Den här artikeln från Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. förklarar vad man ska tänka på när man specificerar tillsatsmaterial för svetsning av rostfritt stål.
De egenskaper som gör rostfritt stål så attraktivt – möjligheten att skräddarsy dess mekaniska egenskaper och motståndskraft mot korrosion och oxidation – ökar också komplexiteten i att välja ett lämpligt tillsatsmaterial för svetsning. För en given basmaterialkombination kan vilken som helst av flera typer av elektroder vara lämpliga, beroende på kostnadsfrågor, driftsförhållanden, önskade mekaniska egenskaper och en mängd svetsrelaterade problem.
Den här artikeln ger den nödvändiga tekniska bakgrunden för att ge läsaren en förståelse för ämnets komplexitet och besvarar sedan några av de vanligaste frågorna som ställs till leverantörer av tillsatsmaterial. Den fastställer allmänna riktlinjer för att välja lämpliga tillsatsmaterial för rostfritt stål – och förklarar sedan alla undantag från dessa riktlinjer! Artikeln täcker inte svetsprocedurer, eftersom det är ett ämne för en annan artikel.
Fyra kvaliteter, många legeringselement
Det finns fyra huvudkategorier av rostfria stål:
austenitisk
martensitisk
ferritisk
Duplex
Namnen härstammar från den kristallina strukturen hos stål som normalt finns vid rumstemperatur. När lågkolstål upphettas över 912 °C omorganiseras stålets atomer från den struktur som kallas ferrit vid rumstemperatur till den kristallstruktur som kallas austenit. Vid kylning återgår atomerna till sin ursprungliga struktur, ferrit. Högtemperaturstrukturen, austenit, är icke-magnetisk, plastisk och har lägre hållfasthet och större duktilitet än rumstemperaturformen av ferrit.
När mer än 16 % krom tillsätts stålet stabiliseras den rumstemperaturerade kristallina strukturen, ferrit, och stålet förblir i ferritiskt tillstånd vid alla temperaturer. Därav namnet ferritiskt rostfritt stål används för denna legeringsbas. När mer än 17 % krom och 7 % nickel tillsätts stålet stabiliseras stålets högtemperaturkristallina struktur, austenit, så att den behåller sin form vid alla temperaturer, från den allra lägsta till nästan smältande.
Austenitiskt rostfritt stål kallas vanligtvis för "krom-nickel"-typen, och martensitiska och ferritiska stål kallas vanligtvis för "rak krom". Vissa legeringselement som används i rostfria stål och svetsmetaller fungerar som austenitstabilisatorer och andra som ferritstabilisatorer. De viktigaste austenitstabilisatorerna är nickel, kol, mangan och kväve. Ferritstabilisatorerna är krom, kisel, molybden och niob. Balansering av legeringselementen styr mängden ferrit i svetsmetallen.
Austenitiska stålsorter svetsas lättare och mer tillfredsställande än de som innehåller mindre än 5 % nickel. Svetsfogar som tillverkas i austenitiska rostfria stål är starka, duktila och sega i sitt svetsade tillstånd. De kräver normalt inte förvärmning eller eftersvetsningsvärmebehandling. Austenitiska stålsorter står för cirka 80 % av det svetsade rostfria stålet, och denna inledande artikel fokuserar starkt på dem.
Tabell 1: Rostfria ståltyper och deras krom- och nickelhalt.
tstart{c,80%}
thead{Typ|% Krom|% Nickel|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}
tendera{}
Hur man väljer rätt rostfritt tillsatsmaterial
Om basmaterialet i båda plattorna är detsamma, brukade den ursprungliga vägledande principen vara: "Börja med att matcha basmaterialet." Det fungerar bra i vissa fall; för att sammanfoga typ 310 eller 316, välj motsvarande fyllnadstyp.
För att sammanfoga olika material, följ denna vägledande princip: "välj ett fyllnadsmedel som matchar det mer höglegerade materialet." För att sammanfoga 304 med 316, välj ett 316-fyllnadsmedel.
Tyvärr har "matchningsregeln" så många undantag att en bättre princip är att konsultera en tabell över val av tillsatsmaterial. Till exempel är typ 304 det vanligaste basmaterialet för rostfritt stål, men ingen erbjuder en elektrod av typ 304.
Hur man svetsar rostfritt stål av typ 304 utan en elektrod av typ 304
För att svetsa rostfritt stål av typ 304, använd tillsatsmedel av typ 308, eftersom de ytterligare legeringselementen i typ 308 bättre stabiliserar svetsområdet.
308L är dock också ett acceptabelt fyllnadsmedel. Beteckningen 'L' efter varje typ indikerar låg kolhalt. Ett rostfritt stål av typ 3XXL har en kolhalt på 0,03 % eller mindre, medan standard rostfritt stål av typ 3XX kan ha en maximal kolhalt på 0,08 %.
Eftersom ett typ L-fyllmedel faller inom samma klassificering som icke-L-produkten, kan och bör tillverkare starkt överväga att använda ett typ L-fyllmedel eftersom lägre kolhalt minskar risken för intergranulär korrosion. Författarna hävdar faktiskt att typ L-fyllmedel skulle användas i större utsträckning om tillverkare helt enkelt uppdaterade sina rutiner.
Tillverkare som använder GMAW-processen kan också överväga att använda ett typ 3XXSi-fyllmedel, eftersom tillsatsen av kisel förbättrar vätningen. I situationer där svetsen har en hög eller grov krona, eller där svetspölen inte fäster bra vid tårna på en käl- eller överlappsfog, kan användning av en Si-typ GMAW-elektrod jämna ut svetssträngen och främja bättre sammansmältning.
Om karbidutfällning är ett problem, överväg ett fyllmedel av typ 347, som innehåller en liten mängd niob.
Hur man svetsar rostfritt stål till kolstål
Denna situation uppstår i tillämpningar där en del av en konstruktion kräver en korrosionsbeständig yttre yta som är sammanfogad med ett konstruktionselement av kolstål för att sänka kostnaden. Vid sammanfogning av ett basmaterial utan legeringselement med ett basmaterial med legeringselement, använd ett överlegerat fyllmedel så att utspädningen i svetsgodset balanseras eller är mer höglegerad än den rostfria basmetallen.
För att sammanfoga kolstål med typ 304 eller 316, såväl som för att sammanfoga olika rostfria stål, överväg en elektrod av typ 309L för de flesta tillämpningar. Om en högre Cr-halt önskas, överväg typ 312.
Som en varning kan det nämnas att austenitiska rostfria stål uppvisar en expansionshastighet som är cirka 50 procent högre än kolståls. Vid sammanfogning kan de olika expansionshastigheterna orsaka sprickbildning på grund av inre spänningar om inte rätt elektrod och svetsmetod används.
Använd korrekta rengöringsprocedurer för svetsförberedelse
Precis som med andra metaller, avlägsna först olja, fett, märken och smuts med ett icke-klorerat lösningsmedel. Därefter är den primära regeln för svetsförberedelse av rostfritt stål "Undvik kontaminering från kolstål för att förhindra korrosion." Vissa företag använder separata byggnader för sin "rostfria verkstad" och "kolstålsverkstad" för att förhindra korskontaminering.
Beteckna slipskivor och rostfria borstar som "endast rostfritt" när du förbereder kanterna för svetsning. Vissa procedurer kräver rengöring fem centimeter från fogen. Fogen är också viktigare, eftersom det är svårare att kompensera för inkonsekvenser med elektrodmanipulation än med kolstål.
Använd korrekt rengöringsprocedur efter svetsning för att förhindra rost
Till att börja med, kom ihåg vad som gör rostfritt stål rostfritt: kroms reaktion med syre för att bilda ett skyddande lager av kromoxid på materialets yta. Rostfritt stål rostar på grund av karbidutfällning (se nedan) och eftersom svetsprocessen värmer upp svetsgodset till den grad att ferritisk oxid kan bildas på svetsens yta. Om en helt hel svets lämnas i samma skick som vid svetsning kan den visa "rostspår" vid gränserna för den värmepåverkade zonen på mindre än 24 timmar.
För att ett nytt lager av ren kromoxid ska kunna återbildas ordentligt kräver rostfritt stål rengöring efter svetsning genom polering, betning, slipning eller borstning. Använd återigen slipmaskiner och borstar som är avsedda för uppgiften.
Varför är svetstråd av rostfritt stål magnetisk?
Helaustenitiskt rostfritt stål är icke-magnetiskt. Svetstemperaturer skapar dock en relativt stor kornstruktur i mikrostrukturen, vilket resulterar i att svetsen blir sprickkänslig. För att minska känsligheten för varmsprickbildning tillsätter elektrodtillverkare legeringsämnen, inklusive ferrit. Ferritfasen gör att de austenitiska kornen blir mycket finare, så svetsen blir mer sprickbeständig.
En magnet fastnar inte på en spole med austenitiskt rostfritt fyllnadsmaterial, men en person som håller i en magnet kan känna ett lätt drag på grund av den kvarvarande ferriten. Tyvärr får detta vissa användare att tro att deras produkt har blivit felmärkt eller att de använder fel fyllnadsmaterial (särskilt om de har rivit av etiketten från trådkorgen).
Den korrekta mängden ferrit i en elektrod beror på applikationens driftstemperatur. Till exempel orsakar för mycket ferrit att svetsen förlorar sin seghet vid låga temperaturer. Därför har typ 308-fyllmedel för en LNG-rörapplikation ett ferrittal mellan 3 och 6, jämfört med ett ferrittal på 8 för standardtyp 308-fyllmedel. Kort sagt, tillsatsmaterial kan verka lika till en början, men små skillnader i sammansättning är viktiga.
Finns det ett enkelt sätt att svetsa duplexa rostfria stål?
Vanligtvis har duplexa rostfria stål en mikrostruktur som består av cirka 50 % ferrit och 50 % austenit. Enkelt uttryckt ger ferriten hög hållfasthet och viss motståndskraft mot spänningskorrosion medan austeniten ger god seghet. De två faserna i kombination ger duplexstålen deras attraktiva egenskaper. Ett brett utbud av duplexa rostfria stål finns tillgängliga, varav den vanligaste är typ 2205; denna innehåller 22 % krom, 5 % nickel, 3 % molybden och 0,15 % kväve.
Vid svetsning av duplex rostfritt stål kan problem uppstå om svetsgodset har för mycket ferrit (värmen från ljusbågen gör att atomerna arrangerar sig i en ferritmatris). För att kompensera måste tillsatsmaterial främja den austenitiska strukturen med högre legeringsinnehåll, vanligtvis 2 till 4 % mer nickel än i basmetallen. Till exempel kan flussfylld rörtråd för svetsning av typ 2205 ha 8,85 % nickel.
Önskad ferrithalt kan variera från 25 till 55 % efter svetsning (men kan vara högre). Observera att kylningshastigheten måste vara tillräckligt långsam för att austeniten ska kunna återbildas, men inte så långsam att intermetalliska faser skapas, och inte heller för snabb att överskott av ferrit skapas i den värmepåverkade zonen. Följ tillverkarens rekommenderade procedurer för vald svetsprocessen och tillsatsmaterialet.
Justering av parametrar vid svetsning av rostfritt stål
För tillverkare som ständigt justerar parametrar (spänning, strömstyrka, båglängd, induktans, pulsbredd etc.) vid svetsning av rostfritt stål är den typiska boven i dramat inkonsekvent tillsatsmaterialsammansättning. Med tanke på legeringselementens betydelse kan variationer i kemisk sammansättning mellan partier ha en märkbar inverkan på svetsprestanda, såsom dålig vätning eller svår slaggfrigöring. Variationer i elektroddiameter, ytrenhet, gjutform och spiral påverkar också prestandan i GMAW- och FCAW-applikationer.
Kontroll av utfällning av karbid i austenitiskt rostfritt stål
Vid temperaturer i intervallet 426-871°C migrerar kolhalter över 0,02% till korngränserna i den austenitiska strukturen, där det reagerar med krom för att bilda kromkarbid. Om kromet binds till kolet är det inte tillgängligt för korrosionsbeständighet. När det utsätts för en korrosiv miljö uppstår interkristallin korrosion, vilket gör att korngränserna fräts bort.
För att kontrollera karbidutfällning, håll kolhalten så låg som möjligt (max 0,04 %) genom att svetsa med lågkolelektroder. Kol kan också bindas av niob (tidigare columbium) och titan, vilka har en starkare affinitet för kol än krom. Elektroder av typ 347 är tillverkade för detta ändamål.
Hur man förbereder sig för en diskussion om val av tillsatsmaterial
Samla åtminstone information om den svetsade delens slutanvändning, inklusive driftsmiljö (särskilt driftstemperaturer, exponering för korrosiva ämnen och graden av förväntad korrosionsbeständighet) och önskad livslängd. Information om erforderliga mekaniska egenskaper vid driftsförhållanden, inklusive hållfasthet, seghet, duktilitet och utmattning, är till stor hjälp.
De flesta ledande elektrodtillverkarna tillhandahåller guideböcker för val av tillsatsmaterial, och författarna kan inte nog betona denna punkt: konsultera en guide för tillsatsmaterial eller kontakta tillverkarens tekniska experter. De finns där för att hjälpa till med att välja rätt elektrod i rostfritt stål.
För mer information om TYUEs tillsatsmaterial i rostfritt stål och för att kontakta företagets experter för råd, gå till www.tyuelec.com.
Publiceringstid: 23 december 2022