Das Schweißen von Tieftemperaturstahl erfordert ein genaues Verständnis der Materialeigenschaften, da extreme Bedingungen zu spröden Ausfällen führen können. In diesem Artikel werden die technischen Anforderungen an Tieftemperaturstahl erörtert, wobei die Bedeutung der Tieftemperaturzähigkeit und die Rolle der verschiedenen Elemente und Wärmebehandlungen bei ihrer Erreichung hervorgehoben wird. Darüber hinaus werden Schweißverfahren, Materialauswahl und spezielle Praktiken für das Schweißen verschiedener Arten von Tieftemperaturstahl, wie z. B. A333-GR6, behandelt. Die Leser erhalten Einblicke in die Gewährleistung der Schweißnahtqualität und die Vermeidung von Fehlern bei diesen kritischen Anwendungen.
1) Die kritischen technischen Anforderungen an Tieftemperaturstahl umfassen ausreichende Festigkeit, ausreichende Zähigkeit unter kryogenen Bedingungen, ausgezeichnete Schweißbarkeit, gute Bearbeitbarkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit.
Dabei ist die Tieftemperaturzähigkeit, d. h. die Fähigkeit, Sprödbrüchen bei Temperaturen unter Null zu widerstehen, von größter Bedeutung. Daher legen die meisten nationalen Normen Mindestwerte für die Kerbschlagzähigkeit bei den niedrigsten Betriebstemperaturen fest, die in der Regel mit dem Charpy-V-Kerbschlagversuch gemessen werden.
2) In der Zusammensetzung von Tieftemperaturstahl sind Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und Stickstoff im Allgemeinen schädlich für die Tieftemperaturzähigkeit, wobei Phosphor am schädlichsten ist.
Um dies abzumildern, wird der Phosphorentfernung in den frühen Stadien der Stahlerzeugung Vorrang eingeräumt, häufig durch sekundärmetallurgische Verfahren wie Vakuumentgasung. Umgekehrt verbessern Elemente wie Mangan und Nickel die Zähigkeit bei niedrigen Temperaturen. Jede Erhöhung des Nickelgehalts um 1% kann die Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT) um etwa 20°C senken, vor allem durch Stabilisierung der Austenitphase und Verfeinerung der Kornstruktur.
3) Der Wärmebehandlungsprozess spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Gefüges und der Korngröße von Tieftemperaturstahl und hat einen erheblichen Einfluss auf seine Tieftemperaturzähigkeit. Eine optimierte Vergütungsbehandlung kann die Tieftemperaturzähigkeit deutlich verbessern, indem sie ein feinkörniges martensitisches oder bainitisches Gefüge mit kontrollierter Ausscheidung von Karbiden erzeugt.
4) Auf der Grundlage der primären Umformverfahren kann Niedrigtemperaturstahl in Gussstahl und Knetstahl (gewalzt) unterteilt werden.
Je nach Zusammensetzung und mikrostrukturellen Merkmalen werden Tieftemperaturstähle in folgende Kategorien eingeteilt: niedrig legierte Stähle (z. B. ASTM A353, A553), 3,5%-Ni-Stähle, 5%-Ni-Stähle, 6%-Ni-Stähle, 9%-Ni-Stähle, austenitische Cr-Mn- oder Cr-Mn-Ni-Stähle und austenitische Cr-Ni-Stähle.
Niedrig legierte Stähle werden typischerweise in mäßig kryogenen Anwendungen bis zu einer Temperatur von etwa -100 °C eingesetzt, z. B. bei der Herstellung von Kühlanlagen, kryogenen Transportbehältern, oberirdischen Ethylenlagertanks und petrochemischen Verarbeitungsanlagen.
In Ländern wie den USA, Großbritannien und Japan wird 9%-Ni-Stahl (z. B. ASTM A353) häufig für anspruchsvollere Tieftemperaturkonstruktionen verwendet, wie z. B. für Lager- und Transporttanks für verflüssigtes Erdgas (LNG) bei -162 °C, für die Lagerung von flüssigem Sauerstoff bei -183 °C und für die Herstellung von Luftzerlegungsanlagen zur Produktion von flüssigem Sauerstoff und Stickstoff.
Austenitische nichtrostende Stähle, insbesondere die Güten 304L, 316L und 347, sind ausgezeichnete kryogene Konstruktionswerkstoffe, die sich durch außergewöhnliche Tieftemperaturzähigkeit, hervorragende Schweißbarkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnen. Diese Stähle behalten ihre Duktilität bis hinunter zu Temperaturen von flüssigem Helium (-269 °C) bei und werden in großem Umfang in extremen Tieftemperaturanwendungen eingesetzt, einschließlich Transport- und Lagertanks für flüssigen Wasserstoff (-253 °C) und flüssigen Sauerstoff sowie in Kryostaten für supraleitende Magnete. Ihr höherer Chrom- und Nickelgehalt macht sie jedoch teurer, so dass für jede Anwendung eine sorgfältige Kosten-Nutzen-Analyse erforderlich ist.
Bei der Auswahl der Schweißkonstruktionsverfahren und -bedingungen für kaltzähe Stähle liegt der Schwerpunkt auf der Vermeidung einer Verschlechterung der Tieftemperaturzähigkeit an den Schweißverbindungen und der Vermeidung von Schweißrisse.
Es gibt keinen grundlegenden Unterschied zwischen den Rillenformen von Schweißnähte für kaltzähen Stahl, normalen Kohlenstoffstahl, niedrig legierten Stahl oder Edelstahl; sie können auf die übliche Weise verarbeitet werden. Jedoch für 9Ni Stahl sollte der Rillenwinkel idealerweise nicht weniger als 70 Grad betragen, und die stumpfe Kante sollte vorzugsweise nicht weniger als 3 mm betragen.
Alle niedrigwarmfesten Stähle können mit einer Autogenflamme geschnitten werden. Beim Gasschneiden von 9Ni-Stahl sollte die Schnittgeschwindigkeit jedoch etwas langsamer sein als beim Gasschneiden von gewöhnlichem Kohlenstoffbaustahl. Wenn die Stahldicke mehr als 100 mm beträgt, kann der Schnitt vor dem Gasschneiden auf 150-200℃ vorgewärmt werden, darf aber 200℃ nicht überschreiten.
Das Gasschneiden hat keine nachteiligen Auswirkungen auf die Gebiete, die von Schweißwärme. Aufgrund der Selbsthärtungseigenschaften von nickelhaltigem Stahl härtet die Schnittfläche jedoch aus.
Zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Leistung der geschweißte VerbindungAm besten verwenden Sie eine Schleifscheibe, um die Schnittfläche vor dem Schweißen zu glätten und zu reinigen.
Wenn es während der Schweißarbeiten erforderlich ist, die Schweißraupe oder Basismaterial, kann man das Fugenhobeln mit Lichtbogen verwenden. Vor der Nachbearbeitung sollte die Rillenoberfläche jedoch noch gereinigt und poliert werden.
Autogenes Fugenhobeln sollte nicht verwendet werden, da die Gefahr einer Überhitzung des Stahls besteht.
Niedrigwarmfester Stahl kann mit den üblichen Verfahren geschweißt werden, z. B. LichtbogenschweißenUnterpulverschweißen und Metall-Schutzgasschweißen.
Das Lichtbogenschweißen ist die am häufigsten verwendete Methode für Niedrigtemperaturstahl und kann in verschiedenen Schweißpositionen angewendet werden. Die Wärmezufuhr beträgt ca. 18~30KJ/cm.
Bei der Verwendung von wasserstoffarmen Elektroden können völlig zufriedenstellende Schweißverbindungen erzielt werden, die nicht nur gute mechanische Eigenschaften, sondern auch eine hervorragende Kerbschlagzähigkeit aufweisen.
Darüber hinaus bietet das Lichtbogenschweißen die Vorteile einfacher und preiswerter Schweißmaschinen, geringerer Investitionen in die Ausrüstung und keiner Beschränkungen in Bezug auf Position oder Richtung.
Die Wärmeeinbringung beim Unterpulverschweißen von Niedrigtemperaturstahl beträgt etwa 10~22KJ/cm. Es ist wegen seiner Einfachheit, hohen Schweißleistung und einfachen Bedienung weit verbreitet.
Aufgrund der isolierenden Wirkung des Flussmittels verlangsamt sich jedoch die Abkühlung, was zu einer höheren Tendenz zur Bildung von heiße Risse.
Darüber hinaus können Verunreinigungen und Silizium aus dem Flussmittel in das Schweißgut gelangen, was diese Tendenz noch verstärken kann. Daher sollten beim Unterpulverschweißen die Wahl des Drahtes und des Flussmittels sorgfältig bedacht und die Arbeitsschritte sorgfältig ausgeführt werden.
CO2 Das Schutzgasschweißen führt zu Verbindungen mit geringerer Zähigkeit und wird daher nicht zum Schweißen von Niedrigtemperaturstahl verwendet.
Das Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG) wird in der Regel manuell durchgeführt, und die Wärmezufuhr ist auf einen Bereich von 9 bis 15 KJ/cm begrenzt. Obwohl die hergestellte Schweißverbindung eine zufriedenstellende Leistung aufweist, ist diese Methode nicht anwendbar, wenn die Stahldicke 12 mm überschreitet.
Das Metall-Gas-Lichtbogenschweißen (MIG) ist das am weitesten verbreitete automatische oder halbautomatische Schweißverfahren für Niedrigtemperatur-Stahl mit einer Wärmezufuhr von 23~40KJ/cm.
Basierend auf der Methode der Tropfenübertragung kann man zwischen Kurzschlussübertragung (geringer Wärmeeintrag), kugelförmiger Übertragung (höherer Wärmeeintrag) und gepulster Sprühübertragung (höchster Wärmeeintrag) unterscheiden. Beim MIG-Kurzschlussschweißen kann die Einschmelztiefe unzureichend sein, was zu unvollständigen Einschmelzfehlern führen kann.
Auch bei anderen MIG-Schweißverfahren können ähnliche Probleme auftreten, allerdings in unterschiedlichem Maße. Um eine zufriedenstellende Einschweißtiefe zu erreichen, indem der Lichtbogen konzentrierter wird, können einige bis mehrere zehn Prozent CO2 oder O2 in das reine Argon eingebracht werden, das als Schutzgas.
Der geeignete Prozentsatz sollte experimentell auf der Grundlage der spezifischen Stahlsorte geschweißt wird.
Materialien zum Schweißen (einschließlich Elektroden, Schweißdrähte und Flussmittel) sollten im Allgemeinen nach dem angewandten Schweißverfahren, der Verbindungsform, der Rillenform und anderen erforderlichen Eigenschaften ausgewählt werden.
Bei niedrigwarmfesten Stählen kommt es vor allem darauf an, dass das Schweißgut eine dem Grundwerkstoff entsprechende Tieftemperaturzähigkeit aufweist und die Menge des diffundierten Wasserstoffs minimiert wird.
(1) Aluminiumberuhigter Stahl
Aluminiumberuhigter Stahl ist sehr empfindlich gegenüber der Abkühlgeschwindigkeit nach dem Schweißen. Beim Lichtbogenhandschweißen von aluminiumberuhigtem Stahl werden in der Regel Si-Mn-Elektroden mit niedrigem Wasserstoffgehalt oder 1,5%-Ni-Elektroden und 2,0%-Ni-Elektroden verwendet.
Um die Wärmezufuhr beim Schweißen zu verringern, wird bei aluminiumberuhigtem Stahl in der Regel das Mehrlagenschweißen mit dünnen Elektroden von 3 bis 3,2 mm angewandt. Dadurch kann der sekundäre Wärmezyklus des oberen Schweißdurchgangs zur Verfeinerung des Korns genutzt werden.
Die Kerbschlagzähigkeit des mit Si-Mn-Elektroden bei 50℃ geschweißten Schweißguts nimmt mit steigender Wärmeeinbringung stark ab. Wenn beispielsweise die Wärmeeinbringung von 18 KJ/cm auf 30 KJ/cm ansteigt, nimmt die Zähigkeit stärker ab als bei 60%. Die 1.5% Ni-Typ und 2.5% Ni-Typ Elektroden sind nicht empfindlich auf diese, daher sind sie die beste Wahl für das Schweißen.
Unterpulverschweißen ist ein gängiges automatisches Schweißverfahren für aluminiumhaltigen Stahl. Die beste Zusammensetzung für den Schweißdraht, der beim Unterpulverschweißen verwendet wird, enthält 1,5~3,5% Nickel und 0,5~1,0% Molybdän.
Laut Literatur kann bei Verwendung von 2,5%Ni-0,8%Cr-0,5%Mo oder 2%Ni-Schweißdraht und dem entsprechenden Flussmittel der durchschnittliche Zähigkeitswert des Schweißguts bei -55℃ 56-70J (5,7~7,1Kg/fm) erreichen. Selbst mit 0.5%Mo Schweißdraht und manganlegiertem alkalischem Flussmittel kann ein Schweißgut mit 55J (5,6Kg/f.m) hergestellt werden, solange die Wärmezufuhr unter 26KJ/cm gehalten wird.
Achten Sie bei der Wahl des Flussmittels auf die Übereinstimmung von Si und Mn im Schweißgut. Tests haben gezeigt, dass ein unterschiedlicher Si- und Mn-Gehalt im Schweißgut dessen Zähigkeit stark beeinflussen kann. Die optimale Zähigkeit wird mit 0,1~0,2% Si und 0,7~1,1% Mn erreicht. Dies sollte bei der Auswahl von Schweißdrähten und -pulvern beachtet werden.
Wolfram-Inertgas (WIG)- und Metall-Inertgas (MIG)-Schweißen sind bei aluminiumberuhigtem Stahl weniger verbreitet. Die vorgenannten Schweißdrähte für das Unterpulverschweißen können auch verwendet werden für WIG-Schweißen.
(2) 2.5Ni Stahl und 3.5Ni Stahl
Für das Unterpulverschweißen oder MIG-Schweißen von 2,5Ni- und 3,5Ni-Stählen können im Allgemeinen Schweißdrähte aus demselben Werkstoff wie das Grundmaterial verwendet werden. Wie aus der Wilkinson-Formel hervorgeht, ist Mn jedoch ein Heißrissinhibitor für nickelarmen, niedrigwarmfesten Stahl.
Ein Mangangehalt im Schweißgut von etwa 1,2% ist vorteilhaft für die Vermeidung von Rissen im Lichtbogenloch und anderen Heißrissen. Dies sollte bei der Auswahl der Kombination von Schweißdraht und Flussmittel vorrangig berücksichtigt werden.
Die Versprödungsneigung von 3.5Ni-Stahl ist hoch, so dass nach einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen für Eigenspannung Entlastung (z. B. 620℃×1 Stunde, dann Abkühlung im Ofen), sinkt die Zähigkeit drastisch von 3,8 kg/f.m auf 2,1 kg/f.m und entspricht nicht den Spezifikationen.
Die Tendenz zur Versprödung des Schweißgutes, das mit dem Schweißdraht 4.5%Ni-0.2%Mo hergestellt wird, ist viel geringer, und die Verwendung dieses Drahtes kann die oben genannten Schwierigkeiten vermeiden.
(3) 9Ni-Stahl
9Ni-Stahl wird in der Regel einer Wärmebehandlung durch Abschrecken und Anlassen oder durch doppeltes Normalisieren unterzogen, um seine Tieftemperaturzähigkeit zu erhöhen. Das Schweißgut dieses Stahls kann jedoch nicht der vorgenannten Wärmebehandlung unterzogen werden.
Daher ist es bei der Verwendung von Ferrit-Schweißwerkstoffen schwierig, Schweißgut mit einer mit dem Grundwerkstoff vergleichbaren Tieftemperaturzähigkeit zu erhalten. Am häufigsten werden hochnickelhaltige Schweißwerkstoffe verwendet.
Das Schweißgut solcher Schweißwerkstoffe ist ein vollständig austenitisches Gefüge. Trotz der Nachteile der geringeren Festigkeit im Vergleich zum Grundwerkstoff 9Ni-Stahl und der hohen Kosten stellt der Sprödbruch kein ernsthaftes Problem mehr dar.
Aus den obigen Ausführungen geht hervor, dass:
Da das Schweißgut vollständig austenitisch ist, kann die Tieftemperaturzähigkeit des mit den verwendeten Elektroden und Schweißdrähten geschweißten Schweißguts mit der des Grundwerkstoffs voll mithalten, obwohl seine Zugfestigkeit und Streckgrenze niedriger sind als die des Grundwerkstoffs.
Nickelhaltiger Stahl hat selbsthärtende Eigenschaften, so dass die meisten Elektroden und Schweißdrähte Maßnahmen ergriffen haben, um die Kohlenstoffgehalt um eine gute Schweißbarkeit zu erreichen.
In Schweißwerkstoffen ist Mo ein wichtiges verstärkendes Element, während Nb, Ta, Ti und W wichtige zähmachende Elemente sind. Ihre Bedeutung wurde bei der Auswahl und Gestaltung von Schweißwerkstoffen voll erkannt.
Bei Verwendung desselben Schweißdrahtes sind die Festigkeit und Zähigkeit des Schweißgutes beim Unterpulverschweißen etwas geringer als beim MIG-Schweißen. Dies könnte auf die langsamere Abkühlungsgeschwindigkeit der Schweißnaht und die möglichen Verunreinigungen oder das Eindringen von Si aus dem Flussmittel zurückzuführen sein.
A333-GR6-Stahl ist ein Niedrigtemperaturstahl mit der niedrigsten Verwendungstemperatur von -70 °C, der in der Regel in normalisiertem oder normalisiertem und angelassenem Zustand geliefert wird. A333-GR6 Stahl hat einen niedrigen Kohlenstoffgehalt, daher hat er eine geringe Härtung und Kaltrissneigung, gute Zähigkeit und Plastizität.
Es führt im Allgemeinen nicht leicht zu Aushärtungs- und Rissbildungsfehlern und hat gute Schweißbarkeit.
ER80S-Ni1 Argon-Lichtbogenschweißen Draht mit W707Ni-Elektroden kann zum kombinierten Argon-Elektroschweißen oder ER80S-Ni1 Argon-Lichtbogenschweißdraht zum vollständigen Argon-Lichtbogenschweißen verwendet werden, um eine gute Zähigkeit der Schweißverbindung zu gewährleisten.
Die Marke des Argon-Lichtbogenschweißdrahtes und der Elektrode kann aus Produkten mit der gleichen Leistung gewählt werden, aber die Genehmigung des Eigentümers muss vor der Verwendung eingeholt werden.
Beim Schweißen werden für Rohre mit einem Durchmesser unter 76,2 mm eine I-Stumpfverbindung und das Argon-Volllichtbogenschweißen verwendet; für Rohre mit einem Durchmesser über 76,2 mm wird eine V-Nut geöffnet und die Methode des Argon-Lichtbogenwurzel- und Mehrlagen-Füllungs-Argon-Elektroschweißens oder des Argon-Volllichtbogenschweißens angewendet.
Die spezifischen Praktiken hängen von dem vom Eigentümer genehmigten Rohrdurchmesser und der Wandstärke ab.
(1) Vorwärmen vor dem Schweißen
Wenn die Umgebungstemperatur unter 5℃ liegt, ist ein Vorwärmen des Schweißstücks erforderlich.
Die Vorwärmtemperatur ist 100~150℃; der Vorwärmbereich ist 100mm auf beiden Seiten der Schweißnaht; Autogenflamme (neutrale Flamme) wird zum Erhitzen verwendet, und die Temperatur wird 50~100mm von der Mitte der Schweißnaht durch einen Temperaturmessstift gemessen, mit gleichmäßig verteilten Temperaturpunkten für eine bessere Temperaturkontrolle.
(2) Wärmebehandlung nach dem Schweißen
Um die Kerbschlagzähigkeit von kaltzähem Stahl zu verbessern, werden die allgemein verwendeten Werkstoffe bereits vergütet. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung nach dem Schweißen führt häufig zu einer Verschlechterung des Tieftemperaturverhaltens, dem ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.
Daher wird niedrigwarmfester Stahl in der Regel keiner Wärmebehandlung nach dem Schweißen unterzogen, es sei denn, die Schweißnahtdicke ist größer oder die Randbedingungen sind sehr streng.
Das Schweißen der neu hinzugekommenen LPG-Pipeline in CSPC erfordert beispielsweise keine Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
Wenn bei einigen Projekten eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen erforderlich ist, müssen die Erwärmungsrate, die Dauer der konstanten Temperatur und die Abkühlungsrate bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen strikt nach den folgenden Bestimmungen durchgeführt werden:
Die Dauer der Temperaturkonstanz sollte 1h pro 25mm Wandstärke und nicht weniger als 15min betragen. Der Temperaturunterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur während der Dauer der konstanten Temperatur sollte weniger als 65℃ betragen.
Nach der konstanten Temperatur sollte die Abkühlgeschwindigkeit nicht mehr als 65×25/δ ℃/h und nicht mehr als 260℃/h betragen. Unter 400℃ ist eine natürliche Abkühlung akzeptabel. Es sollten computergesteuerte Wärmebehandlungsanlagen verwendet werden.
(1) Strenges Vorwärmen gemäß den Vorschriften, Kontrolle der Zwischenlagentemperatur innerhalb 100~200℃. Jede Schweißnaht sollte in einem Durchgang abgeschlossen werden, bei Unterbrechungen sollten langsame Abkühlungsmaßnahmen getroffen werden.
(2) Lichtbogenkratzer auf der Oberfläche des Schweißteils sind streng verboten. Nach dem Erlöschen des Lichtbogens ist der Krater aufzufüllen und eventuelle Fehlstellen mit einer Schleifscheibe abzuschleifen. Bei Mehrlagenschweißungen sind die Fugen zwischen den Lagen zu versetzen.
(3) Die Leitungsenergie muss streng kontrolliert werden, mit kleinen Strömen, niedrigen Spannungen und schnellem Schweißen. Bei W707Ni-Elektroden mit einem Durchmesser von 3,2 mm muss die Schweißlänge pro Elektrode 8 cm überschreiten.
(4) Es ist ein kurzes, nicht schwingendes Verfahren anzuwenden.
(5) Volldurchschweißung Prozess muss verwendet werden, und es sollte strikt den Anforderungen in den Schweißprozess-Spezifikationen und der Schweißprozesskarte entsprechen.
(6) Die Schweißnahtverstärkung sollte 0~2mm betragen, und die Aufweitung der Schweißnaht sollte ≤2mm auf jeder Seite sein.
(7) Nach bestandener Prüfung des Aussehens der Schweißnaht kann die zerstörungsfreie Prüfung erst nach mindestens 24 Stunden durchgeführt werden. Die Norm JB 4730-94 sollte angewendet werden für Stumpfschweißen Nähte des Rohrs.
(8) Die Norm "Pressure Vessel: Zerstörungsfreie Prüfung von Druckbehältern" sollte eingehalten werden, und es sollte eine Qualifikation der Stufe II erreicht werden.
(9) Schweißnahtreparaturen sollten vor der Wärmebehandlung nach der Schweißung durchgeführt werden. Sind Reparaturen nach der Wärmebehandlung erforderlich, muss die Schweißnaht nach der Reparatur erneut wärmebehandelt werden.
(10) Wenn die geometrische Größe der Schweißfläche nicht den Anforderungen entspricht, darf sie geschliffen werden, sofern die Dicke nach dem Schleifen nicht unter die Konstruktionsanforderungen fällt.
(11) Für allgemeine Schweißfehlersind maximal zwei Reparaturen zulässig. Wenn die Schweißnaht nach zwei Reparaturen immer noch nicht bestanden ist, sollte die Schweißnaht abgetrennt und gemäß der vollständigen Anleitung für die Schweißung neu geschweißt werden. Schweißverfahren.