Monel 400 postupak zavarivanja: GTAW, dodatni metal ERNiCu-7 i čišćenje nakon zavarivanja

Monel 400(UNS N04400, W.Nr. 2.4360) je jednofazna-legura nikal-bakar - oko 67% nikla i 30% bakra - s izvanrednom otpornošću na morsku vodu, fluorovodičnu kiselinu i vruća kaustična okruženja. Vari pouzdano, ali nagrađuje discipliniran postupak: plinsko lučno zavarivanje (GTAW/TIG) s dodatnim metalom ERNiCu-7, stroga čistoća za sprječavanje poroznosti, kontrolirani unos topline za sprječavanje vrućih pukotina i temeljito čišćenje nakon zavarivanja za vraćanje otpornosti na koroziju.

Ovaj članak odgovara na pitanja koja zavarivači i inženjeri najčešće postavljaju: što je legura, koji postupak i punilo odabrati, točni GTAW parametri, kako spriječiti poroznost i vruće pukotine, kako zavariti različite spojeve, što je stvarno potrebno za-čišćenje nakon zavarivanja, je li potrebna toplinska obrada i kako kvalificirati i pregledati Monel 400 zavare. Svaka kvantitativna izjava može se pratiti do standarda i izvora proizvođača navedenih u odjeljku Reference.

Monel 400 zavarivanje na prvi pogled

Tablica u nastavku sažima odgovore koje ovaj članak detaljno razvija. Svaki redak može se zasebno izdvajati i citirati.

Što je Monel 400 i zašto mu je potreban poseban postupak zavarivanja?

Monel 400 (UNS N04400) je jednofazna-legura nikal-bakar koja sadrži otprilike 63-70% nikla i 28-34% bakra, i dobro se zavari konvencionalnim lučnim postupcima - postupak nije bitan zato što je legura teška za spajanje, već zato što je njen metal šava neobično osjetljiv na dva oštećenja koja se mogu spriječiti: poroznost od onečišćenje i vruće pucanje od unosa topline i onečišćenja.

Monel 400 nije "nehrđajući čelik" niti legura koja -otvrdnjava starenjem. To je kruta-legura nikla i bakra: dva su elementa potpuno topljiva jedan u drugome, tako da je mikrostruktura austenitna na svim temperaturama i ne može se očvrsnuti toplinskom obradom. Ta jedina činjenica objašnjava pravila zavarivanja koja slijede - bez prethodnog zagrijavanja iz metalurških razloga, bez obvezne toplinske obrade nakon-zavarivanja i bez transformacijskih pukotina, što je rizik kod čelika koji se mogu kaliti.

U tablici 2 navedeni su nominalni sastav i korozijska svojstva svakog elementa.

Tablica 2. Nominalni sastav Monela 400 (UNS N04400, prema ASTM B164 i tehničkim tablicama proizvođača).

Kombinacija daje Monelu 400 njegove klasične primjene: cjevovod za morsku vodu, pumpe i ventile u pomorskoj službi; oprema za fluorovodičnu kiselinu, sumpornu kiselinu i kaustične lužine; cijevi izmjenjivača topline; i pričvršćivači, opruge i komponente instrumenata. Oblici proizvoda pokriveni su ASTM B127 (ploča/list), B164 (šipka/šipka), B165 (bešavna cijev/cijev), B163 (cijev kondenzatora) i B564 (otkivci), s ASME ekvivalentima za rad pod pritiskom. Budući da je legura jedno-fazna, zavarljivost je u osnovi dobra - postupak jednostavno mora zaštititi čistu, nisko-grijanu i-kontaminiranu zavarenu posudu.

Koji postupak zavarivanja i dodatni metal trebam koristiti za Monel 400?

Koristite GTAW (TIG) s ERNiCu-7 dodatnim metalom (AWS A5.14) kao referentni postupak za Monel 400; GMAW s istom ERNiCu-7 žicom i SMAW s ENiCu-7 elektrodama (AWS A5.11) praktične su proizvodne alternative za deblje ili manje kritične radove.

Odabir punila slijedi klasično pravilo usklađivanja za čvrste-otopine legure: punilo treba odgovarati kemijskom sastavu osnovnog metala tako da zavareni sloj ima istu mikrostrukturu i otpornost na koroziju kao osnovni metal. ERNiCu-7 (često se prodaje pod trgovačkim nazivom Monel 60 / Alloy 60) je AWS A5.14 oznaka za ovo punilo. Njegov nominalni sastav je 62-69% nikla, ostatak bakra (oko 27-34%), 1,5-3,0% titana, 4,0% mangana, 2,5% željeza, 1,25% silicija i 0,15% ugljika. Namjerno dodavanje titana ključni je detalj: on deoksidira zavarenu kupku i pomaže u suzbijanju poroznosti, koja je najčešći pojedinačni nedostatak Monel zavara.

Za zavarivanje pokrivenom{0}}elektrodom (štapićem), AWS A5.11 ENiCu-7 elektrode (Monel 190-tip) daju isti odgovarajući talog za SMAW. Za GMAW (MIG), ista ERNiCu-7 žica se napaja argonom ili argon-helijevom zaštitom. Slika 2 uspoređuje nazivne sastave osnovnog metala i punila kako bi se pokazalo zašto se ERNiCu-7 naziva "odgovarajućim" punilom: ta dva su gotovo identična osim dodatka titana u punilu.

Slika 2. Nominalni sastav osnovnog metala Monel 400 u odnosu na punilo ERNiCu-7 (tipične vrijednosti, mas. %; rasponi prema UNS N04400 i AWS A5.14).

Tablica 3 sažima način na koji se obično dijele tri glavna procesa.

Tablica 3. Postupci zavarivanja za Monel 400 i njihove tipične uloge.

Kako mogu pripremiti Monel 400 za zavarivanje?

Priprema je mjesto gdje se zapravo rješava većina problema sa zavarivanjem Monel 400: odmastite spoj čistim otapalom, uklonite okside namjenskim alatima od nehrđajućeg-čelika i očuvajte spoj bez kontaminacije sumporom, olovom, bakrom i-čelikom - zatim upotrijebite dizajn spoja koji zavarivaču omogućuje pristup bez pretjeranog unosa topline.

Monel 400 se isporučuje s tankim, žilavim površinskim oksidom koji se mora ukloniti prije zavarivanja. Počnite s odmašćivanjem: obrišite područje spoja i žicu za punjenje acetonom ili odobrenim otapalom kako biste uklonili ulje, mast, tekućinu za rezanje i radničku prašinu - ovo su izravni uzroci poroznosti zavara. Zatim mehanički uklonite površinski oksid žičanom četkom od-nehrđajućeg čelika ili čistim abrazivom i ponovno obrišite. Četka mora biti namijenjena legurama Monel/nikal: četka koja je prethodno korištena na ugljičnom čeliku ugradit će čestice željeza u površinu, a onečišćenje željezom uzrokuje lokalno hrđanje i rupičastu pojavu nakon rada zavara.

Pravila kontaminacije su stroga. Nikada ne koristite olovke ili bojice koje sadrže sumpor u blizini spojeva - sumpor potiče vruće pucanje. Nikada ne dopustite da alati od bakra ili-legure bakra (mjedeni čekići, bakrene potporne šipke, alati za lomljenje bakra) dodiruju rastaljenu bazenu: rastaljeni bakar vlaži leguru nikla i stvara filmove niske-taljivosti koji pucaju. Dizajn spoja je uobičajen: za cijev i ploču, jedan-V kosi od oko 60-70 stupnjeva uključeni kut s korijenskim razmakom koji omogućuje potpuno spajanje, a spoj treba biti čist i suh neposredno prije zavarivanja. Budući da Monel ima manju fluidnost od čelika, otvoren pristup i dobro pristajanje-smanjuju rizik nedostatka--defekata fuzije.

Koji su točni GTAW parametri za Monel 400?

Za GTAW od Monela 400 koristite negativnu elektrodu istosmjerne struje (DCEN), 100% zaštitu od argona pri 15–20 cfh, kratki luk, zrnca bez tkanja, umjereni unos topline od otprilike 0,5–1,5 kJ/mm i održavajte međuprolaznu temperaturu na ili ispod oko 150 stupnjeva - nije potrebno prethodno zagrijavanje.

DCEN (negativna elektroda) standardna je za Monel GTAW: koncentrira toplinu u radnom komadu za dobro prodiranje dok volfram elektrodu održava hladnom. Čisti argon normalan je zaštitni plin pri 15–20 cfh (oko 7–9,5 L/min); za deblje dijelove može se dodati helij ili mješavina argona i helija kako bi se povećao unos topline u spoj. Na cijevi, pročišćavanje argonom štiti korijen od oksidacije. Neka luk bude kratak - dugi luk uvlači zrak u oklop i dokazano stvara poroznost.

Raspon struje uglavnom ovisi o promjeru žice za punjenje i debljini presjeka, kao što je sažeto u tablici 4 (vrijednosti sastavljene iz uputa proizvođača-metala za punjenje; točne vrijednosti moraju potjecati iz specifikacije kvalificiranog postupka zavarivanja, WPS).

Tablica 4. Tipični rasponi parametara GTAW za Monel 400 s ERNiCu-7 punilom (DCEN, 100% argon).

Unos topline kontrolira se kombinacijom struje, brzine kretanja i tehnike. Neka se luk kreće ravnim, uskim perlama i izbjegavajte široko tkanje koje pregrijava bazen. Budući da se Monel 400 širi više od čelika kada se zagrijava, deformacija se brzo nakuplja na više-zavarenim spojevima; umjerena brzina kretanja i međuprolazna kontrola drže pod kontrolom rizik od izobličenja i vrućih-pukotina. Mnogi postupci ograničavaju međuprolaznu temperaturu na 100-150 stupnjeva; neki dopuštaju do oko 200 stupnjeva, ali 150 stupnjeva je konzervativna kontrolna točka. Cijeli -slijed koraka - od provjere materijala do pregleda - prikazan je na slici 1.

Slika 1. Tijek rada zavarivanja Monel 400 GTAW - šest koraka (shematski; nije zamjena za kvalificiranog WPS).

Zašto monel varovi dobivaju poroznost i kako to spriječiti?

Poroznost je-defekt broj jedan u zavarivanju Monel 400, a gotovo uvijek je riječ o kontaminaciji - uljem, masti, tekućini za rezanje, vlazi, sumpor-oznakama koje sadrže-ili lošoj pokrivenosti plinom - a ne samim parametrima zavarivanja; čiste površine, suhi potrošni materijal i dobra zaštita to sprječavaju.

Mehanizam je razvijanje plina tijekom skrućivanja. Kada se ugljikovodici, vlaga ili drugi kontaminanti zagrijavaju pomoću luka, razlažu se na vodik, kisik i paru. Ovi plinovi su topljivi u tekućoj zavarenoj kupki, ali gotovo netopivi u skrućujućoj leguri nikla, pa se odbijaju na fronti skrućivanja i zarobljavaju kao mjehurići. Budući da se metal za zavarivanje nikla i bakra skrućuje u uskom temperaturnom rasponu, mjehurići imaju malo vremena da isplivaju, a rezultat je porozan, mehanički slab zavar koji curi.

Prevencija je kontrolni popis, a ne tajna:

• Čistoća -Odmastite spoj i žicu za punjenje acetonom ili otapalom neposredno prije zavarivanja.
• Bez zagađivača -Obrišite tekućine za rezanje, maziva i prodajnu prašinu; nikada ne varite preko boje ili tinte markera.
• Suhi potrošni materijal -Čuvati žicu za punjenje u suhoj ambalaži; šipka ili žica s vidljivom hrđom, kamencem ili vlagom odbijaju se.
• Oklop -Koristite argon visoke-čistoće i provjerite protok; dugačak luk ili radnja s propuhom razbija oklop.
• Ponovno čišćenje -Pročistite unutrašnjost cijevi argonom tako da korijen bude zaštićen s obje strane.
• Između prolaza -Držite kontroliranu temperaturu između prolaza i čistite svaki prolaz posebnom četkom od nehrđajućeg čelika.

Zašto Monel 400 puca tijekom zavarivanja i kako spriječiti vruće pucanje?

Vruće pucanje (pukotine od skrućivanja) u Monel 400 uzrokovane su eutektikom niske{1}}taljivosti - filmovima bogatim sumporom, fosforom ili bakrom koji ostaju tekući dok se okolni metal već skrutio -, a spriječavaju ga čiste površine, mali unos topline, zrna užeta, kontrolirana međuprolazna temperatura i stroga zabrana alata od-legura bakra.

Kako se bazen za zavarivanje hladi, dendriti rastu od linije taljenja prema središtu. Ako su prisutni tramp elementi kao što su sumpor i fosfor, oni se koncentriraju u posljednjoj tekućini da bi se smrznuli i formirali filmove niskog-taljenja duž granica zrna. Kada se skupljajući zavar koji se skrućuje podvrgne - većem naprezanju skupljanja s velikim unosom topline, širokim zrncima tkanja, visokim ograničenjem ili debelim dijelovima - ovi još uvijek-tekući filmovi se otvaraju, a pukotina se zamrzava. To je razlog zašto su Monel postupci toliko inzistirani na materijalu s niskim-sumporom, čistim spojevima i niskom unosu topline.

Onečišćenje bakrom zaslužuje poseban spomen zbog kemijskog sastava same legure. Ako bakar iz mjedenih čekića, bakrenih potpornih šipki ili alata za usitnjavanje-legura bakra uđe u rastaljenu, on se spaja s niklom i stvara eutektiku niske-taljivosti nikal-bakar koja lako puca. Zapravo, zavareni bazen postaje vlastita legura-osjetljiva na pukotine. Pravilo je apsolutno: nikada ne dodirujte vruće područje zavara s bakrom ili mesingom i koristite samo čelične alate koji su namijenjeni legurama nikla.

Praktične kontrole protiv -pukotina odražavaju popis poroznosti: provjerite nizak sadržaj sumpora u bazi i punilu; temeljito odmastiti; koristite umjereni unos topline (0,5–1,5 kJ/mm) s perlama; držati interpass Manje od ili jednako 150 stupnjeva; izbjegavajte pretjerano sputavanje zglobova dobrim-prilagodbama i redoslijedom; a za više-zavare, pustite da se zavar ohladi između prolaza. Ako se pronađe pukotina, potpuno je izbrusite i -ponovno zavarite - zavarivanje preko pukotine nikada je ne zacjeljuje.

Kako bih trebao zavariti Monel 400 na ugljični ili nehrđajući čelik?

Monel 400 uspješno zavaruje ugljični čelik i nehrđajući čelik koristeći nikal-bakar ili nikal punila - obično ERNiCu-7 ili ENiCu-7 - s kvalificiranim WPS-om, kontroliranim razrjeđivanjem i razumijevanjem da različiti spoj nasljeđuje mehanička svojstva slabije strane.

Različiti spojevi Monel-na-čelik uobičajeni su u kemijskim i pomorskim postrojenjima gdje se Monel komponenta (ventil, pumpa, cijev) spaja na cijevi od ugljičnog čelika ili nehrđajućeg čelika. ERNiCu-7 je standardno punilo za ove spojeve jer je njegov depozit kompatibilan s obje strane: odgovara Monel strani i prihvaća umjereno razrjeđivanje željeza sa strane čelika bez stvaranja krhkih faza. Za primjene čeličnih obloga, može se nanijeti prvi sloj punila od čistog nikla za kontrolu upijanja željeza prije završne obrade s ERNiCu-7.

Dva inženjerska rizika su razrjeđivanje i diferencijalno toplinsko širenje. Željezo sa strane čelika razrjeđuje talog zavarivanja, tako da bi unos topline i tehnika zavarivanja trebali održavati nisko razrjeđivanje - maslacem i višestrukim prolazima pomaže. Toplinska ekspanzija razlikuje se između Monela i čelika, tako da duge, vrlo ograničene spojeve treba dizajnirati imajući na umu fleksibilnost. Kvalifikacija uvijek prethodi proizvodnji: spoj mora biti pokriven WPS-om koji je kvalificiran prema važećem kodu, a zavarivači moraju biti kvalificirani za uključeni proces i materijale.

Koje čišćenje nakon-zavarivanja zahtijeva Monel 400?

Čišćenje nakon -zavarivanja uklanja toplinsku nijansu, kamenac oksida i ugrađenu kontaminaciju željezom korištenjem namjenskog četkanja od nehrđajućeg-čelika i tretmana dekapiranjem-na bazi dušične kiseline, nakon čega slijedi ispiranje i sušenje; ovo obnavlja otpornost na koroziju područja zavara - iako je strogo govoreći to čišćenje, a ne "pasivacija" u smislu nehrđajućeg-čelika, jer Monel nema sloj krom-oksida za stvaranje.

Tijekom zavarivanja, zona pod utjecajem topline- razvija toplinsku nijansu - tanak sloj oksida - i radnički alati mogu ostaviti čestice željeza ugrađene u površinu. Nijedno nije zaštitno: kamenac oksida je mjesto za početak korozije, a onečišćenje željezom hrđa u radu i kvari leguru nikla. Ista logika čistoće koja upravlja pripremom prije -zavarivanja primjenjuje se i nakon zavarivanja, a važna je za -korozijsko kritične primjene kao što su cjevovod s morskom vodom i HF kiselina.

Tipičan redoslijed čišćenja Monel 400 nakon-zavara je: (1) uklonite toplinsku nijansu i prskanje od zavara namjenskom žičanom četkom od nehrđajućeg-čelika ili čistim abrazivnim - nikad četkama od karbonskog-čelika; (2) za kamenac tvrdokornog oksida, kiselite s otopinom na bazi dušične-kiseline (na primjer, oko 10% dušične kiseline s 1-2% fluorovodične kiseline za veliki kamenac ili tretman dušičnom kiselinom na sobnoj-temperaturi ~20% za čišćenje površine i uklanjanje labavog kamenca, slijedeći ASTM A380/A380M-praksu čišćenja i kiseljenja prilagođenu legure nikla); (3) temeljito isprati čistom ili deioniziranom vodom; i (4) potpuno osušiti. Ostaci kiseline zaostali u pukotinama napadaju leguru, tako da ispiranje nije obavezno.

Uobičajeni radni izraz "pasiviranje Monela" tehnički je neobičan: pasivizacija nehrđajućeg čelika namjerno stvara film krom-oksida, a Monel 400 ne sadrži krom. Ono što obrada dušikom zapravo čini jest uklanjanje kamenca oksida, čestice i onečišćenja željezom tako da je vlastita površina legure nikal-bakar - koja je inherentno otporna na koroziju u svojim radnim okruženjima - izložena čistom. Uvijek potvrdite recept za kiseljenje kod proizvođača legure ili kvalificiranog stručnjaka za površinsku obradu i rukujte svim kiselinama s odgovarajućom osobnom zaštitnom opremom i dozvolama za pogon.

Treba li Monel 400 toplinska obrada nakon -zavarivanja?

Ne - Monel 400 se ne može očvrsnuti, pa toplinska obrada nakon -zavarivanja općenito nije potrebna i nije potrebna za obnavljanje otpornosti na koroziju; smanjenje naprezanja primjenjuje se samo kada dizajn to zahtijeva, a otvrdnjavanje starenjem-nakon zavarivanja primjenjuje se na Monel K-500, a ne na Monel 400.

Budući da je Monel 400 jednofazna-kruta otopina bez transformacije pri hlađenju, zavarivanje ne stvara tvrdu, krhku mikrostrukturu u zoni-zahvaćene toplinom i ne senzibilizira leguru - nema kromovih karbida koji bi se taložili, kao što može biti u nehrđajućim čelicima. Kao -zavaren Monel 400 zadržava svoju otpornost na koroziju i rastezljivost, što je upravo razlog zašto je standardni postupak jednostavno zavarivanje, čišćenje i pregled.

Dvije nijanse. Prvo, povremeno se navodi smanjenje naprezanja za dimenzijsku stabilnost ili smanjenje-preostalog naprezanja na jako zavarenim ili strojno obrađenim komponentama; kada jest, trebao bi slijediti važeći kodeks i temperaturni raspon koji preporučuje proizvođač, jer neodgovarajući ciklus može ogrubljiti strukturu zrna. Drugo, nemojte brkati Monel 400 s Monelom K-500 (UNS N05500): K-500 može otvrdnuti taloženjem-i, kada je zavaren, mora se ponovno odležati nakon zavarivanja kako bi se obnovila njegova čvrstoća - to je drugačiji postupak od onog ovdje opisanog za Monel 400.

Kako mogu kvalificirati i pregledati Monel 400 zavare?

Kvalificirajte postupak zavarivanja u skladu s važećim kodeksom - tipično ASME Kodeks za bojlere i tlačne posude, odjeljak IX (WPS podržan PQR-om) za tlačnu opremu - kvalificirajte zavarivače, zatim pregledajte vizualnim testiranjem plus ispitivanje penetrantom, radiografijom ili ultrazvučnim ispitivanjem prema kodeksu; za kiselu upotrebu, dodajte provjere tvrdoće kako biste potvrdili NACE MR0175/ISO 15156 usklađenost na Manje od ili jednako 35 HRC.

Monel 400 zavar vrijedan je povjerenja koliko i njegov trag na papiru. Pisana specifikacija postupka zavarivanja (WPS) bilježi bitne varijable - proces, osnovni metal, dodatni metal, polaritet, raspon struje, zaštitni plin i protok, ograničenja predgrijanja/međuprolaza i post{3}}obradu zavarivanja - i mora biti podržana Zapisom o kvalifikaciji postupka (PQR) iz destruktivnog i ne-destruktivnog ispitivanja ispitnog kupona. Zavarivači moraju imati kvalifikacije izvedbe (WPQ) za proces. Ovo je standardni okvir ASME odjeljka IX i primjenjuje se nepromijenjen na Monel 400.

Inspekcija obično počinje 100% vizualnim testiranjem (VT) kako bi se otkrila površinska poroznost, pukotine, podrezivanja i nepotpuna fuzija - svi nedostaci opisani u ovom članku. Ispitivanje tekućim penetrantom (PT) standardni je pronalazač površinskih pukotina za legure nikla; radiografija (RT) ili ultrazvučno ispitivanje (UT) dodaje se za -održavanje pritiska i kritične strukturalne zavare prema primjenjivom kodu i specifikaciji klijenta. Tamo gdje će komponenta vidjeti uslugu koja sadrži H₂S-, NACE MR0175/ISO 15156-3 navodi Monel 400 kao prihvatljiv pri maksimalnoj tvrdoći od 35 HRC, tako da su ispitivanja tvrdoće metala zavara i zone pod utjecajem topline standardni korak prihvaćanja, a sljedivost potrošnog materijala demonstrira se certifikatima o materijalu (na primjer, mlin EN 10204 3.1 certifikati) za osnovni metal i šaržu punila ERNiCu-7.