"Nowoczesne kryteria projektowe w odniesieniu do materiałów spawalniczych do spawania łukowego stali nierdzewnej", Jan Hilkes i Leo van Nassau.
Lincoln Smitweld bv the Netherlands, jhilkes@lincolnelectric.nl
Słowa kluczowe:
Spawane konstrukcje metalowe ze stali nierdzewnej, wykres WRC 1992, wykres Scheaftlera, charakterystyki spawalnicze, właściwości odporności na korozję, spawanie łukowe.
Analiza dokumentacyjna:
Rozwój materiałów spawalniczych mających zastosowanie dla stali nierdzewnej powoduje konieczność dokładnego rozpoznania w odniesieniu do typów wielu różnych produktów i ich składu chemicznego. Typowe pozycje produktów rynkowych zostały przedstawione na wykresach wiodących stalowych konstrukcji spawanych opublikowanych przez Radę Rozwoju Spawalnictwa (WRC) i Schaefller’a.
Zależności pomiędzy składnikami tworzącymi żużel w otulinie okrywającej elektrodę metalową i w drutach proszkowych są związane z określonymi właściwościami spawalniczymi końcowego materiału spawalniczego.
1.Wprowadzenie.
Większość procesów spawania może być stosowanych do spawania stali nierdzewnej. Każdy z głównych procesów spawalniczych, takich jak SMAW, FCAW, GMAW i SAW potrzebuje materiałów spawalniczych o szczególnych właściwościach i konkretnym składzie chemicznym. Stopiwo uzyskane z tych materiałów spawalniczych musi spełniać wymagania, które są wspólne dla wszystkich spawanych konstrukcji ze stali nierdzewnej: nie mogą występować pęknięcia, porowatości, rozpryski, jak również musi być zapewniony gładki wygląd spoiny. Skład chemiczny metalu spoiny musi być co najmniej taki, jak skład chemiczny materiału podstawowego lub być bardziej dopasowany do pierwiastków stopowych, jeśli technologicznie jest to odpowiednie lub wymagane. Dodatkowo, struktura metalurgiczna powinna kontrolować ilość ferrytu i nie powinna zawierać szkodliwych faz, takich jak węglik chromu (Cr23C6) lub faza sigma (FeCr).
Najważniejsze stosowane składniki stopowe to: Cr, Ni, Mo, Mn, Cu, Nb, W i N. Składniki te wspólnie z węglem (C) i krzemem (Si) determinują wielkość rozrostu struktury po krzepnięciu, odnoszącej się do współczynnika stygnięcia, który jest typowy i praktyczny dla spawania stali nierdzewnej. Najbardziej aktualny wykres dla określenia metalurgicznej mikrostruktury jest zawarty na rysunku WRC 1992 (wykres składu /1/).
Materiały spawalnicze dla stali nierdzewnej to:
• Elektrody otulone dla procesu SMAW.
• Druty spawalnicze, osłaniane lekko utleniającym gazem dla procesu GMAW lub z aktywnym lub neutralnym topnikiem dla procesu spawania łukiem krytym SAW.
• Pręty wolframowe dla procesu GTAW, z obojętnym gazem osłonowym.
• Drutu proszkowe z metalem lub topnikiem, osłaniane mieszankami gazu CO2, Ar/CO2 lub Ar/He/CO2, stosowane dla procesu FCAW.
W odczycie tym położony jest nacisk na klasyfikację metalu spoiny przystosowaną do klasyfikacji różnego materiału bazowego ze stali nierdzewnej. Różnice w ich składzie prowadzą do różnych metalurgicznych mikrostruktur, które mogą być przewidywane za pomocą wykresów struktury. Dalszym czynnikiem określającym właściwości spawalnicze jest wpływ składników otuliny tworzących żużel, wypełnienie drutów proszkowych i topnik stosowany w procesie spawania łukiem krytym.
2. Klasy metalu spoiny.
Wymagania dla różnych typowych stopów metalu spoiny zależą przede wszystkim od zastosowania konstrukcji końcowej lub elementu i materiału bazowego. Rysunek 1. pokazuje wzrost odporności na korozję materiałów bazowych i towarzyszącą klasę podstawowych materiałów w ostatnich czterech dekadach.
W latach 50. klasy przemysłowych stali nierdzewnych AISI 304/DIN X5CrNi 18 10 i AISI 316/X5CrNiMo 17 12 2 zostały ulepszone i zamienione na wersje niskowęglowe. Wcześniej, wrażliwość na korozję międzykrystaliczną była ograniczona do stabilizacji węgla za pomocą dodatków Nb lub Ti w materiale podstawowym. Od klasy AISI 316L lub współczesnych X2CrNiMo 17 12 2, zgodnie z wymaganiami normy z EN 10088, można zaobserwować rozwój nowej klasy odnoszącej komercyjny sukces.
Pierwiastki, takie jak Mo, Cu, W i N, przyczyniają się do wzrostu odporności na korozję i wytrzymałości mechanicznej. Takie dodatki zapewniają wyższą klasę stali nierdzewnej.
Europejska Norma EN klasyfikuje rodzaje stali i wprowadza regularne klasy, takie jak: X2CrNi19 9 i X2CrNiMo17 12, kombinacje N-stopów X2CrNiN18 10 i X2CrNiMoN17 11 2, klasę w pełni austenityczną i super austenityczną, jak również ważniejszą klasę stali nierdzewnej austenityczno-ferrytową duplex X2CrNiMoN22 5 3 i klasę super duplex, taką jak X2CrNiMoCuWN25 7 4. Klasy: duplex i super duplex dowiodły swojej wytrzymałości i odporności na korozję głównie w przybrzeżnych i nadmorskich konstrukcjach w przemyśle paliwowym i gazowym.
Dostępna jest również klasa stali nierdzewnej martenzytycznej z domieszką 13% Cr, z bardzo niską zawartością C, N i O. Ta tzw. supermartenzytyczna stal nierdzewna stała się najbardziej interesującym materiałem do stosowania przy budowie rurociągów, takich jak np. podmorskie rurociągi paliwowe. Dopasowanie klasy metalu spoiny ciągle jednak nie może zapewnić odpowiedniej odporności. Z tego powodu materiały spawalnicze do spawania stali nierdzewnej super duplex są stosowane do spoin podłużnych, jak również obwodowych. Te konstrukcje spawane zapewniają niezawodną wytrzymałość.
Klasa materiałów spawalniczych została oznaczona za pomocą powszechnie używanych skrótów, łącznie z elektrodami otulonymi, elektrodami rdzeniowymi, jak również z drutami do metody GTAW, GMAW i SAW. Pozycje tych klas na wykresie strukturalnym na rysunku 2. i 3. zostały oznaczone literami A, B itd... z rysunku 1. i 2.
3. Wykresy strukturalne metalu spoiny.
Wykres Strukturalny WRC 1992 z rysunku 2. jest najnowszym opublikowanym wykresem służącym do obliczeniowego sposobu określania ilości ferrytu metalu spoiny. Zawartość ferrytu jest wyrażona jako Numer Ferrytu FN (Liczba Ferrytu) i bazuje na danych zebranych z różnych laboratoriów na świecie. Laboratoria te przeanalizowały skład chemiczny wszystkich metalowych spoin i określiły zawartość ferrytu (FN) zgodnie ze standardami ISO 8249, dalsze badania zostały przeprowadzone przez Międzynarodowy Instytut Spawania (IIW) /3,4/. Przy przedstawianiu możliwości wystąpienia różnych mikrostruktur w konstrukcjach spawanych punktem odniesienia staje się często opracowany wcześniej wykres Schaefflera /5/. Łącząc dwa opisane wyżej wykresy można zaobserwować istniejącą między nimi współzależność. Wykres WRC 92 posiada ważny wskaźnik w ograniczonym obszarze i używa empirycznego wzoru do oznaczenia równoważnika Cr i Ni. Poza zakresem WRC 92, współrzędne są oparte na wcześniejszych wzorach, takich jak to przedstawia Scheaffler.
Rysunek 1.: Odporność na korozję materiałów opartych na stali CrNiMo i klasy metalu spoin.
4. Projektowanie elektrod otulonych i rdzeniowych drutów proszkowych.
Dla uzyskania wymaganej odporności na korozję bardzo ważny jest odpowiedni skład chemiczny metalu spoiny. Punktem wyjściowym dla projektowania całego produktu jest skład chemiczny rdzenia drutu proszkowego stosowanego do elektrody w płaszczu ze stali nierdzewnej. Składniki stopu mogą być dostarczane kompletnie, częściowo lub mogą nie zostać dostarczone wcale w rdzeniu drutu proszkowego. We wszystkich przypadkach otulina, dodatkowo do innych czynników, takich jak tworzenie żużlowej warstwy ochronnej, stabilizacja łuku itd., musi zapewnić dodatkowe lub kompensujące składniki stopu. Kompensacja dla składników stopu, które się wypalają, jest zawsze potrzebna, ponieważ nie można całkowicie zapobiec reakcji składników stopu z żużlem. Również drut proszkowy może nie być dostępny z dokładnym składem chemicznym wymaganym do uzyskania określonych parametrów składu chemicznego metalu spoiny.
Składnik Typ drutu proszkowego 19 9L Drut proszkowy - stop Mo, typ 19 12 3
Drut proszkowy Odkład spoiny Wariancja
Min/max w odkładzie
Drut proszkowy Odkład spoiny Wariancja
Min/max w odkładzie
%Cr 20,0 17,7 -2,3 17,0-18,2 18,5 17,7 -0,8 17,2-18,1
%Ni 10,0 11,6 1,6 11,1-12,0 11,2 11,7 0,4 11,2-12,2
%Mo 0,05 2,8 2,75 4,45-3,0 2,6 2,9 0,3 2,8-3,0
%N 0,05 0,065 0,015 0,06-0,07 0,05 0,065 0,015 0,06-0,07
FN 9 5-12 9 6,5-10,5
PREN 28,6 26,1-29,2 28,3 27,4-29,1
Tabela 1.: Wariancja składników stopu Liczba Ferrytu, w zależności od rodzaju drutu proszkowego.
Wariancja składników stopu, takich jak Cr, Ni lub Mo zależy od poziomu nominalnego, reakcyjności i różnicy pomiędzy zasilaniem płaszcza a drutem proszkowym. Tabela 1. pokazuje wskaźniki dla klasyfikacji EN16000: E CrNiMo19 123LR.
Akceptowalność tej wariancji składu chemicznego odkładu spoiny zależy od zastosowanego metalu spoiny. Dla zastosowań ogólnych wariancja dla przykładu molibdenu, nie powoduje żadnego znaczącego osłabienia odporności na korozję. Skład chemiczny nadal mieści się w granicach wymagań zgodnych z większością norm międzynarodowych. Jednakże dla bardziej wymagających zastosowań wariacja z minimalną zawartością molibdenu 2,4% powodowałaby ryzyko powstania korozji preferowanego metalu spoiny. Ten typ korozji (tzw. wżery) występuje, gdy większy obszar powierzchni materiału płyty wskazuje wyższy potencjał elektrochemiczny (większa odporność na korozję) w przeciwieństwie do relatywnie mniejszego obszaru powierzchni mniej szlachetnej spoiny w środowisku sprzyjającym korozji. Dla tego rodzaju zastosowań odporność na „wżery” metalu spoiny PREN = Cr + 3,3*Mo + 16*N musi być większa niż odporność płyty. Żeby sprostać tym wymaganiom często potrzebna jest minimalna zawartość molibdenu (na poziomie 2,75%). Szeroki zakres wariacji dla składników Cr i Mo powoduje, że są one trudnymi materiałami do zapewnienia zgodności z powyżej opisanym wymaganiem.
5. Minerały topnika (tworzenie żużlu).
Wyznaczone elektrody otulone i druty proszkowe nadają się nie tylko do stosowania w pozycji podolnej. Większość wspólnych klasyfikacji metalu spoiny została zaprojektowana dla różnych typów otuliny i składu rdzenia. Oferują one odpowiednią różnorodność właściwości spawalniczych, ze szczególnymi zaletami dla różnych pozycji spawalniczych. Dla danego typu otuliny lub składu rdzenia właściwości metalu spoiny również się zmieniają. W odniesieniu do głównych minerałów stosowanych w otulinie elektrody, rdzeniu drutu rurowego i topnika dla spawania łukiem krytym normy rozróżniają rutyl/bazowy i typy mieszane. Dodatkowym odniesieniem jest odzyskanie metalu spoiny ze stopu lub innych metalowych substancji, takich jak ferromangan, ferrochrom, nikiel, proszek żelaza itp. Bardziej opisową klasyfikację zawierałyby podklasy, takie jak rutyl/bazowy, rutyl/krzemian. Tabela 2. przedstawia procentową masę składników tworzących żużel, znormalizowanych w odniesieniu do 100% typowych klas elektrod otulonych, drutów proszkowych i topników spawalniczych.
Typ materiału Typ systemu żużla TiO2 SiO2 CaO CaF2 Na3AlF6 Al2O2
+
MgO Metale stopowe Elektrody otulone Rutyl
49 24 12 5 - - Cr
Rutyl/krzemian (wg AWS: typ krzemianu 17)
41 40 12 7 - - Cr
Rutyl/bazowy
35 39 15 11 - - Cr
Bazowy Fluorek wap. Kryolit
15 2
5 53
35 45
- -
45 -
- -
Druty proszkowe Rutyl Rutyl/krzemian
85 60 15 40
Fe, Cr
Ni, Mo
Topnik SAW Krzemian Bazowy
- 30
12 -
- 20
49 -
- 50
39 (Cr)
Tabela 2.: Składniki topnika materiałów spawalniczych dla stali nierdzewnej (X2CrNi18 9) w procentach masy.
Pozycja tych systemów żużla z kombinacją minerałów bazowych może być przedstawiona schematycznie w postaci trójkątnego schematu składu, jak pokazano na rysunku 4.
Rysunek 4.: Schemat trójkątny składu topnika w materiałach spawalniczych dla stali nierdzewnej.
Istotnymi parametrami projektowymi dla elektrod otulonych są systemy żużla i względna ilość żużla, współczynnik masy żużel/metal. Niewielka wariancja w składzie żużla, w połączeniu ze znaczną różnicą współczynnika masy, prowadzi do różnych właściwości spawalniczych i w konsekwencji do innego typu elektrody.
Rysunek 5.: Uszeregowanie typów elektrod dla pozycji spawalniczych podolnych i pionowych.
Ocena parametrów spawalniczych komercyjnych typów elektrod dla spoin czołowych i pachwinowych, dla pozycji spawalniczych: podolnej (PA) i pionowej (PF i PG) jest pokazana na rysunku 5., który szereguje elektrody pod kątem dopasowania od niskiej do wysokiej na osi pionowej.
Przy drutach proszkowych można zauważyć, że więcej płynnego żużla z elektrody rutylowej nie pozwala utrzymywać w zadawalającym stopniu kontroli nad jeziorkiem spawalniczym, gdy spawamy w pozycji pionowej do góry.
Dominujący składnik bazowy w topniku spawalniczym prowadzi do gorszego zwilżania i zmniejsza poziom tlenu w odkładzie spoiny. To zapewnia lepsze właściwości mechaniczne i wyższą odporność na korozję oraz przeciwnie - mniej korzystną, ale ciągle akceptowalną zdolność do spawania.
Druty proszkowe są dostępne albo dla podolnej pozycji spawalniczej, albo dla wszystkich pozycji (wyłączając pionową w dół). Różnica w składnikach tworzących żużel jest znacząca. Dopasowanie do spawania w pionowej pozycji spawalniczej wymaga określonej ilości rutylu, żeby spowodować szybkie krzepnięcie żużla, w celu zapewnienia kontroli nad jeziorkiem spawalniczym. Krzemiany poprawiają działanie zwilżające i wpływają na gładki wygląd spoiny w pozycji podolnej.
Minerały bazowe nie są stosowane z powodu tego, że zbyt mocno wpływają na stabilność łuku. Przeciwnie do topników spawalniczych, które są często wytwarzane na bazie krzemianów lub mają bazowy charakter (fluorki + amfoteryczny tlenek aluminium). Tam, gdzie wytrzymałość przy niskich temperaturach, jak również łatwość usuwania żużla jest wymagana, topniki bazowe są najbardziej przydatne.
6. Wnioski.
Właściwości materiałów spawalniczych i odkład metalu spoiny zależą od głównych składników, takich jak drut proszkowy, skład otuliny dla elektrod otulonych oraz składników, takich jak taśma i rdzeń dla drutów proszkowych i kombinacji drut/topnik dla spawania łukiem krytym. Główne składniki, które zapewniają odporność na korozję to Cr, Ni, Mo i M. Zasadnicze składniki powinny być obecne w drucie rdzeniowym elektrod otulonych dla zapewnienia prawidłowego i wymaganego składu chemicznego metalu spoiny.
Metal spoiny zazwyczaj ma skład odpowiadający składowi materiału bazowego lub różny od elementu spawanego, tak jak 13% Cr stal nierdzewna supermartyzentyczna okazała się w pełni odpowiednia dla celów konstrukcyjnych. Skład metalu spoiny musi być zoptymalizowany do konstrukcji – zapewnia to wymagana równowaga austenitu i ferrytu - i powinien być relatywnie niewrażliwy na powstawanie niepożądanych faz, takich jak karbidy i faza sigma.
Wykres WRC1992, połączony z dobrze znanym pierwotnym wykresem Schaefflera, jest dobrym narzędziem do szacowania i przewidywania struktury metalu spoiny, tj. Numeru Ferrytu metalu spoiny.
Metal spoiny może być odkładany w różnych formach, przystosowanych do poszczególnego procesu spawalniczego. W procesach spawalniczych, podczas pracy z topnikiem, minerały tworzące żużel określają właściwości spawalnicze. Elektroda otulona lub mieszanina rdzenia drutu proszkowego, głównie z rutylem lub bazowymi minerałami, zapewnia możliwość spawania w pionowych pozycjach spawalniczych, podczas gdy produkty z dużą zawartością krzemianów zapewniają gładka spoinę i w podolnej pozycji spawalniczej.
7. Literatura:
1. Kotecki D.J., Siewert T.A., WRC 1992. Wykres składu, Welding Journal 5(1992), s.171-178.
2. Smith L., Spawalne stale 13Cr - gorący temat do dyskusji, Stainless Steel World (1997), July/Aug., s. 28-31.
3. AWS A4.2-74, Aktualizacja przez AWS A4.2-91.
4. IIW Document II-904-79 i aktualizacja II-1345-98.
5. Schaeffler A.L., Metal Progress, (1949), s. 680-680B.
6. Nassau L., Hilkes J.L.P., Nowoczesne produkty, przeznaczone do spawania stali nierdzewnej. Stainless Steel World (1999). Konferencja Międzynarodowa. The Hague, The Netherlands, 16-18 Nov. 1999, s. 295-301.
7. Hilkes J.L.P., Nassau L., Konferencja Międzynarodowa. WELDING and JOINING 2000, Tel-Aviv, ISRAEL, 18-20 July 2000, s. 64-72.
8. . Hilkes J.L.P., Nassau L., Lazaro A., 14th Technical Sessions on Welding and CESOL’s
25th Anniversary, Madrid, Spain, 4-6 June 2002.
Rys. 1. Odporność na korozję materiałów opartych na stali CrNiMo i klasy metalu spoin.
Rys. 2. Schemat WRC 1992 wpasowany w wykres Schaefflera.
Rys. 4. Trójkątny schemat składu topnika w materiałach spawalniczych dla stali nierdzewnej.
