Størkningsrevner i fuldt austenitiske svejsninger i rustfrit stål: Ferritantalkontrol

Fuldt udaustenitisk rustfrit stålsvejsninger revner under størkning, fordi lavt-smeltende svovl- og fosforurenheder, uden at der er en lille mængde delta-ferrit til stede, udskilles i tynde flydende film langs størknende korngrænser og rives fra hinanden under afkølingsbelastning. Standardindustriens kontrol er at målrette et ferrittal (FN) på omkring 3 til 10 ved hjælp af WRC-1992-diagrammet - nok ferrit til at fange disse urenheder, men ikke så meget, at det forringer korrosionsbestandigheden eller fremmer skør sigma-fase i drift.

Austenitiske svejsninger i rustfrit stål - 304, 316 og deres mange varianter - er blandt de mest almindeligt svejsede materialer i industrien, og de fleste af dem tåler svejsning godt. Men en specifik undergruppe af applikationer, fra kryogene beholdere til fuldt austenitiske kvaliteter som 310 og 330, fjerner den egenskab, der normalt beskytter disse svejsninger mod revner: deltaferrit. Denne artikel forklarer mekanismen bag størkningsrevner, hvorfor ferritnummer er det primære håndtag til at kontrollere det, og hvad man skal gøre, når applikationen virkelig ikke kan tolerere ferriten, der ellers ville løse problemet.

Hvorfor revner austenitiske svejsninger i rustfrit stål under størkning?

Størkningsrevner sker, når resterende svovl- og fosforurenheder udskilles i tynde, lavt{0}}smeltende flydende film langs grænserne for størknende korn, og afkølingsbelastning river de stadig-svage grænser fra hinanden, før de kan størkne helt.

Når svejsemetal afkøles fra flydende til fast stof, størkner det ikke på én gang - korn dannes og vokser, og resterende urenheder, der ikke passer ind i krystalstrukturen, bliver skubbet foran den fremadskridende faste front. Svovl og fosfor er de primære lovovertrædere: begge kombineres med matrixelementer for at danne forbindelser med smeltepunkter lavere end det omgivende metal, og begge adskiller sig let til de sidste-for at-størkne områder ved korngrænser.

Når svejsningen fortsætter med at afkøle og trække sig sammen, genererer den trækspænding på tværs af disse grænser. Hvis en tynd flydende film af disse lavt-smeltende urenheder stadig er til stede, når den spænding ankommer, har grænsen i det væsentlige ingen styrke til at modstå den, og den river - og producerer en størkningsrevne, nogle gange synlig på overfladen, nogle gange begravet i svejsningen.

Hvad er ferrittal, og hvorfor forhindrer en lille mængde ferrit revner?

Ferrittal (FN) er et standardiseret, magnetisk målt indeks for, hvor meget delta-ferrit der er til stede i austenitisk svejsemetal, og at ferrit betyder noget, fordi det opløser svovl og fosfor langt lettere end austenit gør, hvilket forhindrer disse urenheder i at koncentrere sig til sprækker,-forårsager flydende film.

Delta-ferrit er gavnligt til at opløse fosfor og svovl, lavt-smeltende urenheder, som ellers ville udskilles under størkning og føre til revner under efterfølgende svejsegennemgange. Ferrit har en højere opløselighedsgrænse for disse grundstoffer end austenit gør, så når en svejsning størkner med selv en beskeden mængde ferrit til stede, fungerer denne ferrit som en vask -, der absorberer svovl og fosfor i fast opløsning i stedet for at lade dem koncentrere sig til tynde flydende film ved korngrænser.

Ferrit menes også at fungere som et fysisk bindemiddel mellem størknende austenitiske dendritsøjler; med for lidt ferrit til stede, kan de parallelle dendritsøjler spaltes op langs deres længde som en revne. Fordi FN måles med standardiserede magnetiske instrumenter og rapporteres på en internationalt anerkendt skala, giver det svejseingeniører et praktisk, repeterbart tal at målrette mod - i stedet for at stole på en rent kvalitativ følelse af 'nok' ferrit.

Hvilket ferrittalområde bør svejsere målrette mod?

Branchepraksis er generelt målrettet mod et FN i området omkring 3 til 10 for standard austenitiske kvaliteter som 308, 308L, 309 og 316 - nok til pålideligt at modstå størkningsrevner uden at introducere de korrosions- eller skørhedsproblemer, der følger med overskydende ferrit.

Dette interval er ikke vilkårligt: ​​det repræsenterer balancepunktet mellem to konkurrerende risici. Under ca. 3 FN er der generelt ikke nok ferrit pålideligt til stede, på et ensartet og forudsigeligt niveau på tværs af svejsningen, til at garantere revnemodstand - variation i afkølingshastighed, fortynding eller mindre kemiske skift kan skubbe isolerede områder af svejsningen mod nul ferrit, selv når målet på papiret så tilstrækkeligt ud.

Over ca. 10 FN begynder andre problemer at dukke op, som er beskrevet mere detaljeret nedenfor. For fuldt austenitiske uædle metaller med usædvanligt lavt indhold af svovl og fosfor og matchende fyldmetal med lav-urenhed kan svejsning nogle gange udføres med succes uden for dette område -, men det kræver bevidst konstrueret kemi, ikke standardpraksis.

Hvordan forudsiger Schaeffler-, DeLong- og WRC-1992-diagrammerne ferritindhold?

Disse konstitutionsdiagrammer plotter en svejses chromækvivalent mod dens nikkelækvivalent for at forudsige både det resulterende ferritindhold og størkningstilstanden, hvor WRC-1992 diagrammet nu betragtes som den mest nøjagtige og udbredte udgave.

Alle tre diagrammer arbejder efter det samme underliggende princip: visse legeringselementer opfører sig som krom ved at fremme ferrit (chrom selv, molybdæn, niobium, silicium), mens andre opfører sig som nikkel ved at fremme austenit (nikkel, kulstof, nitrogen, mangan, kobber). Ved at kombinere et svejsemetals faktiske sammensætning til en chrom-ækvivalent (Creq) og nikkel-ækvivalent (Nieq) værdi og plotte forholdet, forudsiger disse diagrammer både det resulterende deltaferritindhold og - kritisk - den tilstand, hvori svejsningen størkner.

WRC-1992-diagrammet blev forbedret i forhold til sine forgængere ved at tilføje en koefficient for kobber i nikkel-ækvivalentberegningen, hvilket korrigerede en tendens i det tidligere WRC-1988-diagram til at overvurdere FN i kobberholdige svejsemetaller, og validering mod mere end 200 bekræftede dens uafhængige superi-metalpræcision eller dens uafhængige superi-metal. Schaeffler og DeLong diagrammer.

Hvorfor betyder størkningstilstand mere end ferritindhold alene?

En svejsning, der størkner som primær ferrit (FA-tilstanden) er i sagens natur langt mere modstandsdygtig over for revner end en svejsning, der størkner som primær austenit (AF-tilstanden), selv ved et lignende endeligt ferritindhold -, fordi sekvensen, hvori faserne dannes, bestemmer, hvor effektivt urenheder bliver fejet ind i den sidste væske i stedet for at blive fanget i ferriten.

De fleste austenitiske svejsninger i rustfrit stål er designet til at størkne i den ferritiske-austenitiske (FA) tilstand: primær deltaferrit dannes først, med austenitdannelse bagefter gennem en transformation af fast- eller eutektisk-type. Denne sekvens er det, der gør det muligt for ferrit effektivt at opfange svovl og fosfor under størkning. Alternativet, austenitisk-ferritisk (AF) eller fuldt austenitisk (A) størkning, giver langt mindre beskyttelse, fordi urenheder ikke har nogen ferritfase tilgængelig tidligt i størkningen til at blive absorberet i.

Overgangen mellem disse tilstande er styret af Creq/Nieq-forholdet: et forhold under ca. 1,5 tenderer mod primær austenit-størkning, mens forhold over denne tærskel skifter mod primær ferrit, med forskellige undersøgelser, der placerer det præcise overgangspunkt for almindelige svejseprocesser, der spænder fra omkring 1,5 til så højt som 1,9-20 afhængigt af den anvendte specifikke formel.

Dette er grunden til, at to svejsninger med en lignende endelig målt FN kan have meget forskellig reel-revnemodstand - diagrammerne forudsiger størkningstilstand specifikt, fordi tilstanden, ikke kun den endelige ferritmængde, styrer, hvor godt urenheder bliver kontrolleret under størkningens sårbare vindue.

Hvad sker der, når applikationen virkelig kræver nul eller nær-nul ferrit?

Visse tjenester - kryogene beholdere, der har brug for maksimal lav-temperatursejhed og fuldt austenitiske kvaliteter som 310, 320 og 330, der slet ikke pålideligt kan danne ferrit - fjerner ferritsikkerhedsmargenen fuldstændigt, hvilket er grunden til, at disse svejsninger er anerkendt som mere følsomme{6} standardprocesser end svejserrevnekontrol. 308/316 svejsning.

Til kryogen-temperaturservice falder slagstyrken ved lav-temperatur, efterhånden som ferritindholdet stiger, hvilket skaber en direkte konflikt: Ferriten, der modstår revnedannelse, reducerer også den sejhed, som applikationen har brug for ved lav temperatur, så disse svejsninger kræver en nøje afbalanceret FN for at opnå tilstrækkelig revnemodstand sammen med god lav-temperatur-slagstyrke i stedet for blot slagstyrke ved lav-temperatur.

Fuldt austenitiske fyldstofkvaliteter - 310, 320 og 330 - er et endnu vanskeligere tilfælde: deres sammensætninger er i sagens natur mere revnefølsomme end deres ferritbefæstede-slægtninge, og alle faser af svejsning og inspektion kræver større opmærksomhed som et resultat. For disse kvaliteter er den accepterede praksis at kompensere gennem fyldstofkemi og procesdisciplin snarere end gennem ferritindhold: ved at bruge fyldmetal med lavt svovl- og fosforindhold og øget manganindhold, da mangan hjælper med at binde svovl og reducere dets skøre virkning, selv uden ferrit til stede til at udføre det samme arbejde.

Betyder svovl og fosfor noget, selv når ferrittallet ser acceptabelt ud?

Ja - eksisterer der en direkte, dokumenteret sammenhæng mellem det kombinerede fosfor-plus-svovlindhold og revnefølsomhed, uafhængigt af ferritniveau, hvilket betyder, at en svejsning med teknisk tilstrækkelig FN stadig kan revne, hvis urenhedsindholdet er højt nok.

Forskning, der specifikt undersøgte autogen svejsning af Type 309 rustfrit stål, identificerede en klar sammenhæng mellem summen af ​​fosfor- og svovlindhold, ferritniveauet i svejsemetallet og den resulterende revnefølsomhed. Den praktiske implikation er, at ferritkontrol og urenhedskontrol er to separate håndtag, der begge skal trækkes i, og ikke den ene erstatter den anden: strenge begrænsninger for kulstof, fosfor og svovl i både basismaterialet og svejsetilbehør er stadig afgørende selv i svejsninger med tilstrækkelig FN, og de to mest revne-følsomme kvaliteter i almindelig brug er {{3} og impurity-kontrol - 310 for at kompensere for ferritmarginen, der ikke er pålideligt tilgængelig.

Forårsager for meget ferrit sine egne problemer?

Ja - over ca. 10 FN, øger overskydende ferrit risikoen for sprøde sigmafasedannelse ved forhøjede-temperaturer, og i molybdæn-bærende kvaliteter som 316 kan højere ferritindhold væsentligt reducere korrosionsbestandigheden i varme oxiderende miljøer.

Sigmafaserisiko: over ca. 10 FN er der fare for, at ferrit -, som holder krom i fast opløsning - omdannes til sprød sigmafase, når driftstemperaturen falder i området omkring 1000-1650 grader F (540-900 grader ), og i nogle flergangssvejsninger alene kan varmen fra svejsning i sigma{7} producere{7} uden nogen særskilt forhøjet-temperaturtjenesteeksponering.

Korrosionsbestandighed i Mo-bærende kvaliteter: i molybdæn-bærende kvaliteter som 316 og 317 kan højere ferritindhold forårsage et væsentligt fald i korrosionsbestandighed i varme oxiderende medier, såsom urea service - en specifik, vel-dokumenteret undtagelse fra den generelle regel, der er mere sikker.

Reduceret sejhed ved lav-temperatur: Som allerede nævnt for kryogene applikationer, falder slagstyrken ved lave temperaturer, når ferritindholdet stiger, hvilket virker direkte mod revnemodstand i den specifikke driftstilstand.

Dette er grunden til, at FN-styring præsenteres som et målområde snarere end en 'mere er bedre' maksimeringsstrategi - det korrekte antal afhænger af den specifikke kvalitet, driftstemperaturen og korrosionsmiljøet, ikke et enkelt universelt loft eller gulv.

Hvilke ændringer i svejsepraksis reducerer risikoen for revner i lav-ferritkvalitet?

For crack-følsomme, lave-ferritkvaliteter, minimer tilbageholdenhed, hold varmetilførsel og interpass-temperatur lav, favor langsommere afkøling gennem det sårbare størkningsområde og undgå bevidst glatte, godt-vaskede svejsevulstprofiler til fordel for mere konvekse, kronede perler.

Minimer mekanisk tilbageholdenhed i samlingsdesignet og fastgørelsen, da revner grundlæggende er drevet af spændinger, der virker på en stadig -svag, delvist størknet grænse.

Hold varmetilførslen lav, og kontroller interpass-temperaturen - vejledning for de mest revne-følsomme kvaliteter anbefaler specifikt at holde interpass-temperaturen under ca. 210 grader F (99 grader).

Styr svejsevulstprofilen med vilje: glatte, flade, godt-vaskede perler revner lettere i de mest revne-følsomme kvaliteter, mens mere konvekse, kronede perleprofiler er mere revne-modstandsdygtige, en kontraintuitiv, men vel-dokumenteret praktisk retningslinje.

Kontroller siliciumindholdet i svejsemetallet, især ved nedsænket buesvejsning, da høj-siliciumsvejsemetal er mere modtagelig for revner- end lavt-siliciumsvejsemetal, og der skal tages højde for siliciumopsamling fra svejseflux.

Vælg fyldstofmetalkemi bevidst for fuldt austenitiske kvaliteter - lavt svovl- og fosforindhold, forhøjet mangan - i stedet for at stole på base-metalferrit, som disse kvaliteter ikke kan levere pålideligt.

Hvordan skal ferritnummeret verificeres under og efter svejsning?

FN bør verificeres med et kalibreret magnetisk ferritmåleinstrument på produktionssvejsninger eller repræsentative testkuponer, krydstjekket mod konstitutionsdiagrammet, der blev brugt på svejseprocedurens kvalifikationsstadium, da faktisk målt FN og diagram-forudsagt FN kan afvige med fortyndings- og procesvariabler.

Magnetiske ferritmåleinstrumenter giver en praktisk, ikke{0}}destruktiv måde at verificere faktisk FN på afsluttede svejsninger, og denne målte værdi er det, der i sidste ende skal styre accepten - ikke kun den beregnede forudsigelse fra et konstitutionsdiagram. Det er også værd at bemærke, at FN som målt ikke altid er lig med den sande volumenprocent af ferrit til stede: ved ca. 8-10 FN og derunder er FN omtrent lig med den gennemsnitlige volumenprocent af deltaferrit i en svejsning, men ved højere FN-værdier kan målingen i stigende grad overvurdere det faktiske ferritindhold, hvilket er endnu en grund til, at FN's 3-10 brønde mål forbliver pålideligt med det fysiske målområde og FN's mest pålidelige målområde. meningsfuldt.

Ofte stillede spørgsmål

Hvilket ferrittal anbefales generelt for at forhindre størkningsrevner?

Omtrent 3 til 10 FN for standard austenitiske kvaliteter som 308, 308L, 309 og 316, beregnet ved hjælp af WRC-1992 diagrammet og verificeret på den faktiske svejsning med et kalibreret magnetisk ferritinstrument.

Hvorfor er fuldt austenitiske kvaliteter som 310 og 330 sværere at svejse revnefri-?

Deres sammensætninger danner ikke pålideligt deltaferriten, der beskytter de fleste austenitiske svejsninger mod revner, så revnemodstanden skal i stedet komme fra stramt kontrolleret fyldstofkemi - lavt svovl- og fosforindhold, øget mangan - og disciplineret svejseprocedure frem for ferritindhold.

Kan en svejsning revne, selvom dens ferrittal er inden for det anbefalede område?

Ja, hvis svovl- og fosforindholdet er højt nok. Ferritkontrol og urenhedskontrol er separate faktorer, som begge skal styres; tilstrækkelig FN reducerer, men eliminerer ikke revnerisikoen fra for store resterende urenheder.

Er mere ferrit altid sikrere til austenitiske svejsninger i rustfrit stål?

Nej. Over ca. 10 FN bliver svejsninger mere modtagelige for sprøde sigmafaser ved høje-temperaturer, og i molybdæn-bærende kvaliteter kan højere ferrit reducere korrosionsbestandighed i varme oxiderende miljøer, så FN styres som et målområde, ikke maksimeret.

Hvilket konstitutionsdiagram anses for at være mest nøjagtigt til at forudsige ferrittal?

WRC-1992 diagrammet anses generelt for at være det mest nøjagtige diagram, der er tilgængeligt i øjeblikket, valideret mod mere end 200 uafhængige svejsemetaller og vedtaget som reference i koder, herunder ASME Boiler Code.