Дугове зварювання -порошком (FCAW) нікелевих сплавів: продуктивність проти якості-якості

Чому FCAW є найкращим і найризикованішим вибором для нікелевих сплавів

-Дугове зварювання під порошковим сердечником (FCAW) — це найвищий{1}}продуктивний напівавтоматичний процес зварювання нікелевих сплавів. Він може наплавляти 3--5 кг зварювального металу на годину — у п’ять разів більше, ніж у GTAW (TIG), — водночас створюючи зварні шви, які відповідають тим самим вимогам щодо міцності на розтяг, текучості та ударної напруги за Шарпі, що й GTAW.

Але FCAW на нікелевих сплавах є невблаганним: недбалий вибір режиму дуги, неправильний захисний газ або слабкий контроль міжпрохідної температури створюють пористість і гарячі тріщини, яких GTAW ніколи б не допустив. У цьому посібнику ви знайдете дані, критерії прийняття рішень і процедурні огорожі для продуктивного використання FCAW без шкоди для корозійних і механічних характеристик, які призначені для нікелевих сплавів.

Основи FCAW: два режими, дві філософії

Який режим FCAW слід використовувати для нікелевих сплавів?

FCAW працює у двох різних режимах, і вибір між ними є найбільш послідовним рішенням у будь-якій процедурі FCAW для нікелевих-сплавів:

Чому FCAW-S рідко вказується для обслуговування критичних нікелевих сплавів

FCAW-S генерує власне екранування, розкладаючи наповнювач флюсу, у результаті чого створюється -збагачена азотом атмосфера. Нікелеві сплави є чудовими поглиначами азоту --, а азот у зварювальній ванні утворює крихкі нітриди та пори. Зварні шви FCAW-S у нікелевих сплавах зазвичай показують рівень пористості азоту 200--500 ppm порівняно з 30--80 ppm для FCAW-D. FCAW-S неприйнятний для будь-якого застосування, де на зварювальному шві будуть корозійні середовища, тиск або екстремальні температури. FCAW-S іноді використовується для тимчасових польових зварних швів або зовнішнього монтажу, де газові балони є непрактичними, але навіть тоді критерії прийнятності повинні бути значно жорсткішими.

Порівняння продуктивності: FCAW проти GTAW проти GMAW проти SMAW

Наскільки швидше FCAW порівняно з іншими процесами?

FCAW-D утворює в 3–5 разів більше наплавленого металу за годину, ніж GTAW, і в 1,5–2 рази більше, ніж GMAW на нікелевих сплавах.

Цифри, що стоять за перевагою продуктивності FCAW, засновані на фізиці. Швидкість подачі дроту, щільність струму та робочий цикл разом забезпечують швидкість наплавлення, яку не може зрівняти жоден ручний чи напівавтоматичний процес при виготовленні нікелевого сплаву з товстим-перетином.

Справжні номери виробника: FCAW-D на 20-мм плиті Inconel 625

Цех виготовлення труб, який порівнював GTAW і FCAW-D для зварювання 20-мм труби Schedule 80 Inconel 625 (6-дюймів NB) із стиковим з’єднанням із V-подібною канавкою, зафіксував такий час для кожного з’єднання:

Змішаний підхід (GTAW root + FCAW-D fill/cap) став стандартною процедурою магазину. Він фіксує чудове проникнення в корені GTAW і кореневий прохід із нульовою-пористістю, а потім перемикається на FCAW-D для проходження наповнювача та кришки. Цей підхід зараз є стандартним у більшості великих цехів з виготовлення нікелевих сплавів у всьому світі.

Компроміс-якості: де FCAW поступається GTAW

FCAW-D представляє чотири вимірні ризики якості порівняно з GTAW, усі з яких можна контролювати за допомогою правильної процедури.

Зварювальний метал FCAW-D в Inconel 625 незмінно відповідає тим самим вимогам до розтягування, текучості та Шарпі, що й GTAW, якщо процедуру визначено правильно.

Занепокоєння щодо того, що FCAW створює -нижчу якість зварювання, ніж GTAW, частково є міфом, а частково-залежним від процедури. Сучасні процедури FCAW-D для нікелевих сплавів при правильному виконанні дають метал зварного шва з ідентичними або кращими механічними властивостями, ніж еквівалентні процедури GTAW. Ключовими змінними є: класифікація присадного металу, склад захисного газу та контроль надходження тепла.

Примітка. Наведені вище показники швидкості корозії отримано з 90--денного випробування ASTM G48 методом C зануренням. Як FCAW-D, так і GTAW зварні вироби показали еквівалентну корозійну стійкість, оскільки наповнювач ERNiCrMo-3 перевершує основний метал за вмістом Mo та Cr, компенсуючи будь-які незначні мікроструктурні відмінності між двома процесами. Джерело: Дані процедури зварювання нікелевих сплавів Lincoln Electric, 2023 р.

Захисний газ: вирішальна змінна якості FCAW-D

75--80% аргону + 20--25% CO₂ — це оптимальний баланс для нікелевого сплаву FCAW-D — балансує стабільність дуги, проникнення та низьку пористість. Прямий CO₂ або суміші з високим вмістом CO₂ викликають пористість; чистий аргон зменшує бризки, але погіршує змочування.

Чому додавання азоту до екранування FCAW з нікелевого сплаву є катастрофічним

Поширена помилкова думка, що оскільки нікелеві сплави містять -композиції без азоту, додавання N₂ до захисного газу нешкідливо. Це неправда. Азот в атмосфері дуги поглинається безпосередньо в резервуар розплавленого нікелю, де він утворює крихкі опади нітриду нікелю (Ni₃N) і пористість азоту. В одному задокументованому випадку виробник додав 8% N₂ до суміші Ar/CO₂, щоб «поліпшити стабільність дуги», і виготовив метал зварного шва з рівнем пористості азоту 1200--2500 частин на мільйон — повністю відхилений. Додавання азоту ніколи не є прийнятним для екранування з нікелевого сплаву FCAW або GTAW.

Швидкість потоку, відстань до сопла та вітер: практичні засоби керування

Швидкість потоку: 25--40 л/хв (1--1,5 cfm) для сопла 12--20 мм; збільшення для протягів

Відстань від-до-робочої частини: максимум 15--25 мм -- понад 25 мм, ефективність захисту від крапель навколишнього повітря на 40--60%

Швидкість вітру вище 5 миль/год (8 км/год): скористайтеся щитом із захисним газом або перейдіть у захищене місце; вище 8 миль/год, GTAW або FCAW-S лише з особливою обережністю

Продувайте шланг і регулятор щодня перед першим використанням - забруднення вологи спричиняє водневу пористість у зварному шві

Підведення тепла та міжпрохідний контроль температури

Підтримуйте підведення тепла від 0,8 до 2,5 кДж/мм, а температуру між проходами нижче 150 градусів (300 градусів F) — ті самі обмеження, що й для GTAW. Вища швидкість осадження FCAW не дозволяє збільшити тепловіддачу.

Формула підведення тепла для FCAW (з напрацьованим прикладом)

Підведення тепла (кДж/мм)=(Напруга × Сила струму × 60) ÷ (Швидкість руху мм/хв × 1000)

Вибір наповнювача для нікелевого сплаву FCAW

AWS A5.34 (специфічний для FCAW-) і AWS A5.14 (сумісний з GTAW/GMAW-) визначають основні метали наповнювача для нікелевого сплаву FCAW. Завжди використовуйте наповнювачі з рейтингом FCAW- (сертифіковані Tig- і Arc-) для максимальної сумісності.

Зберігання та транспортування дроту FCAW: прихована змінна якості

Зберігайте дріт FCAW в оригінальній герметичній упаковці; поглинання вологи викликає водневу пористість (перевірено відповідно до додатку AWS A5.34)

Не використовуйте дріт, на зовнішній поверхні якого видно іржу, ямки або знебарвлення – вологість флюсу погіршує якість зварювання.

Зміна котушки: очистіть направляючу дроту та контактний наконечник перед повторним запуском; флюс на зрізаному кінці попередньої котушки може бути забруднений

Для критичних послуг (NACE, ASME, розділ VIII, ядерна): укажіть порошковий дріт відповідно до AWS A5.34 із сертифікатом відповідності та хімічним звітом для кожного нагрівання/номеру партії

Перелік перевірок якості нікелевих сплавів FCAW

Примітки щодо процедури FCAW сімейства нікелевих сплавів

Інконель 625: найкращий нікелевий сплав для FCAW

Inconel 625 є найпростішим нікелевим сплавом для FCAW, оскільки його високий вміст Nb+Mo забезпечує само-стабілізацію проти гарячого розтріскування та сенсибілізації. Це рекомендований сплав для цехів, які переходять від виробництва нержавіючої сталі до виробництва нікелевих сплавів.

Наповнювач ERNiCrMo-3 є універсальним вибором - перевершує основний метал за міцністю та стійкістю до корозії

Не вимагає попереднього нагріву або PWHT; температура між проходами 150 градусів макс

Кореневий проход GTAW все ще рекомендується для стикових зварних швів із повним-проваром; FCAW-D для заповнення/заглушки

Комбінація 625/ERNiCrMo-3 схвалена відповідно до NACE MR0175 / ISO 15156 для використання в кислих умовах у звареному стані

Інконель 718: будьте обережнішими

Інконель 718 має дисперсійне-загартування, що означає, що ЗТВ, що прилягає до зварних швів FCAW, зазнає часткового розчинення фази-основного гамма-зміцнення. Це знижує твердість і міцність у вузькій зоні 2--5 мм від лінії зварювання.

Для максимальної міцності: укажіть термічну обробку після зварювання (PWHT) -- розчинний відпал за 980 градусів + подвійне старіння відповідно до AMS 5666

Для -зварювальних робіт: використовуйте наповнювач ERNiCrMo-3; міцність буде достатньою для некритичних структурних застосувань

Уникайте FCAW-S на Inconel 718 -- поглинання азоту додатково дестабілізує гамма-основну фазу

Для аерокосмічної галузі: FCAW часто забороняється в критичних структурах; перевірити AMS 5666 і специфікації OEM конкретного двигуна

Hastelloy C-276: дивіться молібден

Високий вміст молібдену в Hastelloy C-276 (15--16,5%) робить його дуже сприйнятливим до сегрегації молібдену у зварювальній ванні, що може спричинити розтріскування при затвердінні, якщо надходження тепла не контролюється.

Використовуйте наповнювач ERNiCrMo-4 із суворим контролем надходження тепла: максимум 0,8--1,8 кДж/мм

Підтримуйте міжпрохідний кут на рівні 120 градусів або нижче (проти . 150 градусів для інконеля 625) - – для сплавів, багатих Mo, необхідний жорсткіший контроль

Повністю уникайте FCAW-S – атмосфера розкладання флюсу є особливо агресивною щодо хімічного складу металу зварного шва C-276

Наповнювач ERerniCrMo-4 не входить до списку AWS A5.34 -- використовуйте позначення порошкового дроту, сумісного з AWS A5.14 відповідно до AWS A5.34M

Incoloy 825: Феронікелевий виклик

Вміст заліза в Incoloy 825 (мінімум 22%) і стабілізація титану роблять його середньої складності для FCAW - твердіший, ніж Inconel 625, легший, ніж Hastelloy C-276.

Наповнювач ERNiFeCr-2 (Incoloy) забезпечує відповідний склад і є кращим для експлуатації при підвищених температурах

ERNiCrMo-3 також може бути використаний і забезпечує вищі відкладення Cr+Mo - корисно для корозійно-критичних застосувань

Зберігати тепловіддачу 0,8--2,0 кДж/мм; міжпрохідний 150 градусів макс

Більш високий вміст заліза в металі зварного шва 825 може демонструвати дещо нижчу міцність на повзучість, ніж основний метал при температурах вище 550 градусів -- укажіть відповідний наповнювач для роботи при високій температурі

FCAW проти GTAW щодо проекту виготовлення 10-тонного нікелевого сплаву

FCAW-D зменшує загальну вартість зварювання на 35--55% на великих виробництвах нікелевих сплавів завдяки вищій швидкості наплавлення, скороченню робочого часу та нижчій вартості витратних матеріалів на кілограм наплавленого металу зварного шва – за умови, що ризик якості контролюється за допомогою контролю процедури.

Припущення: 65 доларів США/год-зварювальника з повним навантаженням; ERNiCrMo-3 дріт за 60 $/кг; аргон 0,30 $/л, CO₂ 0,05 $/л; ККД GTAW 60%, ефективність FCAW-D 80%; Вага відкладення 10 тонн (типова для посудини середнього тиску). Домінує економія праці; витрати на дріт і газ є незначними.

Застосування FCAW: приклади хімічної обробки та виробництва електроенергії

Випадок 1: Труба десульфурації димових газів (FGD) Hastelloy C-276 -- вугільна електростанція

На вугільній-електростанції потужністю 420 МВт було модернізовано повітроводи FGD із мокрого вапняку (24-міліметрова пластина Hastelloy C-276, приблизно 3,5 тонни зварювального наплаву) за допомогою гібридного підходу FCAW-D. Початкова специфікація була 100% GTAW --, але виробник запропонував FCAW-D для проходів заповнення/закриття з коренем GTAW. Незалежні RT та UT перевірки показали: нуль бракувальних дефектів, середня кількість пористості 3 孔 на 100 мм зварного шва (порівняно з допустимим лімітом 8 孔 на 100 мм відповідно до розділу VIII ASME). Випробування V-подібним надрізом Шарпі при -29 градусах показали середнє значення 85--110 Дж (вимога: мінімум 27 Дж). Виробник завершив проект за 14 тижнів у порівнянні з оцінкою TIG у 22 тижні – це 36% економія графіка – із загальною економією в 340 000 доларів США за контрактом на виготовлення на 2,1 мільйона доларів США. Повітропроводи працювали протягом 8 років без жодних несправностей, пов’язаних із зварюванням у секції C-276.

Випадок 2: Трубопровід з морської води Inconel 625 – теплообмінник транспортера СПГ

Суднобудівна верф СПГ виготовила кожухотрубний-{1}}теплообмінник для охолодження морської води, використовуючи безшовну трубу Inconel 625 (Sch 40, 8-дюймів NB; загальна кількість зварного шару 18 тонн). Верф використовувала FCAW-D для всіх проходів заповнення та заглушки з ERNiCrMo-3 дротом та екрануванням 75Ar/25CO₂. Контроль якості включав: 100% RT (згідно з правилами IGC Code / DNV-GL), PT на всіх зварювальних швах насадок і відгалужень, а також випробування на розтяг усіх зразків кваліфікаційного випробування (PQR). Результати: 99,2% показник прийнятності першого проходу (під час RT не виявлено бракувальних дефектів); механічні випробування показали середню міцність на розрив 965 МПа (специфікація основного металу: 827 МПа хв), середній CVN при -196 градусах 105 Дж. Верф пояснює низький рівень дефектів суворим міжпрохідним контролем температури (максимум 120 градусів, що контролюється за допомогою контактного пірометра між кожним проходом) і спеціальним обладнанням FCAW, яке ніколи не використовувалося для виробів з нержавіючої сталі - усунення перехресного забруднення як джерело пористості.

Випадок 3: Посудина для нейтралізації кислоти Incoloy 825 -- завод з виробництва фосфорної кислоти

Посудина для нейтралізації фосфорної кислоти (Incoloy 825, стінка 22 мм, внутрішній об’єм 6 м³) була виготовлена ​​з використанням FCAW-D з наповнювачем ERNiFeCr-2. Це був перший проект виробника Incoloy FCAW після завершення успішної роботи з Inconel 625. Основною проблемою щодо якості була сенсибілізація HAZ: 825 містить титан (0,6--1,2%), який при температурах вище 540 градусів може утворювати TiC і руйнувати хром на межах зерен. Виробник вирішив це шляхом: (а) обмеження проміжного проходу до 120 градусів (більше, ніж стандартні 150 градусів), (б) використання лише стрингера (без плетіння) і (в) визначення стабілізаційної термічної обробки після зварювання при 940 градусах протягом 2 годин на кожні 25 мм (нижче діапазону сенсибілізації 540--760 градусів). Остаточна перевірка включала ASTM A262 Практика C (випробування Хьюї): швидкість корозії 0,18 мм/рік (межа:<0.5 mm/yr). The vessel has operated in 30% H₃PO₄ + 3% HCl at 90 °C for 6 years with no evidence of intergranular attack.

Специфікація процедури FCAW для нікелевих сплавів

Часті запитання

Питання: Чи може FCAW виготовляти зварні шви, які відповідають критеріям прийнятності NACE MR0175 (кислий сервіс)?

Так -- FCAW-D зварні шви з використанням присадного металу ERNiCrMo-3 повністю перераховані в NACE MR0175 / ISO 15156-3 як прийнятні для середовищ, що містять H₂S, у стані після зварювання, за умови, що кваліфікаційне випробування процедури (PQR) демонструє, що HAZ і метал зварного шва відповідають усім вимогам до механічних властивостей і твердості. (макс. HRC 40 для кислого подачі). Ключовим є використання правильної класифікації присадного металу та забезпечення відповідності хімічного складу зварного металу позначенню A5.34/A5.14 у сертифікаті відповідності. Зварні шви Hastelloy C-276 FCAW з використанням ERNiCrMo-4 також схвалені NACE для використання в кислих середовищах.

З: Чому кореневий прохід GTAW все ще рекомендується при використанні FCAW для заповнювальних і закритих проходів?

Кореневий проход GTAW забезпечує чудове проникнення (глибше сварювання в основний метал), нульову-початкову точку дефектів і можливість побачити й виправити будь-яку-не-сварку відразу в корені. FCAW має більший дуговий конус і більш турбулентне переміщення крапель, що може спричинити відсутність--злиття в вузьких геометріях кореня, якщо параметри встановлено неточно. Починаючи з якісного кореневого проходу GTAW, гарантується, що корінь є-герметичним і повністю проникнутим -- зона найвищого ризику в будь-якому стиковому зварюванні, тоді FCAW ефективно заповнює з’єднання. Цей гібридний підхід є галузевим стандартом для виготовлення труб і резервуарів з Inconel 625, C-276 і Incoloy 825.

З: Як запобігти дефектам силікатних острівців між проходами FCAW на нікелевих сплавах?

Силікатні острівці утворюються, оскільки флюс у дроті FCAW розкладається з утворенням плівок кремнезему (SiO₂) на поверхні зварювальної ванни. Якщо ці плівки не видалити до наступного проходу, вони захоплюються у вигляді шлакових включень. Профілактика проста, але-трудомістка: використовуйте спеціальну дротяну щітку з нержавіючої сталі, щоб чистити кожен прохід перед наступним проходом. Використовуйте окрему щітку лише для нікелевих сплавів -- ніколи не використовуйте одну щітку для вуглецевої чи нержавіючої сталі. Візуально перевіряйте зварну поверхню перед кожним проходом; будь-яку сіро-білу кремнеземну плівку необхідно повністю видалити. Техніка стрингера зменшує накопичення кремнезему порівняно з технікою плетіння.

Запитання: чи прийнятний FCAW-S для нікелевих сплавів?

Лише в обмежених, не-критичних ситуаціях. FCAW-S створює -насичений азотом захист від розкладання флюсу, що спричиняє пористість азоту в нікелевих сплавах. Прийнятними варіантами застосування є: встановлення на відкритому повітрі, де вітер робить газовий захист непрактичним, а вимоги до якості не-критичні (наприклад, тимчасові опори, польові модифікації зі зниженими вимогами до перевірки). Необхідно посилити критерії прийнятності: максимальний розмір пор зменшити до половини стандартного ліміту, а радіологічна прийнятність не повинна показувати скупчення пор. FCAW-S заборонено використовувати для будь-яких застосувань,-що містять тиск,-кислотні-або-корозію.

З: Як FCAW порівнюється з GMAW (MIG) для нікелевих сплавів?

FCAW-D забезпечує на 50--100% вищу швидкість осадження, ніж GMAW-P (імпульсна MIG) на нікелевих сплавах, насамперед тому, що дріт FCAW має вищу щільність струму (менший діаметр, більша швидкість подачі), а додавання флюсу підвищує температуру дуги та ефективність перенесення металу. FCAW-D також більш толерантний до незначних коливань у кріпленні-з’єднань і чистоті поверхні, оскільки система флюсу забезпечує певну буферність проти забруднення поверхні. Компроміс-полягає в тому, що FCAW вимагає більш ретельного очищення між проходами (видалення кремнезему) і створює більш грубий профіль-зварної поверхні. GMAW-P створює гладкіший валик із меншою кількістю очищення після-зварювання, але з меншою продуктивністю. Індустріальний консенсус для виготовлення нікелевих сплавів: використовуйте GMAW-P для тонких секцій (нижче 6 мм), де зовнішній вигляд і підгонка-контролюються чудово; використовуйте FCAW-D для секцій середньої та товщини (понад 6 мм), де швидкість осадження має значення.

JN Alloy постачає зварювальний дріт FCAW із нікелевого сплаву (ERNiCrMo-3, ERNiCrMo-4, ERNiFeCr-2), безшовні труби, труби, пластини та прутки відповідно до стандартів ASTM/ASME/AWS/NACE — із повними звітами про випробування на стані та сертифікацією EN 10204 3.1. Зв’яжіться з нами: Info@jnalloy.com|+86 19339900211|www.jnalloy.com