การเชื่อมประสานสแตนเลส

การเชื่อมประสานสแตนเลส

1. ความสามารถในการเชื่อมประสาน

ปัญหาหลักในการเชื่อมประสานสแตนเลสคือ ฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อการเปียกและการกระจายตัวของตะกั่วบัดกรี สแตนเลสหลายชนิดมีโครเมียมในปริมาณมาก และบางชนิดยังมีนิกเกล ไทเทเนียม แมงกานีส โมลิบเดนัม ไนโอเบียม และธาตุอื่นๆ ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นออกไซด์ต่างๆ หรือแม้แต่สารประกอบออกไซด์บนพื้นผิวได้ ในบรรดาออกไซด์เหล่านั้น Cr2O3 และ TiO2 ของโครเมียมและไทเทเนียมค่อนข้างเสถียรและกำจัดได้ยาก เมื่อเชื่อมประสานในอากาศ ต้องใช้ฟลักซ์ที่ออกฤทธิ์เพื่อกำจัดออก เมื่อเชื่อมประสานในบรรยากาศป้องกัน ฟิล์มออกไซด์สามารถลดลงได้เฉพาะในบรรยากาศที่มีความบริสุทธิ์สูง จุดน้ำค้างต่ำ และอุณหภูมิสูงเพียงพอ ในการเชื่อมประสานในสุญญากาศ จำเป็นต้องมีสุญญากาศและอุณหภูมิที่เพียงพอเพื่อให้ได้ผลการเชื่อมประสานที่ดี

ปัญหาอีกประการหนึ่งของการเชื่อมประสานสแตนเลสคือ อุณหภูมิความร้อนมีผลกระทบอย่างมากต่อโครงสร้างของโลหะพื้นฐาน อุณหภูมิความร้อนในการเชื่อมประสานสแตนเลสออสเทนิติกไม่ควรสูงกว่า 1150 ℃ มิฉะนั้นเกรนจะขยายตัวอย่างรุนแรง หากสแตนเลสออสเทนิติกไม่มีธาตุเสถียรอย่าง Ti หรือ Nb และมีปริมาณคาร์บอนสูง ควรหลีกเลี่ยงการเชื่อมประสานภายในอุณหภูมิที่ทำให้เกิดการไวต่อการกัดกร่อน (500 ~ 850 ℃) เพื่อป้องกันไม่ให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลงเนื่องจากการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ การเลือกอุณหภูมิการเชื่อมประสานสำหรับสแตนเลสมาร์เทนซิติกนั้นเข้มงวดกว่า ประการหนึ่งคือการจับคู่อุณหภูมิการเชื่อมประสานกับอุณหภูมิการชุบแข็ง เพื่อรวมกระบวนการเชื่อมประสานเข้ากับกระบวนการอบชุบความร้อน อีกประการหนึ่งคืออุณหภูมิการเชื่อมประสานควรต่ำกว่าอุณหภูมิการอบคืนตัวเพื่อป้องกันไม่ให้โลหะพื้นฐานอ่อนตัวลงระหว่างการเชื่อมประสาน หลักการเลือกอุณหภูมิการเชื่อมประสานของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ผ่านกระบวนการชุบแข็งแบบตกตะกอนนั้นเหมือนกับเหล็กกล้าไร้สนิมแบบมาร์เทนซิติก กล่าวคือ อุณหภูมิการเชื่อมประสานต้องสอดคล้องกับระบบการอบชุบความร้อนเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกลที่ดีที่สุด

นอกจากปัญหาหลักสองข้อข้างต้นแล้ว ยังมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าวจากความเค้นเมื่อทำการเชื่อมประสานเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนิติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ลวดเชื่อมทองแดงสังกะสี เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวจากความเค้น ชิ้นงานจะต้องผ่านกระบวนการอบอ่อนเพื่อลดความเค้นก่อนการเชื่อมประสาน และชิ้นงานจะต้องได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอในระหว่างการเชื่อมประสาน

2. วัสดุประสาน

(1) ตามข้อกำหนดการใช้งานของการเชื่อมสแตนเลส โลหะตัวเติมประสานที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการเชื่อมสแตนเลส ได้แก่ โลหะตัวเติมประสานดีบุกตะกั่ว โลหะตัวเติมประสานเงิน โลหะตัวเติมประสานทองแดง โลหะตัวเติมประสานแมงกานีส โลหะตัวเติมประสานนิกเกล และโลหะตัวเติมประสานโลหะมีค่า

ตะกั่วบัดกรีชนิดดีบุกส่วนใหญ่ใช้สำหรับการบัดกรีสแตนเลส และควรมีปริมาณดีบุกสูง ยิ่งปริมาณดีบุกในตะกั่วบัดกรีสูงเท่าไร ความสามารถในการเกาะติดกับสแตนเลสก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ความแข็งแรงในการรับแรงเฉือนของรอยต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่บัดกรีด้วยตะกั่วบัดกรีชนิดดีบุกทั่วไปหลายชนิดแสดงอยู่ในตารางที่ 3 เนื่องจากความแข็งแรงของรอยต่อต่ำ จึงใช้สำหรับการบัดกรีชิ้นส่วนที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักน้อยเท่านั้น

ตารางที่ 3 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อเหล็กกล้าไร้สนิม 1Cr18Ni9Ti ที่เชื่อมด้วยตะกั่วบัดกรีดีบุก

โลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของเงินเป็นโลหะตัวเติมที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการบัดกรีสแตนเลส ในบรรดาโลหะตัวเติมเหล่านั้น โลหะตัวเติมเงินทองแดงสังกะสีและเงินทองแดงสังกะสีแคดเมียมเป็นที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากอุณหภูมิในการบัดกรีมีผลกระทบต่อคุณสมบัติของโลหะพื้นฐานน้อยมาก ความแข็งแรงของรอยต่อสแตนเลส ICr18Ni9Ti ที่บัดกรีด้วยโลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของเงินทั่วไปหลายชนิดแสดงอยู่ในตารางที่ 4 รอยต่อสแตนเลสที่บัดกรีด้วยโลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของเงินนั้นไม่ค่อยได้ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง และโดยทั่วไปอุณหภูมิในการทำงานของรอยต่อจะไม่เกิน 300 ℃ เมื่อทำการบัดกรีสแตนเลสที่ไม่มีนิกเกิล เพื่อป้องกันการกัดกร่อนของรอยต่อที่บัดกรีในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูง ควรใช้โลหะตัวเติมที่มีนิกเกิลมากกว่า เช่น b-ag50cuzncdni เมื่อทำการบัดกรีสแตนเลสแบบมาร์เทนซิติก เพื่อป้องกันการอ่อนตัวของโลหะพื้นฐาน ควรใช้โลหะตัวเติมที่มีอุณหภูมิในการบัดกรีไม่เกิน 650 ℃ เช่น b-ag40cuzncd เมื่อทำการเชื่อมประสานสแตนเลสในบรรยากาศป้องกัน เพื่อกำจัดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิว สามารถใช้ฟลักซ์เชื่อมประสานที่มีส่วนผสมของลิเธียม เช่น b-ag92culi และ b-ag72culi ส่วนเมื่อทำการเชื่อมประสานสแตนเลสในสุญญากาศ เพื่อให้โลหะตัวเติมยังคงมีคุณสมบัติการเปียกที่ดี แม้ว่าจะไม่มีธาตุที่ระเหยง่าย เช่น สังกะสี (Zn) และไดคาร์บอเนต (CD) ก็ตาม สามารถเลือกใช้โลหะตัวเติมสีเงินที่มีส่วนผสมของธาตุ เช่น แมงกานีส (Mn) นิกเกล (Ni) และไดคาร์บอเนต (RD) ได้

ตารางที่ 4 ความแข็งแรงของรอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิม ICr18Ni9Ti ที่เชื่อมด้วยโลหะตัวเติมแบบเงิน

โลหะตัวเติมประสานทองแดงที่ใช้ในการประสานเหล็กชนิดต่างๆ ส่วนใหญ่ได้แก่ ทองแดงบริสุทธิ์ ทองแดงผสมนิกเกล และทองแดงผสมแมงกานีสและโคบอลต์ โลหะตัวเติมประสานทองแดงบริสุทธิ์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการประสานภายใต้การป้องกันด้วยแก๊สหรือสุญญากาศ อุณหภูมิใช้งานของรอยต่อสแตนเลสไม่เกิน 400 ℃ แต่รอยต่อมีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันต่ำ โลหะตัวเติมประสานทองแดงผสมนิกเกลส่วนใหญ่ใช้สำหรับการประสานด้วยเปลวไฟและการประสานด้วยการเหนี่ยวนำ ความแข็งแรงของรอยต่อสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่ประสานแล้วแสดงในตารางที่ 5 จะเห็นได้ว่ารอยต่อมีความแข็งแรงเท่ากับโลหะพื้นฐาน และมีอุณหภูมิใช้งานสูง โลหะตัวเติมประสาน Cu Mn Co ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการประสานสแตนเลสแบบมาร์เทนซิติกในบรรยากาศป้องกัน ความแข็งแรงและอุณหภูมิใช้งานของรอยต่อเทียบได้กับรอยต่อที่ประสานด้วยโลหะตัวเติมที่มีทองคำเป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างเช่น ข้อต่อสแตนเลส 1Cr13 ที่เชื่อมด้วยตะกั่วบัดกรี b-cu58mnco มีประสิทธิภาพเท่ากับข้อต่อสแตนเลสชนิดเดียวกันที่เชื่อมด้วยตะกั่วบัดกรี b-au82ni (ดูตารางที่ 6) แต่ต้นทุนการผลิตลดลงอย่างมาก

ตารางที่ 5 ความแข็งแรงเฉือนของรอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิม 1Cr18Ni9Ti ที่เชื่อมประสานด้วยโลหะตัวเติมฐานทองแดงทนความร้อนสูง

ตารางที่ 6 ความแข็งแรงเฉือนของข้อต่อเชื่อมประสานสแตนเลส 1Cr13

โลหะตัวเติมประสานที่มีแมงกานีสเป็นส่วนประกอบหลักส่วนใหญ่ใช้สำหรับการประสานด้วยก๊าซปกคลุม และจำเป็นต้องใช้ก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง เพื่อหลีกเลี่ยงการเจริญเติบโตของเกรนในโลหะฐาน ควรเลือกโลหะตัวเติมประสานที่เหมาะสมซึ่งมีอุณหภูมิการประสานต่ำกว่า 1150 ℃ สามารถได้ผลการเชื่อมประสานที่น่าพอใจสำหรับข้อต่อสแตนเลสที่ประสานด้วยโลหะตัวเติมประสานที่มีแมงกานีสเป็นส่วนประกอบหลัก ดังแสดงในตารางที่ 7 อุณหภูมิการทำงานของข้อต่อสามารถสูงถึง 600 ℃

ตารางที่ 7 ความแข็งแรงเฉือนของรอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิม LCR18NI9FI ที่เชื่อมด้วยโลหะตัวเติมที่มีแมงกานีสเป็นส่วนประกอบ

เมื่อเชื่อมประสานสแตนเลสด้วยโลหะตัวเติมฐานนิกเกิล รอยเชื่อมจะมีประสิทธิภาพที่ดีที่อุณหภูมิสูง โลหะตัวเติมนี้โดยทั่วไปใช้สำหรับการเชื่อมประสานแบบใช้แก๊สปกคลุมหรือการเชื่อมประสานแบบสุญญากาศ เพื่อแก้ไขปัญหาที่เกิดสารประกอบที่เปราะมากขึ้นในรอยเชื่อมประสานระหว่างการก่อตัวของรอยเชื่อม ซึ่งลดความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของรอยเชื่อมอย่างมาก ควรลดช่องว่างของรอยเชื่อมให้น้อยที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าธาตุที่ก่อให้เกิดเฟสที่เปราะในโลหะบัดกรีได้แพร่กระจายเข้าไปในโลหะฐานอย่างเต็มที่ เพื่อป้องกันการเกิดการเจริญเติบโตของเกรนในโลหะฐานเนื่องจากระยะเวลาการคงอุณหภูมิการเชื่อมประสานที่ยาวนาน สามารถใช้มาตรการต่างๆ เช่น การคงอุณหภูมิไว้ในระยะเวลาสั้นๆ และการบำบัดด้วยการแพร่กระจายที่อุณหภูมิต่ำกว่า (เมื่อเทียบกับอุณหภูมิการเชื่อมประสาน) หลังจากการเชื่อมได้

โลหะมีค่าที่ใช้ในการบัดกรีเหล็กกล้าไร้สนิมส่วนใหญ่ได้แก่ โลหะเติมที่มีทองคำเป็นส่วนประกอบและโลหะเติมที่มีแพลเลเดียมเป็นส่วนประกอบ ซึ่งที่พบได้ทั่วไปคือ b-au82ni, b-ag54cupd และ b-au82ni ซึ่งมีคุณสมบัติการเปียกที่ดี รอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่บัดกรีแล้วมีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิสูงและทนต่อการเกิดออกซิเดชันได้ดี และอุณหภูมิใช้งานสูงสุดสามารถสูงถึง 800 ℃ b-ag54cupd มีคุณสมบัติคล้ายกับ b-au82ni และมีราคาต่ำ จึงมักถูกนำมาใช้แทน b-au82ni

(2) พื้นผิวของสแตนเลสในฟลักซ์และบรรยากาศเตาเผามีออกไซด์ เช่น Cr2O3 และ TiO2 ซึ่งสามารถกำจัดได้โดยใช้ฟลักซ์ที่มีกิจกรรมสูงเท่านั้น เมื่อทำการบัดกรีสแตนเลสด้วยตะกั่วดีบุก ฟลักซ์ที่เหมาะสมคือสารละลายกรดฟอสฟอริกหรือสารละลายซิงค์ออกไซด์ในกรดไฮโดรคลอริก เวลาในการออกฤทธิ์ของสารละลายกรดฟอสฟอริกนั้นสั้น ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีการให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว สามารถใช้ฟลักซ์ Fb102, fb103 หรือ fb104 ในการบัดกรีสแตนเลสด้วยโลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของเงิน เมื่อทำการบัดกรีสแตนเลสด้วยโลหะตัวเติมที่มีส่วนประกอบของทองแดง จะใช้ฟลักซ์ fb105 เนื่องจากอุณหภูมิการบัดกรีสูง

ในการเชื่อมประสานสแตนเลสในเตาเผา มักใช้บรรยากาศสุญญากาศหรือบรรยากาศป้องกัน เช่น ไฮโดรเจน อาร์กอน และแอมโมเนียที่สลายตัวได้ ในการเชื่อมประสานในสุญญากาศ ความดันสุญญากาศจะต้องต่ำกว่า 10⁻² Pa เมื่อเชื่อมประสานในบรรยากาศป้องกัน จุดน้ำค้างของก๊าซจะต้องไม่สูงกว่า -40 ℃ หากความบริสุทธิ์ของก๊าซไม่เพียงพอหรืออุณหภูมิการเชื่อมประสานไม่สูง สามารถเติมสารช่วยเชื่อมประสานก๊าซในปริมาณเล็กน้อย เช่น โบรอนไตรฟลูออไรด์ ลงในบรรยากาศได้

2. เทคโนโลยีการเชื่อมประสาน

ต้องทำความสะอาดสแตนเลสอย่างเข้มงวดก่อนทำการเชื่อมประสาน เพื่อขจัดคราบไขมันและน้ำมันออกให้หมด ควรทำการเชื่อมประสานทันทีหลังจากทำความสะอาดเสร็จ

การเชื่อมประสานสแตนเลสสามารถใช้วิธีการให้ความร้อนด้วยเปลวไฟ การเหนี่ยวนำ และเตาอบได้ เตาอบสำหรับการเชื่อมประสานต้องมีระบบควบคุมอุณหภูมิที่ดี (ค่าเบี่ยงเบนของอุณหภูมิการเชื่อมประสานต้องไม่เกิน ± 6 ℃) และสามารถระบายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว เมื่อใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซปกคลุมสำหรับการเชื่อมประสาน ข้อกำหนดสำหรับไฮโดรเจนจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการเชื่อมประสานและองค์ประกอบของโลหะพื้นฐาน กล่าวคือ ยิ่งอุณหภูมิการเชื่อมประสานต่ำลง และโลหะพื้นฐานมีสารทำให้คงตัวมากขึ้น ค่าจุดน้ำค้างของไฮโดรเจนที่ต้องการก็จะยิ่งต่ำลง ตัวอย่างเช่น สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก เช่น 1Cr13 และ cr17ni2t เมื่อเชื่อมประสานที่ 1000 ℃ ค่าจุดน้ำค้างของไฮโดรเจนต้องต่ำกว่า -40 ℃; สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมโครเมียม-นิกเกิล 18-8 ที่ไม่มีสารทำให้คงตัว ค่าจุดน้ำค้างของไฮโดรเจนต้องต่ำกว่า 25 ℃ ในระหว่างการเชื่อมประสานที่ 1150 ℃; อย่างไรก็ตาม สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม 1Cr18Ni9Ti ที่มีไทเทเนียมเป็นสารทำให้คงตัว จุดน้ำค้างของไฮโดรเจนต้องต่ำกว่า -40 ℃ เมื่อทำการเชื่อมประสานที่อุณหภูมิ 1150 ℃ หากทำการเชื่อมประสานโดยใช้ก๊าซอาร์กอนป้องกัน ความบริสุทธิ์ของอาร์กอนจะต้องสูงขึ้น หากมีการชุบทองแดงหรือนิกเกิลบนพื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม ความบริสุทธิ์ของก๊าซปกคลุมที่ต้องการสามารถลดลงได้ เพื่อให้แน่ใจว่าฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิมถูกกำจัดออกไป สามารถเติมฟลักซ์ก๊าซ BF3 ได้ และยังสามารถใช้ตะกั่วบัดกรีแบบมีฟลักซ์ในตัวที่มีลิเธียมหรือโบรอนได้อีกด้วย เมื่อทำการเชื่อมประสานเหล็กกล้าไร้สนิมในสภาวะสุญญากาศ ระดับสุญญากาศที่ต้องการจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการเชื่อมประสาน เมื่ออุณหภูมิการเชื่อมประสานสูงขึ้น ระดับสุญญากาศที่ต้องการก็สามารถลดลงได้

กระบวนการหลักของเหล็กกล้าไร้สนิมหลังการบัดกรีคือการทำความสะอาดฟลักซ์และสารยับยั้งการไหลที่ตกค้าง และทำการอบชุบความร้อนหลังการบัดกรีหากจำเป็น ขึ้นอยู่กับฟลักซ์และวิธีการบัดกรีที่ใช้ ฟลักซ์ที่ตกค้างสามารถล้างด้วยน้ำ ทำความสะอาดทางกล หรือทำความสะอาดทางเคมีได้ หากใช้สารขัดถูในการทำความสะอาดฟลักซ์หรือฟิล์มออกไซด์ที่ตกค้างในบริเวณที่ได้รับความร้อนใกล้กับรอยต่อ ควรใช้ทรายหรืออนุภาคละเอียดที่ไม่ใช่โลหะอื่นๆ ชิ้นส่วนที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกและเหล็กกล้าไร้สนิมที่แข็งตัวด้วยการตกตะกอนจำเป็นต้องได้รับการอบชุบความร้อนตามข้อกำหนดพิเศษของวัสดุหลังการบัดกรี รอยต่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่บัดกรีด้วยโลหะตัวเติม Ni Cr B และ Ni Cr Si มักจะได้รับการอบชุบความร้อนแบบแพร่กระจายหลังการบัดกรีเพื่อลดข้อกำหนดสำหรับช่องว่างการบัดกรีและปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของรอยต่อ