วิธีการเลือกโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม

บทความนี้จาก Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. อธิบายสิ่งที่ต้องพิจารณาเมื่อระบุโลหะตัวเติมสำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม

ความสามารถที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมน่าดึงดูด - ความสามารถในการปรับคุณสมบัติเชิงกลและความต้านทานต่อการกัดกร่อนและออกซิเดชั่น - ยังเพิ่มความซับซ้อนในการเลือกโลหะตัวเติมที่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมสำหรับการผสมวัสดุฐานที่กำหนด อิเล็กโทรดประเภทใดประเภทหนึ่งจากหลายประเภทอาจเหมาะสม ขึ้นอยู่กับปัญหาด้านต้นทุน เงื่อนไขการบริการ คุณสมบัติเชิงกลที่ต้องการ และประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อม

บทความนี้ให้ข้อมูลพื้นฐานทางเทคนิคที่จำเป็นเพื่อให้ผู้อ่านเข้าใจถึงความซับซ้อนของหัวข้อ และจากนั้นตอบคำถามที่พบบ่อยที่สุดที่ถามจากซัพพลายเออร์โลหะฟิลเลอร์กำหนดแนวทางทั่วไปสำหรับการเลือกโลหะเติมเหล็กกล้าไร้สนิมที่เหมาะสม - จากนั้นจะอธิบายข้อยกเว้นทั้งหมดของหลักเกณฑ์เหล่านั้น!บทความนี้ไม่ครอบคลุมถึงขั้นตอนการเชื่อม เนื่องจากเป็นหัวข้อของบทความอื่น

สี่เกรด องค์ประกอบผสมจำนวนมาก

เหล็กกล้าไร้สนิมมีสี่ประเภทหลัก:

ออสเทนนิติก
มาร์เทนซิติก
เฟอริติก
ดูเพล็กซ์

ชื่อนี้ได้มาจากโครงสร้างผลึกของเหล็กที่ปกติจะพบที่อุณหภูมิห้องเมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำได้รับความร้อนสูงกว่า 912 องศาเซลเซียส อะตอมของเหล็กกล้าจะถูกจัดเรียงใหม่จากโครงสร้างที่เรียกว่าเฟอร์ไรต์ที่อุณหภูมิห้องไปสู่โครงสร้างผลึกที่เรียกว่าออสเทนไนต์ในการทำให้เย็นลง อะตอมจะกลับคืนสู่โครงสร้างเดิมคือเฟอร์ไรต์โครงสร้างที่อุณหภูมิสูง ออสเทนไนต์ ไม่เป็นแม่เหล็ก เป็นพลาสติก และมีความแข็งแรงต่ำกว่าและมีความเหนียวมากกว่าเฟอร์ไรต์ที่อุณหภูมิห้อง

เมื่อเพิ่มโครเมียมมากกว่า 16% ลงในเหล็ก โครงสร้างผลึกที่อุณหภูมิห้อง เฟอร์ไรต์จะเสถียร และเหล็กจะคงอยู่ในสภาพเฟอร์ริติกที่ทุกอุณหภูมิดังนั้นชื่อเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกจึงถูกนำมาใช้กับฐานโลหะผสมนี้เมื่อมีการเพิ่มโครเมียมมากกว่า 17% และนิกเกิล 7% ลงในเหล็กกล้า โครงสร้างผลึกที่อุณหภูมิสูงของเหล็กกล้าออสเทนไนต์จะเสถียรเพื่อให้คงอยู่ได้ทุกอุณหภูมิตั้งแต่ต่ำสุดไปจนถึงเกือบหลอมละลาย

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมักเรียกกันว่าประเภท 'โครเมียม-นิกเกิล' และเหล็กกล้ามาร์เทนซิติกและเฟอร์ริติกมักเรียกว่าประเภท 'โครมตรง'ส่วนประกอบโลหะผสมบางชนิดที่ใช้ในเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะเชื่อมทำหน้าที่เป็นสารทำให้เสถียรออสเทนไนต์และสารอื่นๆ เป็นสารทำให้เสถียรเฟอร์ไรต์สารเพิ่มความคงตัวของออสเทนไนต์ที่สำคัญที่สุด ได้แก่ นิกเกิล คาร์บอน แมงกานีส และไนโตรเจนสารเพิ่มความคงตัวของเฟอร์ไรต์ ได้แก่ โครเมียม ซิลิกอน โมลิบดีนัม และไนโอเบียมความสมดุลขององค์ประกอบโลหะผสมจะควบคุมปริมาณของเฟอร์ไรต์ในโลหะเชื่อม

เกรดออสเทนนิติกเชื่อมได้รวดเร็วและน่าพอใจกว่าเกรดที่มีนิเกิลน้อยกว่า 5%รอยเชื่อมที่ผลิตในเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมีความแข็งแรง เหนียว และทนทานในสภาพที่เชื่อมโดยปกติแล้วไม่จำเป็นต้องอุ่นเครื่องหรือให้ความร้อนหลังการเชื่อมเกรดออสเทนนิติกคิดเป็นสัดส่วนประมาณ 80% ของเหล็กกล้าไร้สนิมที่เชื่อม และบทความเบื้องต้นนี้จะเน้นหนักไปที่สิ่งเหล่านี้

ตารางที่ 1: ชนิดของเหล็กกล้าไร้สนิมและปริมาณโครเมียมและนิกเกิล

เริ่มต้น{c,80%}

โฆษณา{ประเภท|%โครเมียม|%นิกเกิล|ประเภท}

tdata{ออสเทนนิติก|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}

tdata{มาร์เทนซิติก|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}

tdata{เฟอร์ริติก|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}

tdata{ดูเพล็กซ์|18 - 28%|4 - 8%|2205}

มีแนวโน้ม{}

วิธีการเลือกโลหะฟิลเลอร์สแตนเลสที่ถูกต้อง

หากวัสดุฐานในทั้งสองแผ่นเหมือนกัน หลักการชี้นำเดิมคือ 'เริ่มต้นด้วยการจับคู่วัสดุฐาน'ใช้งานได้ดีในบางกรณีหากต้องการเข้าร่วมประเภท 310 หรือ 316 ให้เลือกประเภทฟิลเลอร์ที่เกี่ยวข้อง

ในการรวมวัสดุที่แตกต่างกัน ให้ปฏิบัติตามหลักการชี้แนะนี้: 'เลือกสารตัวเติมเพื่อให้เข้ากับวัสดุที่มีโลหะผสมสูง'หากต้องการเข้าร่วม 304 ถึง 316 ให้เลือกฟิลเลอร์ 316

น่าเสียดายที่ 'กฎการจับคู่' มีข้อยกเว้นมากมาย ซึ่งหลักการที่ดีกว่าคือ ดูตารางการเลือกโลหะสำหรับเติมตัวอย่างเช่น Type 304 เป็นวัสดุฐานเหล็กกล้าไร้สนิมที่พบมากที่สุด แต่ไม่มีใครนำเสนออิเล็กโทรด Type 304

วิธีเชื่อมสเตนเลส Type 304 โดยไม่ใช้อิเล็กโทรด Type 304

ในการเชื่อมสเตนเลส Type 304 ให้ใช้ฟิลเลอร์ Type 308 เนื่องจากส่วนประกอบโลหะผสมเพิ่มเติมใน Type 308 จะทำให้พื้นที่เชื่อมมีความเสถียรมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม 308L ยังเป็นฟิลเลอร์ที่ยอมรับได้การกำหนด 'L' หลังจากประเภทใด ๆ บ่งชี้ถึงปริมาณคาร์บอนต่ำสเตนเลส Type 3XXL มีปริมาณคาร์บอน 0.03% หรือน้อยกว่า ในขณะที่สเตนเลส Type 3XX มาตรฐานสามารถมีปริมาณคาร์บอนสูงสุด 0.08%

เนื่องจากสารตัวเติมประเภท L อยู่ในการจัดประเภทเดียวกันกับผลิตภัณฑ์ที่ไม่ใช่ประเภท L ผู้ประดิษฐ์สามารถและควรพิจารณาอย่างมากโดยใช้สารตัวเติมประเภท L เนื่องจากปริมาณคาร์บอนต่ำช่วยลดความเสี่ยงของปัญหาการกัดกร่อนตามขอบเกรนในความเป็นจริง ผู้เขียนเชื่อว่าฟิลเลอร์ Type L จะถูกใช้อย่างแพร่หลายมากกว่าหากผู้ประดิษฐ์เพียงแค่ปรับปรุงขั้นตอนของพวกเขา

ผู้ผลิตที่ใช้กระบวนการ GMAW อาจต้องการพิจารณาใช้ฟิลเลอร์ประเภท 3XXSi เนื่องจากการเติมซิลิกอนจะช่วยปรับปรุงการเปียกน้ำในสถานการณ์ที่รอยเชื่อมมีเม็ดมะยมสูงหรือขรุขระ หรือที่แอ่งน้ำเชื่อมไม่ประสานกันดีที่ส่วนปลายของข้อต่อเนื้อหรือตัก การใช้อิเล็กโทรด Si Type GMAW สามารถทำให้รอยเชื่อมเรียบและส่งเสริมการหลอมรวมที่ดีขึ้น

หากกังวลเกี่ยวกับการตกตะกอนของคาร์ไบด์ ให้พิจารณาสารตัวเติมประเภท 347 ซึ่งมีไนโอเบียมในปริมาณเล็กน้อย

วิธีเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมกับเหล็กกล้าคาร์บอน

สถานการณ์นี้เกิดขึ้นในการใช้งานที่ส่วนหนึ่งของโครงสร้างต้องการผิวหน้าภายนอกที่ทนต่อการกัดกร่อนร่วมกับองค์ประกอบโครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อลดต้นทุนเมื่อเชื่อมวัสดุฐานที่ไม่มีองค์ประกอบเจือเข้ากับวัสดุฐานที่มีองค์ประกอบเจือ ให้ใช้สารตัวเติมที่มีอัลลอยด์มากเกินไปเพื่อให้การเจือจางภายในโลหะเชื่อมสมดุลหรือมีอัลลอยด์สูงกว่าโลหะฐานสเตนเลส

สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนกับ Type 304 หรือ 316 รวมถึงการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมที่แตกต่างกัน ให้พิจารณาอิเล็กโทรด Type 309L สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่หากต้องการเนื้อหา Cr ที่สูงขึ้น ให้พิจารณาประเภท 312

โปรดทราบว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมีอัตราการขยายตัวที่มากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์เมื่อเชื่อมเข้าด้วยกัน อัตราการขยายตัวที่แตกต่างกันอาจทำให้เกิดการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นภายใน เว้นแต่จะใช้อิเล็กโทรดและขั้นตอนการเชื่อมที่เหมาะสม

ใช้ขั้นตอนการทำความสะอาดการเตรียมการเชื่อมที่ถูกต้อง

เช่นเดียวกับโลหะอื่นๆ ก่อนอื่นให้ขจัดน้ำมัน จาระบี เครื่องหมาย และสิ่งสกปรกด้วยตัวทำละลายที่ไม่มีคลอรีนหลังจากนั้น กฎเบื้องต้นของการเตรียมรอยเชื่อมสเตนเลสคือ 'หลีกเลี่ยงการปนเปื้อนจากเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อป้องกันการกัดกร่อน'บางบริษัทใช้อาคารแยกต่างหากสำหรับ 'ร้านสเตนเลส' และ 'ร้านคาร์บอน' เพื่อป้องกันการปนเปื้อนข้าม

กำหนดให้ล้อเจียรและแปรงสเตนเลสเป็น 'สเตนเลสเท่านั้น' เมื่อเตรียมขอบสำหรับการเชื่อมขั้นตอนบางอย่างเรียกร้องให้ทำความสะอาดสองนิ้วจากข้อต่อการเตรียมข้อต่อมีความสำคัญมากกว่าเช่นกัน เนื่องจากการชดเชยความไม่สอดคล้องกันของการจัดการอิเล็กโทรดนั้นทำได้ยากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน

ใช้ขั้นตอนการทำความสะอาดหลังการเชื่อมที่ถูกต้องเพื่อป้องกันสนิม

ในการเริ่มต้น จำสิ่งที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม: ปฏิกิริยาของโครเมียมกับออกซิเจนเพื่อสร้างชั้นป้องกันของโครเมียมออกไซด์บนพื้นผิวของวัสดุสนิมสเตนเลสเนื่องจากการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (ดูด้านล่าง) และเนื่องจากกระบวนการเชื่อมทำให้โลหะเชื่อมร้อนจนถึงจุดที่เฟอริติกออกไซด์สามารถก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวของรอยเชื่อมได้ทิ้งไว้ในสภาพรอยเชื่อม การเชื่อมที่มีเสียงสมบูรณ์อาจแสดง 'รอยสนิมของเกวียน' ที่ขอบเขตของโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนภายในเวลาไม่ถึง 24 ชั่วโมง

เพื่อให้ชั้นใหม่ของโครเมียมออกไซด์บริสุทธิ์สามารถคืนรูปได้อย่างเหมาะสม เหล็กกล้าไร้สนิมจำเป็นต้องทำความสะอาดหลังการเชื่อมโดยการขัด ดอง เจียร หรือแปรงอีกครั้ง ให้ใช้เครื่องบดและแปรงสำหรับงานนี้โดยเฉพาะ

ทำไมลวดเชื่อมสแตนเลสถึงเป็นแม่เหล็ก?

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกทั้งหมดไม่ใช่แม่เหล็กอย่างไรก็ตาม อุณหภูมิในการเชื่อมจะสร้างเกรนที่ค่อนข้างใหญ่ในโครงสร้างจุลภาค ซึ่งส่งผลให้รอยเชื่อมไวต่อรอยร้าวเพื่อลดความไวต่อการแตกร้าวด้วยความร้อน ผู้ผลิตอิเล็กโทรดจึงเพิ่มองค์ประกอบที่เป็นโลหะผสม รวมถึงเฟอร์ไรต์เฟสเฟอร์ไรต์ทำให้เม็ดออสเทนนิติกมีความละเอียดมากขึ้น ดังนั้นรอยเชื่อมจึงทนต่อการแตกร้าวได้มากขึ้น

แม่เหล็กจะไม่ติดกับหลอดบรรจุสเตนเลสออสเทนนิติก แต่ผู้ที่ถือแม่เหล็กอาจรู้สึกถูกดึงเล็กน้อยเนื่องจากเฟอร์ไรต์ยังคงอยู่น่าเสียดายที่สิ่งนี้ทำให้ผู้ใช้บางคนคิดว่าผลิตภัณฑ์ของพวกเขาติดฉลากผิดหรือพวกเขาใช้โลหะเติมที่ไม่ถูกต้อง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากพวกเขาฉีกฉลากออกจากตะกร้าลวด)

ปริมาณเฟอร์ไรต์ที่ถูกต้องในอิเล็กโทรดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการใช้งานของการใช้งานตัวอย่างเช่น เฟอร์ไรต์ที่มากเกินไปจะทำให้รอยเชื่อมสูญเสียความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำดังนั้น ตัวเติม Type 308 สำหรับการใช้งานท่อ LNG จึงมีหมายเลขเฟอร์ไรต์ระหว่าง 3 ถึง 6 เมื่อเทียบกับหมายเลขเฟอร์ไรต์ 8 สำหรับตัวเติม Type 308 มาตรฐานในระยะสั้น สารตัวเติมอาจดูเหมือนในตอนแรก แต่ความแตกต่างเล็กน้อยในองค์ประกอบมีความสำคัญ

มีวิธีง่ายๆ ในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์หรือไม่?

โดยทั่วไปแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์มีโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์ประมาณ 50% และออสเทนไนต์ 50%พูดง่ายๆ ก็คือ เฟอร์ไรต์ให้ความแข็งแรงสูงและต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดได้ในระดับหนึ่ง ในขณะที่ออสเทนไนท์ให้ความเหนียวที่ดีทั้งสองขั้นตอนรวมกันทำให้เหล็กดูเพล็กซ์มีคุณสมบัติที่น่าสนใจมีเหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์ให้เลือกมากมาย โดยที่พบมากที่สุดคือประเภท 2205;ประกอบด้วยโครเมียม 22% นิกเกิล 5% โมลิบดีนัม 3% และไนโตรเจน 0.15%

เมื่อทำการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ ปัญหาอาจเกิดขึ้นได้หากโลหะเชื่อมมีเฟอร์ไรต์มากเกินไป (ความร้อนจากส่วนโค้งทำให้อะตอมเรียงตัวกันเป็นเฟอร์ไรต์เมทริกซ์)เพื่อชดเชย โลหะตัวเติมจำเป็นต้องส่งเสริมโครงสร้างออสเทนนิติกด้วยปริมาณโลหะผสมที่สูงขึ้น โดยทั่วไปมีนิกเกิลมากกว่าโลหะพื้นฐาน 2 ถึง 4%ตัวอย่างเช่น ลวดเชื่อมฟลักซ์คอร์ประเภท 2205 อาจมีนิกเกิล 8.85%

ปริมาณเฟอร์ไรต์ที่ต้องการสามารถอยู่ในช่วง 25 ถึง 55% หลังจากการเชื่อม (แต่สามารถสูงกว่านี้ได้)โปรดทราบว่าอัตราการเย็นตัวต้องช้าพอที่จะทำให้ออสเทนไนต์กลับเนื้อกลับตัวได้ แต่ต้องไม่ช้าจนสร้างเฟสระหว่างโลหะ หรือเร็วเกินไปที่จะสร้างเฟอร์ไรต์ส่วนเกินในบริเวณที่ได้รับความร้อนปฏิบัติตามขั้นตอนที่แนะนำของผู้ผลิตสำหรับกระบวนการเชื่อมและโลหะฟิลเลอร์ที่เลือก

การปรับพารามิเตอร์เมื่อทำการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม

สำหรับผู้ผลิตชิ้นส่วนที่ปรับพารามิเตอร์อย่างต่อเนื่อง (แรงดัน แอมแปร์ ความยาวส่วนโค้ง ความเหนี่ยวนำ ความกว้างของพัลส์ ฯลฯ) เมื่อทำการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม สาเหตุทั่วไปคือองค์ประกอบโลหะของสารตัวเติมที่ไม่สอดคล้องกันเนื่องจากความสำคัญขององค์ประกอบการผสม การเปลี่ยนแปลงแบบล็อตต่อล็อตในองค์ประกอบทางเคมีอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการเชื่อมที่เห็นได้ชัดเจน เช่น การเปียกออกไม่ดีหรือการปล่อยตะกรันออกยากการเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลางของอิเล็กโทรด ความสะอาดของพื้นผิว การหล่อและเกลียวยังส่งผลต่อประสิทธิภาพในการใช้งาน GMAW และ FCAW

การควบคุมการตกตะกอนของคาร์ไบด์ควบคุมในเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก

ที่อุณหภูมิในช่วง 426-871 องศาเซลเซียส ปริมาณคาร์บอนที่มากกว่า 0.02% จะเคลื่อนตัวไปยังขอบเกรนของโครงสร้างออสเทนนิติก ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับโครเมียมเพื่อสร้างโครเมียมคาร์ไบด์หากโครเมียมจับกับคาร์บอน จะไม่สามารถทนต่อการกัดกร่อนได้เมื่อสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จะเกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน ทำให้สามารถกัดกินขอบเกรนได้

เพื่อควบคุมการตกตะกอนของคาร์ไบด์ รักษาปริมาณคาร์บอนให้ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (สูงสุด 0.04%) โดยการเชื่อมด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนต่ำคาร์บอนสามารถถูกผูกติดไว้ด้วยไนโอเบียม (เดิมคือโคลัมเบียม) และไททาเนียม ซึ่งมีความสัมพันธ์กับคาร์บอนมากกว่าโครเมียมอิเล็กโทรดประเภท 347 ทำขึ้นเพื่อการนี้

วิธีเตรียมตัวสำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับการเลือกโลหะฟิลเลอร์

อย่างน้อยที่สุด ให้รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับการใช้งานปลายทางของชิ้นส่วนเชื่อม รวมถึงสภาพแวดล้อมการบริการ (โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อุณหภูมิในการทำงาน การสัมผัสกับองค์ประกอบที่มีฤทธิ์กัดกร่อน และระดับความต้านทานการกัดกร่อนที่คาดไว้) และอายุการใช้งานที่ต้องการข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติเชิงกลที่จำเป็นในสภาวะการใช้งานจะช่วยได้มาก รวมถึงความแข็งแรง ความเหนียว ความเหนียว และความล้า

ผู้ผลิตอิเล็กโทรดชั้นนำส่วนใหญ่จัดทำหนังสือแนะนำสำหรับการเลือกโลหะตัวเติม และผู้เขียนไม่สามารถเน้นย้ำประเด็นนี้มากเกินไป: ปรึกษาคู่มือการใช้งานโลหะตัวเติมหรือติดต่อผู้เชี่ยวชาญทางเทคนิคของผู้ผลิตพวกเขาจะคอยช่วยเหลือในการเลือกอิเล็กโทรดเหล็กกล้าไร้สนิมที่ถูกต้อง

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับโลหะเติมเหล็กกล้าไร้สนิมของ TYUE และติดต่อผู้เชี่ยวชาญของบริษัทเพื่อขอคำแนะนำ โปรดไปที่ www.tyuelec.com