Badania stali na spajanie.pdf

Badania wrażliwości stali na spajanie oraz system

wskaźników spawalności stali

Ocena wrażliwości stali na spajanie oraz wybór optymalnych warunków spajania jest

bardzo trudnym zadaniem zwłaszcza, że przy obecnym stanie wiedzy nie istnieje jakaś jedna

wielkość opisująca wrażliwość stali na spajanie w sposób jednoznaczny i pomimo wielu

badań prowadzonych w tym zakresie nic nie wskazuje na to aby można było wyznaczyć taką

wielkość. Dlatego też przyjęte obecnie podejście polega na tym, że wrażliwość na spajanie

wyrażana jest przez podanie wrażliwości na pękanie gorące, pękanie zimne, pękania

lamelarne, pękanie pod wpływem powtórnego nagrzewania, kruchości w wyniku

zachodzących przemian, kruchości w wyniku starzenia oraz charakterystyki zmian struktury i

właściwości w funkcji czasu t 8/5 .

1. Badania wrażliwości stali na spajanie

Istnieje obecnie wiele prób technologicznych i laboratoryjnych pozwalających badać

poszczególne składowe wrażliwości na spajanie. Niestety większość tych prób w sposób

bardzo przybliżony odtwarza warunki panujące w konkretnych, rzeczywistych połączeniach

spawanych. Jest to przyczyną ograniczonego zakresu przenoszenia wyników prób

technologicznych na złącza rzeczywiste i zmusza do prowadzenia badań na modelowych

połączeniach spawanych. Przyczynia się to do znacznego wydłużenia cyklu badań oraz

ponoszenia wysokich nakładów finansowych. Prowadzenie zaś badań struktury i właściwości

SWC na próbkach spawanych jest bardzo trudne i uciążliwe. Wynika to między innymi z

ograniczonych rozmiarów strefy wpływu ciepła. Dla przykładu w złączu doczołowym o

grubości 15 mm spawanym łukowo ręcznie z niską energią liniową łuku szerokość SWC nie

powinna przekroczyć ok. 0,3 mm. W tych trzech dziesiątych milimetra temperatura

maksymalna zmienia się podczas spawania od ok. 900°C do ok. 1500°C. Uwzględniając

dodatkowo, że obszar ten jest nierównomierny i najczęściej nie jest położony prostopadle do

powierzchni blachy, pobranie próbki np. do badań udarności obszaru przegrzanego jest

praktycznie niemożliwe, nie wspominając już o badaniach wytrzymałościowych

poszczególnych obszarów SWC.

Problem ten został częściowo rozwiązany poprzez zastosowanie w badaniach

spawalności stali fizycznej symulacji procesu spawania , czyli innymi słowy odtworzenie

procesu technologicznego w próbce materiału o stosunkowo małych wymiarach (w

porównaniu z płytą próbną). Proces symulacji fizycznej obszarów SWC musi zapewniać

odtworzenie w próbce warunków cieplnych i odkształceniowo - naprężeniowych panujących

w SWC podczas rzeczywistego procesu spawania określonego typu złącza spawanego

[6,14,34,67]. Symulacje fizyczne procesu spawania realizowane są na urządzeniach zwanych

symulatorami cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania.

Symulatory cykli cieplnych i odkształceniowych spawania są urządzeniami

wyposażonymi w dynamiczny układ nagrzewania i chłodzenia próbki oraz mechaniczny

układ jej obciążania. W zależności od typu symulatora, nagrzewanie może odbywać się

oporowo lub indukcyjnie, zaś obciążenie próbki realizowane może być poprzez siłowniki

hydrauliczne, hydrauliczno - pneumatyczne lub magnetyczne. W kraju stosowane są

symulatory produkowane przez Instytut Spawalnictwa w Gliwicach [77,79]. Symulatory te

umożliwiają [79]:

- kontrolowane nagrzewanie (do temperatury Tmax T top) próbek o przekroju okrągłym 10

mm oraz kwadratowym 10 x 10 x 100 mm ciepłem Joule'a w wyniku przepływu przez

próbkę prądu przemiennego o częstotliwości 50 Hz,

- kontrolowanechłodzenie,

- wytworzenie stanu naprężenia w zadanym punkcie cyklu cieplnego.

Przy pomocy tych urządzeń możliwa jest symulacja zarówno cykli prostych jak i

również cykli złożonych. Na rys.2.1 przedstawiono schemat blokowy symulatora cykli

cieplno - odkształceniowych spawania.

Symulatory cykli cieplnych i cieplno - odkształceniowych spawania znajdują

zastosowanie w badaniach:

- właściwości plastycznych (HV, KV, A5, Z) i mechanicznych (Re, Rm) strefy wpływu

ciepła,

- pękania gorącego,

- pękania zimnego,

- pękania lamelarnego,

- pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania,

- kruchości w wyniku starzenia,

- kruchości w wyniku zachodzących przemian.

Rys.2.1. Schemat blokowy symulatora cykli cieplno-odkształceniowych spawania

produkcji Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach [79]:

1- próbka, 2 - szczęka nieruchoma, 3 - szczęka ruchoma, 4 - prowadnica

szczęka, 5 - cylinder pneumatyczny, 6 - czujnik pomiaru przemieszczenia

szczęki ruchomej, 7 - czujnik pomiaru siły, 8 - transformator nagrzewający

próbkę, 9 - układ sterowania zaworami, 10 - sterownik mikroprocesorowy,

11 - klawiatura sterownika, 12 - termopara kontrolna.

Zaprogramowanie procesu symulacji na symulatorach cykli cieplnych i cieplno -

odkształceniowych spawania wymaga wcześniejszego wyznaczenia cykli cieplnych spawania

w trakcie wykonywania rzeczywistego złącza spawanego oraz naprężeń własnych i

odkształceń pozostających występujących w SWC wykonywanego złącza spawanego. Można

tego dokonać na podstawie pomiarów lub metodami analitycznymi. Na rys.2.2 przedstawiono

modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych stosowanych w

badaniach symulacyjnych. Szczegółowy opis metodyki badań symulacyjnych przedstawiono

w pracy [79].

Rys.20. Modelowe przebiegi cykli cieplnych, naprężeniowych i odkształceniowych

stosowane w badaniach symulacyjnych:

a. pękania gorącego,

b. pękania zimnego,

c. pękania kruchego w warunkach utwierdzenia,

d. pękania pod wpływem powtórnego nagrzewania.

Generalnie więc można stwierdzić, że badania wrażliwości stali na spajanie prowadzone

są z zastosowaniem różnych metod, takich jak:

- badaniarzeczywistychpołączeń spawanych,

- badaniasymulacyjne,

- badaniadylatometryczne,

- testyspawalności takie jak np. próba implantacyjna, próba LTP-1, itp.

Ze względu na wielość metod i prób stosowanych w badaniach istotnym zagadnieniem

stało się opracowanie systemu oceny wrażliwości stali na spajanie, który na podstawie ściśle

zdefiniowanych kryteriów jednoznacznie charakteryzowałyby zachowanie się materiału

podczas spawania. Jedną z propozycji takiego systemu jest opracowany przez Instytut

Spawalnictwa w Bratysławie system wskaźników spawalności stali [19].

2. System wskaźników spawalności stali

System wskaźników spawalności stali składa się z trzech grup wskaźników. Pierwsza

grupa obejmuje wskaźniki wyliczane na podstawie składu chemicznego stali: C emax i P cm max .

Równoważnik węgla C obliczany z zależności:

CC Mn Cr Mo V Ni Cu

(2.1)

charakteryzuje skłonność do utwardzenia SWC. Wytwórca stali powinien zagwarantować nie

przekraczanie jego maksymalnej wartości, przy czym wartość ta powinna być różna dla

różnych grubości wyrobów.

e =+ + + +

Równoważnik P cm charakteryzuje skłonność do powstawania pęknięć zimnych i należy

go podawać w przypadku stali niskostopowych:

PC Si Mn Cr Cu Ni Mo V

+ +

++ ++

5 %

(2.2)

60 15 10

Druga i trzecia grupa obejmuje wskaźniki, które wyznacza się doświadczalnie w

oparciu o odpowiednie próby.

Grupa druga obejmuje wskaźniki skłonności do pęknięć:

- gorących,

- zimnych,

- lamelarnych,

- podwpływem obróbki cieplnej.

Trzecia grupa obejmuje wskaźniki właściwości strefy wpływu ciepła:

- kruchość w wyniku zachodzących przemian,

- kruchość w wyniku starzenia.

Pękanie gorące.

Zaproponowano trzy klasy skłonności stali do tworzenia pęknięć gorących:

1. Stal odporna na gorące pękanie.

2. Stalczęściowo skłonna do powstawania gorących pęknięć wymagająca stosowania

podczas spawania pewnych środków ostrożności (np. stosowania kontrolowanej energii

liniowej łuku, niewysokiego podgrzewania przed spawaniem w celu obniżenia gradientu

naprężeń i odkształceń).

3. Stalskłonna do powstawania gorących pęknięć (równocześnie występuje zwiększona

skłonność do gorącego pękania spoin).

Do oceny skłonności stali do gorącego pękania mogą być stosowane próby

technologiczne samoutwierdzone (np. wg PN-79/M-69710) oraz próby maszynowe ze zmianą

szybkości odkształcenia (np. Varestraint, LTP-1-6). Szczególnie przydatnymi do oceny

skłonności do pęknięć gorących SWC są próby z imitowaniem cieplno-odkształceniowych

cykli spawania za pomocą symulatorów.

Pękanie zimne.

Zaproponowano trzy klasy skłonności do pękania zimnego:

1. Stale odporne na powstawanie zimnych pęknięć nie wymagające kontrolowania

zawartości wodoru w spoinie i cieplnych warunków spawania.

2. Staleczęściowo skłonne do pękania zimnego, wymagające kontrolowania zawartości

wodoru w spoinie.

3. Staleskłonne do pękania zimnego wymagające kontrolowania zawartości wodoru w

spoinie i cieplnych warunków spawania.

Ocenę skłonności stali do zimnego pękania należy prowadzić za pomocą próby

implantacyjnej (PN-90/M-69760). Spośród prób technologicznych samoutwierdzonych

zalecana jest próba Tekken.

Pękanie lamelarne.

Miarą skłonności do pękania lamelarnego jest wartość przewężenia Z próbki na

rozciąganie pobranej wzdłuż grubości blachy. Wprowadzono podział stali na trzy klasy w

zależności od wartości przewężenia Z i zawartości siarki:

1. Stal jest odporna na pękanie gdy Z > 25% i S < 0,012%.

2. Stal jest częściowo skłonna do pękania lamelarnego gdy 10% < Z < 25%

3. Stal jest skłonna do pękania lamelarnego gdy Z < 10% i S > 0,022%.

cm =+ +

Pękanie pod wpływem obróbki cieplnej (pod wpływem powtórnego nagrzewania).

Do oceny skłonności stali do tworzenia się tego typu pęknięć zaleca się próbę

Vinckiera. Cylindryczne próbki o średnicy 10 mm poddane uprzednio oddziaływaniu

symulowanego cyklu cieplnego spawania, poddaje się próbie rozciągania w temperaturze

600°C (prędkość rozciągania 0,1 mm/min) aż do zerwania, określając przewężenie próbki Z.

Według tego kryterium stale podzielono na trzy grupy:

1. Stal jest odporna na tworzenie pęknięć pod wpływem obróbki cieplnej gdy Z > 20%.

2. Stal jest częściowo skłonna do pękania gdy 5% < Z < 20%.

3. Stal jest skłonna do pękania gdy Z < 5%.

Kruchość w wyniku zachodzących przemian.

Ocenę kruchości w wyniku zachodzących przemian prowadzi się na podstawie badań

udarnościowych na próbkach z karbem ISO - Charpy V pobranych z przyspoinowego obszaru

SWC. Określa się wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego SWC w stosunku do

temperatury przejścia plastyczno - kruchego materiału rodzimego.

Przyjęto następujące stopnie wzrostu kruchości strefy wpływu ciepła (SWC) w wyniku

zachodzących przemian:

0 - jeżeli przy praktycznie stosowanych energiach liniowych łuku (t 8/5 =15-200 s) temperatura

przejścia plastyczno-kruchego dla SWC nie jest wyższa od temperatury przejścia

plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego,

1 - jeżeli wytwórca gwarantuje, że dla pewnych czasów stygnięcia z zakresu t 8/5 =15-120 s

temperatura przejścia dla SWC nie będzie wyższa od temperatury przejścia plastyczno-

kruchego materiału rodzimego,

2 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z

materiałem rodzimym o 20°C,

3 - dopuszcza wzrost temperatury przejścia plastyczno - kruchego dla SWC w porównaniu z

materiałem rodzimym powyżej 20°C.

Kruchość w wyniku starzenia.

Podatność na kruchość w wyniku starzenia określa się w skali trójstopniowej:

1 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego,

2 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości nie jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20°C,

3 - w stanie starzonym temperatura przejścia SWC w stan kruchości jest wyższa od

temperatury przejścia plastyczno-kruchego dla materiału rodzimego o więcej niż 20°C.

Skłonność stali do starzenia ocenia się w oparciu o PN-69/M-69734.

W celu pełnej oceny wrażliwości stali na spajanie wskaźniki spawalności winny być

uzupełnione wykresem CTPc-S oraz wynikami badań utwardzenia i kruchości SWC a także

przebiegami zmian Rm, Re, A5 i Z w funkcji czasu t 8/5 .

Badania wrażliwości na spajanie prowadzone wg. przedstawionego powyżej systemu są

badaniami żmudnymi i długotrwałymi, niemniej jednak każdy nowy gatunek stali powinien

przejść pełny zakres badań spawalności [8].

3. Programy komputerowe wspomagające ocenę spawalności stali

Badania wrażliwości stali na spajanie już obecnie z powodzeniem mogą być

wspomagane przez analityczne metody oceny spawalności stali. W ostatnim dziesięcioleciu

opracowano w tym celu wiele programów komputerowych [9,36,45,46,59,73,]. Przeważająca

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: