Duplex acélok tulajdonságai és hegesztésük 3.

A duplex acélok hegesztésekor a fajlagos hőbevitelt viszonylag szűk határon belül kell tartani, azaz mind alulról, mind felülről korlátozni kell. A felülről korlátozás oka, hogy a vegyi összetételük miatt a duplex acélok hajlamosak kiválások képződésére, ha nagyon magas hőmérsékletnek vannak kitéve hosszú időn keresztül. Fontos említést tenni a 475 °C-os elridegedésről, valamint 600 °C-on szigmafázis képződéséről. Az ilyen jelenségek kockázata nő a Cr-tartalommal. (A duplex acélok korlátozott /max. 250 °C, szuper-duplex acélok esetén max. 220 °C/ üzemeltetési hőmérsékletének is ez az oka.) A hegesztési hő hatása ezáltal csökkentheti a korrózióállóságot és ronthatja a mechanikai tulajdonságokat, különösen akkor, ha túl magas a sorközi hőmérséklet, vagy a hegesztett alkatrész különleges alakja miatt a hő nem tud hatékonyan eltávozni a hegesztés helyéről. Ezért a fenti szempontok alapján általános követelmény a lehető legalacsonyabb hegesztési hőbevitel. Ezzel szemben a magasabb hőmérséklet és a kisebb hűlési sebesség is kedvező lehet, azaz célszerű a hőbevitel minimumát is előírni. Korábban említettük már, hogy a megolvasztást követően a primer kristályosodás ferrites, és a ferrit-ausztenit allotróp alakulás szilárd állapotban következik be, azaz a túl nagy hűlési sebesség (túl kicsi hőbevitel) korlátozza az ausztenit képződését. Ebből a szempontból meghatározó az az időtartam, amíg a hegfürdő 1200 °C-ról 800 °C-ra hűl el.  Előmelegítés általában nem szükséges, legfeljebb olyan mértékben, hogy a nedvességet az acél felületéről eltávolítsuk. (Ebben az esetben ügyelni kell arra, hogy az alkalmazott redukáló gázlángból a felület karbontartalma a diffúziós folyamatok révén ne emelkedjen.) Ha figyelembe vesszük, hogy ferrit-ausztenit átalakulás 1200-800 °C között megy végbe, akkor a max. 250-300 °C előmelegítési hőmérséklet nem tudja számottevően csökkenteni a magasabb hőmérsékletről való lehűlés sebességét, vagyis növelni a kialakult ausztenitet. Ezzel szemben a 800 °C alatti lehűlés ideje növekedni fog (a hűlési sebesség csökken), és így a kiválások veszélye megnövekszik, azaz előmelegítés valószínűleg negatív hatást fejt ki. Hasonló okból többrétegű hegesztésnél a sorközi hőmérséklet nem haladhatja meg a 150 °C-ot. Duplex acélok hegesztésénél a technológiák tényleges megvalósításkor az acél fizikai tulajdonságait is figyelembe kell venni. A hővezetési-, hőtágulási tényező jelentősen különbözik a normál hegeszthető szénacéloktól, de eltér a klasszikusnak mondható ausztenites korrózióálló acéloktól is. Mindezek alapján az átlagosnál nagyobb deformációval kell számolnunk, így a szerkezetek összeállításakor (fűzési, hegesztési sorrend) erre különösen figyelni kell.

A duplex acélok megfelelően hegeszthetők a legegyszerűbb és legrégebbi bevonatos kézi ívhegesztő eljárással (SMAW/MMA). Az eljárás rugalmasan alkalmazható már 2 mm lemezvastagságtól. Helyszíni és javítóhegesztéshez is ajánlott, amely különösen hasznos az „offshore” és vegyipari készülékek csöveinek hegesztésénél. Fokozott korrózióállóságra vonatkozó igények miatt a hegesztést követő tisztítás, majd pácolási és passziválási eljárások alkalmazása indokolt. A pácolási folyamat során alkalmazott marószer 304 és 316 típusoknál használtakhoz képest agresszívebb hatású, illetve a marószer szükséges ható ideje hosszabb. Természetesen a szükséges pácolási idő alapanyag, környezeti hőmérséklet függvényében eltérő.  Bevont elektródás eljárást gyakran alkalmazzák TIG/AVI hegesztéssel kombinálva, ahol a gyöksort volfrámelektródás eljárással hegesztik meg, majd a töltősorokat bevonatos elektródákkal készítik el. Vastagabb varratok elkészítéséhez, illetve hideg üzemi körülmények között működő berendezéseknél bázikus bevonatú elektróda javasolt. Ez esetben a gyártó akár -60 C-ig szavatolja a szabványoknak is megfelelő ütőmunka értéket.

2. táblázat. Különböző duplex acélokhoz használt hegesztőanyagok vegyi összetétele.

A (TIG/GTAW, ill. AVI) és MIG/MAG (fogyóelektródás védőgázos) hegesztés hegesztőanyagai összetételüket illetően szükségképpen azonosak. Különböző duplex alapanyagokhoz az egyes eljárásoknál használt hegesztőanyagtípusokat tartalmazza a 2. táblázat [5]. A hegesztőanyag összetételén kívül a védőgázos technológiáknál a munkagáz valamint a gyök védelmét biztosító gáz megválasztásával is befolyásolhatjuk a szövetszerkezet ausztenit-ferrit arányát. Noha a leolvadó elektródás, védőgázos hegesztés nem képzelhető el hegesztőanyag nélkül, a TIG hegesztés bizonyos feltételek mellett megvalósítható hegesztőanyag nélkül is, ha speciális védőgázokat használunk. Ilyen feltételek adódhatnak vékony lemezek tompavarratainak hegesztésénél. Ennél a hegesztési technikánál a N2-tartalmú védőgázok alkalmazása előnyős. Ahogy a hegesztőanyag növelt Ni-tartalmával egy kiegyensúlyozott ferrit-ausztenit arány biztosítható, úgy a hegesztőanyag nélküli hegesztésnél a védőgázból származó nitrogénnel érhető el ugyanez a cél. A nitrogén erősen ausztenitképző elem, és hegesztéskor az alapanyagba kerülve elősegíti, hogy ott ausztenit keletkezzen. Továbbá a nitrogénnek van a legnagyobb hatása a lyukkorróziós ellenállóképességre és kis mennyiségben javítja a mechanikai tulajdonságokat is. A nitrogén oldhatósága 1600 oC-on 0,045% és gyorsan nő a krómtartalom növekedésével [6]. Pl. ausztenites acélok N-oldhatóképessége kb. 0,4% körül van. Ahogy azt már említettük az alapanyag N-tartalma mellett a védőgáz túl magas N2-tartalma azonban a dermedés során a nitrogén dúsulásának és a ferrit kis nitrogénoldó-képességének tulajdoníthatóan gázporozitást okozhat. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy a volfrám elektróda gyorsabban „fogy” a védőgáz nitrogén-tartalma miatt. Az elektródát gyakrabban kell újra köszörülni, cserélni, mint a tiszta argon atmoszférában végzett hegesztésnél.

A duplex acélok AVI hegesztésére alkalmazott normál védőgáz a tiszta argon. Ezzel a gázzal a hegesztési munkák nagy része megbízhatóan és költséghatékonyan elvégezhető. Az argon-hidrogén keverékek – amelyeket ausztenites acélok hegesztésére gyakran használnak a hegesztési sebesség növelése céljából – nem javasolhatók, mert hidrogén okozta repedések keletkezhetnek a varrat nagy ferrittartalma miatt. Az argon-hélium keverékek a hőbevitel növelésének lehetőségét kínálják, ami kedvező hatást gyakorol az alapanyag viszkozitására is, és a hegesztési paraméterek beállítását szélesebb tartományban teszik lehetővé. Az ívfeszültség és a fajlagos hőbevitel szintén nő a héliumtartalom növelésével. Összefoglalva az AVI eljárás a korrózióállóság és a mechanikai tulajdonságokat szem előtt tartva a „legtisztább” jó minőségű varratot biztosítja, mindazonáltal termelékenysége csekély. Alkalmazása vékony lemezek hegesztésénél, illetve gyökvarratok elkészítésénél nagyon előnyös.

A duplex acélok fogyóelektródás védőgázos hegesztésénél (MIG/GMAW) a hőbevitel értéket alulról és felülről is korlátozni kell. Pl. túl vékony varratsorokat hegesztve, túl kicsi lesz a hőbevitel, ami azt eredményezi, hogy a varrat szövetszerkezete az kívánttól eltér, túl sok ferrit képződik. Ezzel szemben, ha túl nagy hőbevitel az ausztenit képződésének kedvez, valamint 2 kJ/mm-t meghaladó szakaszenergia esetén megnő az intermetallikus fázisok (szigma, chi) képződésének veszélye, ami a mechanikai tulajdonságokat és korrózióállóságot jelentősen rontja. Szuperduplex acélok hegesztésénél a maximális 1.5 kJ/mm szakaszenergia, valamint max. 100-150 oC sorközi hőmérséklet alkalmazható [7]. Általában a legjobb hegesztési minőséget impulzus üzemmódú hegesztőgép használatával érhetjük el. A megfelelő hegesztési paramétereket minden egyes munkára külön kell meghatározni és ellenőrizni. A duplex acélok fogyóelektródás védőgázos hegesztéséhez általában az ausztenites acéloknál is alkalmazott védőgázokat használjuk. A fogyóelektródás hegesztést tiszta argonban jellemzően nem használjuk, mert az ív bizonytalan, és a beolvadás csekély. Általában argonban gazdag, és oxigént vagy széndioxidot tartalmazó gázkeveréket alkalmaznak. Az argon-oxigén kevert gázokban (az oxigéntartalom általában 1-3 %) az ív stabil, és az anyagátmenet fröcskölésmentes. Az argon-széndioxid keverékkel összehasonlítva a beolvadás alakja kedvezőtlenebb, és a varrat felszíne erősebben oxidált. A beolvadási mélység növelhető az oxigéntartalom növelésével, de ennek következtében a hegesztett kötés felülete még inkább oxidált lesz, így az argon-széndioxid gázkeveréket alkalmazzák széleskörűen, amely 2-3% CO2-t tartalmaz, ami mélyebb beolvadást és kisebb mértékű oxidációt eredményez [6]. A normál ausztenites acélokkal összehasonlítva hegesztés során a beolvadási mélység rosszabb, az ömledék viszkozitása alacsony, így nagyobb a kötéshiba kialakulásának veszélye. Amennyiben – jellemzően 30% – héliumot is adunk a gázkeverékhez az ömledék hígfolyósabb lesz, ami kedvezőbb átmenetet biztosít a varrat és az alapanyag között. A tisztán argon vagy argon-széndioxid gázkeverékkel összehasonlítva a nagyobb ívfeszültség azt jelenti, hogy azonos egyéb paraméterek mellett a hőbevitel lényegesen nagyobb. Ez előnyös lehet főleg olyankor, amikor egy kiegyenlített ferrit-ausztenit arány fontos követelmény. Amennyiben az alapanyag nitrogén tartalma magas, a ferrit kis nitrogénoldó-képességének köszönhetően a dermedés során nitrogéndúsulás következhet be, mellyel növekedik a porozitás képződés veszélye is.

Duplex acélok fogyóelektródás hegesztésénél jó eredményeket érhetünk el portöltetű huzalelektródák felhasználásával (FCAW eljárás). Portöltetű huzalelektródával végzett hegesztés termelékenysége a nagyobb, mint a tömörhuzallal végzett hegesztésé, valamint védőgázként a hagyományos 15-25% széndioxidot tartalmazó argon keverék, vagy akár a gazdaságos hegesztési célra szánt széndioxid gáz is alkalmazható. Az ömledék védelmét részben a portöltet biztosítja, ezért a magasabb aktívgáz tartalom megengedett. Az eljárás további előnye, hogy széles és egyenletes ív miatt a kötéshiba kialakulásának veszélye kisebb, valamint az eljárás kevésbé hajlamos a porozitás képződésre és fröcskölésre. A varrat elszíneződése és az oxidképződés mértéke a felületen csekély, ami csökkenti a hegesztés utáni varrat tisztítás szükségességét. Az eljárás hátránya, hogy a salak gondos eltávolítására ügyelni kell. Visszamaradt salak zárványt képez, ami kötéshibát okoz. Megfelelő minőségű huzal és jó paraméterek alkalmazásával a salakleválás megtörténik, illetve a salak könnyen eltávolítható a varrat felületéről.

Mindez szintén kötéshibához, esetleg salakzárvány keletkezéséhez vezethet. A fenti tulajdonságok miatt az átlagosnál nagyobb (szélesebb) gyökhézagot, és nyitottabb élelőkészítést (nagyobb leélezési szöget) célszerű alkalmazni. Hagyományos rutilos töltetű porbeles huzal vályúhelyzetben alkalmazható. Normál hegesztőgéppel nagy teljesítmény tartományban alkalmazható a kedvező finomszemcsés szórt ívű anyagátmenet. A legjobb eredményt 4 görgős tolóegységgel ellátott hegesztőgéppel és kerámia gyökvédelem alkalmazásával érhetjük el. Léteznek ún. gyors dermedésű salakot képező portöltetű huzalelektródák is kifejezett kényszerhelyezű hegesztéshez. A gyorsan megszilárduló salak segít megtámasztani az ömledéket, amíg az meg nem szilárdul teljesen. A pozíció hegesztésre alkalmas huzalok salakja általában nehezebben válik le és az áramterhelhetősége is kisebb, mint a hagyományos töltetű huzaloké. A portöltetű huzalokkal készített varratok ütőmunka értéke kisebb, mint azonos fajtájú tömör huzalelektródával hegesztett varratoké.

A fenti eljárások esetén a duplex acélok korrózióval szembeni ellenállásának biztosításához célszerű valamilyen gyökvédelmet biztosítani. Az egyik módszer a korábban már említett gyökvédő kerámia alátétek alkalmazása, a másik pedig a megfelelő gázvédelm alkalmazása a gyökoldalon a levegő távoltartására. Általában ugyanolyan gázokat használunk gyökvédelemre, mint ausztenites acéloknál [8]. Hidegrepedés keletkezésének veszélye miatt a védőgáz hidrogéntartalmát azonban ebben az esetben kerülni kell. Ezért gyökvédelemre argon, nitrogén, vagy azok keveréke használható. Általánosságban elmondható, hogy a gyökoldali oxidáció megakadályozására és a korrózióval szembeni ellenállás növelésére a maradó oxigéntartalom a gyökoldalon nem haladhatja meg a 30 ppm-et. Általános szabály, hogy a lyukkorrózióval szembeni ellenállás nő a gyökoldali maradó oxigéntartalom csökkenésével. Ennek ellenőrzésére célszerű egy, az oxigéntartalom mérésére készült, műszert alkalmazni.

Végül, de nem utolsó sorban duplex acél hegesztésére fedettívű por alatti hegesztési eljárás (SAW/UP) is alkalmazható. Az eljárás sajátosságából adódóan csak vízszintes pozícióban, de nagy termelékenység mellett 10 mm-t meghaladó vastagságú lemezek esetén kiválóan alkalmazható. A gyöksort általában más eljárással készítik el. A beolvadás mértéke kisebb, mint standard ausztenites korrózióálló acélok hegesztésénél. A megfelelő fedőpor alkalmazásával jó a mechanikai tulajdonságok érhetők el. Például egy magas bázikussági fokú fedőporral a legmagasabb ütőmunkaértéket tudjuk elérni alacsony hőmérsékleten is. Az így elkészített varrat szívóssága nagy. A nagy hegesztési ömledék kialakulását és a nagy felkeveredés méretkét kerülni kell. A hőbevitelt 2205 és 2304-es duplex típusoknál 3 kJ/mm-ben, az LDX2101 lean-duplex és 2507/P100 szuperduplex acéloknál pedig 1 kJ/mm-ben maximalizálni kell [7].

Felhasznált irodalom:

[1] Yrjöla,P.: Stainless steel hollow sections handbook, Finish Constructional Steelwork Association (2008), Helsinki

[2] Herbsleb,G.: Werkst.u.Korros. (1982) 33, pp.334-40

[3] Truman,J.E: Proc.U.K.Corrosion-87, Brighton, Oct.26-28, pp.111-29

[4] Westin,E.M.,Olsson,C.-O.A.,Hertzman,S.: Weld oxide formation on lean duplex stainless steel, Corrosion Science 50 (2008), pp.2620-2634

[5] How to weld duplex steinless steels, Avesta Welding

[6] Young,H.P,Zin-Hyoung,L.: The effect of nitrogen and heat treatment on the microstructure and tensile properties of 25Cr-7Ni-1.5Mo-3W-xN duplex stainless steel castings, Materials Science and Engineering,A297 (2001), pp.78-84

[7] Böhler Welding Guide. (2010), Kapfenberg

[8] Linde hegesztési védőgázai, (2008), Linde Gáz Mo. Zrt, Répcelak

KERESÉS A SZÓTÁRBAN

SIKERTÖRTÉNETEK

Olaj- és gázipari tervező, Norvégia

Bajban voltunk, amikor egy 30 éves vezetékrendszert kellett kicserélnünk egy nagy olajfinomítóban. Szerencsére az EQUIMETALS azonnal megadta nekünk a kellő információt erről a régi kelet-európai szabványról, illetve még a szükséges WPS dokumentumok létrehozásában is a segítségünkre volt. Be tudtuk fejezni a projektet a tervezett időzítéssel.

Autóipari beszállító igazgatója, Mexikó

Egy meghatározott fizikai jellemzőkkel bíró, nagy hőterhelésű alkatrész gyártására kerestünk alternatív acélokat. Találtunk is egyet, amely nem csak olcsóbb volt, de könnyebben beszerezhető is, így készleteznünk sem kellett. EQUIMETALS-nak hála csináltuk egy kis extraprofitot…

EQUIMETALS – A MEGBÍZHATÓ
ADATBÁZIS