Controlul aportului de căldură în sudarea oțelului inoxidabil

Fiecare sudură depune energie în metalul de bază. Energia respectivă, măsurată ca aport de căldură, controlează direct dimensiunea-zonei afectate de căldură (HAZ), viteza de răcire și, în cele din urmă, microstructura și proprietățile îmbinării sudate. Pentru oțelurile inoxidabile, unde rezistența la coroziune este cerința principală de performanță, controlul aportului de căldură nu este opțional -- este fundamental.

Aportul de căldură este calculat din trei parametri de sudare: amperajul (curent), tensiunea și viteza de deplasare. Relația este simplă: aportul de căldură este egal cu produsul dintre curent și tensiune, împărțit la viteza de deplasare, cu un factor de corecție pentru procesul de sudare. Cu toate acestea, în ciuda acestei simplități, aportul de căldură rămâne unul dintre parametrii cei mai greșit înțeleși și aplicați greșit în fabricarea oțelului inoxidabil.

De ce contează mai mult decât crezi? Deoarece consecințele aportului incorect de căldură nu sunt întotdeauna vizibile imediat. O sudură care trece inspecția vizuală și radiografia poate eșua în continuare în funcțiune din cauza sensibilizării, formării fazei sigma sau creșterii excesive a granulelor - toate acestea fiind direct legate de ciclul termic impus în timpul sudării. Acest articol explică baza metalurgică pentru limitele aportului de căldură și oferă îndrumări practice pentru diferite familii de oțel inoxidabil.

Calculul aportului de căldură

Formula standard pentru aportul de căldură este derivată din fizica de bază. Puterea (wați) este egală cu tensiunea înmulțită cu curentul. Energia (jouli) este egală cu puterea înmulțită cu timp. În sudare, ne interesează energia pe unitatea de lungime a sudurii, ceea ce înseamnă că împărțim la viteza de deplasare.

Factorul de eficiență ține seama de căldura pierdută în mediul înconjurător -- radiații, convecție și stropire. Diferite procese de sudare au eficiențe diferite:

Tabelul 1: Factori de eficiență a aportului de căldură în funcție de procesul de sudare

Sursa: AWS D1.6:2017; ASME Secțiunea IX (2023); Metalurgia sudării, Kou (2003)

Exemplu de calcul: o sudură GTAW realizată la 12 volți, 150 de amperi și o viteză de deplasare de 150 mm/min: Aport de căldură=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Acesta este un aport de căldură relativ scăzut, tipic pentru oțelul inoxidabil austenitic cu secțiune subțire-.

Oțeluri inoxidabile austenitice: Aportul moderat de căldură previne sensibilizarea

Oteluri inoxidabile austeniticesunt cele mai sudabile dintre toate familiile de inox, dar nu sunt imune la deteriorarea termică. Riscul principal este sensibilizarea -- precipitarea carburilor de crom la granițele granulelor atunci când metalul trece prin intervalul 500-850 de grade Celsius. Aportul ridicat de căldură prelungește timpul petrecut de HAZ în această zonă critică de temperatură, crescând severitatea sensibilizării.

Gradele cu conținut scăzut de-carbon (304L, 316L) și gradele stabilizate (321, 347) au fost dezvoltate special pentru a rezista sensibilizării. Cu toate acestea, chiar și aceste grade nu sunt imune la efectele aportului excesiv de căldură. Căldura ridicată provoacă, de asemenea, creșterea cerealelor, ceea ce poate reduce duritatea și crește riscul de fisurare la cald în metalele de sudură complet austenitice.

Intervalul de aport de căldură recomandat pentru clasele austenitice echilibrează două cerințe concurente: suficientă căldură pentru a asigura fuziunea adecvată și fluiditatea bazinului de sudură, dar nu atât de mult încât HAZ să petreacă prea mult timp în intervalul de sensibilizare. Controlul temperaturii interpass (de obicei sub 150 de grade Celsius) reduce și mai mult expunerea termică cumulată.

Tabelul 2: Ghid de intrare de căldură pentru oțeluri inoxidabile austenitice

Sursa: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME Secțiunea VIII Div.1 (2023)

Oțeluri inoxidabile duplex: intrarea de căldură controlează echilibrul de ferită-austenită

Oțeluri inoxidabile duplexîși derivă rezistența excepțională și rezistența la coroziune dintr-o microstructură echilibrată de aproximativ 50% austenită și 50% ferită. Sudarea perturbă acest echilibru. Ciclul termic rapid favorizează formarea feritei, iar dacă aportul de căldură este prea mic, metalul sudat și HAZ pot reține ferită excesivă (peste 70%), ceea ce reduce duritatea și rezistența la coroziune.

În schimb, dacă aportul de căldură este prea mare, timpul prelungit la temperatură ridicată promovează formarea de faze intermetalice dăunătoare - în special faza sigma și faza chi. Aceste faze consumă crom și molibden din matricea înconjurătoare, creând zone epuizate susceptibile la pitting și fisurare prin coroziune sub tensiune. Formarea fazei sigma este cel mai grav risc metalurgic în sudarea duplex.

Soluția este o fereastră de intrare de căldură controlată cu atenție, combinată cu metale de umplutură adecvate. Metalele de umplutură pentru clasele duplex sunt supra-aliate cu nichel (de obicei 8-9%) pentru a promova reformarea austenitei în timpul răcirii. Aportul de căldură trebuie să fie suficient de mare pentru a permite această transformare a austenitei, dar nu atât de mare încât să se formeze faza sigma.

Tabelul 3: Instrucțiuni de intrare de căldură pentru oțeluri inoxidabile duplex

Sursa: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Ghid de sudare Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Oțeluri inoxidabile martensitice: intrare scăzută de căldură cu preîncălzire previne crăparea

Oțelurile inoxidabile martensitice se transformă în martensită dură și fragilă la răcire de la temperatura de austenitizare. Această transformare creează tensiuni reziduale mari și face ZAZ extrem de susceptibilă la fisurarea indusă de hidrogen-(numită și fisurare întârziată sau fisurare la rece). Spre deosebire de clasele austenitice, oțelurile martensitice nu sunt protejate de o structură cristalină stabilă FCC.

Controlul aportului de căldură pentru clasele martensitice are două scopuri. În primul rând, aportul excesiv de căldură crește dimensiunea HAZ întărită, creând un volum mai mare de material fragil. În al doilea rând, aportul scăzut de căldură combinat cu preîncălzirea încetinește viteza de răcire, ceea ce reduce duritatea martensitei și oferă mai mult timp pentru ca hidrogenul să difuzeze în afara zonei de sudură.

Preîncălzirea este esențială pentru clasele martensitice. Temperatura de preîncălzire depinde de conținutul de carbon și de grosimea secțiunii, dar de obicei variază de la 200-300 de grade Celsius. Temperatura interpass trebuie menținută peste minimul de preîncălzire. Tratamentul termic după sudare (călire la 650-750 C) este aproape întotdeauna necesar.

Tabelul 4: Cerințe de intrare de căldură și preîncălzire pentru oțelurile inoxidabile martensitice

Sursa: Manual de specialitate ASM: Oțeluri inoxidabile (1994); AWS D1.6:2017; ASME Secțiunea VIII Div.1

Conexiune la viteza de răcire: de ce numai intrarea de căldură nu este suficientă

Aportul de căldură este o măsură a energiei depuse, dar viteza de răcire determină microstructura finală. Același aport de căldură aplicat unei foi de 3 mm va produce o viteză de răcire mult mai rapidă decât atunci când este aplicată pe o placă de 25 mm. Acesta este motivul pentru care recomandările de aport de căldură trebuie să fie întotdeauna luate în considerare alături de grosimea secțiunii.

Viteza de răcire la sudare este măsurată de obicei ca timp de răcire de la 800 la 500 de grade Celsius (t8/5). Pentru oțelurile carbon, acest parametru determină direct duritatea și microstructura HAZ. Pentru oțelurile inoxidabile, intervalul critic de temperatură diferă -- pentru sensibilizare, contează timpul petrecut între 850 și 500 de grade Celsius.

Relația dintre aportul de căldură și viteza de răcire poate fi aproximată folosind ecuații ale fluxului de căldură. Pentru secțiunile subțiri (unde căldura curge în principal în două dimensiuni), viteza de răcire este invers proporțională cu pătratul aportului de căldură. Pentru secțiuni groase (flux de căldură tridimensional), viteza de răcire este invers proporțională cu aportul de căldură. Aceasta înseamnă că în secțiunile subțiri, o mică creștere a aportului de căldură încetinește dramatic viteza de răcire.

Tabelul 5: Variația vitezei de răcire cu intrarea de căldură și grosimea secțiunii

Sursa: Welding Metallurgy, Kou (2003); Manualul ASM Volumul 6A (2011)

Sudare cu mai multe treceri: intrare de căldură cumulativă și temperatură între treceri

Sudarea cu mai multe treceri introduce o complicație pe care sudarea cu o singură trecere nu o are: fiecare trecere ulterioară supune metalul de sudură subiacent și HAZ la cicluri termice suplimentare. Acest lucru poate fi benefic sau dăunător în funcție de grad. Pentru unele suduri austenitice, căldura de la trecerile ulterioare poate dizolva carburile formate în timpul trecerilor anterioare. Pentru gradele duplex, încălzirea repetată în intervalul 600-900 de grade Celsius accelerează formarea fazei sigma.

Temperatura interpass este temperatura zonei de sudare chiar înainte de depunerea următoarei treceri. Pentru majoritatea oțelurilor inoxidabile, aceasta ar trebui menținută sub 150 de grade Celsius pentru a limita expunerea termică cumulată. Unele specificații duplex sunt și mai restrictive, necesitând trecerea sub 100 de grade Celsius pentru gradele super-duplex precum 2507.

Implicația practică este că sudurile cu mai multe-passări necesită o planificare mai atentă decât sudurile cu o singură trecere-. Sudorul trebuie să lase suficient timp între treceri pentru răcire sau să folosească metode de răcire forțată (suflare de aer, ceață de apă) care să nu contamineze zona de sudură. Sudarea rapidă cu mai multe treceri pe gradele duplex sau super-duplex este o cauză comună a formării fazei sigma și a defecțiunilor ulterioare ale serviciului.

Tabelul 6: Recomandări privind temperatura între treceri pentru sudarea cu mai multe treceri-

Sursa: Ghid de sudare Outokumpu (2020); Manual de sudare a metalelor speciale; NACE MR0175

Consecințele aportului excesiv de căldură

Consecințele unui control slab aportului de căldură nu sunt teoretice. Acestea apar în mod regulat în rapoartele de analiză a defecțiunilor din industrii. Înțelegerea acestor moduri de defecțiune ajută inginerii și inspectorii să recunoască simptomele și să le urmărească până la cauza principală.

Coroziunea intergranulară: cauzată de sensibilizarea în ZAZ. Limitele cerealelor sunt atacate selectiv, ceea ce duce la un aspect de „zahăr” la suprafață. Frecvent în sudurile 304/316 cu aport excesiv de căldură fără grad L-sau stabilizare adecvată.

Coroziunea prin pitting: formarea fazei Sigma în oțelurile duplex consumă crom și molibden, creând zone cu rezistență redusă la pitting. Gropile inițiază de preferință în zona HAZ a sudurilor cu aport de căldură-înalt-.

Fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC): Aportul ridicat de căldură creează HAZ mai mare cu stres rezidual mai mare. În combinație cu sensibilizarea, aceasta creează condiții ideale pentru SCC în mediile care-conțin clorură.

Duritate redusă: creșterea excesivă a granulelor în HAZ austenitic reduce rezistența la impact. În oțelurile duplex, conținutul ridicat de ferită și faza sigma reduc tenacitatea în mod semnificativ.

Fisurare la cald: În metalele de sudură complet austenitice (310, unele aliaje de nichel), aportul ridicat de căldură prelungește timpul petrecut în intervalul de solidificare fragilă, crescând riscul de fisurare prin solidificare.

Tabelul 7: Moduri de eroare legate de intrarea excesivă de căldură

Sursa: Manualul ASM Volumul 11: Analiza eșecului (2002); Studiul NACE privind datele despre coroziune; Studii de caz de eșec al aliajelor JN

Control practic al aportului de căldură: de la WPS până la magazin

Controlul aportului de căldură începe în biroul de inginerie și se termină în atelier. Specificația procedurii de sudare (WPS) trebuie să includă limite explicite de intrare de căldură, nu doar parametrii de bază de amperaj, tensiune și viteza de deplasare. Pentru aplicații critice, WPS ar trebui să specifice intervalul acceptabil pentru fiecare parametru și limitele de aport de căldură calculate.

Specificați intrarea de căldură în WPS: Nu presupuneți că listarea intervalelor de amperaj și tensiune este suficientă. Calculați și precizați aportul maxim de căldură în mod explicit (de exemplu, „Aportul maxim de căldură: 2,0 kJ/mm”).

Utilizați echipamente calibrate: sursele moderne de energie pot afișa și înregistra amperajul și tensiunea reală. Utilizați aceste date pentru a calcula aportul real de căldură, nu doar punctele de referință.

Instruiți sudorii cu privire la consecințe: sudorii care înțeleg că aportul excesiv de căldură poate provoca defecțiuni de coroziune vor fi mai motivați să controleze viteza de deplasare și temperatura interpass.

Monitorizarea vitezei de deplasare: viteza de deplasare este parametrul cel mai des reglat de sudori în timpul producției. Oferiți îndrumări despre cum să mențineți o viteză constantă sau să utilizați sisteme mecanizate/automatizate pentru sudurile critice.

Documentați aportul de căldură pentru sudurile critice: pentru recipientele sub presiune, componentele offshore și conductele pentru instalațiile chimice, calculați și înregistrați aportul real de căldură pentru fiecare sudare. Acest lucru oferă trasabilitate în cazul unor defecțiuni viitoare.

Utilizați calculatoare de aport de căldură: aplicațiile gratuite și calculatoarele online permit sudorilor să calculeze rapid aportul de căldură din parametrii de bază. Încurajați utilizarea lor în atelier.

Costul controlului aportului de căldură este minim în comparație cu costul unei defecțiuni de coroziune în funcționare. O singură defecțiune a gropilor într-o fabrică chimică poate duce la pierderi de producție de milioane de dolari, curățarea mediului și înlocuirea echipamentelor. Investiția în controlul adecvat al aportului de căldură nu este doar o inginerie bună -- este o economie bună.

Rezumat

Următorul tabel consolidează recomandările din acest articol într-un format rapid-de referință. Inginerii și producătorii pot folosi această matrice pentru a stabili limitele de aport de căldură pentru aplicațiile lor specifice.

Tabelul 8: Matricea de decizie privind intrarea de căldură în funcție de familia de oțel inoxidabil

Sursa: Compilat din ghidurile tehnice AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals și JN Alloys

Concluzie

Aportul de căldură este singura variabilă cea mai controlabilă care determină calitatea și performanța de service a sudurilor din oțel inoxidabil. Consecințele metalurgice ale aportului de căldură -- sensibilizare, formarea fazei sigma, creșterea boabelor și dezechilibrul de fază -- sunt bine înțelese și previzibile. Ceea ce lipsește adesea este disciplina de a transpune aceste cunoștințe în practică.

Recomandările din acest articol se bazează pe zeci de ani de cercetare și experiență de teren. Ele nu sunt limite arbitrare - - ele reflectă fizica și metalurgia de bază a sudării. Prin controlul aportului de căldură în intervalul corespunzător pentru fiecare familie de oțel inoxidabil, producătorii pot produce suduri care păstrează rezistența la coroziune, proprietățile mecanice și fiabilitatea pe termen lung la care se așteaptă clienții lor.

Pentru asistență tehnică privind procedurile de sudare a oțelului inoxidabil, selecția metalului de adaos sau optimizarea aportului de căldură, contactați JN Alloys - - partenerul dvs. în soluții de aliaje de înaltă performanță.

Site:www.jnalloys.com