Dit artikel van Wenzhou Tianyu Electronic Co., Ltd. legt uit waar je op moet letten bij het specificeren van lasvulmaterialen voor het lassen van roestvrij staal.
De eigenschappen die roestvrij staal zo aantrekkelijk maken – de mogelijkheid om de mechanische eigenschappen en de weerstand tegen corrosie en oxidatie aan te passen – vergroten tegelijkertijd de complexiteit van het kiezen van een geschikt lasvulmetaal. Voor een bepaalde combinatie van basismaterialen kan een van de verschillende soorten elektroden geschikt zijn, afhankelijk van kostenoverwegingen, gebruiksomstandigheden, gewenste mechanische eigenschappen en een reeks andere factoren die met het lassen te maken hebben.
Dit artikel biedt de nodige technische achtergrond om de lezer inzicht te geven in de complexiteit van het onderwerp en beantwoordt vervolgens enkele van de meest gestelde vragen aan leveranciers van lasvulmaterialen. Het geeft algemene richtlijnen voor het selecteren van geschikte roestvrijstalen lasvulmaterialen en legt vervolgens alle uitzonderingen op die richtlijnen uit! Het artikel behandelt geen lasprocedures, aangezien dat onderwerp is voor een ander artikel.
Vier kwaliteiten, talrijke legeringselementen
Er zijn vier hoofdcategorieën roestvrij staal:
austenitisch
martensitisch
ferritisch
Duplex
De namen zijn afgeleid van de kristallijne structuur van het staal zoals die normaal gesproken bij kamertemperatuur voorkomt. Wanneer koolstofarm staal boven de 912 °C wordt verhit, herschikken de atomen van het staal zich van de structuur die bij kamertemperatuur ferriet wordt genoemd naar de kristallijne structuur die austeniet wordt genoemd. Bij afkoeling keren de atomen terug naar hun oorspronkelijke structuur, ferriet. De structuur bij hoge temperatuur, austeniet, is niet-magnetisch, plastisch en heeft een lagere sterkte en een grotere ductiliteit dan de ferrietvorm bij kamertemperatuur.
Wanneer meer dan 16% chroom aan het staal wordt toegevoegd, stabiliseert de kristallijne structuur bij kamertemperatuur, ferriet, en blijft het staal bij alle temperaturen in de ferritische toestand. Vandaar de naam ferritisch roestvast staal voor deze legering. Wanneer meer dan 17% chroom en 7% nikkel aan het staal worden toegevoegd, stabiliseert de kristallijne structuur bij hoge temperaturen, austeniet, zodat deze bij alle temperaturen, van de laagste tot bijna het smeltpunt, behouden blijft.
Austenitisch roestvast staal wordt vaak aangeduid als het 'chroom-nikkel'-type, terwijl martensitisch en ferritisch staal doorgaans 'rechtstreeks chroom'-typen worden genoemd. Bepaalde legeringselementen in roestvast staal en lasmetaal fungeren als austenietstabilisatoren en andere als ferrietstabilisatoren. De belangrijkste austenietstabilisatoren zijn nikkel, koolstof, mangaan en stikstof. De ferrietstabilisatoren zijn chroom, silicium, molybdeen en niobium. Door de legeringselementen in balans te brengen, wordt de hoeveelheid ferriet in het lasmetaal geregeld.
Austenitische roestvrijstaalsoorten zijn gemakkelijker en beter te lassen dan soorten met minder dan 5% nikkel. Lasverbindingen van austenitisch roestvrij staal zijn sterk, buigzaam en taai in de onbehandelde toestand. Voorverwarming of nabewerking na het lassen is doorgaans niet nodig. Austenitische soorten vertegenwoordigen ongeveer 80% van het gelaste roestvrij staal, en dit inleidende artikel richt zich daar dan ook voornamelijk op.
Tabel 1: Soorten roestvrij staal en hun chroom- en nikkelgehalte.
tstart{c,80%}
thead{Type|% Chroom|% Nikkel|Typen}
tdata{Austenitisch|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{Martensitisch|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{Ferritic|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}
neigen tot{}
Hoe kies je het juiste roestvrijstalen vulmetaal?
Als het basismateriaal van beide platen hetzelfde is, was het oorspronkelijke uitgangspunt: 'Begin met het afstemmen van het basismateriaal.' Dat werkt in sommige gevallen goed; om type 310 of 316 te verbinden, kies je het overeenkomstige vulmateriaaltype.
Om ongelijke materialen met elkaar te verbinden, volg je dit principe: 'kies een vulmiddel dat overeenkomt met het materiaal met de hoogste legeringsgraad'. Om 304 met 316 te verbinden, kies je een vulmiddel van 316.
Helaas kent de 'match-regel' zoveel uitzonderingen dat een beter principe is: raadpleeg een tabel voor de selectie van lasvulmaterialen. Type 304 is bijvoorbeeld het meest voorkomende basismateriaal voor roestvrij staal, maar niemand biedt elektroden van type 304 aan.
Hoe las je roestvrij staal type 304 zonder een elektrode van type 304?
Voor het lassen van roestvrij staal type 304, gebruik je lasmateriaal type 308, omdat de extra legeringselementen in type 308 het lasgebied beter stabiliseren.
308L is echter ook een acceptabel vulmiddel. De aanduiding 'L' achter een type geeft een laag koolstofgehalte aan. Roestvrij staal van type 3XXL heeft een koolstofgehalte van 0,03% of minder, terwijl standaard roestvrij staal van type 3XX een maximaal koolstofgehalte van 0,08% kan hebben.
Omdat een Type L-vulmiddel in dezelfde classificatie valt als het niet-L-product, kunnen en zouden fabrikanten het gebruik van een Type L-vulmiddel sterk moeten overwegen, omdat het lagere koolstofgehalte het risico op intergranulaire corrosieproblemen vermindert. De auteurs stellen zelfs dat Type L-vulmiddel vaker gebruikt zou worden als fabrikanten hun procedures simpelweg zouden aanpassen.
Lassers die het GMAW-proces gebruiken, kunnen overwegen om een Type 3XXSi-vulmateriaal te gebruiken, omdat de toevoeging van silicium de bevochtiging verbetert. In situaties waar de las een hoge of ruwe bolling heeft, of waar het smeltbad niet goed aansluit bij de uiteinden van een hoeklas of overlappende verbinding, kan het gebruik van een Si Type GMAW-elektrode de lasrups gladmaken en een betere fusie bevorderen.
Als carbideprecipitatie een probleem vormt, overweeg dan een vulmiddel van type 347, dat een kleine hoeveelheid niobium bevat.
Hoe las je roestvrij staal aan koolstofstaal?
Deze situatie doet zich voor bij toepassingen waarbij een deel van een constructie een corrosiebestendige buitenlaag nodig heeft die aan een constructie-element van koolstofstaal is bevestigd om de kosten te drukken. Bij het verbinden van een basismateriaal zonder legeringselementen met een basismateriaal mét legeringselementen, dient een overgelegeerd vulmateriaal te worden gebruikt, zodat de verdunning in het lasmetaal in evenwicht is met, of sterker is dan, het roestvrijstalen basismetaal.
Voor het verbinden van koolstofstaal met roestvrij staal type 304 of 316, en ook voor het verbinden van verschillende soorten roestvrij staal, is een elektrode type 309L in de meeste gevallen geschikt. Als een hoger chroomgehalte gewenst is, kies dan voor type 312.
Ter waarschuwing: austenitisch roestvast staal heeft een uitzettingscoëfficiënt die ongeveer 50 procent hoger ligt dan die van koolstofstaal. Bij het verbinden van deze materialen kunnen de verschillende uitzettingscoëfficiënten scheurvorming veroorzaken als gevolg van interne spanningen, tenzij de juiste elektrode en lasprocedure worden gebruikt.
Gebruik de juiste reinigingsprocedures voor de lasvoorbereiding.
Net als bij andere metalen, moet je eerst olie, vet, markeringen en vuil verwijderen met een chloorvrij oplosmiddel. Daarna is de belangrijkste regel bij de voorbereiding van roestvrijstalen lassen: 'Vermijd besmetting door koolstofstaal om corrosie te voorkomen.' Sommige bedrijven gebruiken aparte gebouwen voor hun 'roestvrijstalen werkplaats' en 'koolstofstalen werkplaats' om kruisbesmetting te voorkomen.
Gebruik bij de voorbereiding van lasranden uitsluitend roestvrijstalen slijpschijven en borstels. Sommige procedures schrijven voor dat er tot twee centimeter van de lasnaad moet worden gereinigd. De voorbereiding van de lasnaad is ook kritischer, omdat het compenseren van inconsistenties bij het hanteren van de elektrode lastiger is dan bij koolstofstaal.
Gebruik de juiste reinigingsprocedure na het lassen om roestvorming te voorkomen.
Om te beginnen, onthoud wat roestvrij staal roestvrij maakt: de reactie van chroom met zuurstof, waarbij een beschermende laag chroomoxide op het oppervlak van het materiaal ontstaat. Roestvrij staal roest door de neerslag van carbiden (zie hieronder) en doordat het lasproces het lasmetaal zo verhit dat er ferritisch oxide op het oppervlak van de las kan ontstaan. Een perfect intacte las, die in de oorspronkelijke staat wordt gelaten, kan binnen 24 uur roestsporen vertonen aan de randen van de warmtebeïnvloede zone.
Om een nieuwe laag zuiver chroomoxide goed te kunnen vormen, vereist roestvrij staal na het lassen reiniging door middel van polijsten, beitsen, slijpen of borstelen. Gebruik hiervoor slijpmachines en borstels die specifiek voor deze taak bestemd zijn.
Waarom is roestvrijstalen lasdraad magnetisch?
Volledig austenitisch roestvast staal is niet-magnetisch. De hoge temperaturen tijdens het lassen zorgen echter voor een relatief grove korrelstructuur, waardoor de las gevoelig is voor scheuren. Om deze gevoeligheid te verminderen, voegen fabrikanten van elektroden legeringselementen toe, waaronder ferriet. De ferrietfase zorgt ervoor dat de austenitische korrels veel fijner worden, waardoor de las beter bestand is tegen scheuren.
Een magneet blijft niet plakken aan een spoel austenitisch roestvrijstalen vulmateriaal, maar iemand die een magneet vasthoudt, kan een lichte aantrekkingskracht voelen vanwege het aanwezige ferriet. Helaas leidt dit ertoe dat sommige gebruikers denken dat hun product verkeerd is geëtiketteerd of dat ze het verkeerde vulmetaal gebruiken (vooral als ze het etiket van het draadmandje hebben afgescheurd).
De juiste hoeveelheid ferriet in een elektrode hangt af van de bedrijfstemperatuur van de toepassing. Zo zorgt een te hoge ferrietconcentratie ervoor dat de las bij lage temperaturen zijn taaiheid verliest. Type 308 lasdraad voor LNG-leidingen heeft daarom een ferrietgetal tussen 3 en 6, vergeleken met een ferrietgetal van 8 voor standaard Type 308 lasdraad. Kortom, lasdraadmaterialen lijken op het eerste gezicht misschien op elkaar, maar kleine verschillen in samenstelling zijn belangrijk.
Is er een eenvoudige manier om duplex roestvrij staal te lassen?
Duplex roestvrij staal heeft doorgaans een microstructuur die voor ongeveer 50% uit ferriet en 50% uit austeniet bestaat. Simpel gezegd zorgt het ferriet voor een hoge sterkte en enige weerstand tegen spanningscorrosie, terwijl het austeniet zorgt voor een goede taaiheid. De combinatie van deze twee fasen geeft duplex staal zijn aantrekkelijke eigenschappen. Er is een breed scala aan duplex roestvrij staal beschikbaar, waarvan type 2205 het meest voorkomt; dit bevat 22% chroom, 5% nikkel, 3% molybdeen en 0,15% stikstof.
Bij het lassen van duplex roestvast staal kunnen problemen ontstaan als het lasmetaal te veel ferriet bevat (de hitte van de lasboog zorgt ervoor dat de atomen zich in een ferrietmatrix rangschikken). Om dit te compenseren, moeten toevoegmaterialen de austenitische structuur bevorderen door een hoger legeringsgehalte, doorgaans 2 tot 4% meer nikkel dan in het basismetaal. Zo kan gevulde lasdraad voor het lassen van type 2205 bijvoorbeeld 8,85% nikkel bevatten.
Het gewenste ferrietgehalte na het lassen kan variëren van 25 tot 55% (maar kan hoger zijn). Houd er rekening mee dat de afkoelsnelheid laag genoeg moet zijn om het austeniet te laten hervormen, maar niet zo laag dat er intermetallische fasen ontstaan, en ook niet zo hoog dat er te veel ferriet in de warmtebeïnvloede zone ontstaat. Volg de door de fabrikant aanbevolen procedures voor het lasproces en het gekozen vulmetaal.
Parameterinstelling bij het lassen van roestvrij staal
Voor lassers die constant parameters (spanning, stroomsterkte, booglengte, inductantie, pulsbreedte, enz.) aanpassen tijdens het lassen van roestvrij staal, is de meest voorkomende oorzaak een inconsistente samenstelling van het vulmetaal. Gezien het belang van legeringselementen kunnen variaties in chemische samenstelling tussen verschillende batches een merkbaar effect hebben op de lasprestaties, zoals een slechte bevochtiging of een moeilijke slakafgifte. Variaties in elektrodediameter, oppervlaktereinheid, gietvorm en helix beïnvloeden ook de prestaties bij GMAW- en FCAW-toepassingen.
Beheersing van carbideprecipitatie in austenitisch roestvast staal
Bij temperaturen tussen 426 en 871 °C migreert een koolstofgehalte van meer dan 0,02% naar de korrelgrenzen van de austenitische structuur, waar het reageert met chroom en chroomcarbide vormt. Als het chroom gebonden is aan de koolstof, is het niet beschikbaar voor corrosiebestendigheid. Bij blootstelling aan een corrosieve omgeving ontstaat intergranulaire corrosie, waardoor de korrelgrenzen worden aangetast.
Om de neerslag van carbiden te beheersen, moet het koolstofgehalte zo laag mogelijk worden gehouden (maximaal 0,04%) door te lassen met elektroden met een laag koolstofgehalte. Koolstof kan ook worden gebonden door niobium (voorheen niobium) en titanium, die een sterkere affiniteit voor koolstof hebben dan chroom. Elektroden van het type 347 zijn hiervoor gemaakt.
Hoe bereid je je voor op een discussie over de keuze van lasvulmetaal?
Verzamel minimaal informatie over het uiteindelijke gebruik van het gelaste onderdeel, inclusief de gebruiksomgeving (met name de bedrijfstemperaturen, blootstelling aan corrosieve elementen en de verwachte corrosiebestendigheid) en de gewenste levensduur. Informatie over de vereiste mechanische eigenschappen onder bedrijfsomstandigheden is zeer nuttig, zoals sterkte, taaiheid, ductiliteit en vermoeiingsweerstand.
De meeste toonaangevende fabrikanten van elektroden leveren handleidingen voor de selectie van vulmetalen, en de auteurs kunnen dit punt niet genoeg benadrukken: raadpleeg een handleiding voor de toepassing van vulmetalen of neem contact op met de technische experts van de fabrikant. Zij staan klaar om u te helpen bij het kiezen van de juiste roestvrijstalen elektrode.
Ga voor meer informatie over de roestvrijstalen vulmetalen van TYUE en om contact op te nemen met de experts van het bedrijf voor advies, naar www.tyuelec.com.
Geplaatst op: 23 december 2022