Nehrđajući dodatni materijali - izazov ili klasika

23.02.2018

U članku je kratak pregled zavarivanja nehrđajućih čelika i primjene dodatnih materijala. Posebna pozornost je namijenjena posebnim tehnikama zavarivanja nehrđajućih čelika s oplaštenim elektrodama, koje omogućuju zavarivanje u svim položajima, uključivo s pozicijom prema dole. Spomenute su i visoko produktivne tehnike zavarivanja, s naglaskom na EPP zavarivanje i navarivanje te zavarivanje s visokoproduktivnim oplaštenim elektrodama.

Potrošnja nehrđajućih čelika u svijetu se povećava. Od zavarivačkih tehnika prednjače: zavarivanje MIG postupkom, TIG postupkom, pod praškom EPP i EPŽ zavarivanje sa žicama ili trakama. Unatoč snažnom prodoru postupaka zavarivanja, koje je moguće opsežno automatizirati, i dalje poprilični dio zauzima zavarivanje s oplaštenim elektrodama, prije svega u manje dostupnim položajima, na terenu, kod popravaka i tamo gdje su vrlo visoki zahtjevi na kvalitetu zavara. Izbor tehnike zavarivanja je ovisan o samom materijalu, vrsti i namjeni pripremaka za zavarivanje – konstrukcije. Kod nehrđajućih materijala je pri izboru važna i postojanost na koroziju. Navarivanje s nehrđajućim materijalima na manje legirane materijale se često izvodi EPP postupkom, a u teško dostupnim položajima u obzir dolaze i drugi postupci navarivanja s nehrđajućim materijalima.

vrste neHRĐAJUĆIH ČELIKA, njihov sAstav i UDIO PRIMJENE

Nehrđajući materijali su postojani na koroziju radi sadržaja Cr, koji mora biti iznad 10,5 %. Krom na površini stvara zaštitu krom-oksidni plašt, koji sprječava hrđanje, a legirni elementi Mo, N i Cu dodatno povećavaju korozijsku postojanost.

Razlikujemo više vrsta nehrđajućih čelika, koji se međusobno razlikuju po svojim korozijskim, mehaničkim svojstvima, zavarivosti, a sve to utječe i na njihovu primjenjivost. Točan sastav osnovnih i dodatnih materijala je specificiran s europskim, američkim standardima i s oznakom materijala (W.Nr.).

Među nehrđajućim materijalima općenito su najprimjenjiviji i najlakše zavarivi austenitni nehrđajući čelici, njihova primjena je najveća, jer zauzimaju iznad 85-postotni udio svih nehrđajućih materijala. Posljednje vrijeme raste i primjena dupleks čelika – približno 8 %, feritnih približno 5 % i preostalih približno 1 % (podaci studije SMR).

Kratak pregled zavarivosti najčešćih nehrđajućih čelika

-     Austenitni nehrđajući čelici se primjenjuju u arhitekturi, domaćinstvu, prehrambenoj industriji, transportu, brodogradnji, energetici. Između svih nehrđajućih čelika, najlakše su zavarivi koji nisu magnetski i ne kale se. Predgrijavanje obično nije potrebno, a zavaruje se uz minimalni unos energije. Radi većeg električnog otpora i toplinskog rastezanja, pri tim čelicima može prilikom zavarivanja doći do deformacija prije, nego li pri drugim vrstama čelika. Pri austenitnim čelicima se s niskim sadržajem C, odnosno dodatnih stabilizatora Nb ili Ti u čelicima i Nb u dodatnim materijalima smanjuje i vjerojatnost nastajanja interkristalne korozije. Za zavarivanje austenitnih čelika se najviše preporučuje primjena jednakih ili nešto više legiranih dodatnih materijala. Ukoliko je osnovni materijal stabiliziran, primjenjuju se i stabilizirani dodatni materijali. Čisti austenitni materijali su više skloni nastajanju napuklina pri povišenim temperaturama. Kako bi to se spriječilo, sastav osnovnih austenitnih čelika ime nešto ferita – obično do 10 %. Austenitni čelici bez ferita imaju bolju postojanost na koroziju, a pri više legiranim superaustenitnim materijalima, postojanost na koroziju je još povećana.

Dupleks čelici su austenitno-feritni čelici. Radi svog sastava imaju izvrsnu postojanost na koroziju i visoke su čvrstoće, što omogućuje zavarivanje lakših konstrukcija. Primjenjuju se u kemijskoj industriji, u uređajima za desalinizaciju, u brodogradnji za zavarivanje tankera, brodova i »off-shore« konstrukcija i u naftnoj industriji. Imaju niski sadržaj ugljika, 18–27 % Cr, 5–8 % Ni, 0–4 % Mo i dodatak N. Zavarivost je uglavnom dobra, a pri zavarivanju bez dodatnih materijala postoji opasnost od feritizacije. Pri zavarivanju je potrebno izbjegavati temperaturno područje 700– 890 °C radi intermetalnih faza, koje pogoršavaju žilavost i postojanost na koroziju. Dupleks dodatni materijali imaju radi stabilizacije austenita nešto viši sadržaj Ni. Pri zavarivanju MIG postupkom se u zaštitnom plinu preporuča dodatak dušika. Superdupleks osnovni i dodatni materijali su još više legirani i još su više postojani na koroziju i pri povišenim temperaturama.
Feritni nehrđajući čelici su najčešće legirani s 16–18 % Cr (12–30 %). Imaju višu čvrstoću od austenitnih nehrđajućih čelika i teže su zavarivi. Magnetni su i radi niskog sadržaja Ni spadaju među jeftinije nehrđajuće čelike. Najčešće se primjenjuju za izradu kućanskih uređaja, ispušnih cijevi u automobilskoj industriji ... Imaju lošija svojstva duktilnosti, skloni su vodikovoj krhkosti radi povećanja kristalnih zrna pri zavarivanju u zavari u toni utjecaja topline (ZUT). Radi navedenih svojstava i radi sklonosti nastajanju martenzita, spadaju među teže zavarive čelike. Pri zavarivanju je potrebno paziti, sa su unosi energije što manji. Feritni čelici se ne kale i moguće ih je toplinski obraditi. Pri zavarivanju se preporučuje predgrijavanje na 200 °C, a za smanjenje krhkosti zavara nakon zavarivanja žarenje na 780 °C.
Martenzitni čelici su najčešće legirani s 11,5–13,5 % Cr. Uvjetno su zavarivi, a tijekom zavarivanja je potrebno predgrijavanje i toplinska obrada, kako bi se spriječile napukline u hladnom stanju. Najčešće se primjenjuju za izradu lopatica turbina, crpli, ventila, u petrokemiji, osovina, reznih alata, ležajeva ... Imaju visoku čvrstoću i tvrdoću, magnetska su, imaju lošiju korozijsku postojanost od feritnih i austenitnih čelika. Imaju kritičnu brzinu ohlađivanja i kaljiva su na zraku. Zona utjecaja topline je tvrda i krhka. Prije zavarivanja ih je potrebno predgrijavati na 350–400 °C, nakon zavarivanja osigurati sporo hlađenje, a zatim zavar popuštati na 600–700 °C. Nakon zavarivanja je potrebno sporo hlađenje.

Izbor dodatnih materijala, korozija

Na što je potrebno paziti pri zavarivanju nehrđajućih materijala:

Pri zavarivanju istovrsnih nehrđajućih materijala obično su dodatni materijali jednakog sastava ili nešto više legirani od osnovnog materijala, jer bi preveliko odstupanje u legiranju između osnovnih i dodatnih materijala moglo u korozivnim medijima uzrokovati nastajanje galvanske korozije.
Kod feritnih nehrđajućih čelika se često radi povećanja duktilnosti izabiru nehrđajući austenitni dodatni materijali.
Kod zavarivanja dvaju različitih osnovnih nehrđajućih materijala međusobno, izabiru se dodatni materijali, koji su po svom sastavu bliže ili jednako legirani kao više legirani osnovni materijal.
Kod zavarivanja stabiliziranog i nestabiliziranog osnovnog materijala, preporučuje se primjena stabiliziranih dodatnih materijala, sa čime se smanjuje vjerojatnost nastajanja interkristalne korozije.
Kod zavarivanja nehrđajućih materijala s nikalnim čelicima, preporučuju se dodatni materijali na bazi nikla.
Kod zavarivanja nehrđajućih materijala s nelegiranim, toplinski postojanim ili sitnozrnatim čelicima, velika je vjerojatno za nastajanje krhkih struktura, ukoliko se ne primjenjuje dodatni materijal, ili ukoliko se izaberu uobičajeni nehrđajući dodatni materijali. Postoje posebni, višelegirani dodatni materijali, koji su namijenjeni za »crno-bijelo« zavarivanje. Pri izboru dodatnih materijala, za predviđene strukture u zavaru moguće je kao pomoć primjenjivati Schaeffler, De Long ili WRC dijagram.
Kako bi se spriječilo nastajanje jamičaste korozije, pri zavarivanju nehrđajućih čelika je važno, da se spriječi nastajanje feritnog onečišćenja. To se sprječava tako, da se nehrđajući čelici zavaruju u odvojenim prostorima, da se ne primjenjuju čekići i četke od nelegiranih materijala. Pasivni krom-oksidni sloj na površini nastaje sam nakon približno šest tjedana. Kako bi se sa zavarenih dijelova nakon zavarivanja uklonila šljaka i srh s materijala, potrebno ga je jetkati i pasivirati s posebnim kemikalijama pripremljenim za tu svrhu.

Zavarivanje nehrđajućih čelika elektrodama

Od svih dodatnih materijala, najveća je paleta dodatnih materijala kod elektroda, zato što elektrode omogućuju legiranje i iz plašta.

Uobičajene vrste oplaštenih elektroda za zavarivanje austenitnih i dupleks nehrđajućih čelika su s rutilnim plaštem. Elektrode za zavarivanje feritnih i martenzitnih materijala su često s bazičnim plaštem.

Nehrđajuće elektrode mogu biti oplaštene na nehrđajuću žicu jednakog ili sličnog sastava, ili na nelegiranu elektrodnu žicu. U posljednjem slučaju, veće je legiranje iz plašta, elektrode su deblje oplaštene, što znači i to, da imaju veću iskoristivost, i do 160 %. Te vrste elektroda često nazivamo sintetičkim.

Pored uobičajenim vrsta oplaštenih nehrđajućih elektroda, postoje i posebne vrste tih elektroda, koje su namijenjene i za zavarivanje u poziciji prema dolje.

U Elektrodama smo radi interesa na tržištu razvili elektrodu, koja pored drugih položaja, omogućuje zavarivanje u položaju prema dolje.

Koja je prednost zavarivanja u položaju prema dolje?

• veće brzine zavarivanja,
• rezultira manjim unosom energije pri zavarivanju,
• manje deformacije pri zavarivanju, što vrijedi prije svega pri zavarivanju tanjih limova,
• manje nastajanje obojenih krom-oksida, što smanjuje potrebe za jetkanjem površina,
• smanjena vjerojatnost nastajanja interkristalne korozije.

Pri zavarivanju u položaju prema dolje je važno, da je luk kratak. Radi mogućnosti zavarivanja u svim položajima i u položaju prema dolje, lakše je zavarivanje cijevi u kemijskoj, papirnoj, prehrambenoj i farmaceutskoj industriji, kao i zavarivanje krojenoga dijela zavara pri općim konstrukcijama s debljim limovima.

U usporedbi s ručnim postupkom TIG zavarivanja, pri zavarivanju s oplaštenim elektrodama se lakše premošćuju zazori, dopuštena je veća oscilacija u pripremi zavarenih spojeva te je omogućeno zavarivanje na terenu, gdje je zavarivanje u zaštiti plinova radi vjetra otežano. Elektroda je u fazi ispitivanja kod kupaca, njen naziv je INOX R 19/12/3 NCF te je tanje oplaštena rutilnim tipom plašta. Zavari su legirani iz žice, karakteristike elektrode su stabilan luk, dobro odvajanje šljake i dobra mehanička svojstva.

Visokoproduktivno navarivanje nehrđajućih materijala EPP postupkom

U slučaju navarivanja visokolegiranih nehrđajućih materijala, prednjače visokoproduktivni postupci zavarivanja, s masivnim žicama, punjenim žicama ili trakama. Drugi postupci, koji se primjenjuju su EPŽ s trakama i MIG zavarivanje s masivnim ili punjenim žicama.

Prednosti i nedostaci EPP postupka:

• Luk je potpuno pokriven praškom, stoga su vrlo mali gubitci energije, zanemariv je sadržaj dimnih plinova, nema štrcanja i vidljivog luka. Stoga taj postupak spada u razred I, gdje postoji minimalni rizik (Doc EWA – TCCONS- REACH-117-09 rev), što je posebno važno pri višelegiranim materijalima. Kako zavarivač ne vidi luk, potrebna je veća točnost pri podešavanju parametara koji utječu na izgled i svojstva zavara (struja, napon, brzina).
• Automatizacija postupka, vrlo malo manipulativnog rada zavarivača-operatera.
• Veća iskoristivost i brzina zavarivanja imaju za posljedicu manje brzine hlađenja zavara.
• Veća dubina uvara.
• Radi velike količine taljevine u usporedbi s drugim postupcima zavarivanja, postupak je najprimjereniji za zavarivanje u vodoravnom položaju i u vodoravnom položaju pod kutom.
• EPP postupak se najviše primjenjuje za procese, koji omogućuju visoke unose energije. Zavarivanje nehrđajućih čelika, prije svega austenitnih i feritnih, te Ni-legura, uvjetovano je visokim unosom energije. U navedenim slučajevima moraju biti definirane precizne tehnologije zavarivanja, koje je potrebno dosljedno poštivati, kako bi se izbjegle krhke strukture i napukline u materijalima. Preporučuju se što veće brzine zavarivanja, uz najmanje moguće dodavanje žice, i ako je izvedivo, promjena struje s DC+ na DC-.
• EPP zavarivanje se ne preporučuje za zavarivanje potpuno austenitnih čelika (ispod 4 FN) radi veće vjerojatnosti nastajanja napuklina u vrućem stanju. Obično se pri zavarivanju s nehrđajućim materijalima primjenjuju nešto niže struje nego li pri zavarivanju nelegiranih materijala.
• Parametri pri navarivanju moraju omogućavati izradu zavara sa što manjim uvarom, što uzrokuje minimalno miješanje s osnovnim materijalom.

U Elektrodama smo razvili neutralan aluminatno fluoridni prašak AF 385, koji je primjeren i za zavarivanje, kao i za navarivanje nehrđajućih i Ni-materijala s masivnim ili punjenim žicama.

1.6Visokoproduktivne elektrode za zavarivanje nehrđajućih materijala

Mnogi se pitaju, zašto su danas visokoproduktivne oplaštene elektrode uopće važne? Gdje su njihove prednosti i mogućnosti primjene?

Omogućuju zavarivanje – navarivanje na terenu, gdje nije moguće zavarivanje EPP postupkom, MIG postupkom i gdje vjetar može uzrokovati poteškoće.
S pomoću njih je moguće lakše zavarivanje u teško dostupnim dijelovima konstrukcija, gdje zavarivanje s EPP i MIG postupcima više nije moguće.
Zavarivanje popravaka ili manjih dijelova, gdje drugi postupci ne dolaze u obzir.
Visokoproduktivne nehrđajuće elektrode su najprimjerenije za zavarivanje u vodoravnom položaju.
Pri platiranju na nelegirane materijale potrebno je izabrati višelegirane dodatne materijale, kako bi se slično kao i pri crno-bijelom zavarivanju spriječilo nastajanje krhkih martenzitnih struktura.

U programu imamo više vrsta nehrđajući visokoproduktivnih elektroda:

INOX R 18/8/6Fe, INOX R 22/12/3Fe i novija INOX R 29/9Fe su elektrode sa 160-postotnom iskoristivošću pri zavarivanju. Načinjene su na nelegiranoj elektrodnoj žici, a svo legiranje dolazi iz plašta. Pregrijavanje tih elektroda je unatoč višim strujama s kojima se zavaruje, manje nego li pri elektrodama načinjenim na nelegiranu žicu.NEJASNO JER JE U OBA SLUČAJA RIJEČ O NELEGIRANOJ ELEKTRODNOJ ŽICI Primjerene su za platiranja na nelegirane materijale i za navarivanje međuslojeva pri navarivanju i zavarivanju teško zavarivih materijala, raznih alatnih materijala i materijala i alata postojanih na trošenje te strojeva, gdje su poželjni viši slojevi nanesenog navarenog materijala.

U posljednjoj fazi razvoja – ispitivanje kod kupaca, imamo i posebnu elektrodu, INOX R 19/12/3NC 150. Omogućuje visokoproduktivno zavarivanje sa 150-postotnom iskoristivošću, a načinjena je na nehrđajuću elektrodnu žicu, kako bi se pri zavarivanju spriječilo lokalno feritno onečišćenje. Primjerena je za zavarivanje srednje debelih i debelih limova, a najveći korisnici tog tipa elektrode su skandinavske zemlje.

Zaključak:

Unatoč sve novijim tehnikama i automatiziranim postupcima zavarivanja i navarivanja, i dalje svoj udio održavaju i oplaštene elektrode, a njihov razvoj ide u smjeru posebnih vrsta oplaštenja i u specijalne vrste legiranja, što omogućuje aplikacije pri ekstremnim uvjetima primjene.

LITERATURA

M. Šolar, M. Knez, J. Cankar, Zvarjanje in navarjanje legiranih materialov z EPP postopkom, Ljubljana, Dan varilne tehnike (DVT) in Dan novih varilnih tehnologij (DNVT), 2. december 2016