Έλεγχος της θερμικής εισόδου στη συγκόλληση αγωγών διπλού ανοξείδωτου χάλυβα: Πρόληψη της εμβριθύνσεως λόγω σχηματισμού φάσης Sigma στη ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα (HAZ)

Εάν συγκολλάτε διπλά ή υπερδιπλά ανοξείδωτα χάλυβες (DSS/SDSS), κινείσθε σε λεπτό σχοινί. Εάν η θερμοκρασία είναι πολύ χαμηλή, προκύπτει υπερβολική περιεκτικότητα σε φερρίτη και μείωση της τανυστικής αντοχής. Εάν είναι πολύ υψηλή, προσκαλείτε τον «σιωπηλό φόνο» των διπλών συγκολλήσεων: Εμβριθύνσεως φάσεως Σίγμα (σ) στη ζώνη επηρεαζόμενη από τη θερμότητα (HAZ).

Η φάση Σίγμα είναι μια διαμεταλλική ένωση που καθιστά τις συγκολλήσεις εύθραυστες και καταστρέφει την αντοχή στη διάβρωση. Αν και σχηματίζεται στο βασικό μέταλλο κατά την ακατάλληλη θερμική κατεργασία, στη συγκόλληση αποτελεί απευθείας συνέπεια κακής έλεγχος θερμικής εισόδου .

Αυτό το άρθρο παρέχει μια τεχνική εμβάθυνση σχετικά με το πώς να προσαρμόσετε τη θερμική είσοδο σας για να αποτρέψετε τον σχηματισμό σίγμα κατά τη συγκόλληση διπλής δομής (duplex) σωλήνων, διασφαλίζοντας τη μηχανική ακεραιότητα και την αντοχή σε τρύπωμα.

Το πρόβλημα: Γιατί σχηματίζεται το σίγμα στη ζώνη επηρεαζόμενη από τη θερμότητα (HAZ)

Ο σχηματισμός της φάσης σίγμα συμβαίνει όταν η ζώνη επηρεαζόμενη από τη θερμότητα (HAZ) της συγκόλλησης εκτίθεται σε θερμοκρασίες περίπου μεταξύ 600°C και 950°C για υπερβολικά μεγάλο χρονικό διάστημα . Σε μια διπλή μικροδομή (duplex), το σίγμα πυρήνιζεται κυρίως στις διεπιφάνειες φερρίτη/αυστηνίτη. Αναπτύσσεται καταναλώνοντας φερρίτη (δ), ο οποίος είναι πλούσιος σε χρώμιο και μολυβδένιο — ακριβώς τα στοιχεία που παρέχουν στα υλικά διπλής δομής (duplex) την αντοχή τους στη διάβρωση. .

Ο μηχανισμός είναι ευτηκτοειδής: δ → σ + γ₂ (δευτερεύουσα αυστηνίτη) . Καθώς σχηματίζεται το σίγμα, απορροφά χρώμιο (Cr) και μολυβδένιο (Mo) από την περιβάλλουσα μήτρα. Μόλις κατακρημνιστεί, η απομάκρυνση του σίγμα απαιτεί μια πλήρη θερμική επεξεργασία λύσης (1050–1100°C), η οποία είναι ανέφικτη για μεγάλα τμήματα σωλήνων. . Στην κατάσταση «ως συγκολλήθηκε», το σίγμα είναι μια σκληρή, εύθραυστη φάση που μειώνει δραστικά την αντοχή σε κρούση και την αντοχή σε τρύπωμα.

Η Κύρια Μεταβλητή: Είσοδος Θερμότητας και Ρυθμός Ψύξης (t12/8)

Παρόλο που η χημική σύνθεση είναι κρίσιμη, ο θερμικός κύκλος αποτελεί τον πυροδότη. Το βιομηχανικό πρότυπο για τη μέτρηση αυτού είναι ο χρόνος ψύξης από 1200 °C έως 800 °C (t12/8) . Αυτό το εύρος καλύπτει το κρίσιμο χρονικό παράθυρο τόσο για τον σχηματισμό αυστηνίτη όσο και για την κατακρήμνιση σίγμα.

Για να αποφύγετε την κατακρήμνιση σίγμα διατηρώντας παράλληλα την ισορροπία φάσεων, συνήθως απαιτείται t12/8 μεταξύ 8 και 15 δευτερολέπτων . Εάν το t12/8 υπερβεί περίπου τα 15 δευτερόλεπτα (πράγμα που συμβαίνει με υψηλή είσοδο θερμότητας), υπάρχει κίνδυνος σχηματισμού σίγμα. .

Για ένα διπλό κράμα με 22 % Cr (όπως το 2205), η συνιστώμενη είσοδος θερμότητας για τη συγκόλληση σωλήνων κυμαίνεται συνήθως από 0,5 kJ/mm έως 2,5 kJ/mm για πάχος τοιχώματος 10–15 mm ωστόσο, πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν ότι αυτά τα όρια δεν είναι στατικά· αλλάζουν ανάλογα με το πάχος του τοιχώματος και τη γεωμετρία της σύνδεσης.

Νέες Προοπτικές: Το Πάχος της Πλάκας Αλλάζει τους Κανόνες

Πρόσφατη έρευνα αμφισβητεί την υπόθεση ότι «η υψηλή εισερχόμενη θερμότητα είναι πάντα κακή». Μια μελέτη του 2025 για τη συγκόλληση διπλής φάσης σε παχιές πλάκες έδειξε ότι για πλάκες με πάχος υπερβαίνον 10 mm, το ανώτερο όριο της εισερχόμενης θερμότητας αυξάνεται σημαντικά. .

• Για σωλήνες λεπτού τοιχώματος (<10 mm): Η αργή απομάκρυνση της θερμότητας διατηρεί τη ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα (HAZ) σε υψηλή θερμοκρασία. Η χρήση των τυπικών υπολογισμών εισερχόμενης θερμότητας είναι κρίσιμη για να αποφευχθεί η διάτρηση ή η υπερθέρμανση.

• Για σωλήνες παχέος τοιχώματος (>14 mm): Η μάζα του σωλήνα λειτουργεί ως τεράστιος απορροφητής θερμότητας, απομακρύνοντας τη θερμότητα γρήγορα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, απαιτείται υψηλότερη εισερχόμενη θερμότητα για να επιτευχθεί η κατάλληλη συγκόλληση και η δημιουργία αυστηνίτη. Η μελέτη επιβεβαίωσε ότι με πλάκες πάχους 20 mm χρησιμοποιήθηκαν εισερχόμενες θερμότητες των 5 kJ/mm και 7 kJ/mm χωρίς καμία κατακρήμνιση σιγμα (sigma) στη ζώνη επηρεασμένη από τη θερμότητα (HAZ). .

Περίληψη: Πρέπει να υπολογίσετε την εισερχόμενη θερμότητα σε σχέση με το πάχος του υλικού. Όσο παχύτερος είναι ο σωλήνας, τόσο υψηλότερη μπορεί να είναι η «ασφαλής» εισερχόμενη θερμότητα, διότι ο ρυθμός ψύξης παραμένει αρκετά γρήγορος ώστε να παρακάμπτεται η «μύτη» σίγμα της καμπύλης TTT.

Η Πρόκληση των Υπερδιπλών Ανοξείδωτων Χαλύβων (Βαθμοί 25Cr)

Κατά τη συγκόλληση υπερδιπλών ανοξείδωτων χαλύβων (π.χ. 2507, Zeron 100), το περιθώριο σφάλματος μειώνεται. Αυτά τα υλικά με υψηλότερη περιεκτικότητα σε κράμα έχουν μεγαλύτερη κινητήρια δύναμη για την κατακρήμνιση σίγμα.

• Ευαισθησία της Ρίζας: Στη συγκόλληση σωλήνων, η ρίζα είναι ιδιαίτερα ευάλωτη. Έρευνες υποδεικνύουν ότι η ρίζα πρέπει να εκτελείται με υψηλότερη χαμηλή εισερχόμενη θερμότητα (κάτω των 1,0 kJ/mm) σε σύγκριση με τις πρώτες επόμενες διερχόμενες. Γιατί; Η χαμηλή εισερχόμενη θερμότητα στη ρίζα μπορεί να προκαλέσει την κατακρήμνιση νιτριδίων χρωμίου στην εσωτερική επιφάνεια λόγω έλλειψης επαναθέρμανσης. .

• Καταλληλότητα για Σκοπό: Ενώ οι προδιαγραφές απαιτούν συχνά μηδενικό σίγμα, η βιομηχανική πραγματικότητα (ιδιαίτερα σε έργα του Βόρειου Ατλαντικού στο Ηνωμένο Βασίλειο) δείχνει ότι ένα περιορισμένο ποσοστό σίγμα στη ζώνη επηρεασμένης θερμότητας (HAZ) χαμηλής θερμοκρασίας (2–5 mm από τη γραμμή συγκόλλησης) μπορεί κατά περίπτωση να γίνεται ανεκτό. Μελέτες έχουν αποδεχθεί μέχρι 2,5% όγκο σίγμα στην HAZ, εφόσον περνούν οι δοκιμές αντοχής σε θραύση CTOD (Crack Tip Opening Displacement) και οι δοκιμές διάβρωσης ASTM G48 . Ωστόσο, αυτό αποτελεί όριο προσόντων, όχι στόχο παραγωγής.

Πρακτικές Κατευθυντήριες Γραμμές για τον Μηχανικό Συγκόλλησης

Για να αποτρέψετε τη φάση σίγμα σε συγκολλήσεις διπλής φάσης (duplex), πρέπει να υπερβείτε τους γενικούς κανόνες «χαμηλής θερμότητας». Εφαρμόστε τους ακόλουθους ελέγχους:

1. Διαχείριση της θερμοκρασίας μεταξύ διαδοχικών περασμάτων

Το σίγμα συσσωρεύεται. Καθώς προσθέτετε διαδοχικά περάσματα, η ζώνη επηρεασμένης θερμότητας (HAZ) από προηγούμενα περάσματα υποβάλλεται εκ νέου σε θέρμανση στην επικίνδυνη ζώνη (700–900 °C). Πρέπει να περιορίζεται αυστηρά η θερμοκρασία μεταξύ διαδοχικών περασμάτων. Για υπερδιπλή φάση (25% Cr), η μέγιστη θερμοκρασία μεταξύ διαδοχικών περασμάτων είναι συνήθως 150°C  . Για τυπική διπλή φάση 22% Cr, το ανώτατο όριο είναι συνήθως 200 °C .

2. Αποφύγετε την παγίδα «πολλών μικρών περασμάτων»

Φαίνεται αντιφατικό, αλλά η χρήση μεγάλου αριθμού περασμάτων με χαμηλή εισαγόμενη θερμότητα μπορεί να είναι πιο επικίνδυνη από λιγότερα, μεγαλύτερα περάσματα. Κάθε μικρό πέρασμα επαναθερμαίνει την προηγούμενη ζώνη επηρεασμένης θερμότητας (HAZ), γεγονός που ουσιαστικά «γηράσκει» το υλικό και προκαλεί την καταβύθιση σιγμα (σ) και χι (χ) φάσεων .

• Στρατηγική: Χρησιμοποιήστε μια σειρά συγκόλλησης που ελαχιστοποιεί τον αριθμό των θερμικών κύκλων σε οποιαδήποτε συγκεκριμένη περιοχή της ζώνης επηρεασμένης θερμότητας (HAZ).

3. Ισορροπία των Αριθμών Φερρίτη

Το σιγμα σχηματίζεται πιο εύκολα στον φερρίτη. Εάν το περιεχόμενο φερρίτη στη ζώνη επηρεασμένης θερμότητας (HAZ) υπερβαίνει το 70–75 %, ο κίνδυνος καταβύθισης σιγμα αυξάνεται δραματικά, επειδή υπάρχει περισσότερος ασταθής φερρίτης διαθέσιμος για μετασχηματισμό.

• Διασφαλίστε ότι το προστατευτικό αέριο και τα συγκολλητικά υλικά προωθούν την επαρκή ανασχηματισμό της αυστηνίτης. Τα συγκολλητικά υλικά βασισμένα σε νικέλιο βοηθούν, αλλά πρέπει να είναι κανείς προσεκτικός: υψηλότερα ποσοστά Ni διευρύνουν το εύρος θερμοκρασιών σχηματισμού σιγμα. .

4. Υπολογίστε την Αποτελεσματική Εισαγόμενη Θερμότητα

Μην βασίζεστε στο «αισθητικό» αίσθημα. Χρησιμοποιήστε τον τύπο:

$$\text{Είσοδος Θερμότητας (kJ/mm)}=\frac{\text{Τάση (V)}\times \text{Ένδρομα (A)}\times 60}{\text{Ταχύτητα κίνησης (mm/λεπτό)}\times 1000}$$

Για διαδικασίες GTAW (TIG), θυμηθείτε να λάβετε υπόψη τον συντελεστή θερμικής απόδοσης (η), ο οποίος είναι συνήθως περίπου 0,6 για TIG .

Συμπέρασμα

Η εμβριθυντική φάση σίγμα είναι ένα προλήψιμο μοτίβο αστοχίας. Αποτελεί ένδειξη ότι η συγκόλληση υπέστη πολύ υψηλή θερμότητα για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα — είτε καθολικά (υψηλή θερμική είσοδος σε λεπτό σωλήνα) είτε τοπικά (πολλαπλές επαναθερμάνσεις από μικρές συγκολλητικές διερχόμενες).

Η σύγχρονη συγκόλληση διπλών σωλήνων απαιτεί μετάβαση από την «ακολούθηση της διαδικασίας συγκόλλησης (WPS)» στην κατανόηση της θερμικής ιστορίας . Με τον έλεγχο των χρόνων ψύξης t12/8, την τήρηση των ορίων μεταξύ διερχομένων και την προσαρμογή της θερμικής εισόδου σύμφωνα με το πραγματικό πάχος του τοιχώματος του σωλήνα, μπορείτε να παράγετε μικροδομές της ζώνης επηρεασμένης από τη θερμότητα (HAZ) που είναι ελεύθερες από φάση σίγμα, ανθεκτικές σε κρούση και ανθεκτικές στη διάβρωση.