Metody spawania stali nierdzewnej

W zastosowaniach, gdzie odporność na korozję jest sprawą zasadniczą, stal nierdzewna jest materiałem podstawowym. Inaczej niż w przypadku stali niskostopowych lub węglowych, stal nierdzewna nie koroduje w typowych warunkach atmosferycznych, przez co nie stanowi źródła zanieczyszczenia i może być szeroko stosowana. Zastosowania przemysłowe obejmują aparaturę w zakładach chemicznych, przetwórstwa spożywczego, farmaceutycznych i naftowych. W coraz większym stopniu jest ona również stosowana w budownictwie, ze względu na atrakcyjny wygląd powierzchni i niewielkie wymagania dotyczące konserwacji w trakcie całego okresu eksploatacji. 

Stal nierdzewna jest stopem żelaza zawierającym co najmniej 10,5% chromu. Tym, co nadaje niezwykłe właściwości stali nierdzewnej, jest niewidoczna warstwa ochronna, która powstaje na jej powierzchni w zetknięciu z tlenem. Warstwa ta chroni stal nierdzewną i zapobiega przed utlenianiem przy kontakcie z wilgocią (fot.1). 

Metody spawania

Podstawową zasadą doboru metali wypełniających spoinę przy stalach nierdzewnych jest dopasowanie do podstawowych właściwości metalu bazowego. Dodatkowo przy stalach nierdzewnych austenitycznych oraz stalach nierdzewnych dupleksowych wskazana jest kontrola zawartości ferrytów w spawanym metalu. 

W Europie problemami spawania zajmuje się Europejska Federacja Spawalnicza (EWF), w Polsce natomiast – Instytut Spawalnictwa w Gliwicach. Oznaczanie liczby ferrytowej określa norma PN-EN ISO 8249: Spawanie. Oznaczanie liczby ferrytowej (FN) w spoinach w stalach nierdzewnych austenitycznych i dupleksowych ferrytyczno-austenitycznych Cr-Ni. 

W USA wg normy AWS A4.2 oznaczanie zawartości ferrytu w spoinach stali nierdzewnych austenitycznej i typu duplex należy określać, oznaczając liczbę ferrytową (FN). Metoda magnetyczna oznaczania FN jest dużo prostsza od metalograficznie oznaczanej, procentowej zawartości ferrytów, ma ona również lepszą powtarzalność. Przepisy ASME (Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników) zalecają stosowanie liczby ferrytowej (FN). 

Ponieważ stal nierdzewna jest droższa od stali zwykłej, bardzo duże znaczenie ma wybranie odpowiedniej metody spawania, która zapewni uzyskanie najlepszych rezultatów. Przypalenia i skrzywienia mogą powodować problemy, ponieważ stal nierdzewna jest zwykle używana w postaci cienkich blach. Do spawania stali nierdzewnych zalecanych jest kilka metod. Decyzja o wyborze metody powinna być podejmowana osobno dla każdego rodzaju zastosowania. 

Spawanie łukowe elektrodą metalową w osłonie gazu (ang. Gas Metal Arc Welding’s – GMAW) ma tę zaletę, że jest szybkie. Używając szpuli drutu lub szpuli drutu z rdzeniem topnikowym, pracownik może pracować z dużą szybkością. Jedyną wadą jest koszt urządzenia dostarczającego drut, połączeń elektrycznych i osłony gazowej. Ponieważ nie powstaje żużel lub jest go bardzo mało, zwykle nie ma potrzeby usuwania go pomiędzy przejściami elektrody. 

Spawanie drutem litym lub drutem proszkowym może być prowadzone w szerokim zakresie szybkości i wydajności cieplnej na trzy sposoby: spawanie łukiem krótkim, spawanie kroplowe (grawitacyjne) oraz natryskowe. Należy jednak nadmienić, że spawanie kroplowe jest rzadko stosowane do stali nierdzewnej. Spawanie impulsowe natryskowe można stosować do przekrojów cieńszych i przy spawaniu elementów niedopasowanych (przesuniętych). 

GMAW z przenoszeniem natryskowym, z powodu możliwości osiągnięcia wysokiej prędkości zgrzewania, jest stosowane do łączenia przekrojów grubszych niż 0,25 cala (powyżej 6 mm). Procedury spawania dla stali austenitycznej i typu duplex są podobne. Spawanie GMAW z łukiem krótkim jest szeroko stosowane do łączenia blach ze stali nierdzewnej oraz cienkich rurek (rys. 2). 

W metodzie GMAW wymagana jest osłona gazowa, zapobiegająca utlenianiu stopów stali nierdzewnej w łuku. Zależnie od miejsca geograficznego oraz regionalnych przyzwyczajeń stosuje się mieszaniny argonu, helu i CO₂. Stabilność łuku można poprawić poprzez niewielką domieszkę tlenu, ale wtedy mogą wystąpić niewielkie ubytki aluminium lub tytanu. Następuje to wskutek utlenienia w łuku, poprzez kontakt z niektórymi metalami z elektrody topliwej.

W przypadku spawania płaszczyzn preferowane jest spawanie natryskowe. Do innego typu spoin i spawania cienkich blach ze stali nierdzewnej powszechnie stosowane jest spawanie łukiem krótkim w atmosferze bogatej w hel typu: 90% helu, 7,5% argonu i 2,5% CO₂. Gazy o większej zawartości CO₂, typu 75% argonu i 25% CO₂, wykazują tendencję do tworzenia żużlu w spoinie ze stali nierdzewnej i nie są zalecane.

Spawanie GMAW z łukiem krótkim powoduje często rozpryski, które są niedopuszczalne z punktu widzenia kosmetyki spoiny. Ostatnie rozwiązania z zakresu spawania z łukiem krótkim znacznie zredukowały rozpryski. 

Spawanie łukowe z rdzeniem topnikowym (ang. Flux Cored Arc Welding – FCAW) jest powszechnie stosowane do spawania stali nierdzewnej w przypadku elementów przesuniętych, jak również do spawania podolnego. Do podawania drutu z rdzeniem topnikowym są zazwyczaj stosowane te same urządzenia co w przypadku GMAW. Niektóre druty FCAW zawierają szybko krzepnące topniki, tworzące żużlowe pokrycia, które umożliwiają spawanie przemieszczonych elementów bez dodatkowego zasilania. 

Stop o danym składzie może być przeznaczony tylko do spawania podolnego lub poziomego (klasy AWS EXXXT0-X) lub do spawania w każdej pozycji (EXXXT1-X).  

Skład stopu może zawierać oznakowanie, że nadaje się do otuliny CO₂ (EXXXTX-1), otuliny 75% argonu z do 25% CO₂ (EXXXTX-4) lub z samoosłoną (EXXXT0-3). Chociaż osłona gazowa  z dwutlenku węgla nie jest zalecana dla GMAW, jest powszechnie stosowana przy spawaniu drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym, ponieważ żużel chroni metal przed nawęglaniem. 

Stosowanie EXXXT0-3 z gazem daje dużą zawartość ferrytu. Stosowanie EXXXTX-1 lub EXXXTX-4 bez gazu będzie powodować powstawanie małej ilości ferrytu lub wcale, a spoina może być porowata. Drut z rdzeniem topnikowym ma zaletę względem elektrod otulonych, ponieważ operator nie potrzebuje przerywać spawania, aby wymienić elektrody.

W ostatnich latach elektrody z drutu ze stali nierdzewnej z rdzeniem topnikowym do wszystkich pozycji spawania z osłoną gazową stały się bardzo przyjazne w obsłudze. Złącze spawane jednym przejściem przy zasilaniu typowym prądem (niepulsacyjnym) pozwala spawaczowi prowadzić spawanie podolne, poziome, pionowe i pułapowe bez wahań w szybkości nakładania spoiny, z typową wydajnością ok. 2,8 kg/h. 

Spawanie łukowe elektrodą wolframową w osłonie gazu obojętnego (ang. Gas Tungsten Arc Welding – GTAW) daje wysokiej jakości, czyste spoiny z minimalną liczbą defektów, chociaż jest procesem wolniejszym niż inne omawiane do tej pory. GTAW jest typowo stosowany do spawania najbardziej wymagającego, w przemysłach takich jak spożywczy i nuklearny, gdzie dokładne przestrzeganie ostrych przepisów jest niezbędne. Jest również często stosowane do tworzenia warstwy graniowej przed przejściem do dalszych procesów wykonywania spoin w rurociągach i zbiornikach ciśnieniowych. Elektroda wolframowa nie powinna dotykać spawanego materiału, aby nie nastąpiło zanieczyszczenie stali nierdzewnej wolframem.

Typowo stosowana jest elektroujemna elektroda prądu stałego z zasilaniem prądem stałym. Niemniej prąd zmienny jest też czasami stosowany do spawania stali nierdzewnych, zawierających aluminium do uzyskiwania czystych spoin. Typowym gazem osłonowym jest argon, chociaż hel lub mieszanka argon-hel mogą być stosowane przy większych penetracjach (fot. 3). 

Spawanie łukiem osłoniętym elektrodą metalową (ang. Shielded Metal Arc Welding – SMAW) jest zwykle stosowane przy naprawach lub gdy spawanie nie jest potrzebne często. Metoda ta jest stosowana do produkcji stali nierdzewnej. 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. 

Fot. 3. Wybrany sprzęt potrzebny do spawania stali nierdzewnej

Elektrody otulone są dostępne do większości stali nierdzewnych w różnych rozmiarach, przez co można je stosować do spawania połączeń od grubości 0,05 cala (1,3 mm) do kilku cali. Żużel po każdorazowym przejściu, przed nałożeniem kolejnej warstwy musi być całkowicie usuwany, aby zapobiec porowatości i zanieczyszczeniu spoiny. 

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;
• 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). 

Spawanie łukiem krytym (ang. Submerged Arc Welding – SAW) jest najczęściej stosowane do łączenia grubych austenitycznych stali nierdzewnych, zwykle o grubości powyżej 12 mm. Można je również stosować do stali nierdzewnych dupleksowych i martenzytycznych. SAW jest stosowane tam, gdzie jest dopuszczalne większe doprowadzenie ciepła i mniejsze prędkości zestalania się. 

W przypadku stali austenitycznych, gdy ferryty nie mogą występować w spoinie (np. typ 310 lub 330), należy unikać spawania łukiem krytym ze względu na gorące pękanie. Spawanie jest typowo wykonywane prądem stałym przy biegunowości dodatniej. Czasami jest stosowany prąd przemienny, gdy występują głębokie spoiny i potrzebny jest stabilny łuk. Spawanie prądem stałym przy biegunowości ujemnej jest stosowane, aby ograniczyć wnikanie niepożądanych składników podczas platerowania. 

W trakcie spawania SAW występuje intensywna interakcja pomiędzy drutem a topnikiem z towarzyszącą wymianą chemiczną pierwiastków. Nie ma opracowanych jednoznacznych reguł klasyfikacji topników do metody SAW do stali nierdzewnej.  

Topniki

Topniki zawierające dużo krzemionki mogą pozbawiać spawany metal chromu i zastępować go krzemem. Topniki zawierające mało krzemionki powodują bardzo małe straty chromu. Niektóre topniki są zaprojektowane tak, że mają zaokludowany metaliczny chrom w cząstkach topnika i ten chrom przechodzi do spawanego metalu, przez co może nastąpić wzrost zawartości chromu. 

Stopień, w jakim może nastąpić spadek lub wzrost zawartości chromu, jest zależny od tego, czy topnik zawiera dużo, czy mało krzemionki, krzemionki czy też zawiera chrom metaliczny. Informacje w tej kwestii dla danego topnika dostarcza producent topnika. Stopień oddziaływania pomiędzy topnikiem a drutem jest zależny od proporcji stopionego topnika do stopionego drutu. Przy większej proporcji topnik/drut należy oczekiwać większego wpływu zarówno ze strony topnika o wysokiej zawartości krzemu, jak i topnika zawierającego chrom metaliczny.

W pewnych warunkach spawania następuje zwiększenie proporcji topnik/drut. Zaczynając od ustalonej proporcji topnik/drut, zwiększa się ona przy wzroście napięcia, spadku szybkości podawania drutu lub pogorszeniu elektrycznego kontaktu. Tylko topniki o niskiej zawartości krzemionki i niezawierające metalicznego chromu są prawie odporne na wpływy wynikające ze zmiennej proporcji topnik/drut. 

Elektrody do konwencjonalnych nierdzewnych stali austenitycznych, takie jak ER308, ER309  i ER316, mogą być stosowane z konwencjonalnymi topnikami do stali nierdzewnych do spawania większości austenitycznych stali nierdzewnych za wyjątkiem aplikacji, gdzie liczba ferrytowa musi być mniejsza niż 5. W przypadku niskiej liczby ferrytowej (FN) należy stosować specjalną elektrodę i/lub specjalny topnik.

Jeśli przy spawaniu stali nierdzewnych – martenzytycznej lub z utwardzania dyspersyjnego – musi być zachowana wytrzymałość metalu bazowego, należy użyć specjalnych drutów, topników i procedur, które będą zgodne z następującym potem procesem obróbki spoiny. Jeśli nie zostaną zastosowane specjalne topniki, spoina może nie być odpowiednia do obróbki cieplnej. Jest to szczególnie istotne dla elektrod zawierających aluminium, gdzie aluminium jest tracone wskutek reakcji metal-żużel. W kwestii doboru topników i procedur spawania należy konsultować się z producentem topnika do stali nierdzewnej.

Przyjmuje się, że większość stali nierdzewnych ma dobrą zwilżalność. Duże znaczenie ma upewnienie się, że złączenia powierzchni i metalu w spoinie nie zawierają tlenków, produktów organicznych lub innych zanieczyszczeń.  

Wrażliwość

Ferrytyczne stale nierdzewne i niektóre austenityczne stale nierdzewne, które zawierają znaczną ilość wolnego węgla (powyżej 0,04% C) mogą stać się wrażliwe na korozję międzykrystaliczną w strefie wpływu ciepła (ang. Heat-Affected Zone – HAZ).  

Zjawisko to występuje, gdy maksymalna temperatura w strefie wpływu ciepła wynosi od 500 do 900°C. Węgliki chromu wytrącają się na granicach ziaren, wskutek czego metaliczny chrom jest zabierany z metalu przylegającego do granic ziaren. W środowisku korozyjnym metal pozbawiony chromu jest selektywnie atakowany.

Spawanie bez dużego dopływu ciepła może ograniczyć, ale nie wyeliminować problem wrażliwości. Najskuteczniejsze sposoby zapobiegania problemowi wrażliwości polegają na wybraniu metali podstawowych o bardzo małej zawartości węgla (poniżej 0,03% C) lub wybraniu gatunku stabilizowanego tytanem albo niobem (znanym również pod nazwą kolumb), takich jak 321 lub 347. Należy przy tym zaznaczyć, że problem wrażliwości nie jest prawie nigdy problemem spawanego metalu, jest on spowodowany przede wszystkim przez HAZ.

Artykuł powstał we współpracy z The Lincoln Electric Co. 

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej