Kontrola unosa topline kod zavarivanja nehrđajućeg čelika

Svaki zavar odlaže energiju u osnovni metal. Ta energija, mjerena kao unos topline, izravno kontrolira veličinu zone pod utjecajem topline (HAZ), brzinu hlađenja i na kraju mikrostrukturu i svojstva zavarenog spoja. Za nehrđajuće čelike, gdje je otpornost na koroziju primarni zahtjev za rad, kontrola unosa topline nije izborna - ona je temeljna.

Unos topline izračunava se iz tri parametra zavarivanja: jakosti struje (struje), napona i brzine kretanja. Odnos je jednostavan: unos topline jednak je umnošku struje i napona, podijeljen s brzinom kretanja, s faktorom korekcije za proces zavarivanja. Ipak, unatoč ovoj jednostavnosti, unos topline ostaje jedan od najčešće neshvaćenih i krivo primijenjenih parametara u proizvodnji nehrđajućeg čelika.

Zašto je to važnije nego što mislite? Jer posljedice pogrešnog unosa topline nisu uvijek vidljive odmah. Zavar koji prođe vizualni pregled i radiografiju ipak može biti neispravan zbog osjetljivosti, stvaranja sigma faze ili prekomjernog rasta zrna -- a sve je to izravno povezano s toplinskim ciklusom nametnutim tijekom zavarivanja. Ovaj članak objašnjava metaluršku osnovu za ograničenja unosa topline i daje praktične smjernice za različite obitelji nehrđajućeg čelika.

Izračun unosa topline

Standardna formula za unos topline izvedena je iz osnovne fizike. Snaga (vati) jednaka je naponu pomnoženom sa strujom. Energija (džuli) jednaka je snazi ​​pomnoženoj s vremenom. Kod zavarivanja nas zanima energija po jedinici duljine zavara, što znači da dijelimo s brzinom kretanja.

Faktor učinkovitosti uzima u obzir gubitak topline u okolinu -- zračenje, konvekciju i prskanje. Različiti postupci zavarivanja imaju različitu učinkovitost:

Tablica 1: Faktori učinkovitosti unosa topline po postupku zavarivanja

Izvor: AWS D1.6:2017; ASME odjeljak IX (2023); Metalurgija zavarivanja, Kou (2003.)

Primjer izračuna: GTAW zavar napravljen pri 12 volti, 150 ampera i brzini kretanja od 150 mm/min: Unos topline=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Ovo je relativno nizak unos topline, tipičan za tank-austenitni nehrđajući čelik.

Austenitni nehrđajući čelici: umjereni unos topline sprječava preosjetljivost

Austenitni nehrđajući čelicinajzavarljiviji su od svih obitelji nehrđajućeg čelika, ali nisu imuni na toplinska oštećenja. Primarni rizik je senzibilizacija -- taloženje krom karbida na granicama zrna kada metal prolazi kroz raspon od 500-850 stupnjeva Celzijusa. Veliki unos topline produljuje vrijeme koje ZUT provodi u ovoj kritičnoj temperaturnoj zoni, povećavajući ozbiljnost senzibilizacije.

Klase s niskim-ugljikom (304L, 316L) i stabilizirane klase (321, 347) razvijene su posebno za otpornost na preosjetljivost. Međutim, ni ti stupnjevi nisu imuni na učinke prekomjernog unosa topline. Visoka temperatura također uzrokuje rast zrna, što može smanjiti žilavost i povećati rizik od vrućih pukotina u potpuno austenitnim metalima za zavarivanje.

Preporučeni raspon unosa topline za austenitne stupnjeve uravnotežuje dva konkurentna zahtjeva: dovoljno topline da se osigura odgovarajuće taljenje i fluidnost bazena za zavarivanje, ali ne toliko da HAZ provede prekomjerno vrijeme u rasponu osjetljivosti. Interpass kontrola temperature (obično ispod 150 stupnjeva Celzijusa) dodatno smanjuje kumulativnu toplinsku izloženost.

Tablica 2: Smjernice za unos topline za austenitne nehrđajuće čelike

Izvor: Priručnik za nehrđajući čelik Outokumpu (2020.); AWS D1.6:2017; ASME odjeljak VIII div.1 (2023)

Duplex nehrđajući čelici: unos topline kontrolira ravnotežu austenita-ferita

Duplex nehrđajući čeliciiznimnu čvrstoću i otpornost na koroziju dobivaju zahvaljujući uravnoteženoj mikrostrukturi od približno 50% austenita i 50% ferita. Zavarivanje narušava ovu ravnotežu. Brzi toplinski ciklus pogoduje stvaranju ferita, a ako je unos topline premali, metal zavara i ZUT mogu zadržati višak ferita (iznad 70%), što smanjuje žilavost i otpornost na koroziju.

Nasuprot tome, ako je unos topline prevelik, produženo vrijeme na povišenoj temperaturi potiče stvaranje štetnih intermetalnih faza -- osobito sigma faze i chi faze. Ove faze troše krom i molibden iz okolne matrice, stvarajući osiromašene zone podložne pitingu i pucanju od korozije pod naponom. Formiranje sigma faze je najozbiljniji metalurški rizik kod dvostrukog zavarivanja.

Rješenje je pažljivo kontrolirani prozor za unos topline, u kombinaciji s odgovarajućim dodatnim metalima. Dodatni metali za dupleks kvalitete su preko-legirani niklom (obično 8-9%) kako bi se pospješila reformacija austenita tijekom hlađenja. Unos topline mora biti dovoljno visok da omogući vrijeme za ovu transformaciju austenita, ali ne toliko visok da se formira sigma faza.

Tablica 3: Smjernice za unos topline za dupleks nehrđajuće čelike

Izvor: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015.); Sandvik SAF 2205/2507 Smjernice za zavarivanje; NACE MR0175/ISO 15156

Martenzitni nehrđajući čelici: mali unos topline s predgrijavanjem sprječava pucanje

Martenzitni nehrđajući čelici pretvaraju se u tvrdi, krti martenzit nakon hlađenja s temperature austenitizacije. Ova transformacija stvara visoka zaostala naprezanja i čini ZUT izuzetno osjetljivom na -pukotine izazvane vodikom (također se naziva odgođeno pucanje ili hladno pucanje). Za razliku od austenitnih razreda, martenzitni čelici nisu zaštićeni stabilnom FCC kristalnom strukturom.

Kontrola unosa topline za martenzitne stupnjeve ima dvije svrhe. Prvo, prekomjerni unos topline povećava veličinu stvrdnute ZUT, stvarajući veći volumen krhkog materijala. Drugo, nizak unos topline u kombinaciji s predgrijanjem usporava brzinu hlađenja, što smanjuje tvrdoću martenzita i daje više vremena vodiku da difundira iz zone zavara.

Predgrijavanje je bitno za martenzitne stupnjeve. Temperatura predgrijavanja ovisi o sadržaju ugljika i debljini presjeka, ali obično se kreće od 200-300 stupnjeva Celzijusa. Temperatura međuprolaza mora se održavati iznad minimuma predgrijavanja. Gotovo uvijek je potrebna toplinska obrada nakon zavarivanja (kaljenje na 650-750 C).

Tablica 4: Zahtjevi za unos topline i predgrijavanje za martenzitne nehrđajuće čelike

Izvor: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME odjeljak VIII div.1

Priključak brzine hlađenja: Zašto sam unos topline nije dovoljan

Unos topline je mjera deponirane energije, ali brzina hlađenja je ta koja određuje konačnu mikrostrukturu. Isti unos topline primijenjen na ploču od 3 mm proizvest će mnogo veću brzinu hlađenja nego kada se primijeni na ploču od 25 mm. Zbog toga se preporuke za unos topline uvijek moraju uzeti u obzir uz debljinu profila.

Brzina hlađenja u zavarivanju obično se mjeri kao vrijeme potrebno za hlađenje od 800 do 500 stupnjeva Celzijusa (t8/5). Za ugljične čelike ovaj parametar izravno određuje tvrdoću i mikrostrukturu ZUT-a. Za nehrđajuće čelike, kritični temperaturni raspon se razlikuje -- za senzibilizaciju je važno vrijeme provedeno između 850 i 500 stupnjeva Celzijusa.

Odnos između unosa topline i brzine hlađenja može se aproksimirati pomoću jednadžbi protoka topline. Za tanke presjeke (gdje toplina teče prvenstveno u dvije dimenzije), brzina hlađenja je obrnuto proporcionalna kvadratu ulazne topline. Za debele presjeke (tro-dimenzionalni protok topline), brzina hlađenja je obrnuto proporcionalna unosu topline. To znači da u tankim dijelovima malo povećanje unosa topline dramatično usporava brzinu hlađenja.

Tablica 5: Varijacije brzine hlađenja s unosom topline i debljinom presjeka

Izvor: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM priručnik svezak 6A (2011.)

Više{0}}zavarivanje: kumulativni unos topline i međuprolazna temperatura

Više{0}}prolazno zavarivanje uvodi komplikaciju koju jedno-prolazno zavarivanje nema: svaki sljedeći prolaz izlaže osnovni zavareni metal i ZUT dodatnim toplinskim ciklusima. Ovo može biti korisno ili štetno ovisno o stupnju. Za neke austenitne zavare, toplina iz kasnijih prolaza može otopiti karbide nastale tijekom ranijih prolaza. Za duplex kvalitete, opetovano zagrijavanje u rasponu od 600-900 stupnjeva Celzijusa ubrzava stvaranje sigma faze.

Međuprolazna temperatura je temperatura zone zavara neposredno prije nanošenja sljedećeg prolaza. Za većinu nehrđajućih čelika ovo treba održavati ispod 150 stupnjeva Celzijusa kako bi se ograničilo kumulativno izlaganje toplini. Neke su specifikacije za dupleks čak i restriktivnije, zahtijevajući međuprolaz ispod 100 stupnjeva Celzijusa za super-dupleks kvalitete kao što je 2507.

Praktična implikacija je da više{0}}zavarivanje zahtijeva pažljivije planiranje nego jedno-prolazno zavarivanje. Zavarivač mora omogućiti dovoljno vremena između prolaza za hlađenje ili koristiti metode prisilnog hlađenja (mlaz zraka, vodena magla) koje ne onečišćuju zonu zavarivanja. Užurbano zavarivanje u više prolaza na dupleks ili super-dupleks tipovima čest je uzrok stvaranja sigma faze i naknadnih kvarova u servisu.

Tablica 6: Smjernice za međuprolaznu temperaturu za više-zavarivanje

Izvor: Smjernice za zavarivanje Outokumpu (2020.); Priručnik za zavarivanje specijalnih metala; NACE MR0175

Posljedice prekomjernog unosa topline

Posljedice loše kontrole unosa topline nisu teoretske. Redovito se pojavljuju u izvješćima o analizi kvarova u različitim industrijama. Razumijevanje ovih načina kvarova pomaže inženjerima i inspektorima da prepoznaju simptome i dođu do temeljnog uzroka.

Interkristalna korozija: uzrokovana senzibilizacijom u ZUT-u. Granice zrna su selektivno napadnute, što dovodi do pojave "šećera" na površini. Uobičajeno u 304/316 zavarenim spojevima s prekomjernim unosom topline bez odgovarajućeg L- stupnja ili stabilizacije.

Rupičasta korozija: Stvaranje sigma faze u dupleks čelicima troši krom i molibden, stvarajući zone sa smanjenom otpornošću na rupičastu koroziju. Jamice se prvenstveno pojavljuju u ZUT-u zavarenih spojeva s visokim-unosom topline-.

Pucanje od korozije na napon (SCC): Visok unos topline stvara veću ZUT s većim preostalim naprezanjem. U kombinaciji sa senzibilizacijom, ovo stvara idealne uvjete za SCC u sredinama koje-sadrže klorid.

Smanjena žilavost: Pretjerani rast zrna u austenitnom HAZ-u smanjuje udarnu žilavost. U duplex čelicima, visoki sadržaj ferita i sigma faza značajno smanjuju žilavost.

Vruće pucanje: U potpuno austenitnim metalima za zavarivanje (310, neke legure nikla), veliki unos topline produljuje vrijeme provedeno u području krtog skrućivanja, povećavajući rizik od pucanja uslijed skrućivanja.

Tablica 7: Načini kvarova povezani s prekomjernim unosom topline

Izvor: ASM Handbook Svezak 11: Analiza kvarova (2002.); NACE Istraživanje podataka o koroziji; Studije slučaja kvara JN legura

Praktična kontrola ulazne topline: od WPS do prodajnog prostora

Kontrola unosa topline počinje u inženjerskom uredu, a završava u pogonu. Specifikacija postupka zavarivanja (WPS) mora uključivati ​​eksplicitna ograničenja unosa topline, a ne samo osnovne parametre jakosti struje, napona i brzine kretanja. Za kritične primjene, WPS bi trebao odrediti prihvatljivi raspon za svaki parametar i izračunate granice ulazne topline.

Navedite ulaz topline u WPS: Nemojte pretpostavljati da je dovoljno navesti raspon amperaže i napona. Izračunajte i eksplicitno navedite maksimalni unos topline (npr. 'Maksimalni unos topline: 2,0 kJ/mm').

Koristite kalibriranu opremu: Moderni izvori energije mogu prikazati i zabilježiti stvarnu jakost struje i napon. Koristite ove podatke za izračun stvarnog unosa topline, a ne samo zadanih točaka.

Obučite zavarivače o posljedicama: Zavarivači koji razumiju da pretjerani unos topline može uzrokovati kvarove zbog korozije bit će više motivirani kontrolirati brzinu kretanja i međuprolaznu temperaturu.

Pratite brzinu kretanja: brzina kretanja je parametar koji zavarivači najčešće podešavaju tijekom proizvodnje. Pružite smjernice o tome kako održavati konstantnu brzinu ili koristiti mehanizirane/automatizirane sustave za kritične zavare.

Dokumentirajte unos topline za kritične zavare: Za posude pod tlakom, offshore komponente i cjevovode kemijskih postrojenja, izračunajte i zabilježite stvarni unos topline za svaki zavar. To omogućuje sljedivost u slučaju budućih kvarova.

Koristite kalkulatore unosa topline: Besplatne aplikacije i mrežni kalkulatori omogućuju zavarivačima da brzo izračunaju unos topline iz osnovnih parametara. Potaknite njihovu upotrebu u trgovini.

Trošak kontrole unosa topline minimalan je u usporedbi s cijenom kvara korozije tijekom rada. Jedan kvar u pitingu u kemijskoj tvornici može rezultirati milijunima dolara u gubitku proizvodnje, čišćenju okoliša i zamjeni opreme. Ulaganje u odgovarajuću kontrolu unosa topline nije samo dobar inženjering - to je dobra ekonomija.

Sažetak

Sljedeća tablica objedinjuje preporuke iz ovog članka u format brze-referencije. Inženjeri i proizvođači mogu koristiti ovu matricu za uspostavljanje ograničenja unosa topline za svoje specifične primjene.

Tablica 8: Matrica odluke o unosu topline prema obitelji nehrđajućeg čelika

Izvor: Sastavljeno iz AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals, and JN Alloys tehničke smjernice

Zaključak

Unos topline je jedina varijabla koju je moguće kontrolirati i koja određuje kvalitetu i radnu izvedbu zavarenih spojeva od nehrđajućeg čelika. Metalurške posljedice unosa topline -- senzibilizacija, stvaranje sigma faze, rast zrna i fazna neravnoteža -- dobro su razumljive i predvidljive. Ono što često nedostaje je disciplina da se to znanje prevede u praksu.

Preporuke u ovom članku temelje se na desetljećima istraživanja i iskustva na terenu. To nisu proizvoljna ograničenja -- ona odražavaju temeljnu fiziku i metalurgiju zavarivanja. Kontroliranjem unosa topline unutar odgovarajućeg raspona za svaku familiju nehrđajućeg čelika, proizvođači mogu proizvesti zavare koji zadržavaju otpornost na koroziju, mehanička svojstva i dugoročnu pouzdanost koju njihovi kupci očekuju.

Za tehničku podršku u postupcima zavarivanja nehrđajućeg čelika, odabiru dodatnog materijala ili optimizaciji unosa topline, kontaktirajte JN Alloys - - vašeg partnera u rješenjima legura visokih performansi.

Web stranica:www.jnalloys.com