GTAW dây nóng cho tấm ốp hợp kim niken: Tỷ lệ lắng đọng và kiểm soát pha loãng

Giới thiệu

Lớp phủ mối hàn hợp kim niken bảo vệ ranh giới áp suất của các thành phần cacbon và thép hợp kim thấp{0}}không bị ăn mòn mà không phải tốn chi phí chế tạo toàn bộ bộ phận từ tấm Inconel hoặc Hastelloy rắn. Lớp phủ chỉ hoạt động nếu có hai điều xảy ra cùng một lúc: quá trình lắng đọng phải diễn ra đủ nhanh để tiết kiệm và nó phải ở đủ gần về mặt hóa học với kim loại phụ - chứ không phải thép cơ bản - để mang lại khả năng chống ăn mòn mà thiết kế yêu cầu. Hai mục tiêu đó thường đấu tranh với nhau. Hàn hồ quang vonfram khí dây nóng (GTAW-HW) là quy trình được xây dựng đặc biệt để ngăn chặn cuộc chiến đó.

Bài viết này so sánh GTAW dây nóng với các quy trình khác được sử dụng cho lớp phủ hợp kim niken - dây GTAW lạnh-, GMAW, dải hồ quang chìm (dải SAW-), hồ quang chuyển plasma (PTA) và dây nóng laze - về tốc độ lắng đọng và độ pha loãng, đồng thời đưa ra các thông số quy trình, tiêu chuẩn và biện pháp kiểm soát khuyết tật chi phối quy trình lớp phủ GTAW-HW đủ điều kiện.

GTAW dây nóng là gì và tại sao nó lại quan trọng đối với tấm ốp hợp kim niken?

Dây nóng GTAW bổ sung thêm nguồn năng lượng thứ hai làm nóng dây điện trở trước đến gần điểm nóng chảy trước khi đạt tới hồ quang, do đó hồ quang vonfram không còn phải cung cấp toàn bộ năng lượng cần thiết để làm nóng chảy chất độn. Sự tách biệt giữa "làm nóng dây" khỏi "làm nóng kim loại cơ bản" là điều cho phép GTAW-HW tăng tốc độ lắng đọng mà không làm tăng độ pha loãng.

Trong GTAW dây nguội thông thường, hồ quang vonfram thực hiện đồng thời hai công việc: làm nóng chảy kim loại cơ bản để tạo thành bể hàn và làm nóng chảy dây phụ được đưa vào bể đó. Bởi vì cả hai đều lấy từ cùng một năng lượng hồ quang, việc đẩy nhiều chất độn hơn qua hồ quang để tăng tốc độ lắng đọng cũng làm tăng năng lượng hồ quang và hành vi di chuyển cần thiết để làm tan chảy nó - làm tăng sự nóng chảy kim loại cơ bản và do đó làm loãng.

Dây nóng GTAW làm đứt khớp nối đó. Một nguồn điện riêng biệt, cách ly bằng điện sẽ truyền dòng điện qua dây phụ giữa đầu tiếp điểm và bể hàn, làm nóng nó bằng điện trở đến gần{1}}nhiệt độ nóng chảy trước khi đạt đến hồ quang. Nhiệm vụ của hồ quang vonfram chỉ dừng lại ở việc hoàn thiện quá trình nấu chảy và kiểm soát sự xâm nhập vào kim loại cơ bản, trong khi mạch làm nóng sơ bộ dây - chứ không phải hồ quang - cung cấp phần lớn năng lượng cần thiết để làm nóng chảy chất độn.

Tốc độ lắng đọng được thiết lập chủ yếu bởi tốc độ cấp dây và dòng điện gia nhiệt trước, phần lớn không phụ thuộc vào dòng điện hồ quang.

Độ xuyên kim loại cơ bản (và do đó pha loãng) được xác định chủ yếu bởi dòng điện hồ quang và tốc độ di chuyển, phần lớn không phụ thuộc vào tốc độ lắng đọng.

Hai biến này có thể được điều chỉnh riêng biệt - lý do cốt lõi khiến GTAW{1}}HW đạt được năng suất cao hơn mà không phải hy sinh khả năng kiểm soát pha loãng.

GTAW dây nóng tăng tốc độ lắng đọng so với GTAW dây lạnh thông thường như thế nào?

Việc làm nóng trước dây cho phép dây nóng chảy vào bể ngay khi nó xuất hiện thay vì lấy năng lượng nóng chảy từ hồ quang, đó là lý do tại sao tốc độ lắng đọng GTAW-HW được ghi lại cao hơn khoảng hai đến ba lần so với dây GTAW lạnh-ở tốc độ lắng đọng khoảng 1-12 lb/giờ mà không làm tăng năng lượng hồ quang hoặc pha loãng.

Trong-dây lạnh GTAW, dây đi vào bể ở nhiệt độ phòng và hồ quang phải cung cấp toàn bộ nhiệt ẩn và nhiệt lượng hiện có để làm tan chảy nó - giới hạn về lượng dây có thể được thêm vào trong một đơn vị thời gian trước khi quá trình bắt đầu bị đứt, bắn tung tóe hoặc bóng ở đầu dây. Việc làm nóng dây trước bằng điện trở sẽ loại bỏ hầu hết lượng nợ nhiệt đó trước khi dây đến, do đó tốc độ cấp dây cao hơn có thể được duy trì ở cùng mức cài đặt hồ quang.

Các nguồn trong ngành báo cáo GTAW-tốc độ lắng đọng CTNH kéo dài khoảng 1 đến 12 lb/giờ tùy thuộc vào đường kính dây, dòng điện làm nóng trước và hình dạng mối nối hoặc lớp phủ, với mức tăng năng suất thường được trích dẫn ở mức gấp hai đến ba lần so với thiết lập GTAW dây nguội tương đương-cho cùng một chất lượng mối hàn. Đây cũng là lý do tại sao GTAW-HW thường được đặt ở vị trí trung gian giữa các quy trình-dây lạnh-lắng đọng-thấp GTAW/GTAW quỹ đạo và các quy trình lắng đọng-cao hơn nhưng-pha loãng cao hơn như dải GMAW và SAW{10}}.

Nguồn: The Fabricator, "Liệu dây- nóng GTAW có thể trở thành xu hướng chủ đạo không?"; Phù hợp với-Hàn, "Hệ thống ốp dây nóng GTAW TIG hiệu suất cao-."

Làm thế nào để dây nóng GTAW kiểm soát độ pha loãng tốt hơn các quy trình ốp khác?

GTAW dây nóng giữ độ pha loãng trong khoảng 3-8% trong thực tế sản xuất, nằm dưới dải GMAW và SAW- (thường là 15-30%) và có khả năng cạnh tranh với - mặc dù thường cao hơn lớp bọc dây nóng laser - (khoảng 5-10%), khiến GTAW-HW trở thành tùy chọn hàn hồ quang mạnh nhất khi độ pha loãng một lớp dưới mức Cần có giới hạn sắt bề mặt 5,0%.

Pha loãng là phần cặn hàn thành phẩm xuất phát từ kim loại cơ bản nóng chảy chứ không phải kim loại phụ. Đối với lớp phủ hợp kim niken trên thép cacbon hoặc thép hợp kim-thấp, độ pha loãng đóng vai trò quan trọng vì sắt thu được từ kim loại cơ bản làm giảm khả năng chống ăn mòn, lớp phủ này nhằm cung cấp - hầu hết các thông số kỹ thuật của lớp phủ hợp kim niken giới hạn hàm lượng sắt trên bề mặt ở mức 5,0 wt% vì chính lý do này và quá trình pha loãng hồ quang chung-có thể vượt xa mức mà một lớp đơn lẻ có thể hấp thụ và vẫn đáp ứng giới hạn đó.

Bởi vì hồ quang của GTAW có năng lượng-thấp nhất, dễ kiểm soát về mặt không gian nhất trong số các quy trình bọc hồ quang chính nên nó luôn tạo ra độ pha loãng thấp nhất trong họ hồ quang - sự cân bằng-trước đây là tốc độ lắng đọng thấp. GTAW-HW giữ đặc tính pha loãng-thấp đó trong khi thu hẹp phần lớn khoảng cách tỷ lệ lắng đọng-, đây là cơ sở để lựa chọn nó ở bất kỳ nơi nào cả hai biến đều bị hạn chế.

Nguồn: Lincoln Electric, "Tấm bọc dây nóng Laser"; Thế giới chế tạo hàn, "Các loại lớp phủ/lớp phủ hàn -, quy trình & yêu cầu ASME"; ScienceDirect, "Màng hàn của Hastelloy C276 sử dụng quy trình cấp dây nguội GTAW." Phạm vi là đại diện của dữ liệu phòng thí nghiệm và hiện trường được công bố; đủ điều kiện tất cả các giá trị bằng cách kiểm tra chất lượng quy trình theo mã hiện hành.

Thông số quy trình nào thực sự kiểm soát tỷ lệ lắng đọng/cân bằng pha loãng?

Bốn tham số thực hiện hầu hết mọi công việc: dòng điện hồ quang thiết lập độ xuyên thấu và pha loãng, tốc độ cấp dây và tốc độ lắng đọng thiết lập dòng điện gia nhiệt trước phần lớn không phụ thuộc vào hồ quang và tốc độ di chuyển thiết lập sự chồng chéo hạt và độ che phủ lớp - quy trình GTAW-HW đủ điều kiện điều chỉnh cả bốn thông số lại với nhau thay vì coi bất kỳ thông số nào trong số chúng là toàn bộ câu chuyện.

Dòng điện hồ quang

Dòng điện hồ quang là nguyên nhân chính làm nóng chảy kim loại cơ bản. Dòng hồ quang cao hơn sẽ mở rộng và làm sâu thêm vũng hàn, kéo theo nhiều kim loại cơ bản hơn và tăng độ pha loãng - hạt được ghi lại-trên-thử nghiệm trên tấm dây Inconel 625 nóng-lớp phủ GTAW trên thép 2.25Cr-1Mo cho thấy độ pha loãng, chiều rộng hạt và kích thước vùng chịu ảnh hưởng nhiệt đều tăng khi dòng điện hàn tăng từ 125 A lên 200 A. Do đó, dòng điện hồ quang được giữ ở mức thấp vì hồ quang có thể duy trì ổn định trong khi vẫn đạt được sự hợp nhất.

Tốc độ cấp dây và dòng điện làm nóng trước

Tốc độ cấp dây đặt ra lượng kim loại phụ đi vào bể trên mỗi đơn vị thời gian; làm nóng trước dòng điện đặt mức độ nóng chảy của dây đó khi nó đến. Việc tăng cả hai cùng nhau sẽ làm tăng tốc độ lắng đọng mà chỉ có tác động phụ lên sự cân bằng năng lượng của chính hồ quang - đây là cơ chế cho phép GTAW-HW thêm chất độn nhanh hơn mà không cần kéo thêm nhiệt từ hồ quang vào kim loại cơ bản.

Tốc độ di chuyển và sự chồng chéo của hạt

Tốc độ di chuyển kiểm soát mức độ đông cứng của hồ trước lần vượt qua tiếp theo, điều này đặt ra sự chồng chéo và độ bao phủ của hạt. Di chuyển chậm hơn làm tăng lượng nhiệt đầu vào trên mỗi đơn vị chiều dài và có thể tăng độ pha loãng ngay cả ở dòng điện không đổi, do đó tốc độ di chuyển được xác định phù hợp với dòng điện thay vì được điều chỉnh độc lập tại xưởng.

Làm nóng trước/nhiệt độ giữa các lớp và số lớp

Do khó đảm bảo độ pha loãng một-lớp dưới khoảng 5% ở dây chuyền nhiệt hạch bất kể quy trình nào, nên hầu hết các thông số kỹ thuật đều yêu cầu lớp phủ tối thiểu hai-lớp, với lớp đầu tiên được xử lý như lớp đệm và chất hóa học đủ tiêu chuẩn ở độ sâu lấy mẫu được đo từ dây chuyền nhiệt hạch - thường là 3 mm cho độ dày lớp phủ tối thiểu 3 mm. Kiểm soát nhiệt độ giữa các đường chuyền cũng hạn chế sự tích tụ nhiệt qua các đường chuyền, giúp giữ độ pha loãng nhất quán từ đường truyền gốc qua lớp nắp.

Dòng điện hàn nào tạo ra độ pha loãng chấp nhận được cho tấm ốp Inconel 625 trên thép?

Đã công bố hạt-trên-thử nghiệm tấm của lớp phủ GTAW dây nóng-Inconel 625 trên 2.25Cr-Thép 1Mo cho thấy độ pha loãng và độ cứng đều tăng theo dòng hồ quang trong phạm vi 125-200 A, do đó, hầu hết các quy trình sản xuất lớp phủ Inconel 625 trên thép hợp kim thấp đều đủ tiêu chuẩn ở nửa dưới của dải đó và dựa vào lớp thứ hai để đưa hóa học bề mặt đi hết phần còn lại về phía danh nghĩa Thành phần Inconel 625.

Nghiên cứu tương tự cho thấy độ cứng kim loại mối hàn cao nhất xảy ra ở 150 A trong số bốn dòng điện được thử nghiệm (125, 150, 175 và 200 A), với cấu trúc vi mô austenit đuôi gai trong phạm vi và độ pha loãng, chiều rộng hạt và kích thước vùng bị ảnh hưởng nhiệt- đều có xu hướng tăng lên khi dòng điện tăng. Bài học rút ra thực tế cho việc phát triển quy trình là dòng điện không phải là biến số tự do chỉ riêng cho năng suất mà thôi - mỗi mức tăng phải được kiểm tra theo các giới hạn về độ cứng và hóa học-có liên quan về ăn mòn trong thông số kỹ thuật quản lý, không chỉ về độ xuyên thấu và bề ngoài.

Đối với-các thành phần dịch vụ chua, độ cứng là giới hạn cứng chứ không chỉ là chỉ báo chất lượng: Lớp phủ tuân thủ NACE MR0175/ISO 15156-thường được giới hạn ở 248 HV10 trong HAZ carbon/thép hợp kim thấp và 345 HV10 trong chính lớp phủ Inconel 625, được đo bằng thử nghiệm của Vickers tại nhiều vị trí trên mỗi lớp.

Những quy tắc và tiêu chuẩn nào chi phối việc chấp nhận và chứng nhận tấm ốp dây nóng GTAW?

Quy trình phủ hợp kim niken GTAW-HW chủ yếu đủ tiêu chuẩn theo ASME Phần IX (các thông số thiết yếu và thử nghiệm cơ/hóa học), được áp dụng trong ASME Phần VIII Phân khu 1 Phụ lục F cho lớp phủ bình áp lực và - cho mỏ dầu và thiết bị dịch vụ chua- - được xếp lớp với các yêu cầu API 582, API 6A và NACE MR0175/ISO 15156 về độ pha loãng sắt và độ cứng.

Nguồn: Vật liệu hàn, "Các yêu cầu kiểm tra chất lượng quy trình hàn đối với chất lượng lớp phủ mối hàn"; API 6A (thông qua bản tóm tắt của Valvestandard.com); Đường ống-Thế giới, "Đường ống lớp phủ mối hàn Inconel 625"; Thế giới chế tạo hàn, "Lớp phủ/tấm phủ mối hàn."

Thành phần của lớp phủ hoàn thiện được xác minh theo thông số thiết kế hoặc tiêu chuẩn kim loại phụ được tham chiếu - Bản thân ASME Phần IX không đặt ra hàm lượng hợp kim tối thiểu. Phân tích hóa học được lấy mẫu ở một khoảng cách xác định trở lại dây chuyền nung chảy, phù hợp với độ dày lớp phủ đủ tiêu chuẩn tối thiểu và hàm lượng sắt trên giới hạn quy định là nguyên nhân khiến quy trình hoặc mối hàn sản xuất bị loại bỏ.

Các khiếm khuyết phổ biến nhất trong tấm ốp GTAW dây nóng là gì và chúng được ngăn chặn như thế nào?

Các khuyết tật quan trọng nhất trong lớp phủ hợp kim niken GTAW-HW là dưới-vết nứt lớp bọc, thiếu sự hợp nhất ở chân hoặc chân, các tạp chất dây bị oxy hóa/không nóng chảy do gia nhiệt trước không đúng cách và pha loãng-không-thông số kỹ thuật ở dây chuyền nung chảy - cả bốn khuyết tật này đều được kiểm soát chủ yếu thông qua việc xác định tham số và kỷ luật giữa các đường hàn thay vì sửa chữa mối hàn sau-.

Vết nứt bên dưới{0}}lớp phủ: được tạo ra bởi hydro và ứng suất dư trong HAZ; được kiểm soát bằng nhiệt độ làm nóng trước/chuyển tiếp chính xác,-sử dụng lượng hydro thấp và PWHT nếu được chỉ định.

Thiếu sự hợp nhất ở chân hạt hoặc giữa các lần chuyền: do tốc độ di chuyển quá cao hoặc năng lượng hồ quang không đủ ở đường hợp nhất; được kiểm soát bằng tốc độ di chuyển và góc cắt của mỏ cắt cũng như bằng cách kiểm tra bằng mắt/PT giữa các lớp.

Quá trình oxy hóa dây hoặc vùi dây không nóng chảy: gây ra do làm nóng dây trước quá xa phía trước bể hoặc do che chắn sự thất thoát khí xung quanh điểm tiếp xúc của dây-nóng; được kiểm soát bằng cách điều chỉnh dòng điện làm nóng trước và xác minh mức độ bao phủ của khí bảo vệ.

Pha loãng quá mức / thu nhận sắt trên bề mặt: do dòng điện hồ quang quá mức, di chuyển chậm hoặc lớp phủ có độ dày thấp; được kiểm soát bằng lớp phủ tối thiểu hai{1}}lớp, đánh giá chất lượng hiện tại và lấy mẫu thành phần hóa học ở độ sâu đủ điều kiện.

Vết nứt vi mô và kết tủa cacbua không mong muốn: được kiểm tra bằng cách kiểm tra vi mô mẫu chất lượng; được kiểm soát bằng điều khiển nhiệt đầu vào và, đối với chất độn có hàm lượng cacbon ổn định hoặc thấp{1}}, bằng cách kết hợp hóa học của chất độn với nhiệt độ sử dụng.

Dây nóng GTAW phù hợp nhất ở đâu trong chiến lược lựa chọn tấm ốp hợp kim niken?

GTAW dây nóng là thiết bị mặc định phù hợp cho các mối nối ống-đến-bảng ống, lỗ vòi phun, thân van và các thành phần có giá trị-cao hoặc bị ràng buộc về mặt hình học khác có độ pha loãng dưới 5% và phạm vi phủ sóng lặp lại, được cơ giới hóa, cả hai khu vực phẳng hoặc cong lớn chẳng hạn như vỏ và đầu tàu vẫn được phục vụ tốt hơn bằng dải SAW{5}}và việc sửa chữa hiện trường đơn giản bằng SMAW.

Quá trình lựa chọn lớp phủ hợp kim niken là sự đánh đổi giữa diện tích, khả năng tiếp cận, yêu cầu pha loãng và chi phí. Dải SAW-và GMAW xung bao phủ các khu vực rộng lớn nhanh nhất nhưng không thể duy trì độ pha loãng dưới mức 10-15% trong một lớp một cách đáng tin cậy. Vì vậy, chúng được dành riêng cho các ứng dụng đã lên kế hoạch cho hai lớp trở lên hoặc khi giới hạn pha loãng ít nghiêm ngặt hơn. SMAW vẫn là lựa chọn thực tế duy nhất để sửa chữa tại hiện trường và tiếp cận những nơi không thể cơ giới hóa. GTAW-HW chiếm không gian nơi hình học bị hạn chế đủ để mang lại độ chính xác cho các lỗ ống -, cổ vòi phun, thân van nhỏ - nhưng diện tích quá lớn hoặc tính kinh tế quá eo hẹp đối với riêng GTAW dây nguội.

Lớp bọc dây nóng bằng laser đẩy tốc độ pha loãng và lắng đọng hơn nữa theo cùng hướng với GTAW-HW và đáng được đánh giá đối với các thành phần có giá trị-rất cao trong đó chi phí vốn của thiết bị laser là hợp lý. Đối với phần lớn công việc phủ lớp hợp kim niken biên áp suất-trên đường ống, phụ kiện, mặt bích và vật rèn, GTAW-HW vẫn là quy trình cân bằng tốt nhất giữa tiêu chuẩn chất lượng quen thuộc, chi phí thiết bị và kiểm soát pha loãng mà dịch vụ ăn mòn yêu cầu.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: Mức độ pha loãng nào được chấp nhận đối với lớp phủ mối hàn Inconel 625 trên thép cacbon?

Trả lời: Hầu hết các thông số kỹ thuật của lớp phủ hợp kim niken đều giới hạn hàm lượng sắt trên bề mặt ở mức tối đa 5,0% trọng lượng, thường yêu cầu lớp phủ tối thiểu hai{1}}hai lớp vì độ pha loãng một lớp tại dây chuyền nung chảy khó có thể giảm xuống dưới khoảng 5% với bất kỳ quy trình hồ quang nào, kể cả GTAW dây nóng.

Câu hỏi: GTAW dây nóng nhanh hơn bao nhiêu so với GTAW dây lạnh thông thường?

Đáp: Tốc độ lắng đọng được công bố cho GTAW-HW cao hơn khoảng hai đến ba lần so với GTAW dây nguội-ở chất lượng mối hàn tương đương, với GTAW-HW kéo dài khoảng 1 đến 12 lb/giờ tùy thuộc vào đường kính dây và dòng điện làm nóng trước.

Câu hỏi: GTAW dây nóng có loại bỏ nhu cầu sử dụng nhiều lớp phủ không?

Đáp: Không. Ngay cả ở độ pha loãng thấp hơn của GTAW-HW, hầu hết các thông số kỹ thuật vẫn yêu cầu lớp phủ tối thiểu hai-vì lớp đầu tiên đóng vai trò là lớp đệm pha loãng giữa kim loại cơ bản và lớp bề mặt quan trọng-bị ăn mòn.

Câu hỏi: Mã nào chi phối các giới hạn độ cứng đối với lớp phủ hợp kim niken sử dụng axit?

Đáp: NACE MR0175/ISO 15156 quy định việc chấp nhận độ cứng đối với dịch vụ chua, với các giới hạn thường được áp dụng ở mức 248 HV10 đối với thép cacbon/thép hợp kim-thấp HAZ và 345 HV10 đối với lớp phủ Inconel 625, được xác minh bằng thử nghiệm của Vickers.

Câu hỏi: Khi nào nên sử dụng dải SAW{0}}hoặc GMAW thay cho GTAW dây nóng?

Đáp: Dải SAW{0}}và GMAW xung phù hợp hơn với các khu vực rộng, thoáng như vỏ và đầu tàu nơi có thể chấp nhận được độ pha loãng cao hơn trên mỗi lớp và nhiều lớp đã được lên kế hoạch; GTAW dây nóng được ưu tiên khi hình học bị hạn chế hoặc việc kiểm soát pha loãng một lớp-là rất quan trọng.