Denne artikel fra Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. forklarer, hvad man skal overveje, når man specificerer tilsatsmaterialer til svejsning af rustfrit stål.
De egenskaber, der gør rustfrit stål så attraktivt - evnen til at tilpasse dets mekaniske egenskaber og modstandsdygtighed over for korrosion og oxidation - øger også kompleksiteten ved at vælge et passende tilsatsmateriale til svejsning. For enhver given kombination af basismaterialer kan en af flere typer elektroder være passende, afhængigt af omkostningsproblemer, driftsforhold, ønskede mekaniske egenskaber og en række svejserelaterede problemer.
Denne artikel giver den nødvendige tekniske baggrund for at give læseren en forståelse af emnets kompleksitet og besvarer derefter nogle af de mest almindelige spørgsmål, der stilles til leverandører af tilsatsmaterialer. Den fastlægger generelle retningslinjer for valg af passende tilsatsmaterialer til rustfrit stål - og forklarer derefter alle undtagelserne fra disse retningslinjer! Artiklen dækker ikke svejseprocedurer, da det er et emne for en anden artikel.
Fire kvaliteter, adskillige legeringselementer
Der er fire hovedkategorier af rustfrit stål:
austenitisk
martensitisk
ferritisk
Duplex
Navnene er afledt af den krystallinske struktur af stål, der normalt findes ved stuetemperatur. Når lavkulstofstål opvarmes til over 912 °C, omstruktureres stålets atomer fra den struktur, der kaldes ferrit ved stuetemperatur, til den krystalstruktur, der kaldes austenit. Ved afkøling vender atomerne tilbage til deres oprindelige struktur, ferrit. Højtemperaturstrukturen, austenit, er ikke-magnetisk, plastisk og har lavere styrke og større duktilitet end ferritens form ved stuetemperatur.
Når der tilsættes mere end 16% krom til stålet, stabiliseres den krystallinske struktur ved stuetemperatur, ferrit, og stålet forbliver i den ferritiske tilstand ved alle temperaturer. Derfor anvendes navnet ferritisk rustfrit stål på denne legeringsbase. Når der tilsættes mere end 17% krom og 7% nikkel til stålet, stabiliseres stålets højtemperaturkrystallinske struktur, austenit, så den vedvarer ved alle temperaturer fra den allerlaveste til næsten smeltende.
Austenitisk rustfrit stål kaldes almindeligvis for 'krom-nikkel'-typen, og martensitisk og ferritisk stål kaldes almindeligvis for 'lige krom'-typerne. Visse legeringselementer, der anvendes i rustfrit stål og svejsemetaller, fungerer som austenitstabilisatorer, og andre som ferritstabilisatorer. De vigtigste austenitstabilisatorer er nikkel, kulstof, mangan og nitrogen. Ferritstabilisatorerne er krom, silicium, molybdæn og niobium. Afbalancering af legeringselementerne styrer mængden af ferrit i svejsemetallen.
Austenitiske ståltyper svejses lettere og mere tilfredsstillende end dem, der indeholder mindre end 5% nikkel. Svejsesamlinger produceret i austenitisk rustfrit stål er stærke, duktile og seje i deres svejsede tilstand. De kræver normalt ikke forvarmning eller eftersvejsningsvarmebehandling. Austenitiske ståltyper tegner sig for cirka 80% af det svejsede rustfri stål, og denne introduktionsartikel fokuserer i høj grad på dem.
Tabel 1: Rustfrit ståltyper og deres krom- og nikkelindhold.
tstart{c,80%}
thead{Type|% Krom|% Nikkel|Typer}
tdata{Austenitisk|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensitisk|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritisk|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
tendens
Sådan vælger du det rigtige rustfri tilsatsmateriale
Hvis basismaterialet i begge plader er det samme, var det oprindelige vejledende princip: "Start med at matche basismaterialet." Det fungerer godt i nogle tilfælde; for at sammenføje type 310 eller 316 skal du vælge den tilsvarende fyldstoftype.
For at sammenføje forskellige materialer skal du følge dette vejledende princip: 'vælg et fyldstof, der passer til det mere højlegerede materiale.' For at sammenføje 304 med 316 skal du vælge et 316-fyldstof.
Desværre har 'match-reglen' så mange undtagelser, at et bedre princip er at konsultere en tabel over valg af tilsatsmateriale. For eksempel er type 304 det mest almindelige basismateriale for rustfrit stål, men ingen tilbyder en type 304-elektrode.
Sådan svejses rustfrit stål af type 304 uden en elektrode af type 304
For at svejse rustfrit stål af type 304 skal du bruge type 308 fyldstof, da de ekstra legeringselementer i type 308 bedre vil stabilisere svejseområdet.
308L er dog også et acceptabelt fyldstof. 'L'-betegnelsen efter enhver type angiver lavt kulstofindhold. En type 3XXL rustfrit stål har et kulstofindhold på 0,03% eller mindre, hvorimod standard type 3XX rustfrit stål kan have et maksimalt kulstofindhold på 0,08%.
Da et type L-fyldstof falder ind under samme klassificering som ikke-L-produktet, kan og bør producenter kraftigt overveje at bruge et type L-fyldstof, fordi et lavere kulstofindhold reducerer risikoen for intergranulær korrosion. Faktisk hævder forfatterne, at type L-fyldstof ville blive mere udbredt, hvis producenterne blot opdaterede deres procedurer.
Producenter, der bruger GMAW-processen, kan også overveje at bruge et type 3XXSi-fyldstof, da tilsætning af silicium forbedrer gennemvædningen. I situationer, hvor svejsningen har en høj eller ru krone, eller hvor svejsepytten ikke slutter godt til ved tæerne af en filet- eller overlapningssamling, kan brug af en Si Type GMAW-elektrode udglatte svejsestrengen og fremme bedre sammensmeltning.
Hvis der er bekymring for karbidudfældning, bør man overveje et type 347-fyldstof, som indeholder en lille mængde niobium.
Sådan svejses rustfrit stål til kulstofstål
Denne situation opstår i anvendelser, hvor en del af en struktur kræver en korrosionsbestandig yderflade, der er forbundet med et konstruktionselement af kulstofstål for at reducere omkostningerne. Når et basismateriale uden legeringselementer forbindes med et basismateriale med legeringselementer, skal der anvendes et overlegeret fyldstof, så fortyndingen i svejsemetallet afbalanceres eller er mere højtlegeret end det rustfrie basismetal.
Til samling af kulstofstål med type 304 eller 316, samt til samling af forskellige rustfrie ståltyper, bør man overveje en type 309L-elektrode til de fleste anvendelser. Hvis et højere Cr-indhold ønskes, bør man overveje type 312.
Som en advarsel udviser austenitisk rustfrit stål en udvidelseshastighed, der er omkring 50 procent større end kulstofståls. Når de sammenføjes, kan de forskellige udvidelseshastigheder forårsage revner på grund af indre spændinger, medmindre den korrekte elektrode og svejseprocedure anvendes.
Brug de korrekte procedurer for rengøring af svejseforberedelser
Som med andre metaller skal olie, fedt, mærker og snavs først fjernes med et ikke-kloreret opløsningsmiddel. Derefter er den primære regel for forberedelse af rustfri svejsning "Undgå kontaminering fra kulstofstål for at forhindre korrosion." Nogle virksomheder bruger separate bygninger til deres "rustfrit stålværksted" og "kulstofstålværksted" for at forhindre krydskontaminering.
Slibeskiver og rustfri børster skal kun bruges til svejsning, når du forbereder kanter til svejsning. Nogle procedurer kræver rengøring fem centimeter fra samlingen. Forberedelse af samlingen er også mere kritisk, da det er vanskeligere at kompensere for uoverensstemmelser med elektrodemanipulation end med kulstofstål.
Brug den korrekte rengøringsprocedure efter svejsning for at forhindre rust
Til at begynde med skal du huske på, hvad der gør rustfrit stål rustfrit: reaktionen mellem krom og ilt, der danner et beskyttende lag af kromoxid på materialets overflade. Rustfrit stål ruster på grund af hårdmetaludfældning (se nedenfor), og fordi svejseprocessen opvarmer svejsemetallet til et punkt, hvor der kan dannes ferritisk oxid på svejsningens overflade. Hvis en svejsning i sin oprindelige tilstand forbliver i perfekt stand, kan den vise 'rustspor' ved grænserne af den varmepåvirkede zone på mindre end 24 timer.
For at et nyt lag af ren kromoxid kan omformes korrekt, kræver rustfrit stål rengøring efter svejsning ved polering, bejdsning, slibning eller børstning. Brug igen slibemaskiner og børster, der er specielt beregnet til opgaven.
Hvorfor er svejsetråd i rustfrit stål magnetisk?
Fuldt austenitisk rustfrit stål er ikke-magnetisk. Svejsetemperaturer skaber dog en relativt stor kornstruktur i mikrostrukturen, hvilket resulterer i, at svejsningen er revnefølsom. For at mindske følsomheden over for varme revner tilføjer elektrodeproducenter legeringselementer, herunder ferrit. Ferritfasen får de austenitiske korn til at være meget finere, så svejsningen bliver mere revnebestandig.
En magnet vil ikke klæbe til en spole austenitisk rustfrit stålfyldstof, men en person, der holder en magnet, kan mærke et let træk på grund af den tilbageholdte ferrit. Desværre får dette nogle brugere til at tro, at deres produkt er blevet forkert mærket, eller at de bruger det forkerte fyldstof (især hvis de har revet etiketten af trådkurven).
Den korrekte mængde ferrit i en elektrode afhænger af applikationens driftstemperatur. For eksempel forårsager for meget ferrit, at svejsningen mister sin sejhed ved lave temperaturer. Derfor har type 308-fyldstof til en LNG-rørapplikation et ferrittal mellem 3 og 6, sammenlignet med et ferrittal på 8 for standard type 308-fyldstof. Kort sagt kan fyldmetaller virke ens i starten, men små forskelle i sammensætning er vigtige.
Er der en nem måde at svejse duplex rustfrit stål på?
Typisk har duplex rustfri stål en mikrostruktur bestående af cirka 50 % ferrit og 50 % austenit. Enkelt sagt giver ferritten høj styrke og en vis modstandsdygtighed over for spændingskorrosion, mens austenitten giver god sejhed. De to faser i kombination giver duplexstålene deres attraktive egenskaber. En bred vifte af duplex rustfri stål er tilgængelige, hvor den mest almindelige er type 2205; denne indeholder 22 % krom, 5 % nikkel, 3 % molybdæn og 0,15 % nitrogen.
Ved svejsning af duplex rustfrit stål kan der opstå problemer, hvis svejsemetallet har for meget ferrit (varmen fra lysbuen får atomerne til at arrangere sig i en ferritmatrix). For at kompensere skal tilsatsmetaller fremme den austenitiske struktur med et højere legeringsindhold, typisk 2 til 4 % mere nikkel end i basismetallet. For eksempel kan fluxfyldt tråd til svejsning af type 2205 have 8,85 % nikkel.
Det ønskede ferritindhold kan variere fra 25 til 55 % efter svejsning (men kan være højere). Bemærk, at afkølingshastigheden skal være langsom nok til, at austenitten kan gendannes, men ikke så langsom, at der dannes intermetalliske faser, og heller ikke for hurtig, at der dannes overskydende ferrit i den varmepåvirkede zone. Følg producentens anbefalede procedurer for den valgte svejseproces og det valgte tilsatsmateriale.
Justering af parametre ved svejsning af rustfrit stål
For fabrikatører, der konstant justerer parametre (spænding, strømstyrke, lysbuelængde, induktans, pulsbredde osv.) ved svejsning af rustfrit stål, er den typiske synder inkonsekvent sammensætning af tilsatsmateriale. I betragtning af legeringselementernes betydning kan variationer i den kemiske sammensætning fra parti til parti have en mærkbar indflydelse på svejseydelsen, såsom dårlig gennemvædning eller vanskelig slaggefrigivelse. Variationer i elektrodediameter, overfladerenhed, støbning og spiral påvirker også ydeevnen i GMAW- og FCAW-applikationer.
Kontrol af hårdmetaludfældning i austenitisk rustfrit stål
Ved temperaturer i området 426-871°C migrerer et kulstofindhold på over 0,02% til korngrænserne i den austenitiske struktur, hvor det reagerer med krom og danner kromkarbid. Hvis krom bindes til kulstoffet, er det ikke tilgængeligt for korrosionsbestandighed. Når det udsættes for et korrosivt miljø, opstår der intergranulær korrosion, der kan æde korngrænserne væk.
For at kontrollere karbidudfældning skal kulstofindholdet holdes så lavt som muligt (maksimalt 0,04%) ved at svejse med elektroder med lavt kulstofindhold. Kulstof kan også bindes af niobium (tidligere columbium) og titanium, som har en stærkere affinitet for kulstof end krom. Type 347-elektroder er fremstillet til dette formål.
Sådan forbereder du dig til en diskussion om valg af tilsatsmateriale
Som minimum skal du indsamle oplysninger om den svejsede dels slutanvendelse, herunder driftsmiljø (især driftstemperaturer, eksponering for korrosive elementer og graden af forventet korrosionsbestandighed) og ønsket levetid. Oplysninger om nødvendige mekaniske egenskaber under driftsforhold er i høj grad nyttige, herunder styrke, sejhed, duktilitet og udmattelse.
De fleste førende elektrodeproducenter tilbyder vejledninger til valg af tilsatsmateriale, og forfatterne kan ikke understrege nok dette punkt: se en vejledning til anvendelse af tilsatsmateriale, eller kontakt producentens tekniske eksperter. De er der for at hjælpe med at vælge den rigtige rustfri stålelektrode.
For mere information om TYUEs tilsatsmaterialer i rustfrit stål og for at kontakte virksomhedens eksperter for rådgivning, gå til www.tyuelec.com.
Opslagstidspunkt: 23. dec. 2022