Дуговая сварка под флюсом-дуговой сваркой (FCAW) никелевых сплавов: компромисс между производительностью и качеством-

Почему FCAW — одновременно лучший и самый рискованный выбор для никелевых сплавов

Дуговая сварка под флюсом-Порошковой сваркой (FCAW) — это самый-полуавтоматический процесс сварки-с самой высокой производительностью, доступный для никелевых сплавов. Он может наплавлять 3–5 кг сварочного металла в час, что в пять раз превышает производительность GTAW (TIG), при этом производя сварные швы, которые отвечают тем же требованиям к растяжению, текучести и ударной вязкости по Шарпи, что и GTAW.

Но FCAW для никелевых сплавов не прощает ошибок: небрежный выбор режима дуги, неправильный защитный газ или слабый контроль температуры между проходами приводят к пористости и горячим трещинам, которых GTAW никогда не потерпит. В этом руководстве представлены данные, критерии принятия решений и процедурные ограничения для продуктивного использования FCAW без ущерба для коррозионных и механических характеристик, для которых предназначены никелевые сплавы.

Основы FCAW: два режима, две философии

Какой режим FCAW следует использовать для никелевых сплавов?

FCAW работает в двух различных режимах, и выбор между ними является наиболее важным решением в любой процедуре FCAW никелевого-сплава:

Почему FCAW-S редко используется для критически важных никелевых сплавов

FCAW-S создает собственную защиту за счет разложения флюса, в результате чего создается атмосфера,-богатая азотом. Никелевые сплавы являются отличными поглотителями азота --, а азот в сварочной ванне образует хрупкие нитриды и поры. Сварные швы FCAW-S никелевых сплавов обычно демонстрируют уровень пористости азота 200--500 ppm по сравнению с 30–80 ppm для FCAW-D. Для любого применения, где сварной шов будет подвергаться воздействию агрессивных сред, давления или экстремальных температур, FCAW-S неприемлем. FCAW-S иногда используется для временных сварных швов в полевых условиях или для монтажа на открытом воздухе, где газовые баллоны непрактичны, но даже в этом случае критерии приемки должны быть значительно ужесточены.

Сравнение производительности: FCAW, GTAW, GMAW и SMAW

Насколько быстрее FCAW по сравнению с другими процессами?

FCAW-D наносит в 3–5 раз больше сварочного металла в час, чем GTAW, и в 1,5–2 раза больше, чем GMAW, на никелевых сплавах.

Цифры, лежащие в основе преимущества FCAW в производительности, основаны на физике. Скорость подачи проволоки, плотность тока и рабочий цикл в совокупности обеспечивают скорость наплавки, с которой не может сравниться ни один ручной или полуавтоматический процесс при изготовлении толстых-сплавов из никелевых сплавов.

Реальные номера производителей: FCAW-D на пластине Inconel 625 толщиной 20 мм.

Цех по производству труб сравнивал GTAW и FCAW-D для сварки 20 мм трубы из материала Schedule 80 Inconel 625 (6-дюймов, NB) с V-образным стыковым соединением, зафиксировав следующее количество раз для каждого соединения:

Гибридный подход (корень GTAW + заливка/заглушка FCAW-D) стал стандартной процедурой цеха. Он фиксирует превосходное проникновение корня GTAW и корневой проход с нулевой-пористостью, а затем переключается на FCAW-D для объема проходов наполнителя и покрытия. Этот подход в настоящее время является стандартным в большинстве крупных цехов по производству никелевых сплавов по всему миру.

Компромиссы в качестве-: где FCAW уступает GTAW

FCAW-D создает четыре измеримых риска качества по сравнению с GTAW, каждый из которых можно контролировать с помощью правильной процедуры.

Наплавленный металл FCAW-D из Inconel 625 неизменно соответствует тем же требованиям к растяжению, текучести и Шарпи, что и GTAW, при условии правильного определения процедуры.

Обеспокоенность по поводу того, что FCAW обеспечивает более низкое-качество сварных швов, чем GTAW, отчасти является мифом, а отчасти-зависит от процедуры. Современные процедуры FCAW-D для никелевых сплавов при правильном выполнении позволяют получить металл сварного шва с механическими свойствами, идентичными или превосходящими эквивалентные процедуры GTAW. Ключевыми переменными являются: классификация присадочного металла, состав защитного газа и контроль тепловложения.

Примечание. Приведенные выше значения скорости коррозии получены в ходе 90-дневных испытаний на погружение по ASTM G48, метод C. Сварные изделия как FCAW-D, так и GTAW показали одинаковую коррозионную стойкость, поскольку присадочный металл ERNiCrMo-3 превосходит основной металл по содержанию Mo и Cr, компенсируя любые незначительные микроструктурные различия между двумя процессами. Источник: Данные о процедурах сварки никелевых сплавов Lincoln Electric, 2023 г.

Защитный газ: решающий параметр качества FCAW-D

75-–80 % аргона + 20--25 % CO₂ является оптимальным балансом для никелевого сплава FCAW-D, обеспечивающим баланс между стабильностью дуги, проплавлением и низкой пористостью. Прямой CO₂ или смеси с высоким содержанием CO₂ вызывают пористость; чистый аргон уменьшает разбрызгивание, но ухудшает смачивание.

Почему добавление азота в защиту FCAW из никелевого сплава является катастрофическим

Существует стойкое заблуждение, что, поскольку никелевые сплавы содержат составы,-безазотные, добавление N₂ в защитный газ безвредно. Это неверно. Азот в атмосфере дуги абсорбируется непосредственно в ванну расплавленного никеля, где он образует хрупкие осадки нитрида никеля (Ni₃N) и азотную пористость. В одном задокументированном случае производитель добавил 8% N₂ в смесь Ar/CO₂, чтобы «улучшить стабильность дуги», и получил металл сварного шва с уровнем пористости азота 1200–2500 частей на миллион, что полностью неприемлемо. Никакое добавление азота недопустимо в защите FCAW или GTAW из никелевых сплавов.

Расход, расстояние между соплами и ветер: практические средства управления

Скорость потока: 25–40 л/мин (1–1,5 куб. футов в минуту) для сопла диаметром 12–20 мм; увеличение для сквозняков

Расстояние от сопла-до-рабочего: максимум 15 – 25 мм, более 25 мм увлечение окружающего воздуха снижает эффективность защиты на 40–60 %.

Скорость ветра выше 5 миль в час (8 км/ч): используйте защитный газовый щит или перейдите в защищенное место; выше 8 миль в час, GTAW или FCAW-S, только с особой осторожностью.

Ежедневно перед первым использованием очищайте шланг и регулятор: влага приводит к образованию водородных пор в сварном шве.

Тепловложение и контроль температуры между проходами

Поддерживайте тепловложение от 0,8 до 2,5 кДж/мм, а температуру между проходами ниже 150 градусов (300 градусов F) — те же пределы, что и для GTAW. Более высокая скорость осаждения FCAW не позволяет увеличить подвод тепла.

Формула тепловложения для FCAW (с рабочим примером)

Тепловложение (кДж/мм)=(Напряжение × Ток × 60) ÷ (Скорость перемещения мм/мин × 1000)

Выбор присадочного металла для никелевого сплава FCAW

AWS A5.34 (специально для FCAW-) и AWS A5.14 (совместимый с GTAW/GMAW-) определяют основные присадочные металлы для никелевых сплавов FCAW. Всегда используйте наполнители с рейтингом FCAW-(сертифицированные Tig- и Arc-) для обеспечения максимальной совместимости.

Хранение и обращение с проволокой FCAW: скрытая переменная качества

Храните проволоку FCAW в оригинальной запечатанной упаковке; поглощение влаги вызывает водородную пористость (проверено в соответствии с Приложением AWS A5.34)

Не используйте проволоку, на внешней поверхности которой имеются следы ржавчины, питтинга или изменения цвета — влага флюса ухудшает качество сварки.

Замена катушки: перед повторным запуском очистите направляющую для проволоки и контактный наконечник; флюс на обрезанном конце предыдущей катушки может быть загрязнен

Для критически важных работ (NACE, ASME, раздел VIII, ядерная энергетика): укажите порошковую-порошковую проволоку по AWS A5.34 с сертификатом соответствия и химическим отчетом для каждой плавки/номера партии.

Контрольный список обеспечения качества никелевых сплавов FCAW

Примечания к процедуре FCAW от семейства никелевых сплавов

Inconel 625: самый щадящий никелевый сплав для FCAW

Inconel 625 — самый простой никелевый сплав, успешно поддающийся FCAW, поскольку высокое содержание Nb+Mo обеспечивает само-стабилизацию против горячего растрескивания и сенсибилизации. Это рекомендуемый сплав для предприятий, переходящих от производства нержавеющей стали к производству никелевых сплавов.

Наполнитель ERNiCrMo-3 является универсальным выбором: превосходит основной металл по прочности и коррозионной стойкости.

Не требуется предварительный нагрев или PWHT; Межпроходная температура 150 градусов макс.

Корневой проход GTAW по-прежнему рекомендуется для стыковых сварных швов с полным-проваром; FCAW-D для заливки/заглушки

Комбинация 625/ERNiCrMo-3 одобрена согласно NACE MR0175/ISO 15156 для эксплуатации в кислой среде в состоянии после сварки.

Inconel 718: будьте осторожны

Инконель 718 подвергается дисперсионному-отверждению, что означает, что в зоне ЗТВ, прилегающей к сварным швам FCAW, происходит частичное растворение фазы гамма--первичного упрочнения. Это снижает твердость и прочность в узкой зоне 2--5 мм от линии сплавления шва.

Для максимальной прочности: укажите термообработку после-сварки (PWHT) — отжиг на раствор при 980 градусах + двойное старение в соответствии с AMS 5666.

Для-сварной работы: используйте наполнитель ERNiCrMo-3; прочность будет достаточной для некритических структурных применений

Избегайте FCAW-S на инконеле. 718 -- Абсорбция азота еще больше дестабилизирует гамма--основную фазу.

Для аэрокосмической отрасли: FCAW часто запрещен в критических конструкциях; проверьте AMS 5666 и конкретные спецификации OEM двигателя.

Hastelloy C-276: берегите молибден

Высокое содержание молибдена в Hastelloy C-276 (15–16,5%) делает его очень восприимчивым к сегрегации молибдена в сварочной ванне, что может вызвать растрескивание при затвердевании, если не контролировать подвод тепла.

Используйте наполнитель ЭРНиКрМо-4 со строгим контролем тепловложения: максимум 0,8--1,8 кДж/мм.

Поддерживайте межпроходной угол на уровне 120 градусов или ниже (по сравнению с . 150 градусами для Inconel 625) - — для сплавов с высоким содержанием молибдена необходим более жесткий контроль.

Полностью избегайте FCAW-S — атмосфера разложения флюса особенно агрессивна по отношению к химическому составу металла сварного шва C-276.

Наполнитель ERerniCrMo-4 не указан в AWS A5.34 -- используйте обозначение порошковой проволоки, совместимое с AWS A5.14, согласно AWS A5.34M

Incoloy 825: вызов ферроникеля

Содержание железа в Incoloy 825 (минимум 22%) и стабилизация титана делают его среднесложным для FCAW: он тверже, чем Inconel 625, и легче, чем Hastelloy C-276.

Наполнитель ERNiFeCr-2 (Incoloy) обеспечивает соответствующий состав и предпочтителен для эксплуатации при повышенных температурах.

Также можно использовать ERNiCrMo-3, который обеспечивает более высокое содержание Cr+Mo, что полезно для применений, где важна коррозия.

Поддерживать тепловложение 0,8--2,0 кДж/мм; межпроходной угол 150 градусов макс.

Более высокое содержание железа в наплавленном металле 825 может иметь немного меньшую прочность на ползучесть, чем основной металл, при температуре выше 550 градусов - – укажите соответствующий наполнитель для работы при высоких температурах.

FCAW против GTAW в проекте по производству 10-тонного никелевого сплава

FCAW-D снижает общие затраты на сварку на 35–55 % при изготовлении крупных изделий из никелевых сплавов за счет более высокой скорости наплавки, сокращения рабочего времени и снижения стоимости расходных материалов на килограмм наплавленного металла сварного шва – при условии, что риск качества контролируется посредством контроля процедур.

Допущения: ставка сварщика с полной-загрузкой в ​​час 65 долларов США в час; проволока ERNiCrMo-3 по цене 60 долл. США/кг; аргон по цене 0,30 доллара США/л, CO₂ по цене 0,05 доллара США/л; Эффективность GTAW 60 %, эффективность FCAW-D 80 %; Вес депозита 10 тонн (типичный для сосуда под давлением среднего размера). Экономия труда преобладает; затраты на провод и газ вносят незначительный вклад.

Применение FCAW: тематические исследования в химической обработке и производстве электроэнергии

Случай 1: Канал десульфурации дымовых газов (ДДГ) Hastelloy C-276 — угольная электростанция

На угольной электростанции мощностью 420 МВт-модернизирована система воздуховодов ДДГ из мокрого известняка (листы Hastelloy C-276 толщиной 24 мм, примерно 3,5 тонны сварочного наплавления) с использованием гибридного метода FCAW-D. Первоначальная спецификация предусматривала 100 % GTAW --, но производитель предложил FCAW-D для проходов заливки/заглушки с корнем GTAW. Независимая проверка RT и UT показала: отсутствие бракованных дефектов, средний показатель пористости 3° на 100 мм сварного шва (по сравнению с пределом приемки 8° на 100 мм согласно разделу VIII ASME). Тестирование с V-образным надрезом по Шарпи при -29 градусах показало в среднем 85-110 Дж (требование: минимум 27 Дж). Производитель завершил проект за 14 недель по сравнению с оценкой в ​​22 недели для всех TIG – экономия графика на 36% – при общей экономии затрат в размере 340 000 долларов США по контракту на изготовление стоимостью 2,1 миллиона долларов. Воздуховоды проработали 8 лет, на участке С-276 нарушений сварных швов не было.

Случай 2: Трубопроводы для морской воды из Inconel 625 — теплообменник носителя СПГ

Верфь для перевозки СПГ изготовила кожухо-и-трубчатый теплообменник охладителя морской воды из бесшовных труб Inconel 625 (Sch 40, 8-дюймов NB; общая наплавка 18 тонн). Верфь использовала FCAW-D для всех проходов заполнения и крышки с проволокой ERNiCrMo-3 и защитой 75Ar/25CO₂. Контроль качества включал: 100 % RT (согласно кодексу IGC/правилам DNV-GL), PT всех сварных швов патрубков и патрубков, а также испытания на растяжение всех образцов для квалификационного испытания процедуры (PQR). Результаты: уровень приемки с первого прохода 99,2% (в ходе RT не обнаружено бракованных дефектов); Механические испытания показали среднюю прочность на разрыв 965 МПа (характеристики основного металла: 827 МПа мин.), средний CVN при -196 градусах и 105 Дж. Верфь объяснила низкий уровень дефектов строгим межпроходным контролем температуры (макс. 120 градусов, контролируемый контактным пирометром между каждым проходом) и специальным оборудованием FCAW, которое никогда не использовалось совместно с работами с нержавеющей сталью, что исключает перекрестное загрязнение как источник пористости.

Случай 3: Емкость для нейтрализации кислоты Incoloy 825 — завод по производству фосфорной кислоты

Емкость для нейтрализации фосфорной кислоты (Incoloy 825, стенка 22 мм, внутренний объем 6 м³) была изготовлена ​​с использованием FCAW-D с наполнителем ERNiFeCr-2. Это был первый проект производителя с использованием Incoloy FCAW после успешного завершения работы с Inconel 625. Основной проблемой качества была сенсибилизация HAZ: 825 содержит титан (0,6-1,2%), который при температуре выше 540 градусов может образовывать TiC и обеднять хром на границах зерен. Производитель решил эту проблему путем: (а) ограничения межпрохода до 120 градусов (более плотный, чем стандартные 150 градусов), (б) использования только стрингерных валиков (без переплетения) и (в) определения термообработки для стабилизации после сварки при 940 градусах в течение 2 часов на 25 мм (ниже диапазона сенсибилизации 540–760 градусов). Заключительная проверка включала ASTM A262 Practice C (тест Хьюи): скорость коррозии 0,18 мм/год (предел:<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.

Спецификация процедуры FCAW для никелевых сплавов

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Может ли FCAW производить сварные швы, соответствующие критериям приемки NACE MR0175 (кислотная эксплуатация)?

Да -- Сварные швы FCAW-D с использованием присадочного металла ERNiCrMo-3 полностью перечислены в NACE MR0175 / ISO 15156-3 как приемлемые для сред, содержащих H₂S, в состоянии после сварки, при условии, что квалификационные испытания процедуры (PQR) демонстрируют, что ЗТВ и металл сварного шва соответствуют всем механическим требованиям и требованиям по твердости (HRC макс. 40 для кислых обслуживание). Ключевым моментом является использование правильной классификации присадочного металла и обеспечение соответствия химического состава металла сварного шва обозначению A5.34/A5.14 в сертификате соответствия. Сварные швы Hastelloy C-276 FCAW с использованием ERNiCrMo-4 также одобрены NACE для работы в кислой среде.

Вопрос: Почему корневой проход GTAW по-прежнему рекомендуется при использовании FCAW для проходов заполнения и заделки?

Корневой проход GTAW обеспечивает превосходное проплавление (более глубокое проплавление в основной металл), нулевую-начальную точку дефектов, а также возможность увидеть и исправить любые недостатки--сплавления непосредственно в корне. FCAW имеет больший конус дуги и более турбулентный перенос капель, что может привести к отсутствию-сплавления-в плотных геометриях корня, если параметры не установлены точно. Начав с надежного корневого прохода GTAW, вы гарантируете, что корень герметичен и -герметичен и полностью проварен - — зона наибольшего риска в любом стыковом шве, — после чего FCAW эффективно заполняет шов. Этот гибридный подход является отраслевым стандартом для изготовления труб и сосудов из Inconel 625, C-276 и Incoloy 825.

Вопрос: Как предотвратить дефекты силикатных островков между проходами FCAW на никелевых сплавах?

Силикатные островки образуются в результате разложения флюса в проволоке FCAW с образованием пленок кремнезема (SiO₂) на поверхности сварочной ванны. Если эти пленки не удалить до следующего прохода, они задерживаются в виде шлаковых включений. Профилактика проста, но-трудозатратна: используйте специальную проволочную щетку из нержавеющей стали, чтобы очистить каждый проход перед нанесением следующего прохода. Используйте отдельную щетку только для никелевых сплавов - — никогда не используйте одну и ту же щетку для углеродистой или нержавеющей стали. Перед каждым проходом осматривайте поверхность сварного шва; Любая серо-белая кремнеземная пленка должна быть полностью удалена. Техника стрингерного бисера снижает накопление кремнезема по сравнению с техникой плетения.

Вопрос: Приемлем ли FCAW-S для никелевых сплавов?

Только в ограниченных, не-критических ситуациях. FCAW-S обеспечивает защиту от разложения флюса, богатого азотом-, что приводит к образованию азотистой пористости в никелевых сплавах. Приемлемыми вариантами применения являются: монтаж на открытом воздухе, где ветер делает газовую защиту непрактичной, а требования к качеству не-критичны (например, временные опоры, модификации на месте эксплуатации с меньшими требованиями к проверке). Критерии приемки должны быть ужесточены: максимальный размер пор уменьшен до половины стандартного предела, а рентгенографическая приемка не должна показывать скоплений пор. Для любых приложений,-содержащих давление, кислую-работа или коррозию-критических приложений, FCAW-S не допускается.

Вопрос: Чем FCAW отличается от GMAW (MIG) для никелевых сплавов?

FCAW-D обеспечивает на 50--100 % более высокую скорость наплавки, чем GMAW-P (импульсная MIG) на никелевых сплавах, главным образом потому, что проволока FCAW имеет более высокую плотность тока (меньший диаметр, более высокие скорости подачи), а добавление флюса увеличивает температуру дуги и эффективность переноса металла. FCAW-D также более терпим к незначительным изменениям в посадке швов-и чистоте поверхности, поскольку система флюса обеспечивает некоторую защиту от загрязнения поверхности. Недостаток- заключается в том, что FCAW требует более тщательной очистки между проходами (удаление кремнезема) и дает более грубый профиль-сварной поверхности. GMAW-P обеспечивает более гладкий шов с меньшей очисткой после-сварки, но с меньшей производительностью. Промышленный консенсус по изготовлению никелевых сплавов: используйте GMAW-P для тонких срезов (менее 6 мм), где внешний вид и контроль посадки- превосходны; используйте FCAW-D для срезов средней и толстой толщины (более 6 мм), где важна скорость наплавки.

JN Alloy поставляет сварочную проволоку FCAW из никелевого сплава (ERNiCrMo-3, ERNiCrMo-4, ERNiFeCr-2), бесшовные трубы, трубы, пластины и прутки в соответствии со стандартами ASTM/ASME/AWS/NACE, а также полные протоколы заводских испытаний и сертификацию EN 10204 3.1. Свяжитесь с нами: Info@jnalloy.com|+86 19339900211|www.jnalloy.com