Siltuma ievades kontrole nerūsējošā tērauda metināšanā - Zināšanas

Katra metinājuma šuve nogulda enerģiju parastajā metālā. Šī enerģija, ko mēra kā siltuma ievadi, tieši kontrolē siltuma -ietekmētās zonas (HAZ) lielumu, dzesēšanas ātrumu un galu galā metinātā savienojuma mikrostruktūru un īpašības. Nerūsējošajam tēraudam, kura galvenā veiktspējas prasība ir izturība pret koroziju, siltuma padeves kontrole nav obligāta — tā ir būtiska.

Siltuma padevi aprēķina no trim metināšanas parametriem: strāvas stiprums ampēros (strāva), sprieguma un kustības ātruma. Attiecība ir vienkārša: siltuma padeve ir vienāda ar strāvas un sprieguma reizinājumu, kas dalīts ar kustības ātrumu, ar metināšanas procesa korekcijas koeficientu. Tomēr, neskatoties uz šo vienkāršību, siltuma padeve joprojām ir viens no visvairāk pārprastajiem un nepareizi izmantotajiem parametriem nerūsējošā tērauda ražošanā.

Heat Input Control in Stainless Steel Welding

Kāpēc tam ir lielāka nozīme, nekā jūs domājat? Tā kā nepareizas siltuma ievadīšanas sekas ne vienmēr ir redzamas uzreiz. Metinātā šuve, kas iztur vizuālo pārbaudi un rentgenogrāfiju, joprojām var neizdoties ekspluatācijā sensibilizācijas, sigmas fāzes veidošanās vai pārmērīgas graudu augšanas dēļ — tas viss ir tieši saistīts ar metināšanas laikā radīto termisko ciklu. Šajā rakstā ir izskaidrots siltuma padeves ierobežojumu metalurģiskais pamats un sniegti praktiski norādījumi dažādām nerūsējošā tērauda saimēm.

Siltuma ievades standarta formula ir atvasināta no pamata fizikas. Jauda (vati) ir vienāda ar spriegumu, kas reizināts ar strāvu. Enerģija (džoulos) ir vienāda ar jaudu, kas reizināta ar laiku. Metināšanā mūs interesē enerģija uz metinājuma garuma vienību, kas nozīmē, ka mēs dalām ar kustības ātrumu.

Efektivitātes koeficients ņem vērā siltumu, kas tiek zaudēts apkārtējai videi - radiācijai, konvekcijai un šļakatām. Dažādiem metināšanas procesiem ir atšķirīga efektivitāte:

1. tabula. Siltuma ievades efektivitātes faktori metināšanas procesā

Metināšanas process	Efektivitātes koeficients (k)	Tipisks siltuma ievades diapazons
SMAW (vairogs metāla loks)	0.70 - 0.85	1.0 - 3.0 kJ/mm
GMAW (gāzes metāla loks)	0.75 - 0.90	0.8 - 2.5 kJ/mm
GTAW (gāzes volframa loks)	0.60 - 0.70	0.5 - 2.0 kJ/mm
ZĀĢIS (iegremdēts loks)	0.90 - 0.99	2.0 - 5.0 kJ/mm
FCAW (Flux Cored Arc)	0.75 - 0.90	1.0 - 3.0 kJ/mm

Avots: AWS D1.6:2017; ASME IX sadaļa (2023); Metināšanas metalurģija, Kou (2003)

Aprēķina piemērs: GTAW metinājums, kas izgatavots ar 12 voltu spriegumu, 150 ampēriem un kustības ātrumu 150 mm/min: siltuma padeve=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Tā ir salīdzinoši zema siltuma padeve, kas raksturīga plānas -profila austenīta nerūsējošajam tēraudam.

Austenīta nerūsējošie tēraudiir visvairāk metināmās no visām nerūsējošā tērauda saimēm, taču tās nav imūnas pret termiskiem bojājumiem. Primārais risks ir sensibilizācija — hroma karbīdu nogulsnēšanās pie graudu robežām, kad metāls šķērso 500–850 grādus pēc Celsija. Augsta siltuma padeve pagarina laiku, ko HAZ pavada šajā kritiskajā temperatūras zonā, palielinot sensibilizācijas nopietnību.

Austenitic Stainless Steels Moderate Heat Input Prevents Sensitization

Zema-oglekļa kategorijas (304 L, 316 L) un stabilizētās kategorijas (321, 347) tika īpaši izstrādātas, lai izturētu sensibilizāciju. Tomēr pat šīs kategorijas nav imūnas pret pārmērīgas siltuma padeves ietekmi. Augsts karstums izraisa arī graudu augšanu, kas var samazināt stingrību un palielināt karstās plaisāšanas risku pilnībā austenīta metinātos metālos.

Ieteicamais siltuma ievades diapazons austenīta kategorijām līdzsvaro divas konkurējošas prasības: pietiekami daudz siltuma, lai nodrošinātu atbilstošu saplūšanas un metināšanas baseina plūstamību, bet ne tik daudz, lai HAZ pavadītu pārmērīgu laiku sensibilizācijas diapazonā. Interpass temperatūras kontrole (parasti zem 150 grādiem pēc Celsija) vēl vairāk samazina kumulatīvo termisko iedarbību.

2. tabula. Siltuma ievades vadlīnijas austenīta nerūsējošajiem tēraudiem

Novērtējums	Ieteicamā siltuma padeve	Maksimālā caurlaides temp	Primārais pārmērīga karstuma risks
304 / 304L	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibilizācija, graudu augšana
316 / 316L	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibilizācija, samazināta izturība pret koroziju
321 (Ti-stabilizēts)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Graudu augšana, samazināta stingrība
347 (Nb-stabilizēts)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Graudu augšana, plaisāšanas risks
310 / 310S	0.8 - 2.0 kJ/mm	150 C	Karstā plaisāšana, graudu augšana

Avots: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME VIII sadaļas 1. nodaļa (2023)

Dupleksais nerūsējošais tēraudsiegūst savu izcilo izturību un izturību pret koroziju no līdzsvarotas mikrostruktūras, kurā ir aptuveni 50% austenīta un 50% ferīta. Metināšana izjauc šo līdzsvaru. Ātrais termiskais cikls veicina ferīta veidošanos, un, ja siltuma padeve ir pārāk zema, metinātais metāls un HAZ var saglabāt pārmērīgu ferītu (virs 70%), kas samazina stingrību un izturību pret koroziju.

Un otrādi, ja siltuma padeve ir pārāk augsta, pagarinātais laiks paaugstinātā temperatūrā veicina kaitīgu intermetālisku fāžu veidošanos, īpaši sigma fāzi un chi fāzi. Šīs fāzes patērē hromu un molibdēnu no apkārtējās matricas, radot noplicinātas zonas, kas ir jutīgas pret punktveida un stresa korozijas plaisāšanu. Sigma fāzes veidošanās ir visnopietnākais metalurģijas risks dupleksajā metināšanā.

Risinājums ir rūpīgi kontrolēts siltuma ievades logs, kas apvienots ar atbilstošiem pildmetāliem. Duplekso šķirņu pildmetāli ir pār-leģēti ar niķeli (parasti 8–9%), lai veicinātu austenīta pārveidošanu dzesēšanas laikā. Siltuma padevei jābūt pietiekami lielai, lai būtu laiks šai austenīta transformācijai, bet ne tik lielai, lai veidotos sigmas fāze.

3. tabula. Siltuma ievades vadlīnijas dupleksajiem nerūsējošajiem tēraudiem

Dupleksā pakāpe	Siltuma ievades diapazons	Max Interpass	Dzesēšanas ātruma prasība	Mērķa fāzes līdzsvars
2205 (UNS S31803)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Nav kritisks, ja atrodas diapazonā	45-55% austenīts
2507 (UNS S32750)	0.5 - 2.0 kJ/mm	150 C	Vēlama mērena dzesēšana	45-55% austenīts
2304 (UNS S32304)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Nav kritisks	45-55% austenīts
Lean Duplex (2101)	0.8 - 2.5 kJ/mm	150 C	Pieņemama ātrāka dzesēšana	40-60% austenīts

Avots: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Metināšanas vadlīnijas; NACE MR0175/ISO 15156

Martensīta nerūsējošais tērauds, atdzesējot no austenitizācijas temperatūras, pārvēršas par cietu, trauslu martensītu. Šī transformācija rada lielus atlikušos spriegumus un padara HAZ ļoti jutīgu pret ūdeņraža{1}}izraisītu plaisāšanu (ko sauc arī par aizkavētu plaisāšanu vai auksto plaisāšanu). Atšķirībā no austenīta markām, martensīta tēraudus neaizsargā stabila FCC kristāla struktūra.

Siltuma padeves kontrolei martensīta pakāpēm ir divi mērķi. Pirmkārt, pārmērīga siltuma padeve palielina sacietējušā HAZ izmēru, radot lielāku trauslā materiāla daudzumu. Otrkārt, zema siltuma padeve apvienojumā ar priekšsildīšanu palēnina dzesēšanas ātrumu, kas samazina martensīta cietību un nodrošina vairāk laika, lai ūdeņradis izkliedētu no metināšanas zonas.

Martensitic Stainless Steels Low Heat Input with Preheat Prevents Cracking

Iepriekšēja uzsildīšana ir būtiska martensīta pakāpēm. Priekšsildīšanas temperatūra ir atkarīga no oglekļa satura un sekcijas biezuma, taču parasti tā svārstās no 200-300 grādiem pēc Celsija. Interpass temperatūrai jābūt virs priekšsildīšanas minimuma. Gandrīz vienmēr nepieciešama termiskā apstrāde pēc metināšanas (rūdīšana 650-750 C).

4. tabula. Siltuma ievades un priekšsildīšanas prasības martensīta nerūsējošajiem tēraudiem

Martensīta pakāpe	Oglekļa saturs	Ieteicamā siltuma padeve	Uzkarsē Temp	Nepieciešams PWHT
410 (UNS S41000)	0.08-0.15%	1.0 - 2.0 kJ/mm	200-300 C	Jā (temperatūra)
420 (UNS S42000)	0.16-0.25%	0.8 - 1.5 kJ/mm	250-350 C	Jā (temperatūra)
431 (UNS S43100)	0.12-0.22%	0.8 - 1.5 kJ/mm	200-300 C	Jā (temperatūra)
17-4PH (UNS S17400)	0,07% maks	1.0 - 2.0 kJ/mm	100-150 C	Jā (novecošanās)

Avots: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME VIII sadaļa 1. nodaļa

Siltuma padeve ir nogulsnētās enerģijas mērs, bet tas ir dzesēšanas ātrums, kas nosaka galīgo mikrostruktūru. Tāda pati siltuma padeve, kas tiek izmantota 3 mm loksnei, nodrošinās daudz ātrāku dzesēšanas ātrumu nekā tad, ja to izmanto 25 mm plāksnei. Tāpēc siltumenerģijas ievades ieteikumi vienmēr ir jāņem vērā līdzās sekcijas biezumam.

Metināšanas dzesēšanas ātrumu parasti mēra kā atdzišanas laiku no 800 līdz 500 grādiem pēc Celsija (t8/5). Oglekļa tēraudiem šis parametrs tieši nosaka HAZ cietību un mikrostruktūru. Nerūsējošajiem tēraudiem kritiskais temperatūras diapazons atšķiras — sensibilizācijai svarīgs ir laiks, kas pavadīts no 850 līdz 500 grādiem pēc Celsija.

Sakarību starp siltuma ievadi un dzesēšanas ātrumu var tuvināt, izmantojot siltuma plūsmas vienādojumus. Plānām sekcijām (kur siltums plūst galvenokārt divās dimensijās) dzesēšanas ātrums ir apgriezti proporcionāls siltuma ievades kvadrātam. Biezām sekcijām (trīs{2}}dimensiju siltuma plūsma) dzesēšanas ātrums ir apgriezti proporcionāls siltuma padevei. Tas nozīmē, ka plānās daļās neliels siltuma padeves pieaugums dramatiski palēnina dzesēšanas ātrumu.

5. tabula. Dzesēšanas ātruma izmaiņas ar siltuma padevi un sekcijas biezumu

Sadaļas biezums	Siltuma padeve 1,0 kJ/mm	Siltuma padeve 2,0 kJ/mm	Siltuma padeve 3,0 kJ/mm	Ietekme uz HAZ
3 mm (plāns)	Ļoti ātra dzesēšana	Ātra dzesēšana	Mērena dzesēšana	Minimāls sensibilizācijas risks
10 mm (vidējs)	Ātra dzesēšana	Mērena dzesēšana	Lēna dzesēšana	Palielinās sensibilizācijas risks
25 mm (biezums)	Mērena dzesēšana	Lēna dzesēšana	Ļoti lēna dzesēšana	Augsts sensibilizācijas risks

Avots: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM rokasgrāmatas 6. sējums (2011)

Daudzkārtu metināšana rada sarežģījumus, kas nav vienvirziena -metināšanai: katra nākamā kārta pakļauj pamata metinājuma metālu un HAZ papildu termiskiem cikliem. Tas var būt izdevīgs vai kaitīgs atkarībā no pakāpes. Dažām austenīta šuvēm siltums no vēlākām pārejām var izšķīdināt karbīdus, kas radušies iepriekšējo metienu laikā. Dupleksajām kategorijām atkārtota karsēšana 600–900 grādu pēc Celsija diapazonā paātrina sigmas fāzes veidošanos.

Interpass temperatūra ir metināšanas zonas temperatūra tieši pirms nākamās gājiena uzklāšanas. Lielākajai daļai nerūsējošā tērauda tam jābūt zem 150 grādiem pēc Celsija, lai ierobežotu kumulatīvo termisko iedarbību. Dažas abpusējās apdrukas specifikācijas ir vēl stingrākas, jo super-dupleksajām pakāpēm, piemēram, 2507, ir nepieciešama caurlaide zem 100 grādiem pēc Celsija.

Praktiskā nozīme ir tāda, ka daudzkārtu metinātajām šuvēm ir nepieciešama rūpīgāka plānošana nekā vienvirziena metināšanas šuvēm. Metinātājam jāatvēl pietiekami daudz laika starp dzesēšanas gājieniem vai jāizmanto piespiedu dzesēšanas metodes (gaisa strūkla, ūdens migla), kas nepiesārņo metināšanas zonu. Ātra daudzkārtu metināšana dupleksajos vai super{5}}dupleksajos līmeņos ir bieži sastopams sigmas fāzes veidošanās un sekojošu pakalpojumu kļūmju cēlonis.

6. tabula. Starpplūsmas temperatūras vadlīnijas daudzkārtu metināšanai

Pakāpju ģimene	Ieteicamā starppāreja	Maksimālais caurlaidību skaits bez dzesēšanas	Kritiskais uzraudzības punkts
Austenīts (304, 316)	150 C max	3-4 tipiski	Laiks sensibilizācijas diapazonā
Dupleksais (2205)	150 C max	2-3 tipiski	Sigmas fāzes veidošanās
Super{0}}Dupleksais (2507)	100 C max	2 ieteicams	Sigmas fāze, intermetāliski
Martensīts (410, 420)	Uzturiet virs priekšsildīšanas	Nav ierobežojumu, ja tas ir iepriekš uzkarsēts	Ūdeņraža plaisāšana
Niķeļa sakausējumi (625, C-276)	150 C max	3-4 tipiski	Graudu augšana, mikrosegregācija

Avots: Outokumpu metināšanas vadlīnijas (2020); Īpašo metālu metināšanas rokasgrāmata; NACE MR0175

Sliktas siltuma padeves kontroles sekas nav teorētiskas. Tie regulāri parādās kļūdu analīzes pārskatos dažādās nozarēs. Izpratne par šiem kļūmes režīmiem palīdz inženieriem un inspektoriem atpazīt simptomus un izsekot tiem līdz pamatcēlonim.

Consequences of Excessive Heat Input

Starpgranulārā korozija: izraisa sensibilizācija HAZ. Graudu robežas tiek selektīvi ietekmētas, izraisot "cukurotu" izskatu uz virsmas. Bieži sastopams 304/316 metināšanas šuvēs ar pārmērīgu siltuma padevi bez atbilstošas L-klases vai stabilizācijas.

Punktu korozija: Sigma fāzes veidošanās dupleksajos tēraudos patērē hromu un molibdēnu, veidojot zonas ar samazinātu pretestību pret punktveida veidošanos. Bedrītes galvenokārt rodas augstas-karstuma-ievades metināšanas šuvēm.

Sprieguma korozijas plaisāšana (SCC): liela siltuma padeve rada lielāku HAZ ar lielāku atlikušo spriegumu. Apvienojumā ar sensibilizāciju tas rada ideālus apstākļus SCC vidē, kas satur hlorīdus.

Samazināta izturība: pārmērīga graudu augšana austenīta HAZ samazina triecienizturību. Dupleksajos tēraudos augsts ferīta saturs un sigma fāze ievērojami samazina izturību.

Karstā plaisāšana: pilnībā austenīta metinātos metālos (310, daži niķeļa sakausējumi) liela siltuma padeve pagarina laiku, kas pavadīts trauslā sacietēšanas diapazonā, palielinot sacietēšanas plaisāšanas risku.

7. tabula. Kļūmes režīmi, kas saistīti ar pārmērīgu siltuma ievadi

Neveiksmes režīms	Primārais cēlonis	Visvairāk ietekmētās pakāpes	Profilakse
Starpgranulu korozija	Sensibilizācija HAZ	304, 316 (kas nav -L pakāpes)	Izmantojiet L-pakāpi, ierobežojiet siltuma padevi
Pitting in HAZ	Sigmas fāze, Cr/Mo izsīkums	2205, 2507 duplekss	Ierobežojiet siltuma padevi, kontrolējiet starppāreju
Sprieguma korozijas plaisāšana	Sensibilizācija + atlikušais stress	Visas austenīta kategorijas	Šķīduma atkvēlināšana, samazina stresu
Samazināta triecienizturība	Graudu augšana, sigmas fāze	304, 316, 2205	Ierobežojiet siltuma padevi, izmantojiet atbilstošu pildvielu
Karsta plaisāšana	Paplašināts sacietēšanas diapazons	310, 347, daži Ni sakausējumi	Zema siltuma padeve, pareiza pildviela

Avots: ASM rokasgrāmatas 11. sējums: Failure Analysis (2002); NACE korozijas datu apsekojums; JN Alloys atteices gadījumu izpēte

Siltuma ievades kontrole sākas inženieru birojā un beidzas cehā. Metināšanas procedūras specifikācijā (WPS) ir jāiekļauj skaidri siltuma padeves ierobežojumi, nevis tikai pamata parametri strāvas stiprums, spriegums un pārvietošanās ātrums. Svarīgiem lietojumiem WPS jānorāda katra parametra pieņemamais diapazons un aprēķinātās siltuma ievades robežas.

Practical Heat Input Control From WPS to Shop Floor

Norādiet siltuma ievadi WPS: neuzskatiet, ka pietiek ar strāvas stipruma un sprieguma diapazonu uzskaitījumu. Aprēķiniet un skaidri norādiet maksimālo siltuma padevi (piemēram, “Maksimālā siltuma padeve: 2,0 kJ/mm”).

Izmantojiet kalibrētu aprīkojumu: mūsdienīgi strāvas avoti var parādīt un reģistrēt faktisko strāvas stiprumu un spriegumu. Izmantojiet šos datus, lai aprēķinātu faktisko siltuma padevi, nevis tikai iestatītos punktus.

Apmāciet metinātājus par sekām: metinātāji, kuri saprot, ka pārmērīga siltuma padeve var izraisīt korozijas kļūmes, būs vairāk motivēti kontrolēt braukšanas ātrumu un starpceļu temperatūru.

Pārraugiet kustības ātrumu: Braukšanas ātrums ir parametrs, ko metinātāji visbiežāk pielāgo ražošanas laikā. Sniedziet norādījumus par to, kā uzturēt nemainīgu ātrumu, vai izmantot mehanizētas/automatizētas sistēmas kritiskām šuvēm.

Dokumentējiet siltuma padevi kritiskām šuvēm: spiedtvertnēm, ārzonas komponentiem un ķīmiskās rūpnīcas cauruļvadiem aprēķiniet un reģistrējiet katras metinājuma faktisko siltuma padevi. Tas nodrošina izsekojamību turpmāku kļūmju gadījumā.

Izmantojiet siltuma ievades kalkulatorus: bezmaksas lietotnes un tiešsaistes kalkulatori ļauj metinātājiem ātri aprēķināt siltuma ievadi, izmantojot pamata parametrus. Mudiniet tos izmantot veikalā.

Siltuma padeves kontroles izmaksas ir minimālas, salīdzinot ar izmaksām, ko izraisa korozijas kļūme ekspluatācijā. Viena ķīmiskās rūpnīcas bedres kļūme var izraisīt miljoniem dolāru zaudējumus no ražošanas, vides sakopšanas un aprīkojuma nomaiņas. Ieguldījumi pareizā siltuma padeves kontrolē nav tikai laba inženierija — tā ir laba ekonomika.

Šajā tabulā ir apkopoti šī raksta ieteikumi ātrās{0}}atsauces formātā. Inženieri un ražotāji var izmantot šo matricu, lai noteiktu siltuma ievades ierobežojumus saviem īpašajiem lietojumiem.

8. tabula. Siltuma ievades lēmumu matrica pēc nerūsējošā tērauda saimes

Nerūsējošā ģimene	Siltuma ievades diapazons	Interpass maks	Kritiskais risks	Galvenais kontroles punkts
Austenīts (304 L, 316 L)	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibilizācija	Izmantojiet L-klasi, ierobežojiet laiku 500–850 C
Stabilizēts (321, 347)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Graudu augšana	Izvairieties no pārmērīgām piespēlēm
Dupleksais (2205)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sigmas fāze	Līdzsvaro austenītu/ferītu
Super{0}}Dupleksais (2507)	0.5 - 2.0 kJ/mm	100 C	Sigmas fāze	Stingra interpass kontrole
Martensīts (410, 420)	0.8 - 2.0 kJ/mm	Uzturiet priekšsildīšanu	Ūdeņraža plaisāšana	Nepieciešama priekšsildīšana + PWHT
Nokrišņi{0}}Sacietēšana	1.0 - 2.0 kJ/mm	150 C	Plaisāšana, pārmērīga novecošanās	Sekojiet ražotāja specifikācijām
Niķeļa sakausējumi (625, C-276)	0.8 - 2.0 kJ/mm	150 C	Mikrosegregācija	Zems siltums, pareiza pildviela

Avots: apkopots no AWS D1.6, ASME VIII/IX sadaļa, Outokumpu, Sandvik, Special Metals un JN Alloys tehniskajām vadlīnijām

Siltuma padeve ir vienīgais viskontrolējamākais mainīgais, kas nosaka nerūsējošā tērauda metināto šuvju kvalitāti un servisa veiktspēju. Siltuma ievades metalurģiskās sekas - sensibilizācija, sigmas fāzes veidošanās, graudu augšana un fāzes nelīdzsvarotība - ir labi saprotamas un paredzamas. Bieži vien pietrūkst disciplīnas, lai šīs zināšanas pārvērstu praksē.

Šajā rakstā sniegtie ieteikumi ir balstīti uz gadu desmitiem ilgušu pētījumu un lauka pieredzi. Tie nav patvaļīgi ierobežojumi -- tie atspoguļo metināšanas pamatā esošo fiziku un metalurģiju. Kontrolējot siltuma ievadi atbilstošā diapazonā katrai nerūsējošā tērauda saimei, ražotāji var ražot metināšanas šuves, kas saglabā izturību pret koroziju, mehāniskās īpašības un ilgtermiņa uzticamību, ko sagaida viņu klienti.

Lai saņemtu tehnisko atbalstu par nerūsējošā tērauda metināšanas procedūrām, pildmetāla izvēli vai siltuma ievades optimizāciju, sazinieties ar JN Alloys - — savu partneri augstas veiktspējas sakausējumu risinājumu jomā.

Tīmekļa vietne:www.jnalloys.com