Czy mogę spawać ASTM A387 Gr22 i 304 blachę stalową razem?

Spawanie stali różnej ma szerokie zastosowanie w dziedzinie, takiej jak przemysł lotniczy i kosmiczny, przemysł petrochemiczny, przemysł maszynowy. Niepodobna stal jest naprawdę różna w składzie chemicznym, zgodności metalurgicznej i właściwości fizycznych i itp., które pojawią się migracji elementów stopu, nierówny skład chemiczny i organizacje metalograficzne w procesie spawania, również może produkować naprężenia termiczne i spawania deformacji lub pęknięć, to zmniejszy właściwości mechaniczne połączeń spawanych. W tym artykule przeanalizowano spawalność złączy spawanych ze stali różnej wielkości ASTM A387 GR22 Chromoly steel plate i S30408 stainless steel plate, a także wybrano odpowiednie metody spawania, materiały spawalnicze i parametry procesu spawania, a także obróbkę cieplną po spawaniu.

Klasy	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 to powszechnie stosowana austenityczna stal nierdzewna, ASTM A387 GR22 to niskostopowa stal żaroodporna o dobrej odporności na wysoką temperaturę i odporności na wodór, stosowana głównie w reaktorze zakładu uwodornienia i wymienniku ciepła oraz innych urządzeniach. Chrom i molibden mogą znacznie poprawić hartowność stali, a , metal spoiny i strefa dotknięta ciepłem mogą tworzyć mikrostrukturę wrażliwą na pękanie na zimno przy określonej prędkości chłodzenia. Kruchość postępująca występuje, gdy całkowita zawartość niebezpiecznych metali resztkowych przekracza dopuszczalny limit na poziomie 350-550℃ przez długi okres eksploatacji. Główne trudności, z którymi musimy się zmierzyć to:

• Rozcieńczenie spoiny

W trakcie procesu spawania metal spoiny jest rozcieńczany przez osadzony metal. W metalu spoiny w pobliżu strefy wtopienia po jednej stronie blachy stalowej ASTM A387 GR22 tworzy się warstwa przejściowa. Skład warstwy przejściowej różni się od składu metalu spoiny. Im wyższa jest zawartość stopu metali nieszlachetnych, tym wyższy jest współczynnik wtopienia i tym wyższy jest stopień rozcieńczenia. Warstwa przejściowa po stronie ASTM A387 GR22 może wytworzyć kruchą strukturę martenzytu z powodu rozcieńczenia.

• Migracja węgla

Atomy chromu i węgla w wysokiej temperaturze jest łatwo tworzyć związki węglika chromu, ASTM A387 Gr22 blachy stalowej strony tworzy atomy węgla z obszaru odwęglenia z powodu słabego chromu w procesie spawania, z kolei, zmiękczanie, grube ziarna, zwiększenie kruchości, odporność na korozję, a S30408 strony do wzbogacania chromu i atomów węgla, aby utworzyć warstwę nawęglania migracji i hartowania, wielkość ziarna i wydajność lepiej.

• Naprężenia spawalnicze

Ze względu na różne przewodnictwo cieplne i współczynnik rozszerzalności liniowej dwóch materiałów, naprężenia termiczne będą generowane w strefie wysokiej temperatury podczas procesu spawania, które nie mogą być wyeliminowane, co powoduje dodatkowe naprężenia w pobliżu strefy spoiny i fuzji, a naprężenia szczątkowe spawania generowane w procesie chłodzenia ze względu na niespójny skurcz, co powoduje pęknięcia na boku blachy stalowej ASTM A387GR22.

Po poznaniu możliwych problemów, materiałami do tego eksperymentu są płyty ze stali nierdzewnej ASTM A387GR22 i S30408, o specyfikacji 400mm×150mm×10mm. Skład chemiczny tych dwóch materiałów przedstawiono w tabeli:

• Metoda spawania

W celu zmniejszenia rozcieńczenia złączy spawalniczych i zapobiegania zimnym pęknięciom i pęknięciom reheat, materiał spawalniczy na bazie stopu niklu jest najpierw napawany na stronie ASTM A387GR22 podczas spawania. Wybrano metody spawania o małym współczynniku wtopienia i niskim współczynniku rozcieńczenia, takie jak spawanie łukowe argonem wolframu i spawanie łukowe elektrodą. W tym eksperymencie spawanie łukowe argonowe jest używane jako podkład i metoda spawania łukowego pokrycia spawalniczego.

• Materiały do spawania

Elektrody na bazie niklu i druty ERNiCr-3/ENiCr-3 służą do blokowania powstawania węglików przez grafityzację niklu, zmniejszają warstwę przejściową i zapobiegają wytwarzaniu kruchej struktury martenzytu, a także dalej hamują migrację węgla w płycie stalowej ASTM A387GR22.

• Rowek spawalniczy

Rodzaj rowka spawalniczego powinien uwzględniać liczbę warstw spawalniczych, ilość metalu wypełniającego oraz współczynnik wtopienia i naprężenia szczątkowe spawania. Rodzaj i wielkość projektowanego rowka przedstawiono poniżej:

• Podgrzewanie wstępne i regulacja temperatury międzywarstwowej

Mikrostruktura ASTM A387 GR22 to odpuszczony bainit, a S30408 to austenit. Pierwszy z nich charakteryzuje się hartownością, skłonnością do pęknięć przy przegrzewaniu i kruchością przy odpuszczaniu, natomiast drugi charakteryzuje się dobrą spawalnością. Zgodnie ze składem chemicznym, formą złącza, metodą spawania i materiałem spawalniczym materiałów ustaliliśmy, że temperatura wstępnego podgrzewania wynosiła około 200℃, a temperatura między przejściami spawalniczymi mieściła się w granicach 100℃. Po spawaniu natychmiast przeprowadzono obróbkę cieplną w temperaturze 350℃×2h.

• Parametr procesu spawania

Warstwa spawalnicza	Metody spawania	Druty spawalnicze	Elektroda do spawania	Prąd spawania I/A	Ciśnienie spawania U/V	Prędkość spawania v/cm
Nawierzchnia	SMAW	ERNiCr-3, 4,0mm	DCEP	140-160	23-26	16-20
Zgrzewanie punktowe/1	GTAW	ERNiCr-3, 2,4 mm	DCSP	120-150	13-15	8-10
2-końcówka	SMAW	ERNiCr-3, 4.0mm	DCEP	140-160	23-26	16-20

Przed spawaniem oczyść warstwę tlenku, olej, wilgoć, rdzę itp. w promieniu 200 mm od rowka i obu stron blachy stalowej. Specyficzne parametry procesu spawania przedstawiono w tabeli.

• Odciążająca obróbka cieplna po spawaniu

Obróbka cieplna po naprężeniu spawania jest ważnym procesem zapobiegającym pęknięciom spawalniczym. Duże naprężenia szczątkowe spawania będą generowane podczas spawania, więc 690±10℃×2h obróbka cieplna jest wymagana po spawaniu, aby wyeliminować naprężenia szczątkowe spawania i uniknąć generowania pęknięć.

• Wyniki i analiza

Przeprowadziliśmy inspekcję wyglądu na płycie stalowej zgodnie z normą oceny spawania dla urządzeń nośnych pod ciśnieniem i stwierdziliśmy, że na powierzchni nie było żadnych wad, takich jak pory, wtrącenia żużla i pęknięcia. Następnie przeprowadziliśmy kontrolę radiograficzną 100% oraz badania właściwości mechanicznych, takich jak rozciąganie, zginanie i uderzanie. Wyniki badań zostały przedstawione w tabeli.

Pozycja	Szerokość/mm	Grubość/mm	CSA/mm²	Maksymalne obciążenie	Wytrzymałość na rozciąganie
I1	20.30	39.72	806.3	507.12	625 Mpa
I2	20.28	39.78	806.7	482.83	600 Mpa

Nr próbki.	Typ zgięcia	Grubość/mm	Średnica łuku	Kąt zgięcia	Wyniki
C1	Zginanie boczne	10	D=40 mm	180°	Wykwalifikowani
C2	Zginanie boczne	10	D=40 mm	180°	Wykwalifikowani
C3	Zginanie boczne	10	D=40 mm	180°	Wykwalifikowani

Nr próbki.	Wielkość próbki mm	Pozycja luki	Temperatura badania	Energia pochłaniająca uderzenie/Akv
R1	10*10*55	A387 GR22 strona	0℃	152
R2	10*10*55	A387 GR22 strona	0℃	176
R3	10*10*55	A387 GR22 strona	0℃	122

Z powyższych danych można zauważyć, że testy rozciągania, zginania i uderzenia są kwalifikowane, co wskazuje, że nasz plan procesu spawania jest kwalifikowany, spawanie płyt stalowych z materiałów niepodobnych między ASTM A387 Grade 22 i 304 są doskonale wykonalne.