Stale niskowęglowe charakteryzują się licznymi zaletami, począwszy od łatwej spawalności, po możliwość gięcia i formowania, co sprawia, że są odpowiednie do szerokiego zakresu aplikacji spawalniczych. Ze względu na mnogość dostępnych opcji stali miękkiej pojawia się jednak pytanie: w jaki sposób określić rodzaj drutu spawalniczego, jaki jest odpowiedni do danego zastosowania?
Stale niskowęglowe, zwane stalami miękkimi, mają zwykle bardzo małą ilość dodatków stopowych lub nie zawierają ich w ogóle. Cechują się zawartością węgla nieprzekraczającą 0,25%. Dwa najpopularniejsze rodzaje stali niskowęglowych stosowanych w przemyśle to ASTM A36 i AISI 1018.
Właściwości materiałowe stali niskowęglowych różnią się w zależności od ich rodzaju, ale ogólnie mają mniejszą wytrzymałością na rozciąganie i niższą granicą plastyczności od stali niskostopowych. Wytrzymałość na rozciąganie tych materiałów to zwykle ok. 480 MPa lub mniej, a granica plastyczności zaledwie 200 MPa. Mniejsza wytrzymałość na rozciąganie niż granica plastyczności oznacza, że materiał nie jest twardy, może więc być dość łatwo odkształcany i zginany. W przypadku zastosowań wymagających wyższej wartości wytrzymałości na rozciąganie i granicy plastyczności można stosować materiał o większej grubości, kompensując tym samym jego niskie właściwości mechaniczne.
W ogólnym ujęciu stale niskowęglowe są dobrze spawalne, a brak dodatkowych domieszek stopowych sprawia, że są one opłacalną opcją w wielu zastosowaniach spawalniczych.
Materiały spawalnicze
Zwykłe materiały spawalnicze przeznaczone do łączenia stali niskowęglowych charakteryzują się wyższą wytrzymałością na rozciąganie i granicą plastyczności. Standardowe spoiwo przeznaczone do łączenia stali niskowęglowych cechuje się dobrą spawalnością. Dla potrzeb aplikacji materiały te są dostępne w postaci drutów litych, drutów proszkowych oraz drutów z topnikiem.
Drut lity
Ten rodzaj drutu spawalniczego jest uniwersalny, ponieważ może być stosowany zarówno przy niskim, jak i wysokim natężeniu prądu spawania. Podczas spawania elementów o grubszym przekroju za pomocą drutu litego zaleca się stosowanie procesu spawania bez kontaktu elektrody z materiałem, a w przypadku cieńszych elementów – spawania niskim prądem. Drut lity pozwala na uzyskanie dobrej prędkości spawania, wyglądu spoiny oraz przetopu, w przypadku spawania ciasnych połączeń lub połączeń kątowych, ze względu na węższy profil penetracji spoiny.
Popularne materiały spawalnicze do łączenia stali niskowęglowych według American Welding Society (AWS) to ER70S-3 oraz ER70S-6.
Druty lite stosuje się często w przemyśle samochodowym i spawaniu zrobotyzowanym. Ponieważ ten typ spoiwa jest odporny na wyboczenie i często pokryty warstwą miedzi, jest również bardziej sztywny niż inne rodzaje drutu, co ułatwia podawanie. Należy jednak mieć na uwadze, że drut lity wymaga większej ilości dostarczanego ciepła niż inne rodzaje materiału spoiwa, co oznacza, że głęboki łuk przy drucie litym może powodować przepalenia lub zbyt głęboki przetop.
Należy również pamiętać, że drut lity nie topi się łatwo w obecności zgorzeliny. Ponieważ zawiera on mniej dodatków przeciwutleniających, nie radzi sobie z zanieczyszczeniami powierzchni tak dobrze, jak inne rodzaje drutu, wymagając od spawacza wolniejszego ruchu elektrody w przypadku spawania materiałów pokrytych zgorzeliną lub rdzą.
Drut proszkowy
W przypadku niemal każdego typu stali niskowęglowej spawanej drutem litym, można zastąpić drutem proszkowym. Druty lite mają węższe, podłużne profile przetopu, druty proszkowe natomiast cechują się szerszym profilem przetopu, który nie jest tak głęboki. W rezultacie drut proszkowy rozpływa się i łączy z bocznymi ścianami łatwiej, zwykle pozwalając na ograniczenie wpływu ciepła przy podobnym wyglądzie spoiny. Im szerszy przetop i rozpłynięcie spoiny, tym mniej istotna jest precyzja prowadzenia drutu przez spawacza.
Ponieważ ten typ drutu ma rdzeń proszkowy, zawiera w swoim składzie więcej przeciwutleniaczy niż druty lite. Z tego powodu lepiej radzi sobie ze zgorzeliną i zabrudzeniami na powierzchni i pozwala na uzyskanie większej prędkości spawania. Ponieważ drut tego typu jest bardziej kosztowny niż drut lity, dopiero zyski wynikające ze zwiększenia produktywności mogą uzasadnić zwrot z inwestycji w jego zakup. Z powodu tych czynników druty z rdzeniem proszkowym są często zalecane przy wykonywaniu spoin 15-centymetrowych i dłuższych oraz przy operacjach, które wymagają zwiększenia prędkości spawania.
Jednym z najbardziej popularnych rodzajów drutu z rdzeniem proszkowym do spawania stali niskowęglowych jest E70C-6M.
Druty z topnikiem ekranowanym gazem
Podczas spawania stali miękkich stosuje się dwa rodzaje drutu z rdzeniem z topnikiem ekranowanym gazem: E70T-1 dla spoin płaskich i poziomych oraz E71T-1 dla spoin wykonywanych w dowolnej pozycji. Oferując podobną lub wyższą stałą natapiania, druty E70T-1 są odpowiednie dla grubych elementów spawanych, wymagających dużej ilości natapianego materiału. Są one również odpowiednim wyborem w przypadku łączenia powierzchni pokrytych zgorzeliną lub rdzą. Można dzięki temu uzyskać dobrze wyglądające spoiny i wyższe prędkości spawania.
Ponieważ w przypadku drutu proszkowego i litego trudniej jest wykonać duże spoiny bez wyciągów, do tych zadań dobrze nadają się druty z rdzeniem z topnikiem. Wciągi pomagają w utrzymaniu spoiny na miejscu przy jej chłodzeniu. Jednakże wówczas potrzeba więcej czasu na oczyszczenie spoiny z żużlu.
W przypadku gdy aplikacja nie pozwala na wykonanie spoiny w pozycji płaskiej lub poziomej, druty z rdzeniem topnikowym E71T-1 umożliwiają spawanie w dowolnej pozycji. Druty te, dobrze przystosowane do spawania pionowego lub nad głową, zapewniają wyższe prędkości przesuwu i znacznie bardziej płaski profil spoiny. Podobnie jak w przypadku drutów spawalniczych E70T-1, generują one żużel, który musi zostać oczyszczony po spawaniu. Zaleca się stosowanie techniki ciągnięcia materiałem natapianym w przypadku materiałów, które wytwarzają żużel oraz techniki pchania w przypadku materiałów niewytwarzających żużlu.
Wybór materiałów spawalniczych dla stali niskowęglowych
Przy wyborze odpowiedniego drutu spawalniczego (materiału wypełniającego) do spawania stali niskowęglowych należy wziąć pod uwagę kilka dodatkowych czynników. Ważny jest stan materiału podstawowego. Na przykład niektóre stale niskowęglowe A36 i 1018 są walcowane na gorąco lub na zimno. Walcowana na gorąco stal niskowęglowa może powodować powstawanie zgorzeliny na powierzchni materiału, która utrudnia ponowne spawanie. Stale miękkie, które były walcowane na zimno, mają czyste wykończenie, ale czasami na ich powierzchni występuje olej.
Gdy materiał bazowy pokryty jest zgorzeliną lub rdzą, zaleca się jej usunięcie. Jeśli nie jest to możliwe, należy wybrać drut z rdzeniem proszkowym lub topnikowym, który z reguły daje lepsze rezultaty w takich sytuacjach. W przypadku części, które są walcowane na zimno lub których powierzchnię pokrywa olej, dopuszczalne jest stosowanie drutu litego, takiego jak ER70S-6.
Ważnym czynnikiem jest również konstrukcja spawanych złączy. Wąskie spoiny z rowkiem w kształcie litery V mogą wymagać głębszej penetracji w ciaśniejszym miejscu i najlepiej łączyć je za pomocą drutu litego. Druty z rdzeniami topikowymi we wszystkich pozycjach nie zapewniają głębokiego, palcowego przejścia jak druty lite i lepiej nadają się do spawania płytszych połączeń.
Podsumowanie
Stale niskowęglowe to materiały o dobrej spawalności i elastyczności, przydatne w wielu zastosowaniach spawalniczych. Zrozumienie charakterystyki i rodzaju materiału bazowego ze stali niskowęglowej, założeń konstrukcyjnych złącza – oraz dopasowanie go do odpowiedniego spoiwa ze stali niskowęglowej – poprawia wydajność i jakość spawania.
Matt Underwood jest specjalistą w zakresie inżynierii spawalniczej i jej zastosowań w firmie Hobart.
