część konstrukcji wymaga połączenia odpornej na korozję zewnętrznej powierzchni z elementem konstrukcyjnym ze stali węglowej w celu obniżenia kosztów. Podczas łączenia materiału bazowego bez pierwiastków stopowych z materiałem bazowym zawierającym pierwiastki stopowe, należy użyć spoiwa o podwyższonej zawartości stopu, aby rozcieńczenie w metalu spoiny zrównoważyło się lub było bardziej stopowe niż w nierdzewnym metalu bazowym.
Do łączenia stali węglowej ze stalą typu 304 lub 316, a także do łączenia różnych stali nierdzewnych, w większości zastosowań należy rozważyć elektrodę typu 309L. Jeśli wymagana jest wyższa zawartość Cr, należy rozważyć elektrodę typu 312.
Należy pamiętać, że austenityczne stale nierdzewne charakteryzują się współczynnikiem rozszerzalności cieplnej o około 50% większym niż stal węglowa. Po połączeniu, różnice w współczynnikach rozszerzalności cieplnej mogą powodować pękanie z powodu naprężeń wewnętrznych, chyba że zastosuje się odpowiednią elektrodę i metodę spawania.
Stosuj prawidłowe procedury czyszczenia i przygotowania spoiny
Podobnie jak w przypadku innych metali, najpierw usuń olej, smar, oznaczenia i brud rozpuszczalnikiem bezchlorowym. Następnie, podstawową zasadą przygotowania stali nierdzewnej do spawania jest „Unikanie zanieczyszczeń stalą węglową, aby zapobiec korozji”. Niektóre firmy wykorzystują oddzielne budynki dla „warsztatu obróbki stali nierdzewnej” i „warsztatu obróbki stali węglowej”, aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu.
Podczas przygotowywania krawędzi do spawania należy oznaczyć ściernice i szczotki ze stali nierdzewnej jako „wyłącznie ze stali nierdzewnej”. Niektóre procedury wymagają czyszczenia w odległości 5 cm od spoiny. Przygotowanie spoiny jest również bardziej krytyczne, ponieważ kompensacja nierównomierności podczas obróbki elektrodą jest trudniejsza niż w przypadku stali węglowej.
Aby zapobiec rdzewieniu, należy stosować właściwą procedurę czyszczenia po spawaniu.
Na początek przypomnijmy sobie, co sprawia, że stal nierdzewna jest nierdzewna: reakcja chromu z tlenem, która tworzy ochronną warstwę tlenku chromu na powierzchni materiału. Stal nierdzewna rdzewieje z powodu wytrącania się węglików (patrz poniżej) oraz dlatego, że proces spawania nagrzewa metal spoiny do punktu, w którym na powierzchni spoiny może utworzyć się tlenek ferrytyczny. Idealnie wykonana spoina, pozostawiona w stanie jak po spawaniu, może ujawnić „ślady rdzy” na granicach strefy wpływu ciepła w ciągu niecałych 24 godzin.
Aby nowa warstwa czystego tlenku chromu mogła się prawidłowo odbudować, stal nierdzewna wymaga po spawaniu oczyszczenia poprzez polerowanie, trawienie, szlifowanie lub szczotkowanie. Ponownie, należy używać szlifierek i szczotek przeznaczonych do tego celu.
Dlaczego drut spawalniczy ze stali nierdzewnej jest magnetyczny?
Stal nierdzewna w pełni austenityczna jest niemagnetyczna. Jednak temperatury spawania powodują powstawanie stosunkowo dużych ziaren w mikrostrukturze, co powoduje, że spoina jest podatna na pęknięcia. Aby zmniejszyć wrażliwość na pęknięcia na gorąco, producenci elektrod dodają pierwiastki stopowe, w tym ferryt. Faza ferrytyczna powoduje, że ziarna austenitu są znacznie drobniejsze, dzięki czemu spoina staje się bardziej odporna na pęknięcia.
Magnes nie przyklei się do szpuli z austenityczną stalą nierdzewną, ale osoba trzymająca magnes może odczuć lekkie przyciąganie z powodu zalegającego ferrytu. Niestety, niektórzy użytkownicy mogą mieć wrażenie, że ich produkt został błędnie oznaczony lub użyli niewłaściwego spoiwa (zwłaszcza jeśli zerwali etykietę z drucianego koszyka).
Prawidłowa ilość ferrytu w elektrodzie zależy od temperatury pracy danego zastosowania. Na przykład, zbyt duża ilość ferrytu powoduje utratę wytrzymałości spoiny w niskich temperaturach. Zatem spoiwo typu 308 do zastosowań w rurociągach LNG ma liczbę ferrytową od 3 do 6, w porównaniu do liczby ferrytowej standardowego spoiwa typu 308 wynoszącej 8. Krótko mówiąc, spoiwa mogą na pierwszy rzut oka wydawać się podobne, ale drobne różnice w składzie mają istotne znaczenie.
Czy istnieje prosty sposób na spawanie stali nierdzewnych dupleksowych?
Typowe stale nierdzewne duplex charakteryzują się mikrostrukturą składającą się w około 50% z ferrytu i w 50% z austenitu. Mówiąc prościej, ferryt zapewnia wysoką wytrzymałość i pewną odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe, a austenit dobrą udarność. Połączenie tych dwóch faz nadaje stalom duplex ich atrakcyjne właściwości. Dostępna jest szeroka gama stali nierdzewnych duplex, z których najpopularniejszym jest typ 2205; zawiera on 22% chromu, 5% niklu, 3% molibdenu i 0,15% azotu.
Podczas spawania stali nierdzewnej duplex mogą wystąpić problemy, jeśli spoina zawiera zbyt dużo ferrytu (ciepło łuku powoduje, że atomy układają się w osnowie ferrytycznej). Aby to skompensować, spoiwo musi promować strukturę austenityczną poprzez wyższą zawartość stopu, zazwyczaj o 2 do 4% więcej niklu niż w metalu bazowym. Na przykład drut rdzeniowy do spawania typu 2205 może zawierać 8,85% niklu.
Pożądana zawartość ferrytu po spawaniu może wynosić od 25 do 55% (ale może być wyższa). Należy pamiętać, że szybkość chłodzenia musi być wystarczająco wolna, aby umożliwić odtworzenie austenitu, ale nie na tyle wolna, aby utworzyć fazy międzymetaliczne, ani zbyt szybka, aby utworzyć nadmiar ferrytu w strefie wpływu ciepła. Należy postępować zgodnie z zaleceniami producenta dotyczącymi procesu spawania i wybranego spoiwa.
Regulacja parametrów przy spawaniu stali nierdzewnej
W przypadku spawaczy, którzy stale dostosowują parametry (napięcie, natężenie prądu, długość łuku, indukcyjność, szerokość impulsu itp.) podczas spawania stali nierdzewnej, typową przyczyną jest nierównomierny skład spoiwa. Biorąc pod uwagę znaczenie pierwiastków stopowych, różnice w składzie chemicznym między partiami mogą mieć zauważalny wpływ na jakość spoiny, na przykład poprzez słabe zwilżanie lub utrudnione usuwanie żużla. Różnice w średnicy elektrody, czystości powierzchni, odlewie i spirali również wpływają na wydajność spawania metodą GMAW i FCAW.
Kontrola wydzielania węglika spiekanego w stali nierdzewnej austenitycznej
W temperaturach w zakresie 426–871°C, zawartość węgla przekraczająca 0,02% migruje do granic ziaren struktury austenitycznej, gdzie reaguje z chromem, tworząc węglik chromu. Jeśli chrom jest związany z węglem, nie jest on dostępny dla odporności na korozję. W przypadku narażenia na działanie środowiska korozyjnego następuje korozja międzykrystaliczna, która powoduje zatarcie granic ziaren.
Aby kontrolować wydzielanie węglika, należy utrzymywać zawartość węgla na jak najniższym poziomie (maksymalnie 0,04%) poprzez spawanie elektrodami niskowęglowymi. Węgiel można również wiązać za pomocą niobu (dawniej kolumbu) i tytanu, które mają silniejsze powinowactwo do węgla niż chrom. W tym celu stosuje się elektrody typu 347.
Jak przygotować się do dyskusji na temat wyboru spoiwa
Należy co najmniej zebrać informacje na temat przeznaczenia spawanego elementu, w tym środowiska pracy (w szczególności temperatur roboczych, narażenia na czynniki korozyjne i oczekiwanego stopnia odporności na korozję) oraz oczekiwanego okresu użytkowania. Informacje na temat wymaganych właściwości mechanicznych w warunkach pracy, takich jak wytrzymałość, udarność, ciągliwość i zmęczenie, są bardzo pomocne.
Większość wiodących producentów elektrod udostępnia poradniki dotyczące wyboru spoiwa, a autorzy nie mogą przecenić znaczenia tego punktu: warto zapoznać się z poradnikiem dotyczącym zastosowań spoiwa lub skontaktować się z ekspertami technicznymi producenta. Są oni gotowi pomóc w wyborze odpowiedniej elektrody ze stali nierdzewnej.
Aby uzyskać więcej informacji na temat spoiw do stali nierdzewnej firmy TYUE i skontaktować się z ekspertami firmy, odwiedź stronę internetową www.tyuelec.com.
Czas publikacji: 23 grudnia 2022 r.