Контрол на входящата топлина при заваряване на неръждаема стомана

Всяка заварка отлага енергия в основния метал. Тази енергия, измерена като входяща топлина, директно контролира размера на топлинно-засегнатата зона (HAZ), скоростта на охлаждане и в крайна сметка микроструктурата и свойствата на заварената връзка. За неръждаемите стомани, където устойчивостта на корозия е основното изискване за ефективност, контролът на входящата топлина не е задължителен - той е основен.

Входящата топлина се изчислява от три параметъра на заваряване: ампераж (ток), напрежение и скорост на движение. Връзката е ясна: вложената топлина е равна на произведението на тока и напрежението, разделено на скоростта на движение, с корекционен коефициент за процеса на заваряване. Но въпреки тази простота, вложената топлина остава един от най-неразбраните и погрешно прилагани параметри при производството на неръждаема стомана.

Защо има повече значение, отколкото си мислите? Тъй като последствията от неправилното подаване на топлина не винаги се виждат веднага. Заваръчен шев, който преминава през визуална проверка и рентгенография, все още може да се провали в експлоатация поради сенсибилизация, образуване на сигма фаза или прекомерен растеж на зърната - всички те са пряко свързани с термичния цикъл, наложен по време на заваряване. Тази статия обяснява металургичната основа за ограниченията на входящата топлина и предоставя практически насоки за различни фамилии от неръждаема стомана.

Изчисляване на входящата топлина

Стандартната формула за входяща топлина се извлича от основната физика. Мощността (ватове) е равна на напрежението, умножено по тока. Енергията (джаули) е равна на мощността, умножена по времето. При заваряването ни интересува енергията на единица дължина на заваръчния шев, което означава, че разделяме на скоростта на движение.

Коефициентът на ефективност отчита загубата на топлина в околната среда - радиация, конвекция и пръски. Различните процеси на заваряване имат различна ефективност:

Таблица 1: Фактори на топлинна ефективност по процес на заваряване

Източник: AWS D1.6:2017; ASME Раздел IX (2023); Заваръчна металургия, Ку (2003)

Примерно изчисление: GTAW заваръчен шев, направен при 12 волта, 150 ампера и скорост на движение 150 mm/min: Входяща топлина=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Това е сравнително ниска входяща топлина, типична за тънко{12}}аустенитна неръждаема стомана.

Аустенитни неръждаеми стомани: умереното внасяне на топлина предотвратява сенсибилизацията

Аустенитни неръждаеми стоманиса най-заваряемите от всички неръждаеми семейства, но не са имунизирани срещу термични повреди. Основният риск е сенсибилизация - утаяването на хромни карбиди по границите на зърната, когато металът преминава през диапазона 500-850 градуса по Целзий. Високото подаване на топлина удължава времето, което HAZ прекарва в тази критична температурна зона, увеличавайки тежестта на сенсибилизацията.

Класовете с ниско-въглерод (304L, 316L) и стабилизираните класове (321, 347) са разработени специално за устойчивост на сенсибилизация. Въпреки това, дори тези степени не са имунизирани срещу ефектите от прекомерното влагане на топлина. Високата топлина също причинява растеж на зърната, което може да намали якостта и да увеличи риска от горещи пукнатини в напълно аустенитни заварени метали.

Препоръчителният диапазон на входяща топлина за аустенитни класове балансира две конкуриращи се изисквания: достатъчно топлина, за да се осигури адекватно стапяне и течливост на заваръчната вана, но не толкова, че HAZ да прекарва прекалено много време в диапазона на сенсибилизация. Междупроходният температурен контрол (обикновено под 150 градуса по Целзий) допълнително намалява кумулативното термично излагане.

Таблица 2: Насоки за входяща топлина за аустенитни неръждаеми стомани

Източник: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME Раздел VIII Раздел 1 (2023)

Дуплексни неръждаеми стомани: Вложената топлина контролира баланса на аустенит-ферит

Дуплексни неръждаеми стоманиизвличат своята изключителна здравина и устойчивост на корозия от балансирана микроструктура от приблизително 50% аустенит и 50% ферит. Заваряването нарушава този баланс. Бързият термичен цикъл благоприятства образуването на ферит и ако входящата топлина е твърде ниска, заваръчният метал и HAZ могат да задържат прекомерен ферит (над 70%), което намалява якостта и устойчивостта на корозия.

Обратно, ако вложената топлина е твърде висока, продължителното време при повишена температура насърчава образуването на вредни интерметални фази -- особено сигма фаза и фаза чи. Тези фази консумират хром и молибден от заобикалящата матрица, създавайки изчерпани зони, податливи на питинг и корозионно напукване под напрежение. Образуването на сигма фаза е най-сериозният металургичен риск при дуплексното заваряване.

Решението е внимателно контролиран прозорец за входяща топлина, комбиниран с подходящи метални добавки. Допълнителните метали за дуплексните класове са над-легирани с никел (обикновено 8-9%), за да се насърчи реформирането на аустенита по време на охлаждане. Вложената топлина трябва да бъде достатъчно висока, за да позволи време за тази аустенитна трансформация, но не толкова висока, че да се образува сигма фаза.

Таблица 3: Насоки за входяща топлина за дуплексни неръждаеми стомани

Източник: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Указания за заваряване; NACE MR0175/ISO 15156

Мартензитни неръждаеми стомани: ниско топлинно подаване с предварително загряване предотвратява напукване

Мартензитните неръждаеми стомани се превръщат в твърд, чуплив мартензит при охлаждане от температурата на аустенизиране. Тази трансформация създава високи остатъчни напрежения и прави ЗТВ изключително податлива на водород-индуцирано напукване (наричано също забавено напукване или студено напукване). За разлика от аустенитните класове, мартензитните стомани не са защитени от стабилна FCC кристална структура.

Контролът на входящата топлина за мартензитните класове служи за две цели. Първо, прекомерното влагане на топлина увеличава размера на втвърдената HAZ, създавайки по-голям обем чуплив материал. Второ, ниското подаване на топлина, комбинирано с предварително загряване, забавя скоростта на охлаждане, което намалява твърдостта на мартензита и осигурява повече време за дифундиране на водорода извън зоната на заваряване.

Предварителното нагряване е от съществено значение за мартензитните класове. Температурата на предварително загряване зависи от съдържанието на въглерод и дебелината на секцията, но обикновено варира от 200-300 градуса по Целзий. Междупроходната температура трябва да се поддържа над минимума за предварително загряване. Почти винаги се изисква топлинна обработка след заваряване (температура при 650-750 C).

Таблица 4: Изисквания за входяща топлина и предварително загряване за мартензитни неръждаеми стомани

Източник: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME Раздел VIII Раздел 1

Свързване на скоростта на охлаждане: защо само входящата топлина не е достатъчна

Вложената топлина е мярка за отложената енергия, но скоростта на охлаждане е тази, която определя крайната микроструктура. Същата входяща топлина, приложена към 3 mm лист, ще доведе до много по-бърза скорост на охлаждане, отколкото когато се приложи към 25 mm плоча. Ето защо препоръките за входяща топлина винаги трябва да се вземат предвид заедно с дебелината на профила.

Скоростта на охлаждане при заваряване обикновено се измерва като времето за охлаждане от 800 до 500 градуса по Целзий (t8/5). За въглеродните стомани този параметър директно определя твърдостта и микроструктурата на HAZ. За неръждаемите стомани критичният температурен диапазон е различен - за сенсибилизация е важно времето, прекарано между 850 и 500 градуса по Целзий.

Връзката между входящата топлина и скоростта на охлаждане може да се определи приблизително с помощта на уравнения на топлинния поток. За тънки секции (където топлината тече основно в две измерения), скоростта на охлаждане е обратно пропорционална на квадрата на вложената топлина. За дебели секции (три-измерен топлинен поток), скоростта на охлаждане е обратно пропорционална на входящата топлина. Това означава, че при тънки секции, малко увеличение на вложената топлина драстично забавя скоростта на охлаждане.

Таблица 5: Вариация на скоростта на охлаждане с входяща топлина и дебелина на сечението

Източник: Welding Metallurgy, Kou (2003); Наръчник на ASM, том 6A (2011 г.)

Много{0}}заваряване: Кумулативна входяща топлина и температура между проходите

Многопроходното-заваряване въвежда усложнение, което еднопроходното-заваряване няма: всяко следващо преминаване подлага основния заваръчен метал и HAZ на допълнителни термични цикли. Това може да бъде полезно или вредно в зависимост от степента. За някои аустенитни заварки топлината от по-късните преминавания може да разтвори карбидите, образувани по време на по-ранните преминавания. За дуплексните класове многократното нагряване в диапазона 600-900 градуса по Целзий ускорява образуването на сигма фаза.

Междупроходна температура е температурата на заваръчната зона непосредствено преди нанасяне на следващия проход. За повечето неръждаеми стомани това трябва да се поддържа под 150 градуса по Целзий, за да се ограничи кумулативното термично излагане. Някои спецификации за дуплекс са още по-рестриктивни, като изискват междинно преминаване под 100 градуса по Целзий за супер-дуплексни класове като 2507.

Практическото значение е, че многопроходните-заварки изискват по-внимателно планиране от еднопроходните-заварки. Заварчикът трябва да предвиди достатъчно време между преминаванията за охлаждане или да използва методи за принудително охлаждане (въздушна струя, водна мъгла), които не замърсяват заваръчната зона. Бързото много-заваряване на дуплексни или супер-дуплексни класове е често срещана причина за образуване на сигма фаза и последващи неизправности при обслужването.

Таблица 6: Указания за междупроходна температура за много-заваряване

Източник: Outokumpu Welding Guidelines (2020); Ръководство за заваряване на специални метали; NACE MR0175

Последици от прекомерно влагане на топлина

Последствията от лош контрол на входящата топлина не са теоретични. Те се появяват редовно в докладите за анализ на неизправностите в различните отрасли. Разбирането на тези режими на повреда помага на инженерите и инспекторите да разпознаят симптомите и да ги проследят до основната причина.

Междукристална корозия: Причинява се от сенсибилизация в HAZ. Границите на зърната се атакуват селективно, което води до "захарообразуване" на повърхността. Често срещано при 304/316 заварки с прекомерно внасяне на топлина без подходящ L-клас или стабилизация.

Питинг корозия: Образуването на сигма фаза в дуплексни стомани консумира хром и молибден, създавайки зони с намалена устойчивост на питинг. Ямките се появяват за предпочитане в HAZ на високо-топлинно-заваряване.

Корозионно напукване при напрежение (SCC): Високото вложена топлина създава по-голяма HAZ с по-високо остатъчно напрежение. В комбинация със сенсибилизация, това създава идеални условия за SCC в среда,-съдържаща хлорид.

Намалена якост: Прекомерният растеж на зърната в аустенитната HAZ намалява якостта на удар. В дуплексните стомани високото съдържание на ферит и сигма фазата значително намаляват якостта.

Горещо напукване: В напълно аустенитни заварени метали (310, някои никелови сплави) високият топлинен поток удължава времето, прекарано в диапазона на крехко втвърдяване, увеличавайки риска от напукване при втвърдяване.

Таблица 7: Режими на повреда, свързани с прекомерно подаване на топлина

Източник: Наръчник на ASM, том 11: Анализ на отказите (2002); Проучване на данни за корозия на NACE; Казуси за повреда на JN сплави

Практичен контрол на подаването на топлина: от WPS до цех

Контролът на входящата топлина започва в инженерния офис и завършва в цеха. Спецификацията на заваръчната процедура (WPS) трябва да включва изрични граници на входящата топлина, а не само основните параметри на ампераж, напрежение и скорост на движение. За критични приложения WPS трябва да посочи приемливия диапазон за всеки параметър и изчислените граници на входящата топлина.

Посочете входяща топлина в WPS: Не приемайте, че изброяването на диапазони на ампераж и напрежение е достатъчно. Изчислете и посочете изрично максималната входяща топлина (напр. „Максимална входяща топлина: 2,0 kJ/mm“).

Използвайте калибрирано оборудване: Модерните източници на енергия могат да показват и записват действителния ампераж и напрежение. Използвайте тези данни, за да изчислите действителната входяща топлина, а не само зададените точки.

Обучете заварчиците за последствията: Заварчиците, които разбират, че прекомерното влагане на топлина може да причини корозионни повреди, ще бъдат по-мотивирани да контролират скоростта на движение и температурата между проходите.

Следете скоростта на движение: Скоростта на движение е параметърът, който най-често се регулира от заварчиците по време на производството. Осигурете насоки как да поддържате постоянна скорост или да използвате механизирани/автоматизирани системи за критични заварки.

Документирайте вложената топлина за критични заварки: За съдове под налягане, офшорни компоненти и тръбопроводи на химически завод, изчислете и запишете действителната входяща топлина за всяка заварка. Това осигурява проследимост в случай на бъдещи повреди.

Използвайте калкулатори за входяща топлина: Безплатните приложения и онлайн калкулатори позволяват на заварчиците бързо да изчисляват входящата топлина от основните параметри. Насърчавайте използването им в магазина.

Цената за контрол на входящата топлина е минимална в сравнение с цената на повреда от корозия по време на експлоатация. Една единствена повреда в химически завод може да доведе до милиони долари загуба на производство, почистване на околната среда и подмяна на оборудване. Инвестирането в подходящ контрол на входящата топлина не е просто добро инженерство - това е добра икономика.

Резюме

Следната таблица консолидира препоръките от тази статия във формат за бърза{0}}справка. Инженерите и производителите могат да използват тази матрица, за да установят граници на входящата топлина за техните специфични приложения.

Таблица 8: Матрица за вземане на решения за входяща топлина по семейство от неръждаема стомана

Източник: Съставено от AWS D1.6, ASME раздел VIII/IX, технически указания на Outokumpu, Sandvik, Special Metals и JN Alloys

Заключение

Входящата топлина е единствената най-контролируема променлива, която определя качеството и експлоатационните характеристики на заварките от неръждаема стомана. Металургичните последици от въвеждането на топлина - сенсибилизация, образуване на сигма фаза, растеж на зърна и фазов дисбаланс - са добре разбрани и предвидими. Това, което често липсва, е дисциплината за превеждане на това знание на практика.

Препоръките в тази статия се основават на десетилетия изследвания и полеви опит. Те не са произволни ограничения - – те отразяват основната физика и металургия на заваряването. Чрез контролиране на входящата топлина в рамките на подходящия диапазон за всяка фамилия от неръждаема стомана, производителите могат да произвеждат заварки, които запазват устойчивостта на корозия, механичните свойства и дългосрочната надеждност, които техните клиенти очакват.

За техническа поддръжка относно процедурите за заваряване на неръждаема стомана, избор на добавъчен метал или оптимизиране на входящата топлина, свържете се с JN Alloys - - вашият партньор в решенията за високоефективни сплави.

уебсайт:www.jnalloys.com