Comportare la sudare a otelurilor criogenice

Comportare la sudare a otelurilor criogenice

Otelurile criogenice sunt acele oteluri care isi pastreaza plasticitatea si la temepraturi scazute. Principalul element de aliere este nichelul.

PARTICULARITATI ALE OTELURILOR INOXIDABILE COMPARATIV CU OTELURILE NEALIATE:

Conductibilitate termica mai mica deci sunt susceptibile la deformatii mai pronuntate;

Coeficiet de dilatare termica mai mare deci deformatii mari, rezulta nivel ridicat de tensiuni;

Afinitatea mare fata de oxigen, ca urmare se impune o protectie buna a zonei de sudare;

Unele tipuri de oteluri marensitice sunt deosebit de dure;

Sunt sensibile la supraincalzire si deci la fragilizare.

Observatie: aceste particularitati sunt proprii diferitelor tipuri de oteluri inoxidabile dar ca regula generala la cresterea continutului de Cr acestea devin mai pregnante.

Actiunea elementelor de aliere asupra structurii otelurilor poate fi apreciata prin marimile - crom echivalent Cr_e si Ni_e definite prin relatiile :

Cr_e = Cr + Mo +1,5Si +0,5Nb

Ni_e= Ni + 0,5Mn + 30 (C + N)

Otelurile inoxidabile austenitice reprezinta clasa de oteluri inoxidabile cea mai utilizata, 40% din productia de otel inoxidabil, fiind aliate suplimentar cu Ni, Mn, Cu, Mo. De obicei, continutul de Cr variaza intre 16-26%.

Otelurile austenitice nu sunt magnetice si nu se pot cali prin tratament termic. Au un coeficient de dilatare ridicat cu cca. 50 % mai mare si conductivitatea termica de cca. 2,5 ori mai mica decat al otelurilor carbon.

In general, datorita plasticitatii bune, otelurile austenitice sunt usor de taiat cu plasma si nu necesita preincalzire, nici tratament termic dupa taiere.

Caracteristicile mecanice ale otelurilor austenitice:

Compozitia chimica a otelurilor austenitice

Otelurile inoxidabile martensitice contin intre 11 -18% Cr, respectiv 0,15 -1,2% C.

Otelurile sunt caracterizate prin:

buna rezistenta chimica;

rezistenta mecanica ridicata;

buna rezistenta la uzura.

Otelurile feritice contin intre 14 -27% Cr, respectiv 0 -0,2% C.

Se caracterizeaza prin:

• bune proprietati de plasticitate;
• rezistenta chimica inclusiv in medii sulfuroase;
• nu pot fi durificate prin tratament termic;

In functie de continutul de de Cr si de C, otelurile feritice se impart in doua categorii:

1) Otelurile feritice F1 care au urmatoarea compozitie: C=0,08-0,12%, Cr=15-18%, Si=0,51%, Ti=0-0,5%, Ni=0-1%.

2) Otelurile feritice F2 ce contin: C,0,08%, Cr=16-18%, Si=0,8% Mn,0,7%, Cu si Ti,0,4%.

Otelurile F1 sunt utilizate pentru confectionarea ustensilelor pentru menaj, pentru instalatii ce lucreaza in medii cu acid azotic, acid fosforic, sulf.

Otelurile F2 se utilizeaza la instalatiile ce lucreaza in medii oxidante, acizi organici sau in mediul marin.

Comportarea la sudare a acestor oteluri depinde de ciclurile termice la care sunt supuse si se caracterizeaza prin microstructura zonei sudurii si a zonei influentate termic.

Preincalzirea inainte de sudare nu are o influenta semnificativa asupra microstructurii, deoarece transformarea ferito-austenitica are loc la temperaturi ridicate (900-1200sC).

Proprietatile zonei sudurii ar putea fi imbunatatite printr-un tratament termic dupa sudare, dar este dificil de aplicat structurilor sudate de mari dimensiuni. De aceea, se recomanda alegerea unor conditii optime de sudare. Cu cat viteza de racire este mai mare, cu atat se formeaza mai putina austenita in zona sudurii si se obtin proprietati mai slabe

Otelurile supermartensitice se caracterizeaza prin rezistenta mecanica ridicata, rezistenta la coroziune si tenacitate semnificativa la temperaturi peste -40 °C. De asemenea, combinatia intre un continut scazut de C si un continut scazut de N conduce la valori mici ale duritatii in ZIT si la o tenacitate ridicata. Din acest motiv preincalzirea sau tratamentul termic dupa sudare nu sunt neaparat necesare.

Otelurile martensitice prezinta o comportare foarte buna la sudare. Din acest punct de vedere, sudarea cu fascicul de electroni este un procedeu ideal, prin posibilitatea de a suda intr-o singura trecere cu viteza mare. De asemenea, vitezele de racire ridicate conduc la formarea unor structuri complet martensitice cu tenacitate si rezistenta la coroziune corespunzatoare. Astfel, otelurile supermartensitice tind sa inlocuiasca alte oteluri rezistente la coroziune in conditii de mediu usor acid. In functie de mediul de lucru (CO₂ sau CO₂ si H₂S ) s-au dezvoltat diferite tipuri de oteluri martensitice cu sau fara molibden. In mediu de CO₂ si H₂S trebuie luate in considerare atat coroziunea generalizata sau locala, cat si coroziunea fisuranta sub tensiune.

Din punct de vedere al sudurii, aceste oteluri prezinta fenomene de durificare, iar martensita dura inseamna precautii pentru a evita fisurarea datorita hidrogenului in zona sudurii, iar tratamentul termic post sudare are rolul de revenire asupra zonei sudate, si prin aceasta se obtin caracteristicile de tenacitate la valori impuse.

Duritatea otelului 13%Cr calit este controlata prin continutul de carbon, dar reducerea acestuia duce la formarea unei structuri complet feritice. De aceea pentru otelurile cu continut redus de carbon se folosesc adaosuri de nichel pentru a asigura formarea austenitei si durificare in timpul sudarii. Nichelul coboara temperaturile A_C1 si M_S, (figura) si conduce la mentinerea austenitei in timpul racirii pana la temperatura mediului ambiant. In consecinta, otelurile comerciale 13%Cr prezinta un domeniu larg de microstructuri pentru imbinarile sudate, cu proportii variabile de ferita, martensita si austenita.

Desi in general se prefera ca imbinarile sudate sa fie puse in exploatare in stare sudata, tratamentele termice trebuie aplicate pentru cerinte speciale cum ar fi de exemplu NACE MR0175 pentru conditii de lucru in mediu de H₂S.

In figura de mai jos, se arata efectul adaosurilor de crom asupra formarii fazei feritice. Extinderea domeniului austenitic depinde de compozitia chimica generala, efectul specific al nichelului fiind aratat in figura.

In timpul sudarii, zona adiacenta sudarii este incalzita aproape de temperatura solidus si are loc transformarea austenitei in ferita. Nivelul de transformare este mai mare la continuturi mai mici de carbon si cu continut de nichel. Cu cresterea temperaturii, reactia este rapida, si la otelul cu continut mic de carbon, se formeaza o structura practic complet feritica, cu graunti mari. Daca temperatura scade, scade si viteza de transformare si la temperatura camerei ramane o structura apropiata de structura initiala.

In timpul sudarii, cantitatea de ferita ramasa in timpul racirii este determinata de compozitia materialului. Au fost elaborate relatii care descriu tendinta otelului de a forma ferita, cea mai importanta fiind expresia Factorului Feritic al lui Kaltenhauser :

FF = Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb-2Mn-4Ni-40 (C+N) (%)

Aceasta relatie a fost elaborata initial pentru otel si nu anume pentru predictia comportarii lui in ZIT. Asa cum este aratat in figura de mai jos exista o relatie intre factorul feritic si echilibrul ferita-martensita pentru ZIT.

Temperatura de inceput de transformare martensitica, M_S depinde de compozitia otelului si pe baza acestui considerent au fost elaborate relatii de predictie a M_S pentru otelul 13%Cr, cum ar fi:

M_S( C) = 300-474C-33Mn-17Ni-17 (Cr-12)-21Mo-11W-11Si

M_S( C) = 540-497C- 6,33Mn-36,3Ni-10,8Cr-46,6Mo

Valoarea lui M_S nu este exacta in intervalul ± 30⁰C, din cauza primului ordin de marime din ecuatia de predictie. Mai mult, temperatura M_S pentru otelul 13%Cr in ZIT depinde de varfurile de temperatura si de viteza de racire. Transformarea martensitei este micsorata de varfurile mai mari de temperatura si de viteza de racire.

Sudarea cu electrozi lnveliti a ofelurilor austenitice Cr-Ni

Acest procedeu este in prezent foarte des utilizat in lucrarile de montaj, unde mecanizarea operatiilor de sudare se realizeazl greu. Electrozii utilizati au invelisul bazic, care asigura coeficientuu de tecere ai elementelor de aliere prin arc cu valori cit mai mari (cu oxidari cit mai reduse).

In cazul materialeior de adaos cu caracter bazic (cu continut mare de carbonat de calciu si magneziu), cantitatea de , din spatiul arcului este mare, asigurad o suprapresiune care nu permite intrarea aerului in acest spatiu. In arcul electric carbonatul de calciu se descompune dupa reactia:

CaCO, +CaO+CO,.

CaO format astfel trece in zgura avand un rol protector impotriva oxidarii elementelor de aliere.

Totusi o cantitate prea mare de respeotiv de rezultat, poate provoca si efecte nedorite. Astfel, la sudarea otelurilor inalt aliate rezistente la coroziune intercristalina, datorita continutului lor foarte redus de C (0,030,05% c), este posibila carburarea baiii metalice cu carbonul provenita in degajarea de

Acest efect nedorit se poate compensa prin adaosuri de, NiO , , ,

in invelisul basic al electrozilor destinati sudarii acestor oteluri. Aceste adaosuri nu sunt inca introduce in productia curenta de electrozi cu toate ca s-a dovedit aportul lor favorabil asupra calitatii sudurilor.

La alegerea electrozilor se urmareste de obicei ca metalul depus sa aiba o compozitie chimica cat mai apropiati de a MB.

In continuare sunt date citeva marci de electrozi destinati sudarii otelurilor inalt aliate cu crom si nichel.(Tabel 2)

Pentru mediile puternic corozive se aleg MB gi MA cu continut mic de carbon (sub 0,03 %) sau stabilizate cu Nb. (Nu se recomanda stabilizarea cu Ti din cauza oxidirii puternice in arc).

Materialele stabilizate au o rezistenta mai mici la coroziunea in lama de cutit, fata de otelurile cu putin carbon.

La sudarea otelurilor austenitices se recomanda de obicei electrozi care sa asigure un metal depus cu structura bifazica avind austenita + (510)% ferita.

Daca imbinarile vor fi exploatate la temperature inalte, continutul de ferita se va limita la 2...4% pentru impiedicarea formarii fazei . Aceasta poate apare in timpul exploatarii sau chiar in procesul de sudare, in cazul tablelor mai groase, sudarea multistrat.

Mici variatii ale compozitiei chimice a sarmelor provenite din sarja diferite, se vor corecta cu adaosuri complementare de elemente feritogene, sau austenotogene in invelisul electrozilor, pentru preintampinarea modificarii rezistentei la fisurare. Prelucrarea rostului in cazul tablelor si a tevilor este prezentata in figura 2.

Sudarea se executa filiform fara pendulari transversale, cu latimi ale sudurii de si cu viteze de sudare cat mai mari (dar fara denivelari in care sa poata ramane zgura). Se observa ca electrozi sunt mai scurti( pentru a nu se supraincalzi prin effect Joule), iar densitatea de current sunt mai mici decat in mod normal.

2. Sudarea sub flux a otelurilor criogenice

Sudarea sub flux a otelurile se recomanda cu exceptia cazurilor in care se urmareste optinerea unei suduri pur austenitic, sua cu continut de ferita sub 4%.

La sudarea sub flux pot fi utilizate sarmele electrod care pot allege din tabelul 2.1

In ultimul timp au fost elaborate si sarme cu miez de pulberi destinate sudarii sub flux a otelurilor inalt aliate care eu posibilitate de a asigura o mera gama de materiale de adios aliate fata de sarma trefilate.

Diametrul sarmelor nu poate fi deposit 3,25 mm pentru ca energiile liniare sa fie cat mai mici.

Deoarece conductivitatea termica a materialelor sarmelor electrod aliat este mult mai mica de cat la otelurile obisnuite, se recomanda ca lungimea libera a capatului electrodului sa fie mai redusa (1,5..2 ori mai mica de cat sarmele din otel obisnuite) dupa cum rezulta din tabelul 2.2

Fluxurile pentru sudarea otelurilor criogenice au de obicei un caracter basic.

In continuare sunt prezentate cateva marci de fluxuri utilizate in mod current la sudarea otelurilor criogenice:

• Fluxuri italiene (firma Arcos): Arcosite 308, 308Lc, 309, 309Lc, 310, 310Mo, 312, 316, 316Lc, 317, 318, 348, 348Lc, 347, 347Lc, 349;

(cifrele reprezinta tipul de otelului care se sudeaza, dupa clasificarea ASME)

• Flux elvetian (firma Oerlican): OP70Cr
• Flux german:SPO375.

Pregatirea rostului de sudare sub flux este prezentat la tabelul 4

Daca se urmareste reducerea participarii MB la cusatura se pot prelucra rostul avand valori mai reduse ale inaltimi radacinii si unghiuri α mai mare de cat cele prezentate in tabelul 4

3. Sudarea MIG

Ca varianta ale sudarii MIG a otelurilor criogenice pot fi amintite:

Sudarea Short-arc (arc scurt) care este recomandat la imbinarea tablelor subtiri, cu energie liniara controlabila, de valoare mica.

Pot fi utilizati urmatoarele gaze sau amestecuri de gaze protectoare: Ar, Ar+, Ar+ , Ar+ , sau daca se tine seama ca in arcul scurt reactivitatea metalului topit, cu atmosfera controlata este redusa. Toate amestecurile cu continut de sau reduce mult cantitatea de hidrogen din baia de sudura defavorizand fisurarea, sau porii si au un prêt de cost mai redus decat argonul.

Un caz deosebit il prezinta sudarea in mediu de azot. Se stie ca azotul este un element austenitogen, deci favorizeaza aparitia austenitei in sudura, chiar daca sarma electrod este mai ieftin si contine mai putin Ni. In plus azotul este mult mai ieftin de cat argonul, dar are si dezavantajul ca poate produce pori in sudura, daca nu este pur si contine oxygen.

La sudarea Short-arc intensitatea curentului de sudare este redusa. Datorita scurtcircuitarilor (Ua=0) repetate care au loc intre sarma electrod si baia metalica, prin intermediul stropilor mari, tensiunea arcului are si ea valori medii mai reduse.

Un caz particular de sudare cu arc scurt este sudarea cu arc inecat, la viteza de avans a sarmei electrod este mai mare de cat viteza ei de topire. Prin acesta au loc cufundari successive ale sarmei in baia metalica, umate de o crestere a curentului de sudare (in timpul scurtcircuitului), de o topire a varfului electrodului si o reaprindere a arcului eceltric, dupa care ciclul se repeat.

La sudare cu arc inecatsunt utilizate cele mai subtiri sarme electrod (=0,6;0,8;1,0;1,2mm) , reactivitatea cu gazul protector este minima iar impuritatile din gaz nu afecteaza putin calitatea sudurii. Energia liniara este usor de controlat si se pot efectua suduri de pozitie si suduri pe materiale subtiri (table de 0,5..1mm).

Sudarea spray arc (cu pulverizare fina a MA) este o varianta de sudare MIG aplicabila si la otelurilor inalt aliate si caracterizeaza prin intensitati mai mari ale curentului de sudare Is si prin tensiuni ale arcului electric cu valori de asemenea mai mari.

Stropii fini nu mai produc scurtcircuitari ale sarmei cu baia metalica, deci tensiunea nu mai are valori Ua=0, iar tensiunea medie >

Transferul de stropi pulverizat este favorizat de din gazul protector. Daca se tine seama ca la sudarea spray arc suprafata stropilor fini in contact cu gazul protectori este mare, sunt admise numai cantitati reduse de oxygen in amestecul protectori de argon (Ar+1.2 ), pentru a nu se produce oxidari excessive ale elementelor de aliere.

La sudarea MIG pot fi utilizate si amestecuri (Ar+3.5% ) care dau un arc foarte stabil si stropi foarte fini, dar cu oxidari mai mari a sudurii. Sudarea spray arc se poate utiliza si la sudarea de pozitie, stropii fiind atrasi electromacnetic spre MB.

Este utilizat curentul continuu polaritatea inverse (), care asigura o stabilitate buna a arcului electric, improscarile de metal topit fiind mai redusa.

Sudarea cu arc pulsat este o alta varianta a sudarii MIG tot mai des utilizata la imbinarea otelurilor aliate. Intre varful electrodului si Baia metalica este mentinuta un acr electric cu intensitatea cat mai mica (la care inca este asigurata stabilitatea arcului).

Peste care se suprapune un impuls de intensitate mare , care topeste atat sarma electrod cat si MB si formeaza o baie metalica putin voluminoasa, care se solidifica rapid, dupa care ciclul este reluat.

Sudura este formata dintr-o succesiune de bai metalice avand suprapunerile variabile in functie de timpii pulsurilor curentului (si ) si viteza de sudare.

Prin variatia valorilor si a vitezei de sudare, se poate controla riguros energia liniara a sudurilor( sunt cinci posibilitati de interventie asupra energiei liniare).

Astfel este posibil controlul fenomenelor termice (timpul de topire, de cristalizare) cat si dirijarea formei cusaturii (diametrul si patrunderea baii formate de pulsul ; marimea suprapunerilor bailor successive determinate de si de viteza de sudare,), etc.

Aceasta varianta de sudare MIG (puls arc) este recomandata si la sudarea otelurilor inalt aliate in orce pozitie (inclisiv vertical descendenta sau pe plafon) intrucat incalzirea

Materialului de baza este minima, baia de sudura are volum redus si solidifica instantaneu si are o structura fina.

Posibilitatea formarii carburilor de crom sau a fazei este foarte redusa datorita incalzirii si a racirii foarte rapide a sudurilor. La sudarea MIG in argon a otelurilor inalt aliate, sarmele se recomanda sa aiba acelasi compozitie chimica cat mai apropiata de compozitia compatibila cu MB, deoarece aici spre deosebire de sudarea sub flux ceramic (unde sunt posibile corectari a compozitiei chimice prin asaosuri de aliere in flux) reactiile metalurgice din arcul electric sunt restranse.

Deoarece sarmele electrod inalt aliate se trefileaza destul de greu, au fost elaborate in ultimul timp sarme electrod cu miezi de pulberi. La aceasta mantaua exterioara este constituit din banda de otel aliat avand plasticitate suficienta, iar compozitia chimica a sudurii se obtine prin completare cu pulberi de aliere (pulberi de Cr, Ni, Mo) din miezul sarmelor tubulare.

Coeficientii de trecere prin arc ai elementelor de aliere sunt mai mici in cazul sarmelor tubulare fata de sarme normale si sunt mai mari la transferal prin arc scurt (short arc) fata de transferal cu stropi pulverizati (spray arc).

4 Sudarea WIG a otelurilor aliate

Exista mai multe variante de sudare WIG a otelurilor aliate dintre care amintim:

• Sudarea fara material de adios, utilizata pentru imbinarea tablelor subtire cu margini indoite
• Sudarea cu material adaos cu compozitie chimica identical cu MB
• Sudarea cu materiale adios cu compozitie chimica diferita de MB

O alta modernizare care a fost aplicata sudarii WIG este sudarea cu arc pulsat la care se formeaza un acr electric variabil intre eletrodul de wolfram si baia, curentul de sudare avand acelasi distributie ca si la arc pulsat MIG.

Sudarea WIG se utilizeaza la sudarea tablelor subtire, sau la sudarea primelori straturi la tablele groase sudate unilateral(cu acces dintro parte), unde se cere formarea corecta a radacinii. Urmatoarele straturi se executa prin procedee mai productive si mai ieftine. Daca acestea lipsesc se poate aplica si sudarea WIG la tablele groase, dar cu rezultate mai putin favorabile.

La sudarea WIG procesele metalurgice sunt minime, metalul depus pastranduse compozitia chimica initiala.

Daca materialul de baza este complet austenitic, sudarea fara MA, sau cu MA identic cu MB poate conduce la obtinerea unor cusaturi necorespunzatore. In aceste situatii se folosec sarme cu compozitie chimica diferita de a MB (cu plasticitate ma bina, cu rezistenta la coroziune mai mare.

Tablele avand grosimea a pana la 6,0 mm se pot suda economic prin procedeul WIG. Pentru tablele mai groase este recomandabila sudarea Wig doar a primului strat (radacina).

Sudarea se executa de la dreapta spre stanga avand pistoletul inclinat la dreapta fata de piesa cu α=75.85°. Vergeaua de adios se tine cu mana stanga si se introduce in baia de sudura cu un unghi de 10..30° fata de piesa. Picaturile de metal din varful vergelei vor fi cat mai apropiate de baia metalica, desprinderea lor fiind favorizata de deplasari linistite, ritmice, axiale ale vergelei spre si dinspre baie. Capatul vergelei nu se va atinge de electrodul de W si se va mentine in permanenta in argon, pentru a preintampina oxidarile si formarea curentilor de aer.