Hot Wire GTAW para revestimento de liga de níquel: taxa de deposição e controle de diluição

Introdução

A sobreposição de solda de liga de níquel protege o limite de pressão dos componentes de carbono e de aço de baixa{0}}liga contra corrosão, sem o custo de construir a peça inteira a partir de placa sólida de Inconel ou Hastelloy. A sobreposição só funciona se duas coisas acontecerem ao mesmo tempo: a deposição tem que diminuir rápido o suficiente para ser econômica, e tem que ficar quimicamente próxima o suficiente do metal de adição - e não do aço base - para fornecer a resistência à corrosão que o projeto exige. Esses dois objetivos normalmente lutam entre si. A soldagem a arco de tungstênio com gás de fio quente (GTAW-HW) é o processo desenvolvido especificamente para acabar com essa luta.

Este artigo compara fio quente GTAW com outros processos usados ​​para revestimento de liga de níquel - fio frio- GTAW, GMAW, tira de arco submerso (tira SAW-), arco transferido por plasma (PTA) e fio quente a laser - na taxa de deposição e diluição, e apresenta os parâmetros do processo, padrões e controles de defeitos que governam um procedimento de sobreposição de HW GTAW{4}} qualificado.

O que é Hot Wire GTAW e por que isso é importante para o revestimento de liga de níquel?

O fio quente GTAW adiciona uma segunda fonte de energia que pré-aquece resistivamente o fio de enchimento até perto do seu ponto de fusão antes de atingir o arco, de modo que o arco de tungstênio não precise mais fornecer toda a energia necessária para derreter o enchimento. Essa separação entre "aquecer o fio" e "aquecer o metal base" é o que permite que GTAW-HW aumente a taxa de deposição sem aumentar a diluição.

No GTAW convencional com-fio frio, o arco de tungstênio realiza duas tarefas simultaneamente: derrete o metal base para formar a poça de fusão e derrete o arame de enchimento alimentado nessa poça. Como ambos utilizam a mesma energia do arco, empurrar mais carga através do arco para aumentar a taxa de deposição também aumenta a energia do arco e o comportamento de deslocamento necessário para fundi-lo -, o que aumenta a fusão do metal base e, portanto, a diluição.

O fio quente GTAW quebra esse acoplamento. Uma fonte de alimentação separada e eletricamente isolada passa a corrente através do fio de enchimento entre a ponta de contato e a poça de fusão, aquecendo-o resistivamente até quase a temperatura de{1}}derretimento antes mesmo de atingir o arco. A função do arco de tungstênio se resume ao acabamento do fundido e ao controle da penetração no metal base, enquanto o circuito de pré-aquecimento do fio - e não o arco - fornece a maior parte da energia necessária para derreter o enchimento.

A taxa de deposição é definida principalmente pela velocidade de alimentação do arame e pela corrente de pré-aquecimento, em grande parte independente da corrente do arco.

A penetração do metal base (e, portanto, a diluição) é determinada principalmente pela corrente do arco e pela velocidade de deslocamento, em grande parte independente da taxa de deposição.

As duas variáveis ​​podem ser ajustadas separadamente - o principal motivo pelo qual GTAW-HW atinge maior produtividade sem sacrificar o controle de diluição.

Como o GTAW de fio quente aumenta a taxa de deposição em relação ao GTAW de fio{0}}frio convencional?

O pré-aquecimento do fio permite que ele derreta na piscina no momento em que chega, em vez de extrair energia de fusão do arco, e é por isso que as taxas de deposição de GTAW{0}}HW documentadas são aproximadamente duas a três vezes maiores do que o GTAW de fio-frio, em taxas de deposição de cerca de 1-12 lb/h, sem aumentar a energia do arco ou diluição.

No GTAW de{0}}fio frio, o fio entra na piscina em temperatura ambiente e o arco deve fornecer todo o calor latente e calor sensível para derretê-lo - um limite de quanto fio pode ser adicionado por unidade de tempo antes que o processo comece a formar manchas, respingos ou bolas na ponta do fio. O pré-aquecimento do arame remove resistivamente a maior parte desse débito térmico antes que o arame chegue, de modo que uma velocidade de alimentação de arame mais alta possa ser sustentada nas mesmas configurações de arco.

Fontes da indústria relatam taxas de deposição de GTAW-HW abrangendo aproximadamente 1 a 12 lb/h, dependendo do diâmetro do fio, da corrente de pré-aquecimento e da geometria da junta ou da sobreposição, com ganhos de produtividade comumente citados como duas a três vezes uma configuração GTAW de{3}}fio frio comparável para a mesma qualidade de solda. É também por isso que GTAW-HW é frequentemente posicionado como um meio-termo entre GTAW de fio frio-de baixa-deposição/GTAW orbital e processos de-deposição mais alta, mas de{9}}diluição mais alta, como GMAW e tira SAW-.

Fontes: The Fabricator, "Será que a hot-wire-do GTAW se tornará popular?"; Ajuste-Soldagem, "Sistemas de revestimento GTAW TIG de fio quente de alto-desempenho."

Como o Hot Wire GTAW controla a diluição melhor do que outros processos de revestimento?

O fio quente GTAW mantém a diluição aproximadamente na faixa de 3{1}}8% na prática de produção, que fica abaixo da faixa GMAW e SAW-(normalmente 15-30%) e é competitivo com - embora geralmente superior ao - revestimento de fio quente a laser (cerca de 5-10%), tornando o GTAW-HW a opção de soldagem a arco mais forte quando a diluição de camada única abaixo do É necessário um limite de ferro superficial de 5,0%.

A diluição é a fração do depósito de solda acabado que vem do metal base derretido e não do metal de adição. Para revestimento de liga de níquel em carbono ou aço de baixa{1}}liga, a diluição é importante porque o ferro coletado do metal base degrada a resistência à corrosão. O revestimento existe para fornecer - a maioria das especificações de revestimento de liga de níquel limita o teor de ferro na superfície em 5,0% em peso exatamente por esse motivo, e a diluição do processo de arco geral-pode ficar muito acima do que uma única camada pode absorver e ainda assim atingir esse limite.

Como o arco do GTAW é o de menor-energia e mais controlável espacialmente dos principais processos de revestimento de arco, ele sempre produziu a menor diluição da família do arco - a compensação- tem sido historicamente sua baixa taxa de deposição. GTAW-HW mantém esse caráter de-baixa diluição enquanto fecha grande parte da lacuna-da taxa de deposição, que é a base para sua seleção sempre que ambas as variáveis ​​são restritas.

Fontes: Lincoln Electric, "Laser Hot Wire Cladding"; Welding Fabrication World, "Tipos de sobreposição/revestimento de solda -, processos e requisitos ASME"; ScienceDirect, "Revestimentos soldados de Hastelloy C276 usando o processo de alimentação de fio frio GTAW." Os intervalos são representativos dos dados de campo e laboratoriais publicados; qualifique todos os valores por meio de testes de qualificação de procedimento de acordo com o código aplicável.

Quais parâmetros do processo realmente controlam o equilíbrio da taxa de deposição/diluição?

Quatro parâmetros fazem quase todo o trabalho: a corrente do arco define a penetração e a diluição, a velocidade de alimentação do arame e a corrente de pré-aquecimento definem a taxa de deposição em grande parte independente do arco, e a velocidade de deslocamento define a sobreposição do cordão e a cobertura da camada - um procedimento GTAW qualificado-o procedimento HW ajusta todos os quatro em vez de tratar qualquer um deles como a história completa.

Corrente de arco

A corrente do arco é o principal impulsionador da fusão do metal base. A corrente de arco mais alta amplia e aprofunda a poça de fusão, puxando mais metal base e aumentando a diluição - teste documentado de cordão-na-placa de sobreposição GTAW de fio quente-Inconel 625 em aço 2,25Cr-1Mo mostrou diluição, largura do cordão e tamanho da zona afetada pelo calor, todos aumentando à medida que a corrente de soldagem aumentou de 125 A para 200 A. Arco a corrente é, portanto, mantida tão baixa quanto o arco pode sustentar de forma estável enquanto ainda consegue a fusão.

Velocidade de alimentação do fio e corrente de pré-aquecimento

A velocidade de alimentação do arame define a quantidade de metal de adição que entra na poça por unidade de tempo; a corrente de pré-aquecimento define o quão perto do derretimento o fio já está quando chega. Aumentar ambos juntos aumenta a taxa de deposição com apenas um efeito secundário no próprio balanço de energia do arco - este é o mecanismo que permite que GTAW-HW adicione enchimento mais rapidamente sem puxar mais calor do arco para o metal base.

Velocidade de deslocamento e sobreposição do cordão

A velocidade de deslocamento controla quanto da piscina solidifica antes da próxima passagem, o que define a sobreposição e cobertura do cordão. O deslocamento mais lento aumenta a entrada de calor por unidade de comprimento e pode aumentar a diluição mesmo em corrente constante, de modo que a velocidade de deslocamento é qualificada em conjunto com a corrente, em vez de ser ajustada independentemente no chão de fábrica.

Temperatura de pré-aquecimento/interpasse e número de camadas

Como é difícil garantir a diluição de-camada única abaixo de cerca de 5% na linha de fusão, independentemente do processo, a maioria das especificações exige uma sobreposição mínima de duas-camadas, com a primeira camada tratada como um buffer e a química qualificada em uma profundidade de amostragem medida a partir da linha de fusão - geralmente 3 mm para uma espessura de sobreposição mínima de 3 mm. O controle de temperatura entre passes também limita o acúmulo de calor entre os passes, o que ajuda a manter a diluição consistente desde o passe da raiz até a camada de cobertura.

Quais correntes de soldagem produzem diluição aceitável para revestimento de Inconel 625 em aço?

Os testes de cordão-na{1}}placa publicados da sobreposição GTAW de fio quente-Inconel 625 em aço 2,25Cr-1Mo mostram que a diluição e a dureza aumentam com a corrente do arco na faixa de 125-200 A, portanto, a maioria dos procedimentos de produção para sobreposição Inconel 625 em aço de baixa liga se qualifica na metade inferior dessa faixa e depende de uma segunda camada para trazer a química da superfície o resto do caminho em direção à composição nominal do Inconel 625.

O mesmo estudo descobriu que a maior dureza do metal de solda ocorreu em 150 A entre as quatro correntes testadas (125, 150, 175 e 200 A), com uma microestrutura austenítica dendrítica em toda a faixa e diluição, largura do cordão e tamanho da zona -afetada pelo calor, todos tendendo a aumentar à medida que a corrente aumentava. A conclusão prática para o desenvolvimento do procedimento é que a corrente não é uma variável livre apenas para a produtividade - cada aumento deve ser verificado em relação à corrosão-limites químicos e de dureza relevantes na especificação vigente, não apenas em relação à penetração e à aparência.

Para componentes-de serviços ácidos, a dureza é um limite rígido, não apenas um indicador de qualidade: a sobreposição compatível com NACE MR0175/ISO 15156-é normalmente limitada a 248 HV10 na HAZ de aço carbono/baixa liga e 345 HV10 na própria sobreposição Inconel 625, medida por testes Vickers em vários locais por camada.

Quais códigos e padrões regem a qualificação e aceitação do revestimento GTAW de fio quente?

Um procedimento de revestimento de liga de níquel GTAW-HW é qualificado principalmente sob a Seção IX da ASME (variáveis essenciais e testes mecânicos/químicos), aplicado dentro da Seção VIII, Divisão 1, Apêndice F da ASME para vasos de pressão revestidos e - para campos petrolíferos e equipamentos de serviço azedo- - em camadas com os requisitos API 582, API 6A e NACE MR0175/ISO 15156 na classe de diluição de ferro e dureza.

Fontes: Material Welding, "Requisitos de testes de qualificação de procedimento de soldagem para qualificação de revestimento de solda"; API 6A (via resumo de valvestandard.com); Tubulação-World, "Tubulação de sobreposição de solda Inconel 625"; Mundo da Fabricação de Soldagem, "Sobreposição/Revestimento de Solda".

A composição da cobertura acabada é verificada em relação à especificação do projeto ou ao padrão de metal de adição referenciado - A Seção IX da ASME não define por si só um teor mínimo de liga. A análise química é amostrada a uma distância definida atrás da linha de fusão, correspondendo à espessura mínima de revestimento qualificada, e o teor de ferro acima do limite especificado é motivo para rejeição do procedimento ou da solda de produção.

Quais são os defeitos mais comuns no revestimento GTAW de fio quente e como eles são evitados?

Os defeitos mais importantes na cobertura de liga de níquel GTAW-HW são trincas insuficientes-revestidas, falta de fusão na ponta ou na raiz, inclusões de fio oxidado/não derretido devido ao pré-aquecimento inadequado e diluição fora-da{3}}especificação na linha de fusão - todos os quatro são controlados principalmente por meio de qualificação de parâmetros e disciplina entre passes, em vez de pós-reparo de soldagem.

Fissuração sob{0}}revestida: causada por hidrogênio e tensão residual na ZTA; controlado com temperatura correta de pré-aquecimento/interpasse, prática de baixo-hidrogênio e, quando especificado, PWHT.

Falta de fusão na ponta do cordão ou entre passes: causada por velocidade excessiva de deslocamento ou energia insuficiente do arco na linha de fusão; controlado pela velocidade de deslocamento e qualificação do ângulo da tocha e pela inspeção visual/PT entre camadas.

Oxidação do fio ou inclusões de fio não derretido: causadas pelo pré-aquecimento do fio muito à frente da piscina ou pela perda de gás de proteção ao redor do ponto de contato-quente do fio; controlado pelo ajuste da corrente de pré-aquecimento e verificação da cobertura do gás de proteção.

Excesso de diluição/captação de ferro na superfície: causado por corrente excessiva do arco, deslocamento lento ou uma camada de-espessura insuficiente; controlado por sobreposição mínima de duas- camadas, qualificação atual e amostragem de composição química na profundidade qualificada.

Micro-fissuras e precipitação indesejável de carboneto: verificada por microexame da amostra de qualificação; controlado pelo controle de entrada de calor e, para cargas estabilizadas ou com baixo-carbono, combinando a química da carga com a temperatura de serviço.

Onde o Hot Wire GTAW se encaixa melhor em uma estratégia de seleção de revestimento de liga de níquel?

O GTAW de fio quente é o padrão certo para juntas de tubos-a{1}}de tubos, furos de bicos, corpos de válvulas e outros componentes com restrições geométricas ou de alto{2}}valor, onde a diluição abaixo de 5% e a cobertura mecanizada e repetível são importantes - grandes áreas planas ou curvas, como cascos e cabeças de vasos, ainda são melhor atendidas pela faixa SAW-e reparos de campo simples pelo SMAW.

A seleção do processo para revestimento de liga de níquel é uma troca entre área, acesso, exigência de diluição e custo. A tira SAW-e o GMAW pulsado cobrem grandes áreas mais rapidamente, mas não conseguem manter a diluição abaixo de cerca de 10-15% em uma única camada, por isso são reservados para aplicações onde duas ou mais camadas já estão planejadas ou onde o limite de diluição é menos rigoroso. O SMAW continua sendo a única opção prática para reparos em campo e acessos difíceis onde a mecanização não é possível. GTAW-HW ocupa o espaço onde a geometria é restrita o suficiente para recompensar a precisão - furos de tubos, pescoços de bicos, corpos de válvulas pequenos - mas a área é muito grande ou a economia muito apertada apenas para GTAW com fio frio.

O revestimento de fio quente a laser aumenta ainda mais a taxa de diluição e deposição na mesma direção do GTAW-HW e vale a pena avaliar componentes de-valor muito alto onde o custo de capital do equipamento a laser é justificado. Para a maioria dos trabalhos de sobreposição de liga de níquel de limite-de pressão em tubos, conexões, flanges e peças forjadas, o GTAW-HW continua sendo o processo que melhor equilibra a familiaridade com a qualificação, o custo do equipamento e o controle de diluição que o serviço de corrosão exige.

Perguntas frequentes

P: Qual nível de diluição é aceitável para revestimento de solda Inconel 625 em aço carbono?

R: A maioria das especificações de revestimento de liga de níquel limita o teor de ferro na superfície a um máximo de 5,0% em peso, o que normalmente requer uma sobreposição mínima de duas-camadas porque é difícil reduzir a diluição de camada-única na linha de fusão abaixo de cerca de 5% com qualquer processo de arco, incluindo GTAW de fio quente.

P: Quão mais rápido é o GTAW com fio quente do que o GTAW com fio{0}}frio convencional?

R: As taxas de deposição publicadas para GTAW-HW são aproximadamente duas a três vezes maiores que GTAW de{1}}fio frio com qualidade de solda comparável, com GTAW-HW abrangendo aproximadamente 1 a 12 lb/h, dependendo do diâmetro do fio e da corrente de pré-aquecimento.

P: O GTAW de fio quente elimina a necessidade de múltiplas camadas de sobreposição?

R: Não. Mesmo na diluição mais baixa do GTAW-HW, a maioria das especificações ainda exige uma sobreposição mínima de duas-camadas porque a primeira camada atua como um buffer de diluição entre o metal base e a camada superficial-crítica de corrosão.

P: Qual código rege os limites de dureza para revestimento de liga de níquel-de serviço ácido?

R: A NACE MR0175/ISO 15156 rege a aceitação de dureza para serviço ácido, com limites comumente aplicados em 248 HV10 para aço carbono/baixa{4}}liga HAZ e 345 HV10 para revestimento Inconel 625, verificado por testes Vickers.

P: Quando a tira-SAW ou GMAW deve ser usada em vez do GTAW de fio quente?

R: A tira-SAW e o GMAW pulsado são mais adequados para áreas grandes e abertas, como cascos e cabeçotes de vasos, onde uma diluição mais alta por camada é aceitável e várias camadas já estão planejadas; O GTAW de fio quente é preferido onde a geometria é restrita ou o controle de diluição-de camada única é crítico.