Controle van de warmte-inbreng bij het lassen van roestvrij staal

Bij elke las wordt energie in het basismetaal gestort. Die energie, gemeten als warmte-inbreng, regelt direct de grootte van de door hitte beïnvloede zone (HAZ), de afkoelsnelheid en uiteindelijk de microstructuur en eigenschappen van de lasverbinding. Voor roestvast staal, waar corrosiebestendigheid de belangrijkste prestatie-eis is, is de controle van de warmte-inbreng niet optioneel, maar van fundamenteel belang.

De warmte-inbreng wordt berekend op basis van drie lasparameters: stroomsterkte (stroom), spanning en rijsnelheid. De relatie is eenvoudig: de warmte-inbreng is gelijk aan het product van stroom en spanning, gedeeld door de voortbewegingssnelheid, met een correctiefactor voor het lasproces. Maar ondanks deze eenvoud blijft de warmte-inbreng een van de meest onbegrepen en verkeerd toegepaste parameters bij de productie van roestvrij staal.

Waarom is het belangrijker dan je denkt? Want de gevolgen van een verkeerde warmte-inbreng zijn niet altijd direct zichtbaar. Een las die de visuele inspectie en radiografie doorstaat, kan nog steeds defect raken als gevolg van sensibilisatie, sigmafasevorming of overmatige korrelgroei - die allemaal rechtstreeks verband houden met de thermische cyclus die tijdens het lassen wordt opgelegd. Dit artikel legt de metallurgische basis voor warmte-inbrenglimieten uit en biedt praktische richtlijnen voor verschillende roestvaststaalfamilies.

Berekening van de warmte-inbreng

De standaardformule voor warmte-inbreng is afgeleid van de basisfysica. Vermogen (watt) is gelijk aan spanning vermenigvuldigd met stroom. Energie (joule) is gelijk aan vermogen vermenigvuldigd met de tijd. Bij het lassen zijn we geïnteresseerd in de energie per laslengte, wat betekent dat we delen door de voortbewegingssnelheid.

De efficiëntiefactor houdt rekening met warmte die verloren gaat naar de omgeving: straling, convectie en spatten. Verschillende lasprocessen hebben verschillende efficiënties:

Tabel 1: Efficiëntiefactoren voor warmte-invoer per lasproces

Bron: AWS D1.6:2017; ASME Sectie IX (2023); Lassenmetallurgie, Kou (2003)

Voorbeeldberekening: Een GTAW-las gemaakt bij 12 volt, 150 ampère en een voortbewegingssnelheid van 150 mm/min: warmte-inbreng=(12 x 150 x 0,6 x 60) / (150 x 1000)=0.43 kJ/mm. Dit is een relatief lage warmte-inbreng, typisch voor austenitisch roestvast staal met dunne-secties.

Austenitisch roestvast staal: matige warmte-inbreng voorkomt sensibilisatie

Austenitische roestvaste staalsoortenzijn de meest lasbare van alle roestvrijstalen families, maar ze zijn niet immuun voor thermische schade. Het voornaamste risico is sensibilisatie: het neerslaan van chroomcarbiden op korrelgrenzen wanneer het metaal het bereik van 500-850 graden Celsius passeert. Een hoge warmte-inbreng verlengt de tijd die de HAZ in deze kritieke temperatuurzone doorbrengt, waardoor de ernst van de sensibilisatie toeneemt.

Koolstofkwaliteiten met een laag-gehalte (304L, 316L) en gestabiliseerde kwaliteiten (321, 347) zijn speciaal ontwikkeld om sensibilisatie tegen te gaan. Maar zelfs deze kwaliteiten zijn niet immuun voor de effecten van overmatige warmte-inbreng. Hoge temperaturen veroorzaken ook korrelgroei, wat de taaiheid kan verminderen en het risico op heetscheuren bij volledig austenitische lasmetalen kan vergroten.

Het aanbevolen warmte-invoerbereik voor austenitische kwaliteiten brengt twee concurrerende eisen in evenwicht: voldoende warmte om voldoende smelt- en lasbadvloeibaarheid te garanderen, maar niet zozeer dat de HAZ buitensporig veel tijd in het sensibiliseringsbereik doorbrengt. Interpass-temperatuurregeling (doorgaans onder 150 graden Celsius) vermindert de cumulatieve thermische blootstelling verder.

Tabel 2: Richtlijnen voor warmte-invoer voor austenitisch roestvast staal

Bron: Outokumpu roestvrij staalhandboek (2020); AWS D1.6:2017; ASME Sectie VIII Div.1 (2023)

Duplex roestvast staal: de warmte-inbreng regelt de austeniet-ferrietbalans

Duplex roestvrij staalontlenen hun uitzonderlijke sterkte en corrosieweerstand aan een uitgebalanceerde microstructuur van ongeveer 50% austeniet en 50% ferriet. Lassen verstoort dit evenwicht. De snelle thermische cyclus bevordert de vorming van ferriet, en als de warmte-inbreng te laag is, kunnen het lasmetaal en de HAZ overmatig ferriet vasthouden (meer dan 70%), wat de taaiheid en corrosieweerstand vermindert.

Omgekeerd, als de warmte-inbreng te hoog is, bevordert de langere tijd bij verhoogde temperatuur de vorming van schadelijke intermetallische fasen - met name de sigmafase en de chi-fase. Deze fasen verbruiken chroom en molybdeen uit de omringende matrix, waardoor verarmde zones ontstaan ​​die vatbaar zijn voor putcorrosie en spanningscorrosie. Sigma-fasevorming is het ernstigste metallurgische risico bij duplexlassen.

De oplossing is een zorgvuldig gecontroleerd warmte-inbrengvenster, gecombineerd met geschikte vulmetalen. Vulmetalen voor duplexkwaliteiten zijn over{1}}gelegeerd met nikkel (doorgaans 8-9%) om reformatie van austeniet tijdens afkoeling te bevorderen. De warmte-inbreng moet hoog genoeg zijn om tijd te laten voor deze austeniettransformatie, maar niet zo hoog dat er een sigmafase ontstaat.

Tabel 3: Richtlijnen voor warmte-invoer voor duplex roestvast staal

Bron: Outokumpu Duplex roestvrijstalen handboek (2015); Sandvik SAF 2205/2507 Lasrichtlijnen; NACEMR0175/ISO 15156

Martensitisch roestvrij staal: lage warmte-inbreng met voorverwarmen voorkomt scheuren

Martensitisch roestvast staal verandert in hard, bros martensiet bij afkoeling vanaf de austenitistemperatuur. Deze transformatie veroorzaakt hoge restspanningen en maakt de HAZ extreem gevoelig voor waterstof-geïnduceerd scheuren (ook wel vertraagd scheuren of koudscheuren genoemd). In tegenstelling tot austenitische staalsoorten worden martensitische staalsoorten niet beschermd door een stabiele FCC-kristalstructuur.

Controle van de warmte-inbreng voor martensitische soorten dient twee doelen. Ten eerste vergroot overmatige warmte-inbreng de omvang van de verharde HAZ, waardoor een groter volume bros materiaal ontstaat. Ten tweede vertraagt ​​een lage warmte-inbreng in combinatie met voorverwarmen de afkoelsnelheid, waardoor de hardheid van het martensiet afneemt en de waterstof meer tijd krijgt om uit de laszone te diffunderen.

Voorverwarmen is essentieel voor martensitische kwaliteiten. De voorverwarmingstemperatuur is afhankelijk van het koolstofgehalte en de dikte van de sectie, maar varieert doorgaans van 200-300 graden Celsius. De interpasstemperatuur moet boven het voorverwarmingsminimum worden gehouden. Een warmtebehandeling na het lassen (ontlaten bij 650-750 C) is vrijwel altijd vereist.

Tabel 4: Vereisten voor warmte-invoer en voorverwarming voor martensitisch roestvast staal

Bron: ASM Specialty Handbook: Stainless Steels (1994); AWS D1.6:2017; ASME Sectie VIII Div.1

Verbinding met koelsnelheid: waarom alleen warmte-inbreng niet genoeg is

De warmte-inbreng is een maatstaf voor de afgezette energie, maar het is de afkoelsnelheid die de uiteindelijke microstructuur bepaalt. Dezelfde warmte-inbreng toegepast op een plaat van 3 mm zal een veel snellere afkoelingssnelheid opleveren dan wanneer deze wordt toegepast op een plaat van 25 mm. Daarom moeten de aanbevelingen voor de warmte-inbreng altijd in aanmerking worden genomen naast de sectiedikte.

De afkoelsnelheid bij het lassen wordt doorgaans gemeten als de tijd die nodig is om af te koelen van 800 naar 500 graden Celsius (t8/5). Voor koolstofstaal bepaalt deze parameter rechtstreeks de hardheid en microstructuur van de HAZ. Voor roestvast staal verschilt het kritische temperatuurbereik; voor sensibilisatie is de tijd tussen 850 en 500 graden Celsius van belang.

De relatie tussen warmte-inbreng en koelsnelheid kan worden benaderd met behulp van warmtestroomvergelijkingen. Voor dunne secties (waar warmte voornamelijk in twee dimensies stroomt) is de koelsnelheid omgekeerd evenredig met het kwadraat van de warmte-invoer. Voor dikke secties (drie-dimensionale warmtestroom) is de koelsnelheid omgekeerd evenredig met de warmte-inbreng. Dit betekent dat in dunne secties een kleine toename van de warmte-inbreng de afkoelsnelheid dramatisch vertraagt.

Tabel 5: Variatie van de koelsnelheid met warmte-inbreng en sectiedikte

Bron: Welding Metallurgy, Kou (2003); ASM-handboek deel 6A (2011)

Multi-lassen: cumulatieve warmte-invoer en interpass-temperatuur

Multi--lassen introduceert een complicatie die enkel--lassen niet kent: elke volgende passage onderwerpt het onderliggende lasmetaal en de HAZ aan extra thermische cycli. Dit kan nuttig of schadelijk zijn, afhankelijk van het cijfer. Bij sommige austenitische lassen kan de hitte van latere passages carbiden oplossen die tijdens eerdere passages zijn gevormd. Voor duplexkwaliteiten versnelt herhaalde verwarming tot 600-900 graden Celsius de vorming van de sigmafase.

De tussendoorgangstemperatuur is de temperatuur van de laszone net vóór het aanbrengen van de volgende doorgang. Voor de meeste roestvaste staalsoorten moet deze onder de 150 graden Celsius worden gehouden om de cumulatieve thermische blootstelling te beperken. Sommige duplexspecificaties zijn zelfs nog strenger en vereisen een interpass van minder dan 100 graden Celsius voor super-duplexkwaliteiten zoals 2507.

De praktische implicatie is dat lassen met meerdere-doorgangen een zorgvuldigere planning vereisen dan lassen met enkele-doorgangen. De lasser moet voldoende tijd laten tussen de koelbeurten, of geforceerde koelmethoden gebruiken (luchtstoot, watermist) die de laszone niet vervuilen. Overhaast multi{4}}lassen op duplex- of super--kwaliteiten is een veelvoorkomende oorzaak van sigmafasevorming en daaropvolgende servicefouten.

Tabel 6: Richtlijnen voor interpass-temperaturen voor multi-lassen

Bron: Outokumpu-lasrichtlijnen (2020); Handboek voor het lassen van speciale metalen; NACEMR0175

Gevolgen van overmatige warmte-inbreng

De gevolgen van een slechte regeling van de warmte-inbreng zijn niet theoretisch. Ze verschijnen regelmatig in foutanalyserapporten in verschillende sectoren. Door deze faalwijzen te begrijpen, kunnen ingenieurs en inspecteurs de symptomen herkennen en terugleiden naar de hoofdoorzaak.

Intergranulaire corrosie: Veroorzaakt door sensibilisatie in de HAZ. De korrelgrenzen worden selectief aangetast, wat leidt tot een 'suikerachtig' uiterlijk aan het oppervlak. Vaak voorkomend bij 304/316-lassen met overmatige warmte-inbreng zonder de juiste L--kwaliteit of stabilisatie.

Putcorrosie: Sigma-fasevorming in duplexstaal verbruikt chroom en molybdeen, waardoor zones ontstaan ​​met verminderde weerstand tegen putcorrosie. Putten ontstaan ​​bij voorkeur in de HAZ van lassen met hoge-warmte-input.

Spanningscorrosiescheuren (SCC): Hoge warmte-inbreng creëert een grotere HAZ met hogere restspanning. Gecombineerd met sensibilisatie creëert dit ideale omstandigheden voor SCC in chloride-houdende omgevingen.

Verminderde taaiheid: Overmatige korrelgroei in austenitische HAZ vermindert de slagvastheid. Bij duplexstaalsoorten verminderen het hoge ferrietgehalte en de sigmafase de taaiheid aanzienlijk.

Heetscheuren: Bij volledig austenitische lasmetalen (310, sommige nikkellegeringen) verlengt een hoge warmte-inbreng de tijd die wordt doorgebracht in het brosse stollingsbereik, waardoor het risico op scheuren door stolling toeneemt.

Tabel 7: Storingsmodi gekoppeld aan overmatige warmte-inbreng

Bron: ASM Handbook Deel 11: Foutanalyse (2002); NACE-onderzoek naar corrosiegegevens; Casestudy's over falen van JN-legeringen

Praktische regeling van de warmte-inbreng: van WPS tot werkvloer

De controle van de warmte-inbreng begint op het ingenieursbureau en eindigt op de werkvloer. De lasprocedurespecificatie (WPS) moet expliciete warmte-inbrenglimieten bevatten, en niet alleen de basisparameters van stroomsterkte, spanning en rijsnelheid. Voor kritische toepassingen moet de WPS het acceptabele bereik voor elke parameter en de berekende warmte-inbrenglimieten specificeren.

Specificeer de warmte-inbreng in de WPS: Ga er niet van uit dat het vermelden van de stroom- en spanningsbereiken voldoende is. Bereken en vermeld de maximale warmte-inbreng expliciet (bijvoorbeeld 'Maximale warmte-inbreng: 2,0 kJ/mm').

Gebruik gekalibreerde apparatuur: Moderne stroombronnen kunnen de werkelijke stroomsterkte en spanning weergeven en registreren. Gebruik deze gegevens om de werkelijke warmte-inbreng te berekenen, niet alleen de instelpunten.

Train lassers over de gevolgen: Lassers die begrijpen dat overmatige warmte-inbreng corrosiefouten kan veroorzaken, zullen meer gemotiveerd zijn om de rijsnelheid en de interpass-temperatuur te controleren.

Bewaak de rijsnelheid: De rijsnelheid is de parameter die tijdens de productie het vaakst door lassers wordt aangepast. Geef begeleiding bij het handhaven van een constante snelheid, of gebruik gemechaniseerde/geautomatiseerde systemen voor kritische lassen.

Documenteer de warmte-inbreng voor kritische lassen: Voor drukvaten, offshore-componenten en leidingen van chemische fabrieken kunt u de werkelijke warmte-inbreng voor elke las berekenen en registreren. Dit zorgt voor traceerbaarheid in geval van toekomstige storingen.

Gebruik rekenmachines voor warmte-inbreng: Met gratis apps en online rekenmachines kunnen lassers snel de warmte-inbreng berekenen op basis van de basisparameters. Stimuleer het gebruik ervan op de winkelvloer.

De kosten van controle op de warmte-inbreng zijn minimaal vergeleken met de kosten van een corrosiestoring tijdens gebruik. Eén enkele putfout in een chemische fabriek kan resulteren in miljoenen dollars aan verloren productie, milieuschoonmaak en vervanging van apparatuur. Investeren in een goede controle van de warmte-inbreng is niet alleen een goede techniek, het is ook een goede economie.

Samenvatting

De volgende tabel consolideert de aanbevelingen uit dit artikel in een snel- referentieformaat. Ingenieurs en fabrikanten kunnen deze matrix gebruiken om warmte-inbrenglimieten voor hun specifieke toepassingen vast te stellen.

Tabel 8: Beslissingsmatrix voor warmte-invoer per roestvrij staalfamilie

Bron: Samengesteld uit de technische richtlijnen van AWS D1.6, ASME Section VIII/IX, Outokumpu, Sandvik, Special Metals en JN Alloys

Conclusie

Warmte-inbreng is de meest controleerbare variabele die de kwaliteit en serviceprestaties van roestvrijstalen lassen bepaalt. De metallurgische gevolgen van warmte-inbreng – sensibilisatie, sigmafasevorming, korrelgroei en fase-onbalans – zijn goed begrepen en voorspelbaar. Wat vaak ontbreekt is de discipline om deze kennis naar de praktijk te vertalen.

De aanbevelingen in dit artikel zijn gebaseerd op tientallen jaren onderzoek en praktijkervaring. Het zijn geen willekeurige grenzen -- ze weerspiegelen de onderliggende fysica en metallurgie van het lassen. Door de warmte-inbreng binnen het juiste bereik voor elke roestvaststaalfamilie te regelen, kunnen fabrikanten lassen produceren die de corrosieweerstand, mechanische eigenschappen en betrouwbaarheid op lange termijn behouden die hun klanten verwachten.

Voor technische ondersteuning bij lasprocedures voor roestvrij staal, de keuze van toevoegmetaal of optimalisatie van de warmte-inbreng kunt u contact opnemen met JN Alloys -- uw partner in hoogwaardige legeringsoplossingen.

Website:www.jnalloys.com