אנשים בדרך כלל מופתעים לגלות שיש יותר מסוג אחד של פלדת אל חלד ("נירוסטה"). עוד יותר הם מופתעים לגלות בדיעבד, שלא השכילו לפעול בהתאם למפרט ריתוך המותאם לסוג פלדת האל חלד שבה בחרו ועשו בה שימוש. המשמעות- פגמי ריתוך, פגמים בפלדת הבסיס, כשלים מיותרים והצורך בביצוע תיקונים חוזרים הגוררים עלויות גבוהות שלא לצורך.

זהו מאמר נוסף בסדרת מאמרים העוסקים בריתוכי פלדות אל חלד ומטרתם לחשוף את הקוראים לעולם ייחודי מזווית מקצועית השונה במהותה.  

מבוא

שלושת הסוגים המקובלים של פלדות אל חלד הינם: פלדה אוסטניטית, מרטנזיטית ופריטית. הטכניקה הנדרשת כדי לרתך את כל אחד מסוגי הפלדות הללו אינה שונה בעיקרה מזו הנדרשת לריתוך פלדות פחמניות, לבד ממספר הבדלים מהותיים, אשר נדון בהם בהמשך וקובעים האם הריתוך יהיה איכותי, תקני ומוצלח, אם לאו.

פיתוחן של פלדות העמידות בפני החלדה ובעלות תכונות ברורות, הכוללות: רמות שונות של התנגדות לקורוזיה, חוזק גבוה ויכולת לעבור תהליכי עיבוד שונים, מביאות עמן תועלת רבה למשתמש בהן. יחד עם זאת יש לזכור, כי פיתוח זה הפך את ריתוך פלדות האל חלד למורכב יותר יחסית לפלדות הפחמניות הקלאסיות שאנו מכירים.

פלדת האל חלד שהתוודענו אליה בשנת 1913 הייתה מאוד עמידה לקורוזיה יחסית לפלדה פחמנית אך זה היה במחיר של משיכות נמוכה. מאז, כתוצאה מ"משחק" שעשו העוסקים במטלורגיה ברמות הסגסוג של החומר, התחלנו לראות שיפור משמעותי בביצועים של פלדת האל חלד.

הטכניקה הנדרשת לריתוך פלדות אל חלד דומה בעיקרה לזו הנדרשת לריתוך פלדות פחמניות, אך נבדלת ממנה בשני הבדלים: האחד, נדרש להקפיד ולבקר את הליך החימום והקירור שלה והשני, חשוב במיוחד להקפיד על התאמה ברורה בין מתכת המילוי לבין פלדת האל חלד המיועדת לריתוך.

סוגי פלדות אל חלד

ישנם חמישה סוגים של פלדות המוגדרות כפלדות אל חלד וכל אחד מהם נבדל מהאחר במספר שינויים. יובהר, כי כל הסוגים מקוטלגים לפי המיקרו-מבנה שלהם וזה נקבע לפי ההרכב הכימי ולפי הדרך שבה אותה פלדה מתחממת. ברי, כי המיקרו-מבנה משפיע מאוד על חוזקה של הפלדה, רמת המשיכות שלה וכן על תכונות פיזיקליות וכימיות אחרות.

שלושה סוגים של פלדות אל חלד נפוצים במיוחד. בפלדת אל חלד בעלת מבנה אוסטניטי נעשה השימוש הרב ביותר, הן מכילות פחמן בשיעור מקסימלי של 0.15%, מינימום 16% כרום ומספיק ניקל ו/או מנגן כדי לשמור על מבנה אוסטיניטי בטווח טמפרטורות רחב. בפלדת אל חלד בעלת מבנה מרטנזיטי אין את אותה עמידות בקורוזיה שיש לשתי קבוצות פלדות האל חלד האחרות (אוסטניטי ופריטי), אבל הן חזקות וקשות מאוד, כמו גם בעלות כושר עיבוד טוב, והן יכולות לעבור הקשיה נוספת על ידי טיפולים תרמים. פלדה זו מכילה כרום בשיעור של 12-14%, מוליבדן בשיעור של 0.2-1%, ניקל בשיעור של פחות מ -2% ופחמן בשיעור של כ 0.1-1% ובכך מועלית אמנם רמת הקשיות אך הפלדה נעשית פריכה יותר. פלדות אל חלד בעלות מבנה פריטי זולות יותר באופן יחסי, יש להן תכונות הנדסיות טובות יותר מאלה שהנן בעלות מבנה אוסטניטי אך הן בעלות התנגדות נמוכה יותר לקורוזיה עקב אחוזים נמוכים יותר של כרום וניקל.

הסוג הרביעי הנו פלדת דופלקס שהמיקרו-מבנה שלה, המהווה שילוב של פלדה אוסטניטית ופריטית, הופך אותה לחזקה יותר משני מרכיביה בנפרד אך היא גם קשה לעיבוד. מכילה את הקבוצות SAE 2304  שמכילה 23% כרום ו4% ניקל וSAE 2205  שמכילה 22% כרום ו5% ניקל. החוזק שלהן גדול מזה של פלדות אל-חלד מברזל טהור, אך נחות מזה של פלדות אל-חלד העשירות בברזל. באופן כללי הן עמידות יותר לקורוזיה ובטמפרטורות גבוהות חוזקן נשמר.

הסוג החמישי הנה פלדת אל חלד (PH" (Precipitation Hardening" הכוללת אלמנטי סגסוג אחרים כמו ניוביום המעלה את החוזק וכמובן את מחיר הפלדה. יתר על כן, פלדה זו מכילה כרום וניקל המספקים את הקומבינציה האופטימלית של תכונות האוסטניט והמרטנזיט. מחד, כמו המרטנזיט, הפלדה עומדת בעומסים גדולים כשהיא "חווה" טיפול תרמי ומאידך, כמו האוסטניט, היא בעלת התנגדות לקורוזיה. הנתך הנפוץ ביותר בקבוצה זו הינו 17-4PH המכיל כ-17% כרום ו-4% ניקל.

פלדות הדופלקס וה- PH מיועדות לשמש בראש ובראשונה ביישומים המחייבים רמת ביצוע גבוהה, כגון: תעשיית החלל ותעשיות תהליכיות.

העמידות של פלדת אל חלד במאמצי מתיחה גבוהים מושגת לאחר טיפול תרמי המוביל למטריצה של מרטנזיט או אוסטניט. קשיות מושגת לאחר הוספת אחד או יותר מהאלמנטים הבאים: אלומיניום, טיטניום, ניוביום, מוליבדן ונחושת.

הכנות לריתוך

מהניסיון הרב אותו צברתי, חשוב לזכור, כי בטרם נפנה לריתוך פלדת אל חלד ישנה חשיבות בהקפדה על ניקיון מוקדם של פלדת הבסיס המיועדת לריתוך. חשוב מאוד להקפיד על שימוש בכלי עבודה ייעודיים המשמשים רק לניקוי פלדת אל חלד, וזאת לנוכח רגישותה הרבה לנוכחות פלדת פחמן. אם עשינו שימוש במברשת פלדת אל חלד לניקוי פלדה פחמנית אסור בתכלית האיסור לחזור ולעשות שימוש באותה מברשת לניקוי פלדת אל חלד. הדברים אמורים כמובן, גם לגבי פטיש ומלחציים מפלדת אל חלד, שכן עקבות של פלדה פחמנית מוטמעות בסופו של דבר בפלדה הפחמנית וגורמות לה להחליד. בדומה לזה, השחזת פלדה פחמנית בסמיכות לפלדת אל חלד יכולה לגרום לבעיות חמורות. חיוני במיוחד להפריד בצורה ברורה בין מקומות העבודה של פלדה פחמנית לבין זו של פלדת אל חלד, שכן חלקיקי פלדה פחמנית הניתזים לכל עבר עלולים "לנחות" על פלדת האל חלד ולגרום לה להחליד.

גורם נוסף שיש להקפיד עליו בבואנו לרתך פלדה אל חלד הנה בחירה נכונה של מתכת המילוי המתאימה למתכת הבסיס המיועדת לריתוך. זאת אומרת שחובה לדעת מראש באיזו פלדת אל חלד מדובר, מהו הרכבה הכימי, מהי הגדרתה התקנית על פי תקן חומר הגלם ועוד. ברי, כי שימוש במתכת מילוי, הזהה בהגדרת החומר שלה, לזו של מתכת הבסיס, ייתן לנו מענה הולם ויקל על תהיותינו. לדוגמא, שימוש במתכת מילוי מסוג 316L  בבואנו לרתך מתכת בסיס מסוג 316L. יחד עם זאת, חיינו  לא תמיד קלים או פשוטים במיוחד, וזאת לנוכח העובדה שבמקרים לא מעטים עלינו לרתך שני חומרי בסיס שאינם זהים זה לזה ואז הפתרון הפשוט בו נקבתי אינו בהכרח ישים ולכן נדרש לנקוט בפתרון מתאים יותר.

פלדת אל חלד בעלת מבנה אוסטניטי

פלדת האל חלד הנפוצה ביותר בתעשייה הנה זו המזוהה כסדרת 300 ובה הסגסוגת הרווחת הנה זו המזוהה כ- 304 וידועה גם בשם 18/8 מכיוון שהיא מכילה 18% כרום ו-8% ניקל. סגסוגת 304 עשויה גם להיקרא נירוסטה A2. הסגסוגת האוסטיניטית שנפוצה אף היא הנה סגסוגת 316, המכונה גם נירוסטה A4, מוכרת בעיקר הודות לעמידותה המוגברת בפני קורוזיה והרכבה האופייני הנו 18% כרום ו-10% ניקל וידוע בכינויו נירוסטה 18/10. בעוד שחומר זה לא דורש חימום מוקדם, הוא מוגבל בטמפרטורה בין זחלית מקסימלית. כאשר חומר הבסיס מגיע לטמפרטורה של כ- 175 מעלות צלזיוס, כגון: בשעת ביצוע ריתוך רב זחלי, פלדת האל חלד תהיה פגיעה ורגישה לסידוק.

פרמטר נוסף שיש לקחתו בחשבון הנו ההרכב של מתכת הבסיס המיועדת לריתוך וכן זה של מתכת המילוי. פלדת אל חלד המזוהה כ "L" (לדוגמא: 316L) בדרך כלל מוגבלת ברוב היישומים לטמפרטורה של 426 מעלות צלזיוס ואף פחות. האות "L" אינה מצביעה על טמפרטורה נמוכה אלא על תכולת פחמן נמוכה, בדרך כלל 0.03% פחמן.

למתכת המילוי המתאימה לריתוך מתכת בסיס זו יש את אותו כינוי, 316L. יחד עם זאת, בל נטעה! לא ניתן להסתפק אך ורק בהתאמת מספר מתכת הבסיס. יתכן שיעמדו לרשותנו מספר סוגים של מתכת מילוי מסוג 316L אך אין זה אומר שנוכל לעשות בהן שימוש לריתוך פלדת אל חלד מסוג 316H. ה- "H" מעיד על רמת תכולת פחמן גבוהה ואף אם נרתך פלדת אל חלד זו עם מתכת מילוי מסוג 316L אנחנו נקבל ריתוך שנראה כריתוך טוב, אך זה לא יחזיק לאורך זמן כאשר נכניס את הדגם המרותך לשימוש.

אמנם פלדת האל חלד האוסטניטית הנפוצה ביותר הנה "304" אך בחירת מתכת המילוי המתאימה לריתוכה אינה כה פשוטה, שכן אין מתכת מילוי מסוג "304". כחלופה, ניתן להשתמש במתכת מילוי מסוג 308L. ההבדל בין השתיים נעוץ בהרכב הכימי המאפשר למתכת המילוי לפסוח בזמן הריתוך,   על ההתמצקות והקירור המהירים, ללא חשש להיסדקות.

דוגמא נוספת הנה פלדת אל חלד מסוג "321" המכילה כמויות קטנות של טיטניום. במקרה זה, בחירת מתכת מילוי המכילה טיטניום דווקא עלולה להישרף במהלך הריתוך ולכן מתכת המילוי המתאימה תהא "347" שהרכבה הכימי דומה לזה של "321" בהבדל אחד שהטיטניום מוחלף בניוביום.

פלדת אל חלד בעלת מבנה מרטנזיטי

פלדת אל חלד בעלת מבנה מרטנזיטי פחות נפוצות כמחברים ובדרך כלל יש להן טמפרטורה בין זחלית מינימלית. כאשר מרתכים פלדת אל חלד מרטנזיטית, חובה להקפיד על טמפרטורת קדם מתאימה ולשמור על טמפרטורה בין זחלית מינימלית במהלך כל הריתוך, אחרת נמצא את עצמנו מסיימים את הריתוך עם סדקים.

יישום מקובל אחד לסוג זה של פלדות אל חלד הנו לחדש את המשכיות גליל הפלדה בבתי היציקה. כאשר גליל הפלדה נשחק בנקודה מסוימת משתמשים בתיל מרטנזיטי לבנית פני החומר שנשחקו. בטרם מתחילים במלאכת הריתוך, מחממים את הגליל לטמפרטורה של 200-315 מעלות צלזיוס. עם תחילת הריתוך חובה לשמור על טמפרטורת קדם זו ולא לרדת ממנה. כידוע, פלדת אל חלד מרטנזיטית נעשית קשה ופריכה במיוחד במהלך הקירור, דבר, שהנו טוב מאוד כהתנגדות לשחיקה אך לא בהתייחס לריתוך. שמירה על טמפרטורה העולה על הטמפרטורה הבין זחלית המינימלית מבטיחה שהאזור הסמוך לריתוך לא יתקרר מהר כל כך.

כפי שאנו נוהגים עם מרבית פלדות האל חלד למיניהן, כאשר מחברים חומר בסיס בעל מבנה מרטנזיטי נשתמש במתכת מילוי בעלת מספר זהה. ביישומים מסוימים ניתן לעשות שימוש במתכות מילוי אוסטניטיות. למטרות כיסוי בפלדות פחמניות נעשה שימוש במתכת מילוי "410" שהנה הבחירה הסטנדרטית. בהתעלם מסוג העבודה, המפתח להצלחה בריתוך באמצעות מתכת מילוי מרטנזיטית הנם החימום המוקדם והקירור האיטי לאחר מכן.

פלדת אל חלד בעלת מבנה פריטי

ביישומים ממונעים נעשה שימוש בפלדות אל חלד פריטיות בדגש על "409" ו- "439". השימוש הרווח בפלדות אל חלד פריטיות הנו בריתוך עוביי חומר של 6 מ"מ ופחות ולכן לרוב נעשה הריתוך באמצעות זחל אחד בלבד. מאחר ושימוש מוצלח בפלדות אל חלד פריטיות מחייב תוספת נמוכה של חום וטמפרטורה בין זחלית של כ- 150 מעלות צלזיוס מקסימום, ריתוך באמצעות זחל אחד עונה למצופה.

היה ולא תהיה הקפדה על האמור, נראה כי בהכנסת חום גבוה החומר מתחיל לחוות הליך של גידול גרעינים ותוך זמן קצר עלול לאבד מחוזקו. כאשר לעתים רחוקות עושים שימוש בפלדות אל חלד פריטיות בעלות עובי גדול יותר, מאוד חשוב להקפיד ולהגביל את החום המוכנס בתהליך הריתוך. לבד מהאמור, חשוב להתאים את מתכת המילוי לחומר הבסיס המיועד לריתוך ולהבטיח בכך את איכות הריתוך.

פלדת אל חלד מסוג דופלקס

הניסיון מלמד, כי חום רב מדי משפיע לרעה על פלדות אל חלד מסוג דופלקס, וזאת הודות למורכבות הרבה של ההרכב הכימי של החומר. חשוב לזכור שבפלדת אל חלד זו ישנם מרכיבים של פלדה אוסטניטית ופלדה פריטית, דבר ההופך את בחירת מתכת המילוי ליותר קשה ומתאגרת.

העובדה כי מתכת המילוי מתקררת מהר יותר ממתכת הבסיס חושפת אותנו לבעייתיות ולפיה לסוגים רבים של פלדות אל חלד מסוג דופלקס אין מתכת מילוי מתאימה. התאמת ההרכב הכימי מאפשרת  שלרתך ולמתכת הבסיס יהיו חוזק ותכונות מכניות זהות ככל הניתן.

לדוגמא, פלדת דופלקס  מסוג "2205" כוללת גם ניקל. מתכת המילוי שנבחר תהיה במקרה זה מסוג "2209", וזאת מאחר שהרתך המתהווה מכיל פריט ואוסטניט בכמויות הדומות לאלה שבמתכת הבסיס ובכך נמנעות בעיות ריתוך. דוגמא נוספת הנה פלדת דופלקס מסוג "2507" אותה נרתך באמצעות מתכת מילוי מסוג "2594".

ריתוך פלדות שונות או כאלה שאינן מוכרות

לעתים נדרש לרתך פלדות שאינן זהות או כאלה שזהותן אינה ידועה לנו. לדוגמא, בעת ביצוע תיקונים בשטח. למרבה המזל מצאנו, כי מתכות המילוי שפותחו הינן כאלה שהרכבן הכימי מאפשר לעשות בהן שימוש נרחב ובפרט בסיטואציות האמורות. זה די מקובל לרתך פלדת אל חלד עם פלדה פחמנית. במקרה זה נעשה שימוש במתכת מילוי מסוג "309L" שהינה בחירה טובה עבור ביצוע ריתוך של פלדות לא זהות עד לטמפרטורה של כ- 400 מעלות צלזיוס.

טיפ חשוב שאוכל לסייע לכם בו מניסיוני הנו, כי היה ואינכם בטוחים באשר להרכב מתכת הבסיס, כדאי לשקול עשיית שימוש במתכת מילוי ייעודית למקרים מעין אלה, כגון: אלקטרודת פלדת אל חלד "312". הרכבה הכימי, חוזקה הגבוה, ההתנגדות לקורוזיה ומשיכות טובה מאפשרים לה לתת מענה הולם למצבים בהם אנו דנים ולהיות מתאימה לרוב סוגי מתכות הבסיס. אלקטרודות אלה אמנם יקרות הרבה יותר (פי 3-4) ממתכת מילוי המשמשת בתהליך GMAW אך כאשר יש חשיבות לרמת הביצוע ואתם בוחנים אותה על בסיס של הצלחה, כדאי מאוד להשקיע באלקטרודה זו.

בדיקת טמפרטורת החומר המרותך

כשמרתכים פלדת אל חלד מאוד חשוב לבקר ולנטר את טמפרטורת פלדת הבסיס המרותכת וכן את אזור הרתך עצמו. היה ויקשה עליכם לשמור על תחומי הטמפרטורה הנדרשים אתם צפויים להיתקל בבעיות בתפקוד של החלק המרותך.

ישנן שלוש דרכים לבדיקת טמפרטורת החומר המרותך:

1. עפרונות מורי טמפרטורה שהנם אביזר מדויק דיו אך יחד עם זאת, יש להם תחומי עבודה מוגבלים ועפרונות שונים נדרשים עבור מדידת טמפרטורות מטרה שונות.
2. תרמומטרים אלקטרונים אינפרה אדום המאפשרים מדידה מהירה ממרחק של משטח החומר. לצורך המדידה נדרש לשמור על קו ישיר, ללא הפרעות, בין המכשיר לבין האובייקט הנמדד. משטח מבריק ותאורה מסוימת על האובייקט הנמדד יכולים להוביל לאינדיקציות מטעות אך יחד עם זאת, אנו המשתמשים למדנו להתגבר על מכשול זה.
3. גשש אלקטרוני למדידת הטמפרטורה המשטחית. במקרה זה נדרש להצמיד את הגשש לפני השטח על מנת לאפשר מדידה של הטמפרטורה. ניתן לבצע מדידה חוזרת בפרקי זמן שונים ולהפיק גרף טמפרטורה בהתאם לנדרש.

סוף דבר- תם ולא נשלם

בטרם נפנה לבצע עבודות ריתוך בכלל וריתוך של פלדות אל חלד בפרט, נדרש להכין מפרט ריתוך מתאים ולתקף אותו באמצעות בדיקות הורסות ולא הורסות בהתאם לקבוע בתקן לפיו נבחן את אותו תהליך ריתוך. מפרט הריתוך מתייחס לא רק למתכת המילוי אלא גם לדרישות הנוגעות לחימום קדם, לחימום הבין זחלי ועוד.

לשמחתנו הרבה, בדרך כלל מתכת הבסיס ומתכת המילוי זהות. במידה ואתם נתקלים בסוגיות מאתגרות חשוב מאוד ליצור קשר עם מומחה לדבר, הבקיא בתחום ויודע לתת מענה לשאלות טכניות בתחום. לא זו אף זו, כאשר תדרשו לרתך פלדת אל חלד מסוג דופלקס סביר להניח שתדרשו לסיוע של מומחה בבחירת מתכת המילוי.

כאשר עולות שאלות באשר לזהות מתכת הבסיס והרכבה ואתם מעוניינים להשיג בכל זאת ריתוך טוב ואיכותי חשוב לזכור, שישנן אלקטרודות אחזקה מתאימות שיסייעו לכם לבצע את עבודת הריתוך ואף לבצעה טוב.

© כל הזכויות שמורות לאינג' ועו"ד עדי א. עציץ- מנכ"ל חברת איוויקס שירותי הנדסה, פיקוח וייעוץ בע"מ, מפקח ריתוך מוסמך CWI AWS, בודק מוסמך של ציוד לחץ ויו"ר הוועדה הלאומית לריתוך בלשכת המהנדסים.