Tepelný příkon a teplota mezi jednotlivými vrstvami při svařování duplexních materiálů: praktický průvodce pro praxi

Selhání při svařování duplexních ocelí zřídka vyplývají z nedostatečné kvalifikace svařovače. Vznikají spíše z parametrů, které byly v technologickém postupu svařování (WPS) správně stanoveny, ale v místě oblouku byly nesprávné. Svařovač postupoval podle pokynů v technologickém listu. Hodnota tepelného příkonu byla v rámci povoleného rozsahu. Teplota mezi jednotlivými vrstvami byla zkontrolována. Přesto se svar v provozu začal opětovně korodovat nebo se rozpadl při lehkém úderu kladivem během dalšího odstavení za účelem údržby.

Důvodem je, že duplexní svařování je řízeno teplotním oknem, nikoli jediným parametrem. Vstupní teplo určuje toto okno. Teplota mezi jednotlivými průchody určuje, kolikrát tímto oknem projdete. Oba parametry se měří stejnými přístroji, které již máte k dispozici, a oba se běžně zaznamenávají nesprávně.

Tato příručka popisuje praktické hodnoty, výpočty, metody měření a způsoby zaznamenávání údajů, které rozeznávají duplexní WPS, který projde auditorem, od WPS, který vytvoří svar odolný v provozním prostředí.

Proč právě tyto dva parametry kontrolují vše

Duplexní nerezová ocel získává své vlastnosti přibližně 50:50 poměrem feritu a austenitu ve své mikrostruktuře. Svařování tuto rovnováhu lokálně naruší. Svarová lázeň se ztuhne téměř zcela jako ferit a austenit se znovu vytváří pouze při chladnutí kovu. .

Rychlost chladnutí je určena vstupním teplem a teplotou mezi jednotlivými průchody:

• Chladnout příliš rychle (nízký vstup tepla, studená mezipáska): austenit nemá dostatek času na znovu-vytvoření. Obsah feritu zůstává vysoký, vysráží se dusičnany chromu, klesá houževnatost a odolnost proti korozi .

• Chladit příliš pomalu (vysoký vstup tepla, horká mezipáska): svarový šev je po dostatečně dlouhou dobu v rozmezí teplot 700–950 °C, aby se mohly vytvořit sigma-fáze, chí-fáze a sekundární austenit. Sigma-fáze je křehká a chudá na chrom; ničí jak houževnatost, tak odolnost proti bodové korozi .

Neexistuje žádná „bezpečná strana“, na kterou by bylo možné udělat chybu. Obě krajní hodnoty rozsahu vedou ke zlyhání. Svar s vstupem tepla 0,4 kJ/mm i svar s vstupem tepla 3,0 kJ/mm mohou selhat – každý z opačných důvodů.

Vstup tepla: pracovní rozsah

Vstup tepla je energie dodaná na jednotku délky svaru. Určuje rychlost chlazení v kritickém teplotním rozmezí 1200–800 °C.

Doporučené rozsahy podle třídy

U materiálu 2205 je široce citovaný široký rozsah 0,5–2,5 kJ/mm někteří výzkumníci svařování doporučují u superduplexu užší praktický rozsah 0,5–1,5 kJ/mm, přičemž kořenová vrstva a malé svary patří do nižší části tohoto rozsahu.

U materiálu 2507 se meze výrazně zužují. Společnost Sandvik doporučuje 0,2–1,5 kJ/mm jiné zdroje doporučují nepřekračovat 1,5 kJ/mm, přičemž 1,6 kJ/mm je absolutním maximem důvodem je vyšší obsah slitinových prvků: více chromu a molybdenu znamená rychlejší kinetiku vylučování sigma-fáze. To, co je pro 2205 při 2,0 kJ/mm bezpečné, je již pro 2507 nebezpečné.

Upraveno podle tloušťky

Tepelný příkon není pro danou třídu pevné číslo. Mění se v závislosti na tloušťce stěny:

• Tenkostěnná trubka (t = 1,5 mm): <0,5 kJ/mm je optimální. Rychlé ochlazování je méně problematické, protože hmotnost je malá a svar se rychle ztuhne bez ohledu na podmínky .

• Silnostěnná trubka (t ≥ 25 mm): Tepelný příkon blíž horní hranici rozsahu. Zájem se posouvá od nadměrného množství feritu k nedostatečnému svaření a nedostatečnému proniknutí .

U materiálu 2507 s tloušťkou stěny ≥25 mm společnost Sandvik výslovně upozorňuje, že „je třeba věnovat pozornost“ — což znamená, že rozsah povolených hodnot je nejužší u nejtlustších průřezů, protože velká tepelná kapacita nejvíce komplikuje kontrolu teploty mezi jednotlivými vrstvami.

Teplota mezi vrstvami: Skutečně platná omezení

Teplota mezi vrstvami je teplota svařované oblasti změřená těsně před nanášením další vrstvy . Jedná se o maximální mez, nikoli cílovou hodnotu. U duplexních ocelí je předehřev obecně zbytečný a často škodlivý . Jedinou důležitou kontrolou teploty je udržení teploty mezi vrstvami dostatečně nízko, aby nedošlo k akumulaci tepla.

Čísla

NORSOK M-601 stanovuje 150 °C jako povinné maximum pro 2205 duplex a 100–150 °C pro 2507 superduplex; některé projektové specifikace však omezuji na 100 °C technický list IMOA uvádí, že maximální teplota mezipasového chlazení je omezena na 150 °C pro chudý a standardní duplex a na 100 °C pro superduplex.

Některé technické normy uplatňují „extrémně konzervativní“ limit 100 °C pro 2507 ve všech případech. Rozdíl mezi 100 °C a 150 °C není pouze teoretický. Při 150 °C je riziko vzniku sigma-fáze v tepelně ovlivněné zóně (HAZ) při víceprůchodovém svařování výrazně vyšší než při 100 °C, zejména u tlustých průřezů, kde teplota na povrchu podhodnocuje skutečnou teplotu vnitřku.

Pastička kritického měření

Toto je nejdůležitější praktický bod celého tohoto průvodce: teplota mezi jednotlivými vrstvami se měří na povrchu, ale porucha vzniká uvnitř svařovaného kovu .

Sandvikovo svařovací pokyn uvádí přímo: „Jelikož se teplota mezi jednotlivými vrstvami měří na povrchu svaru nebo na základním kovu v blízkosti svaru, skutečná teplota bude uvnitř svařovaného kovu vyšší. To může způsobit křehkost a nízké hodnoty rázové houževnatosti v kořenové oblasti.“ .

U 25 mm silného 2507 trubkového segmentu svařovaného s povrchovým omezením teploty mezi vrstvami 100 °C může být vnitřní teplota v blízkosti kořene 130–150 °C. Pokud WPS stanovuje maximální teplotu 150 °C a svařovač čeká, až klesne povrchová teplota na 149 °C, může být teplota kořene již značně nad bezpečným rozsahem tvorby sigma-fáze.

Pravidlo z praxe: U materiálu 2507 s tloušťkou ≥ 20 mm použijte jako maximální povrchovou teplotu 100 °C, nikoli 150 °C. Rozdíl 50 °C zohledňuje teplotní gradient mezi vnitřkem a povrchem. U materiálu 2205 je povrchová teplota 150 °C obecně přijatelná, avšak u tlustých průřezů platí stejná logika týkající se gradientu.

Jak správně vypočítat tepelný příkon

Standardní vzorec pro výpočet energie oblouku je:

Tepelný příkon (kJ/mm) = (V × A × 60) / (1000 × v)

Kde V je napětí oblouku (volty), A je svařovací proud (ampery) a v je rychlost posuvu (mm/min).

Pro tepelný příkon s ohledem na účinnost oblouku vynásobte výsledek koeficientem η:

Tepelný příkon = η × (V × A × 60) / (1000 × v)

Koeficienty účinnosti oblouku se liší podle svařovacího procesu:

Rozlišení je důležité pro kvalifikaci. ASME IX a většina projektových specifikací odkazují na tepelnou energii oblouku (η = 1,0), pokud není výslovně uvedeno jinak. NORSOK M-601 umožňuje, aby kvalifikovaný tepelný příkon kolísal v rozmezí ±15 % průměrné hodnoty použité během kvalifikace. Pokud byla vaše postupová kvalifikace provedena při tepelné energii oblouku 1,0 kJ/mm, je provozní rozsah 0,85–1,15 kJ/mm – nikoli širší publikovaný rozsah pro danou třídu.

Praktický příklad

Kořenová vrstva GTAW na trubce 2205: 120 A, 12 V, rychlost posuvu 100 mm/min.

Tepelná energie oblouku = (12 × 120 × 60) / (1000 × 100) = 0,864 kJ/mm

Tepelný příkon (η = 0,7) = 0,605 kJ/mm

Obě hodnoty spadají do rozsahu 0,5–2,5 kJ/mm pro 2205. Všimněte si však, jak výběr svařovacího způsobu ovlivňuje efektivní hodnotu. Vyplňovací vrstva SMAW na stejném spoji při 140 A, 24 V a 150 mm/min dává:

Tepelná energie oblouku = (24 × 140 × 60) / (1000 × 150) = 1,344 kJ/mm

Hodnota obloukové energie je vyšší i přes vyšší rychlost posuvu, protože napětí a proud jsou vyšší. Nejde o absolutní číselnou hodnotu, ale o to, že výpočet musí využívat skutečných parametrů pro každou jednotlivou vrstvu, nikoli jediné předpokládané hodnoty pro celý svar.

Měření: Co použít a kam namířit

Čtyři přístroje se běžně používají ke kontrole teploty mezi jednotlivými vrstvami :

Kontaktní pyrometr je pracovní kůň. Norma EN ISO 13916:2017 stanovuje, že se dotyková sonda má tisknout proti kovovému povrchu vedle svařované oblasti, obvykle ve vzdálenosti 4× tloušťka materiálu od okraje svaru . Měření přímo na horkém svárovém hrotu dává nadhodnocenou hodnotu; měření příliš daleko dává podhodnocenou hodnotu.

Křída je užitečná pro rychlou kontrolu „zda je stále příliš horko“, avšak neměla by být hlavní zaznamenanou hodnotou. Infračervená měření na nedávno svařeném duplexním materiálu jsou nepolehlivá, protože oxidovaný povrch má proměnnou emisivitu a měření se týká pouze povrchu – což je přesně nesprávné místo s ohledem na teplotní gradient zevnitř směrem k povrchu.

Pro kritické svary — 2507 o tloušťce ≥25 mm nebo jakýkoli svar v prostředí obsahujícím sírovodík — jsou upřednostňovány teplotní čidla přivařená ke svaru s registrací dat. Poskytují nepřetržitý záznam, který ukazuje nejen, zda byla překročena maximální teplota, ale také, jak dlouho spoj zůstal v rozsahu teplot odpovídajících sigma-fázi.

Pět chyb v praxi, které způsobují poruchy

1. Použití limitů pro 2205 u materiálu 2507

Zhotovitel svařuje materiál 2507 pomocí technologického postupu svařování (WPS), ve kterém je uvedena mezní teplota mezikroku 150 °C a tepelný vstup 1,5 kJ/mm — obě hodnoty spadají do rozsahu pro 2205, avšak leží na hranici nebo mimo rozsah pro 2507. Svar projde vizuální i rentgenovou kontrolou, avšak selže při zkoušce rázové houževnatosti nebo se v provozu začne koroze projevovat v podobě jamkování přímo na svarové spojnici.

Oprava: Udržujte pro každou třídu materiálu samostatné rozsahy WPS. Pro 2507 by měla být mezní teplota mezikroku stanovena jako maximálně 100 °C, nikoli 150 °C.

2. Měření teploty mezikroku na vrchní vrstvě místo na kořeni svaru

Svařovač čeká, až se uzavírací vrstva ochladí na stanovenou mez, poté začne další vrstvu. Kořenová vrstva, kterou bylo naneseno dříve a kterou vyplňovací vrstvy izolují, je stále výrazně nad touto mezí. V kořenové oblasti se vyvíjí sigma fáze, zatímco povrchové měření ukazuje shodu.

Oprava: U vícevrstvých svarů s tloušťkou ≥ 20 mm je vyžadováno měření mezi jednotlivými vrstvami v kořenu nebo použití vestavěných termočlánků. Pouhé povrchové měření nestačí.

3. Ignorování kvalifikačního rozsahu ±15 %

V technologickém postupu svařování (WPS) je uveden „tepelný příkon: 0,5–2,5 kJ/mm.“ Svařovač provádí kořenovou vrstvu s tepelným příkonem 2,3 kJ/mm, protože tato hodnota spadá do uvedeného rozsahu. Kvalifikace postupu však proběhla při průměrném tepelném příkonu 1,2 kJ/mm a norma NORSOK M-601 omezuje výrobní odchylku na ±15 % tohoto průměru — tedy na rozsah 1,02–1,38 kJ/mm. Hodnota 2,3 kJ/mm tedy leží mimo kvalifikovaný rozsah, i když spadá do rozsahu uvedeného pro daný materiál.

Oprava: Na WPS uveďte kvalifikovaný rozsah, nikoli publikovaný rozsah pro danou třídu materiálu. Svařovač potřebuje číslo, které bylo skutečně ověřeno zkouškou.

4. Chlazení vodou nebo stlačeným vzduchem

Svařovač dosáhne mezní teploty meziprůchodu a spoj ochladí postřikem vody nebo proudem stlačeného vzduchu, aby urychlil následující průchod. Rychlé ochlazení vytvoří místně feritickou mikrostrukturu s dusičnany chromu v oblasti tepelně ovlivněné zóny (HAZ). Svar projde kontrolou, ale selže za provozu.

Oprava: Chlaďte ve volném vzduchu. Pokud je termín těsný, střídejte dvě svarové spoje tak, aby se jeden chladil, zatímco druhý se svařuje. Nikdy neprovádějte rychlé ochlazení duplexních materiálů.

5. Zaznamenání jediné teploty pro celý svar

Na svařovací mapě je u všech 12 průchodů uvedeno „teplota meziprůchodu: 95 °C“. Tato hodnota byla změřena pouze jednou, a to po kořenovém průchodu, a následně zkopírována. Vyplňovací průchody probíhaly při teplotě 140 °C nebo vyšší. Auditní stopa je nepravdivá.

Oprava: U kritických svarů zaznamenejte teplotu meziprůchodu před každým průchodem; u ostatních svarů ji zaznamenejte v definovaných intervalech (např. před každým třetím průchodem) s písemným uvedením míst měření. Auditori podle normy EN ISO 3834-2 porovnávají hodnoty z technologického postupu svařování (WPS) s výrobními záznamy; zkopírovaná číselná hodnota je považována za nedostatek. .

Verifikace: Co testovat po svaření

Vstup tepla a teplota mezi jednotlivými vrstvami jsou procesní parametry. Jejich účinek se ověřuje třemi zkouškami:

Obsah feritu: Svařenina by měla mít obsah feritu 30–70 % v svařeném stavu, přičemž pro základní materiál je typický rozsah 35–60 %. Naměřená hodnota Feritscopu mimo tento rozsah signalizuje problém s vstupem tepla nebo teplotou mezi vrstvami. Všimněte si však tzv. slepého místa: fáze sigma je nemagnetická, takže Feritscop ukazuje „ideální“ hodnotu i u svařeniny, která je již křehká. .

Nárazová houževnatost: Charpyho zkouška V-zářezem při návrhové minimální teplotě. U materiálu 2507 v provozu podle NORSOK je to obvykle −46 °C s průměrným minimem 45 J. Svařenina postižená fází sigma tuto zkoušku dramaticky neprospěje.

Korozní zkouška: ASTM A923 Metoda C (chlorid železitý) je přijímací zkouška pro škodlivé intermetalické fáze u duplexních svařenců. Je navržena tak, aby prokázala nepřítomnost fáze sigma cenově efektivním způsobem; přijetí se obvykle vyjadřuje jako maximální rychlost koroze. Pokud svařenina splní požadavky ASTM A923 Metody C, byly procesní parametry vstupu tepla a teploty mezi vrstvami účinné.

Souhrn pro provoz na jedné stránce

Číslo WPS není publikovaný rozsah tříd. Je to testovaný rozsah, který je omezen kvalifikací a dále zužen specifikací projektu. Toto číslo zapište do postupu, změřte ho jak v kořenu, tak na povrchu, a ochlazujte ve stojatém vzduchu. Zbytek je metalurgie, která probíhá bez ohledu na to, zda ji berete v úvahu či ne.