Schweißen von niedrigwarmfestem Stahl: Ein umfassender Leitfaden | MachineMFG

Schweißen von niedrigwarmfestem Stahl: Ein umfassender Leitfaden

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01 Überblick über kaltzähen Stahl

1) Die allgemeinen technischen Anforderungen an Tieftemperaturstahl lauten wie folgt: Er sollte eine ausreichende Festigkeit und eine gute Zähigkeit unter Tieftemperaturbedingungen sowie eine gute Schweißbarkeit, Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Dabei ist die Tieftemperaturzähigkeit - d. h. die Fähigkeit, bei niedrigen Temperaturen ein sprödes Versagen zu verhindern und aufzuhalten - der wichtigste Faktor. Daher schreibt jedes Land in der Regel einen bestimmten Wert für die Kerbschlagzähigkeit bei den niedrigsten Temperaturen vor.

2) Bei der Zusammensetzung von Tieftemperaturstahl wird allgemein angenommen, dass Elemente wie Kohlenstoff, Silizium, Phosphor, Schwefel und Stickstoff die Tieftemperaturzähigkeit beeinträchtigen, wobei Phosphor die größte Gefahr darstellt.

Daher sollte Phosphor bereits während des Schmelzens bei niedrigeren Temperaturen entfernt werden. Elemente wie Mangan und Nickel können die Tieftemperaturzähigkeit verbessern. Jede zusätzliche 1% Nickelgehalt kann die Sprödübergangstemperatur um etwa 20℃ senken.

3) Der Wärmebehandlungsprozess hat einen entscheidenden Einfluss auf das metallurgische Gefüge und die Korngröße des Tieftemperaturstahls und beeinflusst damit die Tieftemperaturzähigkeit des Stahls. Nach Abschrecken und Anlassen Behandlung verbessert sich die Tieftemperaturzähigkeit merklich.

4) Auf der Grundlage unterschiedlicher Warmumformungsmethoden lässt sich niedrigwarmfester Stahl in Gussstahl und Walzstahl.

Je nach Zusammensetzung und Unterschieden in der metallurgischen Struktur kann Tieftemperaturstahl unter anderem in folgende Kategorien eingeteilt werden: niedrig legierter Stahl, 6%-Nickelstahl, 9%-Nickelstahl, austenitischer Chrom-Mangan- oder Chrom-Mangan-Nickel-Stahl und austenitischer Chrom-Nickel-Stahl.

Niedrig legierter Stahl wird im Allgemeinen in Regionen mit Temperaturen um -100℃ für die Herstellung von Kühlanlagen, Transportmitteln, oberirdischen Ethylenlagern und petrochemischen Anlagen verwendet.

In Ländern wie den USA, dem Vereinigten Königreich und Japan wird 9%-Nickelstahl häufig für Tieftemperaturkonstruktionen verwendet, z. B. in Lagertanks für die Aufbewahrung und den Transport von verflüssigtem Sumpfgas und Methan, für die Lagerung von Flüssigsauerstoff und für die Herstellung von Flüssigsauerstoff- und Stickstoffanlagen.

Austenitischer rostfreier Stahl ist ein hervorragender Tieftemperaturwerkstoff mit guter Tieftemperaturzähigkeit, ausgezeichneter Schweißbarkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit.

Es wird häufig in Tieftemperaturanwendungen, für den Transport von Flüssigwasserstoff- und Sauerstofftanks, Lagertanks und mehr verwendet. Aufgrund seines höheren Chrom- und Nickelgehalts ist es jedoch in der Regel recht teuer.

02 Überblick über die Konstruktion des Niedertemperaturschweißens von Stahl

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.

1. Rillenverarbeitung

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.

2. Auswahl der Schweißverfahren

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-Schutzgasschweißen (MIG) ist das am häufigsten verwendete automatische oder halbautomatische Schweißverfahren für Niedrigtemperaturstahl, 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.

3) Auswahl der Schweißmaterialien

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 erfüllt nicht die Spezifikation.

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.

03 Schweißen von Tieftemperaturstahlrohren A333-GR6

1) Analyse der Schweißbarkeit des Stahls A333-GR6

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.

2) Schweissverfahren

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.

3) Wärmebehandlungsverfahren

(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.

4) Vorsichtsmaßnahmen

(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.

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