Metody spawania stali nierdzewnych.

Transkrypt

1 Metody spawania stali nierdzewnych. Procesy spawalnicze są najbardziej rozwiniętą i ugruntowaną technologią łączenia, powszechnie wykorzystywaną przy wytwarzaniu wyrobów ze stali nierdzewnych. Znajomość różnych, powszechnie dostępnych metod spawalniczych pozwala na optymalne dobranie procesu łączenia poszczególnych części w zależności od charakteru produkcji. Niniejsze opracowanie nie wyjaśnia dogłębnie wszystkich dostępnych metod stosowanych w łączeniu metali, lecz pozwala na znaczne przybliżenie znajomości poszczególnych procesów spawalniczych. Spawalność stali odpornych na korozję Wg Europejskiego Stowarzyszenia Rozwoju Stali Nierdzewnych Euro-Inox spawalność stali odpornych na korozję można scharakteryzować następująco: Austenityczne stale nierdzewne: Fe-Cr-Ni (Mo)-(N) Struktury zawierające kilka procent ferrytu (często spotykane) Niepodatne na gorące pękanie Dobra odporność na korozję międzykrystaliczną w przypadku gatunków niskowęglowych i stabilizowanych. Doskonała udarność i ciągliwość Kruchość może pojawić się po dłuższej ekspozycji na działanie temperatury między 550 C a 900 C z powodu rozkładu ferrytu tworzącego fazę sigma. Struktury w pełni austenityczne (wyjątkowe) Podatne na gorące pękanie w trakcie krzepnięcia Dobra odporność na korozję międzykrystaliczną w przypadku gatunków niskowęglowych i stabilizowanych Doskonała udarność i ciągliwość. Ferrytyczne stale nierdzewne: Fe-Cr-(Mo-Ni-V) Gatunki półferrytyczne: 0,04% C - 17% Cr Skłonne do wzrostu kruchości w wyniku rozrostu ziarn w temperaturze powyżej 1150 C Niska udarność i ciągliwość Skłonne do korozji międzykrystalicznej Obróbka cieplna w temperaturze około 800 C przywraca własności mechaniczne i odporność na korozję międzykrystaliczną. Gatunki ferrytyczne: 0,02% C 17-30% Cr (stabilizowane Ti, Nb) Podatne na kruchość poprzez rozrost ziarn powyżej 1150 C Zadowalająca ciągliwość oraz lepsza udarność w porównaniu z gatunkami półferrytycznymi Zazwyczaj niewrażliwe na rozrost ziarna. Stale nierdzewne austenityczno-ferrytyczne typu Duplex: Fe-Cr-Ni (Mo)-N Niepodatne na gorące pękanie Doskonała udarność i dobra ciągliwość w zakresie od 40 C do 275 C 1

2 Podatne na wzrost kruchości w wyniku obecności fazy sigma, gdy zostaną poddane działaniu temperatury między 500 C a 900 C. Stale nierdzewne martenzytyczne: Fe-Cr-(Mo-Ni-V) Podatne na pękanie na zimno, w zależności od zawartości węgla i wodoru oraz poziomu naprężenia pozostającego, w temperaturze poniżej około 400 C (zaleca się zazwyczaj wstępne podgrzewanie i wygrzewanie po spawaniu) Wysoka wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Dobra udarność, szczególnie w przypadku gatunków niskowęglowych. Powyższe dane dla najpowszechniej stosownych gatunków zestawiono w poniższej tabeli. Grupa Gatunek Spawalność, charakterystyka Austenityczne nierdzewne Austenityczne żaroodporne / 304 spawalna / 304L spawalna, o obniżonej zawartości węgla ograniczone wytrącanie węgliku podczas spawania, duża odporność na korozję w miejscach spawania, nie wymaga wyżarzania / 304L spawalna, o obniżonej zawartości węgla / 316L spawalna, o obniżonej zawartości węgla / 316Ti / 321 spawalna, stabilizowana tytanem, dobra odporność na korozję międzykrystaliczną spawalna, podobna do AISI 304, stabilizowana tytanem, dobra odporność na korozję międzykrystaliczną / 904L spawalna / / 310/314 spawalna, obróbka cieplna po spawaniu i podgrzewanie przy spawaniu nie wymagane spawalna, obróbka cieplna po spawaniu i podgrzewanie przy spawaniu nie wymagane Ferrytyczne nierdzewne / 410S spawalna, zalecane wyżarzanie w temp C / 430 trudno spawalna, zalecane wyżarzanie w temp C Ferrytyczne żaroodporne / 446 utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp C utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp C utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp C 2

3 Martenzytyczne nierdzewne / 410 spawalna / / 420F niespawalna trudno spawalna, przed spawaniem konieczne podgrzewanie, po spawaniu wyżarzanie zmiękczające lub ulepszanie cieplne Spawanie łukowe w osłonie gazu obojętnego przy zastosowaniu nietopliwej elektrody wolframowej z osłoną łuku gazem dostarczanym z zewnątrz GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) / TIG (Tungsten Inert Gas). Spawanie TIG jest jednym z podstawowych procesów stosowanych do wytwarzania konstrukcji, zwłaszcza ze stali wysokostopowych. Metodę tę stosuje się do wykonywania połączeń w szerokim zakresie grubości łączonych elementów od dziesiątych części milimetra do nawet kilkuset. Metodą tą można wykonywać połączenia w sposób ręczny, półautomatyczny oraz automatyczny dzięki czemu doskonale sprawdza się w warunkach warsztatowych i montażowych, we wszystkich pozycjach spawania. Urządzenia do spawania metodą TIG są tanie i łatwe w obsłudze. Schemat spawania łukowego metodą TIG. 3

4 Podstawowe parametry procesu spawania TIG: - rodzaj i natężenie prądu [A], - napięcie łuku [V], - prędkość spawania [m/min], - rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min], - rodzaj materiału i średnica elektrody nietopliwej, - średnica (wymiary) materiału dodatkowego. Oznaczenia elektrod wolframowych firmy PLANSE TYP ELEKTRODY RODZAJ PRĄDU TYPOWE ZAKRESY ZASTOSOWAŃ ZALETY SPAWALNICZE Elektroda GOLDplus (1,5 % lantanu) "złota" AC/DC -stale nisko i wysokostopowe -stopy aluminium -stopy magnezu -stopy tytanu -stopy niklu -stopy miedzi -bardzo dobre właściwości zapłonu i ponownego zapłonu -wysoka trwałość -znakomita w zakresie prądu wysokiego -wysoka stabilność łuku elektrycznego -wysoka jakość spawu -zastępuje z powodzeniem WT Elektroda WC20 (2,0 % ceru) "szara" AC/DC -jak GOLDplus -bardzo dobre właściwości zapłonu i ponownego zapłonu -znakomita w zakresie prądu niskiego -wysoka trwałość -wysoka stabilność łuku elektrycznego -zastępuje z powodzeniem WT Elektroda WL 10 (1,0 % lantanu) "czarna" AC/DC -jak GOLDplus -dobre właściwości zapłonu i ponownego zapłonu Elektroda W (100 % wolframu) "zielona" AC -stopy aluminium -stopy magnezu -stabilny łuk elektryczny przy AC -nie nadaje się do DC Elektroda WT 20 (2,0 % toru) "czerwona" DC -stale nisko i wysokostopowe -stopy tytanu -stopy niklu -stopy miedzi -dobre właściwości zapłonu i ponownego zapłonu -możliwe zagrożenie zdrowia przy nieumiejętnym posługiwaniu się -nie nadaje się do AC -może być zastąpiona przez WC 20 i GOLDplus Spawanie metodą GTAW/TIG przebiega z wykorzystaniem prądu stałego lub przemiennego. Prądem stałym można spawać z biegunowością ujemną (elektroda podłączona do bieguna ujemnego) lub dodatnią. Spawanie z biegunowością ujemną stosuje się przy osłonie argonu lub helu. Takie podłączenie jest stosowne do spawania prawie wszystkich metali. 4

5 Dodatnia biegunowość elektrody powoduje jej silne nagrzewanie co wymaga stosowania elektrod o większych średnicach oraz ogranicza natężenie prądu spawania. Zaletą takiego podłączenia jest powstanie zjawiska katodowego czyszczenia metalu w miejscu wykonywania połączenia. Spawanie prądem przemiennym, przy biegunowości dodatniej umożliwia wykorzystanie zjawiska rozpylania warstwy tlenków bez specjalnych ograniczeń prądowych. Nowoczesne urządzenia spawalnicze pozwalają na spawanie prądem stałym pulsującym z wykorzystaniem biegunowości ujemnej. Dzięki impulsowemu przebiegowi prądu spawania spoina składa się z kolejnych zachodzących na siebie spoin punktowych. Odpowiednie dobranie parametrów spawania pozwala na znaczne ograniczenie naprężeń i odkształceń spawalniczych co pozwala na wyeliminowanie zabiegów cieplnych po spawaniu. Metoda GTAW/TIG z pulsującym przebiegiem prądu jest najefektywniejszym sposobem łączenia blach o grubościach do 3mm. Zalecane zakresy natężania prądu spawania oraz wymiary stożkowej końcówki elektrod stopowych: W+Th, W+Ce, W+La przy spawaniu prądem stałym w osłonie argonu. Średnica stępienia Średnica Kąt stożka Zakres natężeń Zakres natężeń prądu wierzchołka elektrody końcówki elektrody prądu stałego impulsowego końcówki [ ] [A] [A] 1,0 12 0, ,0 20 0, ,6 25 0, ,6 30 0, ,4 35 0, ,4 45 1, ,2 60 1, ,2 90 1, Warunki technologiczne spawania GTAW prądem pulsującym we wszystkich pozycjach złączy doczołowych blach ze stali austenitycznych typu 18-8 w osłonie argonu, bez użycia materiału dodatkowego. Natężenie Skok spoin Grubość Czas impulsu Natężenie Czas przerwy t blachy prądu t p prądu punktowych i prądu impulsu [s] podstawowego S [s] [A] [A] 0,4 0,04-0,12 0,1114-0, ,0-1,8 0,8 0,12-0,26 0,24-0, ,2-1,8 2,0 0,20-0,38 0,2-0, ,2-2,0 3,0 0,28-0,45 0,16-0, ,5-2,5 Uwagi: Natężenie przepływu argonu 6-8 l/min. Zalecana osłona gazowa grani argonem o natężeniu przepływu 3-4 l/min. Blachy muszą być przygotowane dokładnie na styk. Gazy ochronne Podstawowe gazy ochronne stosowane do spawania GTAW/TIG to gazy obojętne: Argon, Hel lub ich mieszanki, ewentualnie z domieszką wodoru. Niekiedy do gazu obojętnego dodawany jest azot, który jest odpowiedzialny za podwyższenie temperatury łuku i umożliwienie spawania z dużymi prędkościami spawania. 5

6 Gaz ochronny ma za zadanie nie tylko osłaniać elektrodę nietopliwą i obszar spawania przed dostępem atmosfery, ale decyduje również o napięciu łuku, kształcie spoiny a nawet składzie chemicznym stopiwa. Podstawowymi właściwościami fizycznymi gazów ochronnych, decydującymi o ich wpływie na proces spawania GTAW/TIG są: - energia jonizacji, - przewodnictwo cieplne, - ciężar właściwy, - punkt rosy, -dysocjacja i rekombinacja gazu. Zastosowanie określonego gazu ochronnego w zależności od zastosowanej metody spawania pozwala na uzyskanie optymalnych parametrów spawania jak i samego połączenia. Zalecane rodzaje gazów ochronnych do spawania GTAW/TIG stali austenitycznych. Rodzaj Rodzaj gazu procesu ochronnego spawania Opis podstawowych właściwości ręczny Ar ułatwione przetopienie cienkich blach Ar+He zwiększone głębokości przetopienia i prędkości spawania automatyczny Ar+max35% H 2 unika się podstopień, wymagane jest mniejsze natężenie przepływu niż czystego Ar He największe głębokości przetopienia i energie liniowe spawania W celu uniknięcia zanieczyszczenia powietrzem silnie nagrzanego metalu spoiny od strony grani należy zapewnić dodatkową osłonę gazową tego obszaru. Jako gaz ochronny stosuje się azot, argon lub hel. Zalecane natężenie przepływu gazu ochronnego wynosi od 0,5 do 30 l/min w zależności od kształtu złącza i rodzaju spawanej konstrukcji. Główne zalety metody GTAW/TIG zastosowanej do stali nierdzewnych można podsumować w sposób następujący: - skoncentrowane źródło ciepła powodujące powstanie wąskiej strefy stopienia, - bardzo stabilny łuk i spokojne, niewielkie jeziorko spawalnicze; nie ma rozprysków i ponieważ nie ma potrzeby stosowania topnika w tej metodzie, wyeliminowane są pozostałości utleniania, co upraszcza znacznie problem końcowego czyszczenia, - doskonała jakość metalurgiczna z dokładną kontrolą wtopienia i kształtu spoiny we wszystkich pozycjach spawania, - dobre spoiny wolne od porów, - bardzo małe zużycie elektrod, - łatwość opanowania techniki spawania. 6

7 Spawanie łukowe nietopliwą elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych - PAW (Plasma Arc Welding) Do wytworzenia plazmy czyli zjonizowanego gazu wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej temperatury. Spawanie może być prowadzone przy użyciu elektrody nietopliwej (metoda plazmowa GTA) i elektrody topliwej (metoda plazmowa GMA). Plazmą łuku spawalniczego jest gaz nagrzany do stanu, w którym jest on przynajmniej częściowo zjonizowany i dzięki temu zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego. Temperatury występujące w łuku w metodzie TIG są rzędu 6000 C, a kolumna łuku ma kształt stożka, natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania poza zawężeniem łuku jest wzrost jego temperatury do około C. Gaz ten wypływając z dyszy jako zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania z oczkiem. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym odkształceniu po spawaniu. Uzyskiwane prędkości spawania są o 40 80% wyższe niż przy metodzie TIG. Spawanie plazmowe znalazło zastosowanie m.in. przy spawaniu rur. Ale większe rozpowszechnienie zyskała odmiana niskoprądowa jako spawanie mikroplazmowe, szczególnie korzystne przy łączeniu bardzo cienkich blach o grubościach od 0,1 mm. Parametry spawania w metodzie spawania plazmowego GTA - rodzaj i natężenie prądu [A], - napięcie łuku [V] i odległość dyszy od spawanego przedmiotu, - prędkość spawania [m/min], - rodzaj i natężenie przepływu gazu plazmowego [l/min], - rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min], - rodzaj i średnica elektrody wolframowej, -kształt i wymiary dyszy plazmowej. Metoda spawania plazmowego GTA w stosunku do klasycznego spawania GTA wykazuje szereg zalet : - większa koncentracja energii liniowej i sprawności łuku, - zwiększona stabilność łuku, - możliwość regulacji prędkości i kształtu strumienia plazmy, - znaczne większe prędkości spawania, - wąskie ściegi o dużej głębokości przetopienia, zapewniające mniejsze odkształcenia i naprężenia spawalnicze. Spawanie plazmowe może być przeprowadzone przy użyciu prądu stałego lub przemiennego. Podobnie jak w metodzie TIG możemy spawać prądem z biegunowością dodatnią lub ujemną. W celu poprawy jakości złączy w metodzie spawania plazmowego wykorzystuje się również spawanie prądem stałym impulsowym. 7

8 Podstawowe zalety spawania plazmowego GTA prądem pulsującym w stosunku do spawania prądem ciągłym są następujące: - krótszy czas krzepnięcia spoiny, a więc mniejsza możliwość zanieczyszczenia spoiny gazami a atmosfery lub gazami dyfundującymi z materiału rodzimego, - stopiwo ma strukturę bardziej drobnoziarnistą o regulowanej wielkości i orientacji ziaren, - mniejsza skłonność spoiny do pęknięć gorących, - mniejsze naprężenia oraz odkształcenia spawalnicze. Gazy plazmowe i ochronne W metodzie spawania plazmowego używa się gazów bądź ich mieszanin takich jak w metodzie TIG. Z zasady jako gaz ochronny wykorzystuje się ten sam gaz co gaz plazmowy. W celu ochrony grani spoiny stosuje się nadmuch gazem ochronnym od strony grani spoiny. Zalecane gazy plazmowe i ochronne do spawania plazmowego GTA techniką z oczkiem spoiny oraz techniką z jeziorkiem spoiny przy spawaniu stali odpornych na korozję. Grubość złącza Technika z oczkiem spoiny Technika z jeziorkiem spoiny <1,6 Ar 75% He +25% Ar He Ar +1-5% H 2 Ar +1-5% H 2 1,6-3,2 Ar 92,5% Ar + 7,5%H 2 Ar >3,2 Ar 95%Ar + 5%H 2 75% He +25% Ar Wadą spawania plazmowego jest konieczność dokładnego przygotowania złączy przed spawaniem, oraz droższe urządzenia. Metoda ta stosowana jest głównie do półautomatycznego i automatycznego wykonywania połączeń. Spawanie łukowe przy zastosowaniu ciągłej elektrody metalowej, osłona łuku gazem dostarczanym z zewnątrz - GMAW (Gas Metal Arc Welding) W metodzie GMAW, znanej również jako metoda MIG (Metal Inert Gas- spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazowej), ciepło spawania jest wytwarzane przez łuk zajarzony pomiędzy podawanym w sposób ciągły metalowym drutem elektrodowym a elementem spawanym. W przeciwieństwie do metod spawania GTAW i PAW, elektroda tutaj zużywa się, a łuk jarzy się w osłonie gazu ochronnego pomiędzy topliwym drutem spawalniczym a elementem spawanym. 8

9 Podstawowe cechy tej metody to : - zastosowanie bardzo dużej gęstości prądu w drucie elektrodowym (> 90 A/mm2), około 10 razy większej niż w metodzie spawania elektrodą otuloną (SMAW), - szybkie topienie się drutu elektrodowego (prędkość topienia wynosi około 8 m/min) z racji wysokiej temperatury łuku wymaga stosowania automatycznego podawania drutu ze szpuli o ciężarze 12 kg, - stale nierdzewne spawa się zawsze prądem stałym przy biegunowości dodatniej (DCEP lub DCRP); biegun dodatni generatora podłączony jest do elektrody, - uchwyt spawalniczy jest zazwyczaj trzymany w ręku (tak zwana metoda półautomatyczna ), lecz dla wysokiej mocy spawania jest on zamocowany do wózka (metoda automatyczna ). Schemat spawania MIG/MAG Podstawowymi parametrami spawania MIG/MAG są: - rodzaj i natężenie prądu [A], - napięcie łuku [V], - prędkość spawania [m/min], - rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min], - średnica drutu elektrodowego, - długość wolnego wylotu elektrody, - prędkość podawania drutu elektrodowego [mm/s]. Mechanizm przenoszenia metalu w łuku jest istotnym parametrem procesu i rozróżnia się tutaj jego trzy zasadnicze rodzaje : - Sposób spawania łukiem krótkim lub ze zwarciowym przenoszeniem metalu, w którym metal topi się tworząc duże krople o średnicy często większej niż średnica drutu elektrodowego. Gdy na końcu elektrody tworzy się kropla, styka się ona z jeziorkiem spawalniczym i tworzy zwarcie z nagłym wzrostem prądu. Napięcie powierzchniowe powoduje efekt ściśnięcia, który oddziela kroplę od elektrody. Częstotliwość tego zjawiska jest rzędu od 20 Hz do 100 Hz, co odpowiada czasowi cyklu od 0,01 s do 0,05 s. - Sposób przenoszenia kroplowego lub grawitacyjnego. Podobnie jak w poprzednim przypadku, topienie odbywa się w postaci dużych kropli, które odrywają się, gdy ich ciężar jest wystarczający dla pokonania sił 9

10 napięcia powierzchniowego i z racji większej długości łuku spadają swobodnie zanim zetkną się z jeziorkiem spawalniczym. - Sposób przenoszenia natryskowego obejmuje gęstości prądu powyżej pewnego poziomu przejścia, rzędu 200 A/mm2. Elektroda topi się dając strumień małych kropelek. Gdy gęstość prądu dalej się zwiększa, koniec elektrody staje się stożkowy i strumień jeszcze mniejszych kropelek uwalnia się osiowo. Metoda spawania GMAW wymaga gazu ochronnego aby zapobiec utlenianiu w łuku spawalniczym. Argon z dodatkiem 2% tlenu (O2) daje stabilny łuk i nadaje się do większości zastosowań. Argon z dodatkiem 3% dwutlenku węgla (CO2) przynosi podobny wynik. Prędkość spawania i głębokość wtopienia można czasami zwiększyć przez dodanie helu (He) i wodoru (H 2 ) do mieszanki argon + O2 lub argon + CO2, jako gazu ochronnego. Gazy o większej zawartości CO2 (metoda MAG) mają tendencję do znacznego nawęglania jeziorka spawalniczego łącznie z utlenianiem chromu. Z tego więc powodu nie są one zalecane. Zalecane warunki technologiczne spawania jednostronnego półautomatycznego GMA złączy doczołowych blach ze stali odpornych na korozj. Gruboś Prędkość Sposób Średnica Natężenie Napięcie Prędkość ć Liczba podawania przygotowania drutu prądu łuku spawania blachy ściegów drutu złącza [A] [V] [m/min] [mm/s] Doczołowe * 1,6 0, ,3 15 0,5-0,54 ukosowane na I G=0mm 2,0 0, ,6 15 0,3-0,32 Doczołowe ** ukosowane na I 3,2 1, ,8 24 0,5-0,54 G=0mm Doczołowe ** ukosowane na V60 6,4 1, ,5 26 0,5-0,54 G=0mm Doczołowe ** ukosowane na Y60 G=0mm H=1,6 9,5 1, , ,5 2, ,5 28 0,38-0,43 0,38-0,43 Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią. * - spawanie we wszystkich pozycjach łukiem zwarciowym w osłonie Ar +25%CO 2 lub Ar + 2%O 2 z natężeniem przepływu 8-10l/min; ** - spawanie w pozycji podolnej łukiem natryskowym w osłonie Ar + 1%O 2 o natężeniu przepływu l/min, G odstęp między blachami, H wysokość progu, Rozmiar kropli i wielkość wtopienia zmieniają się w zależności od gatunku stali elementu spawanego (ferrytyczna, austenityczna itp.), rodzaju złącza, sposobu przenoszenia metalu oraz kwalifikacji spawacza. Dla złączy czołowych ze spoinami V i I spawanych jednym przejściem, normalny zakres grubości elementów wynosi od 1,0 mm do 5,0 mm. 10

11 Zalecane warunki technologiczne spawania półautomatycznego GMA łukiem zwarciowym złączy teowych i zakładkowych blach ze stali odpornych na korozję Prędkość Grubość Długość Natężenie Napięcie Prędkość Liczba podawania blachy boku spoiny prądu łuku spawania ściegów drutu [A] [V] [m/min] [mm/s] 1,6 1, ,3 15 0,43-0,48 2,0 2, ,6 15 0,33-0,38 2,4 2, ,5 17 0,35-0,40 3,2 3, ,6 17 0,35-0,40 Uwaga: Metoda GMAW jest często określana jako spawanie MIG. Metody spawania MIG i MAG są często niewłaściwie rozumiane. W rzeczywistości, w metodzie MIG, utleniający charakter gazu jest nieznaczny, natomiast jest on wyraźnie zwiększony w metodzie MAG. Jednakże, w metodzie GMAW/MIG często potrzebny jest w gazie ochronnym (argon) niski procent tlenu lub dwutlenku węgla, aby poprawić zarówno stabilność łuku, jak i zwilżanie stopionym metalem. Normalne zawartości to : 2% O2 lub 3% CO2. Wyższe ilości O2 i CO2 powodują nadmierne utlenianie chromu (Cr), manganu (Mn) i krzemu (Si) oraz nadmierne nawęglanie jeziorka spawalniczego. Na przykład, zawartość węgla w metalu spoiny, która wynosi 0,025% dla gazu ochronnego zawierającego 2% CO2, mogłaby osiągnąć 0,04% przy zawartości 4% CO2. Spawanie łukowe przy zastosowaniu drutu proszkowego, osłona łuku topnikiem zawartym w drucie, dodatkowa osłona gazem dostarczanym z zewnątrz - FCAW (Flux Cored Arc Welding) Metoda spawania łukowego drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym stanowi odmianę metody spawania GMAW. Jest to metoda, w której drut spawalniczy składa się z metalowej powłoki ze stali nierdzewnej wypełnionej stałym topnikiem, którego rola jest podobna do roli otuliny elektrody w metodzie spawania ręcznego SMAW. Rdzeń zapewnia środki odtleniające oraz materiały żużlotwórcze jak również może zapewnić gazy ochronne w wypadku samoosłonowych drutów proszkowych FCAW. Z uwagi na możliwość ciągłego podawania drutu spawalniczego metoda FCAW łączy zalety metody SMAW z wysoką wydajnością procesu automatycznego lub półautomatycznego. W porównaniu z konwencjonalną litą elektrodą, topnik zapewnia pokrycie żużlowe i podnosi wydajność. Tak więc, w wypadku prądu powyżej 200 A, współczynnik stapiania wynosi około 100 g/min dla drutu litego o średnicy 1,6 mm zawierającego 20% Cr i 10% Ni, w porównaniu do około 170 g/min w wypadku drutu proszkowego o tej samej średnicy. Tak duża różnica wynika z faktu, że w drucie proszkowym elektryczność przewodzi tylko metalowa powłoka, ponieważ rdzeń, złożony z mieszaniny proszków metalowych i mineralnych, ma wysoką oporność elektryczną. Zarówno metoda FCAW, jak i GMAW mają podobną wielkość ściegu. W wypadku złączy czołowych ze spoinami V i I spawanych jednym przejściem, normalny zakres grubości elementów spawanych wynosi od 1,0 mm do 5,0 mm. Spawanie łukowe drutem proszkowym w osłonie gazowej wykazuje następujące zalety: - duża wydajność stapiania, wysoki uzysk stapiania, - widoczny łuk spawalniczy, 11

12 - minimalny czas szkolenia spawaczy, - wszechstronność procesu, łatwość adaptacji do spawania półautomatycznego, automatycznego lub zrobotyzowanego, - duża powtarzalność wyników przy jednej nastawie parametrów spawania, - duże głębokości przetopienia zapewniające minimalne wymiary spoin, a prze to zmniejszenie naprężeń i odkształceń spawalniczych, łatwość regulacji kształtu spoiny, - dobra stabilność łuku i dobre przenoszenie metalu w łuku w szerokim zakresie parametrów spawania, - stosunkowo rozległy zakres możliwych do zastosowania napięć łuku przy małym rozprysku metalu, - łatwy do usunięcia żużel i gładkie, równe lico bez podstopień, - niski koszt wykonania połączenia spawanego, - druty o małej średnicy zapewniają wykonanie połączenia we wszystkich pozycjach spawania. Parametry spawania łukowego drutem proszkowym w osłonie gazowej określają: - rodzaj i natężenie prądu spawania [A], - napięcie łuku [V], - rodzaj i średnica drutu, - długość wolnego wylotu drutu, - prędkość spawania [m/min], - kąt pochylenia drutu względem złącza [ ], - rodzaj i natężenie przepływu gazu osłonowego [l/min] Przekrój przez elektrodę proszkową 12

13 Zalecane parametry spawania stali austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych drutem z rdzeniem proszkowym topnikowym i metalicznym w osłonach gazowych. Długość Średnica Natężenie Napięcie Pozycja Rodzaj gazu wolnego drutu prądu łuku spawania ochronnego wylotu [A] [V] 1,2 1,6 Wydajność spawania [kg/h] pułapowa Ar + 25%CO ,4-12,5 2,0-5,4 pułapowa CO ,4-12,5 2,0-5,0 pionowa -PF Ar + 25%CO ,4-10,0 1,6-4,9 pionowa PF CO ,4-10,0 1,5-3,9 pionowa PG Ar + 25%CO ,4-12,5 2,0-5,0 pionowa PG CO ,4-12,5 2,0-5,5 podolna Ar + 25%CO ,4-19,0 1,6-6,1 podolna CO ,4-19,0 1,5-,6,1 pułapowa Ar + 25%CO ,0-16,0 2,3-4,0 pułapowa CO ,0-16,0 2,3-4,0 pionowa -PF Ar + 25%CO ,0-19,0 1,7-4,7 pionowa PF CO ,0-19,0 2,0-4,2 pionowa PG Ar + 25%CO ,0-16,0 2,0-6,7 pionowa PG CO ,0-16,0 2,0-6,7 podolna Ar + 25%CO ,0-19,0 1,7-10,0 podolna CO ,0-19,0 1,7-10,0 1,6* podolna Ar + 1-2%O 2 He +7,5%Ar +2,5%O 2 Ar + 1-2%O 2 2,4* podolna He +7,5%Ar +2,5%O 2 Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią. Natężenie przepływu gazu ochronnego przy spawaniu drutami z proszkiem metalicznym wynosi l/min a przy spawaniu drutami z rdzeniem topnikowym l/min. * - druty proszkowe metaliczne. Zalecane warunki technologiczne spawania drutem topnikowym doczołowych grubych blach i rur ze stali duplex. Rodzaj Grubość Ilość Natężenie Napięcie złącza i złącza ściegów prądu łuku pozycja [A] [V] spawania Doczołowe blach na V60 Pionowa - PF Doczołowe rur na V45 /75 Naścienna w osłonie Ar+25%CO 2 złączy Energia liniowa [kj/mm] Własności złącza ,0-1,2 Rm=790MP a KCV=55-85J FN= ,8-1,1 Rm=735MP a KCV=42-50J FN=53 13

14 Doczołowe rur na V60 Wszystkie pozycje ,9-1,7 Rm=836MP a KCV=43-63J FN=51 Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią drutem o średnicy 1,2mm. Natężenie przepływu gazu ochronnego 18-20l/min. FN- liczba ferrytu Spawanie łukowe elektrodą metalową, osłona łuku w wyniku rozkładu otuliny elektrody - SMAW (Shielded Metal Arc Welding) Spawanie łukiem osłoniętym elektrodą metalową jest zwykle stosowane przy naprawach mało odpowiedzialnych elementów ze stali odpornych na korozję. Sprzęt do spawania metodą SMAW jest najtańszy, ale proces spawania jest wolniejszy niż w metodach GMAW lub FCAW. Przy cienkich elementach w metodzie SMAW mogą wystąpić przepalenia. Metoda ta znana również jako MMA (Manual Metal Arc - ręczne spawanie łukowe). Elektrody otulone są dostępne do większości stali nierdzewnych w różnych rozmiarach, przez co można je stosować do spawania połączeń od grubości 1,3 mm do kilkudziesięciu milimetrów. Żużel po każdorazowym przejściu, przed nałożeniem kolejnej warstwy musi być całkowicie usuwany, aby zapobiec porowatości i zanieczyszczeniu spoiny. Schemat spawania elektrodą otuloną Do spawania stali nierdzewnej stosowane są cztery podstawowe typy otulonych elektrod: zasadowe, rutylowe, rutylowo-krzemianowe i grubootulone do spawania podolnego i poziomego. Wybór elektrody zależy przede wszystkim od pozycji spawania. Elektrody otulone zasadowe (-15) są stosowane tylko do spawania prądem stałym. Są one zalecane do: - spawania pionowego i pułapowego we wszystkich pozycjach, do zastosowań takich jak rury. Nieduża ilość żużla dobrze nawilża i jest dobrze zmywalna, nie wymaga potem obróbki; 14

15 - warstw graniowych przy grubych płytach. Gruba spoina o nieznacznie wypukłym kształcie zapobiega pękaniu; - stali austenitycznych wysokostopowych stali nierdzewnych, wrażliwych na osiowe pękanie. Elektrody rutylowe mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale preferowany jest prąd stały. Elektrody te są zalecane (-16) do: - spawania podolnego, - pionowego w górę i pułapowego, gdy spawanie elektrodami zasadowymi nie jest dostępne. Elektrody rutylowo-krzemianowe (-17) mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale preferowany jest prąd stały. Elektrody te są zalecane do: - spawania podolnego i poziomego, gdy wymagane jest minimalne czyszczenie spoiny, - gdy wymagany jest wklęsły kształt spoiny. Elektrody grubootulone (-26) są zalecane przede wszystkim do spawania podolnego, chociaż można ich używać do poziomych spoin pachwinowych. Mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale preferowany jest prąd stały. Elektrody te są zalecane do spawania dużymi prądami i do procesów szybkiego spawania. Z elektrodami otulonymi należy postępować tak samo jak z elektrodami zasadowymi. W przypadku, gdy szczelne opakowanie zostanie otwarte, opakowanie z pozostałymi elektrodami należy ponownie uszczelnić lub elektrody przechowywać w suszarce o temperaturze od 100 do 150 C aż do użycia. Jeśli elektrody są narażone na działanie wilgoci z powietrza, można je osuszyć poprzez prażenie, w sposób zalecany przez producenta. Temperatura prażenia wynosi zwykle od 260 do 300 C, ale może również wynieść nawet 430 C dla otulin typu (-17). Obecnie metoda ta pomimo niskich kosztów urządzeń do spawania nie ma szerszego zastosowania. Do jej wad należy zaliczyć: - konieczność czyszczenia spoiny z żużlu, - znaczne ryzyko przegrzania i przepalenia metalu łączonego, - możliwość zanieczyszczenia spoiny żużlem. Spawanie laserowe przy zastosowaniu skoncentrowanej i spójnej wiązki światła zogniskowanej na złączu - LBW (Laser Beam Welding) Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l02 do 1011 W/mm2. Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny, jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie. Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na gotowo, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kw) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, 15

16 ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery CO2 jak i Nd:YAG. Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Zasada procesu spawania polega na lokalnym podgrzaniu materiału poprzez skupienie promienia. Wskutek parowania otrzymuje się kapilarę względnie oczko, którego średnica odpowiada 1,5-2 razy średnicy punktu skupienia. Zamknięciu sie kapilary zapobiega ciśnienie oparów. Do spawania laserami CO2 najczęściej stosuje się gazy: Ar, N2, CO2 lub He, które wspomagają ten proces, dzięki nim można osiągnąć głębokość spoiny do 25mm, służą one jednocześnie do ochrony wytopu przed skutkami utleniania. Do obecnej chwili zbudowano wiele generacji laserów stałych, półprzewodnikowych, cieczowych i gazowych znajdujących zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i technologii. Do celów spawalniczych wykorzystuje się lasery o działaniu impulsowym (rubinowe, Nd:Glass, YAG) lub ciągłym (CO2). Wiązka laserowa przechodząc z lasera do przedmiotu spawanego poprzez system przesłon zwierciadeł i elementów optycznych jest ogniskowana w obszarze spawania. Wiązka światła laserowego padając na powierzchnię metalu ulega intensywnemu odbiciu w zależności od rodzaju metalu i stanu jego powierzchni. Współczynnik absorpcji energii kwantów promieniowania wynosi tylko 1-5% dla laserów CO2 i 2-30% dla laserów stałych. Efektywność spawania laserowego zależy więc od absorpcji energii wiązki laserowej przez powierzchnie spawanego przedmiotu. Dlatego też istotnym problemem przy spawaniu laserowym jest odpowiednie przygotowanie (zmatowienie, poczernienie) powierzchni, na którą pada wiązka laserowa. Spoiny wykonane spawarką laserową o działaniu ciągłym nie różnią się od spoin wykonanych wiązką elektronów, natomiast wykonane spawarką impulsową składają się ze zbioru częściowo pokrywających się spoin punktowych odpowiadających poszczególnym impulsom. Spawanie laserowe może odbywać się z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa, w jednym przejściu lub wielościegowo. Złącza o małych grubościach oraz złącza metali bardzo dobrze spawalnych wiązką laserową spawa się w jednym przejściu, bez materiału dodatkowego. Spawanie laserowe pozwala łączyć przy równej lub nawet wyższej jakości wszystkie metale i stopy spawane elektronowo. Istnieje także laserowe spawanie kondukcyjne (LASER CONDUCTING WELDING) które polega na tym iż energia przenoszona przez wiązkę laserową oddziaływuje na powierzchnię i przenika w głąb materiału zgodnie z prawem przewodnictwa cieplnego, następuje topienie materiału, ale nie występuje zjawisko 16

17 parowania metalu, cały proces odbywa się poniżej temperatury parowania. Metal stopiony wskutek oddziaływania wiązki tworzy jeziorko, w obrębie którego występuje wysoki gradient temperatury. Proces spawania kondukcyjnego nazywany jest także spawaniem przewodnościowym. Do tego procesu używa się częściej laserów Nd:YAG niż CO2. To jest spowodowane tym, że stały metal wchłania dużo więcej światła lasera Nd:YAG niż CO2. Przykładowo można podać że, niczym nie poczerniona stal wchłania około 25% światła lasera Nd:YAG a światło lasera CO2 około 5%. Gdy metal ulega topnieniu wówczas wchłanianie światła zarówno lasera CO2 i Nd:YAG wynosi około 50%. Moc wchłaniania pochodząca z wiązki lasera CO2 może nie wystarczyć do stabilnego spawania kondukcyjnego.w metodzie kondukcyjnej spawa się na głębokość około 1 mm w przypadku stali. Przeznaczenie spawania kondukcyjnego : - spawanie kondukcyjne stosuje się w przypadku wymagania bardzo dobrej powierzchni spawanej, - do spawania cienko ściennych rur, - gdy nie może dojść do parowania metalu, - mikrospawanie. Gazy ochronne stosowane przy spawaniu laserowym: Hel - bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu - wysoka energia jonizacji ułatwia kontrolowanie plazmy tworzącej się w kapilarze, - spoina jest gładka i jednorodna, Argon -bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu, Azot - przy wysokich prędkościach spawanie można osiągnąć głębsze przetopienie niż w przypadku helu - niski koszt, - możliwość wystąpienia nierówności spoiny, Dwutlenek węgla - równa i gładka powierzchnia spoiny, - niski koszt, - nie chroni przed utlenianiem stali chromowo-niklowych. Parametry spawania laserowego: - moc wiązki światła laserowego ciągłego [kw], - energia impulsu światła laserowego w kj, czas jego trwania w ms i częstotliwość powtarzania impulsu w Hz, - prędkość spawania [m/min], - długość ogniska wiązki laserowej, - średnica wiązki laserowej, - położenie ogniska wiązki laserowej względem złącza, - rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min]. Metoda spawania laserowego jest szeroko stosowana w produkcji rur wzdłużnie spawanych. Przy mocy około 6 kw, taśma o grubości 2 mm ze stabilizowanej stali ferrytycznej o zawartości 17% chromu może 17

18 być spawana z prędkością około 7 m/min, a ponieważ cykl cieplny jest bardzo krótki, zjawisko rozrostu ziarn w strefie wpływu ciepła jest wyjątkowo ograniczone. Metoda spawania laserowego wykazuje szereg zalet: - wysoka gęstość mocy (spawanie typu kapilarnego), - wąska spoina, - wąska strefa wpływu ciepła, - wysoka prędkość procesu, - nie wymaga spoiwa, - spawanie z wysoką precyzją, - wysoka czystość procesu, - łatwość automatyzacji. Spawanie wiązką elektronów - EBW Do spawania wiązką elektronów wykorzystuje się energię ze skoncentrowanej wiązki elektronowej o wysokiej prędkości, która zderza się z materiałem podstawowym. Przy wysokiej energii wiązki, można wytopić otwór na wskroś materiału i wykonywać spoiny z pełnym przetopem z prędkością rzędu 20 m/min. Za pomocą spawania wiązką elektronów można wykonywać głębokie i cienkie spoiny z wąskimi strefami wpływu ciepła. Stosunek głębokości do szerokości jest rzędu 20:1. Spoiny powstają w próżni, która eliminuje zanieczyszczenie jeziorka spawalniczego przez gazy. Próżnia nie tylko zapobiega zanieczyszczeniu spoiny, ale również pozwala na powstanie stabilnej wiązki. Skoncentrowany charakter źródła ciepła powoduje, że metoda ta szczególnie nadaje się do spawania stali nierdzewnych. Dostępna moc może tu być łatwo kontrolowana, a ta sama spawarka może być wykorzystana do spawania jednowarstwowego stali nierdzewnych o grubości od 0,5 mm do 40 mm. Przekrój przez złącze spawane wiązką elektronów 18

19 Ze względu na znaczny koszt urządzeń, metoda ta nie jest powszechnie wykorzystywana w produkcji urządzeń i maszyn ze stali odpornych korozyjnie. Źródło Klimpel Andrzej: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Artykuł został przygotowane zgodnie z naszą wiedzą i doświadczeniem i ma służyć jako pomoc. Zapewniamy, że dołożyliśmy wszelkich starań, aby podane informacje były technicznie poprawne, jednakże nie mogą być one traktowane jako norma i nie są podstawą do składania roszczeń o gwarancje i odszkodowanie. Wojciech Chiniewicz nierdzewka.com 19