الأسلاك الساخنة GTAW لتكسية سبائك النيكل: معدل الترسيب والتحكم في التخفيف

مقدمة

يعمل تراكب اللحام بسبائك النيكل على حماية حدود الضغط للمكونات المصنوعة من الكربون والمكونات الفولاذية ذات السبائك المنخفضة-من التآكل، دون تكلفة بناء الجزء بالكامل من ألواح Inconel أو Hastelloy الصلبة. يعمل التراكب فقط في حالة حدوث شيئين في وقت واحد: يجب أن ينخفض ​​الترسيب بسرعة كافية ليكون اقتصاديًا، ويجب أن يظل قريبًا كيميائيًا بدرجة كافية من معدن الحشو - وليس الفولاذ الأساسي - لتوفير مقاومة التآكل التي يتطلبها التصميم. عادة ما يتقاتل هذان الهدفان. اللحام بقوس التنغستن بغاز السلك الساخن (GTAW-HW) هو عملية مصممة خصيصًا لوقف تلك المعركة.

تقارن هذه المقالة السلك الساخن GTAW بالعمليات الأخرى المستخدمة لتكسية سبائك النيكل - السلك البارد- GTAW، وGMAW، وشريط القوس المغمور (SAW-الشريط)، وقوس البلازما المنقول (PTA)، والسلك الساخن بالليزر - على معدل الترسيب والتخفيف، وتوضح معلمات العملية والمعايير وضوابط العيوب التي تحكم إجراء تراكب GTAW-HW المؤهل.

ما هو السلك الساخن GTAW، وما أهميته بالنسبة لتكسية سبائك النيكل؟

يضيف السلك الساخن GTAW مصدر طاقة ثانيًا يقوم بتسخين سلك الحشو بشكل مقاوم إلى ما يقرب من نقطة الانصهار قبل أن يصل إلى القوس، لذلك لم يعد قوس التنغستن بحاجة إلى توفير كل الطاقة اللازمة لإذابة الحشو. إن فصل "تسخين السلك" عن "تسخين المعدن الأساسي" هو ما يسمح لـ GTAW-HW برفع معدل الترسيب دون زيادة التخفيف.

في الأسلاك الباردة التقليدية-GTAW، يؤدي قوس التنغستن وظيفتين في وقت واحد: فهو يذيب المعدن الأساسي لتكوين حوض اللحام، ويذيب سلك الحشو الذي يتم تغذيته في هذا المجمع. نظرًا لأن كلاهما يستمدان من نفس طاقة القوس، فإن دفع المزيد من الحشو عبر القوس لرفع معدل الترسيب يؤدي أيضًا إلى رفع طاقة القوس وسلوك السفر اللازم لإذابته - مما يزيد من ذوبان المعدن الأساسي وبالتالي التخفيف.

يكسر السلك الساخن GTAW هذا الاقتران. يمرر مصدر طاقة منفصل ومعزول كهربائيًا التيار عبر سلك الحشو بين طرف التلامس وحوض اللحام، مما يؤدي إلى تسخينه بشكل مقاوم إلى درجة حرارة قريبة من -درجة حرارة الانصهار قبل أن يصل إلى القوس. تنحصر مهمة قوس التنغستن في إنهاء عملية الصهر والتحكم في اختراق المعدن الأساسي، بينما توفر دائرة التسخين المسبق للسلك - وليس القوس - معظم الطاقة اللازمة لإذابة مادة الحشو.

يتم تحديد معدل الترسيب بشكل أساسي عن طريق سرعة تغذية السلك وتيار التسخين المسبق، وهو مستقل إلى حد كبير عن تيار القوس.

يتم تحديد اختراق المعدن الأساسي (وبالتالي التخفيف) بشكل أساسي بواسطة تيار القوس وسرعة السفر، بشكل مستقل إلى حد كبير عن معدل الترسيب.

يمكن ضبط المتغيرين بشكل منفصل - وهو السبب الأساسي وراء تحقيق GTAW-HW إنتاجية أعلى دون التضحية بالتحكم في التخفيف.

كيف يعمل Hot Wire GTAW على زيادة معدل الترسيب مقارنة بالأسلاك الباردة التقليدية-GTAW؟

يؤدي التسخين المسبق للسلك إلى ذوبانه في حوض السباحة لحظة وصوله بدلاً من سحب طاقة الذوبان من القوس، وهذا هو السبب في أن معدلات ترسيب GTAW-HW الموثقة أعلى مرتين إلى ثلاث مرات تقريبًا من السلك البارد- GTAW بمعدلات ترسيب تبلغ حوالي 1-12 رطل/ساعة، دون زيادة طاقة القوس أو التخفيف.

في -السلك GTAW البارد، يدخل السلك إلى حوض السباحة في درجة حرارة الغرفة ويجب أن يزود القوس بالحرارة الكامنة الكاملة والحرارة المعقولة لإذابته - وهو حد لمقدار السلك الذي يمكن إضافته لكل وحدة زمنية قبل أن تبدأ العملية في التعثر أو التناثر أو التكور عند طرف السلك. يؤدي التسخين المسبق للسلك بشكل مقاوم إلى إزالة معظم الدين الحراري قبل وصول السلك، لذلك يمكن الحفاظ على سرعة تغذية أعلى للسلك في نفس إعدادات القوس.

تشير مصادر الصناعة إلى أن معدلات ترسيب GTAW- للمخلفات الخطرة تمتد تقريبًا من 1 إلى 12 رطل/ساعة اعتمادًا على قطر السلك، وتيار التسخين المسبق، وهندسة المفاصل أو التراكب، مع الإشارة إلى مكاسب الإنتاجية بشكل شائع عند ضعفين إلى ثلاثة أضعاف إعداد GTAW للأسلاك الباردة -نفس جودة اللحام. ولهذا السبب أيضًا يتم وضع GTAW-HW بشكل متكرر كأرضية وسطى بين -الترسيب البارد المنخفض-السلك GTAW/GTAW المداري والترسيب الأعلى- ولكن عمليات التخفيف الأعلى- مثل شريط GMAW وSAW-.

المصادر: The Fabricator، "هل يمكن لأسلاك GTAW الساخنة- أن تصبح سائدة؟"; Fit-Weld، "أنظمة تكسية الأسلاك الساخنة GTAW TIG عالية الأداء."

كيف يتم تخفيف التحكم في الأسلاك الساخنة GTAW بشكل أفضل من عمليات الكسوة الأخرى؟

يحتفظ السلك الساخن GTAW بالتخفيف في نطاق 3-8% تقريبًا في ممارسة الإنتاج، والذي يقع تحت شريط GMAW وSAW- (عادةً 15-30%) ويتنافس مع - على الرغم من أنه عادة ما يكون أعلى من - تكسية الأسلاك الساخنة بالليزر (حوالي 5-10%)، مما يجعل GTAW-HW أقوى خيار لحام القوس عند التخفيف بطبقة واحدة مطلوب أقل من 5.0% من حد الحديد السطحي.

التخفيف هو جزء من رواسب اللحام النهائية التي تأتي من المعدن الأساسي المنصهر بدلاً من معدن الحشو. بالنسبة لتراكب سبائك النيكل على الكربون أو الفولاذ المنخفض-سبائك، فإن التخفيف مهم لأن الحديد الملتقط من المعدن الأساسي يقلل من مقاومة التآكل، فالتراكب موجود لتوفير - معظم مواصفات تراكب سبائك النيكل تحدد محتوى الحديد السطحي عند 5.0% بالوزن لهذا السبب بالضبط، ويمكن أن يعمل تخفيف عملية القوس العام- بدرجة أعلى بكثير مما يمكن أن تمتصه طبقة واحدة ولا تزال تلبي هذا الحد.

نظرًا لأن قوس GTAW هو الأقل-طاقة، والأكثر قابلية للتحكم من الناحية المكانية في عمليات تكسية القوس الرئيسية، فقد أنتج دائمًا أقل تخفيف لعائلة القوس - وكانت المقايضة-تاريخيًا هي معدل الترسيب المنخفض. يحتفظ GTAW-HW بطابع التخفيف المنخفض-مع إغلاق جزء كبير من فجوة معدل الترسيب-، والذي يعد أساس اختياره حيثما يكون كلا المتغيرين مقيدين.

المصادر: لينكولن إلكتريك، "تكسية الأسلاك الساخنة بالليزر"؛ عالم تصنيع اللحام، "أنواع طبقات اللحام/الكسوة - والعمليات ومتطلبات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين"؛ ScienceDirect، "لحام الكسوة من Hastelloy C276 باستخدام عملية تغذية الأسلاك الباردة GTAW." تمثل النطاقات البيانات الميدانية والمخبرية المنشورة؛ تأهيل جميع القيم من خلال إجراء اختبار التأهيل وفقًا للكود المعمول به.

ما هي معلمات العملية التي تتحكم فعليًا في معدل الترسيب/رصيد التخفيف؟

تقوم أربع معلمات تقريبًا بكل العمل: تيار القوس يحدد الاختراق والتخفيف، وسرعة تغذية السلك ومعدل ترسيب تيار التسخين المسبق بشكل مستقل إلى حد كبير عن القوس، وسرعة السفر تحدد تداخل الخرزة وتغطية الطبقة - إجراء GTAW-HW مؤهل يضبط الأربعة معًا بدلاً من التعامل مع أي واحد منهم على أنه القصة بأكملها.

تيار القوس

تيار القوس هو المحرك الأساسي لذوبان المعادن الأساسية. يعمل تيار القوس الأعلى على توسيع وتعميق حوض اللحام، مما يؤدي إلى سحب المزيد من المعدن الأساسي ورفع التخفيف - حبة موثقة -على -لوحة اختبار Inconel 625 الساخنة -سلك GTAW على 2.25Cr-1Mo أظهر الصلب التخفيف وعرض الخرزة وحجم المنطقة المتأثرة بالحرارة جميعها تزداد مع ارتفاع تيار اللحام من 125 أمبير إلى 200 أ. لذلك يبقى تيار القوس عند أدنى مستوى يمكن للقوس أن يحافظ عليه بثبات بينما لا يزال يحقق الاندماج.

سرعة تغذية السلك وتيار التسخين المسبق

تحدد سرعة تغذية السلك مقدار معدن الحشو الذي يدخل إلى حوض السباحة لكل وحدة زمنية؛ يحدد تيار التسخين المسبق مدى قرب ذوبان هذا السلك بالفعل عند وصوله. يؤدي رفعهما معًا إلى زيادة معدل الترسيب مع وجود تأثير ثانوي فقط على توازن الطاقة الخاص بالقوس -، وهذه هي الآلية التي تسمح لـ GTAW-HW بإضافة الحشو بشكل أسرع دون سحب المزيد من الحرارة من القوس إلى المعدن الأساسي.

سرعة السفر وتداخل الخرز

تتحكم سرعة السفر في مقدار صلابة حوض السباحة قبل المرور التالي، مما يحدد تداخل الخرزة وتغطيتها. يؤدي السفر الأبطأ إلى زيادة مدخلات الحرارة لكل وحدة طول ويمكن أن يزيد التخفيف حتى عند التيار الثابت، لذلك يتم تأهيل سرعة السفر بالاشتراك مع التيار بدلاً من ضبطها بشكل مستقل على أرضية المتجر.

التسخين المسبق/درجة الحرارة البينية وعدد الطبقات

نظرًا لأنه من الصعب ضمان تخفيف طبقة -مفردة أقل من حوالي 5% عند خط الدمج بغض النظر عن العملية، فإن معظم المواصفات تتطلب تراكب طبقتين- كحد أدنى، مع معالجة الطبقة الأولى كمخزن مؤقت والكيمياء المؤهلة عند عمق أخذ العينات الذي يتم قياسه من خط الدمج - عادة 3 مم لسمك تراكب لا يقل عن 3 مم. كما يحد التحكم في درجة الحرارة بين الممرات من تراكم الحرارة عبر الممرات، مما يساعد على الحفاظ على التخفيف المتسق من ممر الجذر عبر طبقة الغطاء.

ما هي تيارات اللحام التي تنتج التخفيف المقبول لكسوة Inconel 625 على الفولاذ؟

تم نشر حبة -على-لوحة اختبار Inconel 625 لطبقة GTAW من الأسلاك الساخنة -على فولاذ 2.25Cr-1Mo يظهر التخفيف والصلابة على حد سواء مع تيار القوس عبر النطاق 125-200 A، لذا فإن معظم إجراءات الإنتاج لتراكب Inconel 625 على الفولاذ منخفض السبائك مؤهلة في النصف السفلي من هذا النطاق وتعتمد على طبقة ثانية لجلب السطح الكيمياء بقية الطريق نحو تكوين Inconel 625 الاسمي.

وجدت نفس الدراسة أن أعلى صلابة لمعدن اللحام حدثت عند 150 أمبير بين التيارات الأربعة التي تم اختبارها (125، 150، 175، و200 أمبير)، مع بنية مجهرية شجيرية عبر النطاق والتخفيف وعرض الخرزة وحجم المنطقة المتأثرة بالحرارة، وكلها تتجه نحو الأعلى مع زيادة التيار. إن الفكرة العملية لتطوير الإجراء هي أن التيار ليس متغيرًا حرًا للإنتاجية وحدها - يجب فحص كل زيادة مقابل التآكل-حدود الكيمياء والصلابة ذات الصلة في المواصفات الحاكمة، وليس فقط ضد الاختراق والمظهر.

بالنسبة لمكونات الخدمة -الحامضة، تعد الصلابة حدًا صارمًا، وليس مجرد مؤشر جودة: يتم تحديد الحد الأقصى للتراكب المتوافق مع NACE MR0175/ISO 15156-بحد أقصى عند 248 HV10 في HAZ من الكربون/الفولاذ منخفض السبائك و345 HV10 في تراكب Inconel 625 نفسه، ويتم قياسه بواسطة اختبار Vickers في مواقع متعددة لكل طبقة.

ما هي القواعد والمعايير التي تحكم مؤهلات وقبول كسوة الأسلاك الساخنة GTAW؟

يعتبر إجراء تراكب سبائك النيكل الثقيل GTAW- مؤهلًا بشكل أساسي بموجب القسم التاسع من ASME (المتغيرات الأساسية والاختبارات الميكانيكية/الكيميائية)، ويتم تطبيقه ضمن القسم الثامن من ASME القسم 1 الملحق F لأوعية الضغط المكسوة، و- لحقول النفط والحامض-معدات الخدمة - ذات الطبقات مع متطلبات API 582 وAPI 6A وNACE MR0175/ISO 15156 على الحديد فئة التخفيف والصلابة.

المصادر: لحام المواد، "متطلبات اختبارات تأهيل إجراءات اللحام لتأهيل تراكب اللحام"؛ API 6A (عبر ملخص Valvestandard.com)؛ الأنابيب-عالم، "Inconel 625 Weld Overlay Pipes"; عالم تصنيع اللحام، "تراكب اللحام/الكسوة".

يتم التحقق من تركيبة التراكب النهائي وفقًا لمواصفات التصميم أو معيار الحشو المعدني المشار إليه - ASME القسم التاسع بحد ذاته لا يحدد الحد الأدنى لمحتوى السبائك. يتم أخذ عينات التحليل الكيميائي على مسافة محددة من خط الصهر، بما يتوافق مع الحد الأدنى المؤهل لسمك التراكب، ويكون محتوى الحديد فوق الحد المحدد سببًا لرفض الإجراء أو لحام الإنتاج.

ما هي العيوب الأكثر شيوعًا في تكسية الأسلاك الساخنة GTAW، وكيف يتم الوقاية منها؟

العيوب الأكثر أهمية في تراكب سبائك النيكل GTAW-HW هي التشققات تحت-الانصهار، ونقص الانصهار عند إصبع القدم أو الجذر، وشوائب الأسلاك المؤكسدة/غير المنصهرة نتيجة التسخين المسبق غير المناسب، والتخفيف خارج-المواصفات عند خط الدمج -، ويتم التحكم في جميع العيوب الأربعة بشكل أساسي من خلال مؤهل المعلمات وانضباط الممر البيني بدلاً من إصلاح ما بعد- اللحام.

تحت-التشقق المكسو: مدفوع بالهيدروجين والإجهاد المتبقي في المناطق المتضررة من الحرائق؛ يتم التحكم فيه باستخدام درجة حرارة التسخين المسبق/درجة الحرارة البينية الصحيحة، وممارسة الهيدروجين المنخفض-، وPWHT، عند تحديد ذلك.

نقص الاندماج عند إصبع القدم الخرزي أو بين التمريرات: بسبب سرعة السفر المفرطة أو عدم كفاية طاقة القوس عند خط الاندماج؛ يتم التحكم فيها عن طريق سرعة السفر وتأهيل زاوية الشعلة وعن طريق الفحص البصري/PT بين الطبقات.

أكسدة الأسلاك أو شوائب الأسلاك غير المنصهرة: تحدث بسبب التسخين المسبق للسلك بعيدًا جدًا عن المجمع أو عن طريق حماية فقدان الغاز حول -نقطة اتصال السلك الساخن؛ يتم التحكم فيه عن طريق ضبط التيار المسبق للتسخين والتحقق من تغطية الغاز التدريع.

التخفيف الزائد / التقاط الحديد على السطح: بسبب تيار القوس الزائد، أو السفر البطيء، أو تراكب أقل من -السماكة؛ يتم التحكم فيها بواسطة طبقتين من التراكب الأدنى-والمؤهل الحالي وأخذ عينات من التركيب الكيميائي عند العمق المؤهل.

التشققات الدقيقة والترسيب الكربيدي غير المرغوب فيه: يتم فحصها عن طريق الفحص الدقيق لعينة التأهيل؛ يتم التحكم فيه عن طريق التحكم في إدخال الحرارة، وبالنسبة للحشوات المستقرة أو المنخفضة-بالكربون، عن طريق مطابقة كيمياء الحشو مع درجة حرارة الخدمة.

أين يتناسب Hot Wire GTAW بشكل أفضل مع استراتيجية اختيار تكسية سبائك النيكل؟

يعتبر GTAW من الأسلاك الساخنة هو الإعداد الافتراضي الصحيح لمفاصل الأنابيب-إلى-ألواح الأنابيب، وتجويف الفوهات، وأجسام الصمامات، وغيرها من المكونات ذات القيمة -المقيدة هندسيًا أو ذات القيمة العالية حيث يكون التخفيف أقل من 5% والتغطية الآلية القابلة للتكرار، وكلا الأمرين يهم - المناطق الكبيرة المسطحة أو المنحنية مثل أغطية الأوعية ورؤوسها، والتي لا تزال تخدم بشكل أفضل بواسطة شريط SAW-، والإصلاحات الميدانية البسيطة بواسطة SMAW.

إن اختيار العملية لتراكب سبائك النيكل هو عبارة عن تجارة بين المساحة والوصول ومتطلبات التخفيف والتكلفة. يغطي شريط SAW-GMAW النبضي مساحات كبيرة بشكل أسرع ولكن لا يمكن الاعتماد عليه للحفاظ على التخفيف أقل من حوالي 10-15% في طبقة واحدة، لذلك يتم حجزهما للتطبيقات التي تم تخطيط طبقتين أو أكثر فيها بالفعل أو حيث يكون حد التخفيف أقل صرامة. يظل SMAW هو الخيار العملي الوحيد للإصلاح الميداني والوصول غير المناسب حيث لا تكون الميكنة ممكنة. تشغل GTAW-HW المساحة التي تكون فيها الهندسة مقيدة بدرجة كافية لمكافأة تجاويف الأنابيب الدقيقة - وأعناق الفوهات وأجسام الصمامات الصغيرة - ولكن المنطقة كبيرة جدًا أو اقتصاديات ضيقة جدًا بالنسبة لـ GTAW بالسلك البارد وحده.

تعمل تغطية الأسلاك الساخنة بالليزر على دفع معدل التخفيف والترسيب بشكل أكبر في نفس اتجاه GTAW-HW، وتستحق التقييم بالنسبة للمكونات ذات القيمة العالية- للغاية حيث تكون التكلفة الرأسمالية لمعدات الليزر مبررة. بالنسبة لغالبية أعمال تراكب سبائك النيكل -الضغطية على الأنابيب والتركيبات والفلنجات والمطروقات، تظل GTAW-HW هي العملية التي تحقق أفضل توازن بين معرفة المؤهلات وتكلفة المعدات والتحكم في التخفيف الذي تتطلبه خدمة التآكل.

الأسئلة المتداولة

س: ما هو مستوى التخفيف المقبول لطبقة اللحام Inconel 625 على الفولاذ الكربوني؟

ج: تحدد معظم مواصفات تراكب سبائك النيكل محتوى حديد السطح إلى 5.0% بالوزن كحد أقصى، وهو ما يتطلب عادةً تراكب طبقتين -على الأقل لأنه من الصعب تقليل تخفيف الطبقة المفردة -في خط الدمج إلى أقل من حوالي 5% مع أي عملية قوسية، بما في ذلك GTAW للأسلاك الساخنة.

س: ما مدى سرعة GTAW للسلك الساخن مقارنة بالسلك البارد التقليدي-GTAW؟

ج: تعمل معدلات الترسيب المنشورة لـ GTAW-HW أعلى مرتين إلى ثلاث مرات تقريبًا من الأسلاك الباردة-GTAW بجودة لحام مماثلة، مع GTAW-HW تمتد تقريبًا من 1 إلى 12 رطل/ساعة اعتمادًا على قطر السلك وتيار التسخين المسبق.

س: هل يلغي السلك الساخن GTAW الحاجة إلى طبقات تراكب متعددة؟

ج: لا. حتى عند التخفيف المنخفض لـ GTAW-HW، لا تزال معظم المواصفات تتطلب تراكب طبقتين -على الأقل لأن الطبقة الأولى تعمل كمخزن مؤقت للتخفيف بين المعدن الأساسي وطبقة السطح الحرجة- المسببة للتآكل.

س: ما الكود الذي يحكم حدود الصلابة لطبقة سبائك النيكل الحامضة-؟

ج: يحكم معيار NACE MR0175/ISO 15156 قبول الصلابة للخدمة الحامضة، مع الحدود المطبقة بشكل شائع عند 248 HV10 لسبائك الفولاذ الكربوني/المنخفض - HAZ و345 HV10 لطبقة Inconel 625، والتي تم التحقق منها بواسطة اختبار Vickers.

س: متى يجب استخدام شريط SAW- أو شريط GMAW بدلاً من سلك GTAW الساخن؟

ج: يعتبر الشريط SAW- وGMAW النبضي أكثر ملاءمة للمناطق الكبيرة والمفتوحة مثل أغطية الأوعية ورؤوسها حيث يكون التخفيف الأعلى لكل طبقة مقبولًا ويتم التخطيط بالفعل لطبقات متعددة؛ يُفضل استخدام GTAW للسلك الساخن حيث تكون الهندسة مقيدة أو يكون التحكم في تخفيف طبقة واحدة - أمرًا بالغ الأهمية.