Metody spawania stali nierdzewnych

Metody elektrycznego spawania łukowego

1. Spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego: TIG (GTAW)
2. Spawanie łukiem plazmowym (PAW)
3. Spawanie łukowe elektrodą metalową (topliwą) w osłonie gazu - MIG (GMAW)
4. Spawanie łukowe drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym: FCAW



Przykład drutu proszkowego z rdzeniem topnikowym

Metoda spawania łukowego drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym (Flux Cored ArcWelding - FCAW) 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, prawdopodobnie związanych w alkaliczny krzemian, 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 zakresgrubości elementów spawanych wynosi od 1,0 mm do 5,0 mm.

5. Spawanie łukiem osłoniętym topliwą elektrodą metalową (elektroda otulona): MMA (SMAW)



Zasada metody spawania łukiem osłoniętym

Chociaż metoda SMAW (Shielded Metal Arc Welding), znana również jako MMA (Manual Metal Arc - ręczne spawanie łukowe), jest metodą bardzo starą, gdyż jej pierwsze zastosowanie zostało opisane przez Kjelberga w roku 1907, jest ona w dalszym ciągu powszechnie stosowana ze względu na jej wielką elastyczność i prostotę.

Elektroda składa się z rdzenia metalowego otulonego warstwą topnika. Rdzeń stanowi zazwyczaj drut spawalniczy ze stali nierdzewnej. Otulina, która odgrywa w tym procesie istotną rolę, jest prasowana na rdzeń i nadaje każdej elektrodzie jej specyficzne indywidualne cechy. Spełnia ona trzy podstawowe funkcje: elektryczną, fizyczną i metalurgiczną.

Funkcja elektryczna jest związana z inicjacją i stabilizacją łuku, podczas gdy funkcja fizyczna dotyczy lepkości i napięcia powierzchniowego żużla, które regulują przenoszenie kropli metalu, efektywnej ochrony jeziorka spawalniczego oraz jego zwilżalności.

Rola metalurgiczna obejmuje wymianę chemiczną pomiędzy jeziorkiem spawalniczym a żużlem, to znaczy rafinację metalu spoiny. Otulina zawiera pewną ilość węglanu wapnia (CaCO₃), który dysocjuje w łuku w temperaturze około 900°C, tworząc CaO i CO₂, z których ten ostatni zapewnia osłonę strefy łuku.

Poniżej podano typy najczęściej stosowanych elektrod otulonych:

• Elektrody rutylowe (dwutlenek tytanu) : Tworzenie się żużla stanowi główny mechanizm ochronny w elektrodach rutylowych. Elektrody rutylowe są łatwe w posługiwaniu się nimi, zapewniają małą ilość rozprysków i dają spoiny o gładkiej powierzchni. Żużel powstający w trakcie spawania jest łatwy do usunięcia.
• Elektrody zasadowe (wapienne): Wapień stanowi podstawowy składnik elektrod z otuliną zasadową z racji jego korzystnego wpływu na stabilność łuku i procesy metalurgiczne. Powoduje on również powstawanie dwutlenku węgla, który stanowi gaz ochronny. Dużą jednakże wadą wapienia jest jego wysoka temperatura topnienia. Można temu przeciwdziałać przez dodanie fluorytu (CaF2), który obniża temperaturę topnienia żużla. Otulina zasadowa wchłania wilgoć przy składowaniu elektrod na powietrzu i należy zadbać, aby elektroda pozostała sucha. Normalny czas suszenia wynosi jedną godzinę przy temperaturze rzędu 150-250°C.

Elektrody z otuliną rutylową można stosować zarówno przy prądzie stałym, jak i przemiennym, podczas gdy elektrodami z otuliną zasadową (wapienną) zasadniczo spawa się prądem stałym z biegunowością dodatnią na elektrodzie (DCEP).

Normalne grubości elementów spawanych są rzędu 1,0 mm - 2,5 mm dla spawania jednym przejściem i 3,0 mm - 10,0 mm dla spawania wielościegowego.

6. Spawanie łukiem krytym: SAW



Zasada metody spawania łukiem krytym

W metodzie SAW (Submerged Arc Welding), ciepło spawania jest wytwarzane w wyniku przechodzenia prądu o dużym natężeniu pomiędzy jednym lub kilkoma drutami ciągłymi a elementem spawanym pod sproszkowanym topnikiem, tworzącym ochronną powłokę stopionego żużla.

Metoda ta może być w pełni automatyczna lub półautomatyczna, jednakże w wypadku stali nierdzewnych większość prac jest w pełni zautomatyzowana.

W metodzie automatycznej, można spawać bardzo dużym prądem, aż do 2000 amperów na jeden drut, co daje dużą wartość wprowadzonej mocy i w konsekwencji prowadzi do silnego wymieszania materiału rodzimego z materiałem dodatkowym. Metoda ta nadaje się do wykonywania spoin czołowych i pachwinowych w pozycji podolnej oraz spoin pachwinowych w pozycji nabocznej.

Źródłem energii jest zazwyczaj prąd stały przy dodatniej biegunowości na elektrodzie (DCEP), a rzadziej prąd przemienny (AC), gdy stosuje się jednocześnie kilka drutów, aby uniknąć zjawiska ugięcia łuku. Dla źródeł prądu zarówno stałego, jak i przemiennego, prędkość podawania drutu spawalniczego musi być równa prędkości topienia się, aby uzyskać łukw pełni stabilny. Uzyskuje się to poprzez zastosowanie rolek podających napędzanych przez system przekładniowy z serwokontrolowaną prędkością.

Do spawania stali nierdzewnych, najczęściej stosuje się topnik typu 'wapienno- fluorkowego', a jego typowy skład jest następujący:
25% ≤ CaO + Mg O ≤ 40%,
SiO2 ≤ 15%,
20% ≤ CaF2 ≤ 35%.
Istnieją dwie postacie topnika uzyskiwane albo przez topienie albo przez spiekanie.

Topione topniki powstają w wyniku nagrzania do temperatury rzędu 1600 – 1700°C i są przetwarzane na postać proszkową albo przez rozpylanie przy wyjściu z pieca do topienia lub przez kruszenie i przesiewanie zestalonego materiału.

Spiekane topniki są produkowane z surowców o odpowiednim uziarnieniu, spiekanych razem z alkalicznokrzemianowym spoiwem. Otrzymana mieszanina podlega suszeniu a następnie obróbce mechanicznej w celu uzyskania pożądanego uziarnienia. Wtrakcie spawania tylko część topnika ulega stopieniu i niezużyty materiał jest odciągany - zazwyczaj za pomocą węża ssawnego - i odprowadzany do zbiornika do dalszego wykorzystania. Stopiony topnik krzepnie za strefą spawania, podczas stygnięcia kurczy się i może być łatwo usunięty.

W przypadku grubszych elementów, spoiny są zazwyczaj wykonywane za pomocą jednego lub dwóch ściegów, to znaczy jeden ścieg na ręcznie wykonanej spoinie graniowej lub jako pojedynczy ścieg z każdej strony płyty, ale można również zastosować technologię wielowarstwową.

Przy cieńszym materiale, spoiny mogą być wykonywane jednym ściegiem przy zastosowaniu rowkowanej podkładki.

Ponieważ metoda SAW jest stosowana głównie do spawania grubej blachy z nierdzewnej stali austenitycznej, należy dołożyć szczególnych starań, aby uniknąć tworzenia się fazy sigma z racji stosowania wysokiej energii spawania. Jest to szczególnie istotne w przypadku stopów o zawartości 25% Cr - 20% Ni ale również w przypadku gatunków 18% Cr - 9% Ni o wysokiej zawartości ferrytu.

Przy spawaniu wielowarstwowym, tam gdzie temperatura w zakresie 650 – 900°C jest przekraczana kilkakrotnie, występuje zwiększone ryzyko tworzenia się fazy sigma. Wtedy bardzo zalecane jest wyżarzanie w temperaturze 1050°C (przesycanie).

Dostarczane topniki są całkowicie suche. Aby zabezpieczyć topniki przed wchłanianiem wilgoci, zaleca się przechowywać je w temperaturze wyższej o 10°C od temperatury warsztatu, a wilgotność względna nie może przekraczać 50%. Jeżeli istnieje niebezpieczeństwo lub obawa zawilgocenia, wskazane jest wysuszenie proszku w temperaturze 300°C przez okres co najmniej 2 godzin.

Metoda spawania łukiem krytym jest powszechnie stosowana do łączenia ciężkich elementów o grubości w zakresie 10 mm - 80 mm, po wykonaniu ściegu graniowego inną metodą spawania. Dolny ścieg można również wykonać przy zastosowaniu rowkowanej podkładki spoiny.

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