GTAW гарячого дроту для плакування нікелевих сплавів: контроль швидкості осадження та розведення

вступ

Зварювальне покриття з нікелевого сплаву захищає межу тиску компонентів із вуглецевої та низько-легованої сталі від корозії без витрат на виготовлення всієї частини з твердої пластини з інконелю чи хастелою. Накладка працює, лише якщо дві речі відбуваються одночасно: осадження має зменшуватися досить швидко, щоб бути економічним, і воно має залишатися хімічно близько до наповнювача -, а не до основної сталі -, щоб забезпечити стійкість до корозії, якої вимагає проект. Ці дві цілі зазвичай борються одна з одною. Газова вольфрамово-дугова зварка гарячим дротом (GTAW-HW) — це процес, створений спеціально для припинення цієї боротьби.

У цій статті порівнюється GTAW гарячим дротом з іншими процесами, що використовуються для наплавлення нікелевим сплавом - холодним-дротом GTAW, GMAW, смугою під флюсом (SAW-strip), дугою з плазмовим переносом (PTA) і лазерним гарячим дротом - щодо швидкості осадження та розведення, а також викладає параметри процесу, стандарти та засоби контролю дефектів, які керують кваліфікована процедура накладання HW-HW.

Що таке гарячий дріт GTAW і чому це важливо для покриття з нікелевих сплавів?

GTAW з гарячим дротом додає друге джерело живлення, яке резистивно нагріває присадковий дріт майже до точки плавлення, перш ніж він досягне дуги, тож вольфрамова дуга більше не повинна постачати всю енергію, необхідну для розплавлення наповнювача. Відокремлення «нагрівання дроту» від «нагрівання основного металу» дозволяє GTAW-HW підвищити швидкість осадження без збільшення розрідження.

У звичайному холодному дроті GTAW вольфрамова дуга виконує дві функції одночасно: вона плавить основний метал, щоб утворити зварювальну ванну, і плавить присадковий дріт, який подається в цю ванну. Оскільки обидва споживають ту саму енергію дуги, проштовхування більшої кількості наповнювача через дугу для підвищення швидкості осадження також підвищує енергію дуги та поведінку переміщення, необхідні для її розплавлення -, що збільшує плавлення неблагородного металу, а отже, розрідження.

Гарячий дріт GTAW порушує цей зв'язок. Окреме електрично ізольоване джерело живлення пропускає струм через присадковий дріт між контактним наконечником і зварювальною ванною, резистивно нагріваючи його майже до-температури плавлення, перш ніж він досягне дуги. Робота вольфрамової дуги звужується до завершення розплаву та контролю проникнення в основний метал, тоді як контур попереднього нагріву дроту -, а не дуга -, забезпечує більшу частину енергії, необхідної для плавлення наповнювача.

Швидкість осадження встановлюється в основному швидкістю подачі дроту та струмом попереднього нагріву, що значною мірою не залежить від струму дуги.

Проникнення основного металу (і, отже, розрідження) встановлюється головним чином струмом дуги та швидкістю переміщення, що значною мірою не залежить від швидкості осадження.

Дві змінні можна налаштувати окремо - головна причина GTAW-HW досягає вищої продуктивності без шкоди для контролю розведення.

Як GTAW із гарячим дротом збільшує швидкість осадження порівняно зі звичайним GTAW-холодним дротом?

Попереднє нагрівання дроту дозволяє йому розплавитися в басейні, коли він надходить, замість того, щоб витягувати енергію плавлення з дуги, тому задокументовані швидкості осадження GTAW-HW приблизно вдвічі-втричі вищі, ніж GTAW холодного-дроту за швидкості осадження близько 1–12 фунтів/год, без збільшення енергії дуги чи розрідження.

У GTAW із холодним-дротом дріт потрапляє в ємність при кімнатній температурі, а дуга має забезпечити повне приховане та відчутне тепло, щоб розплавити його - обмеження на кількість дроту, яку можна додати за одиницю часу, перш ніж процес почне сколоти, розбризкувати або кулькувати на кінці дроту. Попереднє нагрівання дроту резистивно усуває більшу частину цього теплового боргу до того, як дріт прибуде, тому вищу швидкість подачі дроту можна підтримувати при тих самих налаштуваннях дуги.

Галузеві джерела повідомляють про швидкості наплавлення GTAW-HW приблизно від 1 до 12 фунтів/год залежно від діаметра дроту, струму попереднього нагріву та геометрії з’єднання або накладки, при цьому збільшення продуктивності зазвичай у два-три рази порівняно з налаштуванням GTAW холодного{3}}дроту за тієї самої якості зварювання. Ось чому GTAW-HW часто позиціонують як золоту середину між холодним-дротяним-GTAW/орбітальним GTAW із низьким-осадженням/орбітальним GTAW і процесами з вищим-осадженням, але з вищим-розбавленням, такими як GMAW і SAW-стрип.

Джерела: The Fabricator, «Could GTAW hot-wire get mainstream?»; Fit-Weld, "Високопродуктивні-гарячі дроти GTAW TIG системи покриття".

Як гарячий дріт GTAW контролює розведення краще, ніж інші процеси плакування?

GTAW з гарячим дротом підтримує розбавлення приблизно в діапазоні 3-8% у виробничій практиці, що знаходиться нижче GMAW і SAW-смуги (зазвичай 15-30%) і є конкурентоспроможним -, хоча зазвичай вище, ніж - лазерне наплавлення гарячим дротом (приблизно 5{-10%), що робить GTAW-HW найміцнішим варіантом дугового зварювання коли потрібне одношарове розбавлення нижче межі 5,0% поверхневого заліза.

Розбавлення – це частка готового наплавленого шва, яка походить від розплавленого основного металу, а не від присадочного металу. Для накладки з нікелевого сплаву на вуглецеву або низько-леговану сталь розбавлення має значення, оскільки залізо, отримане з основного металу, знижує корозійну стійкість. Накладка існує, щоб забезпечити - специфікації більшості накладок з нікелевих сплавів обмежують вміст заліза на поверхні на рівні 5,0 мас.% саме з цієї причини, а загальне розбавлення в дуговому-процесі може значно перевищувати те, що може поглинути окремий шар, і все одно відповідає цьому обмеженню.

Оскільки дуга GTAW має найнижчу-енергію, найбільш просторово контрольовану з основних процесів дугового покриття, вона завжди створювала найнижче розрідження сімейства дуг - компромісом-історично була її низька швидкість осадження. GTAW-HW зберігає цей низький-характер розведення, закриваючи значну частину-розриву швидкості осадження, що є основою для його вибору скрізь, де обидві змінні обмежені.

Джерела: Lincoln Electric, "Laser Hot Wire Cladding"; Welding Fabrication World, "Weld Overlay/Cladding - Types, Process & ASME Requirements"; ScienceDirect, «Зварювання оболонок із Hastelloy C276 за допомогою процесу подачі холодного дроту GTAW». Діапазони репрезентують опубліковані польові та лабораторні дані; кваліфікувати всі значення за допомогою процедури кваліфікаційного тестування відповідно до застосовного коду.

Які параметри процесу фактично контролюють швидкість осадження/баланс розведення?

Чотири параметри виконують майже всю роботу: струм дуги встановлює проникнення та розрідження, швидкість подачі дроту та струм попереднього нагрівання встановлюють швидкість осадження, яка значною мірою не залежить від дуги, а швидкість руху встановлює перекриття валиків і покриття шару - кваліфікований GTAW-Процедура HW налаштовує всі чотири разом, а не розглядає будь-який із них як єдину історію.

Струм дуги

Струм дуги є основною рушійною силою плавлення основного металу. Високий струм дуги розширює та поглиблює зварювальну ванну, втягуючи більше основного металу та збільшуючи розбавлення - задокументований валик--на-пластині. Випробування гарячого дроту Inconel 625-GTAW на сталі 2.25Cr-1Mo показали розбавлення, ширину валика та розмір зони термічного впливу, що збільшуються в міру зростання зварювального струму Від 125 A до 200 A. Тому струм дуги підтримується настільки низьким, наскільки дуга може стабільно підтримувати, але все ще досягає плавлення.

Швидкість подачі дроту та струм попереднього нагріву

Швидкість подачі дроту встановлює, скільки присадочного металу надходить в басейн за одиницю часу; Струм попереднього нагріву визначає, наскільки близько до розплавлення цей дріт, коли він надходить. Підвищення обох разом збільшує швидкість осадження з лише вторинним впливом на власний енергетичний баланс дуги - це механізм, який дозволяє GTAW-HW додавати наповнювач швидше, не відводячи більше тепла від дуги в основний метал.

Швидкість руху та нахлест бортів

Швидкість руху контролює, скільки пулу затвердіє перед наступним проходом, що встановлює перекриття валиків і покриття. Повільніший хід збільшує надходження тепла на одиницю довжини та може збільшити розрідження навіть за постійного струму, тому швидкість переміщення оцінюється разом із струмом, а не регулюється незалежно в цеху.

Температура попереднього нагріву/проміжного проходу та кількість шарів

Оскільки одношарове-розбавлення нижче приблизно 5% важко гарантувати на лінії плавлення незалежно від процесу, більшість специфікацій вимагають щонайменше двох-шарового накладення, причому перший шар розглядається як буфер, а хімічний склад кваліфікується на глибині відбору зразка, виміряної від лінії плавлення - зазвичай 3 мм для мінімальної товщини накладки 3 мм. Контроль міжпрохідної температури також обмежує накопичення тепла між проходами, що допомагає підтримувати рівномірне розведення від кореневого проходу до верхнього шару.

Які зварювальні струми створюють прийнятне розрідження для наплавлення Inconel 625 на сталь?

Опубліковані випробування-на-пластині гарячого дроту Inconel 625 GTAW на сталі 2.25Cr-1Mo показують розрідження та твердість, що зростають із струмом дуги в діапазоні 125-200 А, тому більшість виробничих процедур для накладки Inconel 625 на низьколегованій сталі відповідає нижній половині цього смугу та покладайтеся на другий шар, щоб привести поверхневу хімію до номінального складу Inconel 625.

У тому ж дослідженні встановлено, що найвища твердість металу зварного шва спостерігалася при 150 А серед чотирьох випробуваних струмів (125, 150, 175 і 200 А), з дендритною аустенітною мікроструктурою в усьому діапазоні та розрідженням, шириною валика та розміром зони-термічного впливу, які мають тенденцію до зростання зі збільшенням струму. Практичний висновок для розробки процедури полягає в тому, що струм не є вільною змінною лише для продуктивності - кожне збільшення має перевірятися на відповідність корозії-відповідним хімічним показникам і межам твердості в керівних специфікаціях, а не лише на проникнення та зовнішній вигляд.

Для кислих-компонентів твердість є жорстким обмеженням, а не лише показником якості: накладка, сумісна з NACE MR0175/ISO 15156-, зазвичай обмежена 248 HV10 для HAZ з вуглецевої/низьколегованої сталі та 345 HV10 для самої накладки Inconel 625, виміряної методом Віккерса в кількох місцях на шар.

Які норми та стандарти регулюють кваліфікацію та прийняття GTAW оболонки з гарячим дротом?

Процедура накладення нікелевого сплаву GTAW-HW кваліфікується головним чином відповідно до розділу IX ASME (основні змінні та механічні/хімічні випробування), застосовується в розділі VIII розділу 1 Додатку F для плакованих посудин під тиском і - для нафтопромислового та-сервісного обладнання - з шарами API 582, API 6A та NACE Вимоги MR0175/ISO 15156 щодо класу розчинення заліза та твердості.

Джерела: Material Welding, "Welding Procedure qualification tests requirements for weld overlay qualification"; API 6A (через резюме valvestandard.com); Piping-World, «Inconel 625 Weld Overlay Piping»; Welding Fabrication World, "Weld Overlay/Cladding."

Склад готової накладки перевіряється на відповідність специфікаціям проекту або стандарту на присадковий метал - Розділ IX ASME не встановлює мінімальний вміст сплаву. Зразки для хімічного аналізу відбираються на певній відстані від лінії плавлення, що відповідає мінімальній кваліфікованій товщині накладки, а вміст заліза вище вказаного ліміту є причиною відмови від процедури або виробничого зварювання.

Які найпоширеніші дефекти гарячої дротяної оболонки GTAW і як їм запобігти?

Дефекти, які мають найбільше значення в накладці з нікелевого сплаву GTAW-HW, — це розтріскування під-плакуванням, відсутність плавлення на нозі чи корені, окислені/нерозплавлені включення дроту внаслідок неправильного попереднього нагрівання та--розбавлення-специфікації на лінії плавлення - всі чотири контролюються в основному за допомогою кваліфікації параметрів і дисципліни проміжних проходів замість -ремонту після зварювання.

Розтріскування під -пластиною: викликане воднем і залишковою напругою в ЗТВ; контролюється правильною температурою попереднього нагріву/проміжного проходу, низьким-воднем і, де вказано, PWHT.

Відсутність сплавлення на нозі валика або між проходами: спричинене надмірною швидкістю руху або недостатньою енергією дуги на лінії сплавлення; контролюється швидкістю руху та кваліфікацією кута факела та візуальним/PT оглядом між шарами.

Окислення дроту або нерозплавлені вкраплення дроту: викликані попереднім нагріванням дроту надто далеко перед басейном або втратою захисного газу навколо точки контакту гарячого дроту; контролюється налаштуванням струму попереднього нагріву та перевіркою покриття захисним газом.

Надмірне розрідження/поглинання заліза на поверхні: спричинене надмірним струмом дуги, повільним ходом або недостатньою{0}}товщиною покриття; контролюється дво{1}}мінімальним двошаровим покриттям, поточною кваліфікацією та відбором проб хімічного складу на кваліфікованій глибині.

Мікро{0}}розтріскування та небажане випадання карбіду: перевіряється мікродослідженням кваліфікаційного зразка; контролюється контролем надходження тепла та, для стабілізованих або низько-вуглецевих наповнювачів, узгодженням хімічного складу наповнювача з робочою температурою.

Де GTAW з гарячим дротом найкраще підходить для стратегії вибору оболонки з нікелевого сплаву?

GTAW із гарячим дротом є правильним за замовчуванням для з’єднань труб-{1}}з трубною решеткою, отворів сопел, корпусів клапанів та інших геометрично обмежених або високо-важливих компонентів, де розбавлення нижче 5 % і механізоване, повторюване покриття мають значення - великі плоскі чи вигнуті ділянки, такі як оболонки та головки резервуарів, все ще краще обслуговуються стрічкою SAW- та простим полем ремонт SMAW.

Вибір процесу для покриття нікелевим сплавом – це обмін між площею, доступом, вимогами до розведення та вартістю. SAW-стрічкові та імпульсні GMAW охоплюють великі площі найшвидше, але не можуть надійно утримувати розбавлення нижче приблизно 10-15% в одному шарі, тому вони зарезервовані для застосувань, де вже заплановано два або більше шарів або де обмеження розведення є менш суворим. SMAW залишається єдиним практичним вибором для польового ремонту та незручного доступу, де механізація неможлива. GTAW-HW займає простір, де геометрія достатньо обмежена, щоб винагородити точність - отворів труб, шийок сопел, невеликих корпусів клапанів -, але ця площа занадто велика або економічні показники занадто вузькі для одного GTAW з холодним дротом.

Лазерне покриття гарячим дротом підвищує швидкість розрідження та осадження в тому ж напрямку, що й GTAW-HW, і його варто оцінити для компонентів із дуже високою-вартістю, де капітальні витрати на лазерне обладнання виправдані. Для більшості робіт із накладення-граничного нікелевого сплаву під тиском на труби, фітинги, фланці та поковки GTAW-HW залишається процесом, який найкраще врівноважує знайомство з кваліфікацією, вартість обладнання та контроль розрідження, якого потребує служба корозії.

Часті запитання

З: Який рівень розчинення прийнятний для наплавлення Inconel 625 на вуглецеву сталь?

Відповідь: більшість специфікацій накладного покриття з нікелевих сплавів обмежує вміст заліза на поверхні до 5,0 мас.% максимум, що зазвичай вимагає мінімум дво-шарового покриття, оскільки одно-розбавлення шару на лінії плавлення важко знизити нижче приблизно 5% у будь-якому дуговому процесі, включаючи GTAW гарячим дротом.

З: Наскільки швидше GTAW з гарячим дротом, ніж звичайний GTAW з холодним-дротом?

Відповідь: Опубліковані показники наплавлення для GTAW-HW приблизно в два-три рази вищі, ніж холодного{1}}дроту GTAW за порівнянної якості зварювання, при цьому GTAW-HW становить приблизно від 1 до 12 фунтів/год залежно від діаметра дроту та струму попереднього нагріву.

Питання: Чи позбавляє GTAW від гарячого дроту потребу в кількох шарах накладання?

Відповідь: Ні. Навіть при нижчому розведенні GTAW-HW, більшість специфікацій усе ще вимагають щонайменше дво-шарового покриття, оскільки перший шар діє як буфер розведення між основним металом і корозійно-критичним поверхневим шаром.

З: Який кодекс регулює межі твердості для накладки з кислого-сплаву нікелю?

Відповідь: NACE MR0175/ISO 15156 регулює допустиму твердість для використання в кислих умовах із обмеженнями, які зазвичай застосовуються на рівні 248 HV10 для HAZ з вуглецевої/низько-легованої сталі та 345 HV10 для накладки з інконелю 625, підтвердженої тестуванням Віккерса.

З: Коли слід використовувати стрічку SAW- або GMAW замість гарячого дроту GTAW?

A: ПАР{0}}стрічкові та імпульсні GMAW краще підходять для великих відкритих ділянок, таких як корпуси та головки посудин, де прийнятне більш високе розведення на шар і вже заплановано кілька шарів; GTAW з гарячим дротом є кращим, якщо геометрія обмежена або одношаровий-контроль розрідження є критичним.