Slavko Stritar - CORE · 2018. 8. 24. · I Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega...

Slavko Stritar

PROBLEMATIKA VARIVOSTI JEKEL ZA HIDROOPREMO

Krško, marec 2012

I

Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa 1. stopnje


Študent: Slavko Stritar

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program 1. stopnje Energetika

Mentor: doc. dr. Zdravko Praunseis

Somentor: doc. dr. Peter Virtič

Lektorica: Katja Komar, prof.

Krško, marec 2012

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc.dr. Zdravku Praunseisu za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem somentorju doc.dr. Petru Virtiču. Zahvala velja tudi varilni ekipi železarne Ravne za varjenje etalonov.

Iskrena hvala tudi staršem za vso podporo, razumevanje ter omogočanje študija.

IV


Ključne besede: visokotrdnostno jeklo, varjenje, varivost, varilni preizkusi, razpokljivost v hladnem, temperatura predgrevanja.

UDK: 621.791.05:620.1/.2(043.2)

Povzetek:

Diplomsko delo temelji na problematiki varivosti jekel za hidroopremo, možnosti izboljšav in

rešitev. Prikazani so vsi možni škodljivi vplivi na gradnjo zvarnih spojev. Na osnovi

eksperimentalnega dela je predpisana takšna tehnologija varjenja teh jekel, da ne pride do

pojava škodljivih razpok in kolapsa zvarnega spoja oziroma celotne varjene konstrukcije.

S pomočjo metalografske analize zvarnega spoja so odkrita kritična mesta toplotno

vplivanega področja zvarnega spoja, kjer lahko nastanejo razpoke.

V

WELDABILITY PROBLEM OF STEELS FOR HYDRO EQUIPMENT

Keywords: highstrenghtsteel, welding, weldability, welding test, cracking in cold, preheating temperature.

UDK: 621.791.05:620.1/.2(043.2)

Abstract:

Graduate work is based on the problem of weldability of steels for hydro equipment, potential

improvements and solutions. Displayed are all potential adverse impacts on the construction

of welded joints. Based on the experimental work is required such technology welding these

steels to prevent the occurrence of harmful cracks and the collapse of the entire weld or

welded construction.

Using metallographic analysis of the weld being detected critical areas of therma linfluenced

weld where cracks may occur.

VI

VSEBINA

1 UVOD .................................................................................................................................................. 1

2 LASTNOSTI VISOKOTRDNOSTNIH MALOLEGIRANIH JEKEL (SPLOŠNO O VISOKOTRDNOSTNIH JEKLIH – RAZDELITEV IN PODROBNEJŠI OPIS JEKEL ZA HIDROOPREMO) ........................................................... 2

2.1 Osnovne značilnosti visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel ......................................................... 2

2.1.1 Visokotrdnamikrolegirana jekla z napetostjo tečenja do 500 MPa ...................................... 3

2.1.2 Poboljšana visokotrdnostnamalolegirana konstrukcijska jekla ............................................. 4

3 VPLIVI NA VARIVOST IN NASTOP RAZPOKLJIVOSTI V ZVARNIH SPOJIH ZA HIDROOPREMO ............. 5

3.1 Razpokljivost v vročem .................................................................................................................. 6

3.2 Vodikova razpokljivost v hladnem ................................................................................................ 7

3.2.1 Razvijanje in sodelovanje vodika pri razpokljivosti ............................................................... 8

3.3 Lamelarna razpokljivost .............................................................................................................. 10

3.4 Razpokljivost po termični obdelavi ............................................................................................. 12

4 PROBLEMATIKA POJAVA RAZPOKLJIVOSTI V TOPLOTNO VPLIVANEM PODROČJU ......................... 15

4.1 Strukturne spremembe v TVP enovarkovnega zvarnega spoja ali temenskem varku večvarkovnega zvarnega spoja .......................................................................................................... 15

4.2 Strukturne spremembe v TVP večvarkovnega zvarnega spoja ................................................... 16

5 VARIVOSTNI PREISKUS ..................................................................................................................... 18

5.1 Vrste preizkusov hladne razpokljivosti ........................................................................................ 19

5.1.1 Y‐preizkus ............................................................................................................................ 19

5.1.2 CTS‐preizkus (cracking severity test) ................................................................................... 22

5.1.3 Implant preizkus .................................................................................................................. 22

5.1.4 TRC‐preizkus (Tensile restraint cracking test) ..................................................................... 24

5.1.5 RRC‐preizkus (Rigid restraint cracking test) ........................................................................ 25

5.2 Vrste preizkusov vroče razpokljivosti .......................................................................................... 26

5.2.1 Preizkus Fisco za nastanek toplih razpok po Schnadtu ....................................................... 26

5.2.2 Preizkus Varestraint ............................................................................................................ 27

5.2.3 Preizkus Transvarestraint .................................................................................................... 28

6 POSTOPEK VARJENJA........................................................................................................................ 29

6.1 Ročno elektroobločno varjenje z oplaščeno elektrodo(REO) ..................................................... 29

6.1.1 Značilnosti oplaščenih elektrod ........................................................................................... 30

6.1.2 Tehnika varjenja z oplaščenimi elektrodami ....................................................................... 33

6.1.3 Postopek varjenja REO ........................................................................................................ 34

VII

6.1.4 Prednosti in slabosti REO‐varjenja ...................................................................................... 35

6.2 MAG‐varjenje .............................................................................................................................. 35

6.2.1 Prehod materiala v obloku .................................................................................................. 38

6.2.2 Plinska zaščita obloka .......................................................................................................... 38

6.2.3 Tehnike varjenja .................................................................................................................. 39

6.2.4 Prednosti in slabosti MAG‐varjenja ..................................................................................... 42

7 IZRAČUN OKLJIKOVEGA EKVIVALENTA ............................................................................................. 43

8 EKSPERIMENTALNI DEL .................................................................................................................... 45

8.1 Izbira osnovnega materiala ......................................................................................................... 45

8.2 Izbira dodajnega materiala ......................................................................................................... 45

8.3 Analitični izračun temperatur predgrevanja osnovnega materiala ............................................ 46

8.3.1 Koncept Dueren:[4] ............................................................................................................. 46

8.3.2 Formulacija Ito‐Bessyo:[4] ................................................................................................... 47

8.3.3 Koncept Suzuki:[4] ............................................................................................................... 47

8.3.4 Izračunani rezultati v Excelu ................................................................................................ 49

8.4 Določitev kritičnih mikrostruktur v toplotno vplivanem področju ............................................. 50

8.4.1 Posebnosti metalografske preiskave zvarov ....................................................................... 50

8.4.2 Analiza mikrostruktur v večvarkovnem zvarnem spoju ...................................................... 54

9 DISKUSIJA REZULTATOV ................................................................................................................... 58

10 SKLEP ................................................................................................................................................ 59

11 VIRI, LITERATURA ............................................................................................................................. 60

12 PRILOGE ............................................................................................................................................ 61

12.1 Seznam slik ............................................................................................................................ 61

12.2 Seznam tabel ......................................................................................................................... 62

12.3 Izjava o istovetnosti tiskanine in elektronske verzije diplomskega dela in objavi osebnih podatkov avtorja ............................................................................................................................... 63

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

A (%) raztezek

Ac1 (°C) temperatura periltne premene

Ac3 (°C) temperatura avstenitne premene

Al – aluminij

Ar – argon

As – arzen

Av (J) žilavost materiala

B – bor

C – ogljik

Ca – kalcij

Ceq – ogljikov ekvivalent

Ceqm – ogljikov ekvivalent materiala

Ceqz – ogljikov ekvivalent zvara

Cr – krom

D – zunanji premer elektrode

d – premer kovinskega dela elektrode

Gkr (MPa) kritična vpetostna napetost ali pomik

H – vodik

HC – kritična koncentracija vodika

HD (ml/100g) difuzijski vodik

HV (HV) trdota

I (A) tok

Mn – mangan

Mo – molibden

N – dušik

IX

Nb – niobij

O – kisik

P (N) sila upogiba

P – fosfor

Pcm – ekvivalent, ki zajema kemično sestavo zvarnega spoja

PHA – parameter akumulacije vodika v korenu

R (%) hladna razpokljivost

R (mm) polmer upogibanja

Rfy (N/mm2) vpetostna napetost

Rm (MPa) natezn atrdnost

Rp (MPa) meja plastičnosti

S – žveplo

Sb – antimony

Si – silicij

Sn – kositer

T (°C) temperatura

T (cm9/100g) topnost vodika v trdem in tekočem železu

t (mm) debelina materiala

Ti – titan

Tp (°C) temperature predgrevanja

Ts – temperatura sušenja elektrode

U (V) napetost

V (cm/min) hitrost varjenja

V – vanadij

vE (J) Charpy udarna energija

Zr – cirkonij

Q (kJ/cm) vnešena energija

X

ΔG – parameter žarilne pokljivosti po Nakamuri

Δt8/5 (s) potreben čas za ohladitev zvarnega spoja iz 500 °C na 800 °C

ε (%) deformacija gornjih vlaken

ψ (%) kontrakcija

XI

UPORABLJENE KRATICE

CGHAZ Coarse grained HAZ (grobozrnato TVP)

FGHAZ Fine grained HAZ (drobnozrnato TVP)

FL Fusion line (linija zlitja)

ICCGHAZ Inter critical CGHAZ(medkritično grobozrnato TVP)

ICHAZ Inter critical HAZ (medkritično ogreto TVP)

IIW mednarodni inštitut za varilstvo

LKP lokalno krhko področje

M/A martenzitno-avstenitna strukturne faze

MAG Metal active gas (varjenje v aktivnem zaščitnem plinu)

MIG Metal inert gas (varjenje v inertnem zaščitnem plinu)

REO ročno elektro obločno varjenje

SCCGHAZ Subcritical CGHAZ (podkritično grobozrnato TVP)

TIG Tungsten inert gas (varjenje v inertnem zaščitnem plinu z wolframovo elektrodo)

TRN trdnostno manjši zvarni spoj, M < 1

TVP toplotno vplivano področje

UACGHAZ Unaffected CGHAZ (nespremenjeno grobozrnato TVP)

VTML visokotrdnostno malolegirano konstrukcijsko jeklo

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD Pri zelo zahtevni opremi in gradbenih konstrukcijah ter elementih (tlačni cevovodi, tlačne posode, mostovi, deli žerjavov in avtodvigal, visokoobremenjeni nosilci itd.) se zaradi velikih obremenitev uporabljajo visokotrdnostna jekla. Problematika varivosti visokotrdnostnih jekel se kaže v fenomenu razpokljivosti v hladnem, zato se proizvajalci običajno soočajo z vprašanjem, kako zagotoviti trajno trdnost. Razpoke ogrožajo uporabnost in varnost zvarjenih izdelkov, vplivajo na nosilnost varjene konstrukcije, zmanjšajo trajnost pri cikličnih obremenitvah in so lahko vzrok za netesnost. Razpoke lahko nastanejo v toplotno vplivanem področju (TVP) ali strjenem zvaru. Nastanek teh razpok je odvisen od občutljivih mikrostruktur, vodika in vpetosti vara. Za varno obratovanje zvarjenih konstrukcij je pomembno, da njihov nastanek preprečimo. Razpokljivost v hladnem preprečujemo s predgrevanjem za zagotovitev ustrezne mikrostrukture, s sušenjem oplaščenih elektrod (pri ročnem elektroobločnem varjenju) oziroma praškov (pri varjenju pod praškom – EPP-postopek) in s pogrevanjem zvarnega spoja za izhajanje raztopljenega vodika. Ker predgrevanje pomeni visok strošek pri gradnji zvarjene konstrukcije, je potrebna natančna določitev ustrezne temperature predgrevanja, kar predstavlja namen diplomskega dela, v katerem je prikazan pravilen pristop pri spajanju omenjenih jekel, t.i. tehnologija varjenja.


2

2 LASTNOSTI VISOKOTRDNOSTNIH MALOLEGIRANIH JEKEL (SPLOŠNO O VISOKOTRDNOSTNIH JEKLIH – RAZDELITEV IN PODROBNEJŠI OPIS JEKEL ZA HIDROOPREMO)

2.1 Osnovne značilnosti visokotrdnostnih konstrukcijskih jekel V zadnjem času v svetu projektirajo in gradijo visoko in kompleksno obremenjene zvarjene konstrukcije. Pri gradnji teh konstrukcij so pričeli zamenjevati debelejše, na nateg obremenjene in manj kakovostne materiale s tanjšimi materiali z večjo napetostjo tečenja, t. i. visokotrdnostna malolegirana (VTML) konstrukcijska jekla. Ta jekla imajo v primerjavi z navadnimi večje mehanske lastnosti, dobro varivost in žilavost z nizko prehodno temperaturo, ki še dodatno zagotovi varnost pred krhkim lomom (Slika 2.1). [1]

Slika 2.1: Prehodne temperature pri žilavosti 27 J za različne vrste jekel [1]


3

Različne trdnosti jekel dosežemo zaradi različnih načinov izvajanja toplotne obdelave po valjanju, zato jih razdelimo na:

– normalizirana mikrolegirana jekla, – termomehansko obdelana mikrolegirana jekla, – poboljšana VTML jekla.

Posebej so primerna za uporabo pri:

– gradnji visokotlačnih cevovodov, – gradnji mostov, – gradnji naftnih ploščadi, – izdelavi posod pod tlakom, – izdelavi različnih zvarjenih konstrukcij, kjer je poleg ostalih fizikalnih karakteristik

pomemben dejavnik teže konstrukcije (razna vozila, cisterne, avtodvigala itd.). [1]

2.1.1 Visokotrdnamikrolegirana jekla z napetostjo tečenja do 500 MPa Vsem drobnozrnatim visokotrdnim jeklom je skupna razmeroma majhna koncentracija ogljika, ki naj iz varilno-tehničnih razlogov ne prekorači 0.20 % C oziroma je običajno pod 0.1 % C. Dodatek mikrolegiranih in legiranih elementov je omejen. Mikrolegirni elementi omogočajo precipitacijsko utrditev ter drobno zrno v jeklu. Izločki so spojine med mikrolegirnimvanadijem, niobijem, titanom in aluminijem ter dušikom in ogljikom (karbonitridi, nitridi).V avstenitu so izločeni karbonitridi bistvetno bolj grobi in so po ohladitvi s feritom nekoherentno povezani (njihova velikost je 10–200 nm), zato je njihova sposobnost utrjevanja majhna. Vanadijevi karbonitridi se raztapljajo oz. izločajo med 650 in 850°C; proces je najbolj intenziven pri 750°C. Raztapljanje VCN pospešuje nastanek AIN, ki se prične pri 600°C, zato ker ima Al večjo afiniteto do N kot V. Niobijevi karbonitridi se najbolj intenzivno izločajo pri 800°C, popolnoma pa se raztopijo pri temperaturi 1200°C. V avstenitu tako nastopajo v večji količini kot VCN. Pogosto se pojavijo na tromejah kristalnih zrn, mejah podzrn in na dvojčičnih lamelah avstenita. Titanovi karbonitridi lahko v nasprotju z VCN in NbCN nastanejo že v zvarni talini v velikosti pod 4 µm in so vidni že z optičnim mikroskopom, iz trdne raztopine pa se lahko izločajo v velikosti pod 400 nm. TiCN se prične skepljati pri temperaturi nad 1400°C in se šele nato raztaplja v trdni raztopini do tališča, večina pa se jih raztopi v talini. Za finozrnata jekla z V, Nb in Ti je značilno, da se pri kontinuiranem ohlajevanju pri premeni iz γ v α pojavijo izločki karbonitridov heterogeno v nizih. S pospešenim ohlajevanjem jekel po valjanju skozi intervale izločevanja dosežemo tvorbo manjših izločkov in večje utrjevanje jekla. Če so V, Nb in Ti v feritu v prenasičeni trdni raztopini, se izločajo njihovi karbonitridi koherentno ali polkoherentno povezani z osnovo pretežno po dislokacijah (drsnih ravninah) in drugih mrežnih napakah kot delci velikosti od 5 do 10 nm. Vanadij tvori karbonitride


4

različnih velikosti. Na začetku izločanja v temperaturnem intervalu 550 do 650°C tvori izločke v velikosti ca 10 nm, pri temperaturi približno 700°C pa so nekoherentni karbonitridi velikosti 25–75 nm. VCN praktično zelo malo doprinese k utrditvi, vendar pri tem veže N in preprečuje staranje. Niobij tvori s feritom pretežno koherentne karbonitride manjše od 5 nm predvsem v začetnem stadiju izločanja in največ prispeva k utrditvi zrna. Kadar je koncentracija niobija zelo majhna, so karbonitridi veliki do 30 nm in so nekoherentno povezani z osnovo (feritom). Titan podobno kot niobij tvori zelo majhne koherentne in polkoherentne karbonitride in ker se najkasneje raztopi v avstenitu, njegovi delci veliki 20–80 nm preprečujejo rast primarnega avstenitnega zrna v TVP. [1]

2.1.2 Poboljšana visokotrdnostnamalolegirana konstrukcijska jekla Visokotrdna konstrukcijska jekla z napetostjo tečenja do 500 MPa in s trdnostjo od 570 do 700 MPa so na splošno po valjanju normalizirana ali pa termomehansko obdelana. Večje napetosti tečenja z mehanizmi izločilnega utrjevanja ne moremo več doseči. Najti je bilo treba način proizvodnje in obdelave jekla, s katerim bi dosegli večjo napetost tečenja in trdnost ter sposobnost varjenja ob tem, da žilavost pri nizkih temperaturah ne bi bila ogrožena. Zaradi omejenih zahtev so začeli izdelovati poboljšana visokotrdna malolegirana jekla z napetostjo tečenja od 700 do 900 MPa in s trdnostjo od 800 do 1000 MPa. Značilno za poboljšana malolegirana jekla je drobnozrnata mikrostruktura, ki ima poleg zvečane napetosti tečenja in trdnosti tudi dobro žilavost in varivost pri C < 0.1 %. Poboljšanje je vezano s transformacijo v martenzitno stopnjo. Temperatura nastanka martenzita (Ms) je tem višja, čim nižja je koncentracija ogljika v avstenitu. Pri visokih temperaturah premene ima nastali martenzit dobro žilavost. Pri vsebnosti manj kot 0.10 % C leži temperatura Ms nad 400°C, tako je nastali maloogljični martenzit podvržen samopopuščanju (autotempering) in dosega maksimalne trdote okoli 400 HV. Od tod izvira njegova dobra žilavost, posebej če je drobnozrnat. V maloogljičnem martenzitu so notranje napetosti majhne, kar daje jeklu dobro žilavost tudi pri nizkih temperaturah. Kemična sestava teh jekel je izbrana tako, da se pri varjenju avstenitizirani osnovni material zanesljivo transformira v martenzit, ko ga ohladimo s hitrostjo blizu kritične ohlajevalne hitrosti. Maloogljično jeklo lahko ohlajamo z vodo brez nevarnosti nastanka kalilnih razpok. Za reguliranje kritične ohlajevalne hitrosti, ki je potrebna za transformacijo v martenzit, so jeklu dodani legirni elementi. Po kaljenju sledi popuščanje, ki zagotovi želeno napetost tečenja in žilavost. Predpisano kemično sestavo teh jekel prikazuje Tabela 2.1, v kateri prikazane vrednosti predstavljajo zgornjo mejo. [1] Tabela 2.1: Predpisana kemična sestava (največje dovoljene vrednosti) poboljšanih visokotrdnostnihmalolegiranih konstrukcijskih jekel (po EURONORM 137) [1]

C Si Mn P S N B Cr 0.20 1.0 2.0 0.025 0.025 0.20 0.005 2.0 Cu Mo Nb Ni Ti V Zr 1.5 1.0 0.10 2.0 0.20 0.20 0.15


5

3 VPLIVI NA VARIVOST IN NASTOP RAZPOKLJIVOSTI V ZVARNIH SPOJIH ZA HIDROOPREMO

Zvarni spoj mora biti čimbolj homogen oz. brez prisotnosti razpok, mikrorazpok, por, nezvarjenih mest, vključkov itd. Čeprav že pri sami izdelavi jekla prihaja do strukturnih heterogenosti, je homogen zvarni spoj brez napak znak za pravilno izbiro varilnega procesa in tehnologije varjenja.Pri procesu varjenja je zvarni spoj še dodatno termično ter napetostno obremenjen del konstrukcije. Praktično v vsakem zvarnem spoju nastajajo napake. Cilj priporočil standardov je določiti mejni kriterij napak in ekonomičnost popravila (izdelave) zvarnega spoja ob pogoju, da zvarni spoj zadostuje minimalnim lastnostim, ki so predpisane za osnovni material. Tukaj se ne obravnavajo napake v zvarnih spojih, ki jih naredi varilec ali varilni stroj, temveč napake varilne tehnologije, ki jih mora preprečevati varilni tehnolog. Napake tipa razpok in mikrorazpok v področju zvarnih spojev lahko glede na njihov nastanek in varivost razdelimo na: 1. razpoke v vročem, 2. vodikove razpoke v hladnem, 3. lamelarne razpoke, 4. razpoke zaradi napetostnega žarjenja. Nastala razpoka pogostokrat ni napaka samo enega tipa, temveč je lahko ena vrsta napake iniciator širjenja napake drugega tipa. Npr. v vročem inicirana razpoka se v hladnem širi zaradi prisotnosti vodika. Ker pa je kompleksnost nastanka in širjenja razpok odvisna od množice faktorjev, lahko optimalni zvarni spoj dosežemo samo v ozkem področju varilnih parametrov pod določenimi pogoji. Na splošno lahko rečemo, da so pri varjenih konstrukcijah diskontinuitete v zvarnih spojih zelo pomembne za njihovo varno uporabo. To so plinski vključki, vključki žlindre, zajede, zlepljena mesta in razpoke, nastale pri varjenju. Predpisi, ki govore o kakovosti zvarnih spojev za različne vrste varjenih konstrukcij, dopuščajo majhne prostorske diskontinuitete. Planarnih diskontinuitet, predvsem zlepljenih mest in v tem poglavju opisanih varilnih razpok, pa ne dopuščajo. Zaradi varnosti pri dimenzioniranju varjenih konstrukcij in ob upoštevanju lomnih lastnosti materiala


6

obravnavamo običajno v lomni mehaniki vse vrste planarnih diskontinuitet kot razpoko. Razpoka je diskontinuiteta z največjo ostrino konice. [2]

3.1 Razpokljivost v vročem Vroče razpoke nastajajo pri ohlajevanju zvarnega spoja na solidus temperaturi oz. malo pod njo (900–800°C). Lahko se pojavijo v zvaru ali v TVP. Glavni vzrok za pojav vročih razpok je padec deformacijske sposobnosti ali tehnološke trdnosti zvarnega spoja pri visokih temperaturah. V večini primerov vroče razpoke nastajajo, ko je sistem v dvofaznem stanju, npr. prisotnost določene količine sulfidov (FeS, MnS) na mejah kristalov oz. zrn. Lahko rečemo, da je nastajanje razpokljivosti v vročem odvisno od temperature in hitrosti deformacije ter koncentracije napetosti. Če ena od teh spremenljivk postane konstantna (npr. koncentracija napetosti), dobimo temperaturni interval (TIK), v katerem prihaja v odvisnosti od temperature in hitrosti deformacije do pojava vročih razpok. Vroče razpoke v zvarnem spoju lahko razdelimo na kristalizacijske in likvacijske. Kristalizacijske razpoke v zvaru so relativno dolge, manj razvejane in bolj odprte. Nastajanje tega tipa razpok je v veliki meri odvisno od dihedralnega kota srečanja kristalov (Slika 3.1). Likvacijske razpoke so kratke mikro razpoke na mestih srečanja stebrastih kristalov zvara na liniji spajanja TVP. Te razpoke lahko nastajajo zaradi segregacije nečistoč (S, P, ali O in oksidi) na mejah primarnih zrn, tj. elementov, ki so posledica neoptimalnih metalurških reakcij. Lahko pa nastajajo tudi zaradi segregacije namerno dodanih elementov v zvarni spoj (npr. Nb, Cr, Mo ali B). [2]

Slika 3.1: Porazdelitev tekočih faz (nečistoč) na mejah zrn [2]


7

Velik vpliv na nastanek vročih razpok ima kristalizacija. Posebej neugodna je dendritska kristalizacija s podolgovatimi usmerjenimi dendriti. Z optimalno varianto varilnih parametrov lahko vplivamo na način kristalizacije zvarnega spoja. Varjenje se naj izvaja s specifično manjšim vnosom energije (Q = 10-15 kJ/cm zvara).Da bi zmanjšali nagnjenost zvara k razpokljivosti v vročem, je potrebno izvajati kristalizacijo levo od perevtektoidne točke oz. omogočiti topnost žvepla v delta feritu. Če imamo legiran zvar, npr. z Ni, zgornja možnost odpade, tedaj se vrši vezanje žvepla v globularne sulfide z reaktivnimi elementi Ti in Zr. [2]

3.2 Vodikova razpokljivost v hladnem Hladne razpoke ali z vodikom inicirane razpoke so napake, ki nastajajo po končanem varjenju v območju temperature od 100°C do 150°C. Nastajajo v TVP in v samem zvaru. Po usmeritvi so lahko vzdolžne in prečne, od vročih pa se razlikujejo po značilni lomni površini. V TVP nastajajo v področjih grobega zrna, ki so bila segreta nad 1100°C. Pogoji za nastanek hladnih razpok v področju zvarnega spoja so naslednji: 1. Mikrostruktura TVP-ja ali zvara mora biti občutljiva na delovanje vodika. Taka struktura je martenzitna ali spodnjebainitna, ki se pojavlja pri varjenju z malim vnosom energije oz. pri jeklih z višjim Pcm. 2. V področju zvarnega spoja mora obstajati določena kritična količina difuzijskega vodika, izvor je večinoma zvar. 3. V področju zvara mora delovati določena napetost krčenja. Vodik, vpleten v mehaniki razpokljivosti v hladnem, izvira iz zvara, kjer se zadrži med varilnimi operacijami. V skoraj vseh primerih lahko zavrnemo hipotezo, da preostali vodik vpliva na osnovni material. [2]

Slika 3.2: Skupni vpliv trdnih struktur, vodika in zaostalih napetosti na hladno razpokljivost

[2]


8

Vodik nastane zaradi razkroja vodnih hlapov v varilnem obloku, pri čemer se izvor vodnih hlapov spreminja glede na uporabo varilnih postopkov. Različni izvori vodika prav gotovo niso enako pomembni, njihova vloga postane pomembnejša pri varjenju bolj kaljivih jekel. [2]

3.2.1 Razvijanje in sodelovanje vodika pri razpokljivosti Pri visoki temperaturi, na katero se staljena kovina segreje v električnem obloku, se vodik, disociran v atome vodika H in nato v ione H*, raztopi v tej kovini, kjer je zadržan v mejnih stanjih, najprej zaradi hlajenja v tekoči fazi in nato zaradi prekinjene topnosti pri strjevanju. Krivulja na Sliki 4.3 prikazuje topnost vodika (cm9/100 gr) v trdem in tekočem železu. Skok v topnosti vodika nastane prvič zaradi prehoda kovine iz tekočega v trdno stanje, kar privede do prvega močnega zmanjšanja topnosti vodika v kovini, in drugič zaradi alotropnih premen železa, ker γ-železo topi znatno več vodika kot α- oz. δ-železo. Ti dve značilnosti imata pomembno vlogo pri selitvi vodika proti TVP. [2]

Slika 3.3: Topnost vodika v železu [2]

Če Sliko 3.4, ki vsebuje diagram topnosti oz. kaže spreminjanje koeficienta difuzije vodika v železu, primerjamo s Sliko 3.5, ki prikazuje zaporedje pretvorb v zvaru (staljenem materialu) in TVP pasu, lahko razložimo mehanizem, ki nadzoruje difuzijo vodika in zvara v osnovni material, kadar se slednji pretvarja v kaljive mikrostrukture:

– Pred izotermo TF je zvar v avstenitnem stanju in vsebuje vodik, ki ima malo časa, da difunira v spodaj ležeči osnovni material, ki je tudi avsteniten.


9

– Pri poteku perlitne in bainitne pretvorbe (transformacije) zvara vodik postane nenadoma manj topen in istočasno lažje difundira. Na tem mestu se kaže težnja, da prečka mejo zvara na liniji AB in vstopi v še nepretvorjen avstenitni TVP-pas. Ker pa ima ta avstenit razmeroma slab koeficient difuzije, ne difundira daleč od meje zvara, zato se v bližini ustvari fronta, ki vsebuje mnogo vodika.

Slika 3.4: Koeficient difuzije vodika v železu [2]

– Kaljive strukture v TVP-pasu se pojavijo od točke B dalje. TB fronta pretvarjanja (transformacijska fronta) avstenita v npr. martenzit napreduje in sreča difuzijsko fronto vodika, tako da avstenitno pretvarjanje v martenzit v bližini meje zvara že vsebuje vodik.

Slika 3.5: Zaporedje pretvorb v zvaru in TVP, difuzija vodika iz zvara v osnovni material [2]


10

Krhkost se pojavi takoj, če je vsebnost vodika dovolj velika, saj so napetosti, nastale zaradi varjenja in pretvorbe, vedno prisotne.

Slika 3.6: Vrste hladnih razpok [2]

V tej fazi se pojavi t.i. notranja razpoka tipa AL1 (Slika 3.6). Če je vsebnost vodika manjša, se razpoka pojavi le, če so notranje napetosti koncentrirane ob zarezi. Položaj razpok je na temenu ali korenu zvara (tip AL2 in AL3).Razpoka se lahko širi v osnovni material (TVP) oz. zvar, kar je odvisno od Pcm, ki zajema kemično sestavo, in sicer:

– če je > → razpoka v osnovnem materialu (TVP),

– če je < → razpoka v zvaru. Od treh osnovnih vplivnih faktorjev lahko vplivamo samo na vsebnost dif. vodika. Vpliv vodika lahko zmanjšamo ali eliminiramo s:

– sušenjem elektrod in varilnega praška (200–300°C/2 uri),

– predgrevanjem osnovnega materiala,

– pogrevanjem zvarnih spojev (200°C/1 uro).

3.3 Lamelarna razpokljivost Lamelarna razpokljivost se pojavlja v TVP in zvaru, in sicer pogosteje v zvarnih spojih (K, T), ki so obremenjeni v smeri debeline. Glavni faktorji, ki pospešujejo nevarnost lamelarnega loma v konstrukciji, so: 1. lastnosti jekla v smeri debeline pločevine, 2. tehnologija varjenja in parametri, 3. koncentracija napetosti varjenega vozlišča.


11

V procesu pridobivanja jekla zmanjšamo nevarnost žvepla in tvorbo krhkih železnih sulfidov, tako da jeklo odžveplamo z Mn. Tako nastaja manganov sulfid MnS, ki je zelo plastičen za razliko od ostalih sulfidov Al, Ca, ki se pri valjanju razdrobijo. MnS se deformira na visokih temperaturah v smeri valjanja. To je posebej izraženo pri enosmernem valjanju in pri nizkih temperaturah valjanja, kjer sulfidni vključki dosežejo dolžino 1–2 mm pri zelo majhnem volumnu. Sulfidi imajo lahko v jeklu tri oblike: Sulfidi I. tipa nastajajo v neumirjenih ali polumirjenih jeklih z visoko vsebnostjo kisika. Sulfidi II. tipa tvorijo dendritske mreže v jeklih s srednjo vsebnostjo kisika (pomirjena jekla). Po valjanju sulfidi tvorijo ozke sloje, ki se prekinjajo in ponovno nadaljujejo. Tudi po končani dezoksidaciji jekla z Zr nastajajo sulfidi, ki imajo po valjanju obliko enakoosnih sfer. Sulfidi III. tipa se za razliko od prejšnjih zelo lahko deformirajo. Lamelarno trganje se lahko v področju zvarnega spoja inicira na dva načina (Slika 3.7): 1. eksogeno, npr. iz napake tipa vroče razpoke, 2. endogeno, pri čemer lamelarna razpokljivost nastaja kot posledica velikega obremenjevanja v smeri Z-osi kot trganje. Na splošno ima razpoka stopničasto obliko vzporedno s površino pločevine.

Slika 3.7: Iniciranjelamelarnega trganja [2]

Lamelarna razpokljivost se najpogosteje pojavlja pri varjenju konstrukcijskih jekel, predvsem velikih debelin in nečiste sestave (veliko oksidov, fosfatov, sulfidov). Lamelarno razpokljivost preprečujemo z naslednjimi postopki:

– Ustvariti nizek procent žvepla (pod 0.01 %).

– Kontroliramo obliko sulfidov, saj se na ta način izboljšuje kontrakcija in žilavost v smeri debeline, to pomeni odstranjevanje raztegnjenih sulfidov.


12

– Izogibati se vozliščem, v katerih je pločevina obremenjena nateg – pravokotno na

smer valjanja.

Slika 3.8: Razmerje med vsebnostjo žvepla in potrebno temperaturo predgrevanja za

zniževanje iniciranja lamelarne razpokljivosti [2]

Pri preizkušanju jekel na lamelarno razpokljivost se meri kontrakcija (ψ) natezne epruvete, ki je bila odvzeta v smeri debeline zavarjene pločevine. Kriterij je sledeč: a) Ψ > 25 % (odpornost proti lamelarni razpokljivosti dobra) b) 15 % < ψ < 20 % (mejno področje – ponovitev preizkusa) c) Ψ < 10 % (slaba odpornost proti lamelarni razpokljivosti) Na eksogeno inicirano lamelarno razpokljivost lahko vpliva tudi hladna razpokljivost, ker se MnS pri ohlajevanju krčijo bolj kot zvar, tako da v medprostor difundira vodik, ki povzroča hladno pokljivost iz katere se razvije lamelarni lom. [2]

3.4 Razpokljivost po termični obdelavi Varjence v cilju zmanjševanja notranjih napetosti žarimo pod Ac1. Razpoke se pojavijo ne le pri žarjenju nizkolegiranih jekel, temveč tudi pri žarjenju nikljevih ali avstenitnih krom-nikljevih jeklih. Imamo tri tipe razpok, ki se pojavljajo zaradi žarjenja: 1. Razpoke, inicirane v nizkotemperaturnem področju (200–300°C) oz. pri segrevanju do temperature žarjenja.


13

2. Razpoke na temperaturi žarjenja. 3. Razpoke pod platiranim slojem, ki je izveden, kadar varimo nizkolegirano jeklo z avstenitno trakasto elektrodo. Razpoke v nizkotemperaturnem področju nastanejo zaradi velike hitrosti segrevanja. Pri velikih hitrosti segrevanja nastanejo večje razlike med temperaturami na površini in notranjostjo (jedra) zvara, kar povzroča toplotne napetosti. Če pri varjenju nastajajo metastabilne strukture ali prenasičene raztopine v večjih količinah in pri medsebojnem delovanju toplotnih in strukturnih napetosti, se pojavljajo razpoke. To je posebej izraženo pri delu TVP, ki je pri varjenju presegel Ac1-temperaturo, oz. če je v procesu varjenja v področju zvarnega spoja prišlo do začetkov vročih razpok oz. lokalnih poškodb primarnih zrn ali začetka vodikovih razpok. Vsi ti defekti se popolnoma razvijejo pri segrevanju do temperature žarjenja. [2] Odpravo tega tipa razpok dosežemo z malo hitrostjo segrevanja od 15 do 30 °C/h. Druga rešitev je, da po varjenju ne pustimo varjenca da se ohladi, ampak ga držimo na medvarkovni temperaturi od 150 do 300 °C. [2] Visoko temperaturne razpoke nastajajo v pregretem delu TVP, kjer je struktura TVP grobozrnata oz. nastaja pretežno igličasta struktura v smeri razpada bainita ali martenzita z določeno količino zaostalega avstenita. Večji delkarbidne faze (v nizkolegiranih jeklih s Cr, Mo, V) je pri varjenju v fazi segrevanja prešel v trdno raztopino. Pri segrevanju do temperature žarjenja in v prvih fazah na temperaturi žarjenja se pojavljajo procesi izločanja. Izločanje karbida Mo2C, MX, M3C itd. je v določeni fazi lahko koherentno ali semikoherentno. Izločki povečujejo trdnost notranjih primarnih zrn. Istočasno prihaja do difuzij nekovin na kristalno mejo; S, C, P, As, Sb in Sn imajo veliko difuzijsko hitrost v smeri kristalne meje že pri samem varjenju in nato še pri napetostnem žarjenju (npr. C difundira že pri temperaturi od 300 °C dalje). Fe9C se izloča po kristalnih mejah in v zrnih. Tako imamo povečano trdnost matrice zrna, t.i. precipitacijsko povečanje trdnosti ob manjši duktilnosti (večji krhkosti) kristalnih mej grobih zrn. [2] Popuščanje zaostalih napetosti pri žarjenju se mora zaradi zgoraj navedenega odvijati z lezenjem na meji zrn. Ko je možnost lokalnega lezenja izčrpana, nastajajo mikro razpoke, medkristalne mikro razpoke in razpoke. Mikro votline se lahko medsebojno spajajo (kavitacija), pri čemer nastajajo medkristalna razdvajanja (dva mehanizma nastajanja votlin in spajanja ter dekohenzija mej z nastankom takojšnje razpoke). [2] V primeru, da je jeklo nagnjeno k razpokljivosti po žarjenju, proizvajalec ne priporoča napetostnega žarjenja mikrolegiranih finozrnatih jekel. Če pa je le-to potrebno zaradi same konstrukcije, ga izvajamo v temperaturnem omočju med 550 °C in 580 °C. Po žarjenju jeklo ohlajamo na zraku ali v peči, način ohlajanja pa je odvisen od vrste varjene konstrukcije.


14

Iz gornjega je razvidno, da so legirana in nizko legirana jekla najbolj občutljiva na napetostno žarjenje. Nekamura in Ito sta eksperimentalno določila formule za vpliv kemične sestave nizko legiranega jekla na razpokljivost po žarjenju. [2] Parameter razpokljivosti ΔG po Nakamuri: ΔG =Cr + 3.3 Mo + 8.1 V + 10 C – 2 (3.1) Ito je v svoji formuli Psr zajel vpliv mikrolegiranih elementov: Psr = Cr + Cu + 2 Mo + 10 V + 7 Nb – 5 Ti – 2 (3.2) Če je ΔG > 0, je jeklo nagnjeno k razpokljivosti zaradi žarjenja. Na žarilno razpokljivost vpliva poleg kemične sestave in tehnologije varjenja še čas Δt8/5, večja je tudi občutljivost jekla na razpokljivost zaradi večanja zrn v TVP.

Slika 3.9: Vpliv časa Δt8/5 na žarilno razpokljivost [2]


15

4 PROBLEMATIKA POJAVA RAZPOKLJIVOSTI V TOPLOTNO VPLIVANEM PODROČJU

4.1 Strukturne spremembe v TVP enovarkovnega zvarnega spoja ali temenskem varku večvarkovnega zvarnega spoja

Na izoblikovanje mikrostruktur v TVP varka in širino posameznih področij v veliki meri vpliva potek termičnega varilnega ciklusa (segrevanje in ohlajevanje in čas na temperaturi) ter tudi lastnosti osnovnega materiala. To nam prikazuje Slika 4.1. [2]

Slika 4.1: Izoblikovanje struktur v TVP varka [2]

– CGHAZ (grobozrnato TVP oz. področje rasti zrn) nastane nad 1150 °C. Za jekla z

nizkim Ceq prevladuje v tem področju proeutektoidni ferit, pri višjih Ceq je prisotne več Widmanstattenove strukture. Pri mikrolegiranih jeklih pa npr. Nb to zgoraj imenovano strukturo še posebej pospešuje (povišuje prekaljivost). Martenzit in vmesne strukture nastanejo raje pri jeklih z višjim Ceq, med hitrejšim ohlajevanjem pa tudi pri jeklih z nižjim Ceq. [2]

– FGHAZ (finozrnato TVP) nastane pri temperaturah med 1150 °C in 900 °C. Za to

področje so značilne visoke mehanske lastnosti, duktilnost in lomna žilavost. [2]


16

– ICHAZ (medkritično ogreto TVP) nastane pri temperaturah med 700 °C in 900 °C. Pri tem pride do nepopolne avstenitizacije, zato lahko nastane pri hlajenju več različnih struktur. V odvisnosti od hitrosti hlajenja (Δt8/5) nastane perlit, gornji bainit ali martenzit po kristalnih mejah zrn osnovnega materiala. [2]

4.2 Strukturne spremembe v TVP večvarkovnega zvarnega spoja Raziskave so pokazale, da imajo določena področja TVP večvarkovnega zvarnega spoja izrazito nizko lomno žilavost. Ta področja imenujemo lokalna krhka področja (LKP). Zaradi vpliva zaporednih termičnih ciklov pri varjenju varkov je mikrostruktura v TVP večvarkovnih zvarnih spojev komplicirana. Pri preučevanju lomne žilavosti TVP oz. LKP je potrebno obravnavati večvarkovne zvarne spoje, še posebej CGHAZ na način, ki ga prikazujeta Slika 4.2 in Slika 4.3. [2]

Slika 4.2: Izoblikovanje mikrostruktur v TVP dvovarkovnega zvarnega spoja [2]

Slika 4.3: Izoblikovanje mikrostruktur v TVP večvarkovnega zvarnega spoja [2]


17

Izmed področij na Sliki 4.3 bi bila razen FGHAZ za tvorbo LKP možna vsa področja. Mnenja, katera izmed teh področij bi definirali kot LKP, so deljena. Področje ICCGHAZ je zagotovo, saj pri ponovnem gretju grobega zrna na temperaturi 700–900 °C (AC1-AC9) lahko nastaja M/A (martenzitno/avstenitna) strukturna faza. Prisotnost M/A je glavni vzrok nizke lomne žilavosti v CGHAZ, še posebej pa v ICCGHAZ visokotrdnostnih jekel. Formiranje in porazdelitev (M/A) pa ni odvisna le od termičnih ciklov, ampak npr. tudi od mikrolegirnih elementov v CGHAZ. Če na neko področje termično vplivata več kot dva varka, postane definicija področja komplicirana, saj se pri določenih temperaturah M/A razgradijo. Popuščanje zaradi naslednjega varka lahko pripelje v končni fazi do razgradnje M/A v ICCGHAZ na ferit in cementit. Ob dobrem poznavanju teh mehanizmov, bi lahko s pravilno izbiro varilnega postopka in parametrov vplivali na lomno žilavost teh področij. Nekateri raziskovalci jemljejo celotno CGHAZ v bližini FL – linije zlitja kot LKP. Po enem od kriterijev bi smeli preostala področja, ki še vsebujejo M/A vključke, imenovati LKP. [2] Zgornje ugotovitve lahko simuliramo ter grafično prikažemo stanje v večvarkovnem zvarnem spoju, kot je na Sliki 4.4.

Slika 4.4: Izoblikovanje mikrostruktur v TVP večvarkovnega zvarnega spoja [2]


18

5 VARIVOSTNI PREISKUS

Za ugotovitev kakovosti zvarjenih spojev zvare preizkušamo. Pri varjenju je pomembna varivost. Varivost je sposobnost kovin in zlitin za varjenje. Nanjo vplivajo: [2]

– postopek varjenja, – debelina in vrsta materiala za varjenje, – oblika zvarjenega izdelka, – obremenitve na izdelek.

Varivost preizkušamo na naslednja načina:

– s preizkusi, pri katerih material ni podvržen toplotnim spremembam, – s preizkusi, pri katerih material segrevamo.

Varivost kovinskih materialov dokazujemo z varivostnimi preizkusi za osnovni in dodajni material pod različnimi pogoji obremenjevanja. Iz preizkušancev, odvzetih iz zvarnega spoja, določamo ustrezne trdnostne lastnosti osnovnega materiala, TVP in strjenega zvara ter meje, ko se negativne posledice ne pojavijo več: [2]

– prelomi, – razpoke v hladnem, – razpoke v toplem, – krhki lom, – nizka žilavost, – zakaljivost, – lamelarno cepljenje, – razpoke med napetostnim žarjenjem, – poškodbe od lezenja pri visokih temperaturah, – korozijske poškodbe, – utrujenostne razpoke.

Rezultati varivostnih preizkusov pomenijo osnovo za izbiro ustreznega osnovnega in dodajnega materiala, ki ju spajamo z ustreznim načinom in postopkom varjenja. Na ta način je omogočena kvalitetna in ekonomična izdelava varjenih konstrukcij, strojev in opreme iz izbranega materiala. [2]


19

5.1 Vrste preizkusov hladne razpokljivosti Pojav hladne razpokljivosti je v praksi tako važen, da so razvili številne preizkuse, med njimi t.i. preizkuse tehnološke varivosti jekel za preučevanje faktorjev, ki povzročajo pojav, in za določanje optimalnih varilnih razmer, ki pojav hladne razpokljivosti preprečuje. Tako poznamo kvalitativne in kvantitativne preizkuse. Naj omenim najvažnejše. [2] Kvalitativni preizkusi:

– Y-preizkusi – CTS-preizkus (crackingseverity test)

Kvantitativni preizkusi:

– Implant preizkus – TRC preizkus (Tensile restraint cracking test) – RRC preizkus (Rigid restraint cracking test)

5.1.1 Y-preizkus Tega uporabljamo za določanje temperature predgrevanja osnovnega materiala, pri kateri se hladna razpokljivost ne pojavlja več. Obliko standardnega testnega dela nam prikazuje Slika 5.1.

Slika 5.1: Testni del za Y-preizkus [2]

Osnovni faktorji za nastanek hladnih razpok so: – občutljiva mikrostruktura, – zadostna koncentracija vodika, – zadostna napetost.


20

Razpoka se lahko širi v osnovni material oz. zvar, kar je odvisno od ogljikovega ekvivalenta Ceq, ki je po IIW definiran: C C (5.1) C C → razpoka v osnovnem materialu C C → razpoka v zvaru Preizkus naj poteka tako, da najprej varimo večvarkovni napetostni X-zvar z žilavo oplaščeno bazično elektrodo. Nato sledi napetostno žarjenje X-zvara oz. testnega dela, ki ga nato segrejemo na analitično določeno temperaturo predgrevanja, in izvedemo preizkusni enovarkovni zvar s testno oplaščeno bazično elektrodo z določeno hitrostjo varjenja (v (cm/min) in vnosom toplote Q (kJ/cm)). Po 48 urah je testni del pripravljen za razrez na metalografske vzorce (Slika 5.2).[2]

Slika 5.2: Shema metalografskih rezov [2]

Metalografske vzorce poliramo, jedkamo in pregledamo pod mikroskopom, izmerimo višino razpoke h (Slika 5.1) oz. preizkus ponavljamo tako dolgo, da se razpoke ne pojavljajo več. Hladno razpokljivost računamo po formuli: R ∙ 100 % (5.2) Rezultate vnašamo v diagram (Slika 5.3). Pri višini razpoke h=0 dobimo 0% razpokljivost, kar ustreza iskani temperaturi predgrevanja osnovnega materiala, kjer se razpoke ne pojavljajo več. [2]


21

Slika 5.3: Hladna razpokljivost [2]


22

5.1.2 CTS-preizkus (cracking severity test) Kot že rečeno spada CTS-preizkus med kvalitativne preizkuse za določevanje hladne razpokljivosti na osnovi vizualnega in metalografskega pregleda, kjer so vključeni pogoji dvo- in tridimenzionalnega ohlajevanja. Preizkus prikazuje Slika 5.4. Rezultat je pojav razpoke v preizkusnem zvaru za tri- oz. dvodimenzionalno ohlajevanje. [2]

Slika 5.4: CTS-preizkus [2]

5.1.3 Implant preizkus Spada med kvantitativne preizkuse. S tem preizkusom določamo napetost in temperaturo, ko se hladna pokljivost ne pojavlja več, in sicer vizualno z meritvijo deformacij in z metalografskim pregledom prereza preizkušanca, ki je cilindričen in odvzet v smeri valjanja. Preizkus prikazuje Slika 5.5 in diagram na Sliki 5.6. Naveden je tudi izraz za izračun kritične napetosti za tvorbo hladnih razpok. [2]


23

Slika 5.5: Implant preizkus [2]

Slika 5.6: Rezultat implant preizkusa [2]

Računski izraz za določitev бkr: G 86,3 211 ∙ P 28,2 ∙ log H 1 27,3 ∙ ∆t / 9,7 ∙ 10 ∙ ∆t MPA

(5.3)


24

5.1.4 TRC-preizkus (Tensile restraint cracking test) Ta preizkus prikazuje Slika 5.5. Ekvivalenten je implantnemu preizkusu, je večji ter znatno dražji, ker daje kvantitativne podatke z dejansko zavarjene plošče. Oba preizkusa delujeta na osnovi stalne zunanje obremenitve po varjenju.

Slika 5.7: TRC – preizkus [2]

Rezultat preizkusa je kritična napetost (Slika 5.8) za določen material pod določenimi varilnimi pogoji, pri katerih hladna pokljivost nastaja ali ne nastaja več.

Slika 5.8: Rezultat-TRC preizkusa [2]


25

5.1.5 RRC-preizkus (Rigid restraint cracking test) RRC-preizkus prikazujeta Slika 5.9 in Slika 5.10. Ta preizkus je glede na kvantitativne podatke ekvivalenten implant in TRC- preizkusu. Od obeh se razlikuje le po tem, da ga izvajamo v togo vpetem stanju. Merimo kritične reakcijske napetosti vpetja na dolžini, ki je konstantna v času ohlajevanja. Intenzivnost vpetosti se lahko spreminja s spremembo merne dolžine vpetja; manjše merne razdalje povzročajo večje reakcijske sile. [2]

Slika 5.9: RRC-preizkus [2]

Slika 5.10: Rezultat RRC-preizkusa [2]


26

5.2 Vrste preizkusov vroče razpokljivosti Tudi za vročo razpokljivost poznamo kvalitativne in kvantitativne preizkuse. Naj omenim najvažnejše: Kvalitativni preizkus:

– Fisco preizkus. Kvantitativna preizkusa:

– Varestraint preizkus, – Transvarestraint preizkus.

5.2.1 Preizkus Fisco za nastanek toplih razpok po Schnadtu Preizkus je predlagal Schnadt in ga imenoval Fisco test. Podoben je preizkusu RD, le da ga uporabljamo za selekcijo dodajnih materialov elektrod, tako da spreminjamo razmik v korenu ter ocenjujemo elektrode in njihovo sposobnost na premagovanje tega razmika. Spremembo razmika izvedemo z vložki v korenu, tako da so preizkusni varki izvedeni med vložki, kot prikazuje Slika 5.11. Čim širši razmik v korenu elektroda premosti brez razpok, tem bolj je kvalitetna. Metoda je zato uporabna za selekcijo elektrod s kislo rutilno in predvsem bazično oblogo glede na pojav razpok v toplem. [3]

Slika 5.11: Preizkus elektrod Fisco [3]


27

5.2.2 Preizkus Varestraint Za preizkušanje uporabimo ocenjevano jekleno pločevino dimenzij 220 x 50 x 10 mm (tudi drugačno debelino) tako, da eno stran vpnemo. Varek nanašamo z ene strani na drugo po sredini, in sicer s postopkom TIG brez dodajnega materiala ali z njim. Takoj po prekinitvi električnega obloka vključimo mehanizem za upogibanje. Upogib se izvaja preko naslona z določenim polmerom R, s čimer dosežemo deformacijo gornjih vlaken ε:

∙ ∙ 100 % (5.4) t = debelina materiala,

R = polmer upogibanja.

Z menjavo polmera podloge lahko spreminjamo velikost deformacije gornjega dela navarka. Razpoke v vročem nastajajo v času upogibanja v sredini strjenega varka ali v tistem delu TVP, ki je bil na meji tekoče in trdne faze. Iz diagrama lahko ocenimo višino deformacije, pri kateri se začnejo pojavljati razpoke. Na ta način lahko med seboj primerjamo različna jekla glede na nagnjenost k vročim razpokam. Navedeno metodo Varestraint in oceno prikazuje Slika 5.12. [3]

Slika 5.12: Preizkus Varestraint [3]


28

5.2.3 Preizkus Transvarestraint

Pri preizkusu Varestraint nastopajo razpoke prečno na smer varjenja, v praksi pa se razpoke v vročem običajno pojavijo v sredini zvarnega spoja v smeri varjenja. Zato pri preizkusu Transvarestraint smer preizkusa glede na predhodno stanje obrnemo za 90° (Slika 5.13). [3]

Slika 5.13: Preizkus Transvarestraint[3]


29

6 POSTOPEK VARJENJA

Osnovni načini varjenja in njihove različice z nekaterimi pripadajočimi primeri varilnih postopkov so nanizani v dve veliki skupini glede na to, kako fizikalno nastane zvarni spoj. Pri eni skupini načinov varjenja nastaja zvarni spoj s pritiskom, pri drugi pa zvarni spoj nastaja s taljenjem.[3]

Uporabil sem dva načina varjenja, pri katerih zvarni spoj nastaja s taljenjem, in sicer po postopku:

1. elektroobločnega varjenja z oplaščeno elektrodo (REO) in

2. MAG-varjenja.

6.1 Ročno elektroobločno varjenje z oplaščeno elektrodo(REO)

Ročno elektroobločno varjenje je ročni postopek varjenja, pri katerem uporabljamo oplaščene elektrode. REO je zaradi enostavne opreme in postopka najpogostejša in najbolj razširjena metoda varjenja. Prevladuje predvsem na področju popravljanja in vzdrževanja. Pogosto ga uporabljamo pri varjenju jeklenih konstrukcijah ter v industrijskih proizvodnjah. Z njim lahko poleg jekel varimo še sivo litino, aluminijaste, nikljeve in bakrene zlitine. [3]

Slika 6.1: Vir električnega toka in priključni elementi, elektrode ter pomožna in zaščitna sredstva


30

Namen kovinskega dela elektrode pri varjenju REO je vzpostaviti in vzdrževati električni oblok (vžig in stabilni oblok),da se odtaljuje in sodeluje pri nastanku strnjenega zvara.

Vloge oplaščene elektrode pri varjenju REO pa so:

– omogočanje ionizacije kot osnove za vzpostavitev električnega obloka (vžig, stabilnost obloka),

– zaščitna vloga (plinska, žlindra), – metalurška vloga (dezoksidacijsko očiščenje taline in tvorba žlindre, legiranje,

odplinjanje), – različna vloga (določa obliko temena, določa hitrost ohlajanja, omogoča prepustnost

za pline).

Glede na debelino oplaščanja ločimo:

– tanko oplaščene elektrode, D/d < 1,2; – srednje oplaščene elektrode, D/d = 1,4; – debelo oplaščene elektrode, D/d > 1,4.

D = zunanji premer elektrode

d = premer kovinskega dela elektrode

6.1.1 Značilnosti oplaščenih elektrod

Kislo oplaščene elektrode (oznaka A) vsebujejo v oplaščenju železove in manganove okside ter dezoksidante, kot sta feromangan in kremen. Žlindra je »kisla« in po varjenju lahko odstranljiva. Večkrat so elektrode debelo oplaščene in lahko tečejo, vendar imata tekoča žlindra in talina nizko viskoznost. Zaradi tega taka elektroda težko premaguje širše špranje v korenu in je tako nagnjena k toplotnim razpokam. To posebej velja pri višjih vsebnostih žvepla in fosforja, kjer metalurško ne deluje in je njega bazičnost B < 1. Zaradi odsotnosti reakcij dezoksidacije ne nastopa gibalno mešanje taline in je tako elektroda nagnjena k tvorbi poroznosti. Njena odlika je tvorba zaključnega temena v konkavni obliki brez obrobnih zajed, zato so jo pogosto uporabljali za zadnji varek za odpravo zareznega učinka pri močno dinamično obremenjenih konstrukcijah, kot so npr. železniška vozila, kar je shematsko prikazano na Sliki 6.2. Z bazično elektrodo dosežemo dobro žilavost zvarnega spoja, s kislo pa izboljšamo trajno utripno trdnost.


31

Slika 6.2: Prikaz zareznega učinka pri temenskem varku bazične elektrode in odprava tega s kislo elektrodo[3]

Bazično oplaščena elektroda (oznaka B) je debelo oplaščena. Poleg ferozlitin (FeMn, FeSi) vsebuje zemeljsko-alkalne spojine in fluoride ter malo kislih dodatkov. Vse sestavne komponente morajo biti revne na kemijsko vezani vodi. Elektrode so hidrofilne, tako da vpijajo vlago na prostem zraku, zato jih je treba sušiti pri > 300 °C več kot 2 uri. Posledica razkroja vlage v obloku je povišana količina atomskega vodika v strnjenem zvaru, če elektrode niso sušene. Elektrodo je treba priključiti na pozitivni (+) pol anode, ker imajo primesi v oblogi visoko tališče (višje kot druge elektrode) in potrebujejo visoko temperaturo za raztaljevanje. Pri razpadu sestavin v obloku se tvori zaščitna atmosfera CO2 in nato CO, nastali CaO pa tvori nereducirano bazično žlindro. Zaradi prisotnosti strupenega CO je treba predvsem zaprte prostore in težko dostopna varilska mesta prezračevati ali pa dovajati svež zrak z ventilatorji. Elektroda vsebuje velike količine dezoksidantov in legirnih dodatkov, kar ima za posledico popolnoma pomirjeno talino. Glede na debelo oplaščanje je prehod materiala v obloku s srednje velikimi kapljicami, ki so zelo viskozne, in tako je elektroda sposobna premagovati široke razmike v korenu. Bistvena lastnost bazične elektrode je, da podaja strnjene zvare z najnižjimi količinami vodika, žvepla in dušika ter najmanj nemetalnih vključkov. Posledica tega je velika odpornost proti pojavu toplotnih razpok in proti krhkemu lomu. Poleg nevedne občutljivosti za vpijanje vlage,


32

kar lahko privede do razpok v hladnem v TVP in strnjenem zvaru ter tvorbe poroznosti, se pore lahko pojavijo tudi ob nepravilni drži elektrode med varjenjem. Električni oblok mora biti posebno kratek, približno 0,5-kratni premer jedra elektrode, treba pa se je tudi izogibati močnemu nihanju elektrode, velikim hitrostim varjenja in velikim izvlečnim dolžinam. Vžig izvajamo z drenjem, ne z direktnim dotikom kot pri drugih elektrodah. Slika 6.3 prikazuje kratek električni oblok in pravilno držo elektrode.

Slika 6.3: Rokovanje z bazično elektrodo[3]


33

6.1.2 Tehnika varjenja z oplaščenimi elektrodami

Glede na lego, smer in držo elektrode razlikujemo:

– varjenje v vodoravni legi,

– varjenje v legi vodoravni na steno,

– varjenje v legi vertikalno,

– varjenje v nadglavni legi,

– varjenje navzgor,

– varjenje navzdol,

– varjenje naprej,

– varjenje nazaj.


34

6.1.3 Postopek varjenja REO Električni oblok med varjencem in elektrodo vzpostavimo, da med njima naredimo kratek stik, in ko se oblok vžge, elektrodo potegnemo stran, da se ne zlepi. Oblok začne taliti varjenec in odtaljivo elektrodo. Elektroda se odtaljuje v var, medtem pa oplaščenje razpada, pri čemer se sproščajo plini, ki ščitijo var in oblok pred kisikom in drugimi atmosferskimi plini. Oplaščenje lajša in stabilizira gorenje obloka, legira in dezoksidira var, poleg tega pa tvori žlindro, ki dodatno ščiti var pred atmosfero in upočasnjuje ohlajanje zvara. Ko se var ohladi, je treba žlindro odstraniti, da vidimo končni zvar.

Med varjenjem se elektroda odtaljuje in jo moramo,ko se ta obrabi, zamenjati. Menjavanje elektrod nam poleg odstranjevanja žlindre predstavlja izgubo časa pri postopku varjenja, kar pomeni, da je ročno obločno varjenje ena najzamudnejših vrst varjenja. Dejanski čas varjenja tako predstavlja nekje 25 % vsega časa, porabljenega za spajanje kovin po tem postopku.

Uporaba tehnike varjenja je tako odvisna od elektrode, ki jo uporabljamo, materiala in sestave varjenca ter njegove lege. Izbira elektrode ter lege varjenja nam določa hitrost varjenja. Vodoravni var je najmanj zahteven in ga lahko varimo z elektrodami, ki se hitro talijo, vendar ohlajajo počasi. S tem dosežemo visoko hitrost varjenja. Poševno, vodoravno ali varjenje odzgoraj navzdol zahtevajo že bolj izkušenega varilca in pogosto nujno uporabo elektrode, ki se hitro ohlaja, kar preprečuje stekanje vara s področja varjenja. Te elektrode se ponavadi tudi počasneje odtajajo, kar pomeni, da smo primorani variti počasneje.[3]

Slika 6.4: Področje varjenja pri REO[3]


35

6.1.4 Prednosti in slabosti REO-varjenja

Prednosti:

– enostavnost, – cena aparature, – varimo lahko v zaprtih prostorih, – varimo lahko v prisilnih položajih.

Slabosti:

– postopek je počasen, – zvare moramo čistiti (čas čiščenja je enak času varjenja), – pri varjenju vedno odpade del elektrode.

6.2 MAG-varjenje Varjenje MAG (Metal Active Gas) je varjenje v aktivnem zaščitnem plinu CO2 ali aktivnih plinskih mešanicah z mehaniziranim dovajanjem elektrode, ki je navita v kolut in ki se odtaljuje v oblok. Zaradi tega ga poimenujemo kot varjenje v aktivnem zaščitnem plinu s taljivo elektrodo. Postopek uporabljamo z elektrodo na pozitivnem (+) polu za avtomatsko in robotsko varjenje vseh debelin masovnih konstrukcijskih in visokotrdnostnih jekel.

Na kvaliteto varjenja vpliva celotna varilna naprava, tj. poleg vira toka še gorilnik, vodenje gorilnika, cevni paket (vodniki toka, vodnika hladilne vode, vodnik zaščitnega plina), naprava za dovajanje varilne žice (sistemi potegni-potisni, angl. Push-pullsystems), ki mora omogočati pomikanje žice brez zatikanja tudi pri večjih oddaljenostih gorilnika od vira in podajalne naprave. Navedeno je odvisno od skrbno nastavljenega pritiska na pritisno kolesce, pritiska na žico potisnih in vlečnih pogonskih kolesc za pomik žice, geometrije pogonskih kolesc ter še od drugih vplivov. Nadalje je varjenje odvisno od pravilno izbrane kontaktne in plinske šobe.[3]


36

Slika 6.5: Podajalni sistem za varilno žico pri napravah za varjenje MIG/MAG[3]

Notranji premer kontaktne šobe je odvisen od premera žice, notranji premer plinske šobe pa od jakosti varilnega toka in od vrste materiala, ki ga želimo variti.

Slika 6.6: Gorilnik s cevnim paketom za varjenje MIG/MAG[3]


37

Slika 6.7 prikazuje polavtomatsko varjenje MIG/MAG, na Sliki 6.8 pa je prikazana naprava za avtomatsko varjenje MIG/MAG na vodoravno podlago s pomikanjem varilne glave po vodoravnem vodilu, vpetem med dva stebra.

Slika 6.7: Povezava enot naprave za polavtomatsko varjenje MIG/MAG[3]

Slika 6.8: Povezava enot naprave za avtomatsko varjenje MIG/MAG[3]


38

6.2.1 Prehod materiala v obloku Prehod materiala v obloku lahko poteka s prostimi kapljicami, ki so grobe ali fine. Posebno važna sta polariteta in tokovna obremenitev. Če varjenje izvajamo z elektrodo na pozitivnem (+) polu, v obloku poteka drobnokapljičasti prehod materiala, posledica pa je globlji uvar. Če pa je elektroda na negativnem (–) polu, je prehod materiala v grobih kapljicah in uvar je manjši. Navedeno si razlagamo z dejstvom, da je tok ionov, ki ga povzroči potencial obloka, usmerjen v smeri katode, kar je odločilno za velikost kapljic in vrsto prehoda kapljice.[3]

6.2.2 Plinska zaščita obloka Posebno pomembna je dobra plinska zaščita obloka, ki mora preprečevati oksidacijo ali tvorbo nitridov. Za popolno preprečitev dostopa zraka uporabljamo plinsko zaščito CO2 in njegove mešanice z Ar ter dodatki O2, ali samo CO2 z dodatki O2 in Ar s CO2 z dodatki O2 za varjenje nelegiranih in nizkolegiranih jekel. Fizikalne lastnosti zaščitnih plinov, kot so zmožnost ionizacije, disociacije, toplotna prevodnost, gostota in vpliv na viskoznost taline, bistveno vplivajo na izgradnjo zvarnega spoja.[3]

Slika 6.9: Shematski prikaz postopka varjenja MAG in reakcije v obloku aktivne plinske zaščite[3]

Na mikrostrukturo v strjenem zvaru vpliva aktivnost kisika v zaščitnem plinu (tvorba drobnih oksidnih vključkov kot aktivatorjev ferita v premenah), hkrati pa se ta prekriva z vplivom sestave in ohlajevalne hitrosti (kaljivost).[3]


39

Globina uvara in brizganje sta odvisna od vira energije in sestave zaščitnega plina. Pri uporabi čistega CO2 dosegamo, v primerjavi z drugimi plinskimi mešanicami, najbolj koncentriran oblok in tako najgloblji uvar. Pri tem je videz površine strjenega zvara slabši. Najnižje brizganje nam omogočajo zaščitne mešanice z visokim deležem Ar (> 90 %).[3]

Globoki uvar omogoča prevaritev presekov do 4 mm enostransko v obliki zvarnega spoja I in do 6 mm dvostransko pri širini špranje v korenu 0–1,5 mm. Zanimiva je primerjava dimenzij kotnih varkov pri uporabi varjenja REO in MAG, kot je prikazano na Sliki 6.10. Zaradi globljega uvara je potrebna višina kotnega varka pri varjenju MAG nižja kot pri REO pri isti nosilnosti.[3]

Slika 6.10: Primerjava globine uvara ter višine temena kotnih varkov pri varjenju REO in MAG[3]

6.2.3 Tehnike varjenja

Tehnike varjenja MIG/MAG se od tehnik varjenja REO razlikujejo po tem, da gorilnik zaradi velikih hitrosti dovajanja žice pri polavtomatskem, avtomatskem in robotskem varjenju vodimo z neprestanim nihanjem in kroženjem pri vseh varkih. Slika 6.11 prikazuje vodenje gorilnika v trivarkovnem sočelnem zvarnem spoju v korenskem, polnilnem in temenskem varku. [3]


40

Slika 6.11: Vodenje gorilnika pri izvajanju različnih varkov[3]

– Drža gorilnika pri izvajanju sočelnega zvarnega spoja

– Drža gorilnika pri izvajanju kotnega zvarnega spoja


41

– Prikaz varjenja horizontalno na steni

– Prikaz varjenja vertikalno navzgor s krožnim in prečnim nihanjem

– Prikaz varjenja kotnega zvarnega spoja vertikalno navzgor pod kotom 45°


42

6.2.4 Prednosti in slabosti MAG-varjenja

Prednosti:

– je produktiven in ekonomičen postopek varjenja, – najpogosteje uporabljan postopek v industriji, – je zelo univerzalen postopek varjenja, ki omogoča varjenje različnih tankih in debelih

materialov, – MAG-postopek (zaščita z aktivnim plinom) se uporablja za varjenje vseh vrst

konstrukcijskih jekel, – po varjenju ostane zvarno mesto čisto in brez žlindre, zato dodatno čiščenje po

varjenju ni potrebno, – prednost pulznega varjenja je popolnoma kontroliran oblokin s tem tudi kvaliteta

vara, – postopek pulznega varjenja je posebej primeren za varjenje tankih pločevin.

Slabosti:

– postopek ni uporaben v odprtih prostorih, – ni uporaben za kratke zvare, – daje slabše rezultate kot REO-varjenje.


43

7 IZRAČUN OKLJIKOVEGA EKVIVALENTA

Ogljik je za oceno varivosti najpomembnejši element. Njegova vsebnost v jeklu mora biti za oceno dobre varivosti C < 0,22%, ker je to meja slabe oz. dobre kaljivosti jekla. Slaba kaljivost pomeni dobro varivost, ker nastopajo v TVP mehkejše in bolj žilave mikrostrukture. Dobra kaljivost pa pomeni slabo varivost, ker v TVP nastopajo trše in krhkejše mikrostrukture. S poviševanjem vsebnosti C v jeklu močno narašča trdota v TVP,vendar na oceno varivosti pri tem vplivajo še dodatni parametri, npr. debelina jekla, drugi legirni elementi, prisotne nečistoče, plini itd.,kar daje varivosti jekla kompleksen značaj.[3] Glede na kemijsko analizo jekla določimo Ceq po IIW:

Ceq IIW= C + Mn/6 + (Cr+ Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (7.1)

PRAVILO:

Če je Ceq< 0,45, je jeklo dobro varivo in ni potrebno predgrevanje, dovoljena je uporaba poljubnih elektrod.

Če je Ceq = 0,45–0,60, je potrebno predgrevanje na 100–200 °C z uporabo bazičnih nizkovodičnih elektrod.

Če je Ceq> 0,60, je potrebno visoko predgrevanje na 250–350 °C in uporaba posebnih nizkovodičnih elektrod; glede na visoke varilne napetosti je treba uporabiti termično obdelavo zvarnega spoja po varjenju.

Meja med dobro in slabo varivostjo je okvirno po IIV dogovorjena dopustna trdota maksimalno 350 HV v TVP. Povezava med trdoto in Ceq je podana z enačbo:

HVmaks≈ 1200 Ceq – 200 (7.2)

Torej je pri Ceq = 0,46 dosežena mejna trdota 350 HV, ki se, kot je razvidno s Slike 7.1, znižuje s porastom debeline. Zgornja zveza med trdoto in Ceq velja za ogljikova jekla z vsebnostjo C > 0,18 %. Za jekla z nižjo vsebnostjo C, kot so sodobna visokotrdnostna jekla, ki jih bomo obravnavali v naslednjem poglavju, pa postaja netočna in za oceno varivosti jekla pregroba zaradi zniževanja trdote s predgrevanjem in večjo količino vnesene toplote.[3]


44

Slika 7.1: Dopustna trdota 350 HV kot funkcija povečevanja debeline[3]


45

8 EKSPERIMENTALNI DEL

8.1 Izbira osnovnega materiala Za eksperimentalni del sem izbral poboljšano drobnozrnato mikrolegirano jeklo NIOMOL 490 K, ki ga izdeluje železarna Jesenice. Posebej primerno je za izdelavo varjenih konstrukcij:

– gradnjo visokotlačnih cevovodov, – gradnjo mostov, – izdelavo posod pod pritiskom, – izdelavo različnih varjenih konstrukcij, pri katerih je poleg ostalih fizikalnih

karakteristik pomemben faktor tudi teža konstrukcije (tlačne posode, rezervoarji, vozila, cisterne).

Lastnosti prikazujeta Tabeli 8.1 in 8.2.

Tabela 8.1: Kemična sestava jekla NIOMOL 490 K (%) (šarža št. 100015)

C Si Mn P S Cr Ni Mo 0,06 0,24 0,40 0,011 0,007 - - 0,3

Tabela 8.2: Mehanske lastnosti jekla NIOMOL 490 K (šarža št. 100015)

Debelina (mm)

Rm (N/mm2)

Rp (N/mm2)

A (%)

Žilavost pri –60 °C (J)

10 505 488 24,4 200, 210, 218 pobolj. 170, 150, 155 starano

8.2 Izbira dodajnega materiala

Za gradnjo TRN-zvarov sem uporabil tri različne vrste žic, VAC 60, VAC 65 in VAC 60 Ni, dimenzije Φ=1,2 mm. So pobakrene varilne žice oz. palice za varjenje po MIG/MAG postopku. Primerne so za varjenje nelegiranih ter nizko legiranih jekel. Uporabljajo se za varjenje kotlovske pločevine,cevi, jekel za ladjedelništvo, mikrolegiranih jekel ter jeklenih litin.


46

Kemične in mehanske lastnosti so prikazane v Tabelah 8.3 in 8.4.

Tabela 8.3: Kemična sestava varilnih žic VAC 60, VAC 65 in VAC 60 Ni

Kemična sestava

(%)

C Si Mn Ni P S

VAC 60 0,08 0,90 1,50 - 47

VAC 60 Ni >420 500–640 >22 >47

8.3 Analitični izračun temperatur predgrevanja osnovnega materiala

Potrebno temperaturo predgrevanja materiala, pri kateri ne bo prišlo do pojava razpok v hladnem, sem izračunal z uporabo empiričnih formulacij v Excelu, ki so jih razvili Dueren, Ito-Bessyo in Suzuki.[4]

8.3.1 Koncept Dueren:[4] Glede na številne raziskave v razvitih državah so se izoblikovale relacije za določitev maksimalne trdote v TVP korenskega zvara z ozirom na varilne parametre, pri katerih še ne pride do razpoke glede na izoblikovano strukturo. Za določevanje trdote uporabljamo relacijo Duerena, kjer je poudarjena vloga količine ogljika. Ogljikov ekvivalent CE se izračuna: (8.1) Kemijski elementi v enačbi so izraženi v masovnih procentih. Oznaka C pomeni ogljik. Temperaturo predgrevanja Tp določimo z empirično enačbo: 739 104 (8.2)


47

8.3.2 Formulacija Ito-Bessyo:[4] Ito in Bessyo sta v svoji formulaciji za določitev temperature predgrevanja, pri kateri ne nastopi več razpokljivost v hladnem v TVP. Poleg vpliva kemičnih elementov, kot je kaljivost, je pomembna še debelina materiala, ki podaja višino vpetosti in količino difuzijskega vodika. Vpliv kemičnih elementov zajema parameter hladne razpokljivosti Pcm: 5 (8.3) Za določitev PC, ki omogoča izračun temperature predgrevanja, je pomembna debelina plošče t in vsebnost difuzijskega vodika HD, t se meri v [mm], HD pa v [ml/100g]. (8.4) Temperaturo predgrevanja določimo z empirično enačbo: 1440 392 (8.5)

8.3.3 Koncept Suzuki:[4] Koncentracija vodika je največja na korenski strani, kjer je največja tudi vpetost. Vpetost RFY je odvisna od elastičnega modula E, debeline plošče t in širine Y-preizkušanca L. ∙ / (8.6) Akumulacija vodika v korenu je določena s parametrom PHA: log ∙ ´ (8.7) Pri tem je : 7,17 1,54 ∙ 10 ∙ ∙ 0,121 ∙ 10 ∙ 1,92 (8.8) Zgornja enačba velja za Y- preizkus in 1000 < RFY


48

Eksperimentalne vrednosti kritične koncentracije vodika HC so bile v Y-preizkusu določenena jeklih trdnosti od 500 do 800 N/mm2 za debeline od 20 do 50 mm v odvisnosti od ogljikovega ekvivalenta PCM. log ∙ (8.9)

a,b – konstanti

Vrednost F je odvisna od PCM in RFY ter se izračuna na osnovi empiričnih enačb. Kritična koncentracija HC pa se zniža ob poviševanju intenzitete vpetosti RFY. Konstanti a in b izračunamo po formuli: 1,92 0,121 ∙ 10 ∙ (8.10) 7,17 1,34 ∙ 10 ∙ (8.11) Na podlagi izkustvene tabele odčitamo intenziteto vpetja za Y-preizkus za debelino 20 mm, ki je RFY= 2000 kp/mm. Na osnovi tega določimo parametre regresijske analize a in b. Intenziteto vpetosti RFY lahko neposredno očitamo iz diagrama (Slika 8.1).

Slika 8.1: Efektivna intenziteta vpetosti za Y-preizkus v odvisnosti od debeline

Temperatura predgrevanja je določena: 146 (8.12)


49

Vsebnost difuzijskega vodika HD je določena po standardu (DIN 8572) pri varjenju s sušeno in nesušeno elektrodo. Nesušeno stanje elektrode pomeni tisto količino HD v zvaru, ki jo dobimo pri varjenju z elektrodo iz skladišča. S sušenjem elektrode pri temperaturi Ts = 380°C neposredno dve uri pred varjenjem znižamo količino HD na minimum. Izmerjene vrednosti HD so podane v Tabeli 8.5.

Tabela 8.5: Izmerjene vrednosti difuzijskega vodika HD

Ts (°C) HD (ml/100g) nesušena elektroda 6,1

380 °C 0,51

8.3.4 Izračunani rezultati v Excelu


50

8.4 Določitev kritičnih mikrostruktur v toplotno vplivanem področju

8.4.1 Posebnosti metalografske preiskave zvarov

SPLOŠNO

Metalografska preiskava je v povezavi s preiskovalnimi tehnikami, ki jo informacijsko dopolnjujejo, osnova metalurškega študija zvarov. Kar zadeva makroskopijo in mikroskopijo, moramo pregledati posebnosti teh dveh tehnik, kadar jih uporabljamo za preiskavo zvarov za raziskovalne cilje, pri izdelavi, kontroli in tudi pouku. [5]

Najpogosteje izvajamo metalografsko preiskavo na odvzetih preizkušancih (iz varjencev), torej s porušitvijo. Neporušni postopek ali postopek z delno porušitvijo replik uporabljamo redkeje v makrografiji in pogosteje v mikrografiji. Vedno, kadar je mogoče, dajemo prednost odvzetim vzorcem, ki imajo vsa zanimiva področja preiskovanega zvara; edina resna ovira, predvsem v mikrografiji, sta teža in velikost vzorcev (primer velikih debelin). V primeru izdelave zvarov s pomikom izvora toplote najpogosteje odvzamemo vzorce prečno na linijo zvara (Slika 8.2a). Tako odvzet vzorec je reprezentativen za ves zvar, pri katerem je bilo med varjenjem doseženo kvazistacionarno stanje. Odvzeti vzorec v drugih legah ali smereh pri tem ni izključen; posebno zanimive informacije dobimo na vzdolžnih prerezih (Slika 8.2b), predvsem kar zadeva morfologijo morebitnih razpok, o kateri se ne moremo izjaviti, preden nismo preiskali obeh vrst prerezov, prečnega in vzdolžnega. [5]

V primeru varjenja z nepomičnim izvorom toplote v splošnem izrežemo vzorec po simetrijski ravnini; to je primer za zvarno točko pri uporovnem varjenju, ki jo preiskujemo po sredi (Slika 8.3a), toda tudi tu je mogoče potrebno preiskovati drug prerez, npr. skozi ekvatorialno ravnino. [5]

Slika 8.2: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) za makrografijo prerezov zvarov, zvarjenih s pomičnim izvorom toplote [5]


51

Slika 8.3: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) makro prerezov uporovno varjenih zvarnih točk [5]

a – prerez debeline po sredi točke

b – ekvatorialni prerez, vzporeden površini varjenca

TEHNIKE ODVZEMANJA IN PRIPRAVE VZORCEV

Odvzete vzorce uporabljamo le v okviru izdelave ekspertiz, sicer pa v makrografski preiskavi zvarov uporabljamo preizkušance, ki so posebej pripravljeni, ali pa celo preizkušance, sicer pripravljene za druge preiskave (preizkus trdote, mehanski preizkusi ali preizkus varivosti). Včasih so uporabljali makrografsko preiskavo tudi za kontrolo – z rezervami, ki jih bom omenil kasneje – toda upoštevajmo, da se pri tem poškoduje konstrukcija, saj bi iz nje izrezali preizkušance. Ta praksa je bila zaradi razvoja ustreznejših možnosti kontrole opuščena, še vedno pase pojavlja način odvzema vzorcev s sferinim rezkalom, ki ima obliko"čolnička" (Slika 8.4). Oblika tako poškodovanega področja je ustreznejša za kasnejše neizogibno popravilo z varjenjem kot v primeru valjasto izvrtanih preizkušancev. Ta način odvzema vzorcev uporabljamo za dopolnitev neporušne kontrole (radiografije ali ultrazvoka), kadar moramo natančno določiti vrsto in lego odkritih napak, in če napake so, oceniti možnosti njihovega popravila. [5]


52

Slika 8.4: Polporušni odvzem preizkušanca v obliki "čolnička" s sferičnim rezkanjem [5]

Slika 8.5: Sestavna področja sočelnega talilnega zvara v enem zvarku [5]

a) Splošni primer 1) talilno področje, 2) prehodno področje, 3) toplotno vplivano področje (TVP), 4) osnovni material.

b) Posebni primer za jeklo.

Ne glede na namen preiskave je pomembno, da s tehniko odvzema vzorcev in pripravo ne povzročamo segretja, s katerim bi lahko spremenili makrografski ali mikrografski videz področij, ki nas zanimajo. Če pri tem uporabljamo toplotno rezanje, da bi prišli do vzorca preizkušanca, mora biti velikost tega vzorca zadostna, da brez težav mehansko odstranimo zaradi toplotnega rezanja spremenjeno strukturo. [5]


53

Prav tako moramo biti ne glede na makro- ali mikrografijo previdni pri izdelavi in poliranju obrusov, predvsem pri mehanskem poliranju; razlika med obema je samo v stopnji predvidenega poliranja glede na jakost potrebnega jedkanja, da pridemo do vpogleda v spremembe preiskane sestave in strukture. Elektrolitsko poliranje v mikrografiji omogoča zelo visoko stopnjo poliranja, ne da bi pri tem prišlo do kakšne spremembe ali deformacije v hladnem na preiskovani površini, kot lahko pride pri mehanskem poliranju. [5]

MOŽNOSTI, KI JIH NUDI MAKROSKOPSKA PREISKAVA

MAKROSKOPSKA PREDSTAVITEV ZVARA – DEFINICIJE

Jedkanje makroobrusa omogoča med drugim prikaz sestavnih področij zvara, ki se drugo od drugega razlikujejo v odvisnosti od jakosti jedkanja ali po različnih barvah. Te razlike predstavljajo spremembe sestave in strukture, ki jih povzroči varjenje. Če je jedkanje zadostno, so razlike vidne že s prostim očesom ali pri rahlem povečanju. V splošnem prerezu sočelnega taljenega zvara v enem zvarku bomo na primer opazili naslednja področja, ki so prikazana na Sliki 8.5a. [5]

TALILNO PODROČJE

To je področje, v katerem je bila kovina med varjenjem staljena; do njega smo prišli s taljenjem osnovnega materiala z večjim ali manjšim mešanjem s staljenim dodajnim materialom. Takoj po varjenju so zrna, ki nastanejo pri strjevanju, razvidna brez povečave. Kovino, ki sestavlja talilno področje, imenujemo var. Staljeni dodajni material, to je pred mešanjem, imenujemo čisti var. [5]

PREHODNO PODROČJE

To področje ustreza meji, do katere je bil osnovni material raztaljen in omejuje taljeno področje; razvidno je zaradi razlike v strukturi, ki jo ugotovimo z ene in druge strani zvara. Naj spomnim, da je za neko zlitino (v širokem smislu besede: kovina-kovina ali kovina-nečistoča) značilno področje temperature, imenovano interval strjevanja, v katerem sta v ravnotežju dve fazi, tekoča in trdna. Prehodno področje je zanimivo po tem, da je mesto začetka strjevanja zvara. [5]

TOPLOTNO VPLIVANO PODROČJE (TVP)

Kot smo že videli, je TVP tisto področje, v katerem toplotni cikel varjenja pri segrevanju od začetne temperature navzgor povzroča eno ali več strukturnih premen v trdnem stanju. Z vsako strukturno premeno je značilna nižja temperatura, ki je obenem zunanja meja ustreznega vplivanega področja in sovpada z značilno izotermo te temperature. Izoterma se pojavi bolj ali manj jasno glede na to, če pojav napreduje v odvisnosti od temperature ali ne napreduje. Tako na Sliki 8.5b na jeklu razlikujemo po napredujoči spremembi obarvanosti vstop v področje, kjer je temperatura A1 (pospešen prehod perlita v avstenit). Temu sledi oster prehod v popolnoma avstenitizirano področje nad temperaturno premeno. Bliže talilnemu področju je področje rasti avstenitnega zrna. Zrno je tem večje, čim višja je bila dosežena temperatura. Pregreto področje je bolj ali manj vidno, vendar ni jasno omejeno z izotermo. [5]


54

OSNOVNI MATERIAL

Želim poudariti, da je osnovni material del varilnega preizkušanca za makro- in mikrografijo. Najprej je osnovni material osnova za oceno sprememb, do katerih pride pri varjenju. Na drugi strani pa določene spremembe niso vidne pri makroskopski obdelavi, ker ustvarjajo sestavne dele in strukture, ki so preveč fine ali preveč disperzirane, da bi bila nastala heterogenost vidna pri makroskopski obdelavi; te strukture so velikosti optične ali celo elektronske mikroskopije, zato ne smemo sklepati, da osnovni material ni prizadet, če makroskopska preiskava ni ničesar odkrila. Tak primer je morebitno staranje jekla, ki ga povzroči varjenje v bližini hladno deformiranega področja. [5]

POSEBNI PRIMERI

Pri načinih varjenja, kjer ne pride do taljenja, in tistih, kjer je talina iztisnjena, ni talilnega področja; tam opazimo samo z ene in druge strani prehodno področje, kjer ostane kovina med varjenjem trdna, toda morebiti ostaja na njej sled deformacije, ki jo je doživela (v hladnem ali v toplem, glede na način varjenja). S tem je tako, da primer, pri obžigalnem varjenju ali varjenju s trenjem, kjer makrografska obdelava istočasno odkrije toplotno vplivano področje in deformacijo kovine, zaznamovano z odklonom vlaken. Lahko bi navajali tudi makrografske posebnosti v zvezi z drugimi načini kot spajkanje ali varilsko spajkanje, difuzijsko varjenje itd. [5]

8.4.2 Analiza mikrostruktur v večvarkovnem zvarnem spoju

S pomočjo optičnega mikroskopa je bila izvedena analiza mikrostruktur v zvaru toplotno vplivanega področja homogenega večvarkovnega zvarnega spoja.

Slika 8.6: Homogeni večvarkovni X-varni spoj


55

Slika 8.7: Bainitna mikrostruktura v osnovnem materialu – NIOMOL 490 K

Slika 8.8: Finozrnata bainitna mikrostruktura zvara s primarnim feritom

Slika 8.9: Grobozrnato toplotno vplivano področje z bainitno mikrostrukturo


56

Slika 8.10: Toplotno vplivano področje, segreto na medkritično temperaturo, in vidni sledovi izmerjene mikrotrdote (Hvmax = 410 HV – nevarnost razpok)

Slika 8.11: Grobozrnato toplotno vplivano področje z bainitno in martenzitno mikrostrukturo


57

Slika 8.12: Pojav razpok v martenzitno-bainitni mikrostrukturi toplno vplivanega področja


58

9 DISKUSIJA REZULTATOV

Za metalografsko analizo večvarkovnega zvarnega spoja smo izdelali tri vrste zvarnih spojev, varjene po varilnem postopku MIG-MAG.

Analitični izračuni teoretičnih temperatur predgrevanja jekel za hidroopremo kažejo na to, da je ta jekla potrebno variti z minimalno temperaturo predgrevanja Tp = 50 °C (Tabela 8.8)

Slavko Stritar - CORE · 2018. 8. 24. · I Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega...

Documents

Transcript of Slavko Stritar - CORE · 2018. 8. 24. · I Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega...