Värmepåverkan och mellanpassningstemperatur vid duplexsvetsning: En praktisk fältguide

Duplexsvetsningsfel beror sällan på dåliga svetsare. De beror på parametrar som var korrekta i svetsprocedurbeskrivningen (WPS) men felaktiga vid ljusbågen. Svetsaren följde procedurbladet. Värmemängdinsprutningen låg inom angivet intervall. Mellanpassningstemperaturen kontrollerades. Och ändå bildades gropar i svetsen under drift, eller sprack den sönder vid ett hammarslag vid nästa avställning.

Anledningen är att duplexsvetsning styrs av ett termiskt fönster, inte av en enskild parameter. Värmepåverkan bestämmer fönstret. Mellanpassningstemperaturen avgör hur många gånger du passerar genom det. Båda mäts med samma instrument som du redan har, och båda registreras rutinmässigt felaktigt.

Den här guiden behandlar de praktiska siffrorna, beräkningarna, mätmetoderna och dokumentationsrutinerna som skiljer en duplexsvetsningsprocedur (WPS) som klarar en granskning från en som producerar en svets som överlever sin driftmiljö.

Varför dessa två parametrar styr allt

Duplexrostfritt stål får sina egenskaper från en mikrostruktur med ungefär 50:50 ferrit-austenit. Vid svetsning förstörs denna balans lokalt. Smältbadet stelnar nästan helt till ferrit, och austenit återbildas endast när metallen svalnar .

Svalningshastigheten bestäms av värmepåverkan och mellanpassningstemperaturen:

• Svalna för snabbt (låg värmetillförsel, kall mellanpassning): austenit har otillräcklig tid att återbilda sig. Ferrithalten förblir hög, kromnitriderna utfälls, och seghet samt korrosionsbeständighet minskar .

• Kyl för långsamt (hög värmetillförsel, varm mellanpassning): svetsen befinner sig i temperaturintervallet 700–950 °C tillräckligt länge för att sigmafas, chi-fas och sekundär austenit ska bildas. Sigmafas är spröd och kromfattig; den förstör både seghet och motstånd mot punktkorrosion .

Det finns ingen "säker sida" att avvika åt. Båda kanterna på fönstret utgör felmoder. En svets vid 0,4 kJ/mm och en svets vid 3,0 kJ/mm kan båda misslyckas, av motsatta orsaker.

Värmetillförsel: Det fungerande intervallet

Värmetillförsel är den energi som tillförs per längdenhet av svets. Den bestämmer avkylningshastigheten genom det kritiska temperaturintervallet 1200–800 °C.

Rekommenderade intervall efter sort

För 2205 anges ofta det breda intervallet 0,5–2,5 kJ/mm . Vissa svetsforskare rekommenderar ett smalare praktiskt intervall på 0,5–1,5 kJ/mm för superduplex, där rotlager och små svetsnävar ligger mot den lägre änden av intervallet.

För 2507 blir gränserna betydligt striktare. Sandvik rekommenderar 0,2–1,5 kJ/mm . Andra källor rekommenderar att inte överskrida 1,5 kJ/mm, med 1,6 kJ/mm som absolut tak . Anledningen är den högre legeringshalten: mer krom och molybden innebär snabbare kinetik för sigmafasprecipitation. Vad som är säkert för 2205 vid 2,0 kJ/mm är redan farligt för 2507.

Tjockleksjustering

Värmemängden är inte ett fast värde för en kvalitet. Den skalar med väggtjockleken:

• Rör med tunn vägg (t = 1,5 mm): <0,5 kJ/mm är optimalt. Snabb svalning är mindre problematisk eftersom massan är liten och svetsen stelnar snabbt oavsett .

• Rör med tjock vägg (t ≥ 25 mm): Värmemängden bör ligga närmare övre änden av intervallet. Fokus skiftar från för mycket ferrit till otillräcklig sammanfogning och bristande genomträngning .

För 2507 med väggtjocklek ≥25 mm påpekar Sandvik uttryckligen att ”uppmärksamhet måste ägnas” — vilket betyder att toleransintervallet är smalast vid den tjocka änden eftersom den termiska massan gör kontrollen av mellanpassstemperaturen svårast.

Mellanpassstemperatur: De gränser som faktiskt gäller

Mellanpassstemperatur är temperaturen i svetszonen mätt omedelbart innan nästa pass läggs på . Det är en maximigräns, inte ett målvärde. För duplex krävs förvärmning i allmänhet inte och är ofta skadlig . Den enda temperaturkontroll som är avgörande är att hålla mellanpassstemperaturen tillräckligt låg för att undvika ackumulerad värmeuppkomst.

Siffrorna

NORSOK M-601 anger 150 °C som obligatoriskt maximalt värde för 2205-duplex och 100–150 °C för 2507-superduplex, medan vissa projektspécifikationer begränsar värdet till 100 °C iMOA:s verkstadsblad anger att den maximala mellanpassningstemperaturen är begränsad till 150 °C för lean- och standardduplex samt till 100 °C för superduplex.

Vissa tekniska standarder tillämpar en ”ytterst konservativ” gräns på 100 °C för 2507 i alla fall. Skillnaden mellan 100 °C och 150 °C är inte teoretisk. Vid 150 °C är risken för sigmafaskbildning i HAZ under flerpasssvetsning betydligt högre än vid 100 °C, särskilt i tjocka sektioner där yttemperaturen underskattar den inre temperaturen.

Fällan med kritiska temperatursmätningar

Detta är den viktigaste praktiska punkten i hela den här guiden: mellantemperatur mäts på ytan, men fel uppstår inuti svetsmetallen .

Sandviks vägledning för svetsning anger det direkt: "Eftersom mellantemperaturen mäts på svetsens yta eller på basmetallen nära svetsen är den faktiska temperaturen högre djupare inne i svetsmetallen. Detta kan orsaka sprödhet och låga slagverde i rotnärvet" .

Vid en 25 mm tjock 2507-rörbit som svetsas med en gräns på 100 °C för ytmellantemperatur kan den interna temperaturen nära roten uppgå till 130–150 °C. Om WPS specificerar ett maximalt värde på 150 °C och svetsaren väntar tills ytan sjunkit till 149 °C kan roten redan ligga långt utanför det säkra sigmafasmområdet.

Fältregel: För 2507 med tjocklek ≥20 mm använd 100 °C som maximal yttäckningstemperatur, inte 150 °C. Marginalen på 50 °C tar hänsyn till temperaturgradienten mellan inre och yta. För 2205 är en yttäckningstemperatur på 150 °C i allmänhet acceptabel, men samma gradientlogik gäller vid stora tjocklekar.

Hur man beräknar värmetillförseln korrekt

Den standardiserade formeln för bågenergi är:

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

Där V är bågspänning (volt), A är svetsström (ampere) och v är färdhastighet (mm/min).

För termisk värmetillförsel (med hänsyn till bågeffektivitet) multipliceras uttrycket med η:

Termisk värmetillförsel = η × (V × A × 60) / (1000 × v)

Bågeffektivitetsfaktorer varierar beroende på process:

Skillnaden är viktig för kvalificering. ASME IX och de flesta projektspécifikationer refererar till bågenergi (η = 1,0) om inget annat uttryckligen anges. NORSOK M-601 tillåter att den kvalificerade värmeindata kan variera inom ±15 % av det genomsnittliga värde som användes under kvalificeringen. Om din procedurkvalificering utfördes vid 1,0 kJ/mm bågenergi är produktionsintervallet 0,85–1,15 kJ/mm – inte det bredare offentliga intervallet för materialet.

Ett genomräknat exempel

En GTAW-rotpass på 2205-rör: 120 A, 12 V, färdhastighet 100 mm/min.

Bågenergi = (12 × 120 × 60) / (1000 × 100) = 0,864 kJ/mm

Termisk värmeindata (η = 0,7) = 0,605 kJ/mm

Båda värdena ligger inom intervallet 0,5–2,5 kJ/mm för 2205. Observera dock hur valet av process påverkar det effektiva värdet. En SMAW-fyllnadspass på samma fog med 140 A, 24 V och 150 mm/min ger:

Bågenergi = (24 × 140 × 60) / (1000 × 150) = 1,344 kJ/mm

Bågenergin är högre trots den snabbare färdhastigheten eftersom spänningen och strömmen är högre. Poängen är inte det absoluta värdet; utan att beräkningen måste använda de faktiska parametrarna för varje genomgång, inte ett enda antaget värde för hela svetsningen.

Mätning: Vad man ska använda och var man ska rikta det

Fyra instrument används vanligtvis för mellanpassningstemperatur :

Kontaktpyrometern är arbetshästen. EN ISO 13916:2017 specificerar att sonden trycks mot metallytan intill svetzzonen, vanligtvis på ett avstånd av 4× materialtjockleken från svettkanten . Att mäta direkt på den heta svettrännan ger för höga värden; att mäta för långt bort ger för låga värden.

Kritpennan är användbar för en snabb ”är det fortfarande för varmt”-kontroll, men bör inte användas som primärt protokollvärde. Infraröda mätningar på nyligen svetsad duplex är otillförlitliga eftersom den oxiderade ytan har varierande emissivitet, och mätningen avser endast ytan – vilket just är fel ställe givet temperaturgradienten från inuti till ytan.

För kritiska svetsningar — 2507 i tjocklek ≥25 mm eller alla svetsningar i sur miljö — är svetsmonterade termoelement med dataloggning den föredragna metoden. De ger en kontinuerlig registrering som visar inte bara om maxvärdet överskridits, utan även hur länge fogens temperatur befann sig inom sigmafasmens temperaturområde.

Fem felförekomster på platsen som orsakar fel

1. Att använda gränsvärden för 2205 på 2507

En tillverkare svetsar 2507 med en WPS där mellanpassningstemperaturen anges till 150 °C och värmeinmatningen till 1,5 kJ/mm — båda värdena ligger inom 2205:s intervall, men båda ligger vid eller utanför 2507:s intervall. Svetsningen klarar visuell och radiografisk kontroll. Den misslyckas dock vid slagprovning eller bildar gropar i drift längs svetslinjen.

Lösning: Använd separata WPS-intervall för varje kvalitet. För 2507 bör mellanpassningstemperaturen specificeras som högst 100 °C, inte 150 °C.

2. Att mäta mellanpassningstemperaturen på täcklagret istället för på roten

Svetsaren väntar tills täckpasset svalnat till den angivna gränsen, sedan påbörjas nästa pass. Rotpasset, som tidigare lagts ner och isolerats av fyllnadspassen, befinner sig fortfarande långt över gränsen. I rotområdet bildas sigmafas medan ytan visar efterlevnad.

Lösning: För flerpasssvetsningar i tjocklek ≥20 mm krävs mellanpassmätning vid roten eller användning av inbäddade termoelement. Endast ytmätning är otillräcklig.

3. Att bortse från ±15 %-kvalificeringsfönstret

WPS:en anger »värmepåverkan: 0,5–2,5 kJ/mm«. Svetsaren utför rotpasset vid 2,3 kJ/mm eftersom detta ligger inom den publicerade intervallet. Men procedurkvalificeringen utfördes vid ett genomsnitt på 1,2 kJ/mm, och NORSOK M-601 begränsar produktionsvariationen till ±15 % av detta genomsnitt — dvs. 1,02–1,38 kJ/mm. Passet vid 2,3 kJ/mm ligger utanför det kvalificerade fönstret trots att det ligger inom materialklassens intervall.

Lösning: Ange det kvalificerade intervallet på WPS:en, inte det publicerade materialklassintervallet. Svetsaren behöver det värde som faktiskt testats.

4. Kylning med vatten eller komprimerad luft

En svetsare når gränsen för mellanpassstemperatur och svaltar sammanfogningen med en vattenspruta eller en ström av komprimerad luft för att påskynda nästa pass. Den snabba kylningen ger en lokalt ferritisk mikrostruktur med kromnitrid i HAZ-området. Svetsen godkänns vid kontroll men misslyckas under drift.

Lösning: Svalta i stillastående luft. Om tidsplanen är stram kan man växla mellan två sammanfogningar så att den ena svalnar medan den andra svetsas. Duplex får aldrig kylas snabbt.

5. Registrera en enda temperatur för hela svetsen

Svetskartan visar "mellanpassstemperatur: 95 °C" för alla 12 pass. Talet mättes en gång, efter rot-passet, och kopierades sedan. Fyllnadspassen utfördes vid 140 °C eller högre. Granskningsprotokollet är felaktigt.

Lösning: Registrera mellanpassstemperaturen innan varje pass för kritiska svetsar, eller med en definierad frekvens (t.ex. vart tredje pass) med en skriftlig anteckning om mätpunkterna. Granskare enligt EN ISO 3834-2 jämför WPS-värdena med produktionsdokumentationen; ett kopierat värde utgör en brist. .

Verifiering: Vad som ska testas efter svetsningen

Värmemängd och mellanpassningstemperatur är processkontroller. Deras effekt verifieras genom tre tester:

Ferritinnehåll: Svetsen bör ha 30–70 % ferrit i svetsat tillfälle, med 35–60 % som typiskt värde för grundmaterialet. En Feritscope-mätning utanför detta intervall indikerar ett problem med värmemängden eller mellanpassningstemperaturen. Observera dock den blinda fläcken: sigmafas är icke-magnetisk, så en Feritscope visar ett perfekt värde på en svets som redan är sprödgjord. .

Slagseghet: Charpy V-notch vid konstruktionsminimitemperatur. För 2507 i NORSOK-tjänst är detta vanligtvis –46 °C med ett genomsnittligt minimivärde på 45 J. En svets påverkad av sigmafas kommer att misslyckas kraftigt i detta test.

Korrosionsprovning: ASTM A923 metod C (järnklorid) är godkännandeprovningen för skadliga intermetalliska faser i duplexsvetsar. Den är utformad för att på ett kostnadseffektivt sätt visa frånvaron av sigmafas, där godkännande vanligtvis uttrycks som en maximal korrosionshastighet. Om svetsen klarar ASTM A923 metod C var kontrollerna av värmemängd och mellanpassningstemperatur effektiva.

Sammanfattningen på en sida för fältarbete

WPS-numret är inte det publicerade gradintervallet. Det är det testade intervallet, begränsat av kvalificeringen och ytterligare begränsat av projektets specifikation. Skriv in det talet i procedurerna, mät det både vid roten och vid ytan samt svalta i stillastående luft. Resten är metallurgi som sker oavsett om du tar hänsyn till den eller inte.