Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Metody spawania stali nierdzewnych.

Procesy spawalnicze są najbardziej rozwiniętą i ugruntowaną technologią

łączenia, powszechnie wykorzystywaną przy wytwarzaniu wyrobów ze stali
nierdzewnych. Znajomość różnych, powszechnie dostępnych metod spawalniczych
pozwala na optymalne dobranie procesu łączenia poszczególnych części w
zależności od charakteru produkcji.

Niniejsze opracowanie nie wyjaśnia dogłębnie wszystkich dostępnych

metod stosowanych w łączeniu metali, lecz pozwala na znaczne przybliżenie znajomości poszczególnych
procesów spawalniczych.

Spawalność stali odpornych na korozję

Wg Europejskiego Stowarzyszenia Rozwoju Stali Nierdzewnych Euro-Inox spawalność stali odpornych na
korozję można scharakteryzować następująco:

Austenityczne stale nierdzewne: Fe-Cr-Ni (Mo)-(N)
Struktury zawierające kilka procent ferrytu (często spotykane)
• Niepodatne na gorące pękanie
• Dobra odporność na korozję międzykrystaliczną w przypadku gatunków niskowęglowych
i stabilizowanych.
• Doskonała udarność i ciągliwość
• Kruchość może pojawić się po dłuższej ekspozycji na działanie temperatury między 550°C a 900°C
z powodu rozkładu ferrytu tworzącego fazę sigma.

Struktury w pełni austenityczne (wyjątkowe)
• Podatne na gorące pękanie w trakcie krzepnięcia
• Dobra odporność na korozję międzykrystaliczną w przypadku gatunków niskowęglowych
i stabilizowanych
• Doskonała udarność i ciągliwość.

Ferrytyczne stale nierdzewne: Fe-Cr-(Mo-Ni-V)
Gatunki półferrytyczne: 0,04% C - 17% Cr
• Skłonne do wzrostu kruchości w wyniku rozrostu ziarn w temperaturze powyżej 1150°C
• Niska udarność i ciągliwość
• Skłonne do korozji międzykrystalicznej
• Obróbka cieplna w temperaturze około 800°C przywraca własności mechaniczne i odporność na korozję
międzykrystaliczną.

Gatunki ferrytyczne: 0,02% C – 17-30% Cr – (stabilizowane Ti, Nb)
• Podatne na kruchość poprzez rozrost ziarn powyżej 1150°C
• Zadowalająca ciągliwość oraz lepsza udarność w porównaniu z gatunkami półferrytycznymi
• Zazwyczaj niewrażliwe na rozrost ziarna.

Stale nierdzewne austenityczno-ferrytyczne typu Duplex: Fe-Cr-Ni (Mo)-N
• Niepodatne na gorące pękanie
• Doskonała udarność i dobra ciągliwość w zakresie od – 40°C do 275°C

1

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

• Podatne na wzrost kruchości w wyniku obecności fazy sigma, gdy zostaną poddane działaniu temperatury
między 500°C a 900°C.
Stale nierdzewne martenzytyczne: Fe-Cr-(Mo-Ni-V)
• Podatne na pękanie na zimno, w zależności od zawartości węgla i wodoru oraz poziomu naprężenia
pozostającego, w temperaturze poniżej około 400°C (zaleca się zazwyczaj wstępne
podgrzewanie i wygrzewanie po spawaniu)
• Wysoka wytrzymałość na rozciąganie i twardość. Dobra udarność, szczególnie w przypadku gatunków
niskowęglowych.
Powyższe dane dla najpowszechniej stosownych gatunków zestawiono w poniższej tabeli.

Grupa

Gatunek

Spawalność, charakterystyka

Austenityc

zne nie

rdz

ewne

1.4301 / 304

spawalna

1.4306 / 304L

spawalna, o obniżonej zawartości węgla ograniczone wytrącanie węgliku podczas

spawania, duża odporność na korozję w miejscach spawania, nie wymaga

wyżarzania

1.4307 / 304L

spawalna, o obniżonej zawartości węgla

1.4404 / 316L

spawalna, o obniżonej zawartości węgla

1.4571 /

316Ti

spawalna, stabilizowana tytanem, dobra odporność na korozję międzykrystaliczną

1.4541 / 321

spawalna, podobna do AISI 304, stabilizowana tytanem, dobra odporność na

korozję międzykrystaliczną

1.4539 / 904L

spawalna

Austenityc

zne ż

aroodpo

rne

1.4828 / 309

spawalna, obróbka cieplna po spawaniu i podgrzewanie przy spawaniu nie

wymagane

1.4841 /

310/314

spawalna, obróbka cieplna po spawaniu i podgrzewanie przy spawaniu nie

wymagane

Fe

rryty

czn

e nierd

zewn

e

1.4000 / 410S spawalna, zalecane wyżarzanie w temp. 600-800°C

1.4016 / 430

trudno spawalna, zalecane wyżarzanie w temp. 600-800°C

Fe

rryty

czn

e ża

roodporn

e

1.4724

utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury 100-
300°C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp. 750-800°C

1.4742

utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury 100-
300°C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp. 750-800°C

1.4762 / 446

utrudniona spawalność, należy stosować podgrzewanie do temperatury 100-
300°C, po spawaniu wymagane wyżarzanie w temp. 750-800°C

2

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Mart

enzytyc

zne ni

erdz

ewn

e

1.4006 / 410 spawalna

1.4021 / 420
1.4028 / 420F

trudno spawalna, przed spawaniem konieczne podgrzewanie, po spawaniu
wyżarzanie zmiękczające lub ulepszanie cieplne

1.4031

niespawalna

Spawanie łukowe w osłonie gazu obojętnego przy zastosowaniu
nietopliwej elektrody wolframowej z osłoną łuku gazem
dostarczanym z zewnątrz – GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) /
TIG (Tungsten Inert Gas).

Spawanie TIG jest jednym z podstawowych procesów stosowanych do wytwarzania konstrukcji,

zwłaszcza ze stali wysokostopowych. Metodę tę stosuje się do wykonywania połączeń w szerokim zakresie
grubości łączonych elementów od dziesiątych części milimetra do nawet kilkuset. Metodą tą można
wykonywać połączenia w sposób ręczny, półautomatyczny oraz automatyczny dzięki czemu doskonale
sprawdza się w warunkach warsztatowych i montażowych, we wszystkich pozycjach spawania. Urządzenia
do spawania metodą TIG są tanie i łatwe w obsłudze.

Schemat spawania łukowego metodą TIG.

3

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Podstawowe parametry procesu spawania TIG:
- rodzaj i natężenie prądu [A],
- napięcie łuku [V],
- prędkość spawania [m/min],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min],
- rodzaj materiału i średnica elektrody nietopliwej [mm],
- średnica (wymiary) materiału dodatkowego [mm].

Oznaczenia elektrod wolframowych firmy PLANSE

TYP

ELEKTRODY

RODZAJ

PRĄDU

TYPOWE ZAKRESY

ZASTOSOWAŃ

ZALETY SPAWALNICZE

Elektroda
GOLDplus
(1,5 % lantanu)
"złota"

AC/DC

-stale nisko i
wysokostopowe
-stopy aluminium
-stopy magnezu
-stopy tytanu
-stopy niklu
-stopy miedzi

-bardzo dobre właściwości zapłonu i
ponownego zapłonu
-wysoka trwałość
-znakomita w zakresie prądu wysokiego
-wysoka stabilność łuku elektrycznego
-wysoka jakość spawu
-zastępuje z powodzeniem WT

Elektroda WC20
(2,0 % ceru)
"szara"

AC/DC

-jak GOLDplus

-bardzo dobre właściwości zapłonu i
ponownego zapłonu
-znakomita w zakresie prądu niskiego
-wysoka trwałość
-wysoka stabilność łuku elektrycznego
-zastępuje z powodzeniem WT

Elektroda WL 10
(1,0 % lantanu)
"czarna"

AC/DC

-jak GOLDplus

-dobre właściwości zapłonu i ponownego
zapłonu

Elektroda W
(100

%

wolframu)
"zielona"

AC

-stopy aluminium
-stopy magnezu

-stabilny łuk elektryczny przy AC
-nie nadaje się do DC

Elektroda WT 20
(2,0 % toru)
"czerwona"

DC

-stale nisko i
wysokostopowe
-stopy tytanu
-stopy niklu
-stopy miedzi

-dobre właściwości zapłonu i ponownego
zapłonu
-możliwe zagrożenie zdrowia przy
nieumiejętnym posługiwaniu się
-nie nadaje się do AC
-może być zastąpiona przez WC 20 i
GOLDplus

Spawanie metodą GTAW/TIG przebiega z wykorzystaniem prądu stałego lub przemiennego.
Prądem stałym można spawać z biegunowością ujemną (elektroda podłączona do bieguna ujemnego) lub
dodatnią. Spawanie z biegunowością ujemną stosuje się przy osłonie argonu lub helu. Takie podłączenie
jest stosowne do spawania prawie wszystkich metali.

4

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Dodatnia biegunowość elektrody powoduje jej silne nagrzewanie co wymaga stosowania elektrod
o większych średnicach oraz ogranicza natężenie prądu spawania. Zaletą takiego podłączenia jest
powstanie zjawiska katodowego czyszczenia metalu w miejscu wykonywania połączenia.
Spawanie prądem przemiennym, przy biegunowości dodatniej umożliwia wykorzystanie zjawiska
rozpylania warstwy tlenków bez specjalnych ograniczeń prądowych.
Nowoczesne urządzenia spawalnicze pozwalają na spawanie prądem stałym pulsującym z wykorzystaniem
biegunowości ujemnej. Dzięki impulsowemu przebiegowi prądu spawania spoina składa się z kolejnych
zachodzących na siebie spoin punktowych. Odpowiednie dobranie parametrów spawania pozwala na
znaczne ograniczenie naprężeń i odkształceń spawalniczych co pozwala na wyeliminowanie zabiegów
cieplnych po spawaniu. Metoda GTAW/TIG z pulsującym przebiegiem prądu jest najefektywniejszym
sposobem łączenia blach o grubościach do 3mm.

Zalecane zakresy natężania prądu spawania oraz wymiary stożkowej końcówki elektrod stopowych: W+Th,
W+Ce, W+La przy spawaniu prądem stałym w osłonie argonu.

Średnica

elektrody

[mm]

Kąt stożka

końcówki elektrody

[°]

Średnica stępienia

wierzchołka

końcówki

[mm]

Zakres natężeń

prądu stałego

[A]

Zakres natężeń prądu

impulsowego

[A]

1,0

12

0,125

2-15

2-25

1,0

20

0,25

5-30

5-60

1,6

25

0,5

8-50

8-100

1,6

30

0,8

10-70

10-140

2,4

35

0,8

12-90

12-180

2,4

45

1,1

15-150

15-250

3,2

60

1,1

20-200

20-300

3,2

90

1,5

25-250

25-350

Warunki technologiczne spawania GTAW prądem pulsującym we wszystkich pozycjach złączy doczołowych
blach ze stali austenitycznych typu 18-8 w osłonie argonu, bez użycia materiału dodatkowego.

Grubość

blachy

[mm]

Czas impulsu

prądu t

i

[s]

Czas przerwy t

p

[s]

Natężenie

prądu impulsu

[A]

Natężenie

prądu

podstawowego

[A]

Skok spoin

punktowych

S

[mm]

0,4

0,04-0,12

0,1114-0,22

40-60

1-4

1,0-1,8

0,8

0,12-0,26

0,24-0,34

80-140

4-8

1,2-1,8

2,0

0,20-0,38

0,2-0,3

160-250

6-10

1,2-2,0

3,0

0,28-0,45

0,16-0,3

250-350

8-15

1,5-2,5

Uwagi: Natężenie przepływu argonu 6-8 l/min. Zalecana osłona gazowa grani argonem o natężeniu
przepływu 3-4 l/min. Blachy muszą być przygotowane dokładnie na styk.

Gazy ochronne

Podstawowe gazy ochronne stosowane do spawania GTAW/TIG to gazy obojętne: Argon, Hel lub ich
mieszanki, ewentualnie z domieszką wodoru. Niekiedy do gazu obojętnego dodawany jest azot, który jest
odpowiedzialny za podwyższenie temperatury łuku i umożliwienie spawania z dużymi prędkościami
spawania.

5

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Gaz ochronny ma za zadanie nie tylko osłaniać elektrodę nietopliwą i obszar spawania przed dostępem
atmosfery, ale decyduje również o napięciu łuku, kształcie spoiny a nawet składzie chemicznym stopiwa.
Podstawowymi właściwościami fizycznymi gazów ochronnych, decydującymi o ich wpływie na proces
spawania GTAW/TIG są:
- energia jonizacji,
- przewodnictwo cieplne,
- ciężar właściwy,
- punkt rosy,
-dysocjacja i rekombinacja gazu.

Zastosowanie określonego gazu ochronnego w zależności od zastosowanej metody spawania

pozwala na uzyskanie optymalnych parametrów spawania jak i samego połączenia.

Zalecane rodzaje gazów ochronnych do spawania GTAW/TIG stali austenitycznych.

Rodzaj

procesu

spawania

Rodzaj gazu

ochronnego

Opis podstawowych właściwości

ręczny

Ar

ułatwione przetopienie cienkich blach

automatyczny

Ar+He

zwiększone głębokości przetopienia i prędkości spawania

Ar+max35% H

2

unika się podstopień, wymagane jest mniejsze natężenie
przepływu niż czystego Ar

He

największe głębokości przetopienia i energie liniowe spawania

W celu uniknięcia zanieczyszczenia powietrzem silnie nagrzanego metalu spoiny od strony grani należy
zapewnić dodatkową osłonę gazową tego obszaru. Jako gaz ochronny stosuje się azot, argon lub hel.
Zalecane natężenie przepływu gazu ochronnego wynosi od 0,5 do 30 l/min w zależności od kształtu złącza
i rodzaju spawanej konstrukcji.

Główne zalety metody GTAW/TIG zastosowanej do stali nierdzewnych można podsumować w sposób
następujący:
- skoncentrowane źródło ciepła powodujące powstanie wąskiej strefy stopienia,
- bardzo stabilny łuk i spokojne, niewielkie jeziorko spawalnicze; nie ma rozprysków i ponieważ nie ma

potrzeby stosowania topnika w tej metodzie, wyeliminowane są pozostałości utleniania, co upraszcza
znacznie problem końcowego czyszczenia,

- doskonała jakość metalurgiczna z dokładną kontrolą wtopienia i kształtu spoiny we wszystkich pozycjach

spawania,

- dobre spoiny wolne od porów,
- bardzo małe zużycie elektrod,
- łatwość opanowania techniki spawania.

6

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Spawanie łukowe nietopliwą elektrodą wolframową w osłonie
gazów obojętnych - PAW (Plasma Arc Welding)

Do wytworzenia plazmy czyli zjonizowanego gazu

wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej
temperatury. Spawanie może być prowadzone przy użyciu
elektrody nietopliwej (metoda plazmowa GTA) i elektrody topliwej (metoda plazmowa GMA). Plazmą
łuku spawalniczego jest gaz nagrzany do stanu, w którym jest on przynajmniej częściowo zjonizowany
i dzięki temu zdolny do przewodzenia prądu elektrycznego. Temperatury występujące w łuku w metodzie
TIG są rzędu 6000 °C, a kolumna łuku ma kształt stożka, natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest
ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania poza
zawężeniem łuku jest wzrost jego temperatury do około 20000°C. Gaz ten wypływając z dyszy jako
zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania
“z oczkiem”. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości
od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym odkształceniu po spawaniu.
Uzyskiwane prędkości spawania są o 40 – 80% wyższe niż przy metodzie TIG.
Spawanie plazmowe znalazło zastosowanie m.in. przy spawaniu rur. Ale większe rozpowszechnienie
zyskała odmiana niskoprądowa jako spawanie mikroplazmowe, szczególnie korzystne przy łączeniu bardzo
cienkich

blach

o

grubościach

od

0,1

mm.

Parametry spawania w metodzie spawania plazmowego GTA
- rodzaj i natężenie prądu [A],
- napięcie łuku [V] i odległość dyszy od spawanego przedmiotu [mm],
- prędkość spawania [m/min],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu plazmowego [l/min],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min],
- rodzaj i średnica elektrody wolframowej [mm],
-kształt i wymiary dyszy plazmowej [mm].

Metoda spawania plazmowego GTA w stosunku do klasycznego spawania GTA wykazuje szereg zalet :
- większa koncentracja energii liniowej i sprawności łuku,
- zwiększona stabilność łuku,
- możliwość regulacji prędkości i kształtu strumienia plazmy,
- znaczne większe prędkości spawania,
- wąskie ściegi o dużej głębokości przetopienia, zapewniające mniejsze odkształcenia i naprężenia
spawalnicze.

Spawanie plazmowe może być przeprowadzone przy użyciu prądu stałego lub przemiennego. Podobnie
jak w metodzie TIG możemy spawać prądem z biegunowością dodatnią lub ujemną. W celu poprawy
jakości złączy w metodzie spawania plazmowego wykorzystuje się również spawanie prądem stałym
impulsowym.

7

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Podstawowe zalety spawania plazmowego GTA prądem pulsującym w stosunku do spawania prądem
ciągłym są następujące:
- krótszy czas krzepnięcia spoiny, a więc mniejsza możliwość zanieczyszczenia spoiny gazami a atmosfery

lub gazami dyfundującymi z materiału rodzimego,

- stopiwo ma strukturę bardziej drobnoziarnistą o regulowanej wielkości i orientacji ziaren,
- mniejsza skłonność spoiny do pęknięć gorących,
- mniejsze naprężenia oraz odkształcenia spawalnicze.

Gazy plazmowe i ochronne

W metodzie spawania plazmowego używa się gazów bądź ich mieszanin takich jak w metodzie TIG.
Z zasady jako gaz ochronny wykorzystuje się ten sam gaz co gaz plazmowy. W celu ochrony grani spoiny
stosuje się nadmuch gazem ochronnym od strony grani spoiny.

Zalecane gazy plazmowe i ochronne do spawania plazmowego GTA techniką z oczkiem spoiny oraz
techniką z jeziorkiem spoiny przy spawaniu stali odpornych na korozję.

Grubość złącza

[mm]

Technika z oczkiem

spoiny

Technika z jeziorkiem

spoiny

<1,6

75% He +25% Ar

Ar +1-5% H

2

Ar

He

Ar +1-5% H

2

1,6-3,2

Ar

92,5% Ar + 7,5%H

2

Ar

>3,2

Ar

95%Ar + 5%H

2

75% He +25% Ar

Wadą spawania plazmowego jest konieczność dokładnego przygotowania złączy przed spawaniem, oraz
droższe urządzenia. Metoda ta stosowana jest głównie do półautomatycznego i automatycznego
wykonywania połączeń.

Spawanie łukowe przy zastosowaniu ciągłej elektrody metalowej,
osłona łuku gazem dostarczanym z zewnątrz - GMAW (Gas
Metal Arc Welding)

W metodzie GMAW, znanej również jako metoda MIG (Metal Inert Gas- spawanie elektrodą

topliwą w osłonie gazowej), ciepło spawania jest wytwarzane przez łuk zajarzony pomiędzy podawanym w
sposób ciągły metalowym drutem elektrodowym a elementem spawanym.
W przeciwieństwie do metod spawania GTAW i PAW, elektroda tutaj zużywa się, a łuk jarzy się w osłonie
gazu ochronnego pomiędzy topliwym drutem spawalniczym a elementem spawanym.

8

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Podstawowe cechy tej metody to :
- zastosowanie bardzo dużej gęstości prądu w drucie elektrodowym (> 90 A/mm2), około 10 razy większej
niż w metodzie spawania elektrodą otuloną (SMAW),
- szybkie topienie się drutu elektrodowego (prędkość topienia wynosi około 8 m/min) z racji wysokiej
temperatury łuku wymaga stosowania automatycznego podawania drutu ze szpuli o
ciężarze 12 kg,
- stale nierdzewne spawa się zawsze prądem stałym przy biegunowości dodatniej (DCEP lub DCRP);
biegun dodatni generatora podłączony jest do elektrody,
- uchwyt spawalniczy jest zazwyczaj trzymany w ręku (tak zwana metoda ‘półautomatyczna’), lecz dla
wysokiej mocy spawania jest on zamocowany do wózka (metoda ‘automatyczna’).

Schemat spawania MIG/MAG

Podstawowymi parametrami spawania MIG/MAG są:
- rodzaj i natężenie prądu [A],
- napięcie łuku [V],
- prędkość spawania [m/min],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min],
- średnica drutu elektrodowego [mm],
- długość wolnego wylotu elektrody [mm],
- prędkość podawania drutu elektrodowego [mm/s].

Mechanizm przenoszenia metalu w łuku jest istotnym parametrem procesu i rozróżnia się tutaj jego trzy
zasadnicze rodzaje :
- Sposób spawania łukiem krótkim lub ze zwarciowym przenoszeniem metalu, w którym metal topi się
tworząc duże krople o średnicy często większej niż średnica drutu elektrodowego. Gdy na końcu elektrody
tworzy się kropla, styka się ona z jeziorkiem spawalniczym i tworzy zwarcie z nagłym wzrostem prądu.
Napięcie powierzchniowe powoduje efekt ściśnięcia, który oddziela kroplę od elektrody. Częstotliwość
tego zjawiska jest rzędu od 20 Hz do 100 Hz, co odpowiada czasowi cyklu od 0,01 s do 0,05 s.
- Sposób przenoszenia kroplowego lub grawitacyjnego. Podobnie jak w poprzednim przypadku, topienie
odbywa się w postaci dużych kropli, które odrywają się, gdy ich ciężar jest wystarczający dla pokonania sił

9

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

napięcia powierzchniowego i z racji większej długości łuku spadają swobodnie zanim zetkną się
z jeziorkiem spawalniczym.
- Sposób przenoszenia natryskowego obejmuje gęstości prądu powyżej pewnego poziomu przejścia, rzędu
200 A/mm2. Elektroda topi się dając strumień małych kropelek. Gdy gęstość prądu dalej się zwiększa,
koniec elektrody staje się stożkowy i strumień jeszcze mniejszych kropelek uwalnia się osiowo.

Metoda spawania GMAW wymaga gazu ochronnego aby zapobiec utlenianiu w łuku spawalniczym.
Argon z dodatkiem 2% tlenu (O2) daje stabilny łuk i nadaje się do większości zastosowań. Argon
z dodatkiem 3% dwutlenku węgla (CO2) przynosi podobny wynik. Prędkość spawania i głębokość
wtopienia można czasami zwiększyć przez dodanie helu (He) i wodoru (H

2

) do mieszanki argon + O2 lub

argon + CO2, jako gazu ochronnego. Gazy o większej zawartości CO2 (metoda MAG) mają tendencję do
znacznego nawęglania jeziorka spawalniczego łącznie z utlenianiem chromu. Z tego więc powodu nie są
one zalecane.

Zalecane warunki technologiczne spawania jednostronnego półautomatycznego GMA złączy doczołowych
blach ze stali odpornych na korozj.

Sposób

przygotowania

złącza

Gruboś

ć

blachy

[mm]

Średnica

drutu

[mm]

Liczba

ściegów

Natężenie

prądu

[A]

Prędkość

podawania

drutu

[mm/s]

Napięcie

łuku

[V]

Prędkość
spawania

[m/min]

Doczołowe *

ukosowane na I

G=0mm

1,6

0,8

1

85

77,3

15

0,5-0,54

2,0

0,8

1

90

80,6

15

0,3-0,32

Doczołowe **

ukosowane na I

G=0mm

3,2

1,6

1

225

58,8

24

0,5-0,54

Doczołowe **

ukosowane na

V60°

G=0mm

6,4

1,6

2

275

73,5

26

0,5-0,54

Doczołowe **

ukosowane na

Y60°

G=0mm H=1,6

9,5

1,6

2

300

84,0

27

0,38-

0,43

12,5

2,4

4

325

94,5

28

0,38-

0,43

Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią.
* - spawanie we wszystkich pozycjach łukiem zwarciowym w osłonie Ar +25%CO

2

lub Ar + 2%O

2

z

natężeniem przepływu 8-10l/min;
** - spawanie w pozycji podolnej łukiem natryskowym w osłonie Ar + 1%O

2

o natężeniu przepływu 18-

20 l/min,
G – odstęp między blachami,
H – wysokość progu,

Rozmiar kropli i wielkość wtopienia zmieniają się w zależności od gatunku stali elementu spawanego
(ferrytyczna, austenityczna itp.), rodzaju złącza, sposobu przenoszenia metalu oraz kwalifikacji spawacza.
Dla złączy czołowych ze spoinami V i I spawanych jednym przejściem, normalny zakres grubości
elementów wynosi od 1,0 mm do 5,0 mm.

10

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Zalecane warunki technologiczne spawania półautomatycznego GMA łukiem zwarciowym złączy teowych i
zakładkowych blach ze stali odpornych na korozję

Grubość

blachy

[mm]

Długość

boku spoiny

[mm]

Liczba

ściegów

Natężenie

prądu

[A]

Prędkość

podawania

drutu

[mm/s]

Napięcie

łuku

[V]

Prędkość

spawania

[m/min]

1,6

1,6

1

85

77,3

15

0,43-0,48

2,0

2,0

1

90

80,6

15

0,33-0,38

2,4

2,4

1

105

97,5

17

0,35-0,40

3,2

3,2

1

125

117,6

17

0,35-0,40

Uwaga:
Metoda GMAW jest często określana jako spawanie MIG. Metody spawania MIG i MAG są często
niewłaściwie rozumiane. W rzeczywistości, w metodzie MIG, utleniający charakter gazu jest nieznaczny,
natomiast jest on wyraźnie zwiększony w metodzie MAG. Jednakże, w metodzie GMAW/MIG często
potrzebny jest w gazie ochronnym (argon) niski procent tlenu lub dwutlenku węgla, aby poprawić zarówno
stabilność łuku, jak i zwilżanie stopionym metalem. Normalne zawartości to : 2% O2 lub 3% CO2. Wyższe
ilości O2 i CO2 powodują nadmierne utlenianie chromu (Cr), manganu (Mn) i krzemu (Si) oraz nadmierne
nawęglanie jeziorka spawalniczego. Na przykład, zawartość węgla w metalu spoiny, która wynosi 0,025%
dla gazu ochronnego zawierającego 2% CO2, mogłaby osiągnąć 0,04% przy zawartości 4% CO2.

Spawanie łukowe przy zastosowaniu drutu proszkowego, osłona łuku topnikiem zawartym w drucie,
dodatkowa osłona gazem dostarczanym z zewnątrz - FCAW (Flux Cored Arc Welding)

Metoda spawania łukowego drutem proszkowym z rdzeniem topnikowym stanowi odmianę

metody spawania GMAW. Jest to metoda, w której drut spawalniczy składa się z metalowej powłoki ze
stali nierdzewnej wypełnionej stałym topnikiem, którego rola jest podobna do roli otuliny elektrody w
metodzie spawania ręcznego SMAW. Rdzeń zapewnia środki odtleniające oraz materiały żużlotwórcze jak
również może zapewnić gazy ochronne w wypadku samoosłonowych drutów proszkowych FCAW.
Z uwagi na możliwość ciągłego podawania drutu spawalniczego metoda FCAW łączy zalety metody
SMAW z wysoką wydajnością procesu automatycznego lub półautomatycznego. W porównaniu
z konwencjonalną litą elektrodą, topnik zapewnia pokrycie żużlowe i podnosi wydajność. Tak więc,
w wypadku prądu powyżej 200 A, współczynnik stapiania wynosi około 100 g/min dla drutu litego
o średnicy 1,6 mm zawierającego 20% Cr i 10% Ni, w porównaniu do około 170 g/min w wypadku drutu
proszkowego o tej samej średnicy. Tak duża różnica wynika z faktu, że w drucie proszkowym
elektryczność przewodzi tylko metalowa powłoka, ponieważ rdzeń, złożony z mieszaniny proszków
metalowych i mineralnych, ma wysoką oporność elektryczną. Zarówno metoda FCAW, jak i GMAW mają
podobną wielkość ściegu. W wypadku złączy czołowych ze spoinami V i I spawanych jednym przejściem,
normalny zakres grubości elementów spawanych wynosi od 1,0 mm do 5,0 mm.

Spawanie łukowe drutem proszkowym w osłonie gazowej wykazuje następujące zalety:
- duża wydajność stapiania, wysoki uzysk stapiania,
- widoczny łuk spawalniczy,

11

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

- minimalny czas szkolenia spawaczy,
- wszechstronność procesu, łatwość adaptacji do spawania półautomatycznego, automatycznego lub
zrobotyzowanego,
- duża powtarzalność wyników przy jednej nastawie parametrów spawania,
- duże głębokości przetopienia zapewniające minimalne wymiary spoin, a prze to zmniejszenie naprężeń
i odkształceń spawalniczych, łatwość regulacji kształtu spoiny,
- dobra stabilność łuku i dobre przenoszenie metalu w łuku w szerokim zakresie parametrów spawania,
- stosunkowo rozległy zakres możliwych do zastosowania napięć łuku przy małym rozprysku metalu,
- łatwy do usunięcia żużel i gładkie, równe lico bez podstopień,
- niski koszt wykonania połączenia spawanego,
- druty o małej średnicy zapewniają wykonanie połączenia we wszystkich pozycjach spawania.

Parametry spawania łukowego drutem proszkowym w osłonie gazowej określają:
- rodzaj i natężenie prądu spawania [A],
- napięcie łuku [V],
- rodzaj i średnica drutu [mm],
- długość wolnego wylotu drutu [mm],
- prędkość spawania [m/min],
- kąt pochylenia drutu względem złącza […°],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu osłonowego [l/min]

Przekrój przez elektrodę proszkową

12

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Zalecane parametry spawania stali austenitycznych i austenityczno-ferrytycznych drutem z rdzeniem
proszkowym topnikowym i metalicznym w osłonach gazowych.

Średnica

drutu

[mm]

Pozycja

spawania

Rodzaj gazu

ochronnego

Natężenie

prądu

[A]

Napięcie

łuku

[V]

Długość

wolnego

wylotu

[mm]

Wydajność

spawania

[kg/h]

1,2

pułapowa

Ar + 25%CO

2

140-240

24-32

6,4-12,5

2,0-5,4

pułapowa

CO

2

130-230

24-32

6,4-12,5

2,0-5,0

pionowa -PF

Ar + 25%CO

2

110-210

23-30

6,4-10,0

1,6-4,9

pionowa – PF

CO

2

100-175

24-30

6,4-10,0

1,5-3,9

pionowa – PG

Ar + 25%CO

2

130-245

24-33

6,4-12,5

2,0-5,0

pionowa – PG

CO

2

125-270

25-34

6,4-12,5

2,0-5,5

podolna

Ar + 25%CO

2

110-270

23-34

6,4-19,0

1,6-6,1

podolna

CO

2

110-255

24-40

6,4-19,0

1,5-,6,1

1,6

pułapowa

Ar + 25%CO

2

180-260

24-30

10,0-16,0

2,3-4,0

pułapowa

CO

2

150-250

24-30

10,0-16,0

2,3-4,0

pionowa -PF

Ar + 25%CO

2

130-250

23-31

10,0-19,0

1,7-4,7

pionowa – PF

CO

2

135-230

24-31

10,0-19,0

2,0-4,2

pionowa – PG

Ar + 25%CO

2

150-340

24-34

10,0-16,0

2,0-6,7

pionowa – PG

CO

2

135-340

24-34

10,0-16,0

2,0-6,7

podolna

Ar + 25%CO

2

130-400

24-37

10,0-19,0

1,7-10,0

podolna

CO

2

130-400

24-37

10,0-19,0

1,7-10,0

1,6*

podolna

Ar + 1-2%O

2

He +7,5%Ar

+2,5%O

2

230-270

25-28

12,5

3,6-5,4

2,4*

podolna

Ar + 1-2%O

2

He +7,5%Ar

+2,5%O

2

375-425

27-29

19,5

5,2-6,0

Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią. Natężenie przepływu gazu ochronnego
przy spawaniu drutami z proszkiem metalicznym wynosi 15-20 l/min a przy spawaniu drutami z
rdzeniem topnikowym 12-18 l/min. * - druty proszkowe metaliczne.

Zalecane warunki technologiczne spawania drutem topnikowym w osłonie Ar+25%CO

2

złączy

doczołowych grubych blach i rur ze stali duplex.

Rodzaj

złącza i

pozycja

spawania

Grubość

złącza

[mm]

Ilość

ściegów

Natężenie

prądu

[A]

Napięcie

łuku

[V]

Energia

liniowa

[kJ/mm]

Własności

złącza

Doczołowe

blach na

V60°

Pionowa -

PF

12

7

150-170

24

1,0-1,2

Rm=790MP

a

KCV=55-

85J

FN=53

Doczołowe

rur na

V45°/75°

Naścienna

46

2

210-230

26-27

0,8-1,1

Rm=735MP

a

KCV=42-

50J

FN=53

13

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Doczołowe

rur na V60°

Wszystkie

pozycje

23

31

114-170

11-24

0,9-1,7

Rm=836MP

a

KCV=43-

63J

FN=51

Uwagi: Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią drutem o średnicy 1,2mm. Natężenie
przepływu gazu ochronnego 18-20l/min. FN- liczba ferrytu

Spawanie łukowe elektrodą metalową, osłona łuku w wyniku rozkładu otuliny
elektrody - SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

Spawanie łukiem osłoniętym elektrodą metalową jest zwykle stosowane

przy naprawach mało odpowiedzialnych elementów ze stali odpornych na korozję.
Sprzęt do spawania metodą SMAW jest najtańszy, ale proces spawania jest
wolniejszy niż w metodach GMAW lub FCAW. Przy cienkich elementach w
metodzie SMAW mogą wystąpić przepalenia. Metoda ta znana również jako
MMA (Manual Metal Arc - ręczne spawanie łukowe).
Elektrody otulone są dostępne do większości stali nierdzewnych w różnych
rozmiarach, przez co można je stosować do spawania połączeń od grubości 1,3 mm do kilkudziesięciu
milimetrów. Żużel po każdorazowym przejściu, przed nałożeniem kolejnej warstwy musi być całkowicie
usuwany, aby zapobiec porowatości i zanieczyszczeniu spoiny.

Schemat spawania elektrodą otuloną

Do spawania stali nierdzewnej stosowane są cztery podstawowe typy otulonych elektrod: zasadowe,
rutylowe, rutylowo-krzemianowe i grubootulone do spawania podolnego i poziomego. Wybór elektrody
zależy przede wszystkim od pozycji spawania.

Elektrody otulone zasadowe (-15) są stosowane tylko do spawania prądem stałym. Są one zalecane do:
- spawania pionowego i pułapowego we wszystkich pozycjach, do zastosowań takich jak rury. Nieduża
ilość żużla dobrze nawilża i jest dobrze zmywalna, nie wymaga potem obróbki;

14

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

- warstw graniowych przy grubych płytach. Gruba spoina o nieznacznie wypukłym kształcie zapobiega
pękaniu;
- stali austenitycznych – wysokostopowych stali nierdzewnych, wrażliwych na osiowe pękanie.
Elektrody rutylowe mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale preferowany jest prąd stały.
Elektrody te są zalecane (-16) do:
- spawania podolnego,
- pionowego w górę i pułapowego, gdy spawanie elektrodami zasadowymi nie jest dostępne.
Elektrody rutylowo-krzemianowe (-17) mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale
preferowany jest prąd stały. Elektrody te są zalecane do:
- spawania podolnego i poziomego, gdy wymagane jest minimalne czyszczenie spoiny,
- gdy wymagany jest wklęsły kształt spoiny.
Elektrody grubootulone (-26) są zalecane przede wszystkim do spawania podolnego, chociaż można ich
używać do poziomych spoin pachwinowych. Mogą pracować na prądzie stałym lub przemiennym, ale
preferowany jest prąd stały. Elektrody te są zalecane do spawania dużymi prądami i do procesów
szybkiego spawania.
Z elektrodami otulonymi należy postępować tak samo jak z elektrodami zasadowymi. W przypadku, gdy
szczelne opakowanie zostanie otwarte, opakowanie z pozostałymi elektrodami należy ponownie uszczelnić
lub elektrody przechowywać w suszarce o temperaturze od 100 do 150°C aż do użycia. Jeśli elektrody są
narażone na działanie wilgoci z powietrza, można je osuszyć poprzez prażenie, w sposób zalecany przez
producenta. Temperatura prażenia wynosi zwykle od 260 do 300°C, ale może również wynieść nawet
430°C dla otulin typu (-17).
Obecnie metoda ta pomimo niskich kosztów urządzeń do spawania nie ma szerszego zastosowania.
Do jej wad należy zaliczyć:
- konieczność czyszczenia spoiny z żużlu,
- znaczne ryzyko przegrzania i przepalenia metalu łączonego,
- możliwość zanieczyszczenia spoiny żużlem.

Spawanie laserowe przy zastosowaniu skoncentrowanej i spójnej
wiązki światła zogniskowanej na złączu - LBW (Laser Beam
Welding)

Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku

łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku
doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła
koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l02 do 1011
W/mm2 . Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny,
jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu
lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże
gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych
energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie.
Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na
gotowo, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej
mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej
1,5 kW) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia,

15

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na
zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery
CO2

jak

i

Nd:YAG.

Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich
elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często
są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Zasada procesu spawania polega na
lokalnym podgrzaniu materiału poprzez skupienie promienia. Wskutek parowania otrzymuje się kapilarę
względnie oczko, którego średnica odpowiada 1,5 - 2 razy średnicy punktu skupienia. Zamknięciu sie
kapilary zapobiega ciśnienie oparów. Do spawania laserami CO2 najczęściej stosuje się gazy: Ar, N2, CO2
lub He, które wspomagają ten proces, dzięki nim można osiągnąć głębokość spoiny do 25mm, służą one
jednocześnie do ochrony wytopu przed skutkami utleniania.

Do obecnej chwili zbudowano wiele generacji laserów stałych, półprzewodnikowych, cieczowych
i gazowych znajdujących zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i technologii. Do celów
spawalniczych wykorzystuje się lasery o działaniu impulsowym (rubinowe, Nd:Glass, YAG) lub ciągłym
(CO2). Wiązka laserowa przechodząc z lasera do przedmiotu spawanego poprzez system przesłon
zwierciadeł i elementów optycznych jest ogniskowana w obszarze spawania. Wiązka światła laserowego
padając na powierzchnię metalu ulega intensywnemu odbiciu w zależności od rodzaju metalu i stanu jego
powierzchni. Współczynnik absorpcji energii kwantów promieniowania wynosi tylko 1-5% dla laserów
CO2 i 2-30% dla laserów stałych. Efektywność spawania laserowego zależy więc od absorpcji energii
wiązki laserowej przez powierzchnie spawanego przedmiotu. Dlatego też istotnym problemem przy
spawaniu laserowym jest odpowiednie przygotowanie (zmatowienie, poczernienie) powierzchni, na którą
pada wiązka laserowa. Spoiny wykonane spawarką laserową o działaniu ciągłym nie różnią się od spoin
wykonanych wiązką elektronów, natomiast wykonane spawarką impulsową składają się ze zbioru
częściowo pokrywających się spoin punktowych odpowiadających poszczególnym impulsom. Spawanie
laserowe może odbywać się z dodatkiem lub bez dodatku spoiwa, w jednym przejściu lub wielościegowo.
Złącza o małych grubościach oraz złącza metali bardzo dobrze spawalnych wiązką laserową spawa się w
jednym przejściu, bez materiału dodatkowego. Spawanie laserowe pozwala łączyć przy równej lub nawet
wyższej jakości wszystkie metale i stopy spawane elektronowo.
Istnieje także laserowe spawanie kondukcyjne (LASER CONDUCTING WELDING) które polega na tym
iż energia przenoszona przez wiązkę laserową oddziaływuje na powierzchnię i przenika w głąb materiału
zgodnie z prawem przewodnictwa cieplnego, następuje topienie materiału, ale nie występuje zjawisko

16

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

parowania metalu, cały proces odbywa się poniżej temperatury parowania. Metal stopiony wskutek
oddziaływania wiązki tworzy jeziorko, w obrębie którego występuje wysoki gradient temperatury. Proces
spawania kondukcyjnego nazywany jest także spawaniem przewodnościowym. Do tego procesu używa się
częściej laserów Nd:YAG niż CO2. To jest spowodowane tym, że stały metal wchłania dużo więcej światła
lasera Nd:YAG niż CO2 . Przykładowo można podać że, niczym nie poczerniona stal wchłania około 25%
światła lasera Nd:YAG a światło lasera CO2 około 5%. Gdy metal ulega topnieniu wówczas wchłanianie
światła zarówno lasera CO2 i Nd:YAG wynosi około 50%. Moc wchłaniania pochodząca z wiązki lasera
CO2 może nie wystarczyć do stabilnego spawania kondukcyjnego .W metodzie kondukcyjnej spawa się na
głębokość około 1 mm w przypadku stali.

Przeznaczenie spawania kondukcyjnego :
- spawanie kondukcyjne stosuje się w przypadku wymagania bardzo dobrej powierzchni spawanej,
- do spawania cienko ściennych rur,
- gdy nie może dojść do parowania metalu,
- mikrospawanie.

Gazy ochronne stosowane przy spawaniu laserowym:
Hel
- bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu
- wysoka energia jonizacji ułatwia kontrolowanie plazmy tworzącej się w kapilarze,
- spoina jest gładka i jednorodna,

Argon
-bardzo dobra ochrona przeciw utlenianiu stali chromowo-niklowych oraz stopów na bazie niklu,

Azot
- przy wysokich prędkościach spawanie można osiągnąć głębsze przetopienie niż w przypadku helu
- niski koszt,
- możliwość wystąpienia nierówności spoiny,

Dwutlenek węgla
- równa i gładka powierzchnia spoiny,
- niski koszt,
- nie chroni przed utlenianiem stali chromowo-niklowych.

Parametry spawania laserowego:
- moc wiązki światła laserowego ciągłego [kW],
- energia impulsu światła laserowego w kJ, czas jego trwania w ms i częstotliwość powtarzania impulsu
w Hz,
- prędkość spawania [m/min],
- długość ogniska wiązki laserowej [mm],
- średnica wiązki laserowej [mm],
- położenie ogniska wiązki laserowej względem złącza [mm],
- rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego [l/min].

Metoda spawania laserowego jest szeroko stosowana w produkcji rur wzdłużnie spawanych. Przy mocy
około 6 kW, taśma o grubości 2 mm ze stabilizowanej stali ferrytycznej o zawartości 17% chromu może

17

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

być spawana z prędkością około 7 m/min, a ponieważ cykl cieplny jest bardzo krótki, zjawisko rozrostu
ziarn w strefie wpływu ciepła jest wyjątkowo ograniczone.

Metoda spawania laserowego wykazuje szereg zalet:
- wysoka gęstość mocy (spawanie typu kapilarnego),
- wąska spoina,
- wąska strefa wpływu ciepła,
- wysoka prędkość procesu,
- nie wymaga spoiwa,
- spawanie z wysoką precyzją,
- wysoka czystość procesu,
- łatwość automatyzacji.

Spawanie wiązką elektronów - EBW

Do spawania wiązką elektronów wykorzystuje się energię ze

skoncentrowanej wiązki elektronowej o wysokiej prędkości, która zderza
się z materiałem podstawowym. Przy wysokiej energii wiązki, można
wytopić otwór na wskroś materiału i wykonywać spoiny z pełnym
przetopem z prędkością rzędu 20 m/min.
Za pomocą spawania wiązką elektronów można wykonywać głębokie i cienkie spoiny z wąskimi strefami
wpływu ciepła. Stosunek głębokości do szerokości jest rzędu 20:1. Spoiny powstają w próżni, która
eliminuje zanieczyszczenie jeziorka spawalniczego przez gazy. Próżnia nie tylko zapobiega
zanieczyszczeniu spoiny, ale również pozwala na powstanie stabilnej wiązki. Skoncentrowany charakter
źródła ciepła powoduje, że metoda ta szczególnie nadaje się do spawania stali nierdzewnych. Dostępna
moc może tu być łatwo kontrolowana, a ta sama spawarka może być wykorzystana do spawania
jednowarstwowego stali nierdzewnych o grubości od 0,5 mm do 40 mm.

Przekrój przez złącze spawane wiązką elektronów

18

Portal Stali Nierdzewnej i Kwasoodpornej

Ze względu na znaczny koszt urządzeń, metoda ta nie jest powszechnie wykorzystywana w produkcji
urządzeń i maszyn ze stali odpornych korozyjnie.

Źródło
Klimpel Andrzej: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1999.

http://www.euro-inox.org
http://www.linde-gaz.pl
http://www.spinex.com.pl/
http://www.utrzymanieruchu.pl
http://www.investa.pl/
http://www.trumpf-laser.com
http://www.listemann.com

Artykuł został przygotowane zgodnie z naszą wiedzą i doświadczeniem i ma służyć jako pomoc. Zapewniamy, że dołożyliśmy
wszelkich starań, aby podane informacje były technicznie poprawne, jednakże nie mogą być one traktowane jako norma i nie są
podstawą do składania roszczeń o gwarancje i odszkodowanie.

Wojciech Chiniewicz – nierdzewka.com

19