Spawanie stali nierdzewnej 304 i 316: materiał dodatkowy, energia liniowa i pasywacja

Dobór materiału dodatkowego

Zasadą domyślną jest spawanie materiałem dodatkowym o jeden gatunek wyżej:

• 304/304L spawa się materiałem dodatkowym 308L.
• 316/316L spawa się materiałem dodatkowym 316L, który zawiera molibden niezbędny do zachowania odporności na korozję wżerową.
• Do złączy różnorodnych (304 ze stalą węglową) stosuje się materiał dodatkowy wysokostopowy, taki jak 309L.

Litera "L" ma znaczenie: zawartość węgla w materiale dodatkowym utrzymuje się na poziomie 0.03% lub poniżej, aby samo stopiwo było odporne na uczulenie. Gdy materiał podstawowy to zwykła stal 304 lub 316 (bez oznaczenia L), stosowanie materiału dodatkowego gatunku L i kontrolowanie energii liniowej stanowi główną ochronę metalu spoiny.

Energia liniowa i uczulenie

W zakresie mniej więcej od 450 °C do 850 °C chrom łączy się z węglem, tworząc węgliki na granicach ziaren — następuje uczulenie — co pozostawia strefy zubożone w chrom, korodujące w sposób uprzywilejowany (korozja spoiny, korozja nożowa). Praktyka dotycząca stali nierdzewnej działa zatem odwrotnie niż w przypadku stali węglowej:

• Energię liniową należy utrzymywać na niskim lub umiarkowanym poziomie (zazwyczaj w obszarze 0.5–1.5 kJ/mm, w zależności od procesu).
• Należy ograniczyć temperaturę międzyściegową, zazwyczaj do około 150 °C.
• Należy stosować ściegi proste zamiast szerokich ściegów oscylacyjnych i pozwolić złączu ostygnąć między ściegami.

Austenityczna stal nierdzewna słabo przewodzi też ciepło i rozszerza się mniej więcej o połowę bardziej niż stal węglowa, dlatego kontrola odkształceń (zrównoważone sekwencje, spawanie krokowe wstecz, odpowiednie mocowanie) stanowi część procedury, a nie kwestię drugorzędną.

Kwestie techniczne

• Osłona gazowa: graniowa strona spoin rur i blach wymaga gazu osłonowego od strony grani (przedmuchiwanie argonem) do momentu uszczelnienia grani przez kilka milimetrów metalu; utleniona, scukrzona grań ma słabą odporność korozyjną i zmęczeniową.
• Czystość: należy używać szczotek i materiałów ściernych przeznaczonych wyłącznie do stali nierdzewnej; zanieczyszczenie żelazem z narzędzi współdzielonych ze stalą węglową osadza się i rdzewieje. Przed spawaniem należy odtłuścić powierzchnie.
• Nigdy nie należy używać elementu ze stali nierdzewnej jako stołu roboczego do szlifowania w pobliżu stali węglowej — zanieczyszczenie pyłem ze szlifowania jest częstą przyczyną tajemniczych plam rdzy.

Po spawaniu: czyszczenie i pasywacja

Spawanie pozostawia barwy nalotowe — zubożoną w chrom warstwę tlenkową, której barwy od słomkowej do niebieskiej sygnalizują obniżoną odporność korozyjną pod spodem. W zastosowaniach korozyjnych barwy nalotowe i warstwa zubożona muszą zostać usunięte:

1. Czyszczenie mechaniczne (szczotkowanie szczotkami ze stali nierdzewnej, drobne materiały ścierne) do lekkich zastosowań.
2. Trawienie pastą lub kąpielą kwasu azotowego/fluorowodorowego w celu pełnego przywrócenia powierzchni.
3. Pasywacja w kwasie azotowym lub cytrynowym (zgodnie z praktyką ASTM A967) odbudowuje warstwę tlenku chromu na już czystej powierzchni. Pasywacja nie jest środkiem czyszczącym — nie usuwa silnych barw nalotowych ani zgorzeliny.

Prawidłowo spawane, oczyszczone i pasywowane złącze ze stali 316 powinno pod względem odporności korozyjnej nie różnić się od materiału rodzimego; pominięcie etapów po spawaniu jest zwykle przyczyną tego, że tak nie jest.

Typowe wady i ich przyczyny

• Porowatość: niemal zawsze zanieczyszczenie — wilgoć, smar, farba lub cynk na powierzchniach złącza albo problem z osłoną gazową (utrata osłony gazowej, przeciągi). Stal nierdzewna wykazuje porowatość spowodowaną zanieczyszczeniem wcześniej niż stal węglowa, ponieważ jeziorko spawalnicze jest mniej wyrozumiałe dla zabrudzonych powierzchni.
• Scukrzona grań: niewystarczające przedmuchiwanie od strony grani; grań utlenia się, tworząc chropowatą, sczerniałą powierzchnię podatną na korozję, której nie da się naprawić od zewnątrz.
• Pękanie: rzadkie w samej stali 304/316 (struktura austenityczna z niewielką zawartością ferrytu w stopiwie jest odporna na pękanie krzepnięciowe), ale realne ryzyko występuje przy zastosowaniu niewłaściwego materiału dodatkowego do złączy różnorodnych lub gdy do jeziorka dostanie się zanieczyszczenie węglowe — to kolejny powód, by używać wydzielonych narzędzi i czystego drutu.