Kontrola dopływu ciepła w spawaniu stali nierdzewnej

Każda spoina powoduje oddawanie energii do metalu nieszlachetnego. Energia ta, mierzona jako ciepło doprowadzone, bezpośrednio wpływa na wielkość-strefy wpływu ciepła (HAZ), szybkość chłodzenia, a ostatecznie na mikrostrukturę i właściwości złącza spawanego. W przypadku stali nierdzewnych, gdzie głównym wymaganiem jest odporność na korozję, kontrola dopływu ciepła nie jest opcjonalna – jest sprawą zasadniczą.

Doprowadzane ciepło oblicza się na podstawie trzech parametrów spawania: natężenia prądu, napięcia i prędkości przesuwu. Zależność jest prosta: doprowadzone ciepło jest równe iloczynowi prądu i napięcia podzielonego przez prędkość przesuwu, ze współczynnikiem korygującym dla procesu spawania. Jednak pomimo tej prostoty, ciepło doprowadzone pozostaje jednym z najbardziej źle rozumianych i błędnie stosowanych parametrów w produkcji stali nierdzewnej.

Dlaczego ma to większe znaczenie, niż myślisz? Ponieważ konsekwencje nieprawidłowego doprowadzenia ciepła nie zawsze są widoczne od razu. Spoina, która przejdzie kontrolę wzrokową i radiografię, może nadal nie działać prawidłowo z powodu uczulenia, tworzenia się fazy sigma lub nadmiernego wzrostu ziaren – a wszystko to jest bezpośrednio powiązane z cyklem cieplnym narzuconym podczas spawania. W tym artykule wyjaśniono metalurgiczne podstawy limitów dopływu ciepła i przedstawiono praktyczne wskazówki dla różnych rodzin stali nierdzewnych.

Obliczanie dopływu ciepła

Standardowy wzór na doprowadzone ciepło wywodzi się z podstaw fizyki. Moc (waty) równa się napięciu pomnożonemu przez prąd. Energia (dżule) równa się mocy pomnożonej przez czas. W spawaniu interesuje nas energia na jednostkę długości spoiny, co oznacza, że ​​dzielimy ją przez prędkość przesuwu.

Współczynnik wydajności uwzględnia straty ciepła do otoczenia – promieniowanie, konwekcję i rozpryski. Różne procesy spawania mają różną wydajność:

Tabela 1: Współczynniki wydajności dopływu ciepła w procesie spawania

Źródło: AWS D1.6:2017; Sekcja IX ASME (2023); Metalurgia Spawalnicza, Kou (2003)

Przykładowe obliczenia: Spoina GTAW wykonana przy napięciu 12 woltów, 150 amperów i prędkości przesuwu 150 mm/min: Dopływ ciepła=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Jest to stosunkowo niski dopływ ciepła, typowy dla-cienkiej austenitycznej stali nierdzewnej.

Austenityczne stale nierdzewne: Umiarkowane doprowadzenie ciepła zapobiega uczuleniu

Austenityczne stale nierdzewnesą najbardziej spawalne ze wszystkich rodzin stali nierdzewnej, ale nie są odporne na uszkodzenia termiczne. Podstawowym ryzykiem jest uczulenie – wytrącanie się węglików chromu na granicach ziaren, gdy metal przechodzi przez zakres temperatur 500–850 stopni Celsjusza. Wysokie doprowadzenie ciepła wydłuża czas przebywania HAZ w tej krytycznej strefie temperaturowej, zwiększając stopień uczulenia.

Gatunki o niskiej-emisyjności (304L, 316L) i gatunki stabilizowane (321, 347) zostały opracowane specjalnie pod kątem odporności na uczulenie. Jednak nawet te gatunki nie są odporne na skutki nadmiernego dopływu ciepła. Wysoka temperatura powoduje również wzrost ziaren, co może zmniejszyć wytrzymałość i zwiększyć ryzyko pękania na gorąco w całkowicie austenitycznych metalach spoiny.

Zalecany zakres dopływu ciepła dla gatunków austenitycznych równoważy dwa konkurencyjne wymagania: wystarczającą ilość ciepła, aby zapewnić odpowiednie stopienie i płynność jeziorka spawalniczego, ale nie na tyle, aby strefa HAZ spędzała zbyt dużo czasu w zakresie uczulania. Kontrola temperatury międzyściegowej (zwykle poniżej 150 stopni Celsjusza) dodatkowo zmniejsza skumulowaną ekspozycję termiczną.

Tabela 2: Wytyczne dotyczące doprowadzania ciepła dla austenitycznych stali nierdzewnych

Źródło: Podręcznik dotyczący stali nierdzewnej Outokumpu (2020); AWS D1.6:2017; ASME Sekcja VIII Dział 1 (2023)

Stale nierdzewne typu duplex: dopływ ciepła kontroluje równowagę{{0}austenitu i ferrytu

Stale nierdzewne typu duplexczerpią swoją wyjątkową wytrzymałość i odporność na korozję ze zrównoważonej mikrostruktury składającej się z około 50% austenitu i 50% ferrytu. Spawanie zakłóca tę równowagę. Szybki cykl termiczny sprzyja tworzeniu się ferrytu, a jeśli dopływ ciepła jest zbyt niski, metal spoiny i SWC mogą zatrzymać nadmierną ilość ferrytu (powyżej 70%), co zmniejsza wytrzymałość i odporność na korozję.

I odwrotnie, jeśli dopływ ciepła jest zbyt duży, dłuższy czas w podwyższonej temperaturze sprzyja tworzeniu się szkodliwych faz międzymetalicznych, zwłaszcza fazy sigma i fazy chi. Fazy ​​te zużywają chrom i molibden z otaczającej osnowy, tworząc zubożone strefy podatne na wżery i pękanie korozyjne naprężeniowe. Tworzenie się fazy sigma jest najpoważniejszym ryzykiem metalurgicznym podczas spawania dupleksowego.

Rozwiązaniem jest dokładnie kontrolowane okno dopływu ciepła w połączeniu z odpowiednimi spoiwami. Spoiwa do gatunków duplex są-nadstopowe z dodatkiem niklu (zwykle 8–9%), aby ułatwić odtworzenie austenitu podczas chłodzenia. Dopływ ciepła musi być wystarczająco wysoki, aby zapewnić czas na przemianę austenitu, ale nie tak duży, aby utworzyła się faza sigma.

Tabela 3: Wytyczne dotyczące doprowadzania ciepła dla stali nierdzewnych typu duplex

Źródło: Podręcznik dotyczący stali nierdzewnej Outokumpu Duplex (2015); Wytyczne dotyczące spawania Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Martenzytyczne stale nierdzewne: niski dopływ ciepła przy podgrzewaniu wstępnym zapobiega pękaniu

Martenzytyczne stale nierdzewne przekształcają się w twardy, kruchy martenzyt po ochłodzeniu z temperatury austenityzowania. Ta transformacja powoduje powstawanie wysokich naprężeń szczątkowych i sprawia, że ​​SWC jest niezwykle podatna na pękanie indukowane wodorem (zwane także pękaniem opóźnionym lub pękaniem na zimno). W przeciwieństwie do gatunków austenitycznych, stale martenzytyczne nie są chronione stabilną strukturą krystaliczną FCC.

Kontrola dopływu ciepła w przypadku gatunków martenzytycznych służy dwóm celom. Po pierwsze, nadmierne doprowadzenie ciepła zwiększa rozmiar utwardzonej SWC, tworząc większą objętość kruchego materiału. Po drugie, niski dopływ ciepła w połączeniu z podgrzewaniem wstępnym spowalnia szybkość chłodzenia, co zmniejsza twardość martenzytu i zapewnia więcej czasu na dyfuzję wodoru ze strefy spawania.

W przypadku gatunków martenzytycznych niezbędne jest podgrzewanie wstępne. Temperatura podgrzewania wstępnego zależy od zawartości węgla i grubości przekroju, ale zazwyczaj wynosi od 200-300 stopni Celsjusza. Temperatura międzyściegowa musi być utrzymywana powyżej minimalnej temperatury podgrzewania wstępnego. Prawie zawsze wymagana jest obróbka cieplna po spawaniu (odpuszczanie w temperaturze 650-750 C).

Tabela 4: Wymagania dotyczące doprowadzania ciepła i podgrzewania wstępnego dla martenzytycznych stali nierdzewnych

Źródło: Podręcznik specjalistyczny ASM: Stale nierdzewne (1994); AWS D1.6:2017; ASME Sekcja VIII Dział 1

Połączenie szybkości chłodzenia: dlaczego samo doprowadzenie ciepła nie wystarczy

Dopływ ciepła jest miarą zdeponowanej energii, ale to szybkość chłodzenia określa ostateczną mikrostrukturę. To samo ciepło wprowadzone do blachy o grubości 3 mm spowoduje znacznie szybsze chłodzenie niż w przypadku blachy o grubości 25 mm. Z tego powodu zalecenia dotyczące dopływu ciepła należy zawsze uwzględniać obok grubości przekroju.

Szybkość chłodzenia podczas spawania jest zwykle mierzona jako czas ochłodzenia od 800 do 500 stopni Celsjusza (t8/5). W przypadku stali węglowych parametr ten bezpośrednio określa twardość i mikrostrukturę SWC. W przypadku stali nierdzewnej krytyczny zakres temperatur jest inny – w przypadku uczulania liczy się czas przebywania w temperaturze od 850 do 500 stopni Celsjusza.

Zależność między dopływem ciepła a szybkością chłodzenia można przybliżyć za pomocą równań przepływu ciepła. W przypadku cienkich przekrojów (gdzie ciepło przepływa głównie w dwóch wymiarach) szybkość chłodzenia jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu wprowadzonego ciepła. W przypadku grubych przekrojów (-trójwymiarowy przepływ ciepła) szybkość chłodzenia jest odwrotnie proporcjonalna do doprowadzonego ciepła. Oznacza to, że w przypadku cienkich przekrojów niewielki wzrost dopływu ciepła radykalnie spowalnia szybkość chłodzenia.

Tabela 5: Zmiany szybkości chłodzenia w zależności od doprowadzonego ciepła i grubości przekroju

Źródło: Welding Metallurgy, Kou (2003); Podręcznik ASM, tom 6A (2011)

Spawanie-wieloprzejściowe: skumulowany dopływ ciepła i temperatura międzyściegowa

Spawanie-z wieloma przejściami wprowadza komplikację, której nie ma spawanie-z jednym przejściem: każde kolejne przejście poddaje leżący pod spodem metal spoiny i SWC dodatkowym cyklom termicznym. Może to być korzystne lub szkodliwe w zależności od stopnia. W przypadku niektórych spoin austenitycznych ciepło z późniejszych przejść może rozpuścić węgliki powstałe podczas wcześniejszych przejść. W przypadku gatunków duplex wielokrotne ogrzewanie do temperatury 600-900 stopni Celsjusza przyspiesza tworzenie fazy sigma.

Temperatura międzyściegowa to temperatura strefy spoiny tuż przed nałożeniem kolejnego przejścia. W przypadku większości stali nierdzewnych należy ją utrzymywać poniżej 150 stopni Celsjusza, aby ograniczyć skumulowaną ekspozycję termiczną. Niektóre specyfikacje dupleksu są jeszcze bardziej restrykcyjne i wymagają międzyścieżkowej temperatury poniżej 100 stopni Celsjusza w przypadku gatunków super-duplex, takich jak 2507.

Praktyczną konsekwencją jest to, że spoiny wielościenne-wymagają dokładniejszego planowania niż spoiny-jednościegowe. Spawacz musi zapewnić wystarczający odstęp czasu między przejściami w celu ochłodzenia lub zastosować metody wymuszonego chłodzenia (przedmuch powietrza, mgła wodna), które nie zanieczyszczają strefy spawania. Pospieszne spawanie-w wielu przejściach gatunków duplex lub super{5}}duplex jest częstą przyczyną tworzenia się fazy sigma i późniejszych awarii usług.

Tabela 6: Wytyczne dotyczące temperatury międzyściegowej dla spawania-wielościegowego

Źródło: Wytyczne spawalnicze Outokumpu (2020); Podręcznik spawania metali specjalnych; NACE MR0175

Konsekwencje nadmiernego dopływu ciepła

Konsekwencje złej kontroli dopływu ciepła nie są teoretyczne. Pojawiają się regularnie w raportach z analizy awarii w różnych branżach. Zrozumienie tych trybów awarii pomaga inżynierom i inspektorom rozpoznać objawy i prześledzić je do pierwotnej przyczyny.

Korozja międzykrystaliczna: Spowodowana uczuleniem w SWC. Granice ziaren są selektywnie atakowane, co prowadzi do pojawienia się „słodzonego” wyglądu na powierzchni. Powszechne w spoinach 304/316 z nadmiernym dopływem ciepła bez odpowiedniego stopnia L- lub stabilizacji.

Korozja wżerowa: Tworzenie się fazy Sigma w stalach duplex powoduje zużycie chromu i molibdenu, tworząc strefy o zmniejszonej odporności na wżery. Wżery inicjują się preferencyjnie w strefie SWC spoin wejściowych o wysokiej-cieplności-.

Pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC): Wysokie doprowadzenie ciepła powoduje powstanie większej strefy wpływu ciepła z większymi naprężeniami szczątkowymi. W połączeniu z uczulaniem tworzy to idealne warunki dla SCC w środowiskach-zawierających chlorki.

Zmniejszona udarność: Nadmierny wzrost ziaren w austenitycznej SWC zmniejsza udarność. W stalach duplex wysoka zawartość ferrytu i fazy sigma znacznie zmniejszają wytrzymałość.

Pękanie na gorąco: W całkowicie austenitycznych metalach spoiny (310, niektóre stopy niklu) duże doprowadzenie ciepła wydłuża czas przebywania w zakresie kruchego krzepnięcia, zwiększając ryzyko pękania podczas krzepnięcia.

Tabela 7: Tryby awarii powiązane z nadmiernym dopływem ciepła

Źródło: Podręcznik ASM, tom 11: Analiza awarii (2002); Badanie danych NACE na temat korozji; Studia przypadków awarii stopów JN

Praktyczna kontrola dopływu ciepła: od WPS do hali produkcyjnej

Kontrola dopływu ciepła rozpoczyna się w biurze inżynierskim, a kończy na hali produkcyjnej. Specyfikacja procedury spawania (WPS) musi zawierać wyraźne ograniczenia dopływu ciepła, a nie tylko podstawowe parametry, takie jak natężenie prądu, napięcie i prędkość spawania. W przypadku zastosowań krytycznych WPS powinien określać akceptowalny zakres dla każdego parametru i obliczone limity dopływu ciepła.

Określ ilość ciepła wprowadzanego w WPS: Nie zakładaj, że podanie zakresów natężenia i napięcia jest wystarczające. Oblicz i wyraźnie określ maksymalny dopływ ciepła (np. „Maksymalny dopływ ciepła: 2,0 kJ/mm”).

Używaj skalibrowanego sprzętu: Nowoczesne źródła zasilania mogą wyświetlać i rejestrować rzeczywiste natężenie prądu i napięcie. Użyj tych danych, aby obliczyć rzeczywisty dopływ ciepła, a nie tylko wartości zadane.

Przeszkol spawaczy w zakresie konsekwencji: Spawacze, którzy rozumieją, że nadmierne ciepło może powodować awarie korozyjne, będą bardziej zmotywowani do kontrolowania prędkości jazdy i temperatury międzyściegowej.

Monitoruj prędkość jazdy: Prędkość jazdy to parametr najczęściej regulowany przez spawaczy podczas produkcji. Zapewnij wskazówki, jak utrzymać stałą prędkość lub użyj zmechanizowanych/automatycznych systemów w przypadku krytycznych spoin.

Dokumentuj ciepło doprowadzone dla krytycznych spoin: W przypadku zbiorników ciśnieniowych, komponentów offshore i rurociągów zakładów chemicznych oblicz i zapisz rzeczywiste ciepło doprowadzone dla każdej spoiny. Zapewnia to identyfikowalność w przypadku przyszłych awarii.

Skorzystaj z kalkulatorów zapotrzebowania na ciepło: bezpłatne aplikacje i kalkulatory online pozwalają spawaczom szybko obliczyć ciepło wprowadzone na podstawie podstawowych parametrów. Zachęcaj do ich stosowania w hali produkcyjnej.

Koszt kontroli dopływu ciepła jest minimalny w porównaniu z kosztem awarii korozyjnej w trakcie eksploatacji. Pojedyncza awaria wżerowa w zakładzie chemicznym może skutkować wielomilionowymi stratami w produkcji, oczyszczaniem środowiska i wymianą sprzętu. Inwestycja w odpowiednią kontrolę dopływu ciepła to nie tylko dobra inżynieria – to także dobra ekonomia.

Streszczenie

W poniższej tabeli zebrano zalecenia zawarte w tym artykule w krótkim-formacie referencyjnym. Inżynierowie i producenci mogą wykorzystać tę matrycę do ustalenia limitów dopływu ciepła dla swoich konkretnych zastosowań.

Tabela 8: Matryca decyzyjna dopływu ciepła według rodziny stali nierdzewnej

Źródło: zestawienie na podstawie AWS D1.6, ASME Sekcja VIII/IX, Wytyczne techniczne Outokumpu, Sandvik, Special Metals i JN Alloys

Wniosek

Dopływ ciepła jest najbardziej kontrolowaną zmienną, która określa jakość i wydajność spoin ze stali nierdzewnej. Metalurgiczne konsekwencje doprowadzenia ciepła – uczulenie, tworzenie fazy sigma, wzrost ziaren i brak równowagi faz – są dobrze poznane i przewidywalne. Często brakuje dyscypliny, aby przełożyć tę wiedzę na praktykę.

Zalecenia zawarte w tym artykule opierają się na dziesięcioleciach badań i doświadczeniach terenowych. Nie są to arbitralne ograniczenia - – odzwierciedlają one fizykę i metalurgię leżącą u podstaw spawania. Kontrolując dopływ ciepła w odpowiednim zakresie dla każdej rodziny stali nierdzewnej, producenci mogą wytwarzać spoiny, które zachowują odporność na korozję, właściwości mechaniczne i długoterminową niezawodność, jakiej oczekują ich klienci.

Aby uzyskać pomoc techniczną dotyczącą procedur spawania stali nierdzewnej, doboru spoiwa lub optymalizacji dopływu ciepła, skontaktuj się z firmą JN Alloys - – Twoim partnerem w zakresie wysokowydajnych rozwiązań stopowych.

Strona internetowa:www.jnalloys.com