Контрола уноса топлоте у заваривању нерђајућег челика

Сваки завар таложи енергију у основни метал. Та енергија, мерена као унос топлоте, директно контролише величину зоне -захваћене топлотом (ХАЗ), брзину хлађења и на крају микроструктуру и својства завареног споја. За нерђајуће челике, где је отпорност на корозију примарни захтев за перформансе, контрола уноса топлоте није опциона – она је фундаментална.

Унос топлоте се израчунава из три параметра заваривања: ампераже (струје), напона и брзине кретања. Однос је једноставан: улазна топлота је једнака производу струје и напона, подељеном брзином кретања, са фактором корекције за процес заваривања. Ипак, упркос овој једноставности, унос топлоте остаје један од најчешће погрешно схваћених и погрешно примењених параметара у производњи нерђајућег челика.

Зашто је то важније него што мислите? Зато што последице неправилног уноса топлоте нису увек видљиве одмах. Завар који прође визуелну инспекцију и радиографију можда и даље не ради због преосетљивости, формирања сигма фазе или прекомерног раста зрна - што је све директно повезано са термичким циклусом наметнутим током заваривања. Овај чланак објашњава металуршку основу за ограничења уноса топлоте и пружа практичне смернице за различите породице нерђајућег челика.

Прорачун уложене топлоте

Стандардна формула за унос топлоте је изведена из основне физике. Снага (вати) једнака је напону помноженом струјом. Енергија (џулови) једнака је снази помноженој временом. У заваривању нас занима енергија по јединици дужине завара, што значи да делимо са брзином путовања.

Фактор ефикасности узима у обзир губитак топлоте у околини -- зрачење, конвекција и прскање. Различити процеси заваривања имају различиту ефикасност:

Табела 1: Фактори ефикасности уноса топлоте по поступку заваривања

Извор: АВС Д1.6:2017; АСМЕ Одељак ИКС (2023); Металургија заваривања, Коу (2003)

Пример прорачуна: ГТАВ завар направљен на 12 волти, 150 ампера и брзини кретања од 150 мм/мин: Унос топлоте=(12 к 150 к 0,6 к 60) / (150 к 1000)=0.43 кЈ/мм. Ово је релативно низак унос топлоте, типичан за танки{12}}аустенитни нерђајући челик.

Аустенитни нерђајући челици: Умерени унос топлоте спречава преосетљивост

Аустенитни нерђајући челицису најзаварљивији од свих нерђајућих породица, али нису имуни на термичка оштећења. Примарни ризик је сензибилизација -- таложење хром карбида на границама зрна када метал прође кроз опсег од 500-850 степени Целзијуса. Висок унос топлоте продужава време које ХАЗ проводи у овој критичној температурној зони, повећавајући озбиљност сензибилизације.

Ниско{0}}угљеничне класе (304Л, 316Л) и стабилизоване класе (321, 347) су развијене посебно да се одупру сензибилизацији. Међутим, чак ни ове врсте нису имуне на ефекте прекомерног уноса топлоте. Висока топлота такође узрокује раст зрна, што може смањити жилавост и повећати ризик од врућих пуцања у потпуно аустенитним металима шава.

Препоручени опсег уноса топлоте за аустенитне разреде балансира два конкурентна захтева: довољно топлоте да обезбеди адекватну фузију и флуидност базена за заваривање, али не толико да ХАЗ проводи прекомерно време у опсегу сензибилизације. Интерпасс контрола температуре (обично испод 150 степени Целзијуса) додатно смањује кумулативну топлотну изложеност.

Табела 2: Смернице за унос топлоте за аустенитне нерђајуће челике

Извор: Оутокумпу Стаинлесс Стеел Хандбоок (2020); АВС Д1.6:2017; АСМЕ Одељак ВИИИ Див.1 (2023)

Дуплекс нерђајући челици: Унос топлоте контролише баланс аустенита-ферита

Дуплекс нерђајући челицидобијају своју изузетну чврстоћу и отпорност на корозију из уравнотежене микроструктуре од приближно 50% аустенита и 50% ферита. Заваривање нарушава ову равнотежу. Брзи термички циклус фаворизује формирање ферита, а ако је унос топлоте сувише низак, метал шава и ХАЗ могу задржати вишак ферита (изнад 70%), што смањује жилавост и отпорност на корозију.

Супротно томе, ако је унос топлоте превисок, продужено време на повишеној температури промовише формирање штетних интерметалних фаза - посебно сигма фазе и цхи фазе. Ове фазе троше хром и молибден из околне матрице, стварајући осиромашене зоне подложне напуцавању и корозијском пуцању под напоном. Формирање сигма фазе је најозбиљнији металуршки ризик код дуплексног заваривања.

Решење је пажљиво контролисан прозор за унос топлоте, комбинован са одговарајућим металима за пуњење. Додатни метали за дуплекс типове су преко{1}}легирани никлом (обично 8-9%) да би се подстакла реформација аустенита током хлађења. Унос топлоте мора бити довољно висок да омогући време за ову трансформацију аустенита, али не толико да се формира сигма фаза.

Табела 3: Смернице за унос топлоте за дуплекс нерђајуће челике

Извор: Оутокумпу Дуплек Стаинлесс Стеел Хандбоок (2015); Сандвик САФ 2205/2507 Смернице за заваривање; НАЦЕ МР0175/ИСО 15156

Мартензитни нерђајући челици: Низак унос топлоте са предгревањем спречава пуцање

Мартензитни нерђајући челици се претварају у тврди, ломљиви мартензит након хлађења од температуре аустенитизације. Ова трансформација ствара висока заостала напона и чини ЗТВ изузетно подложним пуцању изазваном водоником- (који се такође назива одложено пуцање или хладно пуцање). За разлику од аустенитних класа, мартензитни челици нису заштићени стабилном ФЦЦ кристалном структуром.

Контрола уноса топлоте за мартензитне врсте има две сврхе. Прво, прекомерни унос топлоте повећава величину очврслог ХАЗ-а, стварајући већу запремину крхког материјала. Друго, мали унос топлоте у комбинацији са предгревањем успорава брзину хлађења, што смањује тврдоћу мартензита и обезбеђује више времена да водоник дифундује из зоне завара.

Предгревање је неопходно за мартензитне врсте. Температура предгревања зависи од садржаја угљеника и дебљине пресека, али се обично креће од 200-300 степени Целзијуса. Температура између пролаза мора се одржавати изнад минимума предгревања. Термичка обрада након заваривања (каљење на 650-750 Ц) је скоро увек потребна.

Табела 4: Захтеви за унос топлоте и предгревање за мартензитне нерђајуће челике

Извор: АСМ Специалти Хандбоок: Стаинлесс Стеелс (1994); АВС Д1.6:2017; АСМЕ Одељак ВИИИ Див.1

Прикључак брзине хлађења: Зашто сам унос топлоте није довољан

Унос топлоте је мера депоноване енергије, али је брзина хлађења та која одређује коначну микроструктуру. Исти унос топлоте примењен на лим од 3 мм ће произвести много бржу стопу хлађења него када се примењује на плочу од 25 мм. Због тога се препоруке за унос топлоте увек морају узети у обзир уз дебљину пресека.

Брзина хлађења при заваривању се обично мери као време хлађења од 800 до 500 степени Целзијуса (т8/5). За угљеничне челике, овај параметар директно одређује тврдоћу и микроструктуру ЗТВ-а. За нерђајуће челике, критични температурни опсег се разликује - за сензибилизацију је важно време проведено између 850 и 500 степени Целзијуса.

Однос између уноса топлоте и брзине хлађења може се апроксимирати коришћењем једначина топлотног тока. За танке пресеке (где топлота тече првенствено у две димензије), брзина хлађења је обрнуто пропорционална квадрату уложене топлоте. За дебеле пресеке (тродимензионални проток топлоте), брзина хлађења је обрнуто пропорционална уложеној топлоти. То значи да у танким пресецима, мало повећање уноса топлоте драматично успорава брзину хлађења.

Табела 5: Варијације брзине хлађења са уносом топлоте и дебљином пресека

Извор: Велдинг Металлурги, Коу (2003); АСМ приручник, том 6А (2011)

Заваривање у више-пролаза: кумулативни унос топлоте и међупролазна температура

Заваривање у више-пролаза представља компликацију коју заваривање у једном-пролазу нема: сваки следећи пролаз подвргава основни метал шава и ХАЗ додатним термичким циклусима. Ово може бити корисно или штетно у зависности од степена. За неке аустенитне заварене шавове, топлота из каснијих пролаза може да раствори карбиде настале током ранијих пролаза. За дуплекс класе, поновљено загревање у опсегу од 600-900 степени Целзијуса убрзава формирање сигма фазе.

Температура између пролаза је температура зоне завара непосредно пре наношења следећег пролаза. За већину нерђајућих челика, ово треба држати испод 150 степени Целзијуса да би се ограничила кумулативна топлотна изложеност. Неке спецификације за дуплекс су још рестриктивније и захтевају међупролаз испод 100 степени Целзијуса за супер-дуплекс нивое као што је 2507.

Практична импликација је да заваривање са више-пролаза захтева пажљивије планирање него заваривање у једном{1}}пролазу. Заваривач мора да остави довољно времена између пролаза за хлађење или да користи методе присилног хлађења (ваздушни удар, водена магла) које не контаминирају зону завара. Ужурбано заваривање са више-пролаза на дуплекс или супер-дуплекс типовима је чест узрок формирања сигма фазе и накнадних кварова у сервису.

Табела 6: Смернице за међупролазну температуру за више{1}}заваривање

Извор: Оутокумпу Велдинг Гуиделинес (2020); Приручник за заваривање специјалних метала; НАЦЕ МР0175

Последице прекомерног уноса топлоте

Последице лоше контроле уноса топлоте нису теоријске. Они се редовно појављују у извештајима о анализи неуспеха у различитим индустријама. Разумевање ових начина квара помаже инжењерима и инспекторима да препознају симптоме и да их прате до основног узрока.

Интергрануларна корозија: Изазвана сензибилизацијом у ХАЗ. Границе зрна се селективно нападају, што доводи до појаве 'шећерења' на површини. Уобичајено у 304/316 завареним шавовима са прекомерним уносом топлоте без одговарајућег Л- разреда или стабилизације.

Питинг корозија: Формирање Сигма фазе у дуплекс челицима троши хром и молибден, стварајући зоне са смањеном отпорношћу на питинг. Јаме се првенствено започињу у ХАЗ-у заварених спојева са високим{1}}топлотом{2}}.

Пуцање од корозије под напрезањем (СЦЦ): Висок унос топлоте ствара веће ХАЗ са већим преосталим напоном. У комбинацији са сензибилизацијом, ово ствара идеалне услове за СЦЦ у окружењима која-садрже хлорид.

Смањена жилавост: Прекомерни раст зрна у аустенитном ХАЗ-у смањује ударну жилавост. Код дуплекс челика, висок садржај ферита и сигма фаза значајно смањују жилавост.

Вруће пукотине: Код потпуно аустенитних метала шава (310, неке легуре никла), велики унос топлоте продужава време проведено у опсегу кртог очвршћавања, повећавајући ризик од стварања пукотина при очвршћавању.

Табела 7: Режими квара повезани са прекомерним уносом топлоте

Извор: Приручник АСМ, том 11: Анализа неуспеха (2002); НАЦЕ истраживање података о корозији; Студије случаја отказа легуре ЈН

Практична контрола уноса топлоте: од ВПС до продајног спрата

Контрола уноса топлоте почиње у инжењерској канцеларији и завршава се у радњи. Спецификација поступка заваривања (ВПС) мора укључивати експлицитне границе уноса топлоте, а не само основне параметре ампераже, напона и брзине кретања. За критичне примене, ВПС треба да специфицира прихватљиви опсег за сваки параметар и израчунате границе уноса топлоте.

Одредите унос топлоте у ВПС: Немојте претпостављати да је навођење опсега ампераже и напона довољно. Израчунајте и експлицитно наведите максимални унос топлоте (нпр. 'Максимални унос топлоте: 2,0 кЈ/мм').

Користите калибрирану опрему: Савремени извори напајања могу приказати и снимити стварну амперажу и напон. Користите ове податке за израчунавање стварног уноса топлоте, а не само задатих тачака.

Обучите завариваче о последицама: Заваривачи који разумеју да прекомерни унос топлоте може да изазове кварове на корозији биће више мотивисани да контролишу брзину кретања и међупролазну температуру.

Пратите брзину кретања: Брзина кретања је параметар који заваривачи најчешће подешавају током производње. Обезбедите упутства о томе како да одржите константну брзину или користите механизоване/аутоматизоване системе за критичне заваре.

Документујте уложену топлоту за критичне заварене шавове: За посуде под притиском, делове на мору и цевоводе хемијског постројења, израчунајте и забележите стварни унос топлоте за сваки завар. Ово обезбеђује следљивост у случају будућих кварова.

Користите калкулаторе уноса топлоте: Бесплатне апликације и онлајн калкулатори омогућавају заваривачима да брзо израчунају унос топлоте из основних параметара. Подстакните њихову употребу у радњи.

Трошкови контроле уноса топлоте су минимални у поређењу са трошковима квара због корозије у раду. Један квар у хемијском постројењу може резултирати милионима долара губитка производње, чишћења животне средине и замене опреме. Улагање у одговарајућу контролу уноса топлоте није само добар инжењеринг – то је добра економија.

Резиме

Следећа табела обједињује препоруке из овог чланка у формат за брзу{0}}референцу. Инжењери и произвођачи могу да користе ову матрицу за успостављање ограничења уноса топлоте за своје специфичне примене.

Табела 8: Матрица одлуке о уносу топлоте по породици нерђајућег челика

Извор: Састављено из техничких смерница за АВС Д1.6, АСМЕ одељак ВИИИ/ИКС, Оутокумпу, Сандвик, специјални метали и легуре ЈН

Закључак

Унос топлоте је једина варијабла којом се највише може контролисати која одређује квалитет и перформансе услуге заварених спојева од нерђајућег челика. Металуршке последице уноса топлоте -- сензибилизација, формирање сигма фазе, раст зрна и фазна неравнотежа -- су добро разумљиве и предвидиве. Оно што често недостаје је дисциплина да се ово знање преточи у праксу.

Препоруке у овом чланку засноване су на деценијама истраживања и теренског искуства. Оне нису произвољне границе - – оне одражавају физику и металургију заваривања. Контролисањем уноса топлоте у оквиру одговарајућег опсега за сваку породицу нерђајућег челика, произвођачи могу да произведу заварене спојеве који задржавају отпорност на корозију, механичка својства и дугорочну поузданост коју њихови купци очекују.

За техничку подршку у вези са процедурама заваривања нерђајућег челика, одабиром додатног метала или оптимизацијом уноса топлоте, контактирајте ЈН Аллоис - – вашег партнера у решењима за легуре високих перформанси.

Веб сајт:ввв.јналлоис.цом