Vật liệu hàn cho các mối nối hợp kim niken khác nhau: Ma trận lựa chọn kim loại phụ

Đối với hầu hết các mối nối hợp kim niken khác nhau, ERNiCrMo-3 (AWS A5.14, được bán trên thị trường dưới dạng chất độn Inconel 625) là kim loại điền đầy mặc định, vì hàm lượng niken, crom và molypden cao của nó chịu được sự pha loãng từ thép cacbon,thép không gỉhoặc kim loại cơ bản song công mà không làm giảm khả năng chống nứt hoặc ăn mòn.

Chất độn hợp kim-cao hơn như ERNiCrMo-4 hoặc ERNiCrMo-14 được dành riêng cho các mối nối liên quan đến hợp kim hàm lượng molypden cao như Hastelloy C-276 hoặc C-22, trong đó yêu cầu khả năng chống ăn mòn phù hợp thay vì chỉ có khả năng chịu vết nứt. Lựa chọn đúng luôn phụ thuộc vào việc tính toán độ pha loãng bằng sơ đồ Schaeffler hoặc WRC-1992, chứ không chỉ dựa vào tên của kim loại cơ bản đắt tiền hơn.

Bạn nên sử dụng kim loại phụ nào cho các mối nối hợp kim niken khác nhau?

ERNiCrMo-3 (chất độn loại Inconel 625-) là mặc định an toàn cho phần lớn các mối nối hợp kim niken khác nhau, vì nó pha loãng một cách dễ dàng với thép cacbon, thép không gỉ, song công và hầu hết các hợp kim niken khác trong khi vẫn duy trì lớp cặn hàn chống nứt, chống ăn mòn.

Hàn kim loại khác nhau, nối hai hợp kim khác nhau ở một mối nối, là điều phổ biến trong chế tạo hợp kim niken: vòi lò phản ứng phủ 625-được hàn vào vỏ thép cacbon, ống Hastelloy được hàn vào một tấm ống thép không gỉ hoặc thân van Monel được hàn vào ống đồng-niken. Trong mọi trường hợp, kim loại phụ được chọn để phù hợp với tính chất hóa học của bể hàn do việc trộn cả hai kim loại cơ bản chứ không chỉ đơn giản là phù hợp với một trong hai.

ERNiCrMo-3 đã trở thành mặc định vì thành phần hóa học cơ bản của nó, khoảng 62% niken, 21,5% crom, 9% molypden và 3,6% niobi, có đủ niken để giữ độ dẻo và chống nứt ngay cả khi nó lấy sắt từ thép cacbon hoặc kim loại cơ bản bằng thép không gỉ, đồng thời có đủ crom và molypden để duy trì khả năng chống ăn mòn đáng kể sau khi pha loãng. Ngoài ra, Niobium còn ngăn chặn hiện tượng nứt nóng trong quá trình hóa rắn, điều này rất quan trọng khi hàn các mối nối khác nhau có độ bền cao.

Tại sao việc kiểm soát pha loãng lại quan trọng hơn trong các mối hàn hợp kim Niken không giống nhau?

Sự pha loãng xác định tính chất hóa học cuối cùng của kim loại mối hàn và trong các mối nối không giống nhau, nó có thể kéo cặn ra ngoài phạm vi thành phần an toàn của nó, gây ra hiện tượng nứt nóng hoặc hình thành martensite trừ khi kim loại phụ được chọn để chống lại sự dịch chuyển đó.

Pha loãng là tỷ lệ phần trăm của kim loại hàn thành phẩm có nguồn gốc từ kim loại cơ bản nóng chảy chứ không phải từ dây phụ hoặc điện cực. Trong một mối nối kim loại-tương tự, việc pha loãng hầu như không làm thay đổi kết quả vì cả hai bên đều có chung thành phần hóa học. Ở những mối nối khác nhau, sự pha loãng có thể kéo kim loại mối hàn đi một khoảng đáng kể trên sơ đồ pha.

Hàn hợp kim niken với thép cacbon:Thu gom sắt từ phía thép carbon làm loãng hàm lượng niken trong vũng hàn. Nếu chất độn không mang đủ niken để bù lại thì cặn lắng tạo thành có thể tạo thành martensite giòn trong vùng nhiệt hạch.

Hàn hợp kim niken với thép không gỉ austenit:Độ pha loãng nhẹ hơn nhưng hàm lượng crom và molypden vẫn có thể giảm xuống dưới ngưỡng cần thiết để có khả năng chống ăn mòn hoàn toàn trong môi trường sử dụng.

Hàn hợp kim nikenthép không gỉ song công: Sự pha loãng có thể làm xáo trộn sự cân bằng ferrite{0}}austenite trong vùng nhiệt hạch, vì vậy việc lựa chọn chất độn phải tính đến cả hóa học pha loãng và cân bằng pha chứ không chỉ riêng khả năng chống ăn mòn.

Các kỹ sư hàn dự đoán kết quả này bằng cách sử dụng sơ đồ Schaeffler hoặc chính xác hơn đối với-chất độn niken cao, sơ đồ WRC{2}}1992, biểu đồ tương đương crom với đương lượng niken để xác nhận cặn hàn pha loãng nằm trong vùng dẻo, chống nứt trước khi bắt đầu hàn.

Ma trận lựa chọn kim loại phụ cho các khớp khác nhau phổ biến là gì?

ERNiCrMo-3 bao gồm hầu hết các khớp khác nhau liên quan đến Inconel 625, 718 hoặc 825; Cần có ERNiCrMo-4 hoặc ERNiCrMo-14 khi kim loại cơ bản Hastelloy C-276 hoặc C-22 phải duy trì toàn bộ khả năng chống ăn mòn trên toàn bộ mối nối.

Ma trận này là điểm khởi đầu, không thay thế cho WPS/PQR đủ điều kiện. Việc lựa chọn chất độn thực tế phải luôn được xác nhận dựa trên tiêu chuẩn ASME Phần IX, độ dày kim loại cơ bản cụ thể và môi trường sử dụng, vì các yếu tố như hàm lượng khí chua hoặc khả năng tiếp xúc với chất đông lạnh có thể cao hơn khuyến nghị chung.

Tại sao ERNiCrMo-3 là lựa chọn mặc định cho hầu hết các mối nối niken khác nhau?

ERNiCrMo-3 có phạm vi pha loãng rộng hơn hầu hết các chất độn niken khác trong khi vẫn nằm trong vùng chống nứt-chống ăn mòn-của sơ đồ WRC-1992, khiến nó trở thành mặc định có rủi ro thấp nhất đối với các kết hợp thép cacbon, thép không gỉ và song công.

Ba đặc tính giải thích sự thống trị của nó trong các ứng dụng chung khác nhau:

Dung sai pha loãng rộng:Bởi vì thành phần cơ bản của nó đã chứa hàm lượng niken cao, crom và molypden vừa phải, nên nó có thể hấp thụ độ pha loãng từ 20 đến 30 phần trăm từ kim loại gốc sắt{2}}và vẫn giữ được độ dẻo và khả năng chống ăn mòn ở mức chấp nhận được.

Khả năng chống nứt nóng-từ niobi:Niobium tạo thành các cacbua ổn định và pha Laves làm gián đoạn đường nứt trong quá trình hóa rắn, điều này quan trọng nhất ở các mối nối khác nhau bị hạn chế cao, nơi ứng suất dư tăng cao.

Chấp nhận mã rộng:ERNiCrMo-3 (GTAW/GMAW) và ENiCrMo-3 (SMAW) đủ tiêu chuẩn theo ASME Mục IX, AWS A5.14 và A5.11, đồng thời được phê duyệt rộng rãi về thông số kỹ thuật hàn EPC, giúp rút ngắn thời gian thẩm định quy trình và thời gian thực hiện mua sắm.

Khi nào bạn nên sử dụng ERNiCrMo-4 hoặc ERNiCrMo-14 thay vì ERNiCrMo-3?

Sử dụng ERNiCrMo-4 hoặc ERNiCrMo-14 khi mối nối liên quan đến kim loại cơ bản Hastelloy C-276 hoặc C-22 và môi trường sử dụng yêu cầu kim loại hàn phải phù hợp với khả năng chống rỗ, ăn mòn kẽ hở hoặc axit oxy hóa/khử hỗn hợp của kim loại cơ bản, vì ERNiCrMo-3 không mang đủ molypden để phù hợp với các hợp kim đó sau khi pha loãng.

ERNiCrMo-4 (chất độn Hastelloy C-276):Được chọn khi kim loại cơ bản là C-276 và dịch vụ, chẳng hạn như khí chua có hàm lượng clorua cao, yêu cầu toàn bộ số tương đương khả năng chống rỗ (PREN) của hợp kim gốc thay vì PREN thấp hơn của cặn lắng loại 625 pha loãng.

ERNiCrMo-14 (chất độn Hastelloy C-22):Được chọn cho kim loại cơ bản C-22 trong môi trường axit hỗn hợp (kết hợp nitric, hydrochloric, sulfuric) trong đó khả năng chống cân bằng của C-22 đối với cả điều kiện oxy hóa và khử phải được duy trì trong mối hàn.

Trong thực tế, việc sử dụng ERNiCrMo-3 trên mối nối C-276 là một lỗi thông số kỹ thuật phổ biến và tốn kém: mối nối thường sẽ vượt qua thử nghiệm cơ học tiêu chuẩn, nhưng nó có thể bị hỏng sớm trong quá trình sử dụng nếu môi trường đủ khắc nghiệt để khai thác hàm lượng molypden thấp hơn của kim loại mối hàn pha loãng. Việc lựa chọn chất độn phải luôn được điều khiển bởi môi trường ăn mòn, không chỉ bởi khả năng hàn hoặc chi phí.

Bạn hàn hợp kim niken với thép cacbon hoặc thép hợp kim{0}}thấp như thế nào?

Các mối nối niken-với-thép yêu cầu một lớp bơ của chất độn hợp kim niken trên mặt thép trước khi lắp ráp lần cuối hoặc chất độn niken-cao được áp dụng trong kỹ thuật pha loãng-có kiểm soát, để ngăn chặn việc thu gom sắt hình thành martensite giòn trong vùng nhiệt hạch.

Thép cacbon và thép hợp kim thấp-đóng góp một lượng lớn sắt vào vũng hàn so với độ dày của chúng và không giống như thép không gỉ, chúng không chứa crom hoặc niken để làm giảm hiệu ứng đó. Hai thực hành kiểm soát kết quả:

Bơ:Một lớp ERNiCrMo-3 (hoặc hợp kim phù hợp) được phủ lên mặt thép và để nguội, sau đó mài phẳng. Sau đó, mối hàn mối nối cuối cùng được thực hiện giữa hai bề mặt giàu niken-, về cơ bản chuyển mối nối khác nhau thành mối nối gần giống nhau và giảm đáng kể nguy cơ pha loãng.

Kỹ thuật xâu chuỗi, cấp nhiệt độ thấp-:Khi việc bôi bơ không thực tế, việc giảm thiểu lượng nhiệt đầu vào và sử dụng nhiều đường ray thay vì một đường dệt lớn sẽ hạn chế mức độ nóng chảy của thép và lượng sắt đi vào vũng hàn.

Việc bôi bơ đặc biệt được ưu tiên cho các mối nối -dày, áp suất-cao hoặc các mối nối dịch vụ-theo chu kỳ, chẳng hạn như các mối hàn vòi lò phản ứng-với-vỏ, bởi vì nó mang lại sự pha loãng có thể dự đoán được, có thể xác định được mã-bất kể ai thực hiện mối hàn hiện trường cuối cùng.

Làm thế nào để bạn hàn hợp kim niken với thép không gỉ song công hoặc siêu song công?

ERNiCrMo-3 cũng là chất độn tiêu chuẩn cho các mối nối song công từ hợp kim niken-đến{3}}đến{4}}vì nó tránh làm ảnh hưởng đến sự cân bằng pha ferit-austenit mà thép không gỉ song công phụ thuộc vào độ bền và khả năng chống ăn mòn.

Thép không gỉ song công và siêu song công dựa trên cấu trúc vi mô austenit khoảng 50/50{2}}ferit. Hàn chúng với hợp kim niken bằng chất độn phù hợp-hai mặt có thể đẩy vùng nhiệt hạch về phía ferit dư thừa, vì sự pha loãng hợp kim niken-làm thay đổi sự cân bằng một cách khó lường. Việc sử dụng chất độn đầy đủ austenit, có hàm lượng niken-cao chẳng hạn như ERNiCrMo-3 sẽ tránh được vấn đề này: kim loại mối hàn thu được là austenit ở cả hai phía của ranh giới nung chảy, loại bỏ hoàn toàn câu hỏi về kiểm soát ferit trong khi vẫn cung cấp khả năng chống ăn mòn vượt xa kim loại cơ bản song công trong hầu hết các dịch vụ.

Bơ đóng vai trò gì trong các mối hàn kim loại không giống nhau?

Việc bôi bơ giúp tách mối hàn sản xuất cuối cùng khỏi sự tiếp xúc trực tiếp với kim loại cơ bản-dễ bị pha loãng hơn, cho phép mối nối đạt chất lượng và được hàn bằng hóa chất có độ pha loãng thấp-có thể dự đoán được bất kể độ dày mặt cắt hoặc điều kiện hiện trường.

Việc bôi bơ đặc biệt có giá trị trong ba trường hợp: các phần thép cacbon dày mà nếu không sẽ bị pha loãng nghiêm trọng, các mối nối tại xưởng-đến-nơi mà việc bôi bơ có thể được thực hiện trong các điều kiện tại xưởng được kiểm soát và mối hàn hiện trường cuối cùng chỉ nối các bề mặt giàu niken-tương tự và hàn sửa chữa khi thành phần kim loại cơ bản ban đầu không chắc chắn. Mối nối được bôi bơ cũng dễ dàng đủ điều kiện hơn theo ASME Phần IX vì PQR có thể dựa trên mối hàn cuối cùng từ niken-có đặc tính từ niken-đến-niken thay vì mối hàn khác biệt trực tiếp có nhiều biến đổi.

Những quy tắc và tiêu chuẩn nào chi phối việc lựa chọn kim loại phụ cho các mối nối niken khác nhau?

AWS A5.11 và A5.14 tự phân loại các kim loại phụ, ASME Phần IX quy định việc đánh giá quy trình cho mối nối và NACE MR0175/ISO 15156 bổ sung các yêu cầu kiểm tra độ cứng và ăn mòn-khi dịch vụ có điều kiện chua (H2S).

AWS A5.14 (Que và điện cực hàn trần hợp kim niken và niken):Phân loại dây phụ GTAW và GMAW, bao gồm ERNiCrMo-3, ERNiCrMo-4 và ERNiCrMo-14, theo thành phần hóa học.

AWS A5.11 (Điện cực được phủ hợp kim niken và niken):Phân loại các điện cực SMAW như ENiCrMo-3 và ENiCrMo-4 cho cùng một họ hợp kim.

ASME Phần IX:Quản lý tiêu chuẩn WPS/PQR cho mối nối không giống nhau và xử lý sự thay đổi về số F-kim loại phụ hoặc số A{1}} hoặc thay đổi về số P- của kim loại cơ bản, như một biến số thiết yếu yêu cầu tái xác nhận chất lượng.

NACE MR0175 / ISO 15156:Thêm các giới hạn về độ cứng và các yêu cầu kiểm tra-ăn mòn (chẳng hạn như ASTM G48) cho các mối hàn hợp kim niken khác nhau được sử dụng trong dịch vụ dầu khí chua.

Câu hỏi thường gặp

Tôi có thể sử dụng chất độn không gỉ 309L để nối Inconel 625 với thép carbon không?

Khuyến nghị rằng. 309L không thiếu hàm lượng niken để chống lại sự pha loãng sắt một cách đáng tin cậy từ các phần thép carbon dày và nó không mang molypden hoặc niobi cần thiết để phù hợp với khả năng chống ăn mòn hoặc chống nứt nóng-của 625. ERNiCrMo-3, lý tưởng nhất là với khớp nối bơ, là lựa chọn chính xác.

Chất độn ERNiCrMo-3 có giống như kim loại cơ bản Inconel 625 không?

Nó có liên quan chặt chẽ nhưng không giống nhau. Dây phụ ERNiCrMo-3 được chế tạo với hàm lượng niobi cao hơn một chút so với kim loại cơ bản tiêu chuẩn 625, đặc biệt để chống nứt nóng trong quá trình hóa rắn, vì kim loại mối hàn nguội đi và hóa rắn khác với kim loại cơ bản được rèn hoặc đúc.

Tôi có cần phết bơ lên ​​cả hai mặt của một mối nối khác nhau hay chỉ mặt thép?

Thông thường chỉ có mặt thép cacbon hoặc thép hợp kim thấp{0}}cần được bôi bơ. Mặt hợp kim niken hoặc thép không gỉ vốn đã có tính chất hóa học tương thích và không làm loãng đáng kể vũng hàn với các yếu tố có hại.

Điều gì xảy ra nếu sử dụng sai kim loại phụ trên mối nối niken không giống nhau?

Mối nối có thể vượt qua thử nghiệm cơ học ban đầu nhưng không sớm được sử dụng do nứt nóng, hình thành martensite hoặc ăn mòn cục bộ vì các thử nghiệm kéo và uốn tiêu chuẩn không phải lúc nào cũng cho thấy độ pha loãng hóa học cận biên hoặc khả năng-ăn mòn lâu dài.

Việc lựa chọn kim loại phụ có được tính là một biến số thiết yếu trong ASME Phần IX không?

Đúng. Thay đổi về kim loại phụ F-Số hoặc A{2}}Số là một biến thiết yếu, nghĩa là bất kỳ thay đổi nào đều yêu cầu WPS phải được xác nhận lại bằng PQR mới trước khi có thể sử dụng nó trong sản xuất.

Phần kết luận

Việc chọn kim loại phụ phù hợp cho mối nối hợp kim niken khác nhau có nghĩa là dự đoán thành phần hóa học mối hàn loãng và làm cho nó phù hợp với môi trường sử dụng, chứ không chỉ đơn giản là chọn chất độn có cùng tên với một trong các kim loại cơ bản.

Các mối nối hợp kim niken khác nhau nằm ở điểm giao nhau giữa luyện kim và kỹ thuật ăn mòn: kim loại phụ phải hàn thành công, chống nứt khi pha loãng và mang lại hiệu suất ăn mòn phù hợp với môi trường sử dụng thực tế, đôi khi đối với hai kim loại cơ bản đòi hỏi khắt khe hơn.

Các nhà chế tạo tính toán độ pha loãng bằng sơ đồ Schaeffler hoặc WRC-1992, chỉ định việc bôi bơ khi thích hợp và xác định quy trình theo ASME Mục IX luôn tránh được những lỗi sớm xuất phát từ việc coi việc lựa chọn kim loại phụ như một thao tác tra cứu đơn giản. Đối với các mối nối khác nhau quan trọng trong hệ thống Inconel, Hastelloy hoặc Monel, việc hợp tác với nhà cung cấp dự trữ đầy đủ các kim loại phụ phù hợp và có thể hỗ trợ phát triển WPS/PQR giúp giảm đáng kể cả rủi ro chế tạo và chi phí bảo trì dài hạn.