Control d'entrada de calor en soldadura d'acer inoxidable

Cada soldadura diposita energia al metall base. Aquesta energia, mesurada com a entrada de calor, controla directament la mida de la-zona afectada per la calor (HAZ), la velocitat de refredament i, finalment, la microestructura i les propietats de la unió soldada. Per als acers inoxidables, on la resistència a la corrosió és el requisit principal de rendiment, el control d'entrada de calor no és opcional, és fonamental.

L'entrada de calor es calcula a partir de tres paràmetres de soldadura: amperatge (corrent), voltatge i velocitat de desplaçament. La relació és senzilla: l'entrada de calor és igual al producte de corrent i tensió, dividit per la velocitat de desplaçament, amb un factor de correcció per al procés de soldadura. Tot i això, malgrat aquesta senzillesa, l'entrada de calor segueix sent un dels paràmetres més incompresos i mal aplicats en la fabricació d'acer inoxidable.

Per què importa més del que penses? Perquè les conseqüències d'una entrada de calor incorrecta no sempre són visibles immediatament. Una soldadura que passa la inspecció visual i la radiografia encara pot fallar en servei a causa de la sensibilització, la formació de fase sigma o el creixement excessiu del gra, tot això directament relacionat amb el cicle tèrmic imposat durant la soldadura. Aquest article explica les bases metal·lúrgiques dels límits d'entrada de calor i proporciona una guia pràctica per a diferents famílies d'acer inoxidable.

Càlcul d'entrada de calor

La fórmula estàndard per a l'entrada de calor es deriva de la física bàsica. La potència (watts) és igual a la tensió multiplicada pel corrent. L'energia (joules) és igual a la potència multiplicada pel temps. En soldadura, ens interessa l'energia per unitat de longitud de soldadura, el que significa que dividim per la velocitat de desplaçament.

El factor d'eficiència té en compte la pèrdua de calor a l'entorn: radiació, convecció i esquitxades. Els diferents processos de soldadura tenen diferents eficiències:

Taula 1: Factors d'eficiència d'entrada de calor per procés de soldadura

Font: AWS D1.6:2017; ASME Secció IX (2023); Metal·lúrgia de soldadura, Kou (2003)

Exemple de càlcul: una soldadura GTAW feta a 12 volts, 150 amperes i una velocitat de desplaçament de 150 mm/min: entrada de calor=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Es tracta d'una aportació de calor relativament baixa, típica de l'acer inoxidable austenític de secció-prima.

Acers inoxidables austenítics: l'entrada de calor moderada evita la sensibilització

Acers inoxidables austeníticssón les més soldables de totes les famílies d'acer inoxidable, però no són immunes als danys tèrmics. El risc principal és la sensibilització: la precipitació de carburs de crom als límits del gra quan el metall passa pel rang de 500-850 graus centígrads. L'alta entrada de calor amplia el temps que la HAZ passa en aquesta zona de temperatura crítica, augmentant la gravetat de la sensibilització.

Els graus de baix-carboni (304L, 316L) i els graus estabilitzats (321, 347) es van desenvolupar específicament per resistir la sensibilització. Tanmateix, fins i tot aquests graus no són immunes als efectes de l'excés de calor. La calor elevada també provoca el creixement del gra, que pot reduir la duresa i augmentar el risc d'esquerdes en calent en metalls de soldadura totalment austenítics.

El rang d'entrada de calor recomanat per als graus austenítics equilibra dos requisits en competència: calor suficient per garantir una fusió adequada i una fluïdesa de la piscina de soldadura, però no tant que la HAZ passi un temps excessiu en el rang de sensibilització. El control de temperatura interpass (normalment per sota dels 150 graus centígrads) redueix encara més l'exposició tèrmica acumulada.

Taula 2: Directrius d'entrada de calor per a acers inoxidables austenítics

Font: Outokumpu Stainless Steel Handbook (2020); AWS D1.6:2017; ASME Secció VIII Div.1 (2023)

Acers inoxidables dúplex: l'entrada de calor controla l'equilibri d'austenita{0}}ferrita

Acers inoxidables dúplexderiven la seva excepcional resistència i resistència a la corrosió d'una microestructura equilibrada d'aproximadament un 50% d'austenita i un 50% de ferrita. La soldadura altera aquest equilibri. El cicle tèrmic ràpid afavoreix la formació de ferrita, i si l'entrada de calor és massa baixa, el metall de soldadura i la HAZ poden retenir ferrita excessiva (per sobre del 70%), la qual cosa redueix la duresa i la resistència a la corrosió.

Per contra, si l'entrada de calor és massa alta, el temps prolongat a temperatura elevada promou la formació de fases intermetàl·liques nocives, especialment la fase sigma i la fase chi. Aquestes fases consumeixen crom i molibdè de la matriu circumdant, creant zones esgotades susceptibles a la picadura i l'esquerda per corrosió per tensió. La formació de fase sigma és el risc metal·lúrgic més greu en la soldadura dúplex.

La solució és una finestra d'entrada de calor acuradament controlada, combinada amb metalls d'aportació adequats. Els metalls d'aportació per als graus dúplex estan sobre-aliats amb níquel (normalment un 8-9%) per afavorir la reforma de l'austenita durant el refredament. L'entrada de calor ha de ser prou alta per permetre el temps per a aquesta transformació d'austenita, però no tan alta que es formi la fase sigma.

Taula 3: Directrius d'entrada de calor per a acers inoxidables dúplex

Font: Outokumpu Duplex Stainless Steel Handbook (2015); Directrius de soldadura Sandvik SAF 2205/2507; NACE MR0175/ISO 15156

Acers inoxidables martensítics: baixa entrada de calor amb preescalfament que evita esquerdes

Els acers inoxidables martensítics es transformen en martensita dura i trencadissa en refredar-se a partir de la temperatura d'austenització. Aquesta transformació crea tensions residuals elevades i fa que l'HAZ sigui extremadament susceptible a l'esquerdat induïda per l'hidrogen-(també anomenada fissuració retardada o fissuració en fred). A diferència dels graus austenítics, els acers martensítics no estan protegits per una estructura de cristall FCC estable.

El control d'entrada de calor per als graus martensítics té dos objectius. En primer lloc, l'entrada de calor excessiva augmenta la mida de la HAZ endurida, creant un volum més gran de material trencadís. En segon lloc, la baixa entrada de calor combinada amb el preescalfament alenteix la velocitat de refrigeració, la qual cosa redueix la duresa de la martensita i proporciona més temps perquè l'hidrogen es difongui fora de la zona de soldadura.

El preescalfament és essencial per als graus martensítics. La temperatura de preescalfament depèn del contingut de carboni i del gruix de la secció, però normalment oscil·la entre els 200-300 graus centígrads. La temperatura d'interpass s'ha de mantenir per sobre del mínim de preescalfament. Gairebé sempre es requereix un tractament tèrmic posterior a la soldadura (tremp a 650-750 C).

Taula 4: Requisits d'entrada de calor i preescalfament per als acers inoxidables martensítics

Font: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME Secció VIII Div.1

Connexió de velocitat de refrigeració: per què només l'entrada de calor no és suficient

L'entrada de calor és una mesura de l'energia dipositada, però és la velocitat de refredament la que determina la microestructura final. La mateixa entrada de calor aplicada a una làmina de 3 mm produirà una velocitat de refrigeració molt més ràpida que quan s'aplica a una placa de 25 mm. És per això que les recomanacions d'entrada de calor sempre s'han de tenir en compte al costat del gruix de la secció.

La velocitat de refredament de la soldadura es mesura normalment com el temps per refredar-se de 800 a 500 graus centígrads (t8/5). Per als acers al carboni, aquest paràmetre determina directament la duresa i la microestructura de la HAZ. Per als acers inoxidables, el rang de temperatura crític difereix: per a la sensibilització, el que importa és el temps passat entre 850 i 500 graus centígrads.

La relació entre l'entrada de calor i la velocitat de refrigeració es pot aproximar mitjançant equacions de flux de calor. Per a seccions primes (on la calor flueix principalment en dues dimensions), la velocitat de refredament és inversament proporcional al quadrat de l'entrada de calor. Per a seccions gruixudes (flux de calor tridimensional), la velocitat de refrigeració és inversament proporcional a l'entrada de calor. Això significa que en seccions primes, un petit augment de l'entrada de calor alenteix dràsticament la velocitat de refrigeració.

Taula 5: Variació de la velocitat de refrigeració amb l'entrada de calor i el gruix de la secció

Font: Welding Metallurgy, Kou (2003); Manual ASM Volum 6A (2011)

Soldadura de múltiples-passes: entrada de calor acumulada i temperatura entre passades

La soldadura multi-passa introdueix una complicació que la soldadura-única no té: cada passada posterior sotmet el metall de soldadura subjacent i la HAZ a cicles tèrmics addicionals. Això pot ser beneficiós o perjudicial segons el grau. Per a algunes soldadures austenítiques, la calor de les passades posteriors pot dissoldre els carburs formats durant les passades anteriors. Per als graus dúplex, l'escalfament repetit en el rang de 600-900 graus centígrads accelera la formació de fase sigma.

La temperatura interpass és la temperatura de la zona de soldadura just abans de dipositar la següent passada. Per a la majoria dels acers inoxidables, s'ha de mantenir per sota dels 150 graus centígrads per limitar l'exposició tèrmica acumulada. Algunes especificacions dúplex són encara més restrictives, ja que requereixen un pas per sota dels 100 graus centígrads per a graus super-dúplex com el 2507.

La implicació pràctica és que les soldadures de múltiples-passes requereixen una planificació més acurada que les soldadures d'una-passa. El soldador ha de deixar temps suficient entre passades per al refredament, o utilitzar mètodes de refrigeració forçada (aixeta d'aire, boira d'aigua) que no contaminin la zona de soldadura. La soldadura ràpida de múltiples-passes en graus dúplex o super-dúplex és una causa comuna de la formació de fase sigma i les posteriors fallades del servei.

Taula 6: Directrius de temperatura entre passades per a la soldadura de múltiples-passades

Font: Directrius de soldadura d'Outokumpu (2020); Manual de soldadura de metalls especials; NACE MR0175

Conseqüències de l'excés d'entrada de calor

Les conseqüències d'un mal control de l'entrada de calor no són teòriques. Apareixen regularment als informes d'anàlisi de fallades de les indústries. Entendre aquests modes de fallada ajuda els enginyers i els inspectors a reconèixer els símptomes i rastrejar-los fins a la causa arrel.

Corrosió intergranular: causada per sensibilització a la ZAC. Els límits del gra són atacats selectivament, donant lloc a un aspecte "ensucrant" a la superfície. Comú a les soldadures 304/316 amb una aportació de calor excessiva sense grau L-ni estabilització adequats.

Corrosió per picadura: la formació de fase Sigma en acers dúplex consumeix crom i molibdè, creant zones amb una resistència reduïda a la picadura. Les fosses s'inicien preferentment a la zona HAZ de soldadures d'alta-calor-.

Cracking per corrosió per tensió (SCC): l'alta entrada de calor crea un HAZ més gran amb una tensió residual més alta. Combinat amb la sensibilització, això crea les condicions ideals per a l'SCC en entorns que contenen-clorur.

Reducció de la tenacitat: el creixement excessiu del gra en HAZ austenític redueix la duresa a l'impacte. En els acers dúplex, l'alt contingut en ferrita i la fase sigma redueixen significativament la tenacitat.

Cracking en calent: en metalls de soldadura totalment austenítiques (310, alguns aliatges de níquel), l'alta entrada de calor amplia el temps passat en el rang de solidificació fràgil, augmentant el risc d'esquerdes de solidificació.

Taula 7: Modes d'error relacionats amb una entrada de calor excessiva

Font: ASM Handbook Volum 11: Anàlisi de fallades (2002); Enquesta de dades de corrosió de la NACE; Casos pràctics de fallada de JN Alloys

Control pràctic d'entrada de calor: des de WPS fins a la botiga

El control d'entrada de calor comença a l'oficina d'enginyeria i acaba al taller. L'especificació del procediment de soldadura (WPS) ha d'incloure límits explícits d'entrada de calor, no només els paràmetres bàsics d'amperatge, voltatge i velocitat de viatge. Per a aplicacions crítiques, el WPS hauria d'especificar el rang acceptable per a cada paràmetre i els límits d'entrada de calor calculats.

Especifiqueu l'entrada de calor al WPS: no suposeu que la llista dels rangs d'amperatge i voltatge és suficient. Calculeu i indiqueu explícitament l'entrada de calor màxima (p. ex., 'Aportació calorífica màxima: 2,0 kJ/mm').

Utilitzeu equips calibrats: les fonts d'alimentació modernes poden mostrar i registrar l'amperatge i la tensió reals. Utilitzeu aquestes dades per calcular l'entrada de calor real, no només els punts de consigna.

Entrenar els soldadors sobre les conseqüències: els soldadors que entenguin que l'excés de calor pot causar fallades de corrosió estaran més motivats per controlar la velocitat de desplaçament i la temperatura entre pas.

Supervisar la velocitat de desplaçament: la velocitat de viatge és el paràmetre que més sovint s'ajusten els soldadors durant la producció. Proporcioneu orientació sobre com mantenir una velocitat constant o utilitzar sistemes mecanitzats/automatitzats per a soldadures crítiques.

Documenteu l'entrada de calor per a soldadures crítiques: per a recipients a pressió, components en alta mar i canonades de plantes químiques, calculeu i registreu l'entrada de calor real per a cada soldadura. Això proporciona traçabilitat en cas de futurs errors.

Utilitzeu calculadores d'entrada de calor: les aplicacions gratuïtes i les calculadores en línia permeten als soldadors calcular ràpidament l'entrada de calor a partir dels paràmetres bàsics. Fomentar el seu ús a la botiga.

El cost del control d'entrada de calor és mínim en comparació amb el cost d'una fallada per corrosió en servei. Una sola fallada en una planta química pot provocar milions de dòlars en pèrdua de producció, neteja ambiental i substitució d'equips. Invertir en un control adequat de l'entrada de calor no és només una bona enginyeria, sinó una bona economia.

Resum

La taula següent consolida les recomanacions d'aquest article en un -format de referència ràpida. Els enginyers i els fabricants poden utilitzar aquesta matriu per establir límits d'entrada de calor per a les seves aplicacions específiques.

Taula 8: Matriu de decisió d'entrada de calor per família d'acer inoxidable

Font: compilat a partir de les directrius tècniques d'AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals i JN Alloys

Conclusió

L'entrada de calor és la variable més controlable que determina la qualitat i el rendiment del servei de les soldadures d'acer inoxidable. Les conseqüències metal·lúrgiques de l'entrada de calor (sensibilització, formació de fase sigma, creixement del gra i desequilibri de fase) són ben enteses i previsibles. El que sovint falta és la disciplina per traduir aquests coneixements a la pràctica.

Les recomanacions d'aquest article es basen en dècades d'investigació i experiència de camp. No són límits arbitraris -: reflecteixen la física i la metal·lúrgia subjacents de la soldadura. En controlar l'entrada de calor dins del rang adequat per a cada família d'acer inoxidable, els fabricants poden produir soldadures que conserven la resistència a la corrosió, les propietats mecàniques i la fiabilitat a llarg termini que esperen els seus clients.

Per obtenir assistència tècnica sobre procediments de soldadura d'acer inoxidable, selecció de metalls d'aportació o optimització de l'entrada de calor, poseu-vos en contacte amb JN Alloys -, el vostre soci en solucions d'aliatges d'alt rendiment.

Lloc web:www.jnalloys.com