Dupleks Boru Kaynağında Isı Girdisi Kontrolü: Isıl Etki Bölgesinde (HAZ) Sigma Fazının Embrittlement’ini (Kırılganlaşmasını) Önleme

Çift fazlı veya süper çift fazlı paslanmaz çelikleri (DSS/SDSS) kaynatıyorsanız, bir denge üzerinde yürüyorsunuz. Sıcaklık çok düşükse, fazla ferrit oluşur ve tokluk kaybedilir. Sıcaklık çok yüksekse, çift fazlı kaynakların sessiz katili olan: Isı Etkilenmiş Bölge’de (HAZ) Sigma (σ) Fazı embrittlement’i.

Sigma fazı, kaynakları gevrek hale getiren ve korozyon direncini yok eden bir ara metalik bileşiktir. Bu faz, yanlış ısıl işlem sırasında ana malzemede oluşur; ancak kaynakta, kötü ısı girdisi kontrolünün doğrudan sonucudur. isı girişi kontrolü .

Bu makale, mekanik bütünlüğü ve çukur oluşumuna direnci sağlamak amacıyla çift fazlı boru kaynaklarında sigma fazının oluşumunu önlemek için ısı girdisini nasıl ayarlayacağınızı teknik olarak detaylı bir şekilde açıklar.

Sorun: Neden HAZ’da Sigma Fazı Oluşur?

Sigma fazı çökelmesi, kaynak HAZ’ı yaklaşık 600°C ile 950°C arasındaki sıcaklıklara çok uzun süre maruz kaldığında gerçekleşir . Çift fazlı mikroyapıda sigma fazı, öncelikle ferrit/austenit arayüzlerinde oluşur. Sigma fazı, krom ve molibden açısından zengin olan ferriti (δ) tüketerek büyür; bu elementler çift fazlı malzemenin korozyon direncini sağlayan temel unsurlardır. .

Mekanizma eutektoiddir: δ → σ + γ₂ (ikincil austenit) . Sigma fazı oluştuğunda, çevredeki matristen Cr ve Mo’yu çekerek azaltır. Bir kez çökelmiş olduğunda, sigma fazını ortadan kaldırmak için tam çözelti tavlama işlemi (1050-1100°C) gereklidir; ancak bu işlem büyük çaplı boru demetleri için uygulanması pratik olmaz. kaynatıldıktan sonraki durumda sigma fazı, darbe tokluğunu ve çukur oluşumuna direnci büyük ölçüde azaltan sert ve gevrek bir fazdır.

Birincil Değişken: Isı Girdisi ve Soğuma Hızı (t12/8)

Kimyasal bileşim kritik olsa da, termal döngü tetikleyici faktördür. Bunun ölçülmesi için endüstride kullanılan standart, 1200 °C’den 800 °C’ye soğuma süresidir (t12/8) . Bu aralık, hem austenit oluşumu hem de sigma çökelmesi için kritik pencereyi kapsar.

Sigma fazının oluşumunu önlemek ve aynı zamanda faz dengesini korumak için genellikle t12/8 değeri olarak 8 ila 15 saniye arasında bir değer gereklidir. Eğer t12/8 yaklaşık 15 saniyeyi aşarsa (yüksek ısı girdisi durumunda gerçekleşir), sigma fazı oluşma riski doğar. .

22% Cr’lu çift fazlı çeliklerde (örneğin 2205) boru kaynakları için önerilen ısı girdisi genellikle 0,5 kJ/mm ile 2,5 kJ/mm arasındadır; bu değer 10–15 mm cidar kalınlığı için geçerlidir. ancak son çalışmalar, bu sınırların sabit olmadığını; duvar kalınlığına ve birleşim geometrisine bağlı olarak değiştiğini göstermektedir.

Yeni Bakış Açısı: Plaka Kalınlığı Kuralları Değiştiriyor

Son araştırmalar, "yüksek ısı girdisi her zaman kötüdür" varsayımını sorgulamaktadır. Çift fazlı (duplex) kalın plaka kaynakları üzerine yapılan 2025 tarihli bir çalışma, kalınlığı 10 mm’yi aşan plakalar için ısı girdisi üst sınırının önemli ölçüde arttığını göstermiştir. .

• İnce cidarlı borular (<10 mm): Yavaş ısı dağılımı, Isı Etkilenmiş Bölge’yi (HAZ) sıcak tutar. Delinme veya aşırı ısınmayı önlemek için standart ısı girdisi hesaplamalarını kullanmak kritik öneme sahiptir.

• Kalın cidarlı borular (>14 mm): Borunun kütlesi, ısıyı hızla uzaklaştıran devasa bir ısı yutucu (heat sink) görevi görür. Bu durumlarda, uygun ergime ve ostenit oluşumunu sağlamak için daha yüksek bir ısı girdisi gerekmektedir. Çalışma, 20 mm kalınlığında plakalarla yapılan deneylerde sigma fazı çökelmesinin Isı Etkilenmiş Bölge’de (HAZ) hiç gözlenmediğini doğrulamıştır. 5 kJ/mm ve 7 kJ/mm ısı girdilerinin kullanıldığını belirtmektedir. .

Anahtar nokta: Isı girdisini malzeme kalınlığına göre hesaplamanız gerekir. Boru ne kadar kalınsa, soğuma hızı TTT eğrisinin sigma burnunu atlayacak kadar hızlı kaldığı için "güvenli" ısı girdisi o kadar yüksek olabilir.

Süper Duplex Zorluğu (25Cr Sınıfları)

Süper duplex sınıflarının (örn. 2507, Zeron 100) kaynaklanması sırasında hata payı daralır. Bu daha yüksek alaşımlı malzemelerin sigma çökelmesi için daha yüksek bir itici kuvvete sahip olması nedeniyledir.

• Kök Dikişi Hassasiyeti: Boru kaynaklarında kök dikişi özellikle hassastır. Araştırmalar, kök dikişlerinin bir sonraki birkaç dikişe kıyasla daha yüksek daha yüksek ısı girdisiyle (1,0 kJ/mm üzeri) yapılması gerektiğini göstermektedir. Neden? Kökte düşük ısı girdisi, yeniden ısıtma eksikliği nedeniyle iç yüzeyde krom nitürlerinin çökelmesine yol açabilir. .

• Amaç Uygunluğu: Özellikler genellikle sıfır sigma değerini gerektirirken, endüstriyel gerçeklik (özellikle Birleşik Krallık Kuzey Denizi projelerinde) düşük sıcaklıklı ısı etkilenmiş bölgeye (birleşme çizgisinden 2-5 mm uzaklıkta) sınırlı miktarda sigma fazının bazen kabul edilebileceğini göstermektedir. Çalışmalar, CTOD (Çatlak Ucu Açılma Yer Değiştirmesi) kırılma tokluğu ve ASTM G48 korozyon testlerinin başarıyla geçilmesi koşuluyla, ısı etkilenmiş bölgede en fazla hacimce %2,5 sigma fazına izin vermiştir . Ancak bu bir nitelendirme sınırıdır; üretim hedefi değildir.

Kaynak Mühendisi İçin Pratik Yönergeler

Duplex boru kaynaklarında sigma fazının oluşumunu önlemek için genel "düşük ısı" kurallarının ötesine geçilmelidir. Aşağıdaki kontroller uygulanmalıdır:

1. Geçiş Arası Sıcaklığı Yönetimi

Sigma fazı birikimlidir. Kaynak pasoları eklendikçe, önceki pasolardan kaynaklanan ısı etkilenmiş bölge tekrar tehlike bölgesine (700-900 °C) ısıtılır. Geçiş arası sıcaklık kesinlikle sınırlandırılmalıdır. Süper duplex (%%25 Cr) için maksimum geçiş arası sıcaklık genellikle 150°C  dır. Standart %%22 Cr duplex için bu sınır genellikle 200 °C'dir .

2. "Birçok Küçük Pasa" Tuzağından Kaçınma

Bunun tersine sezgisel olduğu görülüyor, ancak düşük ısı girdisiyle yapılan çok sayıda paso, daha az sayıda ve daha büyük paso kullanmaktan daha tehlikeli olabilir. Her küçük paso, önceki Isı Etkilenmiş Bölge'yi (HAZ) yeniden ısıtarak malzemeyi etkili bir şekilde yaşlandırır ve sigma ile chi (χ) fazlarını çökeltiler. .

• Strateji: Isı Etkilenmiş Bölge'nin (HAZ) herhangi bir belirli alanına uygulanan termal döngü sayısını en aza indirecek bir kaynak sırası kullanın.

3. Ferrit Sayılarını Dengeleyin

Sigma fazı, ferritte daha kolay oluşur. Eğer HAZ'daki ferrit içeriğiniz %70-75'i aşarsa, sigma çökelmesi riski gökyüzünde uçar çünkü dönüşüm için kullanılabilen kararsız ferrit miktarı artar.

• Koruyucu gazınızın ve ilave malzemelerinizin yeterli austenit yeniden oluşumunu desteklediğinden emin olun. Nikel bazlı ilave malzemeler yardımcı olur; ancak dikkatli olun: daha yüksek nikel oranı, sigma oluşum sıcaklığı aralığını genişletir. .

4. Etkin Isı Girdisini Hesaplayın

Sadece 'hissedilen' değerlere güvenmeyin. Aşağıdaki formülü kullanın:

$$\text{Isı Girdisi (kJ/mm)}=\frac{\text{Gerilim (V)}\times \text{Akım (A)}\times 60}{\text{İlerleme Hızı (mm/dk)}\times 1000}$$

GTAW (TIG) süreçleri için, TIG yönteminde genellikle yaklaşık 0.6 olan termal verimlilik faktörünü (η) hesaba katmayı unutmayın. .

Sonuç

Sigma fazı kırılganlaşması, önlenebilir bir hasar modudur. Bu, kaynak bölgesinin çok fazla ısıya ve çok uzun süreye maruz kaldığının bir göstergesidir—ya küresel olarak (ince borularda yüksek ısı girdisi) ya da yerel olarak (küçük geçişlerden kaynaklanan çoklu yeniden ısıtmalar).

Çift fazlı boruların modern kaynaklanması, "KAYNAK İŞLEMLERİ TALİMATNAMESİ'NE (WPS) uymak" yaklaşımından ısı geçmişi anlayışına geçişi gerektirir. t12/8 soğuma sürelerini kontrol ederek, ara geçiş sıcaklığı sınırlarına saygı göstererek ve gerçek boru cidarı kalınlığına göre ısı girdisini ayarlayarak, sigma fazı içermeyen, tok ve korozyona dayanıklı HAZ mikroyapıları elde edebilirsiniz.