Spawanie-łukiem rdzeniowym (FCAW) stopów niklu: kompromis w zakresie wydajności i jakości-

Dlaczego FCAW jest zarówno najlepszym, jak i najbardziej ryzykownym wyborem w przypadku stopów niklu

Spawanie-łukiem rdzeniowym (FCAW) to-pół{2}}automatyczny proces spawania o najwyższej wydajności dostępny w przypadku stopów niklu. Może osadzać 3–5 kg metalu spoiny na godzinę – pięciokrotnie więcej niż w przypadku metody GTAW (TIG) – jednocześnie wytwarzając spoiny spełniające te same wymagania dotyczące rozciągania, plastyczności i udarności Charpy’ego jak GTAW.

Jednak FCAW na stopach niklu jest bezlitosny: niedbały wybór trybu łuku, zły gaz osłonowy lub luźna kontrola temperatury międzyściegowej powoduje porowatość i gorące pęknięcia, których GTAW nigdy nie toleruje. W tym przewodniku przedstawiono dane, kryteria podejmowania decyzji i poręcze proceduralne umożliwiające produktywne wykorzystanie FCAW bez poświęcania właściwości korozyjnych i mechanicznych, dla których przeznaczone są stopy niklu.

Podstawy FCAW: dwa tryby, dwie filozofie

Którego trybu FCAW należy używać w przypadku stopów niklu?

FCAW działa w dwóch różnych trybach, a wybór między nimi jest najważniejszą decyzją w każdej procedurze FCAW dotyczącej-stopu niklu:

Dlaczego FCAW-S jest rzadko stosowany w krytycznych usługach związanych ze stopami niklu

FCAW-S generuje własne ekranowanie poprzez rozkład wypełnienia strumieniowego, w wyniku czego powstaje atmosfera bogata w azot. Stopy niklu są doskonałymi pochłaniaczami azotu --, a azot w jeziorku spawalniczym tworzy kruche azotki i pory. Spoiny FCAW-S w stopach niklu zwykle wykazują poziom porowatości azotu na poziomie 200-–500 ppm w porównaniu z 30–80 ppm w przypadku FCAW-D. W przypadku wszelkich zastosowań, w których spoina będzie narażona na czynniki korozyjne, ekstremalne ciśnienia lub temperatury, FCAW-S nie jest akceptowalny. FCAW-S jest czasami używany do tymczasowych spawów w terenie lub montażu na zewnątrz, gdzie butle z gazem są niepraktyczne, ale nawet wtedy kryteria akceptacji muszą zostać znacznie zaostrzone.

Porównanie produktywności: FCAW vs GTAW vs GMAW vs SMAW

O ile szybszy jest FCAW w porównaniu z innymi procesami?

FCAW-D pozostawia 3–5 razy więcej metalu spoiny na godzinę niż metodą GTAW i 1,5–2 razy więcej niż metodą GMAW na stopach niklu.

Liczby stojące za przewagą produktywności FCAW mają swoje korzenie w fizyce. Szybkość podawania drutu, gęstość prądu i cykl pracy łącznie dają szybkość osadzania, której nie zapewnia żaden ręczny ani półautomatyczny proces w przypadku grubego-stopu niklu.

Rzeczywiste numery producenta: FCAW-D na płycie Inconel 625 o grubości 20 mm

Zakład produkujący rury porównujący GTAW i FCAW-D w przypadku spawania rury 20 mm Schedule 80 Inconel 625 (6- cali NB) ze złączem doczołowym z rowkiem w kształcie litery V zanotował następujące czasy na złącze:

Podejście hybrydowe (korzeń GTAW + FCAW-D fill/cap) stało się standardową procedurą w sklepie. Rejestruje doskonałą penetrację korzeni i warstwę graniową o zerowej-porowatości metodą GTAW, a następnie przełącza się na FCAW-D w celu określenia objętości przejść wypełniacza i zatyczki. Takie podejście jest obecnie standardem w większości głównych zakładów produkujących stopy niklu na całym świecie.

Kompromisy dotyczące jakości-: gdzie FCAW jest gorsze od GTAW

W porównaniu z GTAW FCAW-D wprowadza cztery mierzalne ryzyka jakościowe – z których wszystkie można kontrolować za pomocą odpowiedniej procedury.

Stopiwo FCAW-D w Inconel 625 stale spełnia te same wymagania dotyczące wytrzymałości na rozciąganie, plastyczności i Charpy’ego jak GTAW – jeśli procedura jest prawidłowo określona.

Obawa, że ​​FCAW wytwarza spoiny-o niższej jakości niż GTAW, jest częściowo mitem, a częściowo-zależnym od procedury. Nowoczesne procedury FCAW-D dla stopów niklu, jeśli zostaną prawidłowo wykonane, dają metal spoiny o identycznych lub lepszych właściwościach mechanicznych jak równoważne procedury GTAW. Kluczowymi zmiennymi są: klasyfikacja metalu wypełniającego, skład gazu osłonowego i kontrola dopływu ciepła.

Uwaga: powyższe dane dotyczące szybkości korozji pochodzą z 90-dniowego testu zanurzeniowego ASTM G48, metoda C. Zarówno spoiny FCAW-D, jak i GTAW wykazały równoważną odporność na korozję, ponieważ spoiwo ERNiCrMo-3 przewyższa metal nieszlachetny pod względem zawartości Mo i Cr, kompensując wszelkie drobne różnice mikrostrukturalne pomiędzy tymi dwoma procesami. Źródło: Dane dotyczące procedury spawania stopu niklu firmy Lincoln Electric, 2023 r.

Gaz osłonowy: decydująca zmienna dotycząca jakości FCAW-D

75--80% argonu + 20--25% CO₂ to optymalna równowaga dla stopu niklu FCAW-D – równoważąca stabilność łuku, penetrację i niską porowatość. Prosty CO₂ lub mieszanki o wysokiej zawartości CO₂ powodują porowatość; czysty argon zmniejsza rozpryski, ale pogarsza zwilżanie.

Dlaczego dodanie azotu do osłony FCAW ze stopu niklu jest katastrofalne?

Utrzymuje się błędne przekonanie, że ponieważ stopy niklu zawierają skład-wolny od azotu, dodanie N₂ do gazu osłonowego jest nieszkodliwe. To jest fałszywe. Azot w atmosferze łuku jest wchłaniany bezpośrednio do basenu stopionego niklu, gdzie tworzy kruche wytrącenia azotku niklu (Ni₃N) i porowatość azotu. W jednym udokumentowanym przypadku wytwórca dodał 8% N₂ do mieszanki Ar/CO₂, aby „poprawić stabilność łuku” i wytworzył metal spoiny o poziomie porowatości azotu wynoszącym 1200–2500 ppm – co całkowicie dało się odrzucić. Żaden dodatek azotu nie jest dopuszczalny w osłonach stopów niklu FCAW lub GTAW.

Natężenie przepływu, odległość dyszy i wiatr: praktyczne sterowanie

Natężenie przepływu: 25–40 l/min (1–1,5 cfm) dla dyszy 12–20 mm; wzrost w przypadku przeciągów

Odległość dyszy-od-roboczej: maksymalnie 15–25 mm — powyżej 25 mm, skuteczność ochrony przed kroplami powietrza z otoczenia o 40–60%

Prędkość wiatru powyżej 8 km/h: Użyj osłony z gazem osłonowym lub przejdź do osłoniętego obszaru; powyżej 8 mil na godzinę, GTAW lub FCAW-S tylko przy zachowaniu szczególnej ostrożności

Każdego dnia przed pierwszym użyciem przepłucz wąż i regulator – zanieczyszczenie wilgocią powoduje porowatość spoiny wodorowej

Sterowanie ciepłem i temperaturą międzyściegową

Utrzymuj dopływ ciepła w zakresie od 0,8 do 2,5 kJ/mm i temperaturę międzyściegową poniżej 150 stopni (300 stopni F) – te same wartości graniczne, co GTAW. Wyższa szybkość osadzania FCAW nie pozwala na większe doprowadzenie ciepła.

Wzór na dopływ ciepła dla FCAW (z praktycznym przykładem)

Dopływ ciepła (kJ/mm)=(Napięcie × Prąd × 60) ÷ (Prędkość jazdy mm/min × 1000)

Wybór spoiwa dla stopu niklu FCAW

AWS A5.34 (specyficzny dla FCAW-) i AWS A5.14 (kompatybilny z GTAW/GMAW-) definiują podstawowe metale wypełniające do stopu niklu FCAW. Aby uzyskać maksymalną kompatybilność, zawsze używaj wypełniaczy z certyfikatem FCAW-(z certyfikatem Tig- i Arc-).

Przechowywanie i obsługa drutu FCAW: ukryta zmienna jakości

Przechowuj drut FCAW w oryginalnym, zamkniętym opakowaniu; absorpcja wilgoci powoduje porowatość wodorową (testowane zgodnie z załącznikiem AWS A5.34)

Nie używaj drutu, na którym widać rdzę, wżery lub przebarwienia na zewnętrznej powierzchni – wilgoć topnika pogarsza jakość spoiny

Wymiana szpuli: przed ponownym uruchomieniem oczyścić prowadnik drutu i końcówkę prądową; topnik na uciętym końcu poprzedniej szpuli może być zanieczyszczony

W przypadku zastosowań krytycznych (NACE, ASME sekcja VIII, energia jądrowa): określić drut-rdzeniowy z topnikiem zgodny z AWS A5.34 z certyfikatem zgodności i raportem chemicznym według numeru wytopu/partii

Lista kontrolna zapewnienia jakości stopu niklu FCAW

Uwagi dotyczące procedury FCAW autorstwa rodziny stopów niklu

Inconel 625: Najbardziej wybaczający stop niklu dla FCAW

Inconel 625 jest najłatwiejszym stopem niklu do obróbki FCAW, ponieważ jego wysoka zawartość Nb+Mo zapewnia-samostabilizację przed pękaniem na gorąco i uczuleniem. Jest to stop zalecany dla warsztatów przechodzących z produkcji stali nierdzewnej na produkcję stopów niklu.

Wypełniacz ERNiCrMo-3 to uniwersalny wybór – przewyższa metal nieszlachetny pod względem wytrzymałości i odporności na korozję

Nie wymaga wstępnego podgrzewania ani PWHT; temperatura międzyściegowa maks. 150 stopni

Ścieżka graniowa GTAW jest nadal zalecana do spoin czołowych-z pełną penetracją; FCAW-D dla wypełnienia/zakrętki

Kombinacja 625/ERNiCrMo-3 została zatwierdzona zgodnie z NACE MR0175 / ISO 15156 dla zastosowań kwaśnych w stanie po spawaniu

Inconel 718: Zachowaj większą ostrożność

Inconel 718 jest utwardzany-wydzieleniowo, co oznacza, że ​​strefa SWC sąsiadująca ze spoinami FCAW ulega częściowemu rozpuszczeniu fazy pierwotnego wzmocnienia gamma-. Zmniejsza to twardość i wytrzymałość w wąskiej strefie 2-5 mm od linii wtopienia spoiny.

Aby uzyskać maksymalną wytrzymałość: należy określić obróbkę cieplną-spawania (PWHT) – wyżarzanie przesycające w temperaturze 980 stopni + podwójne starzenie zgodnie z AMS 5666

W przypadku usługi spawanej-: użyj wypełniacza ERNiCrMo-3; wytrzymałość będzie odpowiednia dla niekrytycznych zastosowań konstrukcyjnych

Unikaj FCAW-S na Inconelu 718 -- absorpcja azotu dodatkowo destabilizuje fazę podstawową gamma-

W przemyśle lotniczym: FCAW jest często zabroniony w strukturach krytycznych; sprawdź AMS 5666 i szczegółowe specyfikacje OEM silnika

Hastelloy C-276: Obejrzyj molibden

Wysoka zawartość molibdenu w Hastelloy C-276 (15-16,5%) sprawia, że ​​jest on bardzo podatny na segregację molibdenu w jeziorku spawalniczym, co może powodować pękanie podczas zestalania, jeśli dopływ ciepła nie jest kontrolowany.

Stosować wypełniacz ERNiCrMo-4 przy ścisłej kontroli dopływu ciepła: maksymalnie 0,8–1,8 kJ/mm

Utrzymuj międzywarstwowość na poziomie 120 stopni lub poniżej (w porównaniu do. 150 stopnia w przypadku Inconel 625) -- wymagana jest ściślejsza kontrola w przypadku stopów bogatych w Mo

Całkowicie unikaj FCAW-S — atmosfera rozkładu topnika jest szczególnie agresywna w stosunku do składu chemicznego metalu spoiny C-276

Wypełniacz ERerniCrMo-4 nie jest wymieniony w AWS A5.34 -- użyj oznaczenia drutu rdzeniowego zgodnego z AWS A5.14 zgodnie z AWS A5.34M

Incoloy 825: Wyzwanie żelazonikla

Zawartość żelaza w Incoloy 825 (minimum 22%) i stabilizacja tytanu sprawiają, że jest on średnio trudny do obróbki FCAW – twardszy niż Inconel 625 i łatwiejszy niż Hastelloy C-276.

Wypełniacz ERNiFeCr-2 (Incoloy) zapewnia odpowiedni skład i jest preferowany w przypadku pracy w podwyższonej temperaturze

Można również zastosować ERNiCrMo-3, który zapewnia wyższy osad Cr+Mo – przydatny w zastosowaniach, w których korozja jest krytyczna

Utrzymuj dopływ ciepła 0,8–2,0 kJ/mm; międzyścieżkowe 150 stopni maks

Wyższa zawartość żelaza w stopiwie 825 może wykazywać nieco niższą wytrzymałość na pełzanie niż metal nieszlachetny w temperaturach powyżej 550 stopni -- należy określić pasujący wypełniacz do pracy w wysokich temperaturach

FCAW kontra GTAW w projekcie produkcji 10-tonowego stopu niklu

FCAW-D zmniejsza całkowity koszt spawania o 35–55% w przypadku dużych wyrobów ze stopów niklu dzięki wyższej szybkości stapiania, krótszemu czasowi pracy i niższym kosztom materiałów eksploatacyjnych na kilogram osadzonego metalu spoiny – pod warunkiem, że ryzyko jakościowe będzie zarządzane poprzez kontrolę procedur.

Założenia: stawka spawacza: 65 USD/godz.-z pełnym obciążeniem; ERNiCrMo-3 przewody w cenie 60 USD/kg; argon w cenie 0,30 USD/l, CO₂ w cenie 0,05 USD/l; Sprawność GTAW 60%, sprawność FCAW-D 80%; 10-tonowy ciężar złoża (typowy dla średniej wielkości zbiornika ciśnieniowego). Dominują oszczędności pracy; koszty drutu i gazu mają niewielkie znaczenie.

Zastosowania FCAW: studia przypadków w przetwarzaniu chemicznym i wytwarzaniu energii

Przypadek 1: Kanał odsiarczania gazów spalinowych Hastelloy C-276 (IOS) – elektrownia węglowa

W elektrowni-opalanej węglem o mocy 420 MW zmodernizowano przewody odprowadzania spalin z mokrego wapienia (płyta Hastelloy C-276 o grubości 24 mm, około 3,5 tony stopiwa) przy użyciu hybrydowego podejścia FCAW-D. Oryginalna specyfikacja dotyczyła 100% GTAW --, ale producent zaproponował FCAW-D do przejść wypełniających/zakręcających z rdzeniem GTAW. Niezależna inspekcja RT i UT wykazała: zero wad możliwych do odrzucenia, średni stopień porowatości 3° na 100 mm spoiny (w porównaniu z granicą akceptacji wynoszącą 8° na 100 mm zgodnie z sekcją VIII ASME). Test Charpy'ego z karbem V w -29 stopniach wykazał średnio 85-110 J (wymaganie: minimum 27 J). Producent ukończył projekt w 14 tygodni w porównaniu z szacunkami wykonanymi wyłącznie metodą TIG na 22 tygodnie – co oznacza oszczędność harmonogramu o 36% – przy całkowitej oszczędności kosztów wynoszącej 340 000 USD w ramach kontraktu produkcyjnego o wartości 2,1 mln USD. Kanały eksploatowano przez 8 lat bez żadnych usterek spawalniczych na odcinku C-276.

Przypadek 2: Rurociągi z wody morskiej Inconel 625 – Wymiennik ciepła nośnika LNG

Stocznia zbiornikowa LNG wyprodukowała płaszcz-i-rurowy wymiennik ciepła chłodnicy wody morskiej przy użyciu rury bez szwu z Inconel 625 (Sch 40, 8-cala NB; całkowite stopienie 18 ton). Stocznia stosowała FCAW-D do wszystkich przejść napełniania i zakręcania z 3-przewodowym ERNiCrMo{16}}i ekranowaniem 75Ar/25CO₂. Kontrola jakości obejmowała: 100% RT (zgodnie z kodem IGC / zasadami DNV-GL), PT wszystkich spoin króćców i odgałęzień oraz próbę rozciągania wszystkich próbek do badania kwalifikacji proceduralnej (PQR). Wyniki: wskaźnik akceptacji pierwszego przejścia na poziomie 99,2% (podczas RT nie znaleziono żadnych defektów możliwych do odrzucenia); testy mechaniczne wykazały średnią wytrzymałość na rozciąganie 965 MPa (specyfikacja metalu nieszlachetnego: 827 MPa min), średni CVN przy -196 stopniach wynoszący 105 J. Stocznia przypisała niski wskaźnik defektów ścisłej kontroli temperatury między warstwami (maks. 120 stopni, monitorowana za pomocą pirometru kontaktowego pomiędzy każdym przejściem) i dedykowanemu sprzętowi FCAW, którego nigdy nie używano przy obróbce stali nierdzewnej – eliminując zanieczyszczenia krzyżowe jako źródło porowatości.

Przypadek 3: Zbiornik do neutralizacji kwasów Incoloy 825 – fabryka kwasu fosforowego

Naczynie do neutralizacji kwasu fosforowego (Incoloy 825, ściana 22 mm, objętość wewnętrzna 6 m3) zostało wykonane przy użyciu FCAW-D z wypełniaczem ERNiFeCr-2. Był to pierwszy projekt producenta wykonany w technologii Incoloy FCAW po pomyślnym wykonaniu pracy z Inconel 625. Głównym problemem dotyczącym jakości było uczulenie na HAZ: 825 zawiera tytan (0,6-1,2%), który w temperaturach powyżej 540 stopni może tworzyć TiC i zubożać chrom na granicach ziaren. Producent rozwiązał ten problem poprzez: (a) ograniczenie międzyściegów do 120 stopni (więcej niż standardowe 150 stopni), (b) użycie wyłącznie podłużnic (bez tkania) oraz (c) określenie obróbki cieplnej stabilizującej po spawaniu w temperaturze 940 stopni przez 2 godziny na 25 mm (poniżej zakresu uczulenia 540-760 stopni). Kontrola końcowa objęła praktykę C ASTM A262 (test Hueya): szybkość korozji 0,18 mm/rok (limit:<0.5 mm/yr). The vessel has operated in 30% H₃PO₄ + 3% HCl at 90 °C for 6 years with no evidence of intergranular attack.

Specyfikacja procedury FCAW dla stopów niklu

Często zadawane pytania

P: Czy FCAW może wytwarzać spoiny spełniające kryteria akceptacji NACE MR0175 (kwaśne usługi)?

Tak -- FCAW-Spoiny D z użyciem spoiwa ERNiCrMo-3 są w pełni wymienione w normie NACE MR0175 / ISO 15156-3 jako dopuszczalne dla środowisk zawierających H₂S w stanie po spawaniu, pod warunkiem, że test kwalifikacji procedury (PQR) wykaże, że SWC i metal spoiny spełniają wszystkie wymagania mechaniczne i twardości (HRC maks. 40 za kwaśną obsługę). Kluczem jest zastosowanie prawidłowej klasyfikacji spoiwa i zapewnienie, że skład chemiczny metalu spoiny odpowiada oznaczeniu A5.34/A5.14 na certyfikacie zgodności. Spoiny Hastelloy C-276 FCAW wykorzystujące ERNiCrMo-4 są również zatwierdzone przez NACE do stosowania w środowisku kwaśnym.

P: Dlaczego przejście główne GTAW jest nadal zalecane podczas używania FCAW do przejść wypełniających i zamykających?

Ścieżka graniowa metodą GTAW zapewnia doskonałą penetrację (głębsze wtopienie w metal nieszlachetny), punkt początkowy zerowych-defektów oraz możliwość zobaczenia i skorygowania wszelkich braków-w-wtopienia bezpośrednio w grani. FCAW ma większy stożek łuku i bardziej turbulentny transfer kropel, co może powodować brak-zespolenia-w ciasnych geometriach korzenia, jeśli parametry nie są ustawione precyzyjnie. Rozpoczęcie od solidnego przejścia grani metodą GTAW gwarantuje, że grań jest-szczelna i całkowicie penetrowana- – jest to strefa najwyższego ryzyka w przypadku każdej spoiny czołowej – następnie FCAW skutecznie wypełnia złącze. To hybrydowe podejście jest standardem branżowym w produkcji rur i zbiorników ze stali Inconel 625, C-276 i Incoloy 825.

P: Jak zapobiec defektom wysp krzemianowych pomiędzy przejściami FCAW na stopach niklu?

Wyspy krzemianowe powstają, gdy topnik w drucie FCAW rozkłada się, tworząc warstwę krzemionki (SiO₂) na powierzchni jeziorka spawalniczego. Jeśli filmy te nie zostaną usunięte przed następnym przejściem, zostaną uwięzione w postaci wtrąceń żużla. Zapobieganie jest proste, ale-pracochłonne: użyj specjalnej szczotki drucianej ze stali nierdzewnej, aby wyczyścić każde przejście przed nałożeniem kolejnego. Używaj osobnego pędzla wyłącznie do stopów niklu - – nigdy nie używaj tego samego pędzla do stali węglowej lub nierdzewnej. Przed każdym przejściem należy wzrokowo sprawdzić powierzchnię spoiny; należy całkowicie usunąć wszelki szaro-biały film krzemionkowy. Technika koralików podłużnych zmniejsza akumulację krzemionki w porównaniu z techniką splotu.

P: Czy FCAW-S jest kiedykolwiek akceptowalny w przypadku stopów niklu?

Tylko w ograniczonych,-niekrytycznych sytuacjach. FCAW-S tworzy osłonę bogatą w azot-przed rozkładem topnika, co powoduje porowatość azotu w stopach niklu. Dopuszczalne zastosowania to: montaż na zewnątrz, gdzie wiatr sprawia, że ​​osłona gazowa jest niepraktyczna, a wymagania jakościowe nie są{{5}krytyczne (np. tymczasowe podpory, modyfikacje w terenie przy zmniejszonych wymaganiach badawczych). Należy zaostrzyć kryteria akceptacji: maksymalny rozmiar porów zmniejszony do połowy standardowego limitu, a akceptacja radiologiczna nie może wykazywać żadnych skupisk porów. W przypadku jakichkolwiek-ciśnieniowych,{11}}zakwasów lub{12}korozyjnych zastosowań o krytycznym znaczeniu, FCAW-S nie jest dozwolony.

P: Jak FCAW wypada w porównaniu z GMAW (MIG) w przypadku stopów niklu?

FCAW-D zapewnia o 50--100% większą szybkość stapiania niż GMAW-P (pulsacyjny MIG) na stopach niklu, głównie dlatego, że drut FCAW ma większą gęstość prądu (mniejsza średnica, większe prędkości posuwu), a dodatek topnika zwiększa temperaturę łuku i wydajność przenoszenia metalu. FCAW-D jest także bardziej tolerancyjny na drobne różnice w dopasowaniu-złącza i czystości powierzchni, ponieważ system topnika zapewnia pewne zabezpieczenie przed zanieczyszczeniem powierzchni. Wadą jest to, że FCAW wymaga dokładniejszego czyszczenia międzyściegów (usuwania krzemionki) i powoduje, że profil powierzchni jest bardziej szorstki-po spawaniu. GMAW-P pozwala uzyskać gładszy ścieg przy mniejszym-czyszczeniu po spawaniu, ale przy niższej wydajności. Konsensus branżowy w sprawie wytwarzania stopów niklu: należy stosować GMAW-P do cienkich przekrojów (poniżej 6 mm), gdzie wygląd i-kontrola dopasowania są doskonałe; użyj FCAW-D w przypadku przekrojów średnich i grubych (powyżej 6 mm), gdzie liczy się szybkość osadzania.

JN Alloy dostarcza drut spawalniczy FCAW ze stopu niklu (ERNiCrMo-3, ERNiCrMo-4, ERNiFeCr-2), rury bez szwu, rury, płyty i pręty zgodnie ze standardami ASTM/ASME/AWS/NACE – z pełnymi raportami z testów walcowni i certyfikatem EN 10204 3.1. Skontaktuj się z nami: Info@jnalloy.com|+86 19339900211|www.jnalloy.com