Dlaczego grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 poniżej 1,0 milimetra wymaga specjalnych procedur spawania w celu mocowania kołnierza w elektrycznych podgrzewaczach zanurzeniowych?

Jedną z najważniejszych procedur w produkcji elektrycznych grzałek zanurzeniowych dla inżynierów produkcji i specjalistów ds. zapewnienia jakości jest przymocowanie kołnierzy montażowych do osłony ze stali nierdzewnej 316. Wadliwa spoina może spowodować przedostanie się płynu procesowego, zwarcie elektryczne lub całkowite oddzielenie grzejnika. Procesy spawania normalnych grubości ścianek powyżej 1,5 mm są dobrze znane. Spawanie cienkościennych-osłon 316 o grubości poniżej 1,0 mm stwarza wyraźne problemy. Niska masa termiczna cienkiej ścianki prowadzi do szybkiego-nagrzewania się i przepalania-, powstawania nadmiernych ziaren i utraty odporności na korozję. W artykule opisano pomiary problemów spawalniczych cienkościennych powłok 316 i określenie niezbędnych zmian proceduralnych w celu zapewnienia niezawodnego mocowania kołnierzy.

Zagadnienia zarządzania ciepłem podczas spawania cienkich-ścian 316
To weld a 316 sheath to a mounting flange the base metal is melted using heat to generate a fusion zone. For a thick-walled sheath (>1,6 mm) radiator otaczającego materiału odprowadza ciepło z jeziorka spawalniczego i zapobiega nadmiernemu wzrostowi temperatury. W przypadku cienkiej-osłony o grubości mniejszej niż 1,0 mm wpływ radiatora jest pomijalny. Ten sam prąd spawania, który utworzyłby kontrolowane jeziorko spawalnicze w ścianie o grubości 1,6 mm, przetopi się przez ścianę o grubości 0,9 mm w ciągu milisekund.. 316 Dyfuzyjność cieplna stali nierdzewnej w normalnej temperaturze wynosi około 4 mm2/s. Przewodzenie ciepła przez grubość 0,9 mm trwa tylko 0,02 sekundy. Oznacza to, że jeśli dopływ ciepła nie jest ściśle regulowany, tylna strona osłony osiąga temperaturę topnienia praktycznie natychmiast po zajarzeniu łuku. Przepalenie powoduje powstanie dziury w powłoce, odsłaniając izolację MgO i drut oporowy. Nawet bez całkowitego przepalenia-znaczny dopływ ciepła spowoduje gruboziarniste ziarno w-strefie wpływu ciepła. Wielkość ziarna w przypadku profili cienkościennych może wynosić od ASTM 7-8 (20-30 mikronów) do ASTM 2-3 (100-150 mikronów). Węgliki chromu preferencyjnie wytrącają się na granicach gruboziarnistych, co zmniejsza wytrzymałość mechaniczną i, co ważniejsze, odporność na korozję 316 w warunkach chlorkowych.

Konieczne są procedury spawania cienkościennych osłon 316
Aby prawidłowo zespawać osłonę ze stali 316 o średnicy 0,8–1,0 mm z kołnierzem montażowym, wymaganych jest pięć modyfikacji typowego procesu spawania łukiem wolframowym w gazie. W pierwszej kolejności należy obniżyć prąd spawania o 40–60% w porównaniu do metody spawania o grubości ścianki 1,6 mm. Typowe prądy dla 1,6 mm 316 wynoszą 60-80 amperów; dla 0,9 mm zakres jest zmniejszony do 25-35 amperów. Po drugie, potrzebny jest przebieg prądu pulsacyjnego. Stosowany jest prąd tła o wartości 20–30%, a impulsy mają częstotliwość 50–100 Hz, co pozwala na lekkie ochłodzenie jeziorka pomiędzy impulsami, aby nie gromadziło się ciepło. Po trzecie, prędkość przesuwu należy zwiększyć do 200-300 mm na minutę w porównaniu do 100-150 mm na minutę w przypadku grubych ścian. Przy wyższej prędkości mniej ciepła jest dostarczane na jednostkę długości. Po czwarte, zastosowanie elektrody wolframowej o mniejszej średnicy, 1,0 mm lub 1,6 mm zamiast typowych 2,4 mm, zwiększa stabilność łuku przy niskich prądach. Po piąte i najważniejsze, wewnątrz osłony należy umieścić warstwę bariery gazowej. Podczas spawania przedostawanie się argonu do wnętrza osłony zapobiega utlenianiu tylnej strony i zapewnia pewne chłodzenie. Bez gazu pomocniczego wewnętrzna powierzchnia jest odsłonięta i intensywnie utleniona, pozostawiając szorstką warstwę zubożoną w chrom i podatną na korozję.

Minimalna grubość ścianki przy różnych procesach spawania
Poniższa tabela wskazuje minimalne dopuszczalne grubości ścianek osłony dla 316 dla różnych procesów spawania mocowania kołnierza i powiązane zmiany procedur dla każdego z nich. Wartości dotyczą wytrzymałości mechanicznej spoiny z pełnym przetopem.

Proces spawania Minimalna grubość ścianki osłony 316 dla spójnego spawania Wymagane zmiany procedury Koszt względny|Standardowa jakość spoiny
GTAW (standard), ręczna 1,2 mm1,2 mm Brak; niezalecane poniżej to Dobre przy 1,2 mm Niskie
Ręczny GTAW (impulsowy) 0,9 mm Gaz zwrotny Niższe ampery Prąd impulsowyUmiarkowany; wymaga doświadczonego operatora. Niski do umiarkowanego
Zautomatyzowane GTAW (impulsowe) 0,8 mmProcedury wymagane do uzyskania pełnej kwalifikacji: Średnio Dobre przy prawidłowej konfiguracji
Spawanie laserowe 0,6 mm Dokładne dopasowanie-, brak szczelin, ważne ustawienie wiązki Niskie wprowadzanie ciepła Znakomite;
Spawanie wiązką elektronów 0,5 mm Wymagana komora próżniowa Doskonała; brak utleniania. Bardzo wysoki
Zgrzewanie oporowe (występ) 0,8 mm Występ specjalnie zaprojektowanych kołnierzy Dobry do małych średnic Niskie i średnie
Lutowanie twarde (nie spawanie) 0,5 mm Spoiwo na bazie srebra lub niklu Umiarkowana wytrzymałość; nie dla wysokiego ciśnienia Niskie
Większość przemysłowych elektrycznych grzałek zanurzeniowych najlepiej spawać z osłonami o grubości ścianek od 0,9 mm do 1,2 mm. Najpopularniejszym procesem jest zautomatyzowany pulsacyjny GTAW z gazem zwrotnym. Dla<0.9 mm, laser welding is the most reliable, although the capital equipment cost is much higher. For flanged heaters, manufacturers without laser welding capabilities shall provide a minimum wall thickness of 1.0 mm to assure weld reliability.

Cienkie-spoiny ścienne: wymagania dotyczące inspekcji i kwalifikacji
W przypadku cienkościennych powłok 316 konieczne jest bardziej szczegółowe badanie niż w przypadku grubych-spoin ściennych, ponieważ jest mniej miejsca na błędy. W przypadku osłon o średnicy poniżej 1,2 mm kontrola wzrokowa nie jest wystarczająca. Kontrolę radiograficzną lub penetracyjną przeprowadza się na podstawie pobierania próbek. Częstotliwość opiera się na wielkości produkcji i krytyczności zastosowania. W przypadku osłon mniejszych niż 1,0 mm zaleca się 100% badanie penetracyjne barwnika. Normy akceptacji dla spoin-cienkich ścian powinny dopuszczać niewielkie niedopełnienie (do 10% grubości ściany), ale bez pęknięć, porowatości o średnicy > 0,2 mm lub-przepaleń. Wszystkie cienkościenne zespoły spawane przeznaczone do pracy pod ciśnieniem należy również poddać próbie szczelności helem. Dobra spoina charakteryzuje się współczynnikiem nieszczelności mniejszym niż 1 x 10-7 mbar·L/s. Jeżeli grzejnik ma być używany w atmosferze korozyjnej, zaleca się wykonanie badania ferrytu metalu spoiny. Zawartość ferrytu > 5% sugeruje możliwość selektywnej korozji w środowisku chlorkowym. Aby uzyskać najlepszą odporność na korozję, stężenie ferrytu metalu spoiny dla spoin 316 do 316 powinno mieścić się w zakresie od 2% do 5%. Określając osłony cienkościenne, inżynierowie powinni zażądać od producenta dokumentacji dotyczącej kwalifikacji metody spawania, zawierającej mikrografy-przekroju profilu penetracji, wielkość ziaren w-strefie wpływu ciepła oraz brak śladów-przepalenia. Jeśli dostawca waha się przed dostarczeniem tych dokumentów, nie należy mu ufać w zakresie dostarczania grzejników cienkościennych. Koszt ponownej kwalifikacji metody spawania jest minimalny w porównaniu z kosztem awarii w miejscu pracy spowodowanych pęknięciami lub nieszczelnościami spoin.