Dr. Mohácsi Gábor, Gyura László Linde Gáz Magyarország Zrt.
VÉDÕGÁZOK, GÁZKEVERÉKEK KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLSZERKEZET GYÁRTÁSHOZ (2. rész) Az elõzõ számban megjelent cikk elsõ része a szerkezeti acélok ívhegesztésénél használt korszerû védõgázokat tekintette át. Ezúttal a korrózióálló acélok védõgázos ívhegesztésénél használatos gázokat tárgyaljuk. Fontosnak tartjuk kiemelni azt, hogy mindkét acélcsalád esetében azonos elemi gázokkal, gázfázisú vegyületekkel, illetve keverékeikkel dolgozunk, csak a magasan ötvözött acéloknál más keverési arányok érvényesek, és több betartandó fontos szabály is van, mint a normál szerkezeti acél esetében.
A KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK HEGESZTÉSÉNÉL HASZNÁLHATÓ VÉDÕGÁZOKRÓL ÁLTALÁBAN Ha a korrózióálló acélok ívhegesztésénél az általánosan használható argon helyett többkomponenses védõgázt kívánunk alkalmazni, akkor az alapanyag bonyolultabb ötvözöttsége miatt több hatásmechanizmusra kell figyelemmel lenni, ezért csak jóval körültekintõbben lehet a legmegfelelõbb gáz kiválasztani, mint azt szerkezeti acélok esetében tehetjük. Az alábbi néhány pontban felhívjuk a figyelmet számos olyan fontos körülményre, mely az elõzõ állítást támasztja alá, és a figyelmen kívül hagyásával a gázválasztásból probléma származhat: • Az egyik legalapvetõbb befolyásoló különbség a magas ötvözöttség miatt a szövetszerkezeti sokszínûség. A szerkezeti acélok esetében kizárólag ferrit-perlit szövetszerkezetû acélokkal találkozunk, a korrózióálló acélok esetében pedig ferrites, ausztenites, martenzites, duplex stb. szövetszerkezetû anyagokkal dolgozunk, melyek kölcsönhatása különösen az aktív védõgázokkal nemcsak a kívánt kötés minõségének elérését, hanem annak csökkentését is eredményezheti. (Más például a gázelnyelõ képessége és ridegedési hajlama egy ausztenites és egy fer-
rites szövetszerkezeti korrózióálló acélnak.) • Egyes mikroötvözõ reakcióba léphet a védõgáz kvázi semleges alkotóelemével, ezáltal komoly gyártási nehézségeket okozva. • Az alapanyag szigorúan szabályozott C-tartalmát is könynyen a kritikus határ fölé vihetjük, elrontva ezzel az interkrisztallin korróziós ellenállását. • A helyesen választott védõgázzal beállíthatjuk az ausztenit ferrit arányt, de ez fordítva is igaz. Természetesen a hegesztési folyamat beszállítói (alapanyag-, hegesztõanyag-, gáz-, gép- stb. szállítók) egyértelmû összerendeléseket ajánlanak, de tudatos felhasználóként mélyebb gázfelhasználási ismeretekkel még jobb mûszaki és gazdasági eredmények érhetõk el, és ez különösen igaz a korrózióálló acélokra. A korrózióálló acélok hegesztéséhez az [1] irodalom 1. táblázatában szereplõ gázok közül a redukáló R1, az inert I1, I2, I3, az enyhén oxidáló gázok közül az M13, M21, M22, illetve a passzív redukáló F1, F2 jelölésûek alkalmasak. Az „M” csoportba tartozó keverékekbõl azokat a gázokat használhatjuk, amelyek alacsonyabb aktív gáz tartalmúak, mint a normál szerkezeti acélokhoz használtak. Ugyanis az aktív gázok alacsony szinten tartása szavatolja azt, hogy a korrózióállóságot garantáló oxidréteg nem károsodik, valamint a hegesztendõ anyag összetétele jelentõsen nem változik. A korrózióálló acélok védõgázos ívhegesztésénél mind a volfrámelektródás (WIG), mind a fogyóelektródás változat (MIG/MAG) gyakran alkalmazott eljárás és az alapanyagok szinte teljes skáláján mindkettõ egyaránt felhasználható. Korábban mindkét esetben semleges kémiai hatású argont használták védõgázként. Napjainkra azonban a kínálat a korrózióálló acélok esetében is kiszélesedett és jellemzõen az argon bázisú, többkomponensû védõgázok terjedtek el, melyek azonban már – mint azt már a csoportok felsorolásánál is láthattuk – nem csak semleges kémiai hatásúak.
Acélszerkezetek 2007/1. szám
Az aktív gázkeverékek megjelenése miatt az eljárásokhoz való alkalmasság szerint a védõgázokat két csoportra kell osztani, úgymint oxidáló és redukáló, ugyanis nem minden gázkeverék használható mindkét eljárásnál. A korrózióálló acéloknál használható védõgázokat a továbbiakban ezért a két eljáráshoz való alkalmazhatóságuk szerint csoportosítva tárgyaljuk, és az eljárástól függetlenül, külön adunk áttekintést az ennél az acélcsaládnál különös fontosságú gyökvédõ gázokról. Külön felhívjuk a figyelmet arra is, hogy egy adott feladatot alapszinten megoldást adó gáz mellett milyen egyéb, többletszolgáltatást nyújtó gáz áll rendelkezésre, melynek használatával további elõnyök érhetõk el. A kivételekre, fontos szabályokra az alkalmazástechnikai tanácsoknál térünk ki.
FOGYÓELEKTRÓDÁS VÉDÕGÁZOS ÍVHEGESZTÉS Általánosan igaz, hogy a korrózióálló acélok fogyóelektródás védõgázos hegesztéséhez semleges argont, vagy a szerkezeti acélokhoz képest jóval kisebb arányú oxidáló komponenssel kevert argon gázt használnak. A következõkben MIG/MAG eljáráshoz használatos gázokat tekintjük át. Argon Az argon az ívfolyamatokban kémiailag nem vesz részt. Semleges gázatmoszférában végzett hegesztés azonban nem javasolt az ív nyugtalansága miatt. Ez az instabil égés az 1. a ábrán látható váltakozó szélességû varratszegélyt és gerincességet okozza, ugyanakkor az újszerû alakú beolvadás mértéke is jelentõsen csökkenhet, illetve váltakozhat. Az argonban hegesztett, így gerincesen kidermedõ varrat koronáját több soros hegesztés esetén általában le kell munkálni, a hibátlan kötés kialakíthatósága érdekében. Az 1. b ábrán lévõ varrat aktív gázkomponens hozzáadásával készült, melynek hatására laposabb és egyenletes szegélyû lett a varrat.
73
a)
b)
1. ábra Argon (a) illetve aktív komponest tartalmazó (b) védõgázban hegesztett varrat
Argon/Oxigén/(He) Az argonhoz 0,5–2% O2 hozzáadásával az ívstabilitás jelentõsen növelhetõ. Hígfolyóssá válik az ömledék. Lecsökken a varrat felületi feszültsége, így az laposabb lesz, ugyanezen ok miatt a cseppátmenet is finomabbá válik, így kisebb lesz a fröcskölés. A 2. ábrán egy 1% O2-tartalmú gázkeverékkel készült varrat képe látható. Kisebb hõbevitel, magasabb oxidációs fok és fokozottabb porozitás érzékenység jellemzi továbbá ennek a védõgáznak az alkalmazását. A 3% feletti O2 hozzáadása esetén már a varratfelszín oxidbevonata pácolással nem, csak mechanikus úton távolítható el. Hélium hozzákeverésével egy prémium termékhez jutunk, melyet a nagyobb hõbevitel jellemez, amely sebesség növelésre használható ki. Argon/Szén-dioxid/(He) Az argonhoz 0,05–5% CO2 hozzáadásával kedvezõen befolyásolhatjuk
az ívstabilitást, a porozitásérzékenységet és a nedvesítõképességet. Tekintettel arra, hogy a CO2 oxidációs potenciálja jóval alacsonyabb, mint az oxigéné, ezért magasabb százalékos arány engedhetõ meg, ugyanakkor jóval kevesebb, mint amennyi az oxidációs potenciál arányból következhetne. Ugyanis a szén-dioxid növelésének határt szab (max. 5%) a gáz disszociációja következtében keletkezõ elemi szén, amely a magas hõmérsékleten az alapanyagba diffundál és kritikus érték felett interkrisztalin korróziót eredményezhet. A megadott határnál magasabb szén-dioxid koncentrációjú hegesztési védõgáz használata ELC (extra low carbon) acél esetében például olyan mértékû karbondúsuláshoz vezethet a hegesztett kötésben, amely alkalmatlanná teszi a hegesztett szerkezetet a megfelelõ alkalmazásra. A 3. ábrán növekvõ szén-dioxid-tartalmú gázok esetében látható a varrat széntartalmának ala-
kulása. A kritikus 0,03% C-tartalmat az 5% szén-dioxid- és 4% oxigéntartalmú Corgon®5S4 gázzal hegesztett varrat már majdnem eléri, és a 18% széndioxid-tartalmú Corgon®18 gázzal hegesztett varrat pedig már messze túlhaladja. (Az ábra vízszintes tengelyén lévõ kevertgázok O2/CO2 tartalma balról jobbra haladva százalékban: 8/0; 1/0; 0/2,5; 4/5; 0/18; 0/100.) Ennél a gázkeverék családnál is igaz, hogy He hozzákeveréssel egy prémium termékhez jutunk, melyet a nagyobb hõbevitel jellemez, amely sebességnövelésre használható ki. A 4. ábrán 2,5% CO2 + 97,5% Ar összetételû gázkeverékkel hegesztett varrat képe látható. Argon/Nitrogén-monoxid/(CO2) Az argonhoz 0,03% NO hozzáadásával kedvezõen befolyásolhatjuk az ívstabilitást, és a beolvadási mélységet és az ózonkibocsátást is csökkenthetjük. Az argont és a 0,03% nitrogénmonoxidot tartalmazó gázkeverék a Mison® márkanevû védõgázcsalád alapgáza. Korrózióálló acélok MAG hegesztéséhez a 2% CO2-tartalmú Mison® 2 gáz használata javasolt, melyet minden áramerõsség-tartományban a jó hegesztési tulajdonság, nagy sebesség, és jó nedvesítõképesség jellemez. Argon/ Szén-dioxid/(H2) Ezt a védõgázkeverék típust a korrózióálló acélok rövidzárlatos cseppátmenetes technológiával történõ hegesztésére dolgozták ki. Megfelelõ ívstabilitás mellett igen jó beolvadás és nagy hegesztési sebesség érhetõ el vele. A többi cseppátmenet alkalmazása esetében erõs porozitás lép fel.
2. ábra: Cronigon® S1 (1% O2 + 99%Ar) védõgázzal készült varrat
4. ábra: Cronigon®2 (2,5% CO2 + 97,5%Ar) védõgázzal készült varrat
74
3. ábra: Karbonfelvétel és leadás különbözõ összetételû védõgázok esetén
Acélszerkezetek 2007/1. szám
A korrózióálló acélok fogyóelektródás hegesztéséhez használható gázok közül hat legfontosabb védõgáz hegesztéstechnológiai jellemzõit az 1.a táblázat foglalja össze. A táblázat fejlécében a Linde Gáz által használt terméknevek szerepelnek. Az egyes termékekhez kapcsolódó gázösszetételre az 1.b táblázat ad utalást. Alkalmazástechnikai tanácsok A fentebb tárgyalt gázokról általában elmondható, hogy mind az ausztenites, mind a ferrites, mind a duplex szövetszerkezetû korrózióálló acélok fogyóelektródás ívhegesztésénél használhatók az alábbi kivételekkel: • Az egyedi technológiaként említett hidrogéngáz-komponenst is tartalmazó keverék ferrites korrózióálló acélok hegesztésére nem javasolt a repedésveszély miatt. • Az ausztenites-ferrites ún. duplex acélokhoz az argon-oxigénes keverékeket nem javasoljuk, különösen akkor, ha azt erõsen korrózív közegben használják. Ennek a gázkeveréknek nagyobb oxidációs hatása van, ami feleslegesen rontja a duplex acél korrózióállóságát. • Az ELC acélok hegesztéséhez a Mison® 2 gáz nem javasolt. Porbeles huzalok használata esetén célravezetõ a huzalgyártó elõírásait betartani a gázkiválasztásnál, de a
Linde saját laboratóriumi tapasztalata alapján a következõ megállapítások tehetõk: • A porbeles és fémporbeles huzalok védõgáz-kiválasztása a tömör huzalokéhoz hasonlóan történik. • Rutil porbeles huzal esetén magasabb CO2-tartalmú gáz javasolt a megfelelõ beolvadás érdekében. A felszenítéstõl, a széntartalom növekedésétõl nem kell tartani, mert az íven átrepülõ cseppeket a salakbevonat megvédi. A védõgáz CO2tartalma azonban a 18%-ot lehetõleg ne haladja meg, mert a varratba diffundált szén mennyissége jelentõsen megnõhet (például tiszta CO2 esetében a varrat széntartalma akár a 0,04%-ot is meghaladhatja). • Az impulzushegesztéshez is maximum 18% CO2 javasolt, vagy CO2 és O2 gáz komponenseket tartalmazó gázkeverék.
ki és oxigént is tartalmaz, igaz, hogy csak 0,03% arányban, és az is elsõsorban alumíniumhegesztéshez ajánlott.) Argon Az argon minden ömlesztõhegesztésre alkalmas fém védõgáza. Így a korrózióálló acélok minden típusánál is jól használható, tisztasága az MSZ EN 439 szabvány szerint min. 4.0. (99,990%) kell legyen. Argon/Hidrogén/(He) A nagyobb hõbevitel és nagyobb hegesztési sebesség elérése érdekében argon-hidrogén (2–20% H2) keverékeket alkalmazhatunk. A hidrogén magas hõvezetõ képessége miatt jelentõs sebesség-, ill. beolvadásimélység-növekedést lehet elérni. Az elérhetõ nagy sebesség miatt a 10% feletti hidrogén esetében célszerû egy teljesen gépesített pisztolyvezetést alkalmazni. A varrat fényes lesz a redukáló hatás miatt. A hidrogéntartalmú gázkeverékeknél azonban mindig mérlegelni kell a hidrogén potenciális ridegítõ hatását. Ausztenites anyagok esetében hidrogént tartalmazó védõgázt gyakorlatilag ridegedés veszélye nélkül lehet alkalmazni. Használata már a magasabb ferrittartalmú acéloknál – mint pl. a duplex – és a tisztán ferrites acéloknál nem megengedett. Vigyázni kell a 4% feletti H2 gázkeverékkel pl. tartályoknál, hogy nagyobb
VOLFRÁMELEKTRÓDÁS VÉDÕGÁZOS ÍVHEGESZTÉS A WIG eljárás esetében alapszabálynak tekinthetõ, hogy a védõgáz a volfrám elektróda károsodásához vezetõ oxidáló komponenst nem tartalmazhat. A WIG eljárásnál ezért semleges és redukáló gázokat használunk. (Van azonban már olyan gázkeverék, amelyet ehhez az eljáráshoz fejlesztettek
1.a táblázat: Korrózióálló acélok MAG hegesztéséhez javasolt védõgázok és technológiai jellemzõik
CRONIGON® 2
MISON® 2
CRONIGON® S1
CRONIGON® S3
CRONIGON® CRONIGON® 2He20 2He50
Oxidáció mértéke
jó
jó
jó
feltételes
nagyon jó
nagyon jó
Nedvesítési tulajdonságok
jó
jó
jó
jó
nagyon jó
nagyon jó
Hegesztési sebesség
jó
jó
feltételes
jó
nagyon jó
nagyon jó
Áthegeszthetõség
jó
jó
jó
feltételes
jó
nagyon jó
Fröcskölésmentesség
jó
jó
jó
nagyon jó
jó
jó
Ívstabilitás
jó
jó
jó
nagyon jó
jó
jó
Beolvadás
jó
jó
feltételes
jó
nagyon jó
nagyon jó
1.b táblázat: Védõgázok a korrózióálló acélok MIG/MAG hegesztéséhez
Ar
CO2
O2
NO
He
100
-
-
-
-
ARGON
„bázisgáz”
-
-
0,03
-
MISON®
„bázisgáz”
2
-
0,03
-
MISON® 2
„bázisgáz”
2,5
-
-
-
CRONIGON® 2
„bázisgáz”
-
1–3
-
-
CRONIGON® S ...
„bázisgáz”
2
-
-
20–50
Acélszerkezetek 2007/1. szám
Megnevezés
CRONIGON® He ...
75
A nitrogéntartalmú védõgázok alkalmazása tehát jelentõs ferritcsökkenést eredményez a varratban. Emiatt vékony lemezek WIG hegesztésénél sok esetben elhagyható a hozaganyag alkalmazása, és ennek a hegesztési sebesség jelentõs növelhetõsége, s ezzel együtt a korrózióval szembeni nagyobb ellenállóság a következménye. A nitrogéntartalmú védõgázok alkalmazásához meg kell jegyeznünk azonban, hogy ha pl. a szuperausztenites anyagot titánnal stabilizálták, a nitrogén azonnal reakcióba lép a titánnal, titánnitrid keletkezik, így az ausztenit nitrogénes stabilizálása már nem teljes értékû. A nitrogén arányát a védõgázban befolyásolhatja a pálca összetétele is. A túlzott nagy mennyiségû nitrogén a varrat porozitásához vezet. A teljesítménynövelés érdekében duplex anyagoknál a nitrogéntartalmú gázhoz is lehet héliumot keverni, hidrogént pedig ugyanilyen célból az ausztenites acélok esetére.
5. ábra: A beolvadási mélység változása argon, valamint argon-hidrogén védõgáz alkalmazásakor
térfogatban ne gyûlhessen össze láng jelenléte nélkül, mert a levegõ oxigénjével robbanó keveréket alkot. Biztonságos kezelésük ilyen esetekben „lefáklyázással” történik. He hozzákeverésével ebben az esetben is egy prémium termékhez jutunk, melyet a nagyobb hõbevitel jellemez, amely sebesség növelésre használható ki. Az 5. ábra szemléletesen mutatja, hogy az argonhoz 6% hidrogént adagolva a hegesztési sebesség ~50%-kal növelhetõ volt mélyebb beolvadás mellett. Argon/Nitrogén/(He/H2) A tiszta ausztenites, duplex, szuperduplex acélok WIG hegesztésére dolgozták ki az 2–5% nitrogéntartalmú argon bázisú gázkeveréket. Különösen a nem ferritmentes, valamint a duplex anyagoknál fontos követelmény a ferrittartalom „kézbentar-
tása”. Szuperausztenites anyagoknál a korrózióállóság érdekében a ferrittartalom általában nem lehet több, mint 1%. Ez különösen a vékony falú csövek hozaganyag nélküli orbitális hegesztésénél jelent problémákat, mivel a szobahõmérsékleten instabil ausztenit a hõ hatására átalakul, így a ferrittartalom megnövekedik. Ilyen és ehhez hasonló esetekben néhány százalék nitrogént tartalmazó védõgáz metallurgiai hatása nagyon kedvezõ lehet. Az igen erõs ausztenitképzõ nitrogén a ferrittartalmat „ellenõrzés alatt tartja”. Hasonló jelenség játszódik le a duplex anyagok hegesztésekor. A nitrogéntartalom stabilizálja az ausztenit fázist, így a duplex és szuper duplex anyagok hegesztésekor elõforduló nitrogénveszteség kompenzálódik, ezáltal biztosítva a megfelelõ ferrit-ausztenit arányt.
A volfrámelektródás ívhegesztéshez javasolt gázokat az anyagokhoz rendelten a könnyebb kiválasztás érdekében a 2.a táblázatban foglaltuk össze. A táblázatban a Linde Gáz által használt terméknevek szerepelnek. A korrózióálló acélokhoz ajánlott gázok összetételére vonatkozó információk pedig a 2.b táblázatban láthatók.
2.a táblázat: WIG hegesztéshez javasolt védõgázok
Alap gáz
Prémium gáz
Anyag
Hegesztéstechnológiai jellemzõk
Minden ömlesztõÁltalánosan használható, tisztasága minimum 4.0 hegesztésre (99,990%) alkalmas fém
Argon VARIGON® VARIGON® VARIGON® VARIGON®
H2 H6 H10 H15
Ausztenites korrózió acélok
A H2 hozzáadás miatt forróbb ív, jobb beolvadás, nagyobb hegesztési sebesség, fényesebb varrat a redukáló hatás miatt
VARIGON® N2 VARIGON® H3
VARIGON® N2He20
Duplex és szuperduplex acélok
Az ausztenit-ferrit arány szabályozása a varratban, teljesítmény növelés a He hozzákeveréssel
VARIGON® N2 VARIGON® H3
VARIGON® N2H1
Szuperausztenites acélok
A ferrit-fázis kialakulásának csökkentése különleges elvárásoknál, teljesítmény növelés H2 hozzákeveréssel
2.b táblázat: Védõgázok a korrózióálló acélok WIG hegesztéséhez
Ar
CO2
O2
NO
He
100
-
-
-
-
ARGON
„bázisgáz”
-
-
0,03
-
MISON®
„bázisgáz”
-
-
-
30–50
VARIGON® He...
„bázisgáz”
2–15
-
-
-
VARIGON® H...
„bázisgáz”
-
2–3
-
0–20
76
Acélszerkezetek 2007/1. szám
Megnevezés
VARIGON® N...He...
GYÖKVÉDELEM ÖBLÍTÕ (FORMÁLÓ) GÁZOKKAL Korrózióálló acélok védõgázos ívhegesztésének tárgyalásakor mindenképpen meg kell említeni az ún. öblítõ, vagy a másik névhasználattal élve: formáló gázokat is. Ezen gázkeverékek alkalmazásának célja a gyökoldali oxidáció elkerülése, amely egyrészt a futtatási színeket okoz az alapanyagon, másrészt az erõsen zavarja a szabályos gyök kialakítását. Az optimális korrózióállóság kialakítása érdekében a gyökoldalt ezért oxigénnel szemben védeni kell. Gyökvédelemhez az alábbi két gázcsoportot használjuk: • Semleges, vagy reakcióképesség szempontjából passzív gázok mint pl. argon vagy nitrogén • Redukáló hatású argon, vagy nitrogén bázisú hidrogén gázkeverékek.
A 6. ábrán jól látható, hogy a felsõ, gyökvédelem nélkül készített varratgyök mellett széles sávban húzódnak a különbözõ színû felületi oxidok, és a durva felületû, erõsen oxidált varratgyök. A formáló gáz kiválasztásakor azonban ugyancsak mérlegelni kell azokat a szempontokat, amelyeket a védõgáz kiválasztáskor az elõzõekben már említettünk (pl. titánnal stabilizált anyagnál a nitrogéntartalmú öblítõgáz esetében titánnitrid keletkezik, a hidrogénnek ridegítõ hatása van, lefáklyázás stb.). A formáló gázok típusait, valamint azok javasolt alkalmazási területeit a 3. táblázatban foglaltuk össze.
ÖSSZEFOGLALÁS A korrózióálló acélok védõgázas hegesztéstechnológiájánál az alkalmazott védõgáz összetételének nagyon fontos szerepe van. A gázok kémiai
tulajdonságának következtében a hegesztés hatására olyan mértékû szövetszerkezet-változás jöhet létre, amely az alapanyag tulajdonságait, így korrózióállóságát mind pozitív, mind negatív irányba befolyásolhatja. A védõgázkomponensek egyéb tulajdonságainak köszönhetõen a hegesztéstechnológiai paraméterek megváltoztathatók, amely sok esetben teljesítménynövekedést jelenthet. FELHASZNÁLT IRODALOM: [1] Gyura László, dr. Mohácsi Gábor: Védõgázok, gázkeverékek acélszerkezetek gyártásához (1. rész) Magész Acélszerkezetek 2006 III. évfolyam 4. szám [2] Hegesztés-Innováció-Kompetencia. A Linde Hegesztési védõgázai felhasználói katalógus [3] Thommas Amman: Unterschleissheim: Duplex steels: Gas Shilded Arc Welding – a Special Set of Rules
3. táblázat: Gyökvédõgáz ajánlás acél csoportokhoz
Védõgáz
Kémiai hatás
Anyag
Ar
semleges
minden fémre
Ar-H2
redukáló
ausztenites korrózióálló
N2-H2
redukáló
ausztenites korrózióálló (nem Ti stabilizált)
Ar-N2
semleges
ausztenites korrózióálló (nem Ti stabilizált)
N2
semleges
duplex, szuperduplex acélok
6. ábra: Gyökvédelemmel készített (alsó) és gyökvédelem nélkül készült (felsõ) varratok gyökoldala
Acélszerkezetek 2007/1. szám
77
