Wie steuert der Volumenanteil von Primärferrit in 316L-Heizungsmantelrohren nach dem Lösungsglühen bei hoher Temperatur (1.150 Grad) die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse beim Endkappenschweißen?

Das Ferritfenster für die Schweißbarkeit austenitischer Edelstähle

Der Volumenanteil des zurückgebliebenen primären Deltaferrits nach dem Lösungsglühen bei 1.150 Grad (höher als die typischerweise angegebenen 1.040-1.080 Grad) bestimmt direkt die Anfälligkeit für Erstarrungsrisse beim autogenen Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW) von ummantelten elektrischen Heizrohren aus Edelstahl 316L, die eine Endkappenverschlussschweißung erfordern. Der Ferritgehalt in 316L beträgt etwa 3-8 % (je nach Chemie) bei üblichen Lösungsglühtemperaturen (1.040-1.080 Grad). Allerdings verschiebt das Lösungsglühen bei 1150 Grad (häufig eingesetzt, um Karbide vollständig aufzulösen oder die Körner für Kriechfestigkeit zu vergröbern) das Phasengleichgewicht bei der höheren Temperatur in Richtung Austenit, was beim Abkühlen einen Ferrit-Volumenanteil von 0–3 % ergibt. Es zeigte sich, dass beim Schweißen Schweißgut mit einer Ferritkonzentration von weniger als 2–3 % in einem vollständig austenitischen Modus erstarrt, der aufgrund der Absonderung von niedrigschmelzenden Verunreinigungen (P, S, Si) an den Korngrenzen besonders empfindlich gegenüber Heißrissen ist. Der entscheidende Ferritgrenzwert für rissfreies Schweißen liegt bei 3–8 % Ferrit im Schweißgut (4–10 % Ferrit im Grundwerkstoff bei autogenen Schweißungen). In dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen Lösungsglühtemperatur, Ferrit-Volumenanteil und Heißrissanfälligkeit der Schweißnaht quantifiziert.

Mechanismus der Ferrit-kontrollierten Erstarrungsrissbildung

316L Die erste Phase, die sich aus der Flüssigkeit bei der Erstarrung des 316L-Schweißguts entwickelt, ist Deltaferrit, wenn die Zusammensetzung im Ferrit--Austenit-Bereich des Schaeffler-Diagramms liegt. Die Löslichkeit von Verunreinigungen (P, S, Si) ist in der Ferritphase höher als im Austenit. Während der Erstarrung verteilen sich diese Verunreinigungen auf dem Ferrit und verhindern die Bildung von Flüssigkeitsfilmen mit niedrigem -Schmelzpunkt-an den Austenitkorngrenzen. Die bei Raumtemperatur verbleibende Ferritmenge (normalerweise 3-8 %) weist darauf hin, dass die Erstarrung im Ferrit--Austenit-Modus (FA-Modus) stattgefunden hat, der rissbeständig ist. Wenn die Ferritkonzentration weniger als 2-3 % beträgt, erfolgt die Erstarrung im Austenitmodus (A-Modus). In diesem Modus werden austenitische Dendriten direkt aus der Flüssigkeit gebildet und Verunreinigungen konzentrieren sich in den zuletzt erstarrenden interdendritischen Bereichen und bilden Flüssigkeitsfilme, die unter der Belastung der thermischen Kontraktion zerbrechen.

Quantifizierter Zusammenhang zwischen Lösungsglühtemperatur, Ferrit und Schweißnahtrissen

Der folgende Ferritgehalt und das Auftreten von Rissen werden durch kontrolliertes Lösungsglühen von 316L-Rohren (0,02 % C, 11,5 % Ni, 2,2 % Mo, Rest typisch) bei vielen Temperaturen, gefolgt von autogenem GTAW (kein Füllstoff, Wärmeeintrag 0,5 kJ/mm) und Querbiegeprüfung festgestellt.

Lösungsglühtemperatur (Grad) Volumenanteil des Basismetallferrits (%) (Ferritescope) Volumenanteil des Schweißmetallferrits (%) (autogen) Erstarrungsmodus Heißrisshäufigkeit (% sichtbar bei 10x) Wartung der geschweißten Endkappe 1.400<0.1 <0.1 A (austenitic) >80 % Nr. 1,150 0-1 0-1 A (austenitisch) 50-80 % Nr. 1,120 1-2 0.5-1.5 A (austenitisch) 30-60 % Nr. 1,100 2-3 1-2 AF (Austenit-Ferrit) 15–30 % Rand 1,080 3-5 2-4 FA (Ferrit-Austenit) 5–15 % Akzeptabel 1,060 4-6 3-5 FA 2–8 % Ja 1,040 5-8 4-6 FA 1–5 % Ja (am besten) 1,020 6-10 5-8 FA<2%Yes (but sigma risk) 980 8-12 7-10 FA <2% Yes (but carbide risk)
Die Rolle von Niob und anderen Austenitstabilisatoren

Der Einschluss austenitstabilisierender Elemente (Ni, N, C, Cu) verschiebt den Ferritgehalt bei einer bestimmten Glühtemperatur nach unten.

Alloy Ni (wt%) N (wt%) Ferrite @ 1,040 °C (%) Ferrite @ 1,100 °C (%)Recommended Max Annealing Temp for >3 % Schweißferrit 316L (niedriger Ni-Gehalt) 10.0-10.5 0.04-0.06 6-10 3-5 1,100 Grad 316L (Standard) 10.5-11.0 0.06-0.08 5-8 2-4 1,080 Grad 316L (hoher Ni-Gehalt) 11.0-11.5 0.08-0.10 4-6 1-3 1,060 Grad 316L (sehr hoher Ni-Gehalt) 11.5-12.0 0.10-0.12 3-5 0-2 1,040 Grad 347 (Nb-stabilisiert) 9,0–10,0 N/A 5-8 2-5 1,080 Grad praktische Empfehlungen für die Herstellung von geschweißten Heizgeräten

316L-Heizungsmäntel, die eine Endkappenschweißung erfordern, müssen den folgenden Anforderungen an Lösungsglühen und Ferrit entsprechen.

Gewünschter Schweißnahtintegritätsgrad. Minimaler Ferrit des Schweißmetalls für rissfreies Schweißen (%). Temperaturbereich des Lösungsglühens (Grad). Zielwert für Basismetallferrit (%). Verifizierungsverfahren
Niedrig (Trockenbetrieb, nicht kritisch)2 1,060-1,080 3-5 Ferritoskop<5 %
Standard (Eintauchen in Wasser) 3 1,040-1,060 4-6 Ferritoskop 4-8 %
High (pressurised, corrosive) 4 1,020-1,040 5-8 Ferritescope >5 % + WPS-Qualifikation
Kritisch (Nuklear, Hochdruck) 5 1,000-1,020 6-10 Vollständige Schweißverfahrensqualifikation
Überprüfung von Ferrit und Schweißbarkeit

Buyers that need weldable 316L sheath tubing can verify this in two ways. The first is ferritescope measurement on the base metal in the as-received condition. GTAW standard: >4% ferrite in base metal (weld metal ferrite >3 %). Der zweite ist ein Schweißbarkeitstest: Erstellen Sie eine autogene GTAW-Schweißnaht an einem Probenrohr, erstellen Sie einen Querschnitt, polieren, ätzen Sie ihn und analysieren Sie ihn auf Mikrorisse. Akzeptanzvoraussetzung Keine Brüche bei 200-facher Vergrößerung

Schlussfolgerung: Spezifikation der Lösungsglühtemperatur für schweißbares 316L

Bei Heizmänteln aus 316L-Edelstahl, die rissfreie Endkappenschweißungen erfordern, sollte die Lösungsglühtemperatur so gesteuert werden, dass ein Grundmetallferrit-Volumenanteil von 4-8 % aufrechterhalten wird, wodurch Schweißmetallferrit von 3–6 % entsteht und der FA-Erstarrungsmodus (Ferrit-Austenit) sichergestellt wird. Dieser Ferritbereich wird durch Lösungsglühen bei den üblichen 1.040–1.080 Grad hergestellt. Das Glühen bei 1.100 Grad und mehr führt zu<2-3% ferrite, resulting in full austenitic solidification. Hot cracking rates are 30-60%. The fabrication of the welded heater is carried out with 316L sheaths having annealed tubing and an allowable solution annealing temperature of 1080°C with a minimum base metal ferrite of 4% (by ferritescope). For alloys with higher nickel contents (Ni > 11.5%), a lower annealing temperature (≤1,040°C) may be necessary to retain sufficient ferrite. The framework given here allows the purchasers to set the tube annealing parameters to assure reliable end cap welding by correlating solution annealing temperature with ferrite volume fraction and weld hot cracking susceptibility .