Perfezionamento della saldatura di acciaio inossidabile martensitico e duplex

Vi siete mai chiesti come saldare efficacemente diversi tipi di acciaio inossidabile? Questo articolo approfondisce i metodi di saldatura specializzati per gli acciai inossidabili martensitici e duplex, illustrando le sfide e le soluzioni specifiche per ciascun tipo. Esplorando le tecniche di preriscaldamento, la selezione dei materiali e i trattamenti post-saldatura, imparerete come ottenere saldature forti e durature, riducendo al minimo i rischi come la criccatura da freddo e l'infragilimento. Questa guida offre spunti fondamentali a chiunque voglia padroneggiare le sfumature della saldatura di questi materiali complessi.

Indice dei contenuti

1. Che cos'è l'acciaio inossidabile martensitico?

L'acciaio inossidabile martensitico è una classe unica di leghe ferrose caratterizzata da una struttura cristallina martensitica a temperatura ambiente. Questa microstruttura deriva da un rapido raffreddamento (quenching) dalla fase austenite, creando una struttura dura e metastabile. La caratteristica distintiva degli acciai inossidabili martensitici è la loro capacità di subire cambiamenti significativi nelle proprietà meccaniche attraverso i processi di trattamento termico.

Queste leghe sono rinomate per la loro temprabilità, ottenuta attraverso un ciclo di trattamento termico attentamente controllato di austenitizzazione, tempra e rinvenimento. Questo processo consente di personalizzare proprietà come durezza, resistenza e tenacità per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche.

Gli acciai inossidabili martensitici contengono in genere 11,5-18% di cromo, che conferisce resistenza alla corrosione, e 0,1-1,2% di carbonio, che consente la formazione di martensite e contribuisce alla temprabilità. Alcuni gradi possono anche includere piccole quantità di nichel, molibdeno o vanadio per migliorare specifiche proprietà.

I gradi più comuni di acciaio inossidabile martensitico includono:

  • 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13: questi gradi contengono quantità crescenti di carbonio (0,1-0,4%) con ~13% di cromo, offrendo una gamma di durezza e resistenza alla corrosione.
  • 3Cr13Mo: simile al 3Cr13 ma con l'aggiunta di molibdeno per una maggiore resistenza alla corrosione.
  • 1Cr17Ni2, 2Cr13Ni2: contengono nichel per una maggiore tenacità e resistenza alla corrosione.
  • 9Cr18: grado ad alto tenore di cromo con eccellente resistenza alla corrosione e moderata temprabilità.
  • 9Cr18MoV: grado avanzato con aggiunta di molibdeno e vanadio per una resistenza superiore e all'usura a temperature elevate.

Lettura correlata: Gradi di acciaio inossidabile

2. Metodi di saldatura comuni

L'acciaio inossidabile martensitico può essere saldato con diverse tecniche di saldatura ad arco elettrico, ognuna delle quali offre vantaggi specifici a seconda dell'applicazione e dei risultati desiderati.

La saldatura ad arco con metallo schermato (SMAW), nota anche come saldatura a filo, rimane il metodo principale grazie alla sua versatilità ed economicità. Tuttavia, negli ultimi anni si sono affermati processi avanzati come la saldatura ad arco con gas metallico (GMAW) con gas di protezione ad anidride carbonica o la saldatura ad arco con gas tungsteno (GTAW) con gas di protezione misto argon e anidride carbonica. Questi metodi riducono significativamente il contenuto di idrogeno nel bagno di saldatura, minimizzando così il rischio di cricche a freddo indotte dall'idrogeno nella zona termicamente alterata (ZTA).

Per ottenere risultati ottimali, quando si saldano acciai inossidabili martensitici sono spesso necessari un preriscaldamento e un trattamento termico post-saldatura. Il preriscaldamento a 200-300°C (392-572°F) aiuta a ridurre le velocità di raffreddamento e le sollecitazioni termiche, mentre il trattamento termico post-saldatura a 650-750°C (1202-1382°F) può alleviare le sollecitazioni residue e temprare la struttura della martensite, migliorando le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione della saldatura.

Quando si selezionano i metalli d'apporto, è fondamentale scegliere composizioni che si avvicinino al metallo base o che forniscano una resistenza leggermente superiore. Gli elettrodi a basso contenuto di idrogeno (E410 o E410NiMo) sono preferibili per lo SMAW, mentre i fili ER410 o ER410NiMo sono adatti per i processi GMAW e GTAW.

Anche le tecnologie emergenti, come la saldatura a fascio laser (LBW) e la saldatura a fascio elettronico (EBW), si stanno rivelando promettenti per la giunzione di acciai inossidabili martensitici, offrendo un'elevata precisione e un apporto termico minimo, che può essere vantaggioso per sezioni sottili o componenti sensibili al calore.

3. Materiali di saldatura comuni

(1) Elettrodo e filo in acciaio inossidabile martensitico Cr13

In genere, quando è richiesta una maggiore resistenza nella saldatura, il Cr13 martensitico saldatura dell'acciaio inossidabile Per rendere la composizione chimica del metallo saldato simile a quella del metallo di base, si utilizzano barre e fili, ma questo aumenta la probabilità di cricche da freddo.

Considerazioni:

a. Il preriscaldamento è necessario prima della saldatura e la temperatura non deve superare i 450°C per prevenire l'infragilimento a 475°C.

È necessario eseguire un trattamento termico post-saldatura.

Una volta che la temperatura si è raffreddata a 150-200°C, si deve effettuare un trattamento termico post-saldatura di 2 ore per consentire la trasformazione di tutte le parti del austenite in martensite, seguita da un rinvenimento ad alta temperatura che porta la temperatura a 730-790°C.

Il tempo di mantenimento dovrebbe essere di 10 minuti per 1 mm di spessore della lastra, ma non inferiore a 2 ore, e infine dovrebbe essere raffreddato ad aria.

b. Per prevenire le cricche, il contenuto di S e P nelle barre e nei fili di saldatura deve essere inferiore a 0,015% e il contenuto di Si non deve essere superiore a 0,3%.

Un aumento del contenuto di Si può causare la formazione di ferrite primaria grossolana, che diminuisce la plasticità del giunto.

Il contenuto di carbonio dovrebbe essere tipicamente inferiore a quello del metallo di base, il che può ridurne la temprabilità.

(2) Elettrodo e filo in acciaio inossidabile austenitico al Cr Ni

Il metallo saldato dell'acciaio austenitico al Cr Ni presenta un elevato livello di plasticità, in grado di attenuare le tensioni prodotte durante la trasformazione martensitica nella zona termicamente interessata.

Inoltre, le saldature in acciaio inossidabile austenitico al Cr Ni hanno un'elevata solubilità per l'idrogeno, che può diminuire la diffusione dell'idrogeno dal metallo saldato alla zona termicamente alterata e prevenire efficacemente la formazione di acido. crepe freddeNon è quindi necessario un preriscaldamento.

Tuttavia, la resistenza della saldatura è relativamente bassa e non può essere migliorata con un trattamento termico post-saldatura.

4. Comune problemi di saldatura

(1) Cricca di saldatura a freddo

Gli acciai inossidabili martensitici hanno un elevato contenuto di cromo, che ne aumenta notevolmente la capacità di tempra.

Indipendentemente dal suo stato iniziale prima della saldatura, la saldatura provoca sempre la formazione di martensite vicino alla cucitura.

Con l'aumento della tendenza all'indurimento, il giunto diventa più soggetto a cricche a freddo, soprattutto in presenza di idrogeno. In tali condizioni, l'acciaio inossidabile martensitico è anche soggetto alla formazione di pericolose cricche ritardate indotte dall'idrogeno.

Mmisure:

  • Una corrente di saldatura con un'elevata energia del filo può ridurre la velocità di raffreddamento.
  • I diversi tipi di acciaio richiedono temperature di interpass diverse, che non devono essere inferiori alla temperatura di interpass. temperatura di preriscaldamento.
  • Per eliminare la saldatura è necessario un lento raffreddamento dopo la saldatura a 150-200°C, seguito da un trattamento termico post-saldatura. sollecitazione residua, rimuovere l'idrogeno diffusibile nel giunto e migliorare la struttura e le proprietà del giunto.

(2) Infragilimento della zona colpita dal calore

Gli acciai inossidabili martensitici, in particolare quelli con livelli più elevati di elementi ferritici, hanno una maggiore tendenza alla crescita dei grani.

Una velocità di raffreddamento lenta può portare alla formazione di ferrite grossolana e carburo nella zona termicamente alterata (ZTA) della saldatura, mentre una velocità di raffreddamento rapida può causare l'indurimento e la formazione di martensite grossolana nella ZTA.

Queste strutture grossolane riducono la plasticità e la tenacità della ZTA dell'acciaio inossidabile martensitico, rendendolo fragile.

Contromisure:

  • Mantenere una velocità di raffreddamento adeguata;
  • Selezione di una temperatura di preriscaldamento ragionevole. La temperatura di preriscaldamento non deve superare i 450°C, in quanto l'esposizione prolungata a temperature elevate superiori a questa soglia può causare infragilimento a 475°C.
  • Scegliere saggiamente i materiali di saldatura per regolare la composizione della saldatura e ridurre al minimo la presenza di ferrite grossolana nella saldatura.

5. Processo di saldatura

1) Preriscaldamento prima della saldatura

Il preriscaldamento prima della saldatura è una tecnica fondamentale per prevenire le cricche da freddo e garantire l'integrità strutturale della saldatura. Questo processo riduce la velocità di raffreddamento nella zona termicamente alterata (ZTA) e minimizza le tensioni residue, attenuando così il rischio di cricche indotte da idrogeno.

Per gli acciai con tenore di carbonio compreso tra 0,1% e 0,2%, la temperatura di preriscaldamento consigliata è in genere compresa tra 200°C e 260°C (392°F e 500°F). Questo intervallo di temperatura è sufficiente per eliminare l'umidità e ridurre il gradiente termico tra la saldatura e il metallo base.

Gli acciai ad alta resistenza, in particolare quelli con snervamento superiore a 690 MPa (100 ksi), richiedono spesso temperature di preriscaldamento più elevate. Per questi materiali, è comune il preriscaldamento a temperature comprese tra 400°C e 450°C (752°F e 842°F). Questo intervallo di temperature elevate aiuta a ridurre ulteriormente le velocità di raffreddamento e a gestire la formazione di microstrutture dure e fragili nella ZTA.

È importante notare che la temperatura ottimale di preriscaldamento dipende non solo dal contenuto di carbonio, ma anche da altri elementi di lega, dallo spessore della sezione, dalla temperatura ambiente e dallo specifico processo di saldatura utilizzato. I tecnici di saldatura devono consultare le norme pertinenti (come AWS D1.1 o ISO 13916) ed eseguire i calcoli necessari (ad esempio, l'equivalente di carbonio) per determinare il regime di preriscaldamento più appropriato per ogni applicazione.

2) Raffreddamento dopo la saldatura

Il raffreddamento post-saldatura è una fase critica del processo di saldatura, in particolare per gli acciai ad alta resistenza e per le sezioni spesse. Il pezzo saldato non deve essere riscaldato direttamente dalla temperatura di saldatura alla temperatura di rinvenimento, poiché l'austenite formatasi durante la saldatura potrebbe non essersi completamente trasformata.

Il riscaldamento e il rinvenimento immediato dopo la saldatura possono provocare diversi effetti negativi:

  1. Precipitazione di carburo lungo i confini di grano dell'austenite
  2. Trasformazione dell'austenite in perlite
  3. Formazione di una struttura a grana grossa

Questi cambiamenti microstrutturali riducono significativamente la tenacità e le proprietà meccaniche complessive della saldatura.

Per ridurre questi problemi, è essenziale un processo di raffreddamento controllato:

1. Per saldature a bassa resistenza:

  • Raffreddare a temperatura ambiente
  • Procedere con il trattamento di tempra

2. Per saldature ad alta resistenza e spessore:

  • Raffreddare a 100-150°C (212-302°F)
  • Mantenere questa temperatura per 0,5-1 ora (periodo di ammollo).
  • Riscaldare alla temperatura di tempra appropriata

Questo processo di raffreddamento controllato garantisce che:

  • L'austenite nella zona di saldatura e nella zona termicamente alterata (ZTA) si decompone in gran parte
  • Le sollecitazioni residue sono parzialmente attenuate
  • La diffusione dell'idrogeno è favorita, riducendo il rischio di cricche indotte dall'idrogeno.

La velocità di raffreddamento specifica e le temperature di mantenimento intermedie possono variare a seconda della composizione del materiale, dello spessore della sezione e delle proprietà meccaniche desiderate. È fondamentale seguire le specifiche della procedura di saldatura (WPS) o consultare esperti metallurgici per ottenere risultati ottimali.

In alcuni casi, si possono utilizzare tecniche di raffreddamento avanzate come il raffreddamento ad aria forzata o addirittura la tempra, ma queste devono essere attentamente controllate per evitare di introdurre nuovi problemi come distorsioni o cricche.

3) Trattamento termico post-saldatura

Il trattamento termico post-saldatura (PWHT) è un processo critico progettato per ottimizzare le proprietà meccaniche e l'integrità strutturale dei componenti saldati. Gli obiettivi principali sono la riduzione della durezza della zona saldata e della zona termicamente alterata (ZTA), il miglioramento della duttilità e della tenacità e la riduzione delle tensioni residue di saldatura.

La PWHT prevede due processi principali: il rinvenimento e la ricottura completa. Per il rinvenimento, la temperatura consigliata è di 650-750°C (1202-1382°F). Il componente deve essere mantenuto a questa temperatura per circa 1 ora, seguita da un raffreddamento controllato ad aria. Questo processo allevia efficacemente le tensioni interne, mantenendo un equilibrio tra resistenza e duttilità.

Nei casi in cui è richiesta la lavorazione post-saldatura, si può ricorrere alla ricottura completa per ottenere una durezza minima e la massima lavorabilità. Il processo di ricottura prevede il riscaldamento della saldatura a una temperatura di 830-880°C (1526-1616°F) e il mantenimento di questa temperatura per 2 ore. Successivamente, il componente viene sottoposto a un lento raffreddamento in forno a 595°C (1103°F), seguito da un raffreddamento in aria a temperatura ambiente. Questa velocità di raffreddamento controllata è fondamentale per ottenere la microstruttura e le proprietà desiderate.

È importante notare che i parametri specifici del PWHT possono variare in base a fattori quali la composizione del materiale, lo spessore della sezione e i requisiti di servizio. Per le applicazioni critiche, è consigliabile consultare gli standard industriali pertinenti (ad esempio, ASME BPVC Sezione IX) ed eseguire prove meccaniche per convalidare l'efficacia del processo di trattamento termico.

4) Selezione della bacchetta di saldatura

La scelta degli elettrodi di saldatura per l'acciaio inossidabile martensitico è fondamentale e si divide in due categorie principali: elettrodi per acciaio inossidabile al cromo e elettrodi per acciaio inossidabile austenitico al cromo-nichel. Questa scelta ha un impatto significativo sulle proprietà meccaniche, sulla resistenza alla corrosione e sull'integrità complessiva della saldatura.

Gli elettrodi in acciaio inossidabile al cromo, come E410-15 (AWS A5.4) o E410-16, sono comunemente utilizzati. Questi elettrodi, corrispondenti rispettivamente agli standard cinesi E1-13-15 (G207) e E1-13-16 (G202), offrono una buona resistenza e una moderata resistenza alla corrosione. Sono particolarmente adatti quando si vuole ottenere una composizione del metallo di base simile a quella del metallo di base.

Per le applicazioni che richiedono una maggiore duttilità e resistenza alla corrosione, si preferiscono elettrodi in acciaio inossidabile austenitico al cromo-nichel. Le scelte più comuni includono:

  1. E308-16 / E308L-16 (AWS A5.4), equivalente a E0-19-10-16 (A102)
  2. E308-15 / E308L-15 (AWS A5.4), equivalente a E0-19-10-15 (A107)
  3. E316-16 / E316L-16 (AWS A5.4), equivalente a E0-18-12Mo2-16 (A202)
  4. E316-15 / E316L-15 (AWS A5.4), equivalente a E0-18-12Mo2-15 (A207)

Gli elettrodi di grado "L" (ad esempio, 308L, 316L) hanno un contenuto di carbonio inferiore, che riduce il rischio di sensibilizzazione e migliora la resistenza alla corrosione intergranulare nel servizio ad alta temperatura.

La scelta tra questi elettrodi dipende da fattori quali:

  • Ambiente di servizio (ad esempio, mezzi corrosivi, temperatura)
  • Requisiti delle proprietà meccaniche
  • Considerazioni sul trattamento termico post-saldatura
  • Potenziale di cricche da tensocorrosione

6. Saldatura di acciaio inox duplex

1. Saldabilità degli acciai duplex

L'acciaio inossidabile duplex presenta sia i vantaggi che gli svantaggi dell'acciaio austenitico e ferritico, riducendo le rispettive debolezze.

(1) Il rischio di cricche a caldo è molto più basso rispetto all'acciaio austenitico.

(2) Il rischio di cricche da freddo è significativamente inferiore rispetto alle normali leghe basse. acciaio ad alta resistenza.

(3) Dopo il raffreddamento nella zona termicamente interessata, si conserva una quantità maggiore di ferrite, aumentando il rischio di corrosione e di cricche indotte da idrogeno (infragilimento).

(4) Il giunto saldato degli acciai duplex è soggetta alla precipitazione della fase δ, un composto intermetallico di Cr e Fe.

La sua temperatura di formazione varia da 600°C a 1000°C e può variare in base al tipo di acciaio specifico.

Tabella 1 Intervallo di temperatura del trattamento in soluzione, fase δ e 475 ℃ Fragilità dell'acciaio inossidabile Duplex

ContenutoAcciaio bifase 2205 e 2507, ecc.Acciaio super duplex 00Cr25Ni7Mo3CuN
Temperatura della soluzione solida/℃10401025~1100
Temperatura di sbucciatura quando riscaldata in aria/℃10001000
Fase δ temperatura di formazione/℃600~1000600~1000
475 ° C temperatura di infragilimento/℃300~525300~525

2. Selezione dei metodi di saldatura

Il processo di saldatura per gli acciai duplex prevede prima la saldatura TIG e poi la saldatura ad arco con elettrodo.

Quando si utilizza la saldatura ad arco sommerso, è necessario monitorare attentamente l'apporto di calore e la temperatura di interpass ed evitare una diluizione eccessiva.

Nota:

Quando si utilizza la saldatura TIG, è necessario aggiungere 1-2% di azoto al gas di schermatura (l'aggiunta di una quantità di azoto superiore a 2% può aumentare la porosità e causare instabilità dell'arco). L'aggiunta di azoto aiuta ad assorbire l'azoto dal metallo saldato, prevenendo la perdita di azoto per diffusione nell'area della superficie di saldatura, e contribuisce a stabilizzare la fase di austenite nel metallo saldato. giunto saldato.

3. Selezione dei materiali di saldatura

I materiali di saldatura con livelli più elevati di elementi che formano austenite (come Ni, N) sono scelti per favorire la trasformazione della ferrite nella saldatura in austenite.

L'elettrodo o filo di saldatura 22.8.3L è comunemente utilizzato per la saldatura dell'acciaio 2205, mentre l'elettrodo 25.10.4L o 25.10.4R è spesso utilizzato per la saldatura dell'acciaio 2507.

Tabella 2 Materiali di saldatura e FN dell'acciaio inossidabile duplex tipico

Metallo di baseMateriale di saldaturaComposizione chimicaNomeFN(%)
CSiMnCrNiMoNCuW
2507Filo per saldatura0.020.30.5251040.25--2507/P10040~100
0.02251040.25--Sandivick 25.10.4L
Anima di saldatura0.030.51259.53.60.22--Avesta 2507/p100
0.042510.540.25--Sandivick 25.10.4L
Zeron100Filo di saldaturaCore di saldatura0.041.22.5251040.221122.9.4CuWL
22.9.4CuWLB
40~60
2205Filo per saldatura0.020.51.622.5830.14--Sandivick 22.8.3L40~60
Anima di saldatura0.031.00.822.59.530.14--Sandivick 22.8.3R

4. Punti di saldatura

(1) Durante il processo di saldatura, il controllo dell'energia di saldatura, della temperatura di interpass, del preriscaldamento e dello spessore del materiale influisce sulla velocità di raffreddamento e di conseguenza sulla struttura e sulle proprietà della saldatura e della zona termicamente alterata.

Per ottenere proprietà ottimali del metallo saldato, si raccomanda di controllare la temperatura massima di interpass a 100°C. Se è necessario un trattamento termico post-saldatura, le limitazioni della temperatura di interpass possono essere eliminate.

(2) È preferibile evitare il trattamento termico post-saldatura per gli acciai duplex.

Se è necessario un trattamento termico post-saldatura, spegnimento in acqua è il metodo utilizzato. Durante il trattamento termico, il riscaldamento deve essere rapido e il tempo di permanenza alla temperatura di trattamento termico deve essere compreso tra 5 e 30 minuti, sufficiente a ripristinare l'equilibrio di fase.

L'ossidazione del metallo è un problema durante il trattamento termico, per cui si dovrebbe prendere in considerazione l'uso di un gas inerte come protezione.

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Shane
Autore

Shane

Fondatore di MachineMFG

In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.

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