Šilumos tiekimo valdymas nerūdijančio plieno suvirinimui

Kiekvienas suvirinimas nusodina energiją į netauriuosius metalus. Ši energija, matuojama kaip šilumos įvestis, tiesiogiai valdo šilumos{1}}paveiktos zonos (HAZ) dydį, aušinimo greitį ir galiausiai suvirintos jungties mikrostruktūrą ir savybes. Nerūdijančiam plienui, kurio atsparumas korozijai yra pagrindinis eksploatacinių savybių reikalavimas, šilumos įvesties kontrolė nėra neprivaloma – ji yra esminė.

Šilumos įdėjimas apskaičiuojamas pagal tris suvirinimo parametrus: srovės stiprumą amperais, įtampą ir važiavimo greitį. Ryšys yra nesudėtingas: šilumos patekimas lygus srovės ir įtampos sandaugai, padalytam iš judėjimo greičio, su suvirinimo proceso pataisos koeficientu. Tačiau nepaisant šio paprastumo, šilumos įvedimas išlieka vienu iš labiausiai nesuprantamų ir netinkamai taikomų parametrų gaminant nerūdijantį plieną.

Kodėl tai svarbiau, nei manote? Nes netinkamo šilumos tiekimo pasekmės ne visada matomos iš karto. Vizualiai patikrintas ir rentgenografinis suvirinimas vis tiek gali neveikti dėl įjautrinimo, sigmos fazės susidarymo arba per didelio grūdelių augimo – visa tai yra tiesiogiai susiję su terminiu ciklu, atsirandančiu suvirinimo metu. Šiame straipsnyje paaiškinamas metalurginis šilumos tiekimo apribojimų pagrindas ir pateikiamos praktinės gairės skirtingoms nerūdijančio plieno šeimoms.

Šilumos tiekimo apskaičiavimas

Standartinė šilumos įvedimo formulė yra gauta iš pagrindinės fizikos. Galia (vatais) lygi įtampai, padaugintai iš srovės. Energija (džauliais) lygi galiai, padaugintai iš laiko. Suvirinant mus domina energija, tenkanti suvirinimo ilgio vienetui, o tai reiškia, kad dalijame iš eigos greičio.

Efektyvumo koeficientas atspindi aplinkai prarastą šilumą – spinduliuotę, konvekciją ir purslų kiekį. Skirtingi suvirinimo procesai turi skirtingą efektyvumą:

1 lentelė. Šilumos įvedimo efektyvumo koeficientai pagal suvirinimo procesą

Šaltinis: AWS D1.6:2017; ASME IX skyrius (2023); Suvirinimo metalurgija, Kou (2003)

Skaičiavimo pavyzdys: GTAW siūlė, pagaminta esant 12 voltų, 150 amperų ir 150 mm/min eigos greičiui: šilumos įvadas=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Tai palyginti mažas šilumos įvedimas, būdingas plono profilio austenitiniam nerūdijančiam plienui.

Austenitiniai nerūdijantys plienai: vidutinis šilumos patekimas apsaugo nuo jautrumo

Austenitiniai nerūdijantys plienaiyra labiausiai suvirinami iš visų nerūdijančio plieno šeimų, tačiau jie nėra apsaugoti nuo šiluminės žalos. Pirminė rizika yra sensibilizacija – chromo karbidų nusodinimas ties grūdelių ribomis, kai metalas praeina per 500–850 laipsnių Celsijaus diapazoną. Didelis šilumos įvedimas pailgina laiką, kurį HAZ praleidžia šioje kritinės temperatūros zonoje, padidindamas jautrinimo sunkumą.

Mažos-anglies klasės (304 l, 316 l) ir stabilizuotos klasės (321, 347) buvo sukurtos specialiai, kad būtų atsparios įjautrinimui. Tačiau net ir šios klasės nėra apsaugotos nuo per didelio šilumos kiekio poveikio. Didelis karštis taip pat skatina grūdelių augimą, o tai gali sumažinti kietumą ir padidinti karšto įtrūkimo riziką visiškai austenitiniuose suvirintuose metaluose.

Austenitinėms klasėms rekomenduojamas šilumos įvesties diapazonas subalansuoja du konkuruojančius reikalavimus: pakankamai šilumos, kad būtų užtikrintas tinkamas lydymosi ir suvirinimo baseino sklandumas, bet ne tiek, kad HAZ praleistų per daug laiko jautrinimo diapazone. Interpass temperatūros kontrolė (paprastai žemiau 150 laipsnių Celsijaus) dar labiau sumažina kaupiamąjį šiluminį poveikį.

2 lentelė. Austenitinio nerūdijančio plieno šilumos įvedimo gairės

Šaltinis: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME VIII skyriaus 1 skyrius (2023 m.)

Dvipusis nerūdijantis plienas: šilumos įvestis valdo austenito{0}}ferito balansą

Dvipusis nerūdijantis plienasIšskirtinio stiprumo ir atsparumo korozijai dėka subalansuota mikrostruktūra, kurią sudaro maždaug 50 % austenito ir 50 % ferito. Suvirinimas pažeidžia šią pusiausvyrą. Greitas terminis ciklas skatina ferito susidarymą, o jei šilumos įvedimas yra per mažas, suvirinimo metalas ir HAZ gali sulaikyti per daug ferito (daugiau nei 70%), o tai sumažina kietumą ir atsparumą korozijai.

Ir atvirkščiai, jei šilumos tiekimas yra per didelis, ilgesnis laikas esant aukštai temperatūrai skatina žalingų intermetalinių fazių susidarymą, ypač sigma ir chi fazę. Šios fazės sunaudoja chromą ir molibdeną iš aplinkinės matricos, sukurdamos išeikvotas zonas, jautrias duobėms ir įtempių korozijos įtrūkimams. Sigma fazės susidarymas yra rimčiausia metalurgijos rizika dvipusio suvirinimo metu.

Sprendimas yra kruopščiai kontroliuojamas šilumos tiekimo langas, derinamas su atitinkamais užpildais. Dvipusio tipo metalų užpildai yra per-legiruoti nikeliu (paprastai 8–9 %), kad būtų skatinamas austenito atsinaujinimas aušinimo metu. Šilumos įvadas turi būti pakankamai didelis, kad liktų laiko šiai austenito transformacijai, bet ne tokia didelė, kad susidarytų sigmos fazė.

3 lentelė. Šilumos įvedimo gairės dvipusiam nerūdijančiam plienui

Šaltinis: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Suvirinimo gairės; NACE MR0175/ISO 15156

Martensitinis nerūdijantis plienas: mažas šilumos įvedimas su išankstiniu pašildymu apsaugo nuo įtrūkimų

Martensitiniai nerūdijantys plienai, atvėsę nuo austenitizacijos temperatūros, virsta kietu, trapiu martensitu. Dėl šios transformacijos susidaro dideli liekamieji įtempiai ir HAZ yra ypač jautrus vandenilio{1}}sukeltam įtrūkimui (taip pat vadinamam uždelstu arba šaltu įtrūkimu). Skirtingai nuo austenitinių rūšių, martensitinio plieno neapsaugo stabili FCC kristalų struktūra.

Šilumos tiekimo valdymas martensitinėms klasėms turi du tikslus. Pirma, per didelis šilumos kiekis padidina sukietėjusio HAZ dydį ir sukuria didesnį trapios medžiagos kiekį. Antra, mažas šilumos įvedimas kartu su išankstiniu šildymu sulėtina aušinimo greitį, o tai sumažina martensito kietumą ir suteikia daugiau laiko vandeniliui išsklaidyti iš suvirinimo zonos.

Išankstinis pašildymas yra būtinas martensitinėms rūšims. Įkaitinimo temperatūra priklauso nuo anglies kiekio ir sekcijos storio, bet paprastai svyruoja nuo 200-300 laipsnių Celsijaus. Interpass temperatūra turi būti aukštesnė už išankstinio pašildymo minimumą. Beveik visada reikalingas terminis apdorojimas po suvirinimo (grūdinimas 650-750 C temperatūroje).

4 lentelė. Martensitinio nerūdijančio plieno šilumos tiekimo ir pakaitinimo reikalavimai

Šaltinis: ASM Speciality Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME VIII skyrius 1 skyrius

Aušinimo greičio jungtis: kodėl vien šilumos įvesties nepakanka

Šilumos įvedimas yra sukauptos energijos matas, tačiau galutinę mikrostruktūrą lemia aušinimo greitis. Ta pati šiluma, naudojama 3 mm lakštui, užtikrins daug greitesnį aušinimo greitį nei naudojant 25 mm plokštę. Štai kodėl šilumos įvedimo rekomendacijos visada turi būti vertinamos kartu su sekcijos storiu.

Suvirinimo aušinimo greitis paprastai matuojamas kaip laikas atvėsti nuo 800 iki 500 laipsnių Celsijaus (t8/5). Anglies plieno atveju šis parametras tiesiogiai lemia HAZ kietumą ir mikrostruktūrą. Nerūdijančio plieno kritinės temperatūros diapazonas skiriasi – jautrinimui svarbus laikas, praleistas nuo 850 iki 500 laipsnių Celsijaus.

Santykį tarp šilumos tiekimo ir aušinimo greičio galima apytiksliai apskaičiuoti naudojant šilumos srauto lygtis. Plonoms sekcijoms (kur šiluma teka daugiausia dviem matmenimis) aušinimo greitis yra atvirkščiai proporcingas šilumos sąnaudų kvadratui. Storoms sekcijoms (trijų-dimensijų šilumos srautas) aušinimo greitis yra atvirkščiai proporcingas šilumos įvedimui. Tai reiškia, kad plonose sekcijose nedidelis šilumos kiekio padidėjimas smarkiai sulėtina aušinimo greitį.

5 lentelė. Aušinimo greičio kitimas atsižvelgiant į šilumos tiekimą ir pjūvio storį

Šaltinis: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM vadovas, 6A tomas (2011 m.)

Daugiatakis suvirinimas: kaupiamasis šilumos įvedimas ir tarpsnio temperatūra

Daugiatakis suvirinimas sukelia komplikaciją, kurios nėra vieno-eiginio suvirinimo metu: kiekvienu paskesniu praėjimu suvirinimo metalui ir HAZ taikomi papildomi terminiai ciklai. Tai gali būti naudinga arba žalinga, priklausomai nuo klasės. Kai kurių austenitinių suvirinimo siūlių atveju šiluma iš vėlesnių praėjimų gali ištirpinti karbidus, susidariusius ankstesnių ėjimų metu. Dvipusio tipo klasėms pakartotinis kaitinimas iki 600–900 laipsnių Celsijaus pagreitina sigmos fazės susidarymą.

Interpass temperatūra yra suvirinimo zonos temperatūra prieš pat nusodinant kitą praėjimą. Daugumos nerūdijančio plieno atveju ši temperatūra turi būti žemesnė nei 150 laipsnių Celsijaus, kad būtų apribotas bendras šiluminis poveikis. Kai kurios dvipusio spausdinimo specifikacijos yra dar griežtesnės, todėl super-dvipusio spausdinimo klasėms, pvz., 2507, reikalaujama išlaikyti žemesnę nei 100 laipsnių Celsijaus temperatūrą.

Praktinė reikšmė yra ta, kad kelių eigos suvirintų Suvirintojas turi skirti pakankamai laiko tarp aušinimo procedūrų arba naudoti priverstinio aušinimo būdus (oro pūtimas, vandens dulksna), kurie neužterštų suvirinimo zonos. Dvipusio arba super{5}}dvipusio sluoksnio suvirinimas yra dažna sigmos fazės formavimosi ir vėlesnių aptarnavimo gedimų priežastis.

6 lentelė. Daugiatakio suvirinimo tarptakų temperatūros gairės

Šaltinis: Outokumpu Welding Guidelines (2020); Specialiųjų metalų suvirinimo vadovas; NACE MR0175

Per didelio šilumos tiekimo pasekmės

Blogos šilumos tiekimo kontrolės pasekmės nėra teorinės. Jie reguliariai pateikiami gedimų analizės ataskaitose įvairiose pramonės šakose. Šių gedimų režimų supratimas padeda inžinieriams ir inspektoriams atpažinti simptomus ir atsekti juos iki pagrindinės priežasties.

Tarpkristalinė korozija: sukelia jautrinimas HAZ. Grūdų ribos yra selektyviai pažeidžiamos, todėl paviršius atrodo „cukruotas“. Įprasta 304/316 suvirinimo siūlėse su per dideliu šilumos tiekimu be tinkamos L-klasės ar stabilizavimo.

Taškinė korozija: dvipusio plieno Sigma fazės formavimas sunaudoja chromą ir molibdeną, todėl susidaro zonos su sumažintu atsparumu taškiniams susidarymui. Duobės pirmiausia prasideda didelio-šilumos-įėjimo suvirinimo siūlių HAZ.

Įtempių korozijos įtrūkimai (SCC): Didelis šilumos įvedimas sukuria didesnį HAZ ir didesnį liekamąjį įtempį. Kartu su jautrinimu sukuriamos idealios sąlygos SCC aplinkoje, kurioje yra chlorido.

Sumažintas kietumas: per didelis grūdelių augimas austenitiniame HAZ sumažina atsparumą smūgiams. Dvipusio plieno kietumą žymiai sumažina didelis ferito kiekis ir sigma fazė.

Karštas įtrūkimas: visiškai austenitiniuose suvirintuose metaluose (310, kai kurie nikelio lydiniai) didelis šilumos įvedimas pailgina laiką, praleistą trapiame kietėjimo diapazone, todėl padidėja kietėjimo įtrūkimų rizika.

7 lentelė: gedimų režimai, susiję su per dideliu šilumos įvedimu

Šaltinis: ASM vadovas, 11 tomas: gedimų analizė (2002); NACE korozijos duomenų tyrimas; JN lydinių gedimų atvejų tyrimai

Praktiškas šilumos tiekimo valdymas: nuo WPS iki parduotuvės aukšto

Šilumos tiekimo valdymas prasideda inžinierių biure ir baigiasi cecho aukšte. Suvirinimo procedūros specifikacija (WPS) turi apimti aiškias šilumos įvesties ribas, o ne tik pagrindinius srovės stiprumo, įtampos ir judėjimo greičio parametrus. Esant svarbioms programoms, WPS turėtų nurodyti priimtiną kiekvieno parametro diapazoną ir apskaičiuotas šilumos tiekimo ribas.

Nurodykite šilumos įvestį WPS: nemanykite, kad amperų ir įtampos diapazonų sąrašo pakanka. Apskaičiuokite ir aiškiai nurodykite didžiausią šilumos kiekį (pvz., „Maksimalus šilumos įvadas: 2,0 kJ/mm“).

Naudokite kalibruotą įrangą: Šiuolaikiniai maitinimo šaltiniai gali rodyti ir įrašyti faktinį srovės stiprumą ir įtampą. Naudokite šiuos duomenis apskaičiuodami faktinį šilumos kiekį, o ne tik nustatytus taškus.

Apmokykite suvirintojus apie pasekmes: Suvirintojai, kurie supranta, kad per didelis šilumos srautas gali sukelti korozijos gedimus, bus labiau motyvuoti kontroliuoti važiavimo greitį ir tarptakų temperatūrą.

Stebėkite važiavimo greitį: Važiavimo greitis yra parametras, kurį dažniausiai koreguoja suvirintojai gamybos metu. Pateikite gaires, kaip išlaikyti pastovų greitį, arba naudoti mechanizuotas / automatizuotas sistemas kritinėms siūlėms.

Dokumentuokite svarbių suvirinimo siūlių šilumos įvadą: slėginių indų, jūrinių komponentų ir chemijos gamyklos vamzdynų atveju apskaičiuokite ir užrašykite faktinį kiekvienos suvirinimo siūlės šilumos suvartojimą. Tai užtikrina atsekamumą būsimų gedimų atveju.

Naudokite šilumos įvesties skaičiuokles: nemokamos programėlės ir internetiniai skaičiuotuvai leidžia suvirintojams greitai apskaičiuoti šilumos kiekį pagal pagrindinius parametrus. Skatinkite juos naudoti parduotuvės aukšte.

Šilumos tiekimo kontrolės kaina yra minimali, palyginti su korozijos gedimo eksploatacijos kaina. Dėl vienos duobės gedimo chemijos gamykloje gali būti prarasta milijonai dolerių, sutvarkyta aplinka ir pakeista įranga. Investavimas į tinkamą šilumos tiekimo valdymą yra ne tik gera inžinerija – tai gera ekonomika.

Santrauka

Šioje lentelėje pateiktos šio straipsnio rekomendacijos sujungiamos į greitą{0}}nuorodų formatą. Inžinieriai ir gamintojai gali naudoti šią matricą, kad nustatytų šilumos įvesties ribas savo konkrečioms reikmėms.

8 lentelė. Šilumos įvesties sprendimų matrica pagal nerūdijančio plieno šeimą

Šaltinis: sudaryta iš AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals ir JN Alloys techninių gairių

Išvada

Šilumos įvadas yra vienintelis labiausiai valdomas kintamasis, kuris lemia nerūdijančio plieno suvirinimo siūlių kokybę ir eksploatacines savybes. Metalurginės šilumos įvedimo pasekmės – jautrinimas, sigmos fazės susidarymas, grūdų augimas ir fazių disbalansas – yra gerai suprantamos ir nuspėjamos. Dažnai trūksta disciplinos šias žinias pritaikyti praktikoje.

Šiame straipsnyje pateiktos rekomendacijos yra pagrįstos dešimtmečių tyrimais ir lauko patirtimi. Tai nėra savavališkos ribos -- jos atspindi pagrindinę suvirinimo fiziką ir metalurgiją. Kontroliuodami kiekvienos nerūdijančio plieno šeimos šilumos įvedimą atitinkamame diapazone, gamintojai gali pagaminti suvirinimo siūles, kurios išlaiko atsparumą korozijai, mechanines savybes ir ilgalaikį patikimumą, kurio tikisi jų klientai.

Jei reikia techninės pagalbos dėl nerūdijančio plieno suvirinimo procedūrų, užpildo metalo pasirinkimo ar šilumos įvesties optimizavimo, susisiekite su JN Alloys - – savo partneriu, teikiančiu aukštos kokybės lydinių sprendimus.

Svetainė:www.jnalloys.com