Połączenia w instalacjach rurowych. Jak pospawać „nierdzewkę”?

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf   

Wysokostopowa stal nierdzewna, w zależności od tego, czy zawiera tylko chrom, czy chrom i nikiel jako podstawowe składniki stopowe, wykazuje strukturę ferrytyczną (chrom powyżej 13% i bardzo mała zawartość węgla), martenzytyczną (chrom w ilości 12-14% oraz węgiel w ilości  0,1-0,4%) lub austenityczną, gdy jest w niej chrom i nikiel w ilości odpowiednio 15-25% oraz 8-20%. Kilka wybranych gatunków stali, zgodnie z normą PN-EN 10088-1, przedstawiono w tabeli. Wszystkie trzy grupy różnią się znacznie własnościami mechanicznymi, stopniem odporności na korozję czy wyglądem. Najbardziej pożądane właściwości, tj. wysoka odporność korozyjna, bardzo atrakcyjny wygląd, wysokie właściwości wytrzymałościowe i plastyczne oraz dobra spawalność, wykazują stale o strukturze austenitycznej, dlatego też to one z trzech ww. grup są najczęściej stosowane na konstrukcje spawane i nimi w tej chwili się zajmiemy.

Rozróżnianie gatunków
Nasuwa się pytanie, jak łatwo i szybko rozróżnić, nie znając gatunku stali, czy mamy do czynienia ze stalą ferrytyczną, czy martenzytyczną zawierającymi przede wszystkim chrom czy stalą austenityczną. Otóż przy większym doświadczeniu możliwe jest rozpoznanie grupy po barwie stali. Innym bardzo skutecznym i łatwym sposobem jest przyłożenie magnesu do stali. Stal austenityczna jest paramagnetykiem w całym zakresie temperatur, a więc nigdy nie będzie przyciągała magnesu w przeciwieństwie do stali zawierających jedynie chrom jako główny składnik stopowy.

Niestety pewne właściwości charakterystyczne dla wysokostopowych stali nierdzewnych o strukturze austenitycznej przysparzają wielu trudności podczas procesu spawania i wymagają stosowania specjalnych zabiegów. Do głównych właściwości utrudniających spawanie należy mały współczynnik przewodzenia ciepła, ok. 20 W/(m×* K) [(dla zwykłej stali „czarnej” ok. 60 W/(m×* K)], oraz duży współczynnik rozszerzalności cieplnej 16,2×* 10-6/K (stal „czarna” 12,6×* 10-6/K), które powodują znaczne odkształcenia konstrukcji spawanych (szczególnie cienkościennych), mogących prowadzić w skrajnych przypadkach do powstawania pęknięć. Innym niepożądanym zjawiskiem, występującym podczas spawania i zwanym „korozją międzykrystaliczną”, jest wydzielanie węglików chromu, które powodują lokalne zubożenie metalu w chrom i obniżenie odporności korozyjnej. Mając na uwadze powyższe czynniki oraz przeważnie wymaganą bardzo wysoką estetykę połączeń, najodpowiedniejszą metodą spawania stali nierdzewnej austenitycznej jest spawanie metodą TIG (spawanie elektrodą nietopliwą wolframową w osłonie gazu obojętnego).

Unikanie korozji…
Mechanizm korozji międzykrystalicznej skrótowo opisano powyżej. Sposobem uniknięcia tego zjawiska jest stosowanie stali oraz spoiw o zawartości węgla poniżej 0,03% lub z dodatkiem tytanu albo niobu, które wiążą węgiel. Należy tutaj zwrócić uwagę na możliwość zachodzenia zjawiska korozji międzykrystalicznej, spowodowanej przez kontakt stali niestopowej „czarnej”, w której zwartość węgla wynosi ok. 0,25%, ze stalą austenityczną. Zatem do obróbki stali austenitycznej stosujemy wyłączenie narzędzia wykonane również ze stali austenitycznej. Również czyszczenie, szlifowanie itp. elementów ze stali austenitycznej może się odbywać jedynie narzędziami przeznaczonymi do tego typu stali. Zdarzały się przypadki, że podczas cięcia stali czarnej iskry padające na stal nierdzewną powodowały w tych miejscach powstawanie ognisk korozji.

Bez odkształceń
Zapobieganie odkształceniom podczas spawania stali nierdzewnej metodą TIG można uzyskać poprzez odpowiednie zaprojektowanie złącza (ukosowania krawędzi), mocowanie elementów oraz wykonanie odpowiedniej ilości i rozmieszczenie spoin sczepnych. Połączenia spawane powinny być tak zaprojektowane, aby spoina mogła być wykonana jak najmniejszą ilością ściegów, przy czym możliwe jest ukosowanie na V, U lub I. Najskuteczniejszą metodą zapobiegania odkształceniom spawalniczym jest jednak należyte mocowanie elementów względem siebie. Szczególnie dobre wyniki daje mocowanie elementów w oprzyrządowaniu wykonanym np. z miedzi, tak aby możliwe było szybkie odprowadzanie ciepła z obszaru spawania.

Czysty gaz
Odpowiednia czystość gazu osłonowego i jego ilość są kluczowymi czynnikami wpływającymi na jakość oraz stopień przebarwień tlenkowych na powierzchni uzyskanego połączenia. W większości przypadków podstawowym gazem osłonowym będzie argon. W przypadku spawania elementów o większych grubościach zalecane jest stosowanie argonu z niewielkim dodatkiem wodoru. Strumień gazu osłonowego ustala się na 6-10 l/m w zależności od średnicy dyszy gazowej. W przypadku, kiedy zależy nam na uniknięciu powstawania tlenkowych barw nalotowych na stali od strony graniowej, również i ją powinniśmy chronić poprzez nadmuch gazu osłonowego, którym w tym wypadku jest argon albo dużo tańszy azot. Pamiętać zawsze należy, że podczas podawania spawania zawsze końcówkę materiału dodatkowego utrzymujemy w obszarze chronionym przez nadmuch argonu, tak aby nie utlenić nadtopionej końcówki materiału dodatkowego. Podczas zakończenia układania spoiny powinniśmy zapewnić (przynajmniej 3 s) nadmuch gazu osłonowego po wygaśnięciu łuku, tak by zapewnić osłonę przed dostępem gazów atmosferycznych do obszaru krateru.

Jaka elektroda?
Przeważnie do spawania wysokostopowej stali nierdzewnej stosowana jest elektroda wolframowa z dodatkami tlenków toru (końcówka barwiona na czerwono) o średnicy 1,0-3,2 mm (średnica dyszy gazowej 6,5-12,5 mm). Końcówka elektrody powinna być ostrzona i delikatnie przytępiona, a wysokość stożka nie powinna być większa niż 2,5-krotność średnicy elektrody. Szlifowanie końcówki powinno odbywać się równolegle do osi elektrody. Należy pamiętać, że tor jest pierwiastkiem radioaktywnym i pył powstały podczas szlifowania nie może być wdychany przez ostrzącego elektrodę. Elektroda wolframowa podłączana jest do bieguna ujemnego prądu stałego.

Spoiwo
Warunkiem prawidłowego wykonania połączenia spawanego jest dobór odpowiedniego materiału dodatkowego (spoiwa). Podstawową zasadą jest, aby skład chemiczny spoiwa był taki sam lub zbliżony do składu chemicznego materiału spawanego. I tak np. do spawania stali w gat. X6CrNiTi18-10 będziemy stosowali spoiwo w gat. W 19 9 LSi wg PN-EN ISO 14343 zawierające 19% Cr i 9% Ni.

Spawanie stali nierdzewnej o strukturze austenitycznej nie należy do procesów specjalnie trudnych i przy zachowaniu podstawowych zasad spawania tej grupy stali można otrzymać bardzo estetyczne połączenia, których wyglądem i funkcjonalnością będziemy cieszyli się przez wiele lat użytkowania produktu.

dr inż. Maciej Różański

Fot. Spawanie ręczne elementów balustrady metodą TIG.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij