Контроль тепловложения при сварке нержавеющей стали

Каждый сварной шов передает энергию основному металлу. Эта энергия, измеряемая как тепловложение, напрямую влияет на размер зоны термического воздействия (ЗТВ), скорость охлаждения и, в конечном итоге, на микроструктуру и свойства сварного соединения. Для нержавеющих сталей, где устойчивость к коррозии является основным требованием к эксплуатационным характеристикам, контроль тепловложения не является обязательным — он имеет основополагающее значение.

Тепловложение рассчитывается на основе трех параметров сварки: силы тока (тока), напряжения и скорости движения. Зависимость проста: тепловложение равно произведению тока и напряжения, деленному на скорость движения, с поправочным коэффициентом для процесса сварки. Тем не менее, несмотря на эту простоту, тепловложение остается одним из наиболее неправильно понимаемых и неправильно применяемых параметров при производстве нержавеющей стали.

Почему это имеет большее значение, чем вы думаете? Потому что последствия неправильного ввода тепла не всегда видны сразу. Сварной шов, прошедший визуальный контроль и рентгенографию, все равно может выйти из строя из-за сенсибилизации, образования сигма-фазы или чрезмерного роста зерен — все это напрямую связано с термическим циклом, возникающим во время сварки. В этой статье объясняются металлургические основы ограничений тепловложения и приводятся практические рекомендации для различных семейств нержавеющей стали.

Расчет тепловложения

Стандартная формула для тепловложения выведена из основ физики. Мощность (ватты) равна напряжению, умноженному на ток. Энергия (джоули) равна мощности, умноженной на время. При сварке нас интересует энергия на единицу длины сварного шва, то есть мы делим ее на скорость движения.

Коэффициент эффективности учитывает потери тепла в окружающую среду — излучение, конвекцию и разбрызгивание. Различные процессы сварки имеют разную эффективность:

Таблица 1. Коэффициенты эффективности тепловложения в зависимости от процесса сварки

Источник: AWS D1.6:2017; ASME, раздел IX (2023 г.); Сварочная металлургия, Коу (2003 г.)

Пример расчета: Сварка GTAW, выполненная при напряжении 12 В, 150 А и скорости движения 150 мм/мин: Тепловложение=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 кДж/мм. Это относительно низкое тепловложение, типичное для тонко-аустенитной нержавеющей стали.

Аустенитные нержавеющие стали: умеренное тепловложение предотвращает сенсибилизацию

Аустенитные нержавеющие сталиявляются наиболее свариваемыми из всех семейств нержавеющей стали, но они не застрахованы от термических повреждений. Основной риск — это сенсибилизация — осаждение карбидов хрома на границах зерен, когда температура металла проходит через диапазон 500–850 градусов Цельсия. Высокое тепловложение увеличивает время пребывания ЗТВ в этой критической температурной зоне, увеличивая тяжесть сенсибилизации.

Марки с низким-углеродом (304L, 316L) и стабилизированные марки (321, 347) были разработаны специально для защиты от сенсибилизации. Однако даже эти сорта не застрахованы от воздействия чрезмерного тепловложения. Высокая температура также вызывает рост зерен, что может снизить ударную вязкость и увеличить риск горячего растрескивания полностью аустенитных сварных металлов.

Рекомендуемый диапазон тепловложения для аустенитных марок уравновешивает два конкурирующих требования: достаточно тепла для обеспечения адекватной плавления и текучести сварочной ванны, но не настолько, чтобы ЗТВ проводила слишком много времени в диапазоне сенсибилизации. Контроль температуры между проходами (обычно ниже 150 градусов Цельсия) еще больше снижает совокупное тепловое воздействие.

Таблица 2. Рекомендации по тепловложению для аустенитных нержавеющих сталей

Источник: Справочник Outokumpu по нержавеющей стали (2020 г.); АВС Д1.6:2017; ASME Раздел VIII Раздел 1 (2023 г.)

Дуплексные нержавеющие стали: тепловложение контролирует баланс аустенита-феррита

Дуплексные нержавеющие сталиИх исключительная прочность и коррозионная стойкость обусловлены сбалансированной микроструктурой, состоящей примерно из 50 % аустенита и 50 % феррита. Сварка нарушает этот баланс. Быстрый термический цикл способствует образованию феррита, и если подвод тепла слишком низок, металл сварного шва и ЗТВ могут сохранять избыток феррита (более 70%), что снижает ударную вязкость и коррозионную стойкость.

И наоборот, если подвод тепла слишком высок, длительное время пребывания при повышенной температуре способствует образованию вредных интерметаллических фаз, особенно сигма-фазы и хи-фазы. Эти фазы поглощают хром и молибден из окружающей матрицы, создавая обедненные зоны, подверженные точечной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Образование сигма-фазы представляет собой наиболее серьезный металлургический риск при дуплексной сварке.

Решением является тщательно контролируемое окно подвода тепла в сочетании с соответствующими присадочными металлами. Присадочные металлы для дуплексных марок сверхлегированы-никелем (обычно 8–9%), чтобы способствовать реформированию аустенита во время охлаждения. Подводимое тепло должно быть достаточно высоким, чтобы дать время на это превращение аустенита, но не настолько большим, чтобы образовалась сигма-фаза.

Таблица 3. Рекомендации по тепловложению для дуплексных нержавеющих сталей

Источник: Справочник Outokumpu по дуплексной нержавеющей стали (2015 г.); Sandvik SAF 2205/2507 Руководство по сварке; КДЕС MR0175/ИСО 15156

Мартенситные нержавеющие стали: низкое тепловложение с предварительным нагревом предотвращает растрескивание

Мартенситные нержавеющие стали при охлаждении от температуры аустенизации превращаются в твердый хрупкий мартенсит. Это преобразование создает высокие остаточные напряжения и делает ЗТВ чрезвычайно восприимчивой к водородному растрескиванию - (также называемому замедленным растрескиванием или холодным растрескиванием). В отличие от аустенитных марок мартенситные стали не защищены стабильной кристаллической структурой ГЦК.

Контроль тепловложения мартенситных марок служит двум целям. Во-первых, чрезмерное тепловложение увеличивает размер закаленной ЗТВ, создавая больший объем хрупкого материала. Во-вторых, низкое тепловложение в сочетании с предварительным нагревом замедляет скорость охлаждения, что снижает твердость мартенсита и дает водороду больше времени для диффузии из зоны сварки.

Предварительный нагрев необходим для мартенситных марок. Температура предварительного нагрева зависит от содержания углерода и толщины секции, но обычно составляет 200-300 градусов Цельсия. Температура между проходами должна поддерживаться выше минимума предварительного нагрева. Практически всегда требуется послесварочная термообработка (отпуск при 650-750 С).

Таблица 4: Требования к тепловложению и предварительному нагреву мартенситных нержавеющих сталей

Источник: Специализированный справочник ASM: Нержавеющие стали (1994 г.); АВС Д1.6:2017; ASME Раздел VIII Раздел 1

Подключение скорости охлаждения: почему одного лишь подвода тепла недостаточно

Тепловложение является мерой выделяемой энергии, но именно скорость охлаждения определяет конечную микроструктуру. То же количество тепла, приложенное к листу толщиной 3 мм, обеспечит гораздо более высокую скорость охлаждения, чем к листу толщиной 25 мм. Вот почему рекомендации по тепловложению всегда следует учитывать наряду с толщиной сечения.

Скорость охлаждения при сварке обычно измеряется как время охлаждения от 800 до 500 градусов Цельсия (t8/5). Для углеродистых сталей этот параметр напрямую определяет твердость и микроструктуру ЗТВ. Для нержавеющих сталей критический диапазон температур отличается — для сенсибилизации имеет значение время, проведенное между 850 и 500 градусами Цельсия.

Взаимосвязь между подводом тепла и скоростью охлаждения можно аппроксимировать с помощью уравнений теплового потока. Для тонких сечений (где тепло течет преимущественно в двух измерениях) скорость охлаждения обратно пропорциональна квадрату подведенного тепла. Для толстых сечений (трехмерный тепловой поток) скорость охлаждения обратно пропорциональна погонному теплу. Это означает, что в тонких срезах небольшое увеличение подвода тепла резко замедляет скорость охлаждения.

Таблица 5: Изменение скорости охлаждения в зависимости от подвода тепла и толщины сечения

Источник: Welding Metallurgy, Kou (2003); Справочник ASM, том 6A (2011 г.)

Многопроходная сварка: совокупное тепловложение и температура между проходами

Многопроходная сварка создает осложнение, которого нет при однопроходной сварке: каждый последующий проход подвергает нижележащий металл сварного шва и зону термической опасности дополнительным термическим циклам. Это может быть полезно или вредно в зависимости от класса. Для некоторых аустенитных сварных швов тепло от последующих проходов может растворить карбиды, образовавшиеся во время предыдущих проходов. Для дуплексных марок повторный нагрев до температуры 600–900 градусов Цельсия ускоряет образование сигма-фазы.

Межпроходная температура — это температура зоны сварки непосредственно перед наплавкой следующего прохода. Для большинства нержавеющих сталей ее следует поддерживать ниже 150 градусов Цельсия, чтобы ограничить совокупное тепловое воздействие. Некоторые спецификации дуплексной печати еще более строгие: для супер-дуплексных марок, таких как 2507, межпроходная температура должна быть ниже 100 градусов Цельсия.

Практический вывод заключается в том, что многопроходная сварка требует более тщательного планирования, чем однопроходная сварка. Сварщик должен выдерживать достаточное время между проходами для охлаждения или использовать методы принудительного охлаждения (струя воздуха, водяной туман), не загрязняющие зону сварки. Спешная много-проходная сварка дуплексных или супер-дуплексных марок является распространенной причиной образования сигма-фазы и последующих сбоев в обслуживании.

Таблица 6. Рекомендуемые температуры между проходами для многопроходной сварки

Источник: Рекомендации Outokumpu по сварке (2020 г.); Справочник по сварке специальных металлов; КДЕС MR0175

Последствия чрезмерного тепловложения

Последствия плохого контроля тепловложения не являются теоретическими. Они регулярно появляются в отчетах по анализу отказов в различных отраслях. Понимание этих режимов отказа помогает инженерам и инспекторам распознавать симптомы и отслеживать их первопричину.

Межкристаллитная коррозия: вызвана сенсибилизацией ЗТВ. Границы зерен подвергаются выборочному воздействию, что приводит к появлению на поверхности эффекта «засахаривания». Обычно встречается в сварных швах марок 304/316 с чрезмерным тепловложением без надлежащего класса L- или стабилизации.

Питтинговая коррозия: образование сигма-фазы в дуплексных сталях приводит к расходованию хрома и молибдена, создавая зоны с пониженной питтинговой устойчивостью. Ямки возникают преимущественно в ЗТВ сварных швов с высоким-тепловым-вложением.

Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC). Высокое тепловложение приводит к увеличению ЗТВ с более высоким остаточным напряжением. В сочетании с сенсибилизацией это создает идеальные условия для SCC в средах,-содержащих хлориды.

Пониженная вязкость. Чрезмерный рост зерен в аустенитной ЗТВ снижает ударную вязкость. В дуплексных сталях высокое содержание феррита и сигма-фазы значительно снижают ударную вязкость.

Горячее растрескивание. В полностью аустенитных сварных металлах (310, некоторые никелевые сплавы) высокое тепловложение увеличивает время пребывания в диапазоне хрупкого затвердевания, увеличивая риск растрескивания при затвердевании.

Таблица 7. Виды отказов, связанные с чрезмерным поступлением тепла

Источник: Справочник ASM, том 11: Анализ отказов (2002 г.); Исследование данных о коррозии NACE; Примеры отказов сплавов JN

Практическое управление тепловложением: от WPS до цеха

Контроль тепловложения начинается в инженерном бюро и заканчивается в цехе. Спецификация процедуры сварки (WPS) должна включать четкие пределы тепловложения, а не только основные параметры силы тока, напряжения и скорости движения. Для критических применений в WPS должен быть указан приемлемый диапазон для каждого параметра и расчетные пределы тепловложения.

Укажите тепловложение в WPS: Не думайте, что перечисления диапазонов силы тока и напряжения достаточно. Рассчитайте и явно укажите максимальное тепловложение (например, «Максимальное тепловложение: 2,0 кДж/мм»).

Используйте калиброванное оборудование: современные источники питания могут отображать и регистрировать фактическую силу тока и напряжение. Используйте эти данные для расчета фактического тепловложения, а не только заданных значений.

Обучайте сварщиков последствиям: сварщики, которые понимают, что чрезмерное тепловложение может вызвать коррозию, будут более заинтересованы в контроле скорости перемещения и температуры между проходами.

Контролируйте скорость движения: Скорость движения — это параметр, который сварщики чаще всего регулируют во время производства. Предоставьте рекомендации о том, как поддерживать постоянную скорость или использовать механизированные/автоматические системы для критических сварных швов.

Документируйте тепловложение для критически важных сварных швов. Для сосудов под давлением, морских компонентов и трубопроводов химических заводов рассчитайте и запишите фактическое тепловложение для каждого сварного шва. Это обеспечивает возможность отслеживания в случае будущих сбоев.

Используйте калькуляторы тепловложения: бесплатные приложения и онлайн-калькуляторы позволяют сварщикам быстро рассчитывать тепловложение на основе основных параметров. Поощряйте их использование в цехах.

Затраты на контроль тепловложения минимальны по сравнению со стоимостью коррозионного отказа при эксплуатации. Единственная питтинговая авария на химическом заводе может привести к потерям производства, очистке окружающей среды и замене оборудования на миллионы долларов. Инвестирование в надлежащий контроль тепловложения – это не просто хорошая инженерия, это хорошая экономика.

Краткое содержание

В следующей таблице рекомендации из этой статьи объединены в краткий-справочный формат. Инженеры и производители могут использовать эту матрицу для установления пределов тепловложения для своих конкретных применений.

Таблица 8. Матрица решений по тепловложению по семействам нержавеющей стали

Источник: Составлено на основе AWS D1.6, раздела VIII/IX ASME, технических руководств Outokumpu, Sandvik, Special Metals и JN Alloys.

Заключение

Тепловложение — единственная наиболее контролируемая переменная, определяющая качество и эксплуатационные характеристики сварных швов из нержавеющей стали. Металлургические последствия воздействия тепла — сенсибилизация, образование сигма-фазы, рост зерен и фазовый дисбаланс — хорошо изучены и предсказуемы. Чего часто не хватает, так это дисциплины для воплощения этих знаний на практике.

Рекомендации в этой статье основаны на десятилетиях исследований и практическом опыте. Это не произвольные ограничения - — они отражают основную физику и металлургию сварки. Контролируя тепловложение в соответствующем диапазоне для каждого семейства нержавеющей стали, производители могут создавать сварные швы, которые сохраняют коррозионную стойкость, механические свойства и долгосрочную надежность, как ожидают их клиенты.

Для получения технической поддержки по процедурам сварки нержавеющей стали, выбору присадочного металла или оптимизации тепловложения свяжитесь с JN Alloys - — вашим партнером по решениям для высокопроизводительных сплавов.

Веб-сайт:www.jnalloys.com