È possibile saldare insieme una lastra di acciaio ASTM A387 Gr22 e 304?

La saldatura di acciai dissimili trova ampia applicazione in settori quali l'aerospaziale, l'industria petrolchimica e l'industria meccanica. Gli acciai dissimili sono realmente diversi per composizione chimica, compatibilità metallurgica e proprietà fisiche e così via, il che comporta la migrazione di elementi di lega, una composizione chimica non uniforme e organizzazioni metallografiche nel processo di saldatura, oltre a produrre stress termico e deformazioni o cricche di saldatura, riducendo le proprietà meccaniche dei giunti saldati. In questo lavoro, è stata analizzata la saldabilità dei giunti saldati di acciaio dissimile tra la piastra di acciaio cromolitico ASTM A387 GR22 e la piastra di acciaio inossidabile S30408, e sono stati selezionati i metodi di saldatura, i materiali di saldatura e i parametri del processo di saldatura appropriati, nonché il trattamento termico post-saldatura.

Gradi	C	Si	Mn	Cr	Mo	Cu	Ni	N	P	S
A387 GR22	0.11	0.35	0.46	2.21	1.06	0.12	0.22	/	0.01	0.006
304	0.05	0.62	1.83	19.16	/	/	8.97	0.06	0.027	0.015

S30408 è un acciaio inossidabile austenitico di uso comune, ASTM A387 GR22 è un acciaio basso legato resistente al calore con una buona resistenza alle alte temperature e all'idrogeno, utilizzato principalmente nel reattore dell'impianto di idrogenazione e nello scambiatore di calore e in altre apparecchiature. Il cromo e il molibdeno possono migliorare significativamente la temprabilità dell'acciaio e, il metallo saldato e la zona termicamente interessata possono formare una microstruttura sensibile alla cricca a freddo a una determinata velocità di raffreddamento. L'infragilimento progressivo si verifica quando il contenuto totale di metalli residui pericolosi supera il limite consentito a 350-550℃ per lunghi periodi di funzionamento. Le principali difficoltà da affrontare sono:

• Diluizione della saldatura

Il metallo saldato viene diluito dal metallo depositato durante il processo di saldatura. Si forma uno strato di transizione nel metallo saldato vicino alla zona di fusione su un lato della piastra di acciaio ASTM A387 GR22. La composizione dello strato di transizione è diversa da quella del metallo saldato. Più alto è il contenuto di lega del metallo base, più alto è il rapporto di fusione e più alto è il tasso di diluizione. Lo strato di transizione sul lato ASTM A387 GR22 può produrre una struttura di martensite fragile a causa della diluizione.

• Migrazione del carbonio

Il cromo e gli atomi di carbonio ad alta temperatura sono facili da formare composti di carburo di cromo, il lato della piastra d'acciaio ASTM A387 Gr22 forma atomi di carbonio dalla zona di decarburazione a causa dello scarso cromo nel processo di saldatura, a sua volta, l'ammorbidimento, grani grossolani, aumentare la fragilità, la resistenza alla corrosione, e il lato S30408 per arricchire il cromo e gli atomi di carbonio per formare la migrazione dello strato di carburazione, e l'indurimento, la dimensione dei grani e le prestazioni migliori.

• Sollecitazione di saldatura

A causa della diversa conducibilità termica e del diverso coefficiente di espansione lineare dei due materiali, durante il processo di saldatura si generano tensioni termiche nella zona ad alta temperatura, che non possono essere eliminate, con conseguenti tensioni aggiuntive in prossimità della zona di saldatura e di fusione, e tensioni residue di saldatura generate nel processo di raffreddamento a causa di un ritiro incoerente, con conseguenti cricche sul lato della piastra di acciaio ASTM A387GR22.

Dopo aver conosciuto i possibili problemi, i materiali per questo esperimento sono lastre di acciaio inossidabile ASTM A387GR22 e S30408, con specifiche di 400mm×150mm×10mm. La composizione chimica dei due materiali è riportata nella tabella:

• Metodo di saldatura

Per ridurre la diluizione dei giunti di saldatura e prevenire le cricche da freddo e da riscaldo, durante la saldatura il materiale di saldatura in lega a base di nichel viene prima fatto affiorare sul lato dell'ASTM A387GR22. Sono stati scelti metodi di saldatura con un piccolo rapporto di fusione e un basso tasso di diluizione, come la saldatura ad arco di tungsteno ad argon e la saldatura ad elettrodo. In questo esperimento, la saldatura ad arco ad argon è utilizzata come supporto e il metodo di saldatura ad arco di copertura.

• Materiali per la saldatura

Elettrodi a base di nichel e fili ERNiCr-3/ENiCr-3 sono utilizzati per bloccare la formazione di carburo dalla grafitizzazione del nichel, ridurre lo strato di transizione e impedire la generazione di una struttura martensitica fragile, nonché inibire ulteriormente la migrazione del carbonio nella piastra d'acciaio ASTM A387GR22.

• Scanalatura di saldatura

Il tipo di scanalatura di saldatura deve tenere conto del numero di strati di saldatura, della quantità di metallo di riempimento, del rapporto di fusione e della tensione residua di saldatura. Di seguito sono riportati il tipo e le dimensioni della scanalatura progettata:

• Preriscaldamento e controllo della temperatura interstrato

La microstruttura dell'ASTM A387 GR22 è bainite temperata, mentre quella dell'S30408 è austenite. Il primo presenta temprabilità, tendenza alla cricca da riscaldo e fragilità da rinvenimento, mentre il secondo ha una buona saldabilità. In base alla composizione chimica, alla forma del giunto, al metodo di saldatura e al materiale di saldatura dei materiali, abbiamo stabilito che la temperatura di preriscaldamento fosse di circa 200℃ e che la temperatura tra le passate di saldatura fosse compresa tra 100℃. Dopo la saldatura, il trattamento termico è stato condotto immediatamente a 350℃×2h.

• Parametri del processo di saldatura

Strato di saldatura	Metodi di saldatura	Fili per saldatura	Elettrodo di saldatura	Corrente di saldatura I/A	Pressione di saldatura U/V	Velocità di saldatura v/cm
Rivestimento	SMAW	ERNiCr-3, 4,0 mm	DCEP	140-160	23-26	16-20
Saldatura a punti/1	GTAW	ERNiCr-3, 2,4 mm	DCSP	120-150	13-15	8-10
2-fine	SMAW	ERNiCr-3, 4,0 mm	DCEP	140-160	23-26	16-20

Prima della saldatura, pulire lo strato di ossido, olio, umidità, ruggine, ecc. entro 200 mm dalla scanalatura e da entrambi i lati della lamiera. I parametri specifici del processo di saldatura sono riportati nella tabella.

• Trattamento termico di distensione post-saldatura

Il trattamento termico post-saldatura è un processo importante per prevenire le cricche di saldatura. Durante la saldatura si generano grandi tensioni residue di saldatura, pertanto dopo la saldatura è necessario un trattamento termico di 690±10℃×2h per eliminare le tensioni residue di saldatura ed evitare la generazione di cricche.

• Risultati e analisi

Abbiamo condotto un'ispezione dell'aspetto della piastra d'acciaio in base allo standard di valutazione della saldatura per le attrezzature a pressione e abbiamo riscontrato l'assenza di difetti quali pori, inclusioni di scorie e crepe sulla superficie. Abbiamo quindi condotto un'ispezione radiografica 100% e test sulle proprietà meccaniche, quali trazione, flessione e impatto. I risultati dei test sono riportati nella tabella.

Articolo	Larghezza/mm	Spessore/mm	CSA/mm²	Carico massimo	Resistenza alla trazione
I1	20.30	39.72	806.3	507.12	625 Mpa
I2	20.28	39.78	806.7	482.83	600 Mpa

Campione n.	Tipo di curva	Spessore/mm	Diametro della curva	Angolo di curvatura	Risultati
C1	Flessione laterale	10	D=40 mm	180°	Qualificato
C2	Flessione laterale	10	D=40 mm	180°	Qualificato
C3	Flessione laterale	10	D=40 mm	180°	Qualificato

Campione n.	Dimensione del campione mm	Posizione del gap	Temperatura di prova	Energia di assorbimento dell'impatto/Akv
R1	10*10*55	A387 lato GR22	0℃	152
R2	10*10*55	A387 lato GR22	0℃	176
R3	10*10*55	A387 lato GR22	0℃	122

Dai dati sopra riportati, si evince che le prove di trazione, flessione e impatto sono tutte qualificate, indicando che il nostro piano di processo di saldatura è qualificato, la saldatura di piastre di acciaio di materiale dissimile tra ASTM A387 Grado 22 e 304 è perfettamente fattibile.