Lämmöntulo-ohjaus dupleksputkien hitsauksessa: sigma-faasin haurastumisen estäminen hitsausvaikutusalueessa (HAZ)

Jos hitsaat duplex- tai superduplex-ruostumatonta terästä (DSS/SDSS), olet kulkenut köyden päällä. Liian kylmässä lämpötilassa saat liiallista ferriittiä ja menetät sitkeyden. Liian kuumassa lämpötilassa taas saat aikaan duplex-hitsausten hiljaisen tappajan: Sigma-faasin haurastuminen lämpövaikutusalueella (HAZ).

Sigma-faasi on välimetallinen yhdiste, joka tekee hitsauksesta haurasta ja tuhoaa korroosionkestävyyden. Vaikka se muodostuu perusmateriaalissa virheellisen lämpökäsittelyn aikana, hitsauksessa se on suora seuraus huonosta lämpösisään vaikutuksen hallinta .

Tässä artikkelissa käydään läpi teknisesti, miten lämmöntuloa voidaan säätää estämään sigma-faasin muodostumista kaksifaasisten putkien hitsauksessa, mikä varmistaa mekaanisen kestävyyden ja kuoppautumisresistenssin.

Ongelma: Miksi sigma muodostuu hitsauslämpövaikutusalueella (HAZ)

Sigma-faasin sadekertyminen tapahtuu, kun hitsauslämpövaikutusalue (HAZ) altistuu lämpötiloille noin 600 °C–950 °C liian pitkään . Kaksifaasisessa mikrorakenteessa sigma muodostuu pääasiassa ferriitin ja austeniitin rajapinnoilla. Se kasvaa kuluttamalla ferriittiä (δ), joka on rikas kromi- ja molybdeenipitoisuuden suhteen – juuri näitä alkuaineita kaksifaasinen teräs tarvitsee korroosioresistenssinsä saavuttamiseen. .

Mekanismi on eutektoidinen: δ → σ + γ₂ (toissarainen austeniitti) . Kun sigma muodostuu, se poimii kromia ja molybdeenia ympäröivästä aineksesta. Kun sigma on kerran muodostunut, sen poistaminen vaatii täyden liuotuspehmennyskäsittelyn (1050–1100 °C), mikä ei ole käytännöllistä suurille putkierille. hitsatussa tilassa sigma on kova ja hauras faasi, joka vähentää huomattavasti iskukärsivyyttä ja kuoppautumisresistenssiä.

Ensisijainen muuttuja: Lämmön syöttö ja jäähtymisnopeus (t12/8)

Vaikka kemiallinen koostumus on ratkaisevan tärkeä, niin lämpötilan vaihtelu on se käynnistävä tekijä. Tämän mittaamiseen käytetään teollisuuden standardia, joka on jäähtymisaika 1200 °C:sta 800 °C:seen (t12/8) . Tämä lämpötilaväli kattaa kriittisen alueen sekä austeniitin muodostumiselle että sigma-faasin sadoille.

Sigma-faasin välttämiseksi ja samalla faasitasapainon säilyttämiseksi t12/8:n tulisi yleensä olla 8–15 sekuntia . Jos t12/8 ylittää noin 15 sekuntia (mikä tapahtuu korkealla lämmönsyötöllä), sigma-faasin muodostumisen vaara kasvaa. .

22 % kromia sisältävälle duplex-teräkselle (esim. 2205) putkien hitsaamiseen suositeltu lämmönsyöttö vaihtelee tyypillisesti 0,5 kJ/mm:stä 2,5 kJ/mm:iin 10–15 mm:n seinämäpaksuudella kuitenkin viimeaikaiset tutkimukset viittaavat siihen, että nämä rajat eivät ole staattisia; ne muuttuvat seinämän paksuuden ja liitoksen geometrian mukaan.

Uusia näkökulmia: Levyn paksuus muuttaa sääntöjä

Viimeaikainen tutkimus kyseenalaistaa oletuksen siitä, että "korkea lämpöteho on aina huonoa". Vuoden 2025 tutkimus paksulevyisestä duplex-hitsauksesta osoitti, että yli 10 mm:n paksuisilla levyillä lämpötehon yläraja kasvaa merkittävästi. .

• Ohutseinäisille putkille (<10 mm): Hitas lämmön poistuminen pitää HAZ-alueen kuumana. Standardien mukaisten lämpöteholaskelmien käyttäminen on ratkaisevan tärkeää, jotta vältetään läpisyöntyminen tai ylikuumeneminen.

• Paksuseinäisille putkille (>14 mm): Putken massa toimii suurena lämmönsinkkenä, joka vetää lämmön pois nopeasti. Näissä tapauksissa korkeampi lämpöteho vaaditaan asianmukaisen sulautuman ja austeniitin muodostumisen saavuttamiseksi. Tutkimus vahvisti, että 20 mm:n paksuisilla levyillä lämpötehot 5 kJ/mm ja 7 kJ/mm käytettiin ilman mitään sigma-faasin muodostumista HAZ-alueella. .

Yhteenveto: Sinun on laskettava lämmöntulo suhteessa materiaalin paksuuteen. Mitä paksumpi putki on, sitä korkeampi "turvallinen" lämmöntulo voi olla, koska jäähtymisnopeus pysyy riittävän nopeana ohittaakseen TTT-käyrän sigma-nokan.

Superduplex-materiaalien haaste (25Cr-luokat)

Kun hitsataan superduplex-materiaaleja (esim. 2507, Zeron 100), virhemarginaali pienenee. Nämä korkeammin seostetut materiaalit ovat voimakkaammin taipuvaisia sigma-faasin muodostumiseen.

• Juurihitsin herkkyys: Putkihitsauksessa juurihitsi on erityisen altis vaurioitumiselle. Tutkimusten mukaan juurihitsin tulisi tehdä korkeampi lämmöntulolla (yli 1,0 kJ/mm) verrattuna muutamiin ensimmäisiin seuraaviin hitsauskerroksiin. Miksi? Alhainen lämmöntulo juurihitsissä voi aiheuttaa krominitridien muodostumista sisäpinnalle reheittämättömyyden vuoksi. .

• Käyttökelpisuus: Vaikka erityisvaatimukset vaativatkin usein nollasigmaa, teollisuuden todellisuus (erityisesti Yhdistyneen kuningaskunnan Pohjoismeren hankkeissa) osoittaa, että alhaisen lämpötilan HAZ-alueella (2–5 mm sulamislinjasta) esiintyvää rajoitettua sigmavaihetta voidaan joskus sietää. 2,5 %:n tilavuusosuus hAZ-alueella, mikäli CTOD (halkeaman kärjen avauma) -murtumakestävyystestit ja ASTM G48 -korroosiotestit läpäistään . Tämä on kuitenkin kelpoisuusraja, ei tuotantotavoite.

Käytännön ohjeita hitsausteknikolle

Sigmafaasin estämiseksi kaksirakenteisen putken hitsausliitoksissa on siirryttävä yleisistä "alhaisen lämmön" säännöistä eteenpäin. Toteuta seuraavat ohjaukset:

1. Hallitse välihitsausten lämpötilaa

Sigmafaasi kertyy. Kun lisäät hitsauskertoja, edellisten kertojen HAZ-alue joutuu uudelleenlämmittymään vaaravyöhykkeelle (700–900 °C). Rajoita välihitsausten lämpötilaa tiukasti. Superkaksirakenteisille (25 % Cr) materiaaleille maksimivälihitsausten lämpötila on yleensä 150°C  . Standardille 22 % Cr -kaksirakenteiselle materiaalille yläraja on yleensä 200 °C .

2. Vältä "monien pienien kertojen" ansaa

Tämä vaikuttaa ristiriitiselta, mutta suuren määrän pienellä lämpöteholla tehtyjä hitsauskertoja voidaan käyttää vaarallisemmin kuin vähemmän, mutta suurempia kertoja. Jokainen pieni kerros lämmittää uudelleen edellisen hitsausalueen (HAZ), mikä ikään kuin ikääntää materiaalia ja saa aikaan sigma- ja chi- (χ) -faasien muodostumisen. .

• Strategia: Käytä hitsausjärjestystä, joka minimoi lämpösyklit mille tahansa tietyn alueelle hitsausalueella (HAZ).

3. Tasapainota ferriitinumerot

Sigma muodostuu helpommin ferriitissa. Jos hitsausalueen (HAZ) ferriittipitoisuus ylittää 70–75 %, sigma-faasin muodostumisriski kasvaa huomattavasti, koska enemmän epävakaata ferriittia on saatavilla muuntumiseen.

• Varmista, että suojauskaasu ja täyteaineet edistävät riittävää austeniitin uudelleenmuodostumista. Nikkelipohjaiset täyteaineet auttavat, mutta ole varovainen: korkeampi nikkelipitoisuus laajentaa sigma-faasin muodostumislämpötila-alueen. .

4. Laske tehollinen lämpöteho

Älä luota vain 'tunneeseesi'. Käytä kaavaa:

$$\text{Lämpösisääntö (kJ/mm)}=\frac{\text{Voltius (V)}\times \text{Virta (A)}\times 60}{\text{Matkustusnopeus (mm/min)}\times 1000}$$

GTAW- (TIG-)menetelmissä muista ottaa huomioon lämpötehokkuuskerroin (η), joka on tyypillisesti noin 0,6 TIG-menetelmässä. .

Johtopäätös

Sigma-vaiheen haurastuminen on estettävissä oleva vikausmuoto. Se on merkki siitä, että hitsaus sai liian paljon lämpöä liian pitkään – joko yleisesti (korkea lämpöteho ohuessa putkessa) tai paikallisesti (useita uudelleenkuumennuksia pienistä hitsauskäyristä).

Nykyajan duplex-putkien hitsaaminen vaatii siirtymän "WPS:n noudattamisesta" kohti ymmärrystä lämpöhistoriasta . Säätämällä jäähtymisaikoja t12/8, noudattamalla välikerroksen enimmäislämpötilarajoituksia ja säätämällä lämpötehoa todellisen putken seinämänpaksuuden mukaan voidaan tuottaa HAZ-mikrorakenteita, jotka ovat vapaat sigma-vaiheesta, sitkeitä ja korrosioresistenttejä.