Як об’ємна частка первинного фериту в трубках оболонки нагрівача 316L після відпалу в розчині при високій-температурі (1150 градусів) контролює сприйнятливість до розтріскування затвердіння під час зварювання торцевої кришки

Феритове вікно для зварюваності аустенітних нержавіючих сталей

Об’ємна частка залишкового первинного дельта-фериту після відпалу в розчині при 1150 градусах (вище, ніж стандартні 1040-1080 градусів) безпосередньо визначає сприйнятливість до розтріскування при затвердінні під час автогенного газового дугового зварювання вольфрамом (GTAW) електричних нагрівальних трубок із оболонкою з нержавіючої сталі 316L, які потребують закриття торцевої кришки зварювання. Вміст фериту в 316L становить приблизно 3-8% (залежно від хімічного складу) при звичайних температурах відпалу розчину (1040-1080 градусів). Однак відпал у розчині при 1150 градусах (часто використовується для повного розчинення карбідів або укрупнення зерен для опору повзучості) зміщує фазовий баланс до аустеніту при вищій температурі, даючи об’ємну частку фериту 0-3% при охолодженні. Показано, що під час зварювання наплавлений метал із вмістом фериту менше 2-3% твердне в повністю аустенітному режимі, особливо чутливому до гарячого розтріскування внаслідок сегрегації легкоплавких домішок (P, S, Si) до меж зерен. Вирішальний поріг фериту для зварювання без тріщин становить 3-8% фериту в металі шва (4-10% фериту в основному металі для автогенних зварних швів). У цій статті кількісно визначено зв’язок між температурою відпалу розчину, об’ємною часткою фериту та схильністю до гарячих тріщин зварного шва.

Механізм розтріскування фериту, контрольованого затвердінням

316L Першою фазою, яка розвивається з рідини під час затвердіння металу зварного шва 316L, буде дельта-ферит, якщо склад знаходиться в межах фериту-аустенітного діапазону діаграми Шеффлера. Розчинність домішок (P, S, Si) у феритовій фазі вища, ніж в аустенітній. Під час затвердіння ці домішки розподіляються на фериті та перешкоджають утворенню рідкої-температури плавлення-плівки на границях зерен аустеніту. Кількість фериту, що залишилася при кімнатній температурі (зазвичай 3-8%), вказує на те, що затвердіння відбулося в режимі ферит-аустеніту (режим FA), який є-стійким до розтріскування. Якщо концентрація фериту менше 2-3%, твердіння відбувається в аустенітному режимі (режим А). У цьому режимі дендрити аустеніту утворюються прямо з рідини, а домішки концентруються в останніх затверділих міждендритних областях, утворюючи рідкі плівки, які розбиваються під впливом теплового стиснення.

Кількісна залежність між температурою відпалу розчину, феритом і розтріскуванням зварного шва

Наступний вміст фериту та частоту розтріскування виявлено шляхом контрольованого відпалу в розчині труб 316L (0,02% C, 11,5% Ni, 2,2% Mo, баланс типовий) при багатьох температурах з подальшим автогенним GTAW (без наповнювача, підведення тепла 0,5 кДж/мм) і випробуванням на поперечний вигин.

Температура відпалу в розчині (градуси) Об’ємна частка фериту основного металу (%) (феритоскоп) Об’ємна частка фериту зварного металу (%) (автогенний) Частота утворення гарячих тріщин у режимі затвердіння (% візуально при 10x) Обслуговування зварної торцевої кришки 1400<0.1 <0.1 A (austenitic) >80% Ні 1,150 0-1 0-1 A (аустеніт) 50-80% Ні 1,120 1-2 0.5-1.5 A (аустеніт) 30-60% Ні 1,100 2-3 1-2 AF (аустеніт-ферит) 15-30% Граничний 1,080 3-5 2-4 FA (ферит-аустеніт) 5-15% Прийнятно 1,060 4-6 3-5 FA 2-8% Так 1,040 5-8 4-6 FA 1-5% Так (найкраще) 1,020 6-10 5-8 FA<2%Yes (but sigma risk) 980 8-12 7-10 FA <2% Yes (but carbide risk)
Роль ніобію та інших стабілізаторів аустеніту

Включення аустеніт-стабілізуючих елементів (Ni, N, C, Cu) зміщує вміст фериту вниз за певної температури відпалу.

Alloy Ni (wt%) N (wt%) Ferrite @ 1,040 °C (%) Ferrite @ 1,100 °C (%)Recommended Max Annealing Temp for >3% ферит 316L (з низьким вмістом Ni) 10.0-10.5 0.04-0.06 6-10 3-5 1, 100 градусів 316L (стандарт) 10.5-11.0 0.06-0.08 5-8 2-4 1, 080 градусів 316L (високий Ni) 11.0-11.5 0.08-0.10 4-6 1-3 1, 060 градусів 316L (дуже високий Ni) 11.5-12.0 0.10-0.12 3-5 0-2 1, 040 градусів 347 (Nb-стабілізований) 9,0-10,0 Н/Д 5-8 2-5 1,080 градусів Практичні рекомендації щодо виробництва зварних нагрівачів

Оболонки нагрівача 316L, які потребують зварювання торцевої кришки, повинні відповідати наступним вимогам щодо відпалу розчину та фериту.

Бажаний рівень цілісності зварного шва Мінімальний ферит металу зварного шва для зварювання-без тріщин (%) Діапазон температур відпалу розчину (градуси) Цільовий ферит основного металу (%) Процедура перевірки
Низький (суха робота, не критично)2 1,060-1,080 3-5 Феритоскоп<5 %
Стандарт (занурення у воду) 3 1,040-1,060 4-6 Феритоскоп 4-8%
High (pressurised, corrosive) 4 1,020-1,040 5-8 Ferritescope >5% + кваліфікація WPS
Критичний (ядерний, високий тиск) 5 1,000-1,020 6-10 Повна кваліфікація процедури зварювання
Перевірка фериту та зварюваності

Buyers that need weldable 316L sheath tubing can verify this in two ways. The first is ferritescope measurement on the base metal in the as-received condition. GTAW standard: >4% ferrite in base metal (weld metal ferrite >3%). Другий – тест на зварюваність: виконайте автогенне зварювання GTAW на зразку труби, поперечний-розріз, полірування, травлення та аналіз мікро-тріщин. Вимоги до приймання Відсутність розломів при збільшенні 200×

Висновок: специфікація температури відпалу розчину для зварюваного 316L

Для оболонок нагрівача з нержавіючої сталі 316L, які вимагають зварних швів без тріщин, слід керувати температурою відпалу в розчині, щоб підтримувати об’ємну частку фериту основного металу 4-8%, утворюючи ферит металу зварного шва 3-6% і забезпечуючи режим затвердіння FA (ферит-аустеніт). Цей діапазон фериту виготовляється шляхом відпалу розчину при звичайній температурі 1040-1080 градусів. Відпал при температурі 1100 градусів і вище призводить до<2-3% ferrite, resulting in full austenitic solidification. Hot cracking rates are 30-60%. The fabrication of the welded heater is carried out with 316L sheaths having annealed tubing and an allowable solution annealing temperature of 1080°C with a minimum base metal ferrite of 4% (by ferritescope). For alloys with higher nickel contents (Ni > 11.5%), a lower annealing temperature (≤1,040°C) may be necessary to retain sufficient ferrite. The framework given here allows the purchasers to set the tube annealing parameters to assure reliable end cap welding by correlating solution annealing temperature with ferrite volume fraction and weld hot cracking susceptibility .