Heißdraht-GTAW für Nickellegierungsplattierungen: Abscheidungsrate und Verdünnungskontrolle

Einführung

Eine Schweißauflage aus einer Nickellegierung schützt die Druckgrenze von Kohlenstoff- und niedrig{0}legierten Stahlkomponenten vor Korrosion, ohne dass die Kosten für die Herstellung des gesamten Teils aus massivem Inconel- oder Hastelloy-Blech anfallen. Das Overlay funktioniert nur, wenn zwei Dinge gleichzeitig geschehen: Die Abscheidung muss schnell genug abklingen, um wirtschaftlich zu sein, und sie muss chemisch nah genug am Zusatzmetall - und nicht am Grundstahl - bleiben, um die Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, die das Design erfordert. Normalerweise bekämpfen sich diese beiden Ziele. Das Heißdraht-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW-HW) ist das Verfahren, das speziell entwickelt wurde, um diesem Kampf ein Ende zu setzen.

Dieser Artikel vergleicht Heißdraht-GTAW mit den anderen Prozessen, die für die Nickellegierungsplattierung -Kaltdraht-GTAW, GMAW, Unterpulver-Lichtbogenstreifen (SAW-Streifen), Plasma-Transfered Arc (PTA) und Laser-Heißdraht - hinsichtlich Abscheidungsrate und Verdünnung verwendet werden, und legt die Prozessparameter, Standards und Fehlerkontrollen dar, die ein qualifiziertes GTAW-HW-Overlay-Verfahren regeln.

Was ist Heißdraht-GTAW und warum ist es für die Nickellegierungsplattierung wichtig?

Heißdraht-GTAW fügt eine zweite Stromquelle hinzu, die den Zusatzwerkstoff widerstandsmäßig bis nahe an seinen Schmelzpunkt vorheizt, bevor er den Lichtbogen erreicht, sodass der Wolframlichtbogen nicht mehr die gesamte Energie liefern muss, die zum Schmelzen des Zusatzwerkstoffs erforderlich ist. Diese Trennung von „Draht erhitzen“ und „Grundmetall erhitzen“ ermöglicht es GTAW-HW, die Abscheidungsrate zu erhöhen, ohne die Verdünnung zu erhöhen.

Beim konventionellen Kaltdraht-WIG-Schweißen erfüllt der Wolframlichtbogen zwei Aufgaben gleichzeitig: Er schmilzt das Grundmetall, um das Schweißbad zu bilden, und er schmilzt den in dieses Schweißbad eingespeisten Zusatzdraht. Da beide aus der gleichen Lichtbogenenergie schöpfen, erhöht das Drücken von mehr Füllstoff durch den Lichtbogen zur Erhöhung der Abscheidungsrate auch die Lichtbogenenergie und das Bewegungsverhalten, die zum Schmelzen erforderlich sind -, was das Schmelzen des Grundmetalls und damit die Verdünnung erhöht.

Hitzdraht-GTAW unterbricht diese Kopplung. Eine separate, elektrisch isolierte Stromversorgung leitet Strom durch den Zusatzdraht zwischen der Kontaktspitze und dem Schweißbad und erhitzt ihn durch Widerstand auf nahezu -Schmelztemperatur, bevor er jemals den Lichtbogen erreicht. Die Aufgabe des Wolframlichtbogens besteht darin, die Schmelze fertigzustellen und das Eindringen in das Grundmetall zu kontrollieren, während der Drahtvorheizkreis - und nicht der Lichtbogen - den Großteil der zum Schmelzen des Füllstoffs erforderlichen Energie liefert.

Die Abschmelzleistung wird hauptsächlich durch die Drahtvorschubgeschwindigkeit und den Vorheizstrom bestimmt, weitgehend unabhängig vom Lichtbogenstrom.

Das Eindringen des Grundmetalls (und damit die Verdünnung) wird hauptsächlich durch den Lichtbogenstrom und die Bewegungsgeschwindigkeit bestimmt, weitgehend unabhängig von der Abscheidungsrate.

Die beiden Variablen können separat angepasst werden - der Hauptgrund dafür, dass GTAW-HW eine höhere Produktivität erzielt, ohne die Verdünnungskontrolle zu beeinträchtigen.

Wie erhöht Heißdraht-GTAW die Abscheidungsrate gegenüber herkömmlichem Kaltdraht-GTAW?

Durch das Vorheizen des Drahtes schmilzt dieser in dem Moment, in dem er ankommt, in das Schmelzbad, anstatt dem Lichtbogen Schmelzenergie zu entziehen. Aus diesem Grund sind die dokumentierten GTAW-HW-Abscheidungsraten etwa zwei- bis dreimal höher als die Kalt-Draht-GTAW bei Abscheidungsraten von etwa 1–12 lb/h, ohne Erhöhung der Lichtbogenenergie oder Verdünnung.

Beim Kaltdraht-GTAW gelangt der Draht bei Raumtemperatur in das Schmelzbad und der Lichtbogen muss die volle latente Wärme und die fühlbare Wärme liefern, um ihn zu schmelzen. - Eine Grenze dafür, wie viel Draht pro Zeiteinheit hinzugefügt werden kann, bevor der Prozess an der Drahtspitze anfängt zu stumpfen, spritzt oder sich zusammenballt. Durch das Widerstandsvorwärmen des Drahtes wird der größte Teil dieser thermischen Verschuldung beseitigt, bevor der Draht ankommt, so dass bei gleichen Lichtbogeneinstellungen eine höhere Drahtvorschubgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann.

Branchenquellen berichten von GTAW{0}}HW-Abscheidungsraten, die sich je nach Drahtdurchmesser, Vorwärmstrom und Verbindungs- oder Auflagegeometrie auf etwa 1 bis 12 Pfund/h belaufen, wobei Produktivitätsgewinne üblicherweise mit dem Zwei- bis Dreifachen eines vergleichbaren Kaltdraht-GTAW-Aufbaus bei gleicher Schweißqualität angegeben werden. Dies ist auch der Grund, warum GTAW-HW häufig als Mittelweg zwischen Kaltdraht-GTAW/Orbital-GTAW mit geringer -Ablagerung und höheren -Ablagerungen, aber höherer{9}Verdünnung wie GMAW und SAW-Streifen positioniert wird.

Quellen: The Fabricator, „Könnte GTAW Hot-Mainstream werden?“; Fit-Weld, „Hochleistungs-Heißdraht-WIG-WIG-Beschichtungssysteme.“

Wie kontrolliert Heißdraht-GTAW die Verdünnung besser als andere Beschichtungsverfahren?

In der Produktionspraxis hält Heißdraht-GTAW eine Aufdüngung im Bereich von etwa 3-8 %, was unter GMAW und SAW-Streifen liegt (typischerweise 15-30 %) und mit - konkurrenzfähig ist, wenn auch normalerweise höher als - Laser-Heißdrahtauftragschweißen (ungefähr 5-10 %), was GTAW-HW zur stärksten Lichtbogenschweißoption macht, wenn die Einzelschichtaufdünnung darunter liegt Der Grenzwert von 5,0 % Oberflächeneisen ist erforderlich.

Unter Verdünnung versteht man den Anteil des fertigen Schweißguts, der aus geschmolzenem Grundmetall und nicht aus Zusatzwerkstoff stammt. Bei Nickellegierungsauflagen auf Kohlenstoff- oder niedrig{1}legiertem Stahl ist die Verdünnung von Bedeutung, da aus dem Grundmetall aufgenommenes Eisen die Korrosionsbeständigkeit der Auflage beeinträchtigt. - Die meisten Spezifikationen für Nickellegierungsauflagen begrenzen den Eisengehalt an der Oberfläche aus genau diesem Grund auf 5,0 Gew.-%, und die allgemeine Verdünnung im Lichtbogenprozess kann weit über dem liegen, was eine einzelne Schicht absorbieren kann, und dennoch diesen Grenzwert einhalten.

Da der Lichtbogen von GTAW der energieärmste und am besten räumlich kontrollierbare Prozess der großen Lichtbogenbeschichtungsprozesse ist, hat er immer die geringste Verdünnung der Lichtbogenfamilie erzeugt, - der Kompromiss- war in der Vergangenheit die niedrige Abscheidungsrate. GTAW-HW behält diesen niedrigen-Verdünnungscharakter bei und schließt gleichzeitig einen Großteil der Ablagerungs-ratenlücke, die die Grundlage für seine Auswahl ist, wenn beide Variablen eingeschränkt sind.

Quellen: Lincoln Electric, „Laser Hot Wire Cladding“; Welding Fabrication World, „Weld Overlay/Cladding - Types, Process & ASME Requirements“; ScienceDirect, „Schweißplattierungen aus Hastelloy C276 mit dem GTAW-Kaltdrahtzuführungsverfahren.“ Die Bereiche sind repräsentativ für veröffentlichte Feld- und Labordaten; Qualifizieren Sie alle Werte durch Verfahrensqualifizierungstests gemäß dem geltenden Code.

Welche Prozessparameter steuern tatsächlich das Gleichgewicht zwischen Abscheidungsrate und Verdünnung?

Vier Parameter erledigen fast die gesamte Arbeit: Der Lichtbogenstrom legt die Durchdringung und Verdünnung fest, die Drahtvorschubgeschwindigkeit und der Vorheizstrom legen die Abscheidungsrate weitgehend unabhängig vom Lichtbogen fest, und die Bewegungsgeschwindigkeit legt die Perlenüberlappung und die Schichtabdeckung fest. - Ein qualifiziertes GTAW-Verfahren-HW-Verfahren stimmt alle vier Parameter aufeinander ab, anstatt einen von ihnen als Ganzes zu behandeln.

Lichtbogenstrom

Der Lichtbogenstrom ist der Hauptantrieb für das Schmelzen unedler Metalle. Ein höherer Lichtbogenstrom weitet und vertieft das Schweißbad, zieht mehr Grundmetall ein und erhöht die Verdünnung. - dokumentierte Schweißnaht-auf-Blechtests von Inconel 625-Heißdraht-GTAW-Überzug auf 2,25Cr-1Mo-Stahl zeigten, dass die Verdünnung, die Schweißnahtbreite und die Größe der wärmebeeinflussten Zone zunahmen, wenn der Schweißstrom von 125 A auf 200 A anstieg. Lichtbogenstrom wird daher so niedrig gehalten, dass der Lichtbogen stabil aufrechterhalten und dennoch eine Fusion erreicht werden kann.

Drahtvorschubgeschwindigkeit und Vorheizstrom

Die Drahtvorschubgeschwindigkeit legt fest, wie viel Zusatzmetall pro Zeiteinheit in das Becken gelangt. Der Vorheizstrom legt fest, wie nahe der Draht beim Eintreffen bereits am Schmelzen ist. Wenn beides zusammen erhöht wird, erhöht sich die Abscheidungsrate mit nur einem sekundären Effekt auf die Energiebilanz des Lichtbogens. - Dies ist der Mechanismus, der es GTAW-HW ermöglicht, Füllstoff schneller hinzuzufügen, ohne mehr Wärme vom Lichtbogen in das Grundmetall zu ziehen.

Fahrgeschwindigkeit und Wulstüberlappung

Die Fahrgeschwindigkeit steuert, wie viel vom Pool sich vor dem nächsten Durchgang verfestigt, wodurch die Überlappung und Abdeckung der Perlen festgelegt wird. Eine langsamere Fahrt erhöht den Wärmeeintrag pro Längeneinheit und kann die Verdünnung auch bei konstantem Strom erhöhen, sodass die Fahrtgeschwindigkeit gemeinsam mit dem Strom qualifiziert und nicht unabhängig in der Werkstatt angepasst werden muss.

Vorwärm-/Zwischenlagentemperatur und Anzahl der Schichten

Da es unabhängig vom Verfahren schwierig ist, eine Einzelschichtverdünnung unter etwa 5 % an der Fusionslinie zu gewährleisten, erfordern die meisten Spezifikationen eine mindestens zweischichtige Überlagerung, wobei die erste Schicht als Puffer behandelt wird und die Chemie bei einer Probenahmetiefe gemessen von der Fusionslinie - üblicherweise 3 mm für eine Mindestschichtdicke von 3 mm qualifiziert wird. Die Temperaturregelung zwischen den Durchgängen begrenzt außerdem die Wärmeansammlung über die Durchgänge hinweg und trägt so dazu bei, die Verdünnung vom Wurzeldurchgang bis zur Deckschicht konstant zu halten.

Welche Schweißströme erzeugen eine akzeptable Verdünnung für Inconel 625-Beschichtungen auf Stahl?

Veröffentlichte Wulst{0}}auf-Plattentests von Inconel 625-Heißdraht-GTAW-Überzug auf 2,25Cr-1Mo-Stahl zeigen, dass sowohl die Verdünnung als auch die Härte mit dem Lichtbogenstrom über den Bereich von 125–200 A ansteigen. Die meisten Produktionsverfahren für Inconel 625-Überzug auf niedriglegiertem Stahl qualifizieren sich daher für die untere Hälfte dieses Bandes und verlassen sich auf eine zweite Schicht, um die Oberflächenchemie für den Rest zu sorgen auf dem Weg zur nominalen Inconel 625-Zusammensetzung.

Dieselbe Studie ergab, dass die höchste Schweißmetallhärte bei 150 A unter den vier getesteten Strömen (125, 150, 175 und 200 A) auftrat, mit einer dendritischen austenitischen Mikrostruktur über den gesamten Bereich und einer Aufmischung, Perlenbreite und wärmebeeinflussten Zonengröße, die alle mit steigendem Strom nach oben tendierten. Die praktische Erkenntnis aus der Verfahrensentwicklung besteht darin, dass der Strom keine freie Variable für die Produktivität allein ist -Jede Erhöhung muss anhand der Korrosion-relevanten Chemie- und Härtegrenzwerte in der maßgeblichen Spezifikation überprüft werden, nicht nur anhand der Penetration und des Aussehens.

Für saure -Servicekomponenten ist die Härte ein harter Grenzwert und nicht nur ein Qualitätsindikator: NACE MR0175/ISO 15156-konforme Auflagen sind üblicherweise auf 248 HV10 in der HAZ aus Kohlenstoff-/niedriglegiertem Stahl und 345 HV10 in der Inconel 625-Auflage selbst begrenzt, gemessen durch Vickers-Tests an mehreren Stellen pro Schicht.

Welche Codes und Standards regeln die Qualifizierung und Akzeptanz von Heißdraht-GTAW-Umhüllungen?

Ein GTAW-HW-Nickellegierungsüberzugsverfahren ist in erster Linie gemäß ASME Abschnitt IX (wesentliche Variablen und mechanische/chemische Tests) qualifiziert und wird im Rahmen von ASME Abschnitt VIII Division 1 Anhang F für plattierte Druckbehälter und - für Ölfeld- und Sauer-Servicegeräte - angewendet, die den Anforderungen von API 582, API 6A und NACE MR0175/ISO 15156 an Eisenverdünnungsklasse und Härte entsprechen.

Quellen: Materialschweißen, „Anforderungen an Schweißverfahrensqualifikationstests für die Qualifizierung von Schweißüberzügen“; API 6A (über die Zusammenfassung von Valvestandard.com); Piping-World, „Inconel 625 Weld Overlay Piping“; Welding Fabrication World, „Schweißauftrag/Verkleidung“.

Die Zusammensetzung des fertigen Overlays wird anhand der Designspezifikation oder der angegebenen Füllmetallnorm überprüft. - ASME Abschnitt IX selbst legt keinen Mindestlegierungsgehalt fest. Bei der chemischen Analyse werden in einem definierten Abstand hinter der Schweißlinie Proben entnommen, die der qualifizierten Mindestschichtdicke entsprechen. Ein Eisengehalt über dem angegebenen Grenzwert führt zur Ablehnung des Verfahrens oder der Produktionsschweißung.

Was sind die häufigsten Defekte bei Heißdraht-GTAW-Ummantelungen und wie werden sie verhindert?

Die wichtigsten Defekte bei GTAW-HW-Nickellegierungsüberzügen sind Unter-Risse unter der Beschichtung, mangelnde Verschmelzung am Fuß oder an der Wurzel, oxidierte/ungeschmolzene Drahteinschlüsse durch unsachgemäße Vorwärmung und eine Verdünnung außerhalb-der-Spezifikationen an der Schmelzlinie -. Alle vier werden in erster Linie durch Parameterqualifizierung und Zwischendurchgangsdisziplin und nicht durch Reparaturen nach{5}dem Schweißen kontrolliert.

Unter-Rißbildung: angetrieben durch Wasserstoff und Eigenspannung in der WEZ; gesteuert mit korrekter Vorwärm-/Zwischendurchgangstemperatur, niedrigem{1}Wasserstoffgehalt und, sofern angegeben, PWHT.

Mangelnde Verschmelzung an der Wulstspitze oder zwischen den Durchgängen: verursacht durch zu hohe Fahrgeschwindigkeit oder unzureichende Lichtbogenenergie an der Schweißlinie; gesteuert durch die Qualifikation der Fahrgeschwindigkeit und des Brennerwinkels sowie durch Sicht-/PT-Inspektion zwischen den Schichten.

Drahtoxidation oder nicht geschmolzene Drahteinschlüsse: verursacht durch zu weites Vorheizen des Drahtes vor dem Pool oder durch Schutzgasverlust um den heißen{0}}Drahtkontaktpunkt; gesteuert durch die Abstimmung des Vorheizstroms und die Überprüfung der Schutzgasabdeckung.

Übermäßige Verdünnung/Eisenaufnahme an der Oberfläche: verursacht durch übermäßigen Lichtbogenstrom, langsame Bewegung oder eine Unterschichtdicke; kontrolliert durch zwei-mindestens Überlagerung, aktuelle Qualifikation und Probenahme der chemischen Zusammensetzung in der qualifizierten Tiefe.

Mikro-Rissbildung und unerwünschte Karbidausfällung: überprüft durch Mikrountersuchung der Qualifikationsprobe; wird durch die Steuerung des Wärmeeintrags und bei stabilisierten oder kohlenstoffarmen Füllstoffen durch die Anpassung der Füllstoffchemie an die Betriebstemperatur gesteuert.

Wo passt Heißdraht-GTAW am besten in eine Strategie zur Auswahl von Nickellegierungsplattierungen?

Heißdraht-GTAW ist die richtige Standardlösung für Rohr{0}}--Rohrbodenverbindungen, Düsenbohrungen, Ventilkörper und andere geometrisch eingeschränkte oder hochwertige Komponenten, bei denen eine Verdünnung unter 5 % und eine mechanisierte, wiederholbare Abdeckung wichtig sind - große flache oder gekrümmte Bereiche wie Gefäßwände und -köpfe werden immer noch besser mit SAW--Streifen und einfache Reparaturen vor Ort mit SMAW bedient.

Die Prozessauswahl für die Nickellegierungsauflage ist ein Kompromiss zwischen Fläche, Zugang, Verdünnungsbedarf und Kosten. SAW-Streifen und gepulstes GMAW decken große Flächen am schnellsten ab, können die Verdünnung in einer einzelnen Schicht jedoch nicht zuverlässig unter etwa 10-15 % halten. Sie sind daher Anwendungen vorbehalten, bei denen bereits zwei oder mehr Schichten geplant sind oder bei denen die Verdünnungsgrenze weniger streng ist. SMAW ist nach wie vor die einzige praktische Wahl für Reparaturen vor Ort und für schwer zugängliche Stellen, an denen eine Mechanisierung nicht möglich ist. GTAW-HW nimmt den Raum ein, in dem die Geometrie ausreichend eingeschränkt ist, um Präzision - Rohrbohrungen, Düsenhälse, kleine Ventilkörper - zu ermöglichen, aber die Fläche ist zu groß oder die Wirtschaftlichkeit zu knapp für alleiniges Kaltdraht-GTAW.

Die Laser-Heißdrahtbeschichtung treibt die Verdünnungs- und Abscheidungsrate weiter in die gleiche Richtung wie GTAW-HW und ist eine Prüfung für sehr hochwertige-Komponenten wert, bei denen die Kapitalkosten der Laserausrüstung gerechtfertigt sind. Für den Großteil der Überlagerungsarbeiten mit Nickellegierungen an Rohren, Formstücken, Flanschen und Schmiedestücken an der Druckgrenze ist GTAW-HW nach wie vor das Verfahren, das die Qualifikationsvertrautheit, die Ausrüstungskosten und die Verdünnungskontrolle, die der Korrosionsdienst erfordert, am besten in Einklang bringt.

Häufig gestellte Fragen

F: Welcher Verdünnungsgrad ist für Inconel 625-Schweißauflagen auf Kohlenstoffstahl akzeptabel?

A: Die meisten Auflagenspezifikationen für Nickellegierungen begrenzen den Eisengehalt an der Oberfläche auf maximal 5,0 Gew.-%, was typischerweise eine mindestens zwei-schichtige Auflage erfordert, da die Einzelschichtverdünnung an der Schmelzlinie bei jedem Lichtbogenprozess, einschließlich Heißdraht-WIG, schwer zu unterschreiten ist.

F: Wie viel schneller ist die Heißdraht-GTAW als die herkömmliche Kaltdraht-GTAW?

A: Die veröffentlichten Abschmelzraten für GTAW-HW liegen etwa zwei- bis dreimal höher als die für Kaltdraht-GTAW bei vergleichbarer Schweißqualität, wobei GTAW-HW je nach Drahtdurchmesser und Vorwärmstrom etwa 1 bis 12 lb/h beträgt.

F: Beseitigt Heißdraht-GTAW die Notwendigkeit mehrerer Overlay-Schichten?

A: Nein. Auch bei der geringeren Verdünnung von GTAW-HW erfordern die meisten Spezifikationen immer noch eine mindestens zwei-schichtige Überlagerung, da die erste Schicht als Verdünnungspuffer zwischen dem Grundmetall und der korrosionskritischen Oberflächenschicht fungiert.

F: Welcher Code regelt die Härtegrenzen für Überzüge aus saurer Nickellegierung?

A: NACE MR0175/ISO 15156 regelt die Härteakzeptanz für sauren Einsatz. Die Grenzwerte liegen üblicherweise bei 248 HV10 für die HAZ aus Kohlenstoff/niedrig{4}legiertem Stahl und 345 HV10 für die Inconel 625-Beschichtung, bestätigt durch Vickers-Tests.

F: Wann sollte SAW-Streifen oder GMAW anstelle von Heißdraht-GTAW verwendet werden?

A: SAW-Streifen und gepulstes GMAW eignen sich besser für große, offene Bereiche wie Gefäßwände und -köpfe, wo eine höhere Verdünnung pro Schicht akzeptabel ist und mehrere Schichten bereits geplant sind; Heißdraht-GTAW wird bevorzugt, wenn die Geometrie eingeschränkt ist oder die Kontrolle der Verdünnung einer einzelnen Schicht von entscheidender Bedeutung ist.