Metody spawania stali nierdzewnych

Metody elektrycznego spawania łukowego

1. Spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego: TIG (GTAW)


Na powyższym rysunku przedstawiona jest metoda spawania GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), znana również jako metoda TIG (Tungsten Inert Gas) lub WIG (Wolfram Inert Gas). Energia niezbędna do stopienia metalu jest dostarczana przez łuk elektryczny zajarzony i utrzymywany pomiędzy elektrodą wolframową lub ze stopu wolframowego i elementem spawanym, w atmosferze gazu obojętnego lub lekko redukującej.

Stale nierdzewne spawa się zawsze prądem stałym przy biegunowości ujemnej (DCEN – Direct Current Electrode Negative lub DCSP - Direct Current Straight Polarity). W tych warunkach, strumień elektronów uderza w spawany element, co zwiększa wtopienie, podczas gdy elektroda, wykonana zazwyczaj z wolframu torowanego (2% ThO2) ulega bardzo małemu zużyciu.

Jeżeli stosuje się spoiwo, to jest ono albo w postaci gołych prętów albo w postaci drutu w kręgach do spawania automatycznego. Przepływ gazu obojętnego, który chroni strefę łuku od otaczającego powietrza, umożliwia utrzymanie bardzo stabilnego łuku. W zależności od materiału podstawowego, gaz ochronny składa się głównie z mieszaniny argonu (Ar), helu (He) oraz wodoru (H2).

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.

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.


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 tej metody 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.

Grubość spawanych elementów wynosi zazwyczaj od 0,5 mm do 3,5/4,0 mm.

2. Spawanie łukiem plazmowym (PAW)



Zasada spawania plazmowego z oczkiem

Spawanie plazmowe jest podobne do spawania metodą GTAW. Istotna różnica między tymi metodami polega na tym, że plazma łuku jest zawężona dyszą w celu wytworzenia strumienia plazmy o wysokiej energii, w której uzyskuje się temperatury pomiędzy 10000°C a 20000°C.

W procesie spawania powszechnie wykorzystuje się zwężony łuk "bezpośredni" utworzony pomiędzy elektrodą a elementem spawanym, podczas gdy w innych zastosowaniach stosuje się częściej zwężony łuk "niezależny".

Ponieważ strumień plazmy jest wyjątkowo wąski, nie może on zapewnić wystarczającej ochrony dla jeziorka spawalniczego, dlatego więc konieczne jest dodanie pierścieniowego strumienia gazu ochronnego o większej średnicy.

Przy ręcznym spawaniu plazmowym, gdy uchwyt jest trzymany w ręce, stosowane są procesy "mikroplazmowe" i "miniplazmowe" dla prądów pomiędzy 0,1 i 15 amperów oraz technika "z jeziorkiem" dla prądów od około 15 do 100 amperów.

Przy spawaniu automatycznym, gdy uchwyt jest zamontowany na wózku, stosowana jest tak zwana metoda "oczka". Poprzez zwiększenie prądu spawania (powyżej 100 amperów) oraz przepływu gazu plazmowego, tworzy się wiązka plazmy o dużej mocy, która może wniknąć na pełną głębokość elementu spawanego. W trakcie spawania, oczko stopniowo przecina metal, a za nim spływa jeziorko spawalnicze, tworząc spoinę.

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.

Główną zaletą metody PAW w stosunku do GTAW jest szczególna stabilność łuku, która powoduje:

• powstawanie "sztywnego" łuku, który umożliwia lepszą kontrolę wprowadzanej energii,
• większą tolerancję na zmiany odległości pomiędzy dyszą a spawanym elementem, bez istotnej zmiany budowy spoiny,
• wąską strefę wpływu ciepła i ogólnie większą prędkość spawania,
• większą tolerancję na wadliwe przygotowanie, szczególnie w przypadku spawania z oczkiem.
Normalne grubości elementów spawanych wynoszą:
• od 0,1 mm do 1,0 mm w przypadku metod mikroplazmowych i miniplazmowych,
• od 1,0 mm do 3,5 mm w przypadku stosowania techniki "z jeziorkiem",
• od 3,5 mm do 10 mm w przypadku spawania z oczkiem (dla jednej warstwy spoiny).

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 [mm],
• 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 [mm],
• kształt i wymiary dyszy plazmowej [mm].
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.

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.

Gazy stosowane zarówno dla ochrony jeziorka spawalniczego, jak i dla tworzenia plazmy są podobne do gazów stosowanych w metodzie GTAW, mianowicie czysty argon (Ar), mieszanki Ar - wodór (H2) do 20% H2 i Ar- hel (He) - H2. Mieszanki zawierające wodór są zalecane do spawania austenitycznych stali nierdzewnych, lecz podobnie jak w przypadku spawania metodą GTAW są również stosowane do stali martenzytycznych, ferrytycznych oraz stali typu Duplex. Jeżeli chodzi o te ostatnie materiały, aby zachować właściwą proporcję austenitu i ferrytu w spoinie zaleca się dodatek azotu (patrz część - "Dobór gazów ochronnych do spawania stali nierdzewnych").


Zalecane gazy plazmowe i ochronne do spawania plazmowego GTA techniką z oczkiem spoiny oraz techniką z jeziorkiem spoiny przy spawaniu stali odpornych na korozję.

Wadą spawania plazmowego jest konieczność dokładnego przygotowania złączy przed spawaniem, oraz droższe urządzenia. Metoda ta stosowana jest głównie do półautomatycznego i automatycznego wykonywania połączeń.

3. Spawanie łukowe elektrodą metalową (topliwą) w osłonie gazu - MIG (GMAW)




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.

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 - 15 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").

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 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 (patrz część "Dobór gazów ochronnych do spawania stali nierdzewnych").
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 (H₂) 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 korozję.


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.

Zalecane warunki technologiczne spawania półautomatycznego GMA łukiem zwarciowym złączy teowych i zakładkowych blach ze stali odpornych na korozję

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 ochronnego (patrz rozdział "Dobór gazów ochronnych do spawania stali nierdzewnych") 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.

4. Spawanie łukowe drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym: FCAW
5. Spawanie łukiem osłoniętym topliwą elektrodą metalową (elektroda otulona): MMA (SMAW)
6. Spawanie łukiem krytym: SAW

Zawartość:

• Ogólna informacja o stalach nierdzewnych
• Metody spawania stali nierdzewnych cz. I
• Metody spawania stali nierdzewnych cz. II
• Dobór gazów i przygotowanie do spawania łukowego
• Obróbka wykończeniowa złączy