Stal nierdzewna, to nie tylko metal wytrzymały i elastyczny, ale także estetyczny. Powszechnie używana w celach artystycznych, dekoracyjnych, a także w projektach indywidualnych i produkcji kotłów. Czasami konieczne jest połączenie dwóch lub więcej części ze stali nierdzewnej poprzez spawanie, zarówno w celu naprawy, jak i w trakcie produkcji.
Z zastrzeżeniem pewnych ograniczeń, stale nierdzewne i żaroodporne można spawać metodami topienia i zgrzewania ciśnieniowego stosowanymi w przypadku stali niestopowych i lekkich. Proces spawania stali nierdzewnych i żaroodpornych może się różnić w zależności od przewidywanych właściwości metalu nieszlachetnego, takich jak odporność na korozję i ciepło. Stosowany materiał spawalniczy powinien mieć taki sam skład jak metal nieszlachetny lub powinien mieć wyższą zawartość stopu w przypadku niektórych konkretnych zastosowań.
A1 – Spawanie standardowej austenitycznej stali nierdzewnej
Metal spawalniczy zawiera od 4% do 12% (5 -15 FN) ferrytu delta, dzięki czemu jest odporny na pękanie na gorąco
Jeśli połączenie spawane ma być niemagnetyczne, mieć wysoką odporność na korozję lub mieć wytrzymałość w niskich temperaturach, należy preferować w pełni austenityczne metale spawalnicze.
Proporcje mieszanki z metalem nieszlachetnym powinny być niższe niż 40%, a absorpcja azotu podczas spawania powinna być możliwie niska, aby nie zmniejszać nadmiernie stosunku delta-ferrytu.
Nie należy wykonywać wstępnego wygrzewania, a temperatura pomiędzy przejściami powinna wynosić maksymalnie 150°C.
Zaczątki łuku należy wykonać w obrębie zagięcia spawalniczego.
Ferryt delta jest fazą magnetyczną.
Chociaż austenityczne stale nierdzewne z Cr-Ni można łączyć z austenitycznymi stalami nierdzewnymi z Cr-Ni-Mo, ze względu na odporność na korozję należy preferować materiały spawalnicze o tym samym składzie.
A2 – Spawanie stali nierdzewnych w pełni austenitycznych
Należy zaznaczyć, że tendencja do pękania na gorąco jest duża podczas wykonywania prac spawalniczych na metalach w pełni austenitycznych. Należy również wziąć pod uwagę następujące kwestie.
Miejsce spawania powinno być idealnie czyste i należy unikać przedostawania się do miejsca spawania materiałów powodujących pękanie na gorąco (np. siarki).
Kratery należy wypełnić lub w razie potrzeby usunąć poprzez szlifowanie,
Warstwa graniowa powinna być na tyle gruba, aby zapobiec powstaniu ewentualnych pęknięć podłużnych.
Na etapie projektowania należy unikać tworzenia lokalnych napięć i stosowania materiałów o grubych przekrojach.
Należy unikać dużych kąpieli spawalniczych i dużego dopływu ciepła, aby naprężenia po spawaniu w połączeniach spawanych były niskie, a wielkość ziarna mała. To znaczy,
– Ograniczony dopływ ciepła (maks. 10 -15 kJ/cm).
– Wykonywanie płaskich ściegów spoiny lub bardzo ograniczonych oscylacji,
– Niewykonanie wstępnego podgrzewania oznacza, że temperatura pomiędzy przejściami wynosi maksymalnie 130°C (150).
F – A – Spawanie ferrytyczno-austenitycznych stali nierdzewnych
Tego typu stale z dwiema fazami, takimi jak „ferryt delta” i „austenit”, nazywane są „stalami nierdzewnymi duplex”. Stale te można łączyć za pomocą spawania. Połączenia spawane mogą pracować tylko w temperaturze do 250°C. Ich wytrzymałość zmniejsza się w temperaturze od 250°C do 900°C z powodu tworzenia się delikatnych faz w temperaturze 475°C.
Zawartość niklu w materiałach spawalniczych o takim samym stosunku stopu azotu i metalu nieszlachetnego jest nieco wyższa niż w metalu nieszlachetnym, aby ograniczyć stosunek ferrytu delta w metalu spoiny. W przypadku połączeń wykonanych ze stali nierdzewnych o niskiej zawartości niklu, zawartość mieszaniny powinna być niższa niż 40%. Spawanie bez użycia dodatkowego metalu jest możliwe tylko wtedy, gdy zostanie przeprowadzona obróbka przesycająca i odpowiednio hartowanie.
Spawanie powinno odbywać się bez wyżarzania wstępnego, a temperatura pomiędzy przejściami nie powinna przekraczać 250°C (dla stali zawierających prawie 23% Cr) lub 150°C (dla stali zawierających prawie 25% Cr).
Można wybrać nieco wyższe doprowadzenie ciepła w porównaniu do austenitycznych stali nierdzewnych. Spawanie z dopływem ciepła 5 – 25 kJ/cm dla stali zawierających 23% Cr i 2 – 15 kJ/cm dla stali zawierających 25% Cr jest możliwe w zależności od wybranej metody spawania i grubości materiału.
Stale zawierające dużą ilość ferrytu delta są podatne na pękanie wodorowe. Dlatego też absorpcję wodoru podczas spawania należy utrzymywać na jak najniższym poziomie (elektrody należy przed użyciem wysuszyć i nie stosować gazów zawierających wodór).
F1 – Spawanie stali nierdzewnych z półferrytycznym Cr
Metale spawalnicze o tym samym składzie chemicznym i obszarach pod wpływem ciepła mogą mieć strukturę martenzytyczną lub odpuszczoną.
Temperatura pomiędzy przejściami i wyżarzaniem przed spawaniem powinna wynosić od 200°C do 300°C.
Proces wyżarzania po spawaniu w temperaturze 700 – 800°C zapewnia odpuszczenie martenzytów, węgliki chromu zaokrąglenie i hartowanie oraz zwiększoną odporność na korozję międzyziarnową.
Ze względu na ryzyko powstawania pęknięć zimnych, absorpcję wodoru podczas spawania należy utrzymywać na niskim poziomie (elektrody należy przed użyciem wysuszyć i nie stosować gazów zawierających wodór).
Jeżeli pożądane jest, aby kolor i rozszerzalność cieplna były takie same jak metalu nieszlachetnego, należy zastosować dodatkowy metal o tym samym składzie i niezawierający niklu.
Jeżeli wymagana jest wysoka ciągliwość metalu spoiny i nie jest możliwe wykonanie obróbki cieplnej po spawaniu, można zastosować materiał spawalniczy inny niż metal nieszlachetny (taki jak austenityczna stal nierdzewna lub stop Ni-Cr).
spawanie nierdzewki
F2 – Spawanie stali nierdzewnych z w pełni ferrytycznym Cr
W pełni ferrytyczne stale nierdzewne są podatne na powiększanie ziaren w temperaturach powyżej 950
°C. Ta wielkoziarnista struktura powoduje spadek wytrzymałości, a wytrzymałości nie można przywrócić do tego samego poziomu w żadnym procesie obróbki cieplnej.
Dlatego spawanie należy wykonywać przy niskim dopływie ciepła (niski prąd spawania, użycie elektrody o małej średnicy, spawanie płaskie lub o niskiej oscylacji).
Temperatura przejścia ciągliwego w kruchy mierzona za pomocą testu impulsu karbowego jest zbliżona do temperatury pokojowej w przypadku ferrytycznych stali nierdzewnych. Temperatury wyżarzania wstępnego i międzyściegowego powinny wynosić 200-300°C, aby utrzymać napięcie i pękanie po spawaniu w obszarze oddziaływania ciepła.
Ze względu na ryzyko powstawania pęknięć zimnych, absorpcję wodoru podczas spawania należy utrzymywać na niskim poziomie (elektrody należy przed użyciem wysuszyć i nie stosować gazów zawierających wodór).
Spawanie wieloprzejściowe jest preferowane w przypadku stosowania bardzo wytrzymałych materiałów spawalniczych o różnym składzie chemicznym (stopy austenityczne lub Ni-Cr). Jeśli pożądane jest dopasowanie koloru do metalu podstawowego lub pożądane jest, aby metal spoiny zawierał niższą zawartość niklu, warstwę spawalniczą tworzy się z materiału spawalniczego mającego ten sam skład co metal nieszlachetny.
Wyżarzanie w temperaturze 700-800°C zwiększa wytrzymałość obszaru oddziaływania ciepła i metalu spoiny, zmniejsza napięcie szczątkowe po spawaniu i podnosi odporność na korozję międzyziarnową do poprzedniego poziomu.
M – Spawanie stali nierdzewnych z martenzytem Cr
Stale te mają właściwości utwardzania na powietrzu i ograniczone możliwości spawania. Należy wybrać temperatury wyżarzania wstępnego i międzywarstwowego wynoszące 200-300°C, aby utrzymać niską wytrzymałość w obszarze wpływu ciepła.
Stale zawierające więcej węgla niż 0,2% nie nadają się na konstrukcje spawane.
Proces odpuszczania wykonywany w temperaturze 700°C bezpośrednio po spawaniu zwiększa wytrzymałość złącza spawanego i zmniejsza napięcia szczątkowe po spawaniu.
Ze względu na ryzyko powstawania pęknięć zimnych, absorpcję wodoru podczas spawania należy utrzymywać na niskim poziomie (elektrody należy przed użyciem wysuszyć i nie stosować gazów zawierających wodór).
Jeśli pożądany jest metal spawalniczy, który ma ten sam kolor co metal podstawowy i który nie zawiera niklu, warstwę spoiny można wykonać z materiału spawalniczego o tym samym składzie.
Austenityczne materiały spawalnicze o różnym składzie wg. Do stali wysokowęglowych stosuje się normy DIN 8556, można stosować także materiały spawalnicze ze stopów Ni-Cr wg. zgodnie z DIN 1736.
Spawanie miękkich martenzytycznych stali nierdzewnych z Cr-Ni
Ilość węgla ograniczona do 0,05% zapewnia ciągliwą fazę martenzytyczną w obszarze oddziaływania ciepła i na metalu nieszlachetnym o tym samym składzie.
W przypadku materiałów grubowarstwowych wyżarzanie wstępne powinno odbywać się w temperaturze 100°C, a temperatura międzyściegowa powinna wynosić 100 – 150°C.
Ze względu na ryzyko powstawania pęknięć zimnych, absorpcję wodoru podczas spawania należy utrzymywać na niskim poziomie (elektrody należy przed użyciem wysuszyć i nie stosować gazów zawierających wodór).
Materiały spawalnicze mające ten sam skład co metal nieszlachetny dają metal spawalniczy zawierający 0,04% węgla i 5% ferrytu delta.
Odpuszczanie po spawaniu w temperaturze 580-620°C zwiększa ciągliwość.
Wykonywanie udanej spoiny na stali nierdzewnej wymaga specjalistycznych umiejętności i wiedzy. Poniżej przedstawiamy różne opcje spawania stali nierdzewnej.
Stal nierdzewna, po raz pierwszy wyprodukowana w 1913 roku, to materiał wykonany z podstawowej stali niskowęglowej, wzbogacony chromem, nikiel i molibdenem. W zależności od procentowej zawartości stopów, wyróżniamy cztery główne kategorie: austenityczną, ferrytyczną, martenzytyczną oraz duplex.
Najczęściej spotykane są austenityczne stale nierdzewne, takie jak stal nierdzewna 304 i 316 (lub ich odpowiedniki według normy AISI), a także odwołujące się do normy europejskiej EN 10088-1.
Maszyny obsługujące automatyczne procesy spawalnicze:
Spawanie stołowe/automatyczne plazmowe i TIG
Spawanie robotyczne
Stal nierdzewną można również lutować przy użyciu prętów zawierających 40% srebra. Chociaż technika ta jest droższa, oferuje lepsze efekty pod względem estetyki i wytrzymałości złączonych elementów.
Ręczne spawanie stali nierdzewnej
Przed przystąpieniem do spawania należy zadbać o bezpieczeństwo. Obejmuje to noszenie rękawic, automatycznej maski spawalniczej, maski oddechowej, fartucha spawalniczego, rękawów ochronnych i butów ochronnych. Ważne jest także odpowiednie zabezpieczenie elementów przed przesuwaniem się w trakcie spawania.
W przypadku spawania łukowego MMA, spoinę wykonuje się elektrodą otuloną, dostosowując rodzaj elektrody do materiałów łączonych. Proces opiera się na wykorzystaniu łuku elektrycznego, generującego znaczne ciepło, co umożliwia stopienie metali i ich skuteczne połączenie. Zaleca się staranne przygotowanie stanowiska spawalniczego, a także odpowiednie praktyki bezpieczeństwa.
spawanie nierdzewki
Spawanie metodą TIG
Spawanie TIG (Tungsten Inert Gas) jest uważane za najbardziej odpowiednią metodę ręcznego spawania stali nierdzewnej. Doskonale nadaje się do precyzyjnych spoin, zwłaszcza w trudno dostępnych miejscach. Choć to metoda droższa, wymaga gazu argonowego i odpowiednich parametrów maszyny TIG.
Podczas spawania TIG, jedną ręką trzyma się pochodnię, a drugą zanurza pręt wypełniający. Pręt ten musi być kompatybilny z łączonymi elementami. Proces ten wymaga precyzyjnego kontrolowania palnika, a także dostosowania prędkości i ruchu podczas spawania.
Spawanie metodą MIG
Spawanie MIG (Metal Inert Gas) znajduje zastosowanie głównie do łączenia grubych części ze stali nierdzewnej. Mniej precyzyjne niż TIG, jest jednak bardziej ekonomiczne. Wymaga drutu ze stali nierdzewnej i gazu argonowego.
Podczas spawania MIG, palnikem można operować jedną ręką, a drut samoczynnie topi się podczas spawania. Dobra spoina wymaga utrzymania odpowiedniego kąta palnika, równomiernego ruchu i dokładnego przygotowania stanowiska przed pracą.
Spawanie palnikiem
Spawanie palnikowe stali nierdzewnej jest odradzane jako przestarzała metoda. Wyniki są często rozczarowujące, a proces ten jest trudny ze względu na specyficzne właściwości stali nierdzewnej. Odpowiednie ustawienia płomienia i zastosowanie środka ściągającego są kluczowe, ale metoda ta jest skomplikowana i niewielu fachowców ją stosuje.
SAW – Łuk kryty – Spawanie pod topnikiem
Proces SAW (Submerged Arc Welding) oparty jest na łuku elektrycznym, jednak jest to metoda automatyczna. Łuk ten jest zanurzony i pokryty granulowanym topnikiem, co eliminuje konieczność stosowania gazu. Jest uniwersalny i stosowany głównie do spoin wzdłużnych i obwodowych w konstrukcjach rur i zbiorników ciśnieniowych ze stali nierdzewnej.
spawanie nierdzewki
Więcej na temat spawania stali nierdzewnej:
Jaka temperatura jest potrzebna do spawania stali nierdzewnej?
Temperatura spawania stali nierdzewnej zależy od konkretnego stopu, ale ogólnie oscyluje w zakresie od 1600°C do 1750°C. W praktyce, temperatura ta jest kontrolowana poprzez zastosowanie specjalistycznych urządzeń spawalniczych, takich jak łuki TIG (Wolfram Inert Gas) lub MIG (Metal Inert Gas), gdzie temperatura topnienia elektrody i dodatku spawalniczego pozwala na precyzyjne kontrolowanie procesu.
Jak wygląda proces spawania stali nierdzewnej?
Proces spawania stali nierdzewnej obejmuje przygotowanie powierzchni, ustawienie odpowiednich parametrów spawalniczych (np. prądu, napięcia, prędkości spawania) i zastosowanie odpowiedniej metody spawania (TIG, MIG, itp.). W trakcie spawania, ciepło generowane przez łuk elektryczny powoduje stopienie materiałów bazowych oraz dodatku spawalniczego, co prowadzi do utworzenia połączenia spawanego.
Jakie jest maksymalne doprowadzenie ciepła dla austenitycznej stali nierdzewnej?
Maksymalne doprowadzenie ciepła dla austenitycznej stali nierdzewnej jest kluczowym elementem, aby uniknąć utwardzania oraz utraty odporności na korozję. W przypadku spawania tej grupy stali, istotne jest utrzymanie niskiej strefy wpływu cieplnego (HAZ – Heat Affected Zone) poprzez kontrolę prędkości spawania, przewodu spawalniczego oraz odpowiednie chłodzenie.
Jaki jest główny problem powodowany przez spawanie stali nierdzewnej?
Głównym problemem związanym ze spawaniem stali nierdzewnej jest ryzyko utleniania i korozji w obszarze HAZ. W wyniku nagłego schładzania w procesie spawania, może dojść do utworzenia wrażliwych obszarów na korozję. Dlatego też, konieczne jest stosowanie odpowiednich gazów osłonowych, kontroli parametrów spawalniczych oraz ewentualnego termicznego obróbki po spawaniu, aby zminimalizować te problemy i zachować właściwości stali nierdzewnej.
