ニッケル合金クラッド用熱線 GTAW: 堆積速度と希釈制御

導入

ニッケル合金溶接肉盛は、固体インコネルまたはハステロイ プレートから部品全体を構築するコストをかけずに、炭素および低合金鋼コンポーネントの圧力境界を腐食から保護します。{0}オーバーレイは 2 つのことが同時に起こった場合にのみ機能します。1 つは、経済的であるために十分に早く堆積が進む必要があること、もう 1 つは、設計で要求される耐食性を実現するために、母材鋼 - ではなくフィラー金属 - に化学的に十分近くに留まることです。通常、これら 2 つの目標は互いに競い合います。熱線ガスタングステンアーク溶接 (GTAW-HW) は、その争いを止めるために特別に構築されたプロセスです。

この記事では、熱線 GTAW を、ニッケル合金被覆材 - 冷線 GTAW、GMAW、サブマージ アーク ストリップ (SAW- ストリップ)、プラズマ転写アーク (PTA)、およびレーザー熱線 - に使用される他のプロセスと、堆積速度と希釈度を比較し、適格な GTAW-HW オーバーレイ手順を管理するプロセス パラメーター、規格、欠陥管理について説明します。

熱線 GTAW とは何ですか? ニッケル合金クラッディングにとってなぜ重要ですか?

ホット ワイヤ GTAW は、フィラー ワイヤがアークに到達する前に融点付近まで抵抗で予熱する 2 番目の電源を追加するため、タングステン アークがフィラーを溶かすのに必要なすべてのエネルギーを供給する必要がなくなります。 「ワイヤの加熱」と「ベースメタルの加熱」を分離することで、GTAW-HW は希釈を高めることなく堆積速度を高めることができます。

従来のコールドワイヤ GTAW では、タングステン アークが 2 つの仕事を同時に行います。母材を溶かして溶接池を形成し、その溶接池に送り込まれるフィラー ワイヤを溶かします。どちらも同じアーク エネルギーから得られるものであるため、より多くのフィラーをアークに押し込んで堆積速度を高めると、アーク エネルギーとそれを溶解するために必要な移動挙動も増加します -。これにより、母材の溶解が増加し、したがって希釈が増加します。

熱線 GTAW はその結合を打ち破ります。電気的に絶縁された別の電源が、接触チップと溶接池の間のフィラー ワイヤに電流を流し、アークに到達する前に溶融温度近くまで抵抗加熱します。-タングステン アークの仕事は、溶融の仕上げと母材への浸透の制御に縮小されますが、アーク - ではなくワイヤ予熱回路 - がフィラーの溶融に必要なエネルギーのほとんどを供給します。

堆積速度は主にワイヤ送り速度と予熱電流によって設定され、アーク電流にはほとんど依存しません。

卑金属の溶け込み（したがって希釈）は、主にアーク電流と移動速度によって設定され、堆積速度にはほとんど依存しません。

2 つの変数は個別に調整できます。-これが GTAW-HW が希釈制御を犠牲にすることなく高い生産性を達成できる主な理由です。

ホット ワイヤー GTAW は従来のコールド ワイヤー GTAW よりもどのように堆積速度を高めますか?{0}}

ワイヤを予熱すると、ワイヤがアークから溶融エネルギーを引き出すのではなく、ワイヤが到着した瞬間にプールに溶け込みます。そのため、記録された GTAW-HW の堆積速度は、アーク エネルギーや希釈を増加させることなく、約 1～12 ポンド/時間の堆積速度で冷線 GTAW の約 2～3 倍高くなります。{1}}

コールド ワイヤ GTAW では、ワイヤは室温でプールに入り、アークはそれを溶かすために完全な潜熱と顕熱を供給する必要があります。- プロセスがワイヤ先端でスタブ化、スパッタリング、またはボール化を開始する前に、単位時間あたりに追加できるワイヤの量に制限があります。ワイヤを抵抗で予熱すると、ワイヤが到着する前に熱負荷のほとんどが除去されるため、同じアーク設定でより高いワイヤ送り速度を維持できます。

業界筋の報告によると、GTAW-HW の堆積速度は、ワイヤ径、予熱電流、接合部またはオーバーレイの形状に応じて、およそ 1 ～ 12 ポンド/時間に及び、同じ溶接品質の同等の冷間ワイヤ GTAW 設定に比べて 2 ～ 3 倍の生産性向上が一般的に言われています。{3}}これは、GTAW-HW が、低{6}}蒸着コールド ワイヤ- GTAW/オービタル GTAW と、GMAW や SAW- ストリップなどの-蒸着が高いが希釈度が高いプロセスとの中間として位置づけられることが多い理由でもあります。-

出典: The Fabricator、「GTAW ホットワイヤは主流になれるでしょうか?」 -Weld、「高性能熱線 GTAW TIG クラッド システム」- に適合します。

ホットワイヤー GTAW は他の被覆プロセスよりもどのように希釈を制御しますか?

熱線 GTAW は製造現場での希釈率をおよそ 3-8% の範囲に保ち、これは GMAW や SAW- ストリップ（通常 15-30%）を下回っており、- と競合しますが、通常は - レーザー熱線被覆材（約 5-10%）よりも高いため、単層の希釈率が以下の場合、GTAW-HW が最強のアーク溶接オプションとなります。 5.0% の表面鉄制限が必要です。

希釈とは、フィラー金属ではなく溶融した母材から生じる完成した溶接デポジットの割合です。炭素鋼または低合金鋼上のニッケル合金オーバーレイの場合、母材金属から取り出された鉄が耐食性を低下させるため、希釈が重要です。このオーバーレイは、- ほとんどのニッケル合金オーバーレイ仕様のキャップ表面の鉄含有量が 5.0 wt% であるのは、まさにこの理由からであり、一般的なアーク-プロセスの希釈は、単層で吸収できる量をはるかに超えて、それでもその制限を満たしている可能性があります。

GTAW のアークは、主要なアーク クラッディング プロセスの中でエネルギーが最も低く、空間的に最も制御しやすいため、アーク ファミリーの中で常に最も低い希釈率を生成してきました - そのトレードオフは、歴史的にその低い堆積速度でした。- GTAW-HW は、両方の変数が制約されている場合でも選択の基準となる堆積速度ギャップの多くを埋めながら、低-希釈特性を維持します。{6}}

出典: リンカーン エレクトリック、「レーザー熱線クラッディング」。 Welding Fabrication World、「溶接肉盛/被覆- タイプ、プロセス、ASME 要件」; ScienceDirect、「GTAW 冷間ワイヤ送給プロセスを使用したハステロイ C276 の溶接クラッディング」。範囲は、公開されている現場および実験室のデータを表しています。該当するコードに従って手順認定テストによってすべての値を認定します。

実際に堆積速度と希釈のバランスを制御するプロセスパラメータは何ですか?

4 つのパラメータでほぼすべての作業が行われます。アーク電流は溶け込みと希釈を設定し、ワイヤ送り速度と予熱電流はアークとはほとんど関係なく堆積速度を設定し、移動速度はビードの重なりと層の被覆率を設定します。-認定された GTAW-HW 手順では、どれか 1 つを全体として扱うのではなく、4 つすべてをまとめて調整します。

アーク電流

アーク電流は、ベースメタルの溶解の主な要因です。アーク電流が高くなると溶接池が広くなり、深くなり、より多くの母材が引き込まれ、希釈が増加します。- 2.25Cr-1Mo 鋼上のインコネル 625 熱線 GTAW 肉盛のプレート上でのビードのテストが文書化されています--。溶接電流が 125 A から 200 A に上昇するにつれて、希釈、ビード幅、熱影響部のサイズがすべて増加することが示されました。アーク電流したがって、溶融を達成しながらアークが安定して維持できる限り低く保たれます。

ワイヤ送給速度と予熱電流

ワイヤ送り速度は、単位時間当たりプールに入るフィラー金属の量を設定します。予熱電流は、ワイヤが到着したときにすでにワイヤがどの程度溶けているかを設定します。両方を一緒に上げると、アーク自体のエネルギー バランスに副次的な効果が生じるだけで、堆積速度が増加します。-これは、GTAW-HW がアークから母材にさらに多くの熱を引き込むことなく、より速くフィラーを追加できるメカニズムです。

移動速度とビードの重なり

移動速度は、次のパスの前にプールのどれだけが固化するかを制御し、ビードのオーバーラップとカバレッジを設定します。移動速度が遅いと、単位長さあたりの入熱量が増加し、定電流でも希釈が増加する可能性があるため、移動速度は製造現場で個別に調整するのではなく、電流と合わせて決定されます。

予熱・パス間温度と層数

プロセスに関係なく、溶融ラインで単層の希釈率が約 5% 未満であることを保証するのは難しいため、ほとんどの仕様では、少なくとも 2 層のオーバーレイが必要です。最初の層は緩衝剤として扱われ、溶融ラインから逆に測定したサンプリング深さで化学反応が確認されます -。通常、最小オーバーレイ厚さ 3 mm の場合は 3 mm です。パス間温度制御により、パス全体での熱の蓄積も制限され、キャップ層を通るルートパスから一貫した希釈を維持するのに役立ちます。

鋼上のインコネル 625 クラッディングに許容可能な希釈をもたらす溶接電流は何ですか?

公表されている 2.25Cr-1Mo 鋼上のインコネル 625 熱線 GTAW オーバーレイのビード-プレート上-テストでは、希釈と硬度の両方が 125 ～ 200 A の範囲でアーク電流とともに上昇することが示されているため、低合金鋼上のインコネル 625 オーバーレイのほとんどの製造手順はその帯域の下半分に該当し、表面化学をもたらす第 2 層に依存しています。残りは公称インコネル 625 組成に向けてです。

同じ研究では、テストした 4 つの電流 (125、150、175、200 A) の中で 150 A で最も高い溶接金属硬度が発生し、その範囲全体で樹枝状オーステナイト微細構造があり、電流が増加するにつれて希釈、ビード幅、熱影響部サイズはすべて増加傾向にあることがわかりました。-手順開発における実際的なポイントは、電流は生産性だけを考慮した自由変数ではないということです。-すべての増加は、浸透や外観だけでなく、管理仕様の腐食関連の化学的性質や硬度の制限と照らし合わせてチェックする必要があります。-

サワーサービスコンポーネントの場合、硬度は単なる品質指標ではなく、厳しい制限です。NACE MR0175/ISO 15156- 準拠のオーバーレイは、層ごとに複数の場所でのビッカース試験によって測定され、通常、炭素/低合金鋼の HAZ では 248 HV10、インコネル 625 オーバーレイ自体では 345 HV10 に制限されています。

熱線 GTAW 被覆材の認定と承認を管理する規定と規格はどれですか?

GTAW-HW ニッケル合金オーバーレイ手順は、主に ASME セクション IX (必須変数および機械的/化学的試験) に基づいて認定されており、クラッド圧力容器については ASME セクション VIII ディビジョン 1 付録 F 内で適用され、鉄に関する API 582、API 6A、NACE MR0175/ISO 15156 要件を重ね合わせた油田およびサワーサービス機器用の --}- に適用されます。希釈クラスと硬度。

出典: 材料溶接、「溶接肉盛認定のための溶接手順認定テスト要件」。 API 6A (valvestandard.com の概要経由);配管-ワールド、「インコネル 625 溶接肉盛配管」;溶接製作ワールド「肉盛・肉盛溶接」。

完成したオーバーレイの組成は、設計仕様または参照された溶加材規格に照らして検証されます - ASME セクション IX 自体は、最小合金含有量を設定していません。化学分析は、認定された最小オーバーレイ厚さに一致する、溶融ラインから後方の定義された距離でサンプリングされ、指定された制限を超える鉄含有量は手順または製造溶接の不合格の原因となります。

熱線 GTAW 被覆材で最も一般的な欠陥は何ですか?また、それらはどのように防止されますか?

GTAW-HW ニッケル合金オーバーレイで最も重要な欠陥は、-クラッド割れ、先端または根元での溶融の欠如、不適切な予熱による酸化または未溶融のワイヤ介在物、溶融ラインでの規格外の希釈-、-です-これら 4 つすべては、溶接後の修理ではなく、主にパラメータの適格性確認とパス間の規律によって制御されます。-

-クラッド下亀裂: HAZ 内の水素と残留応力によって引き起こされます。正しい予熱/パス間温度、低水素の実践、および指定されている場合は PWHT によって制御されます。-

ビード先端部またはパス間での溶融の欠如: 過度の移動速度または溶融ラインでの不十分なアークエネルギーが原因で発生します。移動速度とトーチ角度の認定、および層間の目視/PT検査によって制御されます。

ワイヤーの酸化または溶けていないワイヤーの混入: プールの先でワイヤーを予熱しすぎたり、熱線接触点付近でのシールド ガスの損失が原因で発生します。-予熱電流の調整とシールドガスの適用範囲の検証によって制御されます。

表面での過剰な希釈 / 鉄の付着: 過剰なアーク電流、低速移動、またはオーバーレイの厚さ不足が原因で発生します。- 2 層の最小オーバーレイ、現在の認定、認定された深さでの化学組成サンプリングによって制御されます。-

微小亀裂と望ましくない炭化物の析出: 認定サンプルの精密検査によってチェックされます。入熱制御によって制御され、安定化または低炭素フィラーの場合は、フィラーの化学的性質を使用温度に合わせることで制御されます。-

熱線 GTAW は、ニッケル合金クラッドの選択戦略のどこに最適ですか?

熱線 GTAW は、チューブ-と-管板の接合部、ノズル穴、バルブ本体、その他の幾何学的に拘束されたコンポーネントや高価値のコンポーネントに最適です。-5% 未満の希釈と機械化された再現可能な被覆率の両方が重要です。-容器のシェルやヘッドなどの大きな平らな領域や湾曲した領域は、SAW ストリップの方がまだ優れており、簡単な現場修理には SMAW が適しています。-

ニッケル合金オーバーレイのプロセスの選択は、面積、アクセス、希釈要件、およびコストのバランスによって決まります。 SAW- ストリップとパルス GMAW は広い領域を最速でカバーしますが、単一層での希釈を約 10-15% 以下に確実に抑えることができないため、2 つ以上の層がすでに計画されている場合、または希釈制限がそれほど厳しくない用途向けに予約されています。 SMAW は、機械化が不可能な現場での修理やアクセスが困難な場合には、依然として唯一の実用的な選択肢です。 GTAW-HW は、精度の高い - チューブ ボア、ノズル ネック、小さなバルブ ボディ - を実現できるほど形状が制約されているスペースを占めますが、その面積が大きすぎるか、冷線 GTAW だけでは経済性が厳しすぎます。

レーザー熱線クラッディングは、GTAW{0}}HW と同じ方向に希釈と堆積速度をさらに押し上げており、レーザー機器の資本コストが正当化される非常に価値の高いコンポーネントとして評価する価値があります。-パイプ、継手、フランジ、鍛造品の圧力境界ニッケル合金肉盛作業の大部分では、GTAW-HW が、認定の習熟度、設備コスト、腐食サービスに必要な希釈制御のバランスが最も優れているプロセスであり続けます。

よくある質問

Q: 炭素鋼上のインコネル 625 溶接肉盛ではどのような希釈レベルが許容されますか?

A: ほとんどのニッケル合金オーバーレイの仕様では、表面の鉄含有量が最大 5.0 wt% に制限されています。熱線 GTAW を含むどのようなアーク プロセスでも、溶融ラインでの単層の希釈を約 5% 以下にするのは難しいため、通常は最低 2 層のオーバーレイが必要です。-

Q: ホットワイヤー GTAW は従来のコールドワイヤー GTAW よりどれくらい速いですか?{0}}

A: GTAW-HW の公表されている溶着速度は、同等の溶接品質で冷線 GTAW- よりもおよそ 2 ～ 3 倍高く、GTAW-HW の範囲はワイヤの直径と予熱電流に応じて約 1 ～ 12 ポンド/時間です。

Q: ホット ワイヤー GTAW を使用すると、複数のオーバーレイ層が必要なくなりますか?

A: いいえ。GTAW-HW の希釈度が低い場合でも、ほとんどの仕様では少なくとも 2 層のオーバーレイが必要です。これは、最初の層が母材金属と腐食の重要な表面層の間の希釈バッファとして機能するためです。-

Q: サワーサービス ニッケル合金オーバーレイの硬度制限を規定しているのはどの規格ですか?{0}}

A: NACE MR0175/ISO 15156 はサワー サービスの硬度許容範囲を規定しており、一般に炭素/低合金鋼 HAZ には 248 HV10、インコネル 625 オーバーレイには 345 HV10 が適用される制限がビッカース テストで検証されています。{4}

Q: ホットワイヤ GTAW の代わりに SAW- ストリップまたは GMAW を使用する必要があるのはどのような場合ですか?

A: SAW- ストリップとパルス GMAW は、層あたりのより高い希釈が許容され、複数の層がすでに計画されている容器のシェルやヘッドなど、大きく開いた領域に適しています。ホット ワイヤー GTAW は、形状が制約されている場合、または単層の希釈制御が重要な場合に推奨されます。-