Контроль надходження тепла при зварюванні нержавіючої сталі

Кожен зварний шов передає енергію в основний метал. Ця енергія, виміряна як надходження тепла, безпосередньо контролює розмір зони-термічного впливу (HAZ), швидкість охолодження та, зрештою, мікроструктуру та властивості зварного з’єднання. Для нержавіючих сталей, де стійкість до корозії є основною вимогою до продуктивності, контроль надходження тепла не є необов’язковим – він є фундаментальним.

Підведення тепла розраховується на основі трьох параметрів зварювання: сили струму (струму), напруги та швидкості руху. Співвідношення є прямим: підведення тепла дорівнює добутку струму та напруги, поділеному на швидкість руху, з поправочним коефіцієнтом для процесу зварювання. Проте, незважаючи на таку простоту, підведення тепла залишається одним із найбільш неправильно зрозумілих і неправильно застосовуваних параметрів у виготовленні нержавіючої сталі.

Чому це має більше значення, ніж ви думаєте? Тому що наслідки неправильного підведення тепла не завжди видно відразу. Зварювальний шов, який пройшов візуальний огляд і радіографію, все ще може вийти з ладу через сенсибілізацію, утворення сигма-фази або надмірний ріст зерен — усе це безпосередньо пов’язано з термічним циклом, що виникає під час зварювання. Ця стаття пояснює металургійну основу для обмежень теплопостачання та надає практичні рекомендації для різних сімейств нержавіючої сталі.

Розрахунок теплової енергії

Стандартна формула для підведення тепла виведена з основ фізики. Потужність (ват) дорівнює напрузі, помноженій на силу струму. Енергія (джоулі) дорівнює потужності, помноженій на час. У зварюванні нас цікавить енергія на одиницю довжини зварного шва, що означає, що ми ділимо на швидкість руху.

Коефіцієнт ефективності враховує втрату тепла в оточення – випромінювання, конвекцію та бризки. Різні процеси зварювання мають різну ефективність:

Таблиця 1: Коефіцієнти ефективності підведення тепла залежно від процесу зварювання

Джерело: AWS D1.6:2017; ASME Розділ IX (2023); Зварювальна металургія, Коу (2003)

Приклад розрахунку: зварювальний шов GTAW, виконаний при 12 вольтах, 150 амперах і швидкості руху 150 мм/хв: підведення тепла=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 кДж/мм. Це відносно низьке підведення тепла, типове для тонко{12}}аустенітної нержавіючої сталі.

Аустенітні нержавіючі сталі: помірне нагрівання запобігає сенсибілізації

Аустенітні нержавіючі сталіє найкраще зварюваними з усіх сімейств нержавіючої сталі, але вони не захищені від термічного пошкодження. Основним ризиком є ​​сенсибілізація - випадання карбідів хрому на межах зерен, коли метал проходить через діапазон 500-850 градусів Цельсія. Високе надходження тепла подовжує час перебування HAZ у цій критичній температурній зоні, підвищуючи серйозність сенсибілізації.

Сорти з низьким-вуглецевим вмістом (304L, 316L) і стабілізовані сорти (321, 347) були розроблені спеціально для захисту від сенсибілізації. Однак навіть ці сорти не захищені від впливу надмірного нагрівання. Високий нагрів також спричиняє ріст зерен, що може знизити в’язкість і збільшити ризик гарячих тріщин у повністю аустенітних металах зварного шва.

Рекомендований діапазон підведення тепла для аустенітних марок врівноважує дві конкуруючі вимоги: достатню кількість тепла для забезпечення адекватного плавлення та текучості зварювальної ванни, але не настільки, щоб HAZ проводив надто довгий час у діапазоні сенсибілізації. Міжпрохідний контроль температури (зазвичай нижче 150 градусів за Цельсієм) додатково зменшує кумулятивний термічний вплив.

Таблиця 2: Рекомендації щодо теплопостачання для аустенітної нержавіючої сталі

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

Дуплексні нержавіючі сталі: надходження тепла контролює баланс аустеніту-фериту

Дуплексні нержавіючі сталіотримують виняткову міцність і стійкість до корозії завдяки збалансованій мікроструктурі приблизно 50% аустеніту і 50% фериту. Зварювання порушує цей баланс. Швидкий термічний цикл сприяє утворенню фериту, і якщо підведення тепла занадто низьке, зварний метал і ЗТВ можуть утримувати надмірну кількість фериту (понад 70%), що знижує міцність і стійкість до корозії.

І навпаки, якщо підведення тепла занадто велике, тривалий час при високій температурі сприяє утворенню шкідливих інтерметалічних фаз, зокрема сигма-фази та хі-фази. Ці фази споживають хром і молібден з навколишньої матриці, створюючи виснажені зони, сприйнятливі до точкової коррозії та розтріскування під напругою. Утворення сигма-фази є найбільш серйозним металургійним ризиком при дуплексному зварюванні.

Рішення полягає у ретельно контрольованому вікні надходження тепла в поєднанні з відповідними наповнювачами. Присадкові метали для дуплексних марок надмірно-леговані нікелем (зазвичай 8-9%) для сприяння реформуванню аустеніту під час охолодження. Підведення тепла має бути достатньо високим, щоб дати час для цього перетворення аустеніту, але не настільки високим, щоб утворилася сигма-фаза.

Таблиця 3: Рекомендації щодо теплопостачання для дуплексної нержавіючої сталі

Джерело: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Інструкції зі зварювання Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Мартенситні нержавіючі сталі: низьке нагрівання з попереднім нагріванням запобігає розтріскуванню

Мартенситні нержавіючі сталі перетворюються на твердий, крихкий мартенсит після охолодження від температури аустенізації. Це перетворення створює високі залишкові напруги та робить ЗТВ надзвичайно сприйнятливим до розтріскування,-спричиненого воднем (також називається уповільненим або холодним розтріскуванням). На відміну від аустенітних марок, мартенситні сталі не захищені стабільною кристалічною структурою FCC.

Контроль надходження тепла для мартенситних марок служить двом цілям. По-перше, надмірне підведення тепла збільшує розмір загартованої ЗТВ, створюючи більший об’єм крихкого матеріалу. По-друге, низьке підведення тепла в поєднанні з попереднім нагріванням уповільнює швидкість охолодження, що знижує твердість мартенситу та забезпечує більше часу для дифузії водню із зони зварювання.

Для мартенситних марок необхідний попередній нагрів. Температура попереднього нагрівання залежить від вмісту вуглецю та товщини профілю, але зазвичай коливається від 200-300 градусів Цельсія. Температуру між проходами необхідно підтримувати вище мінімуму попереднього нагріву. Термообробка після зварювання (відпуск при 650-750 С) потрібна майже завжди.

Таблиця 4: Вимоги до теплопостачання та попереднього нагрівання мартенситної нержавіючої сталі

Джерело: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME Розділ VIII Розд.1

Підключення швидкості охолодження: чому одного тепла недостатньо

Підведення тепла є мірою відкладеної енергії, але кінцеву мікроструктуру визначає швидкість охолодження. Такий самий нагрів, який прикладається до листа товщиною 3 мм, забезпечить набагато більшу швидкість охолодження, ніж при застосуванні до листа товщиною 25 мм. Ось чому рекомендації щодо теплопостачання завжди слід враховувати разом із товщиною профілю.

Швидкість охолодження під час зварювання зазвичай вимірюється як час для охолодження від 800 до 500 градусів Цельсія (t8/5). Для вуглецевих сталей цей параметр безпосередньо визначає твердість і мікроструктуру ЗТВ. Для нержавіючої сталі критичний температурний діапазон відрізняється - для сенсибілізації важливий час, витрачений на температуру від 850 до 500 градусів Цельсія.

Співвідношення між надходженням тепла та швидкістю охолодження можна приблизно визначити за допомогою рівнянь теплового потоку. Для тонких секцій (де тепло тече переважно у двох вимірах) швидкість охолодження обернено пропорційна квадрату підведеного тепла. Для товстих секцій (-тривимірний тепловий потік) швидкість охолодження обернено пропорційна надходженню тепла. Це означає, що в тонких зрізах невелике збільшення підведення тепла різко сповільнює швидкість охолодження.

Таблиця 5: Зміна швидкості охолодження залежно від підведення тепла та товщини профілю

Джерело: Welding Metallurgy, Kou (2003); Довідник ASM, том 6A (2011)

Багатопрохідне-зварювання: кумулятивне підведення тепла та міжпрохідна температура

Багатопрохідне-зварювання створює складність, якої немає-однопрохідного зварювання: кожен наступний прохід піддає основний зварний метал і ЗТВ додатковим термічним циклам. Це може бути корисним чи шкідливим залежно від сорту. Для деяких аустенітних зварних швів тепло від наступних проходів може розчиняти карбіди, утворені під час попередніх проходів. Для дуплексних марок багаторазове нагрівання до діапазону 600-900 градусів Цельсія прискорює утворення сигма-фази.

Температура між проходами - це температура зони зварювання безпосередньо перед наплавленням наступного проходу. Для більшості нержавіючих сталей ця температура повинна бути нижче 150 градусів Цельсія, щоб обмежити кумулятивний термічний вплив. Деякі специфікації дуплексного друку є навіть більш обмежувальними, вимагаючи проміжного проходу нижче 100 градусів за Цельсієм для супер-дуплексних марок, таких як 2507.

Практичний висновок полягає в тому, що багато-зварювання вимагає більш ретельного планування, ніж одно-зварювання. Зварювальник повинен залишати достатній час між проходами для охолодження або використовувати методи примусового охолодження (повітряний струмінь, водяний туман), які не забруднюють зону зварювання. Поспішне багатопрохідне-зварювання дуплексних або супер-дуплексних марок є поширеною причиною утворення сигма-фази та подальших збоїв у роботі.

Таблиця 6: Рекомендації щодо міжпрохідної температури для багатопрохідного зварювання

Джерело: Outokumpu Welding Guidelines (2020); Довідник зі зварювання спеціальних металів; NACE MR0175

Наслідки надмірного підведення тепла

Наслідки поганого контролю надходження тепла не є теоретичними. Вони регулярно з’являються у звітах аналізу несправностей у різних галузях. Розуміння цих режимів відмови допомагає інженерам та інспекторам розпізнавати симптоми та відслідковувати їх до першопричини.

Міжкристалічна корозія: спричинена сенсибілізацією в HAZ. Межі зерен піддаються вибірковій атаці, що призводить до «зацукровування» поверхні. Часто зустрічається у зварювальних швах 304/316 із надмірним підведенням тепла без належного класу L- або стабілізації.

Точкова корозія: утворення сигма-фази в дуплексних сталях споживає хром і молібден, створюючи зони зі зниженою стійкістю до точкової корокції. Ямки переважно виникають у ЗТВ зварних швів із високим -нагріванням-.

Корозійне розтріскування під напругою (SCC): Високе підведення тепла створює більший ЗТВ із вищою залишковою напругою. У поєднанні з сенсибілізацією це створює ідеальні умови для SCC у середовищах,-що містять хлорид.

Знижена в'язкість: надмірний ріст зерна в аустенітній HAZ знижує ударну в'язкість. У дуплексних сталях високий вміст фериту та сигма-фаза значно знижують в’язкість.

Гаряче розтріскування: у повністю аустенітних металах зварного шва (310, деякі нікелеві сплави) високе підведення тепла подовжує час у діапазоні крихкого затвердіння, збільшуючи ризик розтріскування під час затвердіння.

Таблиця 7: Режими несправностей, пов’язані з надлишковим надходженням тепла

Джерело: Довідник ASM, Том 11: Аналіз відмов (2002); Дослідження даних про корозію NACE; Приклади несправностей JN Alloys

Практичний контроль надходження тепла: від WPS до цеху

Контроль надходження тепла починається в інженерному відділенні і закінчується в цеху. Специфікація зварювальної процедури (WPS) повинна включати чіткі обмеження підведення тепла, а не лише основні параметри сили струму, напруги та швидкості руху. Для критичних застосувань WPS має вказати прийнятний діапазон для кожного параметра та розраховані межі підведення тепла.

Укажіть споживання тепла в WPS: не вважайте, що перерахування діапазонів сили струму та напруги достатньо. Обчисліть і чітко вкажіть максимальне підведення тепла (наприклад, «Максимальне підведення тепла: 2,0 кДж/мм»).

Використовуйте відкаліброване обладнання: сучасні джерела живлення можуть відображати та записувати фактичну силу струму та напругу. Використовуйте ці дані для розрахунку фактичного теплового потоку, а не лише заданих значень.

Навчіть зварювальників наслідкам: зварювальники, які розуміють, що надмірне надходження тепла може спричинити пошкодження корозією, будуть більш мотивовані контролювати швидкість руху та температуру між проходами.

Контролюйте швидкість руху: швидкість руху – це параметр, який найчастіше регулюється зварювальниками під час виробництва. Надайте вказівки щодо підтримки постійної швидкості або використання механізованих/автоматизованих систем для критичних зварних швів.

Задокументуйте підведення тепла для критичних зварних швів: для резервуарів під тиском, морських компонентів і трубопроводів хімічного заводу розрахуйте та запишіть фактичне підведення тепла для кожного зварного шва. Це забезпечує відстеження на випадок майбутніх збоїв.

Використовуйте калькулятори підведення тепла: безкоштовні програми та онлайн-калькулятори дозволяють зварювальникам швидко розраховувати підведення тепла за основними параметрами. Заохочуйте їх використання в цеху.

Вартість контролю надходження тепла мінімальна порівняно з вартістю корозійного збою в експлуатації. Одна ямкова несправність на хімічному заводі може призвести до втрати виробництва на мільйони доларів, очищення навколишнього середовища та заміни обладнання. Інвестиції в належний контроль надходження тепла – це не просто хороша інженерія – це хороша економіка.

Резюме

Наведена нижче таблиця об’єднує рекомендації з цієї статті у форматі короткого-довідника. Інженери та виробники можуть використовувати цю матрицю для встановлення лімітів теплопостачання для своїх конкретних застосувань.

Таблиця 8: Матриця рішень щодо теплової потужності для групи нержавіючих сталей

Джерело: складено з AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals і JN Alloys технічні рекомендації

Висновок

Підведення тепла є найбільш контрольованою змінною, яка визначає якість і експлуатаційні характеристики зварних швів з нержавіючої сталі. Металургійні наслідки введення тепла - сенсибілізація, утворення сигма-фази, ріст зерна та фазовий дисбаланс - добре зрозумілі та передбачувані. Чого часто не вистачає, так це дисципліни, щоб втілити ці знання на практиці.

Рекомендації в цій статті базуються на десятиліттях досліджень і польового досвіду. Це не довільні обмеження - – вони відображають основну фізику та металургію зварювання. Контролюючи надходження тепла у відповідному діапазоні для кожної групи нержавіючих сталей, виробники можуть виготовляти зварні шви, які зберігають корозійну стійкість, механічні властивості та довгострокову надійність, яких очікують їхні клієнти.

Щоб отримати технічну підтримку щодо процедур зварювання нержавіючої сталі, вибору присадочного металу або оптимізації тепловіддачі, зв’яжіться з JN Alloys - – вашим партнером у розробці високоефективних сплавів.

сайт:www.jnalloys.com