Controlul aportului de căldură în sudarea conductelor din oțel duplex: prevenirea fragilizării prin fază sigma în zona influențată termic (HAZ)

Dacă sudăți oțeluri inoxidabile duplex sau super-duplex (DSS/SDSS), vă aflați pe o funie întinsă. Dacă temperatura este prea scăzută, obțineți un conținut excesiv de ferită și o pierdere a tenacității. Dacă temperatura este prea ridicată, invitați ucigașul tăcut al sudurilor duplex: Fragilizarea datorată fazei sigma (σ) în zona influențată termic (HAZ).

Faza sigma este un compus intermetallic care face sudurile fragile și distruge rezistența la coroziune. Deși se formează în metalul de bază în urma unui tratament termic necorespunzător, în procesul de sudare, aceasta este o consecință directă a unei gestionări necorespunzătoare a căldurii. controlul aportului de căldură .

Acest articol oferă o analiză tehnică detaliată privind modul de ajustare a aportului de căldură pentru a preveni formarea fazei sigma în sudarea conductelor duplex, asigurând integritatea mecanică și rezistența la pitting.

Problema: De ce se formează faza sigma în zona influențată termic (HAZ)

Precipitarea fazei sigma apare atunci când zona influențată termic (HAZ) a sudurii este expusă unor temperaturi aproximativ cuprinse între 600°C și 950°C pentru o durată prea îndelungată . Într-o microstructură duplex, faza sigma se nucleiază în principal la interfețele ferită/austenită. Aceasta crește consumând ferita (δ), care este bogată în crom și molibden — tocmai elementele care conferă oțelurilor duplex rezistența la coroziune. .

Mecanismul este eutectoid: δ → σ + γ₂ (austenită secundară) . Pe măsură ce faza sigma se formează, aceasta extrage Cr și Mo din matricea înconjurătoare. Odată precipitată, eliminarea fazei sigma necesită un tratament complet de recoacere în soluție (1050–1100°C), ceea ce este nepractic pentru racorduri mari de țevi. în starea imediat după sudare, faza sigma este o fază dură și casantoare care reduce în mod semnificativ tenacitatea la impact și rezistența la pitting.

Variabila principală: Căldura introdusă și viteza de răcire (t12/8)

Deși compoziția chimică este esențială, ciclul termic reprezintă declanșatorul. Standardul industrial pentru măsurarea acestuia este timpul de răcire de la 1200 °C la 800 °C (t12/8) . Acest interval acoperă fereastra critică atât pentru formarea austenitei, cât și pentru precipitarea fazei sigma.

Pentru a evita formarea fazei sigma, păstrând în același timp echilibrul fazic, de obicei este necesar un timp t12/8 de 8–15 secunde . Dacă t12/8 depășește aproximativ 15 secunde (ceea ce se întâmplă la o căldură introdusă ridicată), există riscul formării fazei sigma. .

Pentru un oțel duplex cu 22 % Cr (de exemplu, 2205), introducerea recomandată de căldură la sudarea țevilor se situează, în mod tipic, între 0,5 kJ/mm și 2,5 kJ/mm pentru o grosime a peretelui de 10–15 mm cu toate acestea, studiile recente sugerează că aceste limite nu sunt statice; ele se modifică în funcție de grosimea peretelui și de geometria îmbinării.

Noi perspective: Grosimea plăcii schimbă regulile

Cercetarea recentă contestă presupunerea conform căreia «intrarea ridicată de căldură este întotdeauna negativă». Un studiu din 2025 privind sudarea duplex a plăcilor groase a demonstrat că, pentru plăci cu grosimea de peste 10 mm, limita superioară a intrării de căldură crește semnificativ. .

• Pentru țevi cu perete subțire (<10 mm): Dissiparea lentă a căldurii menține zona influențată termic (HAZ) la temperatură ridicată. Utilizarea calculului standard al intrării de căldură este esențială pentru a evita perforarea sau suprîncălzirea.

• Pentru țevi cu perete gros (>14 mm): Masa țevii acționează ca un absorbant masiv de căldură, ducând căldura departe rapid. În aceste cazuri, este necesară o intrare mai mare de căldură pentru a obține o topire corespunzătoare și formarea austenitei. Studiul a confirmat că, pentru plăci de 20 mm grosime, s-au utilizat intrări de căldură de 5 kJ/mm și 7 kJ/mm fără apariția vreunei precipitări de fază sigma în zona influențată termic (HAZ) .

Rezumat: Trebuie să calculați aportul de căldură în raport cu grosimea materialului. Cu cât este mai gros tubul, cu atât aportul de căldură „sigur” poate fi mai mare, deoarece viteza de răcire rămâne suficient de rapidă pentru a evita zona sigma din curba TTT.

Provocarea superdublului (calitățile cu 25% Cr)

La sudarea calităților superdublu (de exemplu, 2507, Zeron 100), marja de eroare se reduce. Aceste materiale cu conținut mai ridicat de aliaje au o forță motrice mai mare pentru precipitarea fazei sigma.

• Sensibilitatea trecerii de rădăcină: La sudarea tuburilor, trecerea de rădăcină este deosebit de vulnerabilă. Cercetările sugerează că trecerile de rădăcină trebuie efectuate cu un mai mare aport de căldură (peste 1,0 kJ/mm) comparativ cu primele câteva treceri ulterioare. De ce? Un aport scăzut de căldură la nivelul rădăcinii poate determina precipitarea nitrurilor de crom pe suprafața interioară, datorită lipsei reîncălzirii. .

• Potrivirea pentru utilizare: Deși specificațiile cer adesea o concentrație nulă de fază sigma, realitatea industrială (în special în proiectele din Marea Nordului din Regatul Unit) arată că o concentrație limitată de fază sigma în zona afectată termic la temperaturi scăzute (HAZ – 2–5 mm de la linia de fuziune) poate fi uneori acceptată. fracțiune volumetrică de 2,5% de fază sigma în HAZ, cu condiția ca încercările de tenacitate la rupere CTOD (deplasare la vârful fisurii) și încercările de coroziune conform ASTM G48 să fie trecute . Cu toate acestea, aceasta este o limită de calificare, nu un obiectiv de producție.

Ghiduri practice pentru inginerul sudor

Pentru a preveni formarea fazei sigma în cordoanele de sudură ale țevilor duplex, depășiți regulile generale de tip „căldură redusă”. Aplicați următoarele măsuri de control:

1. Controlul temperaturii între treceri

Formarea fazei sigma este un proces cumulativ. Pe măsură ce se adaugă treceri suplimentare, zona afectată termic (HAZ) din trecerile anterioare este supusă unei reîncălziri în zona periculoasă (700–900 °C). Temperatura între treceri trebuie limitată în mod strict. Pentru oțelul duplex super (25 % Cr), temperatura maximă între treceri este, în general, 150°C  . Pentru oțelul duplex standard (22 % Cr), limita este de obicei de 200 °C .

2. Evitați capcana „multor treceri mici"

Se pare că este contraintuitiv, dar utilizarea unui număr mare de treceri cu o cantitate mică de căldură introdusă poate fi mai periculoasă decât un număr mai mic de treceri mai mari. Fiecare trecere mică reîncălzește zona afectată termic (HAZ) anterioară, îmbătrânind efectiv materialul și provocând precipitarea fazelor sigma și chi (χ). .

• Strategie: Utilizați o succesiune de sudare care minimizează numărul de cicluri termice pe orice zonă specifică a zonei afectate termic (HAZ).

3. Echilibrarea numerelor de ferită

Faza sigma se formează mai ușor în ferită. Dacă conținutul de ferită din zona dvs. afectată termic (HAZ) depășește 70–75 %, riscul de precipitare a fazei sigma crește exponențial, deoarece există o cantitate mai mare de ferită instabilă disponibilă pentru transformare.

• Asigurați-vă că gazul de protecție și materialele de umplutură promovează o reformare adecvată a austenitei. Umpluturile pe bază de nichel sunt utile, dar trebuie să fiți precauți: un conținut mai ridicat de Ni lărgește intervalul de temperaturi în care se formează faza sigma. .

4. Calcularea cantității eficiente de căldură introdusă

Nu vă bazați pe „simț”. Folosiți formula:

$$\text{Intrare de căldură (kJ/mm)}=\frac{\text{Tensiune (V)}\times \text{Curent (A)}\times 60}{\text{Viteză de deplasare (mm/min)}\times 1000}$$

Pentru procesele GTAW (TIG), rețineți că trebuie să luați în considerare factorul de eficiență termică (η), care este, în mod obișnuit, de aproximativ 0,6 pentru TIG. .

Concluzie

Embritarea datorată fazei sigma este un mod de cedare prevenibil. Este un semn că sudura a fost supusă unei temperaturi prea ridicate timp prea îndelungat — fie global (intrare de căldură ridicată în conducte subțiri), fie local (reîncălziri multiple din treceri mici).

Sudarea modernă a conductelor duplex necesită o trecere de la «urmărirea procedurii de sudare calificată (WPS)» la înțelegerea istoricului termic . Prin controlul timpilor de răcire t12/8, respectarea limitelor de temperatură între treceri și ajustarea intrării de căldură în funcție de grosimea reală a peretelui conductei, puteți obține microstructuri în zona influențată termic (HAZ) lipsite de fază sigma, tenace și rezistente la coroziune.