Come selezionare i metalli d'apporto per la saldatura dell'acciaio inossidabile

Questo articolo di Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. spiega cosa considerare quando si specificano i metalli d'apporto per la saldatura dell'acciaio inossidabile.

Le caratteristiche che rendono l'acciaio inossidabile così attraente – la possibilità di personalizzarne le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione e all'ossidazione – aumentano anche la complessità della selezione del metallo d'apporto appropriato per la saldatura. Per qualsiasi combinazione di materiale di base, può essere appropriato uno qualsiasi dei diversi tipi di elettrodi, a seconda di fattori quali costi, condizioni di servizio, proprietà meccaniche desiderate e una serie di problematiche legate alla saldatura.

Questo articolo fornisce il background tecnico necessario per consentire al lettore di comprendere la complessità dell'argomento e risponde ad alcune delle domande più frequenti poste ai fornitori di metalli d'apporto. Stabilisce linee guida generali per la selezione dei metalli d'apporto appropriati per l'acciaio inossidabile, spiegando poi tutte le eccezioni a tali linee guida! L'articolo non tratta le procedure di saldatura, poiché questo è un argomento che tratteremo in un altro articolo.

Quattro gradi, numerosi elementi di lega

Esistono quattro categorie principali di acciai inossidabili:

austenitico
martensitico
ferritico
Duplex

I nomi derivano dalla struttura cristallina dell'acciaio che normalmente si trova a temperatura ambiente. Quando l'acciaio a basso tenore di carbonio viene riscaldato a temperature superiori a 912 °C, gli atomi dell'acciaio vengono riorganizzati dalla struttura chiamata ferrite a temperatura ambiente alla struttura cristallina chiamata austenite. Raffreddandosi, gli atomi tornano alla loro struttura originale, la ferrite. La struttura ad alta temperatura, l'austenite, è amagnetica, plastica e ha una resistenza inferiore e una maggiore duttilità rispetto alla forma di ferrite a temperatura ambiente.

Aggiungendo all'acciaio più del 16% di cromo, la struttura cristallina a temperatura ambiente, la ferrite, si stabilizza e l'acciaio rimane allo stato ferritico a tutte le temperature. Da qui il nome di acciaio inossidabile ferritico applicato a questa base di lega. Aggiungendo all'acciaio più del 17% di cromo e il 7% di nichel, la struttura cristallina ad alta temperatura dell'acciaio, l'austenite, si stabilizza, mantenendosi inalterata a tutte le temperature, dalle più basse fino a quasi la fusione.

L'acciaio inossidabile austenitico è comunemente chiamato "cromo-nichel", mentre gli acciai martensitici e ferritici sono comunemente chiamati "cromo puro". Alcuni elementi di lega utilizzati negli acciai inossidabili e nei metalli di saldatura si comportano come stabilizzanti dell'austenite, mentre altri come stabilizzanti della ferrite. Gli stabilizzanti dell'austenite più importanti sono nichel, carbonio, manganese e azoto. Gli stabilizzanti della ferrite sono cromo, silicio, molibdeno e niobio. Il bilanciamento degli elementi di lega controlla la quantità di ferrite nel metallo di saldatura.

I gradi austenitici si saldano più facilmente e in modo più soddisfacente rispetto a quelli che contengono meno del 5% di nichel. I giunti saldati realizzati in acciai inossidabili austenitici sono resistenti, duttili e tenaci allo stato grezzo. Normalmente non richiedono trattamenti termici di preriscaldamento o post-saldatura. I gradi austenitici rappresentano circa l'80% dell'acciaio inossidabile saldato e questo articolo introduttivo si concentra in particolare su di essi.

Tabella 1: Tipi di acciaio inossidabile e loro contenuto di cromo e nichel.

inizio{c,80%}

thead{Tipo|% Cromo|% Nichel|Tipi}

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

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

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

tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}

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Come scegliere il metallo d'apporto inossidabile corretto

Se il materiale di base di entrambe le piastre è lo stesso, il principio guida originale era: "Iniziare abbinando il materiale di base". In alcuni casi, questo funziona bene; per unire il tipo 310 o 316, scegliere il tipo di riempimento corrispondente.

Per unire materiali diversi, segui questo principio guida: "scegli un riempitivo che corrisponda al materiale più legato". Per unire 304 a 316, scegli un riempitivo 316.

Sfortunatamente, la "regola della corrispondenza" ha così tante eccezioni che un principio migliore è consultare una tabella di selezione del metallo d'apporto. Ad esempio, il tipo 304 è il materiale di base in acciaio inossidabile più comune, ma nessuno offre un elettrodo di tipo 304.

Come saldare l'acciaio inossidabile tipo 304 senza un elettrodo tipo 304

Per saldare l'acciaio inossidabile tipo 304, utilizzare il materiale di riempimento tipo 308, poiché gli elementi di lega aggiuntivi presenti nel tipo 308 stabilizzeranno meglio la zona di saldatura.

Tuttavia, anche il 308L è un materiale di riempimento accettabile. La designazione "L" dopo qualsiasi tipo indica un basso contenuto di carbonio. Un acciaio inossidabile di tipo 3XXL ha un contenuto di carbonio pari o inferiore allo 0,03%, mentre l'acciaio inossidabile standard di tipo 3XX può avere un contenuto di carbonio massimo dello 0,08%.

Poiché un riempitivo di Tipo L rientra nella stessa classificazione del prodotto non-L, i produttori possono e dovrebbero valutare attentamente l'utilizzo di un riempitivo di Tipo L, poiché un contenuto di carbonio inferiore riduce il rischio di problemi di corrosione intergranulare. In effetti, gli autori sostengono che il riempitivo di Tipo L sarebbe più ampiamente utilizzato se i produttori semplicemente aggiornassero le loro procedure.

I produttori che utilizzano il processo GMAW potrebbero anche prendere in considerazione l'utilizzo di un riempitivo di tipo 3XXSi, poiché l'aggiunta di silicio migliora la bagnabilità. In situazioni in cui la saldatura presenta una corona alta o ruvida, o in cui il bagno di saldatura non aderisce bene alle estremità di un giunto a gola o a sovrapposizione, l'utilizzo di un elettrodo GMAW di tipo Si può levigare il cordone di saldatura e favorire una migliore fusione.

Se la precipitazione del carburo è un problema, prendere in considerazione un riempitivo di tipo 347, che contiene una piccola quantità di niobio.

Come saldare l'acciaio inossidabile all'acciaio al carbonio

Questa situazione si verifica in applicazioni in cui una porzione di una struttura richiede una superficie esterna resistente alla corrosione unita a un elemento strutturale in acciaio al carbonio per ridurre i costi. Quando si unisce un materiale di base senza elementi di lega a un materiale di base con elementi di lega, utilizzare un materiale di apporto sovralegato in modo che la diluizione all'interno del metallo di saldatura sia bilanciata o più legata rispetto al metallo di base inossidabile.

Per unire acciaio al carbonio a acciai di tipo 304 o 316, così come per unire acciai inossidabili dissimili, si consiglia di utilizzare un elettrodo di tipo 309L per la maggior parte delle applicazioni. Se si desidera un contenuto di Cr più elevato, si consiglia di utilizzare un elettrodo di tipo 312.

A titolo precauzionale, gli acciai inossidabili austenitici presentano una velocità di dilatazione di circa il 50% superiore a quella dell'acciaio al carbonio. Quando vengono uniti, le diverse velocità di dilatazione possono causare cricche dovute a tensioni interne, a meno che non vengano utilizzati l'elettrodo e la procedura di saldatura appropriati.

Utilizzare le corrette procedure di pulizia e preparazione della saldatura

Come per altri metalli, rimuovere prima olio, grasso, segni e sporco con un solvente non clorurato. Successivamente, la regola principale per la preparazione delle saldature in acciaio inossidabile è "Evitare la contaminazione da acciaio al carbonio per prevenire la corrosione". Alcune aziende utilizzano edifici separati per il "reparto acciaio inossidabile" e il "reparto acciaio al carbonio" per prevenire la contaminazione incrociata.

Quando si preparano i bordi per la saldatura, si consiglia di designare mole e spazzole in acciaio inox come "solo acciaio inox". Alcune procedure richiedono la pulizia a cinque centimetri dal giunto. Anche la preparazione del giunto è più critica, poiché compensare le incongruenze con la manipolazione degli elettrodi è più difficile che con l'acciaio al carbonio.

Utilizzare la corretta procedura di pulizia post-saldatura per prevenire la ruggine

Per iniziare, ricorda cosa rende un acciaio inossidabile inossidabile: la reazione del cromo con l'ossigeno per formare uno strato protettivo di ossido di cromo sulla superficie del materiale. L'acciaio inossidabile arrugginisce a causa della precipitazione di carburi (vedi sotto) e perché il processo di saldatura riscalda il metallo di saldatura al punto che l'ossido ferritico può formarsi sulla superficie della saldatura. Lasciata nelle condizioni di saldatura originale, una saldatura perfettamente integra potrebbe mostrare "tracce di ruggine" ai confini della zona termicamente alterata in meno di 24 ore.

Affinché un nuovo strato di ossido di cromo puro possa riformarsi correttamente, l'acciaio inossidabile richiede una pulizia post-saldatura tramite lucidatura, decapaggio, molatura o spazzolatura. Anche in questo caso, utilizzare smerigliatrici e spazzole specifiche per questo compito.

Perché il filo per saldatura in acciaio inossidabile è magnetico?

L'acciaio inossidabile completamente austenitico è amagnetico. Tuttavia, le temperature di saldatura creano una grana relativamente grande nella microstruttura, che rende la saldatura sensibile alle cricche. Per mitigare la sensibilità alle cricche a caldo, i produttori di elettrodi aggiungono elementi di lega, tra cui la ferrite. La fase ferritica rende i grani austenitici molto più fini, rendendo la saldatura più resistente alle cricche.

Un magnete non si attacca a una bobina di materiale di riempimento in acciaio inossidabile austenitico, ma una persona che tiene in mano un magnete potrebbe avvertire una leggera trazione a causa della ferrite trattenuta. Sfortunatamente, questo induce alcuni utenti a pensare che il loro prodotto sia stato etichettato in modo errato o che stiano utilizzando il materiale di riempimento sbagliato (soprattutto se hanno strappato l'etichetta dal cestello metallico).

La quantità corretta di ferrite in un elettrodo dipende dalla temperatura di esercizio dell'applicazione. Ad esempio, un eccesso di ferrite fa sì che la saldatura perda la sua tenacità a basse temperature. Pertanto, il materiale d'apporto di tipo 308 per un'applicazione di tubazioni per GNL ha un indice di ferrite compreso tra 3 e 6, rispetto a un indice di ferrite pari a 8 per il materiale d'apporto di tipo 308 standard. In breve, i metalli d'apporto possono sembrare simili a prima vista, ma piccole differenze nella composizione sono importanti.

Esiste un modo semplice per saldare gli acciai inossidabili duplex?

In genere, gli acciai inossidabili duplex presentano una microstruttura composta per circa il 50% da ferrite e per il 50% da austenite. In parole povere, la ferrite fornisce elevata resistenza e una certa resistenza alla corrosione sotto sforzo, mentre l'austenite fornisce buona tenacità. La combinazione delle due fasi conferisce agli acciai duplex le loro interessanti proprietà. È disponibile un'ampia gamma di acciai inossidabili duplex, il più comune dei quali è il tipo 2205, che contiene il 22% di cromo, il 5% di nichel, il 3% di molibdeno e lo 0,15% di azoto.

Nella saldatura di acciaio inossidabile duplex, possono sorgere problemi se il metallo di saldatura contiene troppa ferrite (il calore dell'arco fa sì che gli atomi si organizzino in una matrice di ferrite). Per compensare, i metalli d'apporto devono promuovere la struttura austenitica con un contenuto di lega più elevato, in genere dal 2 al 4% in più di nichel rispetto al metallo di base. Ad esempio, il filo animato per la saldatura del tipo 2205 può contenere l'8,85% di nichel.

Il contenuto di ferrite desiderato può variare dal 25 al 55% dopo la saldatura (ma può essere anche superiore). Si noti che la velocità di raffreddamento deve essere sufficientemente lenta da consentire la riformazione dell'austenite, ma non così lenta da creare fasi intermetalliche, né troppo rapida da creare un eccesso di ferrite nella zona termicamente alterata. Seguire le procedure raccomandate dal produttore per il processo di saldatura e il metallo d'apporto selezionato.

Regolazione dei parametri durante la saldatura dell'acciaio inossidabile

Per i produttori che regolano costantemente i parametri (tensione, amperaggio, lunghezza dell'arco, induttanza, larghezza dell'impulso, ecc.) durante la saldatura dell'acciaio inossidabile, il tipico problema è la composizione incoerente del metallo d'apporto. Data l'importanza degli elementi di lega, le variazioni nella composizione chimica da lotto a lotto possono avere un impatto notevole sulle prestazioni della saldatura, come una scarsa bagnatura o un difficile rilascio della scoria. Anche le variazioni nel diametro dell'elettrodo, nella pulizia superficiale, nella colata e nell'elica influiscono sulle prestazioni nelle applicazioni GMAW e FCAW.

Controllo della precipitazione del carburo nell'acciaio inossidabile austenitico

A temperature comprese tra 426 e 871 °C, un contenuto di carbonio superiore allo 0,02% migra verso i bordi dei grani della struttura austenitica, dove reagisce con il cromo per formare carburo di cromo. Se il cromo è legato al carbonio, non è disponibile per la resistenza alla corrosione. Quando esposto a un ambiente corrosivo, si verifica una corrosione intergranulare, che provoca l'erosione dei bordi dei grani.

Per controllare la precipitazione dei carburi, mantenere il contenuto di carbonio il più basso possibile (0,04% massimo) saldando con elettrodi a basso tenore di carbonio. Il carbonio può anche essere legato dal niobio (ex columbio) e dal titanio, che hanno un'affinità per il carbonio maggiore rispetto al cromo. Gli elettrodi di tipo 347 sono realizzati a questo scopo.

Come prepararsi a una discussione sulla selezione del metallo d'apporto

Come minimo, è importante raccogliere informazioni sull'uso finale del componente saldato, tra cui l'ambiente di servizio (in particolare le temperature di esercizio, l'esposizione ad agenti corrosivi e il grado di resistenza alla corrosione previsto) e la durata di vita utile desiderata. Le informazioni sulle proprietà meccaniche richieste in condizioni operative sono di grande aiuto, tra cui resistenza, tenacità, duttilità e resistenza alla fatica.

La maggior parte dei principali produttori di elettrodi fornisce guide per la selezione del metallo d'apporto, e gli autori non possono non sottolineare questo punto: consultate una guida alle applicazioni del metallo d'apporto o contattate gli esperti tecnici del produttore. Sono a vostra disposizione per aiutarvi a scegliere l'elettrodo in acciaio inossidabile più adatto.

Per maggiori informazioni sui metalli d'apporto in acciaio inossidabile di TYUE e per contattare gli esperti dell'azienda per una consulenza, visitare il sito www.tyuelec.com.