Austenityczne stale nierdzewnezazwyczaj mają mikrostrukturę składającą się z czystego austenitu w temperaturze pokojowej; jednakże niektóre warianty zawierają niewielką ilość ferrytu, co pomaga zapobiegać pękaniu na gorąco. Ze względu na doskonałą spawalność austenityczne stale nierdzewne są szeroko stosowane w takich gałęziach przemysłu, jak przetwórstwo chemiczne i produkcja zbiorników ciśnieniowych dla sektora naftowego. Niemniej jednak, jeśli operacje spawania są wykonywane nieprawidłowo, austenityczne stale nierdzewne są podatne na różne problemy, w tym korozję międzykrystaliczną, pękanie na gorąco, pękanie korozyjne naprężeniowe i słabe tworzenie się ściegu spoiny.
Jakie są problemy spawalnicze związane z austenityczną stalą nierdzewną?
I. Korozja międzykrystaliczna
A. Przyczyny korozji międzykrystalicznej
Korozja międzykrystaliczna występuje na granicach ziaren; stąd nazywa się ją korozją międzykrystaliczną. Stanowi jedną z najniebezpieczniejszych form degradacji austenitycznych stali nierdzewnych. Charakteryzuje się korozją, która wnika głęboko w metal wzdłuż granic ziaren, powodując spadek zarówno właściwości mechanicznych, jak i odporności metalu na korozję.
Gdy austenityczna stal nierdzewna jest utrzymywana w zakresie temperatur od 450 do 850 stopni przez pewien czas, węgliki chromu (Cr23C6) wytrącają się na granicach ziaren. Chrom niezbędny do tego wytrącania pobierany jest głównie z powierzchniowych warstw ziaren; jeśli chrom z wnętrza ziaren nie może dyfundować na zewnątrz wystarczająco szybko, aby uzupełnić te warstwy powierzchniowe, zawartość chromu na granicach ziaren,-szczególnie w powierzchniowych warstwach ziaren-spadnie, tworząc „strefę zubożoną w chrom-”. Pod wpływem agresywnych mediów korozyjnych strefy zubożone w chrom-na granicach ziaren stają się podatne na ataki, co powoduje korozję międzykrystaliczną. Stal nierdzewna dotknięta korozją międzykrystaliczną może nie wykazywać widocznych zmian na swojej powierzchni; jednakże poddawany naprężeniom pęknie wzdłuż granic ziaren, powodując prawie całkowitą utratę wytrzymałości konstrukcyjnej.
B. Środki zapobiegające korozji międzykrystalicznej
Wybierz elektrody spawalnicze ze stali nierdzewnej o bardzo-zawartości węgla (C mniejsze lub równe 0,03%) lub te zawierające elementy stabilizujące, takie jak tytan lub niob.
Stosuj parametry spawania o „niskim-cieplu-wejściowym”. Celem jest zminimalizowanie czasu przebywania w krytycznym zakresie temperatur (450–850 stopni). Osiąga się to poprzez wykorzystanie niskich prądów spawania, dużych prędkości przesuwu, krótkich długości łuku i unikanie poprzecznych ruchów tkackich. W celu przyspieszenia szybkości chłodzenia złącza spawanego i zmniejszenia rozmiaru strefy wpływu ciepła (HAZ) można zastosować metody wymuszonego chłodzenia (np. miedziane płyty nośne lub chłodzenie wodą).
Podczas spawania-wielościegowego temperatura-międzyściegowa musi być ściśle kontrolowana; poprzedni ścieg spoiny powinien ostygnąć do temperatury poniżej 60 stopni przed nałożeniem następnego warstwy. Szew spawalniczy od strony elementu, który będzie miał kontakt z czynnikiem korozyjnym, należy zespawać jako ostatni. Należy przeprowadzić obróbkę-po spawaniu: przedmiot obrabiany jest podgrzewany do temperatury od 1050 do 1150 stopni, a następnie hartowany. Proces ten powoduje, że wydzielenia Cr23C6 na granicach ziaren ponownie rozpuszczają się we wnętrzu ziaren, przywracając w ten sposób jednolitą mikrostrukturę austenityczną.
II. Pękanie na gorąco
Przyczyny pękania na gorąco
Duży odstęp temperatur między liniami likwidusu i solidusu,-oznaczający szeroki zakres temperatur podczas procesu krzepnięcia,-prowadzi do poważnej segregacji zanieczyszczeń o niskiej-temperaturze topnienia-, które mają tendencję do gromadzenia się na granicach ziaren. Ponadto wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej powoduje znaczne naprężenia podczas chłodzenia i skurczu.
Środki kontroli pękania na gorąco
Kontroluj mikrostrukturę metalu spoiny; w idealnym przypadku metal spoiny powinien wykazywać strukturę duplex, z zawartością ferrytu utrzymywaną na poziomie 3–5% lub poniżej. Dzieje się tak, ponieważ ferryt ma zdolność rozpuszczania znacznych ilości szkodliwych zanieczyszczeń, takich jak siarka (S) i fosfor (P). Kontroluj skład chemiczny; zmniejszenie zawartości niklu, węgla, siarki i fosforu w metalu spoiny-przy jednoczesnym zwiększeniu zawartości pierwiastków takich jak chrom, molibden, krzem i mangan-może skutecznie zminimalizować występowanie pęknięć na gorąco.
Wybierz odpowiedni rodzaj powłoki elektrody. Zastosowanie elektrod powlekanych o niskiej zawartości-wodoru- sprzyja rozdrobnieniu ziarna w metalu spoiny, zmniejsza segregację zanieczyszczeń i zwiększa odporność na pękanie. I odwrotnie, elektrody powlekane-typu kwasowego mają silne właściwości utleniające, co prowadzi do znacznego-wypalenia pierwiastków stopowych, a w konsekwencji do zmniejszenia odporności na pękanie; co więcej, powodują one grubo-strukturę ziaren, przez co spoina jest bardzo podatna na pękanie na gorąco. Stosuj odpowiednie parametry spawania i szybkości chłodzenia. Wykorzystuj „zimne” parametry spawania,-w szczególności niski prąd i dużą prędkość przesuwu,-aby zapobiec przegrzaniu jeziorka spawalniczego i ułatwić szybkie chłodzenie; minimalizuje to segregację i poprawia odporność na pękanie. Podczas spawania wielościegowego-należy ściśle kontrolować temperaturę międzyściegową; upewnij się, że poprzedni ścieg spoiny ostygł do 60 stopni przed osadzeniem następnego ściegu.
III. Pękanie korozyjne naprężeniowe
Przyczyny pękania korozyjnego naprężeniowego
Pękanie korozyjne naprężeniowe (SCC) to zjawisko opóźnionego pękania, które występuje w złączach spawanych poddawanych naprężeniom rozciągającym w określonym środowisku korozyjnym. W złączach spawanych ze stali austenitycznej, SCC stanowi szczególnie poważny rodzaj zniszczenia, objawiający się kruchym pękaniem, któremu nie towarzyszy żadne makroskopowe odkształcenie plastyczne.
Środki zapobiegające pękaniu korozyjnemu naprężeniowemu
Ustal odpowiednie procedury formowania, przetwarzania i montażu, aby w jak największym stopniu zminimalizować deformację wywołaną chłodzeniem; unikać przymusowych zgromadzeń; i zapobiegają wprowadzaniu różnych defektów powierzchni podczas procesu montażu (ponieważ różne zadrapania i uderzenia łuku związane z montażem- mogą służyć jako miejsca inicjacji pęknięć w przypadku SCC i są podatne na przekształcanie się w wżery korozyjne). Rozsądnie wybieraj materiały spawalnicze. Metal spoiny i metal podstawowy powinny być dobrze-dopasowane, aby zapobiec tworzeniu się niepożądanych mikrostruktur,-takich jak gruboziarniste ziarno lub twardy, kruchy martenzyt. Stosuj odpowiednie procesy spawania. Upewnić się, że ścieg spoiny ma dobrą morfologię, jest wolny od defektów, które mogłyby powodować koncentrację naprężeń lub wżery (np. podcięcia); ponadto należy przyjąć racjonalną sekwencję spawania, aby zminimalizować resztkowe naprężenia spawalnicze. Wprowadź zabiegi-łagodzące stres. Zwykle obejmuje to obróbkę cieplną-po spawaniu, taką jak wyżarzanie całkowite lub wyżarzanie; w przypadkach, gdy obróbka cieplna jest trudna do wykonania, można zastosować metody alternatywne,-takie jak śrutowanie{{15}po spawaniu lub śrutowanie-.
IV. Słabe tworzenie się ściegu spoiny
A. Przyczyny słabego tworzenia się ściegu spoiny
Podczas spawania austenitycznej stali nierdzewnej, duża zawartość pierwiastków stopowych w stopiwie powoduje słabą płynność jeziorka spawalniczego, co często prowadzi do złego tworzenia się powierzchni ściegu spoiny. Objawia się to przede wszystkim pogorszeniem formacji na tylnej stronie warstwy graniowej i szorstkim wykończeniem powierzchni warstwy wierzchniej. Chociaż wpływ złego uformowania powierzchni na wydajność spoiny nie jest szczególnie widoczny w warunkach pracy-w temperaturze otoczenia lub w wysokiej temperaturze, w warunkach-niskiej temperatury koncentracja naprężeń wywołana takimi defektami może wpływać na wydajność spoiny w-temperaturze tak samo znacząco, jak wewnętrzne wady spoiny.
B. Środki zapobiegające nieprawidłowemu tworzeniu się ściegu spoiny
Problemy związane ze słabym tworzeniem się ściegu spoiny-jak również problem korozji międzykrystalicznej w-strefie wpływu ciepła (HAZ)-można skutecznie rozwiązać poprzez optymalizację procesów spawania. W szczególności zastosowanie spawania łukiem wolframowym w gazie (GTAW) do warstwy graniowej, w połączeniu z zastosowaniem niskiego dopływu ciepła spawania, pozwala na skuteczną kontrolę nad stopniem, w jakim strefa HAZ jest narażona na zakres temperatur uczulających.
wniosek
Austenityczna stal nierdzewna jest materiałem szeroko stosowanym w przemyśle chemicznym i petrochemicznym; jednak jego spawanie jest podatne na cztery główne typy defektów,-takie jak korozja międzykrystaliczna i pękanie na gorąco,-których pierwotne przyczyny są w dużej mierze powiązane z kontrolą temperatury, segregacją pierwiastków i naprężeniami szczątkowymi. W najlepszym wypadku problemy te jedynie pogarszają morfologię spoiny; w najgorszym drastycznie pogarszają wydajność materiału lub nawet powodują kruche pękanie. W związku z tym skuteczne strategie zapobiegania i kontroli wymagają kompleksowego zarządzania na wielu etapach,-w tym wyboru elektrody, optymalizacji parametrów spawania i obróbki-pospawania-, przy czym precyzyjna kontrola wprowadzanego ciepła stanowi krytyczny punkt.