Styrning av värmetillförseln vid svetsning av duplexrör: Förhindra embrittning genom sigmafase i den värmeberörda zonen (HAZ)

Om du svetsar duplex- eller superduplexrostfria stål (DSS/SDSS) går du på en spännande linje. Om temperaturen blir för låg får du för mycket ferrit och förlorar slagseghet. Om den blir för hög lockar du fram den tysta dödaren av duplexsvetsar: Sigmafasembrittning i den värmpåverkade zonen (HAZ).

Sigmafas är en intermetallisk förening som gör svetsar spröda och förstör korrosionsbeständigheten. Även om den bildas i grundmaterialet vid felaktig värmebehandling uppstår den vid svetsning direkt som en följd av dålig värmetillförselskontroll .

Den här artikeln ger en teknisk fördjupning om hur man anpassar värmetillförseln för att förhindra bildning av sigmafas vid svetsning av duplexrör, vilket säkerställer mekanisk integritet och motstånd mot punktkorrosion.

Problemet: Varför bildas sigma i den värmpåverkade zonen?

Sigmafasprecipitation sker när den värmpåverkade zonen (HAZ) vid svetsning utsätts för temperaturer mellan cirka 600 °C och 950 °C under för lång tid . I en duplexmikrostruktur bildas sigma främst vid gränsytorna mellan ferrit och austenit. Den växer genom att förbruka ferrit (δ), som är rik på krom och molybden – de mycket element som ger duplex dess korrosionsmotstånd. .

Mekanismen är eutektoid: δ → σ + γ₂ (sekundär austenit) . När sigma bildas extraherar den krom och molybden från den omgivande matrisen. När sigma väl har preciperat krävs en fullständig lösningsglödgning (1050–1100 °C) för att ta bort den, vilket är opraktiskt för stora rörrullar. i det svetsade tillståndet är sigma en hård, spröd fas som kraftigt minskar slagsegheten och motståndet mot punktkorrosion.

Den primära variabeln: Värmetillförsel och kylningshastighet (t12/8)

Även om kemisk sammansättning är avgörande är den termiska cykeln utlösaren. Standarden inom branschen för att mäta detta är kylingstiden från 1200 °C till 800 °C (t12/8) . Detta intervall täcker det kritiska fönstret både för austenitbildning och sigmautfällning.

För att undvika sigma utan att påverka fasbalansen behöver man i allmänhet en t12/8 på 8–15 sekunder . Om t12/8 överskrider ca 15 sekunder (vilket sker vid hög värmetillförsel) finns risk för sigmautfällning. .

För en duplexstål med 22 % krom (t.ex. 2205) ligger den rekommenderade värmetillförseln vid rörsvepning vanligtvis mellan 0,5 kJ/mm och 2,5 kJ/mm för väggtjocklek 10–15 mm dock tyder nyare studier på att dessa gränsvärden inte är statiska; de varierar beroende på väggtjocklek och foggeometri.

Nya perspektiv: Plåttjocklek förändrar reglerna

Nyare forskning ifrågasätter antagandet att "hög värmetillförsel är alltid dålig." En studie från 2025 om svetsning av tjockplåt av duplexstål visade att för plåtar med en tjocklek över 10 mm ökar den övre gränsen för värmetillförsel betydligt. .

• För rör med tunn vägg (<10 mm): Långsam värmeavledning gör att den värmpåverkade zonen (HAZ) förblir het. Det är avgörande att använda standardberäkningar för värmetillförsel för att undvika genombränning eller överhettning.

• För rör med tjock vägg (>14 mm): Rörets massa fungerar som en omfattande värmeavsugare som snabbt drar bort värme. I dessa fall krävs en högre värmetillförsel för att uppnå tillfredsställande sammanväxt och austenitbildning. Studien bekräftade att vid plåttjocklekar på 20 mm användes värmetillförsel på 5 kJ/mm och 7 kJ/mm utan att någon sigmautfällning uppstod i den värmpåverkade zonen (HAZ) .

Sammanfattning: Du måste beräkna värmetillförseln i förhållande till materialtjockleken. Ju tjockare röret är, desto högre kan den "säkra" värmetillförseln vara, eftersom avkylningshastigheten förblir tillräckligt snabb för att undvika sigmabukens område i TTT-kurvan.

Utmaningen med superduplex (25Cr-legeringar)

Vid svetsning av superduplex-legeringar (t.ex. 2507, Zeron 100) minskar toleransen för fel. Dessa mer legerade material har en större drivkraft för sigmautfällning.

• Känslighet hos rotlager: Vid rörsvetsning är rotlagret särskilt utsatt. Forskning visar att rotlagret bör utföras med en högre värmetillförsel (över 1,0 kJ/mm) jämfört med de första efterföljande lagren. Varför? En låg värmetillförsel i rotlagret kan orsaka utfällning av kromnitrid på insidan på grund av brist på återuppvärmning. .

• Användbarhet för ändamålet: Även om specifikationer ofta kräver noll sigma visar den industriella verkligheten (särskilt i brittiska Nordsjöprojekt) att begränsad mängd sigma i den lågtempererade HAZ (2–5 mm från smältlinjen) ibland kan tolereras. Studier har godtagit upp till 2,5 volymprocent sigma i HAZ, förutsatt att CTOD-test (Crack Tip Opening Displacement) för brotttoughness och korrosionstest enligt ASTM G48 godkänts . Detta är dock en kvalificeringsgräns, inte ett produktionsmål.

Praktiska riktlinjer för svetsingenjören

För att förhindra sigmofas i dubbelrostfria rörsvetsningar bör man gå bortom generella regler om "låg värme". Inför följande kontroller:

1. Reglera mellanpassstemperaturen

Sigma är ackumulerande. När du lägger till fler pass uppvärms HAZ från tidigare pass återigen in i farozonen (700–900 °C). Begränsa strikt mellanpassstemperaturen. För superdubbelrostfritt stål (25 % Cr) är den maximala mellanpassstemperaturen i allmänhet 150°C  . För standarddubbelrostfritt stål med 22 % Cr är 200 °C vanligtvis gränsen .

2. Undvik fällan med "många små pass"

Det verkar motintuitivt, men att använda ett stort antal genomgångar med låg värmeinmatning kan vara farligare än färre, större genomgångar. Varje liten genomgång uppvärmer området för värmeinflyttningszonen (HAZ) igen, vilket i effekt åldrar materialet och främjar utfällning av sigma- och chi-faser (χ) .

• Strategi: Använd en svetsserier som minimerar antalet termiska cykler på något specifikt område i HAZ.

3. Balansera ferrittal

Sigma bildas lättare i ferrit. Om din HAZ:s ferrithalt överstiger 70–75 % ökar risken för sigmautfällning kraftigt, eftersom du har mer instabil ferrit tillgänglig för omvandling.

• Se till att dina skyddsgaser och tillslagsmaterial främjar tillräcklig austenitomvandling. Nickelbaserade tillslagsmaterial hjälper, men var försiktig: högre nickelhalt utvidgar temperaturintervallet för sigma-bildning. .

4. Beräkna effektiv värmeinmatning

Lita inte på "känslan." Använd formeln:

$$\text{Värmetillförsel (kJ/mm)}=\frac{\text{Spänning (V)}\times \text{Ström (A)}\times 60}{\text{Färdhastighet (mm/min)}\times 1000}$$

För GTAW-processer (TIG), kom ihåg att ta hänsyn till den termiska verkningsgradsfaktorn (η), som vanligtvis ligger runt 0,6 för TIG .

Slutsats

Sigmafasens sprödning är en förhindringsbar felmodell. Den är ett tecken på att svetsen utsatts för för mycket värme i för lång tid – antingen globalt (hög värmtillförsel i tunna rör) eller lokalt (flera uppvärmningar från små svetspass).

Modern svetsning av duplexrör kräver en förändring från "att följa WPS" till att förstå den termiska historiken . Genom att kontrollera svalningshastigheten t12/8, respektera gränser för mellanpassstemperatur och justera värmtillförseln efter det faktiska rörrörets väggtjocklek kan du skapa HAZ-mikrostrukturer som är fria från sigmafas, slagfast och korrosionsbeständiga.