GTAW חוט חם לחיפוי סגסוגת ניקל: בקרת קצב השקיעה ודילול

מָבוֹא

שכבת ריתוך מסגסוגת ניקל מגינה על גבול הלחץ של פחמן ורכיבי פלדה מסגסוגת-נמוכה מפני קורוזיה, ללא עלות בניית החלק כולו מלוח Inconel או Hastelloy מוצק. השכבה פועלת רק אם שני דברים קורים בו-זמנית: התצהיר צריך לרדת מהר מספיק כדי להיות חסכוני, והוא צריך להישאר קרוב מספיק מבחינה כימית למתכת המילוי - ולא לפלדת הבסיס - כדי לספק את עמידות בפני קורוזיה שהתכנון דורש. שני השערים האלה בדרך כלל נלחמים זה בזה. ריתוך קשת טונגסטן בגז תיל חם (GTAW-HW) הוא התהליך שנבנה במיוחד כדי לעצור את המאבק הזה.

מאמר זה משווה GTAW חוט חם לתהליכים אחרים המשמשים לחיפוי סגסוגת ניקל - קר-תיל GTAW, GMAW, רצועת קשת שקועה (SAW-רצועה), קשת מועברת פלזמה (PTA), וחוט חם לייזר - על קצב השקיעה ודילול, וקובע את הפרמטרים הסטנדרטיים, השולטים על הפרמטרים, והפרמטרים. GTAW-הליך שכבת-על של HW.

מהו Hot Wire GTAW, ולמה זה משנה לחיפוי סגסוגת ניקל?

חוט חם GTAW מוסיף מקור כוח שני המחמם מראש את חוט המילוי עד קרוב לנקודת ההיתוך שלו לפני שהוא מגיע לקשת, כך שקשת הטונגסטן כבר לא צריכה לספק את כל האנרגיה הדרושה כדי להמיס את חומר המילוי. ההפרדה הזו של "חמם את החוט" מ"חמם את המתכת הבסיסית" היא מה שמאפשר ל-GTAW-HW להעלות את קצב השקיעה מבלי להעלות את הדילול.

ב-GTAW קר- קונבנציונלי, קשת הטונגסטן מבצעת שתי עבודות בו-זמנית: היא ממיסה את המתכת הבסיסית ליצירת בריכת הריתוך, והיא ממיסה את חוט המילוי המוזן לבריכה זו. מכיוון ששניהם שואבים מאותה אנרגיית קשת, דחיפת יותר חומר מילוי דרך הקשת כדי להעלות את קצב השקיעה מעלה גם את אנרגיית הקשת והתנהגות התנועה הדרושה כדי להמיס אותה - מה שמגביר את המסת מתכת בסיסית ולכן את הדילול.

חוט חם GTAW שובר את הצימוד הזה. ספק כוח נפרד ומבודד חשמלי מעביר זרם דרך חוט המילוי בין קצה המגע לבריכת הריתוך, ומחמם אותו בהתנגדות לטמפרטורת התכה קרובה ל-לפני שהוא מגיע לקשת. תפקידה של קשת הטונגסטן מתכווץ עד לסיים את ההיתוך ולבקרת החדירה למתכת הבסיסית, בעוד שמעגל החימום מראש החוט - ולא הקשת - מספק את רוב האנרגיה הדרושה להמסת חומר המילוי.

קצב השקיעה נקבע בעיקר על ידי מהירות הזנת החוט וזרם החימום מראש, בלתי תלוי במידה רבה בזרם הקשת.

חדירת מתכת בסיס (ולכן דילול) נקבעת בעיקר על ידי זרם קשת ומהירות נסיעה, ללא תלות במידה רבה בקצב השקיעה.

ניתן לכוון את שני המשתנים בנפרד - הסיבה המרכזית לכך ש-GTAW-HW משיגה פרודוקטיביות גבוהה יותר מבלי לוותר על בקרת דילול.

איך Hot Wire GTAW מגדיל את קצב ההפקדה בהשוואה ל--Wire GTAW קונבנציונלי?

חימום מוקדם של החוט מאפשר לו להתמוסס לתוך הבריכה ברגע שהוא מגיע במקום לשאוב אנרגיית התכה מהקשת, וזו הסיבה שקצבי השקיעה של GTAW-מתועדים גבוהים בערך פי שניים עד שלושה מ-GTAW של חוט קר- בקצבי שקיעה של כ-1-12 פאונד לשעה, מבלי להגדיל את אנרגיית הקשת או הדילול.

ב-GTAW-תיל קר, החוט נכנס לבריכה בטמפרטורת החדר והקשת חייבת לספק את מלוא החום הסמוי והחום הגיוני כדי להמיס אותו -. הגבלה על כמה חוט ניתן להוסיף ליחידת זמן לפני שהתהליך מתחיל להדביק, להתיז או להתגלגל בקצה החוט. חימום מוקדם של החוט מסיר באופן התנגדות את רוב החוב התרמי הזה לפני שהחוט מגיע, כך שניתן לשמור על מהירות הזנת חוט גבוהה יותר באותן הגדרות קשת.

מקורות בתעשייה מדווחים על קצבי שקיעת GTAW-בקירוב בין 1 עד 12 פאונד לשעה, בהתאם לקוטר החוט, זרם החימום מראש וגיאומטריית המפרק או השכבה, כאשר רווחי פרודוקטיביות נהוג לצטט פי שניים עד שלושה ממערך GTAW קר- דומה לאותה איכות ריתוך. זו גם הסיבה ש-GTAW-HW ממוקם לעתים קרובות כאמצעי בין-תצהיר קר--GTAW/GTAW מסלולי-נמוכים ותהליכי דילול- גבוהים יותר, כגון GMAW ו-SAW-רצועה.

מקורות: The Fabricator, "Could GTAW hot-wire go mainstream?"; Fit-Weld, "High-High Wire GTAW TIG חיפוי מערכות חיפוי."

כיצד GTAW חוט חם שולט בדילול טוב יותר מתהליכי חיפוי אחרים?

GTAW חוט חם מחזיק בדילול בערך של 3-8% בפרקטיקה של ייצור, שנמצא מתחת לרצועת GMAW ו-SAW- (בדרך כלל 15-30%) ותחרותי עם - אם כי בדרך כלל גבוה יותר מ-- חיפוי חוט חם בלייזר (בערך 5{{8}) רטיית GTAW חזקה ביותר כאשר GTAW 10% נדרש דילול חד-שכבתי מתחת למגבלת 5.0% ברזל משטח.

דילול הוא החלק של משקע הריתוך המוגמר שמגיע ממתכת בסיס מותכת ולא ממתכת מילוי. עבור שכבת-על מסגסוגת ניקל על פלדת פחמן או פלדה מסגסוגת-נמוכה, יש חשיבות לדילול מכיוון שברזל שנאסף מהמתכת הבסיסית מדרדר את עמידות בפני קורוזיה. השכבה קיימת כדי לספק - רוב מפרטי שכבות הסגסוגת ניקל מכסות תכולת ברזל על פני השטח של 5.0% משקל בדיוק מהסיבה הזו, וקשת כללית- יכולה לספוג את התהליך שעדיין יכול לספוג ולספוג את תהליך הדילול.

מכיוון שהקשת של GTAW היא האנרגיה-הנמוכה ביותר, הניתנת לשליטה מרחבית ביותר מבין תהליכי חיפוי הקשת העיקריים, היא תמיד יצרה את הדילול הנמוך ביותר של משפחת הקשתות - החילוץ-באופן היסטורי היה שיעור התצהיר הנמוך שלה. GTAW-HW שומר על תו הדילול-הנמוך הזה תוך סגירת חלק ניכר מפער התצהיר-, שהוא הבסיס לבחירתו בכל מקום שבו שני המשתנים מוגבלים.

מקורות: לינקולן אלקטריק, "חיפוי חוט חם בלייזר"; World Fabrication ריתוך, "סוגי ריתוך/חיפוי -, תהליכים ודרישות ASME"; ScienceDirect, "ריתוך חיפויים של Hastelloy C276 תוך שימוש בתהליך הזנת חוט קר של GTAW." טווחים מייצגים את נתוני השדה והמעבדה שפורסמו; להכשיר את כל הערכים על ידי בדיקת הסמכה לפי הקוד הרלוונטי.

אילו פרמטרים של תהליך שולטים בפועל את קצב ההפקדה/יתרת הדילול?

ארבעה פרמטרים עושים כמעט את כל העבודה: זרם קשת קובע חדירה ודילול, מהירות הזנת חוט וקצב התקנת זרם החימום מראש בלתי תלוי במידה רבה בקשת, ומהירות הנסיעה קובעת חפיפה של חרוזים וכיסוי שכבות - הליך GTAW-HW מוסמך מכוון את כל הארבעה יחד במקום להתייחס לכל אחד מהם כסיפור כולו.

זרם קשת

זרם קשת הוא המניע העיקרי של התכת מתכת בסיסית. זרם קשת גבוה יותר מרחיב ומעמיק את בריכת הריתוך, מושך פנימה יותר מתכת בסיסית ומעלה דילול - חרוז מתועד-על-בדיקת לוח של Inconel 625 חם-שכבת GTAW על חוט GTAW על 2.25Cr-1Mo הראו דילול זרם חום וגודל פלדה גדל והולך בדילול חום, עלה מ-125 A ל-200 A. לכן זרם הקשת נשמר נמוך ככל שהקשת יכולה להחזיק מעמד ביציבות תוך השגת היתוך.

מהירות הזנת חוט וזרם חימום מוקדם

מהירות הזנת החוט קובעת כמה מתכת מילוי נכנסת לבריכה ליחידת זמן; זרם חימום מקדים קובע כמה קרוב להיתוך החוט הזה כבר כשהוא מגיע. העלאת שניהם יחד מגדילה את קצב השקיעה עם השפעה משנית בלבד על מאזן האנרגיה של הקשת עצמו - זה המנגנון שמאפשר ל-GTAW-HW להוסיף חומר מילוי מהר יותר מבלי למשוך יותר חום מהקשת לתוך המתכת הבסיסית.

מהירות נסיעה וחרוזים חופפים

מהירות הנסיעה שולטת בכמה מהבריכה מתמצקת לפני המעבר הבא, מה שקובע את חפיפת החרוזים ואת הכיסוי. נסיעה איטית יותר מגדילה את כניסת החום ליחידת אורך ויכולה להעלות את הדילול גם בזרם קבוע, כך שמהירות הנסיעה מותאמת יחד עם הזרם ולא מותאמת באופן עצמאי ברצפת החנות.

טמפרטורת חימום/החלפה ומספר שכבות

מכיוון שקשה להבטיח דילול-שכבה אחת מתחת לכ-5% בקו ההיתוך ללא קשר לתהליך, רוב המפרטים דורשים שכבת-על של שתי-מינימום, כאשר השכבה הראשונה מטופלת כמאגר והכימיה מותאמת בעומק דגימה שנמדד בחזרה מקו ההיתוך - בדרך כלל בעובי מינימום של 3 מ"מ עבור שכבה של 3 מ"מ. בקרת טמפרטורה בין מעברים מגבילה גם את הצטברות החום על פני מעברים, מה שעוזר להחזיק דילול עקבי ממעבר השורש דרך שכבת המכסה.

אילו זרמי ריתוך מייצרים דילול מקובל עבור חיפוי Inconel 625 על פלדה?

חרוזים שפורסמו-על-בדיקת לוח של Inconel 625 hot-wire GTAW-overlay on 2.25Cr-1Mo פלדת מראה דילול וקשיות שניהם עולים עם זרם קשת על פני טווח 125-200 A, כך שרוב הליכי הייצור של Inconel מבצעים את הרצועה הנמוכה יותר ב-Inconel 625. שכבה שנייה כדי להביא את הכימיה של פני השטח להמשך הדרך לעבר הרכב Inconel 625 הנומינלי.

אותו מחקר מצא שהקשיות הגבוהה ביותר של מתכת הריתוך התרחשה ב-150 A מבין ארבעת הזרמים שנבדקו (125, 150, 175 ו-200 A), עם מיקרו-מבנה אוסטניטי דנדריטי על פני הטווח והדילול, רוחב החרוזים והחום- השפיעו על גודל האזור, כולם במגמה כלפי מעלה ככל שהזרם גדל. ההנחה המעשית לפיתוח פרוצדורה היא שהזרם אינו משתנה חופשי לפרודוקטיביות בלבד - יש לבדוק כל עלייה מול מגבלות הכימיה והקשיות הרלוונטיות לקורוזיה במפרט השולט, לא רק מול חדירה ומראה.

עבור רכיבי שירות חמוצים-, קשיות היא גבול קשיח, לא רק אינדיקטור איכות: שכבת-על תואמת NACE MR0175/ISO 15156-מוגבלת בדרך כלל ל-248 HV10 ב-HAZ של פלדה פחמן/סגסוגת נמוכה ו-345 HV10 בשכבת ה-Inconel עצמה, מדידה מרובים במיקום של Inconel 625.

אילו קודים ותקנים קובעים את ההסמכה והקבלה של חיפוי חוט GTAW?

הליך שכבת-על של סגסוגת ניקל GTAW-HW מוסמך בעיקר במסגרת ASME Section IX (משתנים חיוניים ובדיקות מכניות/כימיות), מיושם במסגרת ASME Section VIII Division 1 נספח F עבור כלי לחץ מצופים, ו-- עבור שדה נפט וציוד שירות חמוץ-עם API 6A, API ו-API שכבות - דרישות MR0175/ISO 15156 על דרגת דילול ברזל וקשיות.

מקורות: ריתוך חומר, "דרישות בדיקות הסמכה של נוהל ריתוך להסמכת שכבת ריתוך"; API 6A (באמצעות סיכום valvestandard.com); Piping-World, "Inconel 625 Weld Overlay Piping"; עולם ייצור ריתוך, "שכבת ריתוך/חיפוי".

ההרכב של שכבת העל המוגמרת מאומת מול מפרט העיצוב או תקן המילוי המתכתי המוזכר - ASME סעיף IX אינו קובע בעצמו תכולת סגסוגת מינימלית. אנליזה כימית נדגמת במרחק מוגדר אחורה מקו ההיתוך, בהתאמה לעובי הכיסוי המינימלי המותאם, ותכולת ברזל מעל הגבול שצוין מהווה סיבה לדחיית ההליך או ריתוך הייצור.

מהם הפגמים הנפוצים ביותר בחיפוי GTAW חוט חם, וכיצד מונעים אותם?

הפגמים החשובים ביותר ב-GTAW-HW סגסוגת-על של ניקל הם תחת-פיצוח, חוסר איחוי בבוהן או בשורש, תכלילי חוטים מחומצנים/לא נמסים כתוצאה מחימום מוקדם לא תקין, ודילול-מה-מפרט בקו ההיתוך, ולא עוברים את כל ארבעת הפרמטרים הבין-משמעותיים -. לאחר-תיקון ריתוך.

סדקים תחת-חיפוי: מונע על ידי מימן ומתח שיורי ב-HAZ; נשלט עם טמפרטורת חימום מקדים/מעבר נכונים, תרגול מימן- נמוך, ובמקרה שצוין, PWHT.

חוסר היתוך בבוהן החרוז או בין מעברים: נגרם כתוצאה ממהירות נסיעה מוגזמת או אנרגיית קשת לא מספקת בקו היתוך; נשלט על ידי מהירות נסיעה וזווית לפיד ועל ידי בדיקה חזותית/PT בין שכבות.

חמצון חוטים או תכלילי חוטים לא נמסים: נגרם על ידי חימום מוקדם של החוט רחוק מדי לפני הבריכה או על ידי אובדן גז מגן סביב נקודת המגע החמה-תיל; נשלט על ידי כוונון זרם חימום מראש ואימות כיסוי גז מגן.

עודף דילול / איסוף ברזל על פני השטח: נגרם על ידי זרם קשת מוגזם, תנועה איטית או שכבת-על בתת--עובי; נשלט על ידי שכבת-על מינימלית של שתי-שכבות, הסמכה נוכחית ודגימת הרכב כימי בעומק המותאם.

מיקרו-ביקוע ומשקעי קרביד לא רצויים: נבדק על ידי מיקרו-בדיקה של מדגם ההסמכה; נשלט על ידי בקרת כניסת חום ולחומרי מילוי-מיוצבים או נמוכים בפחמן, על ידי התאמת כימיה של חומרי המילוי לטמפרטורת השירות.

איפה GTAW חוט חם מתאים ביותר באסטרטגיית בחירת חיפויי סגסוגת ניקל?

GTAW חוט חם הוא ברירת המחדל הנכונה עבור חיבורי צינור-ל-צינורות, פתחי פיות, גופי שסתומים ורכיבים אחרים בעלי מוגבלות גיאומטרית או בעלי ערך- גבוה שבהם דילול מתחת ל-5% וכיסוי ממוכן וניתן לחזור על שני החומרים - אזורים גדולים שטוחים או מעוקלים כמו SA{5} עדיין משרתים טוב יותר קליפת כלי{5}. תיקוני שטח על ידי SMAW.

בחירת תהליך עבור כיסוי סגסוגת ניקל היא סחר בין שטח, גישה, דרישת דילול ועלות. SAW-רצועה ו-GMAW דופק מכסים שטחים גדולים בצורה המהירה ביותר, אך אינם יכולים להחזיק באופן מהימן דילול מתחת לכ-10-15% בשכבה בודדת, כך שהם שמורים ליישומים שבהם שתי שכבות או יותר כבר מתוכננות או שבהם מגבלת הדילול פחות מחמירה. SMAW נותרה הבחירה המעשית היחידה לתיקון שטח וגישה לא נוחה כאשר מיכון אינו אפשרי. GTAW-HW תופסת את החלל שבו הגיאומטריה מוגבלת מספיק כדי לתגמל דיוק נקבי צינור -, צווארי זרבובית, גופי שסתומים קטנים - אבל השטח גדול מדי או הכלכלה הדוקה מדי עבור GTAW חוט קר בלבד.

חיפוי תיל חם בלייזר דוחף את הדילול ואת קצב השקיעה באותו כיוון כמו GTAW-HW, ושווה להעריך עבור רכיבים בעלי ערך- גבוה מאוד שבהם עלות ההון של ציוד לייזר מוצדקת. עבור רוב העבודות על גבול סגסוגת ניקל בלחץ- על צינורות, אביזרים, אוגנים ופרזים, GTAW-HW נשאר התהליך שמאזן בצורה הטובה ביותר בין היכרות ההסמכה, עלות הציוד ובקרת הדילול ששירות הקורוזיה דורש.

שאלות נפוצות

ש: איזו רמת דילול מקובלת עבור שכבת ריתוך Inconel 625 על פלדת פחמן?

ת: רוב מפרטי הכיסוי של סגסוגת ניקל מגבילים את תכולת הברזל של פני השטח למקסימום של 5.0% משקל, מה שבדרך כלל דורש שכבת-על של שתי-מינימום, מכיוון שקשה להוריד את דילול השכבה-היחידה בקו ההיתוך מתחת לכ-5% בכל תהליך קשת, כולל GTAW עם חוט חם.

ש: כמה מהיר יותר GTAW חוט חם מאשר GTAW חוט קר- רגיל?

ת: שיעורי השקיעה שפורסמו עבור GTAW-HW פועלים בערך פי שניים עד שלושה מ-GTAW-תיל קר באיכות ריתוך דומה, כאשר GTAW-HW משתרע על פני כ-1 עד 12 פאונד לשעה, בהתאם לקוטר החוט וזרם החימום מראש.

ש: האם GTAW חוט חם מבטל את הצורך במספר שכבות כיסוי?

ת: לא. אפילו בדילול התחתון של GTAW-HW, רוב המפרטים עדיין דורשים שכבת-על של שתי-שכבות לפחות מכיוון שהשכבה הראשונה פועלת כמאגר דילול בין המתכת הבסיסית לשכבת השטח הקריטית-לקורוזיה.

ש: איזה קוד קובע את מגבלות הקשיות עבור שכבת-על מסגסוגת ניקל חמוצה-?

ת: NACE MR0175/ISO 15156 מסדיר קבלת קשיות עבור שירות חמוץ, עם מגבלות נהוגות להחיל על 248 HV10 עבור פלדת פחמן/סגסוגת- נמוכה ו-345 HV10 עבור שכבת-על Inconel 625, מאומתת על ידי בדיקות Vickers.

ש: מתי יש להשתמש ב-SAW-ברצועה או ב-GMAW במקום ב-GTAW עם חוט חם?

ת: SAW-רצועה ו-GMAW פעימה מתאימים יותר לאזורים גדולים ופתוחים כגון קונכיות וראשים של כלי קיבול שבהם דילול גבוה יותר לכל שכבה מקובל וכבר מתוכננות שכבות מרובות; GTAW חוט חם מועדף כאשר הגיאומטריה מוגבלת או בקרת דילול-יחידה היא קריטית.