Kawalan Input Haba dalam Kimpalan Keluli Tahan Karat

Setiap kimpalan menyimpan tenaga ke dalam logam asas. Tenaga itu, yang diukur sebagai input haba, mengawal secara langsung saiz-zon terjejas haba (HAZ), kadar penyejukan dan akhirnya struktur mikro dan sifat sambungan yang dikimpal. Untuk keluli tahan karat, di mana rintangan kakisan adalah keperluan prestasi utama, kawalan input haba bukan pilihan -- ia adalah asas.

Input haba dikira daripada tiga parameter kimpalan: amperage (semasa), voltan, dan kelajuan perjalanan. Hubungannya adalah mudah: input haba sama dengan produk arus dan voltan, dibahagikan dengan kelajuan perjalanan, dengan faktor pembetulan untuk proses kimpalan. Namun di sebalik kesederhanaan ini, input haba kekal sebagai salah satu parameter yang paling salah faham dan salah guna dalam fabrikasi keluli tahan karat.

Mengapa ia lebih penting daripada yang anda fikirkan? Kerana akibat input haba yang salah tidak selalu dapat dilihat dengan serta-merta. Kimpalan yang lulus pemeriksaan visual dan radiografi mungkin masih gagal dalam perkhidmatan disebabkan oleh pemekaan, pembentukan fasa sigma atau pertumbuhan bijian yang berlebihan -- yang semuanya dikaitkan secara langsung dengan kitaran haba yang dikenakan semasa kimpalan. Artikel ini menerangkan asas metalurgi untuk had input haba dan menyediakan panduan praktikal untuk keluarga keluli tahan karat yang berbeza.

Pengiraan Input Haba

Formula piawai untuk input haba diperoleh daripada fizik asas. Kuasa (watt) sama dengan voltan didarab dengan arus. Tenaga (joule) sama dengan kuasa didarab dengan masa. Dalam kimpalan, kami berminat dengan tenaga per unit panjang kimpalan, yang bermaksud kami membahagikan dengan kelajuan perjalanan.

Faktor kecekapan menyumbang kepada haba yang hilang ke persekitaran -- sinaran, perolakan dan percikan. Proses kimpalan yang berbeza mempunyai kecekapan yang berbeza:

Jadual 1: Faktor Kecekapan Input Haba Mengikut Proses Kimpalan

Sumber: AWS D1.6:2017; ASME Seksyen IX (2023); Metalurgi Kimpalan, Kou (2003)

Contoh pengiraan: Kimpalan GTAW dibuat pada 12 volt, 150 ampere dan kelajuan perjalanan 150 mm/min: Input haba=(12 x 150 x 0.6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Ini ialah input haba yang agak rendah, tipikal untuk-bahagian nipis keluli tahan karat austenit.

Keluli Tahan Karat Austenitik: Input Haba Sederhana Menghalang Pemekaan

Keluli tahan karat Austenitadalah yang paling boleh dikimpal daripada semua keluarga tahan karat, tetapi mereka tidak kebal terhadap kerosakan haba. Risiko utama ialah pemekaan -- pemendakan kromium karbida pada sempadan butiran apabila logam melepasi julat 500-850 darjah Celsius. Input haba tinggi memanjangkan masa yang dihabiskan oleh HAZ dalam zon suhu kritikal ini, meningkatkan keterukan pemekaan.

Gred-karbon rendah (304L, 316L) dan gred stabil (321, 347) telah dibangunkan khusus untuk menentang pemekaan. Walau bagaimanapun, walaupun gred ini tidak terlepas daripada kesan input haba yang berlebihan. Haba yang tinggi juga menyebabkan pertumbuhan bijirin, yang boleh mengurangkan keliatan dan meningkatkan risiko keretakan panas dalam logam kimpalan austenit sepenuhnya.

Julat input haba yang disyorkan untuk gred austenit mengimbangi dua keperluan yang bersaing: haba yang mencukupi untuk memastikan kecairan gabungan dan kimpalan yang mencukupi, tetapi tidak begitu banyak sehingga HAZ menghabiskan masa yang berlebihan dalam julat pemekaan. Kawalan suhu antara laluan (biasanya di bawah 150 darjah Celsius) mengurangkan lagi pendedahan terma kumulatif.

Jadual 2: Garis Panduan Input Haba untuk Keluli Tahan Karat Austenit

Sumber: Buku Panduan Keluli Tahan Karat Outokumpu (2020); AWS D1.6:2017; ASME Bahagian VIII Div.1 (2023)

Keluli Tahan Karat Dupleks: Input Haba Mengawal Keseimbangan Austenit-Ferit

Keluli tahan karat dupleksmemperoleh kekuatan luar biasa dan rintangan kakisan daripada struktur mikro yang seimbang kira-kira 50% austenit dan 50% ferit. Kimpalan mengganggu keseimbangan ini. Kitaran haba yang cepat memihak kepada pembentukan ferit, dan jika input haba terlalu rendah, logam kimpalan dan HAZ boleh mengekalkan ferit yang berlebihan (melebihi 70%), yang mengurangkan keliatan dan rintangan kakisan.

Sebaliknya, jika input haba terlalu tinggi, masa lanjutan pada suhu tinggi menggalakkan pembentukan fasa antara logam yang berbahaya -- terutamanya fasa sigma dan fasa chi. Fasa-fasa ini menggunakan kromium dan molibdenum daripada matriks sekeliling, mewujudkan zon habis yang terdedah kepada retakan kakisan pitting dan tegasan. Pembentukan fasa sigma adalah risiko metalurgi yang paling serius dalam kimpalan dupleks.

Penyelesaiannya ialah tetingkap input haba yang dikawal dengan teliti, digabungkan dengan logam pengisi yang sesuai. Logam pengisi untuk gred dupleks melebihi-dialoi dengan nikel (biasanya 8-9%) untuk menggalakkan reformasi austenit semasa penyejukan. Input haba mestilah cukup tinggi untuk membenarkan masa untuk transformasi austenit ini, tetapi tidak begitu tinggi sehingga fasa sigma terbentuk.

Jadual 3: Garis Panduan Input Haba untuk Keluli Tahan Karat Dupleks

Sumber: Buku Panduan Keluli Tahan Karat Dupleks Outokumpu (2015); Garis Panduan Kimpalan Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Keluli Tahan Karat Martensit: Input Haba Rendah dengan Prapanas Mencegah Keretakan

Keluli tahan karat martensit bertukar kepada martensit keras dan rapuh apabila disejukkan daripada suhu austenitisasi. Transformasi ini menghasilkan tegasan sisa yang tinggi dan menjadikan HAZ sangat mudah terdedah kepada keretakan akibat hidrogen-(juga dipanggil retak tertunda atau keretakan sejuk). Tidak seperti gred austenit, keluli martensit tidak dilindungi oleh struktur kristal FCC yang stabil.

Kawalan input haba untuk gred martensit mempunyai dua tujuan. Pertama, input haba yang berlebihan meningkatkan saiz HAZ yang mengeras, menghasilkan isipadu bahan rapuh yang lebih besar. Kedua, input haba rendah digabungkan dengan pemanasan awal memperlahankan kadar penyejukan, yang mengurangkan kekerasan martensit dan memberikan lebih banyak masa untuk hidrogen meresap keluar dari zon kimpalan.

Pemanasan awal adalah penting untuk gred martensit. Suhu prapanas bergantung pada kandungan karbon dan ketebalan bahagian, tetapi biasanya berjulat dari 200-300 darjah Celsius. Suhu antara laluan mesti dikekalkan melebihi suhu minimum prapanas. Rawatan haba selepas kimpalan (pembajaan pada 650-750 C) hampir selalu diperlukan.

Jadual 4: Input Haba dan Keperluan Prapanas untuk Keluli Tahan Karat Martensit

Sumber: Buku Panduan Khusus ASM: Keluli Tahan Karat (1994); AWS D1.6:2017; ASME Bahagian VIII Div.1

Sambungan Kadar Penyejukan: Mengapa Input Haba Sahaja Tidak Mencukupi

Input haba adalah ukuran tenaga yang didepositkan, tetapi kadar penyejukan yang menentukan struktur mikro akhir. Input haba yang sama digunakan pada kepingan 3 mm akan menghasilkan kadar penyejukan yang lebih cepat berbanding apabila digunakan pada plat 25 mm. Itulah sebabnya cadangan input haba mesti sentiasa dipertimbangkan bersama ketebalan bahagian.

Kadar penyejukan dalam kimpalan biasanya diukur sebagai masa untuk menyejukkan dari 800 hingga 500 darjah Celsius (t8/5). Untuk keluli karbon, parameter ini secara langsung menentukan kekerasan dan struktur mikro HAZ. Untuk keluli tahan karat, julat suhu kritikal berbeza -- untuk pemekaan, masa yang dihabiskan antara 850 dan 500 darjah Celsius yang penting.

Hubungan antara input haba dan kadar penyejukan boleh dianggarkan menggunakan persamaan aliran haba. Untuk bahagian nipis (di mana haba mengalir terutamanya dalam dua dimensi), kadar penyejukan adalah berkadar songsang dengan kuasa dua input haba. Untuk bahagian tebal (tiga-aliran haba), kadar penyejukan adalah berkadar songsang dengan input haba. Ini bermakna bahawa dalam bahagian nipis, peningkatan kecil dalam input haba secara mendadak memperlahankan kadar penyejukan.

Jadual 5: Variasi Kadar Penyejukan dengan Input Haba dan Ketebalan Bahagian

Sumber: Metalurgi Kimpalan, Kou (2003); Buku Panduan ASM Jilid 6A (2011)

Kimpalan-Berbilang Pas: Input Haba Kumulatif dan Suhu Antara Laluan

Kimpalan berbilang-laluan memperkenalkan komplikasi yang tidak ada pada kimpalan-satu: setiap pas berikutnya menundukkan logam kimpalan dan HAZ asas kepada kitaran terma tambahan. Ini boleh memberi manfaat atau memudaratkan bergantung pada gred. Bagi sesetengah kimpalan austenit, haba daripada hantaran kemudian boleh melarutkan karbida yang terbentuk semasa hantaran awal. Untuk gred dupleks, pemanasan berulang ke dalam julat 600-900 darjah Celsius mempercepatkan pembentukan fasa sigma.

Suhu antara laluan ialah suhu zon kimpalan sejurus sebelum mendepositkan pas seterusnya. Bagi kebanyakan keluli tahan karat, ini hendaklah disimpan di bawah 150 darjah Celsius untuk mengehadkan pendedahan terma terkumpul. Sesetengah spesifikasi dupleks adalah lebih terhad, memerlukan interpass di bawah 100 darjah Celsius untuk gred-dupleks super seperti 2507.

Implikasi praktikalnya ialah kimpalan berbilang-memerlukan perancangan yang lebih teliti daripada kimpalan-tunggal. Pengimpal mesti membenarkan masa yang mencukupi antara pas untuk penyejukan, atau menggunakan kaedah penyejukan paksa (letupan udara, kabus air) yang tidak mencemarkan zon kimpalan. Kimpalan berbilang-laluan pada gred dupleks atau super-dupleks ialah punca biasa pembentukan fasa sigma dan kegagalan perkhidmatan seterusnya.

Jadual 6: Garis Panduan Suhu Antara Laluan untuk Kimpalan Berbilang{1}}Pas

Sumber: Garis Panduan Kimpalan Outokumpu (2020); Buku Panduan Kimpalan Logam Khas; NACE MR0175

Akibat Input Haba Berlebihan

Akibat kawalan input haba yang lemah adalah tidak teori. Mereka muncul secara kerap dalam laporan analisis kegagalan merentas industri. Memahami mod kegagalan ini membantu jurutera dan pemeriksa mengenali gejala dan mengesannya kembali kepada punca.

Hakisan antara butiran: Disebabkan oleh pemekaan dalam HAZ. Sempadan butir diserang secara selektif, membawa kepada penampilan 'gula' di permukaan. Biasa dalam kimpalan 304/316 dengan input haba yang berlebihan tanpa gred L-atau penstabilan yang betul.

Kakisan pitting: Pembentukan fasa sigma dalam keluli dupleks menggunakan kromium dan molibdenum, mewujudkan zon dengan rintangan pitting yang dikurangkan. Lubang dimulakan secara keutamaan dalam HAZ bagi kimpalan input-haba tinggi-.

Keretakan kakisan tegasan (SCC): Input haba yang tinggi menghasilkan HAZ yang lebih besar dengan tegasan sisa yang lebih tinggi. Digabungkan dengan pemekaan, ini mewujudkan keadaan ideal untuk SCC dalam-persekitaran yang mengandungi klorida.

Keliatan yang dikurangkan: Pertumbuhan bijian yang berlebihan dalam HAZ austenit mengurangkan keliatan impak. Dalam keluli dupleks, kandungan ferit tinggi dan fasa sigma kedua-duanya mengurangkan keliatan dengan ketara.

Keretakan panas: Dalam logam kimpalan austenit sepenuhnya (310, beberapa aloi nikel), input haba tinggi memanjangkan masa yang dihabiskan dalam julat pemejalan rapuh, meningkatkan risiko keretakan pemejalan.

Jadual 7: Mod Kegagalan Dipautkan kepada Input Haba Berlebihan

Sumber: Buku Panduan ASM Jilid 11: Analisis Kegagalan (2002); Tinjauan Data Kakisan NACE; Kajian Kes Kegagalan JN Aloi

Kawalan Input Haba Praktikal: Dari WPS ke Lantai Kedai

Kawalan input haba bermula di pejabat kejuruteraan dan berakhir di lantai kedai. Spesifikasi prosedur kimpalan (WPS) mesti termasuk had input haba eksplisit, bukan hanya parameter asas amperage, voltan dan kelajuan perjalanan. Untuk aplikasi kritikal, WPS harus menentukan julat yang boleh diterima untuk setiap parameter dan had input haba yang dikira.

Tentukan input haba dalam WPS: Jangan anggap bahawa penyenaraian amperage dan julat voltan adalah mencukupi. Kira dan nyatakan input haba maksimum secara eksplisit (cth, 'Input haba maksimum: 2.0 kJ/mm').

Gunakan peralatan yang ditentukur: Sumber kuasa moden boleh memaparkan dan merekodkan amperage dan voltan sebenar. Gunakan data ini untuk mengira input haba sebenar, bukan hanya titik set.

Latih pengimpal tentang akibatnya: Jurukimpal yang memahami bahawa input haba yang berlebihan boleh menyebabkan kegagalan kakisan akan lebih bermotivasi untuk mengawal kelajuan perjalanan dan suhu interpass.

Pantau kelajuan perjalanan: Kelajuan perjalanan ialah parameter yang paling kerap diselaraskan oleh pengimpal semasa pengeluaran. Berikan panduan tentang cara mengekalkan kelajuan yang konsisten, atau menggunakan sistem berjentera/automatik untuk kimpalan kritikal.

Dokumen input haba untuk kimpalan kritikal: Untuk vesel tekanan, komponen luar pesisir dan paip loji kimia, kira dan rekod input haba sebenar untuk setiap kimpalan. Ini memberikan kebolehkesanan sekiranya berlaku kegagalan pada masa hadapan.

Gunakan kalkulator input haba: Apl percuma dan kalkulator dalam talian membolehkan pengimpal mengira input haba dengan cepat daripada parameter asas. Galakkan penggunaannya di lantai kedai.

Kos kawalan input haba adalah minimum berbanding dengan kos kegagalan kakisan dalam perkhidmatan. Kegagalan pitting tunggal dalam loji kimia boleh mengakibatkan kehilangan pengeluaran berjuta-juta dolar, pembersihan alam sekitar dan penggantian peralatan. Melabur dalam kawalan input haba yang betul bukan hanya kejuruteraan yang baik -- ia adalah ekonomi yang baik.

Ringkasan

Jadual berikut menyatukan pengesyoran daripada artikel ini ke dalam format rujukan-pantas. Jurutera dan fabrikasi boleh menggunakan matriks ini untuk menetapkan had input haba untuk aplikasi khusus mereka.

Jadual 8: Matriks Keputusan Input Haba oleh Keluarga Keluli Tahan Karat

Sumber: Disusun daripada garis panduan teknikal AWS D1.6, ASME Bahagian VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Logam Khas dan JN Aloi

Kesimpulan

Input haba ialah pembolehubah tunggal yang paling boleh dikawal yang menentukan kualiti dan prestasi perkhidmatan kimpalan keluli tahan karat. Akibat metalurgi input haba -- pemekaan, pembentukan fasa sigma, pertumbuhan bijian dan ketidakseimbangan fasa -- difahami dengan baik dan boleh diramal. Apa yang sering kurang ialah disiplin untuk menterjemahkan ilmu ini ke dalam amalan.

Cadangan dalam artikel ini adalah berdasarkan dekad penyelidikan dan pengalaman lapangan. Ia bukan had sewenang-wenangnya -- ia mencerminkan fizik dan metalurgi asas kimpalan. Dengan mengawal input haba dalam julat yang sesuai untuk setiap keluarga keluli tahan karat, fabrikasi boleh menghasilkan kimpalan yang mengekalkan rintangan kakisan, sifat mekanikal dan kebolehpercayaan jangka panjang yang diharapkan pelanggan mereka.

Untuk sokongan teknikal mengenai prosedur kimpalan keluli tahan karat, pemilihan logam pengisi atau pengoptimuman input haba, hubungi JN Alloys -- rakan kongsi anda dalam penyelesaian aloi berprestasi tinggi.

laman web:www.jnalloys.com