Denne artikkelen fra Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. forklarer hva man bør vurdere når man spesifiserer tilsettmaterialer for sveising av rustfritt stål.
Egenskapene som gjør rustfritt stål så attraktivt – muligheten til å skreddersy sine mekaniske egenskaper og motstand mot korrosjon og oksidasjon – øker også kompleksiteten ved å velge et passende fyllmateriale for sveising. For enhver gitt basismaterialkombinasjon kan en av flere typer elektroder være passende, avhengig av kostnadsproblemer, driftsforhold, ønskede mekaniske egenskaper og en rekke sveiserelaterte problemer.
Denne artikkelen gir den nødvendige tekniske bakgrunnen for å gi leseren en forståelse av emnets kompleksitet, og svarer deretter på noen av de vanligste spørsmålene som stilles til leverandører av tilsettmaterialer. Den etablerer generelle retningslinjer for valg av passende tilsettmaterialer i rustfritt stål – og forklarer deretter alle unntakene fra disse retningslinjene! Artikkelen dekker ikke sveiseprosedyrer, da det er et tema for en annen artikkel.
Fire kvaliteter, en rekke legeringselementer
Det finnes fire hovedkategorier av rustfritt stål:
austenittisk
martensittisk
ferritisk
Tosidig
Navnene er avledet fra den krystallinske strukturen til stål som vanligvis finnes ved romtemperatur. Når lavkarbonstål varmes opp til over 912 °C, omorganiseres atomene i stålet fra strukturen kalt ferritt ved romtemperatur til krystallstrukturen kalt austenitt. Ved avkjøling går atomene tilbake til sin opprinnelige struktur, ferritt. Høytemperaturstrukturen, austenitt, er ikke-magnetisk, plastisk og har lavere styrke og større duktilitet enn romtemperaturformen av ferritt.
Når mer enn 16 % krom tilsettes stålet, stabiliseres den romtemperaturbehandlede krystallinske strukturen, ferritt, og stålet forblir i ferritisk tilstand ved alle temperaturer. Derav navnet ferritisk rustfritt stål brukes til denne legeringsbasen. Når mer enn 17 % krom og 7 % nikkel tilsettes stålet, stabiliseres den høytemperaturbehandlede krystallinske strukturen til stålet, austenitt, slik at den vedvarer ved alle temperaturer fra den aller laveste til nesten smeltende.
Austenittisk rustfritt stål blir ofte referert til som «krom-nikkel»-typen, og martensittisk og ferritisk stål kalles ofte «rett krom»-typene. Enkelte legeringselementer som brukes i rustfritt stål og sveisemetaller oppfører seg som austenittstabilisatorer og andre som ferrittstabilisatorer. De viktigste austenittstabilisatorene er nikkel, karbon, mangan og nitrogen. Ferrittstabilisatorene er krom, silisium, molybden og niob. Balansering av legeringselementene kontrollerer mengden ferritt i sveisemetallen.
Austenittiske ståltyper sveises lettere og mer tilfredsstillende enn de som inneholder mindre enn 5 % nikkel. Sveiseforbindelser produsert i austenittisk rustfritt stål er sterke, duktile og seige i sin sveisede tilstand. De krever vanligvis ikke forvarming eller ettersveising. Austenittiske ståltyper utgjør omtrent 80 % av det sveisede rustfrie stålet, og denne innledende artikkelen fokuserer sterkt på dem.
Tabell 1: Rustfrie ståltyper og deres krom- og nikkelinnhold.
tstart{c,80%}
thead{Type|% Krom|% Nikkel|Typer}
tdata{Austenittisk|16–30 %|8–40 %|200, 300}
tdata{Martensittisk|11–18 %|0–5 %|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritisk|11–30 %|0–4 %|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Dupleks|18–28 %|4–8 %|2205}
pleier
Slik velger du riktig rustfritt fyllmateriale
Hvis basismaterialet i begge platene er det samme, pleide det opprinnelige veiledende prinsippet å være: «Start med å matche basismaterialet.» Det fungerer bra i noen tilfeller; for å skjøte type 310 eller 316, velg tilsvarende fyllstofftype.
For å sammenføye ulike materialer, følg dette veiledende prinsippet: «velg et fyllstoff som matcher det mer høylegerte materialet.» For å sammenføye 304 med 316, velg et 316-fyllstoff.
Dessverre har «tilpasningsregelen» så mange unntak at et bedre prinsipp er å konsultere en tabell for valg av fyllmateriale. For eksempel er type 304 det vanligste basismaterialet for rustfritt stål, men ingen tilbyr en type 304-elektrode.
Hvordan sveise rustfritt stål av type 304 uten en elektrode av type 304
For å sveise rustfritt stål av type 304, bruk fyllstoff av type 308, da de ekstra legeringselementene i type 308 vil stabilisere sveiseområdet bedre.
308L er imidlertid også et akseptabelt fyllstoff. 'L'-betegnelsen etter en hvilken som helst type indikerer lavt karboninnhold. Et rustfritt stål av type 3XXL har et karboninnhold på 0,03 % eller mindre, mens standard rustfritt stål av type 3XX kan ha et maksimalt karboninnhold på 0,08 %.
Fordi et type L-fyllstoff faller inn under samme klassifisering som ikke-L-produktet, kan og bør produsenter sterkt vurdere å bruke et type L-fyllstoff fordi lavere karboninnhold reduserer risikoen for intergranulær korrosjon. Forfatterne hevder faktisk at type L-fyllstoff ville blitt mer brukt hvis produsentene bare oppdaterte prosedyrene sine.
Produsenter som bruker GMAW-prosessen kan også vurdere å bruke et type 3XXSi-fyllstoff, ettersom tilsetning av silisium forbedrer fuktingen. I situasjoner der sveisen har en høy eller ru krone, eller der sveisebadet ikke fester seg godt ved tærne av en kile- eller overlappskjøt, kan bruk av en Si-type GMAW-elektrode glatte ut sveisestrengen og fremme bedre sammensmelting.
Hvis karbidutfelling er et problem, bør du vurdere et type 347-fyllstoff, som inneholder en liten mengde niob.
Hvordan sveise rustfritt stål til karbonstål
Denne situasjonen oppstår i applikasjoner der en del av en konstruksjon krever en korrosjonsbestandig utvendig overflate som er forbundet med et konstruksjonselement av karbonstål for å redusere kostnadene. Når du forbinder et basismateriale uten legeringselementer med et basismateriale med legeringselementer, bruk et overlegert fyllstoff slik at fortynningen i sveisemetallet balanserer eller er mer høylegert enn det rustfrie basismetallet.
For sammenføyning av karbonstål med type 304 eller 316, samt for sammenføyning av forskjellige rustfrie ståltyper, bør du vurdere en type 309L-elektrode for de fleste bruksområder. Hvis et høyere Cr-innhold er ønsket, bør du vurdere type 312.
Som en advarsel, austenittiske rustfrie ståltyper viser en utvidelseshastighet som er omtrent 50 prosent høyere enn karbonstål. Når de sammenføyes, kan de forskjellige utvidelseshastighetene forårsake sprekker på grunn av indre spenninger, med mindre riktig elektrode og sveiseprosedyre brukes.
Bruk riktige prosedyrer for rengjøring av sveiseforberedelser
Som med andre metaller, fjern først olje, fett, merker og smuss med et ikke-klorert løsemiddel. Deretter er hovedregelen for forberedelse av rustfritt stålsveising: «Unngå forurensning fra karbonstål for å forhindre korrosjon.» Noen selskaper bruker separate bygninger for sitt «rustfritt stålverksted» og «karbonverksted» for å forhindre krysskontaminering.
Angi slipeskiver og rustfrie børster som «kun rustfritt stål» når du forbereder kantene for sveising. Noen prosedyrer krever rengjøring fem centimeter fra skjøten. Forberedelse av skjøten er også viktigere, ettersom det er vanskeligere å kompensere for uoverensstemmelser med elektrodemanipulering enn med karbonstål.
Bruk riktig rengjøringsprosedyre etter sveising for å forhindre rust
For å begynne, husk hva som gjør rustfritt stål rustfritt: reaksjonen mellom krom og oksygen for å danne et beskyttende lag av kromoksid på overflaten av materialet. Rustfritt stål ruster på grunn av karbidutfelling (se nedenfor) og fordi sveiseprosessen varmer opp sveisemetallet til det punktet hvor ferrittisk oksid kan dannes på overflaten av sveisen. Hvis en perfekt sveis er i samme tilstand som sveiset, kan den vise «rustspor» ved grensene til den varmepåvirkede sonen på under 24 timer.
For at et nytt lag med rent kromoksid skal kunne omformes ordentlig, krever rustfritt stål rengjøring etter sveising ved polering, beising, sliping eller børsting. Bruk igjen slipemaskiner og børster som er spesialtilpasset til oppgaven.
Hvorfor er sveisetråd i rustfritt stål magnetisk?
Helaustenittisk rustfritt stål er ikke-magnetisk. Sveisetemperaturer skaper imidlertid en relativt stor kornstruktur i mikrostrukturen, noe som resulterer i at sveisen blir sprekkfølsom. For å redusere følsomheten for varmsprekk, tilsetter elektrodeprodusenter legeringselementer, inkludert ferritt. Ferrittfasen gjør at de austenittiske kornene blir mye finere, slik at sveisen blir mer sprekkbestandig.
En magnet vil ikke feste seg til en spole med austenittisk rustfritt fyllstoff, men en person som holder en magnet kan føle et lite drag på grunn av den tilbakeværende ferritten. Dessverre fører dette til at noen brukere tror at produktet deres er feilmerket eller at de bruker feil fyllstoff (spesielt hvis de har revet av etiketten fra trådkurven).
Riktig mengde ferritt i en elektrode avhenger av brukstemperaturen. For eksempel fører for mye ferritt til at sveisen mister seigheten sin ved lave temperaturer. Dermed har type 308-fyllstoff for en LNG-rørapplikasjon et ferritttall mellom 3 og 6, sammenlignet med et ferritttall på 8 for standard type 308-fyllstoff. Kort sagt, fyllstoffmetaller kan virke like ved første øyekast, men små forskjeller i sammensetning er viktige.
Finnes det en enkel måte å sveise dupleks rustfritt stål på?
Vanligvis har dupleks rustfritt stål en mikrostruktur som består av omtrent 50 % ferritt og 50 % austenitt. Enkelt sagt gir ferritten høy styrke og en viss motstand mot spenningskorrosjon, mens austenitten gir god seighet. De to fasene i kombinasjon gir dupleksstålene sine attraktive egenskaper. Et bredt utvalg av dupleks rustfritt stål er tilgjengelig, hvorav den vanligste er type 2205; denne inneholder 22 % krom, 5 % nikkel, 3 % molybden og 0,15 % nitrogen.
Ved sveising av dupleks rustfritt stål kan det oppstå problemer hvis sveisemetallet har for mye ferritt (varmen fra lysbuen får atomene til å ordne seg i en ferrittmatrise). For å kompensere må fyllmaterialer fremme den austenittiske strukturen med høyere legeringsinnhold, vanligvis 2 til 4 % mer nikkel enn i basismetallet. For eksempel kan flussfylt rørtråd for sveising av type 2205 ha 8,85 % nikkel.
Ønsket ferrittinnhold kan variere fra 25 til 55 % etter sveising (men kan være høyere). Merk at avkjølingshastigheten må være langsom nok til at austenitten kan gjenformes, men ikke så langsom at det dannes intermetalliske faser, og heller ikke for rask at det dannes overflødig ferritt i den varmepåvirkede sonen. Følg produsentens anbefalte prosedyrer for sveiseprosessen og det valgte tilsettmaterialet.
Justering av parametere ved sveising av rustfritt stål
For produsenter som stadig justerer parametere (spenning, strømstyrke, lysbuelengde, induktans, pulsbredde osv.) når de sveiser rustfritt stål, er den typiske årsaken inkonsekvent sammensetning av fyllmaterialet. Gitt viktigheten av legeringselementer, kan variasjoner i kjemisk sammensetning fra parti til parti ha en merkbar innvirkning på sveiseytelsen, for eksempel dårlig gjennomfukting eller vanskelig slaggfrigjøring. Variasjoner i elektrodediameter, overflaterens, støpegods og spiral påvirker også ytelsen i GMAW- og FCAW-applikasjoner.
Kontroll av kontrollkarbidutfelling i austenittisk rustfritt stål
Ved temperaturer i området 426–871 °C migrerer karboninnhold på over 0,02 % til korngrensene i den austenittiske strukturen, hvor det reagerer med krom og danner kromkarbid. Hvis kromet bindes til karbonet, er det ikke tilgjengelig for korrosjonsbestandighet. Når det utsettes for et korrosivt miljø, oppstår intergranulær korrosjon, som gjør at korngrensene spistes bort.
For å kontrollere karbidutfelling, hold karboninnholdet så lavt som mulig (maksimalt 0,04 %) ved å sveise med lavkarbonelektroder. Karbon kan også bindes av niob (tidligere columbium) og titan, som har en sterkere affinitet for karbon enn krom. Type 347-elektroder er laget for dette formålet.
Hvordan forberede seg til en diskusjon om valg av fyllmateriale
Som et minimum bør du samle informasjon om sluttbruken av den sveisede delen, inkludert driftsmiljø (spesielt driftstemperaturer, eksponering for korrosive elementer og grad av forventet korrosjonsmotstand) og ønsket levetid. Informasjon om nødvendige mekaniske egenskaper under driftsforhold er til stor hjelp, inkludert styrke, seighet, duktilitet og utmatting.
De fleste ledende elektrodeprodusentene tilbyr veiledninger for valg av tilsettmateriale, og forfatterne kan ikke overbelaste dette poenget: se en veiledning for bruk av tilsettmateriale eller kontakt produsentens tekniske eksperter. De er der for å hjelpe deg med å velge riktig elektrode i rustfritt stål.
For mer informasjon om TYUEs tilsettmaterialer i rustfritt stål og for å kontakte selskapets eksperter for råd, gå til www.tyuelec.com.
Publisert: 23. desember 2022