Pękanie na gorąco w spoinach stali nierdzewnej: przyczyny, wykrywanie i zapobieganie

Pękanie na gorąco-znane również jako pękanie krzepnięcia-jest najczęstszą wadą spawalniczą w produkcji stali nierdzewnej, odpowiadającą za około 60-70% wszystkich uszkodzeń spawów austenitycznych stali nierdzewnych. Zjawisko to występuje, gdy ciekłe warstwy lub fazy niskotopliwe zostają uwięzione na granicach ziaren podczas krzepnięcia, tworząc słabe ścieżki, które nie są w stanie wytrzymać termicznych naprężeń skurczowych podczas chłodzenia. Zasadniczą przyczyną jest nadmierna segregacja zanieczyszczeń (siarka, fosfor, krzem) połączona z niewłaściwą geometrią spoiny lub nadmiernym doprowadzeniem ciepła.

W tym artykule przedstawiono kompleksową, opartą na dowodach-analizę mechanizmów pękania na gorąco, metod wykrywania i strategii zapobiegania w pięciu głównych rodzinach stali nierdzewnych.

Co to jest pękanie na gorąco?

Pękanie na gorąco występuje podczas końcowych etapów krzepnięcia spoiny, gdy metal jest częściowo płynny, a częściowo stały. Wyobraź sobie czekoladę, która jest w połowie drogi pomiędzy stopioną a stałą-jest słaba i łatwo się rozdziela. Podobnie stal nierdzewna na tym etapie ma słabe granice ziaren, ponieważ nisko-topliwe zanieczyszczenia (takie jak siarka i fosfor) są wypychane na krawędzie rosnących kryształów. Kiedy spoina ochładza się i kurczy, te słabe granice pękają. Pęknięcia pojawiają się zwykle w odległości 0,1–10 mm od linii środkowej spoiny i mogą być mikroskopijne lub widoczne gołym okiem.

Trzy rodzaje pękania na gorąco

Pękanie podczas krzepnięcia: Występuje podczas początkowego spawania, gdy roztopione jeziorko krzepnie (najczęściej, w 80% przypadków)

Pękanie likwacyjne: występuje w-strefie wpływu ciepła (HAZ), gdy istniejące ziarna częściowo topią się podczas spawania

Plastyczność-pękanie zanurzeniowe: występuje w temperaturze 800–1000 stopni, gdy metal traci plastyczność w wyniku wytrącania się kruchych faz

Pękanie krzepnięcia jest głównym tematem tego artykułu, ponieważ odpowiada za zdecydowaną większość uszkodzeń w miejscu pracy i ma na niego bezpośredni wpływ zmienne procedury spawania, które producenci mogą kontrolować.

Głównymi winowajcami są siarka i fosfor

Bezpośredni dowód:Siarka (S) i fosfor (P) to dwa najbardziej szkodliwe zanieczyszczenia, które powodują pękanie na gorąco w spoinach stali nierdzewnej. Jeśli są obecne w ilości powyżej 0,015% (150 ppm) dla siarki lub 0,020% (200 ppm) dla fosforu, pierwiastki te tworzą nisko{{5}topliwe związki, które pozostają ciekłe po zestaleniu otaczającego metalu. Związek siarki (siarczek manganu, MnS) topi się w temperaturze 1615 stopni, ale w połączeniu z żelazem i chromem temperatura topnienia spada do 950-1050 stopni, czyli znacznie poniżej temperatury krzepnięcia stali nierdzewnej wynoszącej 1400–1450 stopni. Tworzy to płynne filmy na granicach ziaren, które nie wytrzymują naprężeń skurczowych.

Tabela. Limity zawartości siarki i fosforu w stali nierdzewnej odpornej na-pękanie-na gorąco

Źródło: ASTM A240/A240M-22 „Standardowa specyfikacja płyt, arkuszy i taśm ze stali nierdzewnej chromowej i chromowo-niklowej”; AWS A5.9/A5.9M-22 „Specyfikacja dla gołych elektrod i prętów spawalniczych ze stali nierdzewnej”; Dokument IIW (Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa) IX-2202-18 „Wytyczne dotyczące zapobiegania pękaniu na gorąco w spoinach austenitycznej stali nierdzewnej”.

Kluczowy wniosek: samo użycie stali „klasy L- (niskowęglowej, o zawartości C mniejszej lub równej 0,030%) NIE gwarantuje-odporności na pękanie gorące. Najważniejszymi zanieczyszczeniami są siarka i fosfor, a nie węgiel. Gatunki o niskiej-węglowości zmniejszają ryzyko uczulenia, ale mają minimalny wpływ na pękanie podczas krzepnięcia. W przypadku spoin-odpornych na pękanie należy określić stal o S mniejszym lub równym 0,015% i P mniejszym lub równym 0,020%.

Najbardziej podatne są austenityczne stale nierdzewne

Austenityczne stale nierdzewne(seria 300-: 304, 316, 321, 347) są 5-10 razy bardziej podatne na pękanie na gorąco niż stale nierdzewne ferrytyczne lub duplex. Dzieje się tak, ponieważ kryształy austenityczne (sześcienne centrowane na powierzchni, FCC) mają większą rozpuszczalność zanieczyszczeń niż kryształy ferrytyczne (sześcienne centrowane na ciele, BCC), co pozwala na segregację większej ilości siarki i fosforu do granic ziaren podczas krzepnięcia. Stale duplex (22% Cr, 5% Ni, 3% Mo) mają mieszaną strukturę austenityczno-ferrytową, która przerywa ciągłe warstewki cieczy, zmniejszając podatność na pękanie o 70-80% w porównaniu ze stalami w pełni austenitycznymi.

Tabela. Podatność na pękanie na gorąco według rodziny stali nierdzewnej

Źródło: Dokument IIW IX-2202-18 „Wytyczne dotyczące zapobiegania pękaniu na gorąco w spoinach austenitycznej stali nierdzewnej”; Podręcznik spawania AWS, wydanie 10, tom. 4 „Materiały i zastosowania” (2020); Norsok M-601 „Spawanie i kontrola rurociągów” (wersja. 6, 2022 r.); „Poradnik spawania stali nierdzewnej” Kobelco Welding (2019).

Ważna uwaga: Najskuteczniejszym sposobem zapobiegania pękaniu na gorąco w spoinach austenitycznej stali nierdzewnej jest stosowanie metali wypełniających, które wytwarzają 3–8% ferrytu (FN 3–8) w metalu spoiny. Ferryt przerywa ciągłe granice ziaren austenitu i zapewnia ścieżki redystrybucji zanieczyszczeń. Z tego powodu wypełniacze ER308L (dla 304) i ER316L (dla 316) są formułowane w celu uzyskania FN 3-8, podczas gdy użycie samego metalu nieszlachetnego jako wypełniacza (spawanie autogeniczne) prawie zawsze powoduje pęknięcia.

Właściwy dobór spoiwa zapobiega w 80% pękaniu

Użycie odpowiedniego spoiwa-zawierającego nadmierną zawartość chromu i niklu w porównaniu z metalem nieszlachetnym-zapobiega około 80% przypadków pęknięć na gorąco. Wypełniacz musi mieć formułę zapewniającą 3-8% liczby ferrytu (FN) w stanie po spawaniu. Na przykład podczas spawania stali nierdzewnej 304 (18% Cr, 8% Ni) użyj wypełniacza ER308L (20% Cr, 10% Ni), który daje metal spoiny o twardości 3-8 FN.

Dodatkowy chrom i nikiel sprzyjają tworzeniu się ferrytu, który przerywa ciągłe granice ziaren austenitu i zapewnia alternatywne ścieżki segregacji zanieczyszczeń. NIGDY nie używaj wypełniacza o odpowiednim składzie (np. ER304 do metalu nieszlachetnego 304)-powoduje to powstawanie 0-2 FN i prawie zawsze pękanie.

Tabela. Zalecane spoiwa do spoin-bez pęknięć w austenitycznej stali nierdzewnej

Źródło: AWS A5.9/A5.9M-22 „Specyfikacja dla gołych elektrod i prętów spawalniczych ze stali nierdzewnej”; AWS A5.4/A5.4M-22 „Specyfikacja elektrod ze stali nierdzewnej do spawania łukowego w osłonie metalu”; Dokument IIW IX-2202-18; „Poradnik spawania stali nierdzewnej” Kobelco (2019); „Katalog produktów spawalniczych ze stali nierdzewnej” Lincoln Electric (2023).

Ważne ostrzeżenie: nigdy nie używaj wypełniacza ze stali węglowej- ani niskostopowej do spawania stali nierdzewnej. Nawet niewielka ilość zanieczyszczeń stalą węglową (powstającą w wyniku poprzedniego użycia uchwytu spawalniczego/sprzętu) może spowodować wchłonięcie węgla, co sprzyja wytrącaniu się węglików i zmniejsza odporność na korozję. Zawsze używaj dedykowanej szczotki drucianej ze stali nierdzewnej i przed spawaniem wyczyść złącze do jasnego metalu.

Kontrolowane dopływ ciepła i temperatura międzyściegowa są krytyczne

Nadmierne doprowadzenie ciepła (powyżej 1,5 kJ/mm dla cienkich przekrojów, 2,5 kJ/mm dla grubych przekrojów) zwiększa czas przebywania metalu spoiny w wrażliwej „strefie papkowatej” (w stanie częściowo płynnym), umożliwiając większą segregację zanieczyszczeń i zwiększając ryzyko pękania na gorąco.

I odwrotnie,-zbyt małe doprowadzenie ciepła (poniżej 0,5 kJ/mm) powoduje powstawanie wąskich, głębokich ściegów spoiny o dużym utwierdzeniu, które również pękają. Optymalny zakres dopływu ciepła wynosi 0,8-1,5 kJ/mm dla większości spawania austenitycznej stali nierdzewnej. Temperatura międzyściegowa musi być kontrolowana w granicach maksymalnie 100-150 stopni, powyżej 150 stopni powoduje nadmierny rozrost ziaren i zwiększa podatność na pękanie 3-5×.

Tabela. Wytyczne dotyczące doprowadzanego ciepła i temperatury międzyściegowej dla spoin-ze stali nierdzewnej wolnych od pęknięć

Źródło: AWS D1.6/D1.6M-22 „Kodeks spawania konstrukcyjnego – stal nierdzewna”; ASME BPVC Sekcja IX (2023) „Wymagania dotyczące specyfikacji procesu spawania (WPS)”; Norsok M-601 (Rev. 6, 2022) „Spawanie i kontrola rurociągów”; Dokument IIW IX-2202-18.

Koraliki sznurkowe a koraliki splotowe

Używaj ściegów podłużnych (wąskie ściegi spoiny, szerokość mniejsza lub równa 3 × średnicy drutu) zamiast ściegów o szerokim splocie. Koraliki splotu zwiększają dopływ ciepła, poszerzają strefę papkowatą i zwiększają ryzyko pękania. W przypadku spawania metodą TIG (TIG) szerokość ściegu powinna być mniejsza lub równa 10 mm. W przypadku GMAW (MIG) szerokość ściegu powinna być mniejsza lub równa 12 mm. Jeśli potrzebna jest szersza spoina, użyj wielu przejść podłużnic zamiast pojedynczego szerokiego ściegu splotu.

Nowoczesne metody NDT wykrywają pęknięcia przed serwisem

Pęknięcia na gorąco o długości zaledwie 0,5 mm i głębokości 0,1 mm można wykryć za pomocą nowoczesnych metod badań nieniszczących (NDT) przed oddaniem spawanego elementu do użytku. Trzy najskuteczniejsze metody NDT do wykrywania pęknięć na gorąco to: (1) badanie penetracyjne cieczą (PT) - wykrywa-pęknięcia powierzchniowe > 0,5 mm; (2) Badanie magnetyczno-proszkowe (MT) - pozwala wykryć-pęknięcia powierzchniowe i przypowierzchniowe > 1,0 mm w stalach ferromagnetycznych (NIE dotyczy stali nierdzewnej austenitycznej); (3) Badania radiograficzne (RT) - wykrywają wewnętrzne pęknięcia > 2% grubości ściany; (4) Badanie ultradźwiękowe (UT) - wykrywa wewnętrzne pęknięcia > 1,5 mm przy użyciu techniki wiązki-o odpowiednim kącie. W przypadku zastosowań krytycznych należy zastosować kombinację PT i UT, aby osiągnąć niezawodność wykrywania na poziomie ponad 95%.

Tabela. Porównanie metod NDT do wykrywania pęknięć na gorąco w spoinach stali nierdzewnej

Źródło: ASME BPVC, sekcja V „Badanie nieniszczące” (wydanie 2023); ASTM E165/E165M-21 „Standardowa praktyka badania penetracji cieczy”; ASTM E709-21 „Standardowy przewodnik dotyczący badania cząstek magnetycznych”; ASTM E1032-21 „Standardowa metoda badania radiograficznego”; ASTM E164-21 „Standardowa praktyka ultradźwiękowego badania spoin”; Wytyczne Komisji IIW V „NDT spoin” (2020).

Punkt krytyczny: badanie magnetyczno-proszkowe (MT) NIE sprawdza się w przypadku austenitycznych stali nierdzewnych, ponieważ nie są one-ferromagnetyczne (austenit jest FCC i nie-magnetyczny w temperaturze pokojowej). Wielu producentów błędnie określa MT dla spoin ze stali nierdzewnej-jest to zmarnowany wysiłek. Zawsze używaj PT do pęknięć powierzchniowych i UT/PAUT do pęknięć wewnętrznych w austenitycznych stalach nierdzewnych.

Stale klasy „L-” o niskiej zawartości-zanieczyszczeń radykalnie zmniejszają ryzyko

Określenie stali nierdzewnej o bardzo-niskiej-zanieczyszczeniu (S mniejsza lub równa 0,010%, P mniejsza lub równa 0,020%) zmniejsza podatność na pękanie na gorąco o 60-80% w porównaniu ze standardowymi gatunkami handlowymi (S mniejsza lub równa 0,030%, P mniejsza lub równa 0,045%). Kilka hut oferuje obecnie warianty stali-spawalnej lub odpornej na pękanie-o ściśle kontrolowanym poziomie zanieczyszczeń. Na przykład gatunki „Supra” firmy Outokumpu i gatunki „Uranus” firmy Aperam mają S mniejsze lub równe 0,005% i P mniejsze lub równe 0,015%, co praktycznie eliminuje pękanie na gorąco w połączeniu z odpowiednim spoiwem i procedurą spawania. Dodatkowy koszt materiału wynosi 10–20%, ale uniknięcie kosztów napraw spoin (które zwykle kosztują 5–10 razy więcej niż pierwotny koszt spawania) sprawia, że ​​jest to wysoce opłacalna inwestycja.

Tabela. Opcje stali nierdzewnej o niskiej-zanieczyszczeniu-odporności na pęknięcia

Źródło: Outokumpu „Arkusz danych rodziny produktów Supra” (2023); Aperam „Poradnik spawania stali nierdzewnej Uranus -” (2022); Sandvik „Sanicro Stale nierdzewne do spawania” (2021); Stale nierdzewne serii NSSC Nippon Steel (2022); Dokument IIW IX-2202-18.

Rodziny stali nierdzewnej i podatność na pękanie

Tabela. Kompleksowe porównanie - podatności na pękanie na gorąco i zapobiegania mu w rodzinach stali nierdzewnej

Źródło: Dokument IIW IX-2202-18 „Wytyczne dotyczące zapobiegania pękaniu na gorąco w spoinach austenitycznej stali nierdzewnej”; AWS D1.6/D1.6M-22; Norsok M-601 (wersja. 6, 2022); „Poradnik spawania stali nierdzewnej” Kobelco (2019); Baza danych wewnętrznych wad spawalniczych JN Alloys (2024).