Soojussisendi juhtimine roostevaba terase keevitamisel

Iga keevisõmblus kannab energiat mitteväärismetalli. See energia, mõõdetuna soojussisendisena, juhib otseselt soojustsooni (HAZ) suurust, jahutuskiirust ning lõpuks keevisliite mikrostruktuuri ja omadusi. Roostevaba terase puhul, kus korrosioonikindlus on esmane jõudlusnõue, ei ole soojussisendi juhtimine valikuline – see on põhiline.

Soojussisend arvutatakse kolme keevitusparameetri järgi: voolutugevus (vool), pinge ja liikumiskiirus. Seos on sirgjooneline: soojussisend võrdub voolu ja pinge korrutisega, jagatud liikumiskiirusega, koos keevitusprotsessi parandusteguriga. Sellest lihtsusest hoolimata on soojussisend siiski üks roostevaba terase valmistamisel kõige valesti mõistetud ja valesti rakendatud parameetreid.

Heat Input Control in Stainless Steel Welding

Miks see on olulisem, kui arvate? Sest vale soojussisendi tagajärjed pole alati kohe nähtavad. Visuaalset kontrolli ja radiograafiat läbiv keevisõmblus võib siiski ebaõnnestuda sensibiliseerimise, sigmafaasi moodustumise või liigse tera kasvu tõttu – kõik need on otseselt seotud keevitamise ajal rakenduva termilise tsükliga. See artikkel selgitab soojuse sisendi piirmäärade metallurgilist alust ja annab praktilisi juhiseid erinevate roostevaba terase perekondade jaoks.

Soojussisendi standardvalem on tuletatud põhifüüsikast. Võimsus (vatti) võrdub pinge korrutis vooluga. Energia (džaulides) võrdub võimsusega, mis on korrutatud ajaga. Keevitamisel huvitab meid keevisõmbluse pikkuseühiku energia, mis tähendab, et jagame liikumiskiirusega.

Tõhususe tegur arvestab ümbritsevale soojuse kadu – kiirgust, konvektsiooni ja pritsmeid. Erinevatel keevitusprotsessidel on erinev efektiivsus:

Tabel 1: Soojussisendi efektiivsuse tegurid keevitusprotsessi järgi

Keevitusprotsess	Tõhususe tegur (k)	Tüüpiline soojussisendi vahemik
SMAW (varjestatud metallkaar)	0.70 - 0.85	1.0 - 3.0 kJ/mm
GMAW (Gas Metal Arc)	0.75 - 0.90	0.8 - 2.5 kJ/mm
GTAW (gaasi volframkaar)	0.60 - 0.70	0.5 - 2.0 kJ/mm
SAW (Sukeldatud kaar)	0.90 - 0.99	2.0 - 5.0 kJ/mm
FCAW (Flux Cored Arc)	0.75 - 0.90	1.0 - 3.0 kJ/mm

Allikas: AWS D1.6:2017; ASME IX jagu (2023); Keevitusmetallurgia, Kou (2003)

Arvutuse näide: GTAW keevisõmblus, mis on valmistatud pingega 12 volti, 150 amprit ja liikumiskiirusega 150 mm/min: soojussisend=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. See on suhteliselt madal soojussisend, mis on tüüpiline õhukese{12}}austeniitse roostevaba terase jaoks.

Austeniitsed roostevabad terasedon kõigist roostevaba terase perekondadest kõige keevitatavamad, kuid need ei ole kaitstud termiliste kahjustuste eest. Esmane oht on sensibiliseerimine – kroomkarbiidide sadestumine tera piiridel, kui metall läbib 500–850 kraadi Celsiuse järgi. Kõrge soojussisend pikendab aega, mille HAZ veedab selles kriitilises temperatuuritsoonis, suurendades sensibilisatsiooni tõsidust.

Austenitic Stainless Steels Moderate Heat Input Prevents Sensitization

Madala süsinikusisaldusega klassid (304L, 316L) ja stabiliseeritud klassid (321,347) töötati välja spetsiaalselt sensibiliseerimise vastu. Kuid isegi need klassid ei ole kaitstud liigse soojuse mõju eest. Kõrge kuumus põhjustab ka tera kasvu, mis võib vähendada täielikult austeniitsete keevismetallide sitkust ja suurendada kuumapragude tekkimise ohtu.

Austeniitklasside soovitatav soojussisendi vahemik tasakaalustab kahte konkureerivat nõuet: piisavalt soojust, et tagada piisav sulamis- ja keevisvanni voolavus, kuid mitte nii palju, et HAZ kulutaks sensibiliseerimisvahemikus liigselt aega. Läbipääsudevahelise temperatuuri kontroll (tavaliselt alla 150 kraadi Celsiuse järgi) vähendab kumulatiivset termilist kokkupuudet veelgi.

Tabel 2: Soojussisendi juhised austeniitsete roostevabade teraste jaoks

Hinne	Soovitatav soojussisend	Maksimaalne läbipääsu temp	Esmane ülekuumenemise oht
304 / 304L	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibiliseerimine, teraviljakasv
316 / 316L	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibiliseerimine, vähenenud korrosioonikindlus
321 (Ti-stabiliseeritud)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Terakasv, vähenenud sitkus
347 (Nb-stabiliseeritud)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Terakasv, lõhenemisoht
310 / 310S	0.8 - 2.0 kJ/mm	150 C	Kuumpragunemine, terakasv

Allikas: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME VIII jaotise 1. osa (2023)

Duplex roostevaba terassaavad oma erakordse tugevuse ja korrosioonikindluse tasakaalustatud mikrostruktuurist, mis koosneb ligikaudu 50% austeniidist ja 50% ferriidist. Keevitamine rikub selle tasakaalu. Kiire termiline tsükkel soodustab ferriidi moodustumist ja kui soojuse sisend on liiga väike, võivad keevismetall ja HAZ säilitada liigset ferriiti (üle 70%), mis vähendab sitkust ja korrosioonikindlust.

Vastupidiselt, kui soojussisend on liiga kõrge, soodustab kõrgendatud temperatuuril pikendatud aeg kahjulike intermetalliliste faaside moodustumist, eriti sigma- ja chi-faasi. Need faasid tarbivad ümbritsevast maatriksist kroomi ja molübdeeni, luues vaesestatud tsoonid, mis on vastuvõtlikud punkt- ja pingekorrosioonipragude tekkele. Sigmafaasi moodustumine on duplekskeevituse kõige tõsisem metallurgiline risk.

Lahenduseks on hoolikalt kontrollitud soojussisendi aken, mis on kombineeritud sobivate täitemetallidega. Dupleksklasside täitemetallid on üle-legeeritud nikliga (tavaliselt 8–9%), et soodustada austeniidi ümberkujunemist jahutamise ajal. Soojussisend peab olema piisavalt kõrge, et austeniidi muundumiseks oleks aega, kuid mitte nii kõrge, et tekiks sigma faas.

Tabel 3: Soojussisendi juhised kahepoolsete roostevabade teraste jaoks

Dupleksaste	Soojussisendi vahemik	Max Interpass	Jahutuskiiruse nõue	Sihtfaasi tasakaal
2205 (UNS S31803)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Pole kriitiline, kui see on vahemikus	45-55% austeniiti
2507 (UNS S32750)	0.5 - 2.0 kJ/mm	150 C	Eelistatakse mõõdukat jahutamist	45-55% austeniiti
2304 (UNS S32304)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Pole kriitiline	45-55% austeniiti
Lean Duplex (2101)	0.8 - 2.5 kJ/mm	150 C	Kiirem jahutamine vastuvõetav	40-60% austeniiti

Allikas: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Keevitusjuhised; NACE MR0175/ISO 15156

Martensiitsed roostevabad terased muutuvad austenitiseerimistemperatuurist jahutamisel kõvaks rabedaks martensiidiks. See muundumine tekitab suuri jääkpingeid ja muudab HAZ-i äärmiselt vastuvõtlikuks vesinik{1}}indutseeritud pragude suhtes (nimetatakse ka viivitatud pragunemiseks või külmpragunemiseks). Erinevalt austeniitsetest klassidest ei ole martensiiterased kaitstud stabiilse FCC kristallstruktuuriga.

Martensiitsete klasside soojussisendi reguleerimisel on kaks eesmärki. Esiteks suurendab liigne soojussisend karastatud HAZ-i suurust, luues suurema hulga rabedat materjali. Teiseks aeglustab madal soojussisend koos eelsoojendusega jahutuskiirust, mis vähendab martensiidi kõvadust ja annab rohkem aega vesinikul keevistsoonist välja difundeeruda.

Martensitic Stainless Steels Low Heat Input with Preheat Prevents Cracking

Eelsoojendamine on martensiitsete klasside jaoks hädavajalik. Eelsoojendustemperatuur sõltub süsinikusisaldusest ja sektsiooni paksusest, kuid jääb tavaliselt vahemikku 200-300 kraadi Celsiuse järgi. Läbipääsudevaheline temperatuur peab olema kõrgem eelsoojenduse miinimumist. Peaaegu alati on vajalik keevitusjärgne kuumtöötlus (karastamine temperatuuril 650-750 C).

Tabel 4: Martensiitsete roostevabade teraste soojussisend- ja eelsoojendusnõuded

Martensiitne klass	Süsinikusisaldus	Soovitatav soojussisend	Eelsoojenda Temp	PWHT Nõutav
410 (UNS S41000)	0.08-0.15%	1.0 - 2.0 kJ/mm	200-300 C	jah (tuju)
420 (UNS S42000)	0.16-0.25%	0.8 - 1.5 kJ/mm	250-350 C	jah (tuju)
431 (UNS S43100)	0.12-0.22%	0.8 - 1.5 kJ/mm	200-300 C	jah (tuju)
17-4PH (UNS S17400)	0,07% max	1.0 - 2.0 kJ/mm	100-150 C	jah (vananemine)

Allikas: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME VIII jaotis, 1. osa

Soojussisend on ladestunud energia mõõt, kuid lõpliku mikrostruktuuri määrab jahutuskiirus. Sama soojussisend, mida rakendatakse 3 mm plaadile, annab palju kiirema jahutuskiiruse kui 25 mm plaadile rakendatuna. Seetõttu tuleb soojussisendi soovitusi alati arvestada ristlõike paksuse kõrval.

Jahutuskiirust keevitamisel mõõdetakse tavaliselt kui aega, mis kulub jahtumiseks 800 kuni 500 kraadi Celsiuse järgi (t8/5). Süsinikteraste puhul määrab see parameeter otseselt HAZ-i kõvaduse ja mikrostruktuuri. Roostevaba terase puhul on kriitiline temperatuurivahemik erinev – sensibiliseerimise puhul on oluline 850–500 kraadi Celsiuse järgi veedetud aeg.

Soojussisendi ja jahutuskiiruse vahelist seost saab ligikaudselt hinnata soojusvoo võrrandite abil. Õhukeste sektsioonide puhul (kus soojus voolab peamiselt kahes mõõtmes) on jahutuskiirus pöördvõrdeline soojussisendi ruuduga. Paksude sektsioonide (kolme-mõõtmeline soojusvoog) korral on jahutuskiirus pöördvõrdeline soojussisendiga. See tähendab, et õhukeste osade puhul aeglustab soojussisendi väike suurenemine jahutuskiirust dramaatiliselt.

Tabel 5: Jahutuskiiruse kõikumine soojuse sisendi ja sektsiooni paksuse korral

Sektsiooni paksus	Soojussisend 1,0 kJ/mm	Soojussisend 2,0 kJ/mm	Soojussisend 3,0 kJ/mm	Mõju HAZ-ile
3 mm (õhuke)	Väga kiire jahutamine	Kiire jahutamine	Mõõdukas jahutus	Minimaalne sensibiliseerimise oht
10 mm (keskmine)	Kiire jahutamine	Mõõdukas jahutus	Aeglane jahutamine	Sensibiliseerimise risk suureneb
25 mm (paks)	Mõõdukas jahutus	Aeglane jahutamine	Väga aeglane jahutamine	Kõrge sensibiliseerimise oht

Allikas: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM-i käsiraamatu köide 6A (2011)

Mitmekäiguline keevitamine toob kaasa komplikatsiooni, mida ühekäigulisel-keevitusel ei ole: iga järgmine läbimine allutab keevismetalli ja HAZ-i täiendavatele termotsüklitele. See võib olenevalt klassist olla kasulik või kahjulik. Mõnede austeniitsete keevisõmbluste puhul võib hilisemate läbimiste käigus tekkiv soojus lahustada varasemate läbimiste käigus tekkinud karbiidid. Dupleksklasside puhul kiirendab korduv kuumutamine 600–900 kraadi Celsiuse järgi sigmafaasi moodustumist.

Läbipääsudevaheline temperatuur on keevistsooni temperatuur vahetult enne järgmise läbimise sadestamist. Enamiku roostevaba terase puhul tuleks kumulatiivse termilise kokkupuute piiramiseks hoida seda alla 150 kraadi Celsiuse järgi. Mõned dupleksi spetsifikatsioonid on veelgi piiravamad, nõudes super-dupleksklasside (nt 2507) puhul alla 100 kraadi Celsiuse järgi.

Praktiline tähendus on see, et mitmekäigulised keevisõmblused nõuavad hoolikamat planeerimist kui ühekäigulised keevisõmblused. Keevitaja peab jätma jahutuskäikude vahele piisavalt aega või kasutama sundjahutusmeetodeid (õhkpuhastus, veeudu), mis ei saasta keevistsooni. Dupleks- või super{5}}dupleksklasside kiirustav mitmekäiguline keevitus on sigmafaasi moodustumise ja sellele järgnevate hooldustõrgete sagedane põhjus.

Tabel 6: läbipääsutemperatuuri juhised mitmekäigulise{1}}keevituse jaoks

klassi perekond	Soovitatav Interpass	Maksimaalne läbib ilma jahutuseta	Kriitiline seirepunkt
Austeniit (304, 316)	150 C max	3-4 tüüpiline	Aeg sensibiliseerimisvahemikus
Dupleks (2205)	150 C max	2-3 tüüpiline	Sigma faasi moodustumine
Super{0}}dupleks (2507)	100 C max	2 soovitatav	Sigma faas, intermetallikud
Martensiit (410, 420)	Hoidke eelsoojendust kõrgemal	Eelsoojendusel pole piiranguid	Vesinikkrakkimine
Niklisulamid (625, C-276)	150 C max	3-4 tüüpiline	Terakasv, mikrosegregatsioon

Allikas: Outokumpu Welding Guidelines (2020); Spetsiaalsete metallide keevitamise käsiraamat; NACE MR0175

Halva soojussisendi juhtimise tagajärjed ei ole teoreetilised. Need ilmuvad regulaarselt tõrkeanalüüsi aruannetes erinevates tööstusharudes. Nende tõrkerežiimide mõistmine aitab inseneridel ja inspektoritel sümptomid ära tunda ja nende algpõhjuseni jälitada.

Consequences of Excessive Heat Input

Teradevaheline korrosioon: põhjustatud sensibiliseerimisest HAZ-is. Terade piire rünnatakse valikuliselt, mis põhjustab pinnale "suhkrut". Levinud 304/316 keevisõmblustes, kus on liiga palju soojust, ilma korraliku L-klassi või stabiliseerimiseta.

Punktkorrosioon: Sigma faasi moodustumine dupleksterastes kulutab kroomi ja molübdeeni, luues tsoone, millel on vähenenud punktresistentsus. Süvendid algavad eelistatavalt kõrge -kuumuse-sisendiga keevisõmbluste HAZ-is.

Pingekorrosioonipragunemine (SCC): suur soojussisend tekitab suurema HAZ-i koos suurema jääkpingega. Koos sensibiliseerimisega loob see SCC jaoks ideaalsed tingimused kloriidi{1}}sisaldavas keskkonnas.

Vähendatud sitkus: liigne tera kasv austeniitses HAZ-is vähendab löögikindlust. Dupleksteraste puhul vähendavad nii kõrge ferriidisisaldus kui ka sigmafaas oluliselt tugevust.

Kuumpragunemine: täielikult austeniitsete keevismetallide (310, mõned niklisulamid) puhul pikendab suur soojussisend rabedas tahkestumise piirkonnas veedetud aega, suurendades tahkestumise pragude tekkimise ohtu.

Tabel 7: Ülemäärase soojussisendiga seotud tõrkerežiimid

Rikkerežiim	Esmane põhjus	Enim mõjutatud klassid	Ennetamine
Teradevaheline korrosioon	Sensibiliseerimine HAZ-is	304, 316 (mitte-L-klassid)	Kasutage L-klassi, piirake soojussisendit
Pitting HAZis	Sigma faas, Cr/Mo ammendumine	2205, 2507 dupleks	Piirake soojuse sisendit, kontrollige vahekäiku
Pingekorrosioonipragunemine	Sensibiliseerimine + jääkstress	Kõik austeniitklassid	Lahus lõõmutage, vähendage stressi
Vähendatud löögikindlus	Terakasv, sigmafaas	304, 316, 2205	Piirake soojuse sisendit, kasutage õiget täiteainet
Kuum lõhenemine	Laiendatud tahkestumise ulatus	310, 347, mõned Ni sulamid	Madal soojuse sisend, korralik täiteaine

Allikas: ASM käsiraamat, 11. köide: tõrgete analüüs (2002); NACE korrosiooniandmete uuring; JN sulamite rikete juhtumiuuringud

Soojussisendi juhtimine algab inseneribüroost ja lõpeb tsehhi põrandal. Keevitusprotseduuri spetsifikatsioon (WPS) peab sisaldama selgesõnalisi soojussisendi piiranguid, mitte ainult voolutugevuse, pinge ja liikumiskiiruse põhiparameetreid. Kriitiliste rakenduste puhul peaks WPS määrama iga parameetri vastuvõetava vahemiku ja arvutatud soojussisendi piirid.

Practical Heat Input Control From WPS to Shop Floor

Määrake soojussisend WPS-is: ärge eeldage, et voolutugevuse ja pinge vahemike loetlemisest piisab. Arvutage ja esitage selgesõnaliselt maksimaalne soojussisend (nt "Maksimaalne soojussisend: 2,0 kJ/mm").

Kasutage kalibreeritud seadmeid: kaasaegsed toiteallikad suudavad kuvada ja salvestada tegelikku voolutugevust ja pinget. Kasutage neid andmeid tegeliku soojussisendi, mitte ainult seadepunktide arvutamiseks.

Koolitage keevitajaid tagajärgedest: keevitajad, kes mõistavad, et liigne soojussisend võib põhjustada korrosioonitõrkeid, on rohkem motiveeritud kontrollima sõidukiirust ja läbipääsudevahelist temperatuuri.

Jälgige liikumiskiirust: Sõidukiirus on parameeter, mida keevitajad tootmise ajal kõige sagedamini reguleerivad. Andke juhiseid, kuidas säilitada ühtlast kiirust või kasutada kriitiliste keevisõmbluste jaoks mehhaniseeritud/automaatseid süsteeme.

Dokumenteerige kriitiliste keevisõmbluste soojussisend: surveanumate, avamerekomponentide ja keemiatehase torustike jaoks arvutage ja registreerige iga keevisõmbluse tegelik soojussisend. See tagab jälgitavuse tulevaste rikete korral.

Kasutage soojussisendi kalkulaatoreid: tasuta rakendused ja veebikalkulaatorid võimaldavad keevitajatel põhiparameetrite põhjal soojuse sisendit kiiresti arvutada. Julgustage nende kasutamist poe põrandal.

Soojussisendi kontrolli maksumus on minimaalne võrreldes kuludega, mis tekivad kasutusel tekkinud korrosioonitõrke korral. Üks keemiatehase tõrge võib põhjustada miljoneid dollareid tootmiskaotust, keskkonna puhastamist ja seadmete väljavahetamist. Investeerimine õigesse soojussisendi reguleerimisse ei ole lihtsalt hea tehnika – see on hea ökonoomika.

Järgmine tabel koondab selle artikli soovitused{0}}kiirviitevormingusse. Insenerid ja tootjad saavad seda maatriksit kasutada oma konkreetsete rakenduste jaoks soojussisendi piirangute kehtestamiseks.

Tabel 8: Soojussisendi otsustusmaatriks roostevaba terase perekonna järgi

Roostevaba perekond	Soojussisendi vahemik	Interpass Max	Kriitiline risk	Key Control Point
Austeniit (304L, 316L)	1.0 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sensibiliseerimine	Kasutage L-klassi, piirake aega 500–850 C
Stabiliseeritud (321, 347)	1.0 - 2.5 kJ/mm	200 C	Teravilja kasv	Vältige liigseid sööte
Dupleks (2205)	0.5 - 2.5 kJ/mm	150 C	Sigma faas	Tasakaalustage austeniit/ferriit
Super{0}}dupleks (2507)	0.5 - 2.0 kJ/mm	100 C	Sigma faas	Range läbipääsukontroll
Martensiit (410, 420)	0.8 - 2.0 kJ/mm	Säilitage eelsoojendus	Vesinikkrakkimine	Nõutav eelsoojendus + PWHT
Sademed{0}}Kõvenemine	1.0 - 2.0 kJ/mm	150 C	Pragunemine, ülevananemine	Järgige tootja spetsifikatsioone
Niklisulamid (625, C-276)	0.8 - 2.0 kJ/mm	150 C	Mikrosegregatsioon	Madal kuumus, korralik täiteaine

Allikas: koostatud AWS D1.6, ASME jaotise VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals ja JN Alloys tehniliste juhiste põhjal

Soojussisend on kõige paremini juhitav muutuja, mis määrab roostevabast terasest keevisõmbluste kvaliteedi ja teenindusomaduste. Soojussisendi metallurgilised tagajärjed – sensibiliseerimine, sigmafaasi moodustumine, terade kasv ja faaside tasakaalustamatus – on hästi mõistetavad ja prognoositavad. Sageli jääb puudu distsipliinist, et neid teadmisi praktikas rakendada.

Selle artikli soovitused põhinevad aastakümnete pikkusel uurimistööl ja valdkonna kogemusel. Need ei ole suvalised piirangud -- need peegeldavad keevitamise aluseks olevat füüsikat ja metallurgiat. Kontrollides soojussisendit iga roostevaba terase perekonna jaoks sobivas vahemikus, saavad tootjad toota keevisõmblusi, mis säilitavad korrosioonikindluse, mehaanilised omadused ja pikaajalise töökindluse, mida nende kliendid ootavad.

Roostevaba terase keevitusprotseduuride, täitematerjali valimise või soojussisendi optimeerimise alase tehnilise toe saamiseks võtke ühendust ettevõttega JN Alloys - – oma suure jõudlusega sulamilahenduste partneriga.

Veebisait:www.jnalloys.com