נוהל ריתוך Monel 400: GTAW, Filler Metal ERNiCu-7, וניקוי לאחר ריתוך

מונל 400(UNS N04400, W.Nr. 2.4360) היא סגסוגת ניקל-נחושת חד-פאזי- - כ-67% ניקל ו-30% נחושת - עם עמידות יוצאת דופן למי ים, חומצה הידרופלואורית וסביבות קאוסטיות חמות. הוא מרתך באופן אמין, אבל הוא מתגמל הליך ממושמע: ריתוך קשת טונגסטן בגז (GTAW/TIG) עם מתכת מילוי ERNiCu-7, ניקיון קפדני למניעת נקבוביות, כניסת חום מבוקרת למניעת פיצוח חם, וניקוי יסודי לאחר הריתוך כדי לשחזר עמידות בפני קורוזיה.

מאמר זה עונה על השאלות שהרתכים והמהנדסים שואלים הכי הרבה: מהי הסגסוגת, באיזה תהליך ואיזה חומר מילוי לבחור, פרמטרים מדויקים של GTAW, כיצד למנוע נקבוביות וסדקים חמים, כיצד לרתך חיבורים שונים, מה באמת דורש ניקוי ריתוך לאחר-, האם יש צורך בטיפול בחום וכיצד להכשיר ולבדוק ריתוך Monel 400. כל הצהרה כמותית ניתנת למעקב לתקנים ולמקורות היצרן המפורטים בסעיף הפניות.

ריתוך מונל 400 במבט אחד

הטבלה שלהלן מתמצתת בפירוט את התשובות שמפתח מאמר זה. ניתן לחלץ ולציטט כל שורה באופן עצמאי.

מהו Monel 400 ומדוע הוא מצריך הליך ריתוך מיוחד?

Monel 400 (UNS N04400) היא סגסוגת ניקל-נחושת-חד-פאזי המכילה בערך 63-70% ניקל ו-28-34% נחושת, והיא מרתכת היטב בתהליכי קשת קונבנציונליים -. ההליך חשוב לא בגלל שהסגסוגת קשה לחיבור, אלא בגלל ששתי מתכות ניתנות למניעת ריתוך שלה: מזיהום ופיצוח חם מכניסת חום וזיהום.

Monel 400 אינו "נירוסטה" ולא סגסוגת-מתקשה. זהו סגסוגת ניקל-נחושת בתמיסה מוצקה-: שני היסודות מסיסים לחלוטין זה בזה, כך שהמבנה המיקרו-אוסטניטי בכל טמפרטורה ואינו יכול להתקשות על ידי טיפול בחום. עובדה יחידה זו מסבירה את כללי הריתוך העוקבים אחר - ללא חימום מוקדם מסיבות מתכות, ללא טיפול בחום לאחר-חובה, וללא פיצוח טרנספורמציה, המהווה סיכון בפלדות הניתנות להתקשות.

טבלה 2 מפרטת את ההרכב הנומינלי ואת עבודת הקורוזיה של כל אלמנט.

טבלה 2. הרכב נומינלי של Monel 400 (UNS N04400, לפי ASTM B164 וגיליונות נתונים של היצרן).

השילוב מעניק ל-Monel 400 את היישומים הקלאסיים שלו: צנרת מי ים, משאבות ושסתומים בשירות ימי; ציוד לחומצה הידרופלואורית, חומצה גופרתית ואלקליות קאוסטיות; צינורות מחליף חום; ומהדקים, קפיצים ורכיבי מכשירים. טפסי המוצר מכוסים על ידי ASTM B127 (צלחת/גיליון), B164 (מוט/מוט), B165 (צינור/צינור ללא תפרים), B163 (צינור מעבה) ו-B564 (פרזול), עם מקבילות ASME לשירות לחץ. מכיוון שהסגסוגת היא חד-שלבית-, יכולת הריתוך טובה ביסודה -, ההליך פשוט צריך להגן על בריכת ריתוך נקייה, -בחום וזיהום נמוך-.

באיזה תהליך ריתוך ומתכת מילוי כדאי להשתמש עבור Monel 400?

השתמש ב-GTAW (TIG) עם מתכת מילוי ERNiCu-7 (AWS A5.14) כהליך הייחוס עבור Monel 400; GMAW עם אותו חוט ERNiCu-7 ו-SMAW עם אלקטרודות ENiCu-7 (AWS A5.11) הן חלופות ייצור מעשיות לעבודה עבה יותר או פחות קריטית.

בחירת חומרי המילוי פועלת לפי כלל ההתאמה הקלאסי עבור סגסוגות-תמיסות מוצקות: חומר המילוי צריך להתאים לכימיה של מתכת הבסיס, כך שלמשקע הריתוך יהיה אותו מבנה מיקרו ועמידות בפני קורוזיה כמו למתכת האב. ERNiCu-7 (נמכר לעתים קרובות תחת השם המסחרי Monel 60 / Alloy 60) הוא ייעוד AWS A5.14 עבור חומר מילוי זה. הרכבו הנומינלי הוא ניקל 62-69%, מאזן נחושת (כ-27-34%), טיטניום 1.5-3.0%, מנגן עד כ-4.0%, ברזל עד 2.5%, סיליקון עד 1.25% ופחמן עד 0.15%. התוספת המכוונת של טיטניום היא פרט המפתח: היא משחררת את חמצון בריכת הריתוך ועוזרת לדכא נקבוביות, שהיא הפגם הנפוץ ביותר בריתוך של מונל.

עבור ריתוך -אלקטרודה (מקל) מכוסה, אלקטרודות AWS A5.11 ENiCu-7 (סוג Monel 190) מספקות את אותו פיקדון תואם עבור SMAW. עבור GMAW (MIG), אותו חוט ERNiCu-7 מוזן עם מיגון ארגון או ארגון-הליום. איור 2 משווה את ההרכבים הנומינליים של המתכת הבסיסית וחומר המילוי כדי להראות מדוע ERNiCu-7 נקרא חומר מילוי "תואם": השניים כמעט זהים למעט תוספת הטיטניום בחומר המילוי.

איור 2. הרכב נומינלי של מתכת בסיס Monel 400 לעומת חומר מילוי ERNiCu-7 (ערכים טיפוסיים, % wt; טווחים לפי UNS N04400 ו-AWS A5.14).

טבלה 3 מסכמת כיצד מחולקים בדרך כלל שלושת התהליכים העיקריים.

טבלה 3. תהליכי ריתוך עבור Monel 400 ותפקידיהם האופייניים.

איך מכינים את Monel 400 לריתוך?

ההכנה היא המקום שבו מחליטים למעשה רוב בעיות הריתוך של Monel 400: הסר שומנים של המפרק עם ממס נקי, הסר תחמוצות עם כלי פלדה-יעודיים מנירוסטה, ושמור על המפרק נקי מגופרית, עופרת, נחושת ופחמן-זיהום פלדה - ולאחר מכן השתמש בעיצוב מפרק המעניק לרתך גישה מוגזמת לחום.

Monel 400 מסופק עם תחמוצת משטח דקה ועמידה שיש להסיר לפני הריתוך. התחל עם הסרת שומנים: נגב את אזור המפרק ואת חוט המילוי עם אצטון או ממס מאושר כדי להסיר שמן, שומן, נוזל חיתוך ואבק חנויות - אלו הם הגורמים הישירים לנקבוביות הריתוך. לאחר מכן הסר את תחמוצת השטח בצורה מכנית עם מברשת נירוסטה-או חומר שוחק נקי, ונגב שוב. המברשת חייבת להיות מוקדשת לסגסוגות מונל/ניקל: מברשת ששימשה בעבר על פלדת פחמן תטמיע חלקיקי ברזל לתוך פני השטח, וזיהום ברזל גורם להחלדה מקומית ולבור לאחר הפעלת הריתוך.

כללי הזיהום נוקשים. לעולם אל תשתמש בעטים או בעפרונות סימון עם גופרית- ליד המפרק - גופרית מקדמת פיצוח חם. לעולם אל תתנו לכלי נחושת או מסגסוגת-נחושת (פטישי פליז, מוטות גב נחושת, כלים לחיתוך נחושת) לגעת בבריכה המותכת: נחושת מותכת מרטיבה את סגסוגת הניקל ויוצרת סרטים נמסים-שנסדקים. תכנון המפרק הוא קונבנציונלי: עבור צינור וצלחת, שיפוע יחיד-V של כ-60-70 מעלות כולל זווית עם מרווח שורש המאפשר איחוי מלא, והחיבור צריך להיות נקי ויבש מיד לפני הריתוך. מכיוון של-Monel יש נזילות נמוכה יותר מאשר פלדה, גישה פתוחה והתאמה טובה-מפחיתים את הסיכון לחוסר-של-פגמי היתוך.

מהם הפרמטרים המדויקים של GTAW עבור Monel 400?

עבור GTAW של Monel 400, השתמש באלקטרודת זרם ישר שלילי (DCEN), מיגון ארגון של 100% ב-15–20 cfh, קשת קצרה, חרוזי מיתרים ללא אריגה, קלט חום מתון של בערך 0.5–1.5 קילו-ג'יי/מ"מ, והחזק את טמפרטורת המעבר ב-{{7}0 מעלות לפני כ-15} או מתחת.

DCEN (שלילי אלקטרודה) הוא סטנדרטי עבור Monel GTAW: הוא מרכז חום בחומר העבודה לחדירה טובה תוך שמירה על קרירה של אלקטרודת הטונגסטן. ארגון טהור הוא גז המגן הרגיל במהירות 15-20 cfh (כ-7-9.5 ליטר לדקה); עבור חלקים עבים יותר, ניתן להוסיף הליום או תערובת ארגון-הליום כדי להעלות את כניסת החום למפרק. בצינור, טיהור גב ארגון מגן על השורש מפני חמצון. שמור על הקשת קצרה - קשת ארוכה שואבת אוויר לתוך המיגון והיא מחולל נקבוביות מוכח.

הטווח הנוכחי תלוי בעיקר בקוטר חוט המילוי ובעובי החתך, כפי שמסוכמים בטבלה 4 (ערכים שנאספו מהנחיות ליצרן -מתכת מילוי; הערכים המדויקים חייבים להגיע ממפרט נוהל ריתוך מוסמך, WPS).

טבלה 4. טווחי פרמטרים טיפוסיים של GTAW עבור Monel 400 עם חומר מילוי ERNiCu-7 (DCEN, 100% ארגון).

כניסת החום נשלטת על ידי השילוב של זרם, מהירות נסיעה וטכניקה. שמור על תנועת הקשת בחרוזי חוט ישרים וצרים והימנע מאריגה רחבה, המחממת יתר על המידה את הבריכה. מכיוון ש-Monel 400 מתרחב יותר מפלדה בחימום, עיוות מצטבר במהירות בריתוכים מרובי-מעברים; מהירות נסיעה מתונה ובקרת מעברים מונעים הן עיוות והן סכנת פיצוח חם-. נהלים רבים מגבילים את טמפרטורת המעבר ל-100-150 מעלות; חלקם מתירים עד כ-200 מעלות, אבל 150 מעלות היא נקודת הבקרה השמרנית. רצף ששת - השלבים - מלא מאימות החומר לבדיקה - מוצג באיור 1.

איור 1. זרימת עבודה של ריתוך Monel 400 GTAW - שישה שלבים (סכמטי; לא תחליף ל-WPS מוסמך).

מדוע ריתוכים של מונל מקבלים נקבוביות, וכיצד אוכל למנוע זאת?

נקבוביות היא הפגם מספר-אחד בריתוך Monel 400, והוא כמעט תמיד זיהום - שמן, שומן, נוזל חיתוך, לחות, סמנים נושאי גופרית- או כיסוי גז לקוי - ולא פרמטרי הריתוך עצמם; משטחים נקיים, חומרים מתכלים יבשים ומיגון טוב מונעים זאת.

המנגנון הוא התפתחות גזים במהלך התמצקות. כאשר פחמימנים, לחות או מזהמים אחרים מחוממים על ידי הקשת, הם מתפרקים למימן, חמצן וקיטור. גזים אלו מסיסים בבריכת הריתוך הנוזלי אך כמעט בלתי מסיסים בסגסוגת הניקל הממצקת, ולכן הם נדחים בחזית ההתמצקות ונלכדים כבועות. מכיוון שמתכת ריתוך ניקל-נחושת מתמצקת בטווח טמפרטורות צר, לבועות יש מעט זמן לצוף החוצה, והתוצאה היא ריתוך נקבובי, דולף, חלש מבחינה מכנית.

מניעה היא רשימת בדיקה, לא סוד:

• ניקיון -הסר שומנים של המפרק וחוט המילוי באציטון או ממס מיד לפני הריתוך.
• אין מזהמים -נגב את נוזלי החיתוך, חומרי הסיכה ואבק החנויות; לעולם אל תרתך על צבע או דיו סמן.
• חומרים מתכלים יבשים -אחסן חוט מילוי באריזה יבשה; מוט או חוט עם חלודה גלויה, אבנית או לחות נדחים.
• מיגון -השתמש בארגון -טוהר ובדוק זרימה; קשת ארוכה או חנות טיוטה שוברת את המיגון.
• טיהור גב -טהר את החלק הפנימי של הצינור עם ארגון כך שהשורש מוגן משני הצדדים.
• בין מעברים -שמור על טמפרטורת המעבר המבוקרת ונקה כל מעבר עם מברשת נירוסטה ייעודית.

מדוע Monel 400 נסדק במהלך ריתוך, וכיצד אני מונע פיצוח חם?

פיצוח חם (פיצוח התמצקות) ב-Monel 400 נגרם כתוצאה מהתכה של סרטים -נמוכים - העשירים בגופרית, זרחן או נחושת שנשארים נוזליים בזמן שהמתכת שמסביב כבר התמצקה - והוא נמנע על ידי משטחים נקיים, כניסת חום נמוכה, חרוזי stringer{4} ומבוקר{4}.

כאשר בריכת ריתוך מתקררת, דנדריטים צומחים מקו ההיתוך לכיוון המרכז. אם קיימים אלמנטים נוודים כגון גופרית וזרחן, הם מתרכזים בנוזל האחרון כדי להקפיא ויוצרים סרטים נמסים-נמוכים לאורך גבולות התבואה. כאשר הריתוך המתכווץ והמגבש מוכנס למתח התכווצות - גבוה יותר עם כניסת חום גבוהה, חרוזי אריגה רחבים, ריסון גבוה או קטעים עבים - הסרטים הנוזליים הדוממים האלה -נקרעים, והסדק קפוא פנימה. זו הסיבה שנוהלי Monel כל כך מתעקשים על גופרית -נמוכה בחום ובחומר נקי.

זיהום נחושת ראוי לאזכור מיוחד בגלל הכימיה של הסגסוגת עצמה. אם נחושת מפטישי פליז, מוטות גב נחושת או כלי חיתוך מסגסוגת-נחושת נכנסת לבריכה המותכת, היא מתאחדת עם הניקל ויוצרות חומרי ניקל-נחושת נמסים-נמוכים שנסדקים בקלות. למעשה, בריכת הריתוך הופכת לסגסוגת רגישה לסדק-שלה. הכלל הוא מוחלט: לעולם אל תיגע באזור הריתוך החם עם נחושת או פליז, והשתמש רק בכלי פלדה המוקדשים לסגסוגות ניקל.

בקרות מעשיות נגד-פיצוחים משקפות את רשימת הנקבוביות: ודא תכולת גופרית נמוכה של בסיס וחומרי מילוי; להסיר שומנים ביסודיות; השתמש בכניסת חום מתונה (0.5-1.5 קילו-ג'יי/מ"מ) עם חרוזי מחרוזת; החזק מרווח קטן או שווה ל-150 מעלות; הימנע מריסון מופרז של מפרקים על ידי התאמה טובה-מעלה ורצף; ועבור ריתוכים מרובים-, תן לריתוך להתקרר בין מעברים. אם נמצא סדק, טוחנים אותו לגמרי ו-ריתוך מחדש - ריתוך מעל סדק אף פעם לא מרפא אותו.

כיצד עלי לרתך את Monel 400 לפלדת פחמן או לנירוסטה?

Monel 400 מרתך בהצלחה לפלדת פחמן ולנירוסטה באמצעות חומרי מילוי ניקל-נחושת או ניקל - בדרך כלל ERNiCu-7 או ENiCu-7 - עם WPS מוסמך, דילול מבוקר והבנה שהמפרק השונה יורש את התכונות המכניות של הצד החלש יותר.

חיבורי מונל-ל-שונים נפוצים במפעלים כימיים וימיים שבהם רכיב מונל (שסתום, משאבה, צינור) מחובר לפלדת פחמן או לצנרת אל חלד. ERNiCu-7 הוא חומר המילוי הסטנדרטי למפרקים אלה מכיוון שההשקע שלו תואם לשני הצדדים: הוא תואם את הצד Monel ומקבל דילול ברזל מתון מצד הפלדה מבלי ליצור שלבים שבירים. עבור יישומי חיפוי פלדה, ניתן ליישם שכבת חמאה ראשונה של מילוי ניקל טהור כדי לשלוט באיסוף ברזל לפני סיום עם ERNiCu-7.

שני הסיכונים ההנדסיים הם דילול והתרחבות תרמית דיפרנציאלית. ברזל מצד הפלדה מדלל את משקע הריתוך, כך שהזנת חום וטכניקת הריתוך אמורות לשמור על דילול נמוך - חמאה ומעברים מרובים עוזרים. התפשטות תרמית שונה בין מונל לפלדה, לכן יש לתכנן חיבורים ארוכים ומאופקים במיוחד תוך מחשבה על גמישות. ההסמכה תמיד קודמת לייצור: המפרק חייב להיות מכוסה ב-WPS המוסמך לקוד הממשל, והרתכים חייבים להיות מוסמכים לתהליך ולחומרים המעורבים.

איזה פוסט-ניקוי ריתוך דורש Monel 400?

ניקוי לאחר-ריתוך מסיר גוון חום, אבנית תחמוצת וזיהום ברזל מוטבע באמצעות צחצוח ייעודי מפלדת-אל חלד וטיפול כבישה על בסיס חומצה חנקתית-, ולאחר מכן שטיפה וייבוש; זה משחזר את עמידות הקורוזיה של אזור הריתוך - למרות שבאופן קפדני זה ניקוי, לא "פסיבציה" במובן הנירוסטה-, מכיוון שלמונל אין סרט תחמוצת כרום- להיווצר.

במהלך הריתוך, האזור המושפע מחום- מפתח גוון חום - שכבת תחמוצת דקה - וכלי חנות יכולים להשאיר חלקיקי ברזל משובצים על פני השטח. אף אחד מהם אינו מגן: אבנית התחמוצת היא אתר להתחלת קורוזיה, וזיהום ברזל מחליד בשירות ומחריף את סגסוגת הניקל. אותו היגיון ניקיון השולט על הכנת הריתוך לפני- חל לאחר הריתוך, וזה חשוב ליישומים קריטיים-לקורוזיה כגון צנרת מי ים ושירות חומצות HF.

רצף ניקוי ריתוך טיפוסי של Monel 400 פוסט- הוא: (1) הסר גוון חום וניתזי ריתוך עם מברשת פלדה- ייעודית מפלדת אל חלד או מברשות פלדה שוחקות - ללא פחמן-; (2) עבור אבנית תחמוצת עקשנית, מלפפון חמוץ עם תמיסה על בסיס חומצה חנקתית-(לדוגמה, כ-10% חומצה חנקתית עם 1-2% חומצה הידרופלואורית עבור אבנית כבדה, או טיפול בטמפרטורת -חדר של ~20% חומצה חנקתית כדי לנקות את פני השטח ולהסיר אבנית רופפת, בהתאם לשיטות ניקוי מותאם{A38}/קטיף של ASTM A38} לסגסוגות ניקל); (3) לשטוף היטב במים נקיים או מפושטים; ו (4) יבש לחלוטין. שאריות חומצה שנותרו בנקיקים תוקפות את הסגסוגת, ולכן השטיפה אינה אופציונלית.

הביטוי הנפוץ בחנות "להעביר את מונל" רופף מבחינה טכנית: פסיבציה מנירוסטה מצמיחת בכוונה סרט תחמוצת-כרום, ומונל 400 אינו מכיל כרום. מה שהטיפול החנקן עושה למעשה הוא להסיר אבנית תחמוצת, זיהום זיהום וברזל כך שמשטח הניקל-נחושת של הסגסוגת עצמו - אשר מטבעו עמיד בפני קורוזיה בסביבות השירות שלו - ייחשף נקי. אשר תמיד את מתכון הכבישה עם יצרן הסגסוגות או עם מומחה מוסמך לטיפולי משטח, וטפל בכל החומצות עם PPE ואישורי מתקן מתאימים.

האם Monel 400 צריך טיפול בחום לאחר-ריתוך?

לא - Monel 400 אינו ניתן להקשה, לכן טיפול בחום שלאחר-ריתוך בדרך כלל אינו נדרש ואינו נחוץ כדי לשחזר עמידות בפני קורוזיה; הפגת מתחים מיושמת רק כאשר העיצוב מחייב זאת, והתקשות-הזדקנות לאחר ריתוך חלה על Monel K-500, לא על Monel 400.

מכיוון ש-Monel 400 הוא פתרון מוצק חד-פאזי-ללא טרנספורמציה בקירור, הריתוך אינו יוצר מבנה מיקרו קשיח ושביר באזור-המושפע מהחום ואינו גורם לרגישות לסגסוגת -, אין כרום קרבידים לשקע, כפי שיכול להיות בפלדות אל חלד. כמו-מרותך Monel 400 שומר על עמידות בפני קורוזיה וגמישות, וזו בדיוק הסיבה שההליך הסטנדרטי הוא פשוט ריתוך, נקי ובדיקה.

שני ניואנסים. ראשית, הקלה במתח מצוין מדי פעם עבור יציבות ממדית או הפחתת מתח שיורית- על רכיבים מרותכים או בעיבוד כבד; כאשר הוא כן, עליו לפעול לפי הקוד הנוהג וטווח הטמפרטורות המומלץ של היצרן, מכיוון שמחזור לא מתאים עלול לגס את מבנה התבואה. שנית, אל תבלבלו את Monel 400 עם Monel K-500 (UNS N05500): K-500 ניתנת להקשיחה של משקעים-ובעת ריתוך יש להתיישן מחדש לאחר הריתוך כדי להחזיר את החוזק שלו - זהו הליך שונה מזה המתואר כאן עבור Monel 400.

כיצד אוכל להכשיר ולבדוק ריתוכים של Monel 400?

להכשיר את הליך הריתוך לקוד השולט -, בדרך כלל ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IX (WPS נתמך על ידי PQR) עבור ציוד לחץ - להכשיר את הרתכים, ולאחר מכן לבדוק עם בדיקה חזותית בתוספת חדירה, רדיוגרפיה או בדיקות אולטרסאונד כפי שהקוד דורש; עבור שירות חמוץ, הוסף בדיקות קשיות כדי לאשר תאימות ל-NACE MR0175/ISO 15156 בפחות או שווה ל-35 HRC.

ריתוך Monel 400 אמין רק כמו שובל הנייר שלו. מפרט נוהלי הריתוך הכתוב (WPS) מתעד את המשתנים החיוניים - תהליך, מתכת בסיסית, מתכת מילוי, קוטביות, טווח זרם, גז מגן וזרימה, מגבלות חימום מוקדמות/החלפות וטיפול לאחר-ריתוך - וחייבים להיות נתמכים על ידי פרוצדורה הסמכת רישום (PQR) מבדיקה{5}} הרסנית ובלתי הרסנית של בדיקה. רתכים חייבים להחזיק בהסמכות ביצועים (WPQ) עבור התהליך. זוהי המסגרת הסטנדרטית של ASME Section IX, והיא חלה ללא שינוי על Monel 400.

הבדיקה מתחילה בדרך כלל עם 100% בדיקה חזותית (VT) כדי לתפוס נקבוביות פני השטח, סדקים, חתכים תחתונים ואיחוי לא שלם - כל הפגמים שמאמר זה תיאר. בדיקת חודר נוזלים (PT) היא מאתר הסדקים הסטנדרטי עבור סגסוגות ניקל; רדיוגרפיה (RT) או בדיקות אולטרסאונד (UT) מתווספות לשמירה על לחץ- וריתוכים מבניים קריטיים לפי הקוד הרלוונטי ומפרט הלקוח. היכן שהרכיב יראה H₂S-מכיל שירות, NACE MR0175/ISO 15156-3 מפרט את Monel 400 כמקובל בקשיות מקסימלית של 35 HRC, כך שסקרי קשיות על מתכת ריתוך ואזור מושפע חום הם שלב קבלה סטנדרטי של חומר, {1} הוכח עם אישור חומרי צריכה (1} תעודות טחנה) עבור המתכת הבסיסית ואצוות המילוי ERNiCu-7.