Klejenie stali nierdzewnej zamiast spawania

W dzisiejszym świecie inżynierii i technologii, poszukiwanie wydajnych i trwałych metod łączenia materiałów jest kluczowe dla osiągnięcia wysokiej jakości wyrobów i konstrukcji. Stal nierdzewna INOX, ze swoimi unikalnymi właściwościami, jest powszechnie wykorzystywana w różnych dziedzinach, takich jak przemysł, budownictwo czy medycyna. Chociaż spawanie jest tradycyjną metodą łączenia stali nierdzewnej, coraz więcej uwagi zwraca się na technologię klejenia jako alternatywę. W tym artykule przyjrzymy się właściwościom stali nierdzewnej INOX, różnym metodom spawania, ich zaletom i wadom, a także możliwościom, jakie niesie ze sobą klejenie jako innowacyjne podejście do łączenia tego typu materiałów. Zapraszamy do lektury i odkrywania nowych perspektyw w dziedzinie technologii łączenia stali nierdzewnej.

Stal nierdzewna - właściwości i zastosowanie

Stal nierdzewna INOX (inoxydable– "nieutleniający się") to grupa stali o specjalnych właściwościach fizykochemicznych, odpornych na korozję ze strony np.: czynników atmosferycznych (korozja gazowa), rozcieńczonych kwasów i roztworów alkalicznych (korozja w cieczach).

Gdzie i dlaczego stosuje się stal nierdzewną?

Główne powody, dla których stal nierdzewna jest powszechnie stosowanym materiałem to:

odporność na korozję
możliwość stosowania w agresywnym środowisku
odporność na wysokie temperatury
lśniący połysk

Stal nierdzewna jest stosowana najczęściej przy wykonywaniu różnego rodzaju zbiorników, cystern, niecek basenów, instalacji przemysłowych, łopat turbin, armatury przemysłowej, narzędzi chirurgicznych, okuć żeglarskich, konstrukcji stalowych, dekoracji, wind, chłodni, klimatyzatorów, pieców żaroodpornych, balustrad. Dodatkowo normy HACCP wymagają, aby przedmioty mające kontakt z żywnością były wykonane ze stali nierdzewnej. Dotyczy to między innymi: ubojni, zakładów przetwarzających żywność i lokali gastronomicznych.

Do tradycyjnych metod łączenia popularnej "nierdzewki" należą: skręcanie, które umożliwia łatwy montaż / demontaż połączeń różnych materiałów, ale może powodować korozję szczelinową. Dodatkowym minusem tej technologii jest koszt narzędzi dedykowanych do obróbki stali nierdzewnej, takich jak; wierteł, narzynek oraz gwintowników. Innymi metodami łączenia są lutowanie lutem miękkim i twardym, zaciskanie mechaniczne i spawanie. Nowoczesną technologią, która szybko zyskuje coraz większe uznanie jest klejenie.

Celem tego tekstu jest porównanie tradycyjnej metody, jaką jest spawanie z technologią przyszłości - klejeniem.

Metody spawania stali nierdzewnej

Obok przedstawiono tabelę, w której można zobaczyć gatunki stali nierdzewnej i ich spawalność. Jest to bardzo ważna informacja dla każdego spawacza przed przystąpieniem do spawania. W przypadku klejenia nie stosujemy żadnych tabel. Jeżeli nie jesteśmy w stanie zidentyfikować klejonego materiału, możemy wykonać test napięcia powierzchniowego, bądź wykonać test klejenia, który pokaże, jak dana odmiana stali będzie się kleić.

Spawanie stali nierdzewnej metodą TIG

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. Jednym z mankamentów tej metody jest nieduża głębokość wtopienia i niska wydajność.

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

Spawanie stali nierdzewnej tabela rodzaje stali

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

Spawanie metodą PAW (Plasma Arc Welding)

Kolejną metodą jest 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 osiągają 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 metodą GMAW (Gas Metal Arc Welding) zwanej również MIG / MAG

W metodzie spawania łukowego przy zastosowaniu ciągłej elektrody metalowej, zastosowana jest osłona łuku gazem dostarczanym z zewnątrz - GMAW (Gas Metal Arc Welding) Metoda jest znana również jako MIG (spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazowej). W tej metodzie 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.

Spawanie metodą FCAW (Flux Cored Arc Welding)

Następną metodą jest 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.

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

Spawanie metodą SMAW (Shielded Metal Arc Welding)

SMAW to inaczej spawanie łukowe elektrodą metalową, osłona łuku w wyniku rozkładu otuliny elektrody - (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).

Pozostałe metody spawania stali nierdzewnej:

Możemy jeszcze dodatkowo wymienić dwie metody spawania, których nie będziemy już szerzej opisywać w tym artykule:

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

Z wszystkich powyżej wymienionych metod najczęstszymi metodami spawania z którymi możemy się spotkać są: MMA / TIG, MIG / MAG.

Wady spawania stali nierdzewnej

Z powyższego opisu wynika że mamy szeroki wachlarz wyboru wśród metod spawania stali nierdzewnej.

Ograniczenia i wady spawania stali nierdzewnej:

Konieczność posiadania wykwalifikowanego spawacza, obecnie występuje deficyt tego typu specjalistów.
Wady estetyczne powstające podczas spawania.
Potrzeba posiadania specjalistycznego sprzętu.
Przy podstawowych metodach spawania MIG/MAG występuję ograniczona kontrola jeziorka spawalniczego, względnie wysokie natężenie prądu, możliwość powstania rozprysku.
Przy spawaniu metodą MMA mogą występować niedostatki takie jak rozprysk, porowatość, niska wydajność
Przy metodzie FCAW wadą jest wysoka cena drutu proszkowego.
Metoda TIG jest ograniczona poprzez niedużą głębokość wtopienia oraz niską wydajność
Spawanie powoduje duże zużycie energii elektrycznej.

Klejenie stali nierdzewnej

W przypadku łączenia stali nierdzewnej ze sobą bądź z tworzywami sztucznymi czy kompozytami możemy zastosować technologię klejenia zamiast tradycyjnych metod łączenia. Obecne kleje dostępne na rynku pozwalają nam łączyć te materiały konstrukcyjnie przy zachowaniu wysokiej estetyki połączenia. O tym, jak takie złącze zaprojektować, na co zwrócić uwagę oraz jak się do tego przygotować przeczytacie w tym artykule na naszym blogu.

Oczywiście, jak każda technologia, również ta ma pewne ograniczenia. Jednym z nich są obostrzenia BHP, na które należy zwrócić uwagę. W przypadku klejów jednoskładnikowych minusem jest czas wiązania i związana z nim potrzeba posiadania pola odstawczego na klejone elementy, aby klej mógł się utwardzić. Najważniejszą rzeczą jest dobór odpowiedniego kleju i dysponowanie personelem umiejących stosować tę technologię. Obecnie wyszkolenie pracownika z zakresu klejenia jest znacznie tańsze i mniej kłopotliwe niż znalezienie na rynku wykwalifikowanego spawacza. Potrzebujemy zazwyczaj najprostszy zestaw narzędzi, które znajdują się w większości warsztatów, są nimi: narzędzie do zmatowienia powierzchni (szlifierka, papier ścierny) oraz, co jest elementem najistotniejszym, preparat chemiczny do odtłuszczenia powierzchni klejonej. Tutaj najlepiej stosować środki dedykowane przez producentów. W przypadku tworzyw sztucznych unikał bym acetonu który będzie degradował nam powierzchnię odtłuszczaną. Podobna sytuacja występuje w przypadku benzyny ekstrakcyjnej, która jest używana do odtłuszczania. Stanowczo odradzamy odtłuszczania elementów benzyną ekstrakcyjną, gdyż frakcje znajdujące się na naszym rynku pozostawiają tłusty film osłabiający adhezję i utrudniający klejenie elementów. Popularnymi środkami do odtłuszczania są różnego rodzaju alkohole. Najpopularniejszym i bardzo uniwersalnym środkiem jest alkohol izopropylowy IPA.

Pierwszym etapem klejenia jest przygotowanie (zmatowienie i odtłuszczenie) powierzchni. Następnie możemy przystąpić do klejenia. Inwestycję, jaką musimy ponieść to wyposażenie pracownika w odpowiedni pistolet do aplikacji kleju. W przypadku zaawansowanych technologii dwuskładnikowych i pistoletów pneumatycznych o dużej wydajności koszt jednorazowy wynosi około 3000 zł netto. W przypadku stosowania mniejszych opakowań, bądź pistoletów ręcznych na sprzęt trzeba wydać około 150-900 zł netto w zależności o typu urządzenia. Na naszych filmach instruktażowych można zobaczyć, jak postępować z klejami dwuskładnikowymi, które są aktualnie jednym z najlepszych rozwiązań klejowych do tych aplikacji.

Zaletą technologii klejenia jest stosunkowo szybkie utwardzanie (element można przenosić po 25 minutach). Zachęcamy do obejrzenia naszego filmu instruktażowego z zakresu klejenia stali nierdzewnej. Pokazane na nim są również testy wytrzymałości uzyskanych połączeń.W większości uzyskujemy wytrzymałość materiałową przy nie ingerowaniu w estetykę klejonych materiałów. Ma to duże znaczenie w przypadku elementów wymagających dużej estetyki połączenia.

Podsumowanie

Stal nierdzewna INOX to materiał o specjalnych właściwościach, takich jak odporność na korozję, wysokie temperatury czy agresywne środowisko, co sprawia, że jest powszechnie stosowana w różnych branżach.
Tradycyjne metody łączenia stali nierdzewnej obejmują spawanie (np. TIG, PAW, GMAW, FCAW, SMAW), które mają swoje wady, takie jak konieczność posiadania wykwalifikowanego spawacza czy potrzeba specjalistycznego sprzętu.
Alternatywą dla spawania jest klejenie stali nierdzewnej, które pozwala na estetyczne i konstrukcyjne łączenie materiałów, jednak wymaga dobrego dobrania kleju i wyszkolenia personelu w zakresie technologii klejenia.
Wady klejenia obejmują obostrzenia BHP oraz czas wiązania w przypadku klejów jednoskładnikowych, który wymaga posiadania pola odstawczego na klejone elementy.
Obecnie wyszkolenie pracownika z zakresu klejenia jest tańsze i mniej kłopotliwe niż szkolenie wykwalifikowanego spawacza, a potrzebne narzędzia są łatwo dostępne w większości warsztatów.

Ważne jest to, że technologie klejenia rozwijają się na tyle dynamicznie, że powinny być bardzo poważnie traktowane na równi z tradycyjnymi metodami przy wyborze metody łączenia już na etapie konstrukcyjnym.

Jeżeli macie jakieś pytania proszę piszcie do nas albo zostawcie je w komentarzu. Odpowiadamy na wszystkie.

Źródła:

Klimpel Andrzej: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1999.
Górka, Jacek, and Sebastian Stano. "Microstructure and properties of hybrid laser arc welded joints (laser beam-mag) in thermo-mechanical control processed S700MC steel." Metals 8.2 (2018)
Yan, Jun, Ming Gao, and Xiaoyan Zeng. "Study on microstructure and mechanical properties of 304 stainless steel joints by TIG, laser and laser-TIG hybrid welding." Optics and Lasers in Engineering 48.4 (2010): 512-517.
Arnold, Ryan W., Edward C. Combe, and John H. Warford Jr. "Bonding of stainless steel brackets to enamel with a new self-etching primer." American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics 122.3 (2002): 274-276.