Supermartensitisch 13% Cr roestvast staal lastoevoegmetaal voor rondlassen in pijpleidingen (deel 2)

Momenteel is er geen commercieel verkrijgbaar GMAW Iastoevoegmetaal voorhanden dat overeenkomt met de eigenschappen van supermartensitisch metaal voor pijpleidingen. Lassen met massieve draad vereist een actief gas zoals CO2 om gebrekkige fusie tegen te gaan en dit leidt tot hogere koolstof-en zuurstofgehalten in het lasmetaal en dus tot minder gunstige mechanische eigenschappen. Het onderzoek betrof het gebruik van buisvormig lastoevoegmetaal dat betere inbranding geeft bij gebruik van een inert schermgas waarmee meer desoxidatiemogelijkheden mogelijk zijn. Voor de proeven zijn twee buisvormige draadelektrodes beproefd. De invloed van de draadsamenstelling en van het schermgas zijn onderzocht om te komen tot een las met een zo laag mogelijk gehalte aan koolstof en zuurstof, die de best mogelijke mechanische eigenschappen zou moeten geven. Het gebruik van basische fluxtoevoegingen om het zuurstofgehalte van het lasmetaal te verlagen is eveneens onderzocht. (Dee1 1 van dit artikel verscheen in Roestvast Staal 4)

J.M . Bonnel, D.J. Butler en S. Blackman
Bonnel en Butler zijn werkzaam bij Welding Alloys Frankrijk;
Blackman is verbonden aan de Cralnfield University

(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 5, 1999- artikel 103)

Met metaal en basische flux gevulde lasdraad

Het zuurstofgehalte van het lasmetaal schijnt een hoofdrol te spelen bij de kerfslageigenschappen. Eerder werk aan een overeenkomstige legering waarbij ge bruik werd gemaakt van toevoeging van een basische flux, gaf kerfslagwaarden te zien van 71 J bij +20°C zonder enige nabehandeling na het lassen*. Toevoeging van basische flux  aan de lasdraad zou het zuurstofgehalte moeten verlagen. Er werd een partij nieuw lasdraad gemaakt met een iets lager chroomgehalte en toevoeging van basische flux. Er werden rups-op-plaatlassen gelegd met argon, argon + 2,5 % CO2 en argon+ 18% CO2 om de beste lasparameters te vinden. Het beste lasprofiel werd verkregen met argon + 2,5% CO2, terwijl argon + 18% CO2 veellasspetters gaf en een bolvormige metaaldruppelovergang. Uit deze proeven bleek dat lassen met zuivere argon een zeer hete boog opleverde die het lassen moeilijk maakte. Als de flux carbonaten bevatte, had het gebruik van zuiver argon geen merkbare invloed op het koolstofgehalte, zodat dit gas niet verder werd gebruikt bij de daarop volgende proeven. Tabel 4 geeft de chemische samenstelling van twee lassen.


Tabel 4.


Mechanische eigenschappen van lasmetaal

Tabel 5 geeft een overzicht van de mechanische waarden die zijn bepaald aan een aantallasmonsters.


Tabel 5.


Microstructuur lasmetaal

Afbeelding 4 toont de microstructuur die hoofdzakelijk bestaat uit martensiet. De samenstelling van de 13 %Cr LC buisvormige lasdraad is weergegeven op het Schaefflerdiagram van afbeelding 5.


Afbeelding 4. Microstructuur lasmonster.


Afbeelding 5. Samenstelling van 13% Cr LC buisvormige lasdraden.
 

Invloed van de lasprocedure op de mechanische eigenschappen

Omdat er eerder lage kerfslagwaarden werden gemeten aan met metaal gevulde lasdraad en stringer-rupsen, werd besloten om een ander lasmetaalmonster te produceren met een andere lasprocedure, waarbij draad werd gebruikt waaraan basische flux was toegevoegd. Het monster werd gelast met weave -gangen om na te gaan of dit tot een verbetering zou leiden van de kerfslageigenschappen, omdat  hierbij de voorgaande rupsen door de opvolgende worden gegloeid. Ten behoeve van goede fusie werden stringerrupsen in de teen van de grondnaad gelast. De rest van de las werd gelegd met 18 weave -gangen, waardoor er een uiteindelijke las ontstond met acht lagen. De interpass temperatuur werd beperkt tot 150°C.

Mechanische eigenschappen van het lasmetaal

Tabel 6 geeft een overzicht van de mechanische eigenschappen van het lasmetaal. Het probleem met het beproefde desoxidatiesysteem, zoals valt af te lezen uit de chemische analyse, is dat het koolstofgehalte van het lasmetaal toenam tot 0,043% vanwege de carbonaten in de flux. De flux fungeerde als een zeer goed desoxidatiemiddel door het zuurstofniveau te verlagen van 480 ppm bij met metaal gevulde lasdraad tot 160 ppm. Omdat het koolstofgehalte hoog was, werd er verwacht dat de kerfslageigenschappen hierdoor nadelig zouden worden beïnvloed, zoals de literatuur over dit onderwerp aanduidt, vanwege de hardheid van de martensietstructuur. De feitelijk verkregen gemiddelde waarde bedroeg 44J bij -30°C, wat 50% beter is dan de waarden die zijn verkregen met metaalgevulde lasdraad en argon schermgas. Vergeleken met lastoevoegmetaal zoals dat in de literatuur [3] en [1] werd gebruikt, kan er een aanzienlijke verbetering van de kerfslagtaaiheid worden verkregen door beheersing van het zuurstofgehalte. Dit resultaat kan een grote stap voorwaarts zijn naar het bereiken van de doelstelling van 60J bij -30°C.


Tabel 6.


De resultaten van de trekproeven met het lasmetaal zijn minder bemoedigend. Het hoge koolstofgehalte veroorzaakt een toename van de rekgrens en treksterkte als gevolg van de vorming van een harde martensitische microstructuur. Dit valt af te lezen uit de toename van de hardheid van 328 HV1O in geval van met metaal gevulde lasdraad en argon schermgas, tot 382 HV1O in geval van de met basische flux gevulde draadversie. De verkregen treksterkte ligt hoger dan die van het basismetaal; de rekgrens was bij het breken van de monsters nog niet gehaald. Dit zou een probleem kunnen opleveren met de ontwerp-codes die een limietwaarde van de rekgrens/treksterkteverhouding specificeren om tegemoet te komen aan enige vorm van plastische deformatie voordat er breuk optreedt. Het tweede monster is gelast met het met metaal gevulde lasdraad waaraan ook basische flux is toegevoegd en waarbij weaved beads zijn neergesmolten. De achterliggende gedachte was het uitproberen en gebruikmaken van de warmte-inbreng van de las om de voorgaande lasgangen te gloeien teneinde aldus de kerfslagwaarden te verhogen. De weaved beads zouden dan de ingebrachte warmte beter over de voorgaande lasgangen verspreiden dan de stringer beads. Alle mechanische waarden die zijn verkregen met de weaved beads kwamen sterk overeen met die van de stringer beads, met uitzondering van de treksterkte; die was lager. Uit de resultaten van deze twee lassen is het niet mogelijk om te bepalen of de warmteinbreng of de lasrupsgeometrie een significant effect heeft op de mechanische eigenschappen. Hiervoor zijn verdere proeven nodig met veel hogere warmte-inbreng en bredere lasgangen.

Conclusies
 

• Buisvormige lasdraad met schermgas gaven een lasmetaal dat veel hogere rekgrenswaarden had dan het supermartensitische roestvast basisstaal.
• Met metaal gevuld lasdraad geeft goede penetratie indien gebruikt met een inert schermgas.
• Het grootste probleem met het beproefde met metaal gevulde lasdraad was het zuurstofgehalte dat de kerfslageigenschappen beïnvloedde. Het gebruik van desoxidatiemiddelen in de draad is essentieel om het gehalte tot een veellager niveau terug te dringen.
• Zuurstof kan worden gereduceerd door toevoeging van een basische flux aan de draad, hetgeen gepaard gaat met een toename van het koolstofgehalte.
• Toekomstig onderzoek moet worden toegespitst op het optimaliseren van de koolstof-en zuurstofreductie in de las door afstemming van de desoxidatiemiddelen in de draadkern.
• Het ferrietniveau moet worden verlaagd door het verlagen van het chroomgehalte en er moet naadloze lasdraad moet ontwikkeld.
• Het gebruik van weaved in plaats van stringer beads biedt geen opmerkelijk voordeel.

Referentie: *D.J. Butler. Tubular welding consumables for welding supermartensitic 13Cr pipelines.