Stal nierdzewna spawa się dobrze – pod warunkiem, że pamięta się, czym różni się od zwykłej stali konstrukcyjnej. Inaczej przewodzi ciepło, bardziej się rozszerza, źle znosi zanieczyszczenia i przegrzanie, a jej odporność na korozję po spawaniu zależy od tego, jak potraktujemy spoinę i jej okolice. W tym przewodniku przechodzimy przez cały proces: od doboru metody i gazu, przez spoiwo i przygotowanie, po obróbkę po spawaniu.
Czym stal nierdzewna różni się przy spawaniu od stali węglowej
Najczęściej spawa się stale austenityczne – 1.4301, 1.4307, 1.4404, 1.4571, 1.4541. W porównaniu ze stalą węglową:
- przewodzą ciepło mniej więcej trzy razy słabiej – ciepło zostaje w strefie spoiny, łatwiej o przegrzanie i przepalenie cienkich ścianek,
- mają około półtora raza większą rozszerzalność cieplną – elementy mocniej się odkształcają i „ciągną” podczas stygnięcia,
- tracą odporność na korozję, gdy spoina jest przegrzana, zanieczyszczona albo zostaje z nalotem tlenkowym,
- nie hartują się, więc zwykle nie wymagają podgrzewania wstępnego.
Te cztery cechy tłumaczą większość zasad opisanych niżej.
Metody spawania
TIG (141) – metoda pierwszego wyboru
Spawanie elektrodą nietopliwą w osłonie gazu obojętnego daje najczystsze i najbardziej estetyczne spoiny, dobrą kontrolę jeziorka i niemal zero rozprysków. To standard przy cienkich ściankach, rurach instalacyjnych, w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym oraz wszędzie tam, gdzie spoina jest widoczna. Wadą jest niższa wydajność.
MIG/MAG (131/135) – wydajność przy grubszych elementach
Spawanie drutem litym (albo proszkowym – metody 136/138) sprawdza się przy grubszych blachach, długich spoinach i produkcji seryjnej. Do stali austenitycznych stosuje się argon z niewielkim dodatkiem gazu aktywnego, np. 2–3% CO₂ albo 1–2% O₂. Większy udział CO₂ nawęgla spoinę i mocniej utlenia powierzchnię.
MMA (111) – elektroda otulona
Elektrody otulone są niezastąpione przy pracach montażowych i remontowych, na zewnątrz i w trudno dostępnych miejscach, bo nie wymagają butli z gazem. Trzeba się liczyć z żużlem do usunięcia i większym nakładem pracy przy wykańczaniu. Elektrody przechowuje się w suchym miejscu, a zawilgocone suszy według zaleceń producenta.
Plazma i laser
W produkcji przemysłowej coraz częściej stosuje się spawanie plazmowe (15) i laserowe (52). Dają wąską strefę wpływu ciepła i małe odkształcenia, ale wymagają precyzyjnego przygotowania i kosztownego sprzętu. Tak spawa się m.in. rury ze szwem produkowane w sposób ciągły.
Gaz osłonowy i formowanie grani
Przy metodzie TIG podstawowym gazem jest czysty argon. Dodatek helu zwiększa wtopienie w grubszych elementach, a niewielki dodatek wodoru (kilka procent) poprawia zwilżanie i pozwala spawać szybciej. Wodoru nie stosuje się jednak do stali duplex, ferrytycznych i martenzytycznych.
Równie ważna jak osłona lica jest osłona grani. Od wewnętrznej strony rury albo od spodu spoiny metal jest tak samo gorący i tak samo reaguje z tlenem. Bez formowania grań się utlenia: powstaje chropowata, ciemna, łuszcząca się warstwa tlenków, od której zaczyna się korozja. Do formowania używa się argonu, azotu albo gazu formującego – mieszanki azotu z wodorem, przeznaczonej do stali austenitycznych. Przestrzeń przepłukuje się przed zajarzeniem łuku i utrzymuje przepływ, dopóki spoina nie ostygnie. W wymagających zastosowaniach zawartość tlenu resztkowego sprawdza się miernikiem.
Dobór spoiwa
Spoiwo dobiera się do gatunku materiału podstawowego – zwykle o składzie takim samym albo nieco bogatszym. Najczęstsze zestawienia (oznaczenia według EN ISO 14343 i AWS):
| Materiał podstawowy | Spoiwo | Uwagi |
|---|---|---|
| 1.4301, 1.4307 (304, 304L) | 19 9 L (ER308L) | standard dla „nierdzewki” |
| 1.4541 (321) | 19 9 Nb (ER347) | stabilizowane niobem, bo tytan słabo przechodzi przez łuk |
| 1.4401, 1.4404 (316, 316L) | 19 12 3 L (ER316L) | zachowuje molibden w spoinie |
| 1.4571 (316Ti) | 19 12 3 Nb (ER318) lub 19 12 3 L | stabilizowane albo niskowęglowe |
| 1.4462 (duplex) | 22 9 3 N L (ER2209) | więcej niklu dla właściwego udziału ferrytu |
| stal nierdzewna + stal węglowa | 23 12 L (ER309L) | połączenia różnoimienne |
Spoiwa do stali austenitycznych mają zwykle kilka procent ferrytu w stopiwie, co chroni spoinę przed pękaniem na gorąco. Spoiwo niedopasowane do gatunku – na przykład drut 308L do „kwasówki” 316L – daje spoinę bez molibdenu, która będzie najsłabszym miejscem całej konstrukcji. Jak odróżnić te gatunki, piszemy w artykule jak odróżnić stal kwasoodporną od zwykłej nierdzewki.
Przygotowanie – czystość przede wszystkim
- Osobne narzędzia. Szczotki ze stali nierdzewnej, tarcze i pilniki używane wyłącznie do nierdzewki. Opiłki stali węglowej wbite w powierzchnię rdzewieją i dają rdzawe wykwity, które wyglądają jak korozja samej stali.
- Odtłuszczenie. Strefę spawania czyści się acetonem albo alkoholem – tłuszcz, flamaster czy resztki folii ochronnej wnoszą do spoiny węgiel i zanieczyszczenia.
- Staranne przygotowanie krawędzi i szczeliny. Jeziorko stali nierdzewnej jest mniej płynne niż przy stali węglowej, więc trudniej o korektę w trakcie spawania.
- Gęstsze sczepianie. Większa rozszerzalność cieplna mocniej przesuwa krawędzie niż przy stali węglowej.
- Osobne stanowisko, jeśli to możliwe. Pył ze szlifowania stali węglowej osiada na nierdzewce i daje ten sam efekt co wbite opiłki.
Ilość ciepła – mniej znaczy więcej
Przegrzanie to najczęstsza przyczyna kłopotów ze spoinami na stali nierdzewnej. W zakresie mniej więcej 450–850°C w stalach austenitycznych mogą wydzielać się na granicach ziaren węgliki chromu. Chrom związany w węglikach nie chroni już stali, a strefa przy spoinie staje się podatna na korozję międzykrystaliczną. To zjawisko nazywa się uczuleniem.
Dlatego:
- tam, gdzie spoina będzie pracować w środowisku korozyjnym, stosuje się gatunki niskowęglowe (L – 1.4307, 1.4404) albo stabilizowane tytanem lub niobem (1.4541, 1.4571) – węgla jest w nich za mało albo jest związany, więc węgliki chromu nie powstają,
- spawa się przy możliwie małej energii liniowej: krótki łuk, szybszy posuw, raczej kilka wąskich ściegów niż jeden szeroki zakos,
- pilnuje się temperatury międzyściegowej – dla stali austenitycznych zwykle nie wyżej niż ok. 150°C.
Mała ilość ciepła ogranicza też odkształcenia, które przy nierdzewce są większe niż przy stali węglowej. Pomaga symetryczna kolejność ściegów, spawanie krokiem pielgrzymim i przyrządy mocujące – najlepiej z miedzianymi podkładkami, które odbierają ciepło.
Stale duplex, ferrytyczne i martenzytyczne
Stale duplex, np. 1.4462, wymagają utrzymania energii liniowej w określonym przedziale: za mała daje nadmiar ferrytu, za duża sprzyja wydzielaniu faz międzymetalicznych. Stosuje się spoiwa z podwyższoną zawartością niklu i gazy z dodatkiem azotu, bez wodoru.
Stale ferrytyczne, np. 1.4016, są wrażliwe na rozrost ziarna – spawa się je szybko i przy małej ilości ciepła. Stale martenzytyczne, np. 1.4021 i 1.4034, hartują się w strefie wpływu ciepła, dlatego zwykle wymagają podgrzewania wstępnego i obróbki cieplnej po spawaniu według zaleceń dla danego gatunku.
Po spawaniu – naloty, trawienie, pasywacja
Kolorowe przebarwienia wokół spoiny – od słomkowego przez niebieski po ciemnobrązowy – to warstwa tlenków. Im ciemniejsza, tym grubsza, a pod nią leży warstwa metalu zubożona w chrom. Takie miejsce koroduje szybciej niż reszta powierzchni, nawet jeśli sama spoina jest poprawna.
Naloty usuwa się na trzy sposoby:
- chemicznie – pastą lub żelem trawiącym (zwykle na bazie kwasu azotowego i fluorowodorowego) albo w kąpieli trawiącej; to metoda najskuteczniejsza, bo usuwa także warstwę zubożoną w chrom,
- elektrochemicznie – urządzeniem do czyszczenia spoin z elektrolitem; szybko i bez agresywnych past, dobrze sprawdza się na spoinach widocznych,
- mechanicznie – szczotkowaniem lub szlifowaniem narzędziami używanymi tylko do nierdzewki; usuwa przebarwienia, ale łatwo przy tym wprowadzić zanieczyszczenia i zostawić chropowatą powierzchnię.
Po trawieniu powierzchnię dokładnie spłukuje się czystą wodą. Warstwa pasywna odtwarza się sama w kontakcie z powietrzem, a tam, gdzie wymagania są wyższe, wykonuje się dodatkową pasywację chemiczną. Pasty trawiące są silnie żrące – praca z nimi wymaga środków ochrony osobistej i utylizacji odpadów zgodnie z przepisami.
Bezpieczeństwo
Dymy ze spawania stali nierdzewnej zawierają związki chromu – także chromu sześciowartościowego – oraz niklu, szkodliwe dla zdrowia. Konieczne jest skuteczne odciąganie dymów przy źródle, a przy dłuższej pracy w zamkniętych pomieszczeniach także ochrona dróg oddechowych.
Najczęstsze błędy – lista kontrolna
- spawanie bez formowania grani,
- szczotka lub tarcza, która wcześniej pracowała na stali węglowej,
- za duży prąd i szeroki zakos,
- spoiwo niedopasowane do gatunku,
- naloty zostawione bez trawienia,
- zwykły gatunek zamiast niskowęglowego lub stabilizowanego tam, gdzie spoina pracuje w środowisku korozyjnym.
Podsumowanie
Dobra spoina na stali nierdzewnej to efekt czterech rzeczy: czystości, właściwego gazu z osłoną grani, dopasowanego spoiwa i kontroli ciepła. Zaniedbanie którejkolwiek z nich nie zawsze widać od razu – korozja potrafi pojawić się dopiero po kilku miesiącach pracy.
Nie masz pewności, który gatunek stali będzie odpowiedni do spawanej konstrukcji?
Skontaktuj się z nami – pomożemy dobrać materiał do rzeczywistych warunków pracy.
