1

wiczenie Nr 9

Temat: Ocena spawalnoci stali

9.1 Cel wiczenia

Celem wiczenia jest zapoznanie ze struktur zcza spawanego oraz wpywem skadu chemicznego i temperatury wstpnego podgrzania na spawalno stali.

9.2 Wiadomoci uzupeniajce

9.2.1 Struktura zcza spawanego

Poczenia spawane obejmuje spoin, tj. materia przetopiony w trakcie spawania oraz obszar materiau. W ktrym w wyniku cyklu cieplnego nastpiy zmiany strukturalne. Obszar ten nazywany jest stref wpywu ciepa lub krtko SWC. Zmiany strukturalne zachodzce w SWC przy spawaniu stali niskowglowych, rozpatrzone na podstawie uproszczonego wykresu elazo-cementyt, przedstawiono na rys 9.1

Na wykresie tym poprowadzono lini pionow odpowiadajc zawartoci wgla w rozpatrywanej stali. Punkty przecicia tej linii z wykresem rwnowagi wyznaczaj temperatury i obszary przemian strukturalnych w materiale.

Zalenie od temperatury do ktrej metal zosta podgrzany wyrniamy:

1. Obszar czciowego roztopienia odpowiadajcy nagrzaniu w granicach pocztku i koca topnienia. Zanieczyszczenia materiau atwiej topliwe ni sam metal, maj w zakresie tych temperatur tendencje do wydzielania si i tworzenia skupisk, co wpywa bardzo niekorzystnie na warstw, ktra wie metal rodzimy ze spoiwem.

2

2. Obszar przegrzania o strukturze gruboziarnistej, ktra nie wpywa w wikszym stopniu na wytrzymao, ale obnia znacznie cigliwo i udarno metalu. W strefie tej mog wystpowa pknicia tym atwiej, im wicej wgla zawiera stal, im bardziej jest podatna na hartowanie i im szybciej przebiegao stygnicie metalu.

3. Obszar normalizacji, charakteryzujcy si rozdrobnieniem ziarna o dobrych wasnociach plastycznych metalu.

4. Pas metalu, ktry stygnie z temperatury 998 723K (725C 450C), charakteryzuje si niewielkim rozrostem ziaren metalu rozdrobnionych uprzednio przez zgniot w operacji walcowania; dziki wyarzeniu metal uzyskuje wysz cigliwo.

5. Obszar stygncy od temperatury 773K (500C) i niszej nie wykazuje adnych zmian struktury. W czasie stygnicia przechodzi jednak przez temperatur tzw. Niebieskiego nalotu, gdy stal staje si krucha. Jeeli w tym momencie procesu naprenia skurczowe osign dua warto mog wystpi pknicia materiau.

Jak wida, poczenie spawane nie jest obszarem jednorodnym pod wzgldem strukturalnym, lecz skada si z szeregu stref, ktrych wartoci mog by rne. Szeroko poszczeglnych stref moe si zmienia w zalenoci od metody spawania i stosowanych parametrw. W przypadku podwyszonej zawartoci wgla lub innych skadnikw stopowych, zwikszajcych hartowno w strefie przegrzania i normalizacji, moe nastpi zahartowanie.

Powstanie w zczu struktur zahartowanych, a zwaszcza martenzytu, prowadzi do zrnicowania wasnoci stref znacznego wzrostu twardoci, spadku udarnoci i plastycznoci zahartowanej strefy oraz powstania zmian gstoci i duych napre strukturalnych. Naprenia strukturalne i cieplne w poczeniu z kruchoci materiau zahartowanego mog prowadzi do powstania mikro- i makropkni, zwanych zimnymi pkniciami.

Oprcz zimnych pkni w czci gatunkw stali mog wystpowa gorce pknicia powstajce, np. dla konstrukcyjnych stli wglowych, w zakresie temperatur 1573 1623K (1300 1350C). Podkreli naley, e wady tego typu dyskwalifikuj cakowicie poczenia spawane.

9.2.2 Spawalno

Przez pojcie spawalno rozumiemy zdolno materiau do tworzenia zcza spawanego o okrelonych wasnociach fizykochemicznych, moliwie najbardziej zblionych do materiau w stanie wyjciowym.

Rozrnia si spawalno metalurgiczn, konstrukcyjna i technologiczn.

Spawalno metalurgiczna zalena jest od skadu chemicznego, struktury, zawartoci gazw, wtrce niemetalicznych itp.

Spawalno konstrukcyjna zaley od przekroju czonych elementw, wielkoci przekroju spoin, sztywnoci konstrukcji.

Spawalno technologiczna zalena jest od zastosowanej metody spawania, parametrw procesu, temperatury spawanego przedmiotu itp.

Stale dzielimy pod wzgldem spawalnoci na cztery grupy:

3

1. Stale atwo spawalne s to stale dajce si spawa dowoln metod i bez adnych zabiegw cieplnych przed i po spawaniu. 2. Stale o ograniczonej spawalnoci wymagaj do spawania stosowania wikszych nate prdu, zmniejszonej prdkoci spawania lub podgrzania wstpnego przed spawaniem. 3. Stale trudno spawalne wymagaj nie tylko dodatkowych rodkw ostronoci, jak stale o ograniczonej spawalnoci, lecz take obrbki cieplnej po spawaniu. 4. Stale niespawalne pomimo wszelkich zabiegw daj poczenia nie speniajce wymaga.

9.2.3 Wpyw dodatkw stopowych na spawalno

Wgiel ze wszystkich skadnikw stopowych ma najwikszy wpyw na spawalno, Stale niskowglowe o zawartoci wgla do 0,25% s stalami atwo spawalnymi. W granicach 0,25 0,35% stale s materiaami o ograniczonej spawalnoci, wymagaj stosowania elektrod o otulinie zasadowej, a przy wikszych grubociach podgrzewania wstpnego w celu wyeliminowania zahartowania w SWC. Stale powyej 0,35% s trudno spawalne lub niespawalne.

Krzem w iloci do 1% nie wpywa na spawalno. Po przekroczeniu tej wielkoci zwiksza si hartowno stali.

Mangan w maych ilociach poprawia spawalno ze wzgldu na wizanie siarki i tlenu. Powyej 2% powoduje wzrost ziaren i hartownoci, szczeglnie przy wikszej zawartoci wgla.

Chrom przy zawartoci do 0,4% nie wpywa na spawalno. Powyej tej zawartoci powoduje skonno do hartowania zcza. Natomiast stale powyej 12% Cr i przy maej zawartoci wgla s spawalne. (1H13OH13, OH17, 1H17T, 1H25T, OH25).

Nikiel przy zawartoci 5% nie wpywa na spawalno ujemnie. Powyej tej wielkoci utrudnia spawalno. Stale austenityczne, chromowo-niklowe o zawartoci niklu powyej 8% s atwo spawalne.

Molibden do 0,35% nie pogarsza spawalnoci, przy wikszych zawartociach zwiksza hartowno.

Wanad do zawartoci 0,2% nie wpywa na spawalno, powyej tej zawartoci powoduje jej pogorszenie.

Siarka wystpuje w stalach jako zanieczyszczenie. Z elazem i tlenkiem elaza (FeO) tworzy niskotopliw eutektyk o temperaturze topnienia 1213K (940C), wydzielajc si na granicach ziaren i powodujc wzrost skonnoci do gorcych pkni.

Fosfor jest rwnie szkodliwym zanieczyszczeniem, powodujcym wzrost kruchoci stali.

4

Podany wyej wpyw skadnikw stopowych na spawalno uwzgldnia jedynie wpyw indywidualnie kadego z nich; w przypadku, jeli wystpuj one razem, okrelenie spawalnoci jest bardziej skomplikowane.

9.2.4 Metoda analityczna okrelania spawalnoci

Dla stali konstrukcyjnych niskostopowych orientacyjna ocen stopnia spawalnoci przeprowadza si w oparciu o tzw. Rwnowanik wgla Ce ktry okrelony jest zalenoci Tremletta

Podstawiajc obliczon warto Ce do niej podanych wzorw, otrzymujemy przewidywana twardo materiau w SWC w jednostkach Vickersa:

dla spoin nie poddanych obrbce cieplnej po spawaniu

dla spoin poddanych obrbce cieplnej po spawaniu

Jeeli obliczona ta drog maksymalna twardo SWC nie przekracza 250HV, to materia zaliczamy do grupy materiaw atwo spawalnych. Jeli HVmax zawiera si w granicach 250 350HV, to materia zaliczamy do grupy materiaw o ograniczonej spawalnoci. Natomiast gdy HVmax przekracza 350HV, to materia naley uzna za niespawalny.

Powysza metoda ma zastosowanie jedynie do stali, w ktrych sumaryczna zawarto pierwiastkw stopowych nie przekracza 5%, a poszczeglnych skadnikw jest mniejsza od 1,5%.

W przypadku stali rednio i wysokostopowych ocen spawalnoci musimy opiera o technologiczne prby spawalnoci.

5

9.2.5. Technologiczne prby spawalnoci

Technologiczne prby spawalnoci mona podzieli na dwie grupy:

a) prby okrelajce wpyw cyklu cieplnego spawania, b) prby wykazywania skonnoci do powstawania pkni w czasie spawania lub po

spawaniu.

6

Do pierwszej grupy mona przykadowo zaliczy prb abelki. Prb t przeprowadza si w sposb nastpujcy: z badanego materiau o gruboci g (g 12) przygotowujemy dwa odcinki oznaczone literami A i B (rys.9.2). Odcinki te spawamy w jedn cao. Pyt t obrabiamy struganiem na grubo 10 mm zgodnie z rys.9.2. Nastpnie z pyty pobieramy 25 prbek udarnociowych oraz dwi3 prbki na zrywanie z miejsc podanych na rysunku. Po przygotowaniu prbek udarnociowych przeprowadzamy badanie udarnoci, a wyniki nanosimy na wykres (rys.9.3).

Ocena spawalnoci dla prby abelki okrelana jest wartoci udarnoci w SWC. I tak, jeli wystpuje spadek udarnoci w SWC poniej 50% udarnoci materiau rodzimego lub dla stali konstrukcyjnej poniej 3 kGm/cm 2 (30 J/cm 2 ), to stal tak okrelamy jako niespawaln.

Dla drugiej grupy technologicznej prb spawalnoci zaliczamy prb MWTU i prb CTS.

Prba MWTU wykazuje skonno do pkania na gorco. Prb te przeprowadza si nastpujco: przygotowujemy komplet 30 sztuk prbek wykonanych jak na rys.9.4.

7

Pojedyncze prbki mocujemy w specjalnej maszynie wytrzymaociowej o zakresie obcienia 30 T i o prdkociach rozcigania od 2,1 do 16,8 m/min przy 29 stopniach prdkoci. Po zamocowaniu prbki zaczynamy ukadania spoiny w rowku zachowujc sta prdko spawania. Z chwil, gdy czoo ukadanej spoiny osiga linie poprowadzon przez osie otworw 7, koncentrujcych naprenia, rozcigamy prbk z okrelon prdkoci nie przerywajc procesu spawania.

Dla kolejnych prbek zwikszamy prdko rozcigania a do ustalenia wielkoci krytycznej, tzn. takiej, przy ktrej pojawi si pknicia widoczne na powierzchni spoiny. Miar odpornoci spoiwa na gorce pknicia jest krytyczne prdko odksztacania. Im jest ona wysza, tym spoina odporniejsza na gorce pknicia.

Prb wykazujca skonno spoiwa do pkania na zimno jest tzw. Prba CTS, czyli prba o regulowanej ostroci cyklu cieplnego (rys.9.5).

8

Polega ona na wykonaniu dwch prbnych spoin pachwinowych, czcych dwie blachy usztywnione przez silne skrcenia ruba i dwie boczne spoiny pachwinowe. Prdko chodzenia (ostro cyklu cieplnego) reguluje si zmieniajc grubo spawanych blach. Oceny wraliwoci na pkanie na zimno dokonuje si na podstawie obserwacji wystpowania pkni w prbkach wycitych z badanych spoin pachwinowych.

9.2.6. Wpyw wstpnego podgrzania na twardo SWC

Proces spawania wie si zawsze z dostarczeniem duych iloci ciepa do strefy spawania, ktre nastpnie w wyniku przewodzenia przenika w gb materiau spawanego. Zjawiska cieplne ktre wtedy zachodz, zalene s od wielu parametrw, a mianowicie:

- postaci rda ciepa, jego mocy i gstoci mocy, czasu grzania, sposobu przemieszczania si rda ciepa;

- ksztatu, wielkoci i wasnoci fizycznych spawanego metalu.

rdem ciepa przy spawaniu ukowym jest uk elektryczny. Cakowita moc uku elektrycznego E jest zalena od parametrw prdowych, tj. napicia uku i prdu spawania. W praktyce do okrelania iloci ciepa dostarczanego do materiau spawanego stosuje si energi liniow uku E1

gdzie V prdko spawania t sprawno nagrzewania, ktra uwzgldnia strat ciepa do atmosfery.

Rozkad temperatury w materiale nazywa si polem temperatur i okrela za pomoc izoterm. Przekrj poprzeczny przykadowego pola temperatur pokazany jest na rys. 9.6. Przebieg zmian temperatury w czasie nazywamy cyklem cieplnym.

9

Na rysunku 9.7. pokazany jest tzw. Prosty cykl cieplny, ktry wystpuje w przypadku spawania jednowarstwowego. Cechami charakterystycznymi cyklu cieplnego s: szybko nagrzewania i chodzenia,

maksymalna temperatura, jak dany punkt osiga oraz czas, w ktrym okrelony punkt ciaa przebywa powyej pewnej okrelonej temperatury. W zalenoci od tego, czy rozpatrywany punkt znajduje si na osi wzdu ktrej przesuwa si rdo ciepa, czy jest od niej oddalony, ksztat cyklu cieplnego moe by rny (rys.9.8).

10

gdzie

E1 energia liniowa uku [J/m]; Tk temperatura najmniejszej trwaoci austenitu (okoo 650C); To temperatura pocztkowa ciaa (temperatura wstpnego podgrzania); wspczynnik przewodzenia ciepa.

Podgrzanie wstpne w zalenoci od gatunku stali, gruboci elementw spawanych oraz rodzaju i rozwizania konstrukcji spawanej, prowadzi si w zakresie temperatur od kilkudziesiciu do kilkuset stopni Celsjusza. Dziki zmniejszeni szybkoci chodzenia zmniejsza si ryzyko wystpowania procesu hartowania lub podhartowania w SWC, co w konsekwencji powoduje ograniczenie wzrostu kruchoci i moliwoci utworzenia si pkni w poczeniach spawanych.

9.3. Stanowisko laboratoryjne

Na stanowisku laboratoryjnym znajduj si: 1) prostownik spawalniczy; 2) twardociomierz Vickersa; 3) piec do podgrzewania prbek; 4) odzie ochronna i tarcze spawalnicze; 5) prbki do spawania ze stali wysokowglowej (np. stal 50 ); 6) prbki ze stali nisko i wysokowglowej z napoin wykonan elektrod otulon ER146

(skad chemiczny spoiwa: 0,08% C, 0,5% Mn, 0,3% Si, 0,035% P, 0,035% S );

11

7) prbki ze stali wysokowglowej z napoin (wykonan elektrod otulon ER 1460 ), przy rnych temperaturach wstpnego podgrzania:

Nr prbki Temperatura podgrzania wstpnego T0 [C]

1 20 2 100 3 200 4 300

Z prbek z napoin wykonano zgady metalograficzne, ktre trawiono 10% roztworem wodnym HNO3

9.4. Przebieg wiczenia

9.4.1. Zadania do wykonania

1) Wykona spawania prbek ze stali o ograniczonej spawalnoci bez podgrzania i z podgrzaniem wstpnym.

2) Okreli, na podstawie rozkadu twardoci materiau w SWC, zakres zmian strukturalnych materiau oraz ustali wpyw wstpnego podgrzania na szeroko SWC.

9.4.2. Wykonanie wiczenia

1. Spawanie prbek wstpnie podgrzanych i bez wstpnego podgrzania

a) Umieci prbki do spawania w piecu i nagrzewa do temperatury 300C. b) Wykona napoin na prbce o temperaturze rwnej temperaturze otoczenia elektrod

ER 146, przy prdzie I = 160A. c) Wykona napoin na prbce wyjtej z pieca przy tych samych parametrach spawania. d) Po ostygniciu prbek oczyci je z ula i dokona ogldzin wykonanych napoin

okiem nieuzbrojonym lub za pomoc lupy (4x). e) Wyniki zanotowa w formie opisowej i za pomoc szkicw.

2. Pomiary twardoci w SWC a) Dokona pomiarw twardoci Vickersa na zgadach prbek ze stali nisko- i

wysokowglowej. Pomiar wykona przesuwajc si wzdu jednej wybranej linii prostej z krokiem 0,25mm od rodka napoiny w gb materiau rodzimego dotd, a kilka kolejnych pomiarw da podobne wyniki. W przypadku duych rnic pomidzy poszczeglnymi pomiarami, naley krok zmniejszy. Wyniki notowa w tabeli, a na szkicu prbki zaznaczy miejsca wykonywania pomiarw.

b) W taki sam sposb dokona pomiarw twardoci prbek wykonanych przy rnych temperaturach wstpnego podgrzania.

9.5. Opracowanie sprawozdania

12

Sprawozdanie powinno zawiera: 1. Wyniki napawania prbek wstpnie podgrzanych i bez wstpnego podgrzania w

formie opisowej i w postaci szkicw. 2. Zestawienie skadu chemicznego materiaw prbek wedug PN. 3. Okrelenie spawalnoci prbek przy wykorzystaniu wzoru Tremletta. 4. Wyniki pomiarw twardoci prbek napawanych ze stali nisko- i

wysokowglowej w postaci tabelarycznej oraz wykres rozkadu twardoci na tle szkicu prbki.

5. Porwnanie wynikw obliczonych metod Tremletta z wynikami dowiadczalnymi oraz okrelenie do jakich grup pod wzgldem spawalnoci mona zaliczy badane materiay.

6. Wyniki pomiarw twardoci prbek napawanych przy rnych temperaturach wstpnego podgrzania w postaci tabelarycznej, wykresy rozkadu twardoci wzdu prbki oraz wykres zalenoci maksymalnej twardoci w SWC od temperatury wstpnego podgrzania.

7. Okrelenie wpywu temperatury wstpnego podgrzania na spawalno stali trudno spawalnych.

LITERATURA

1. Praca zbiorowa, Technologia uzbrojenia, Cz.IV, Naprawa sprztu uzbrojenia, WAT, Warszawa, 1981.

2. S. Piwowar, Technologia maszyn; Cz.I, WPW, Warszawa, 1972. 3. Praca zbiorowa, Poradnik spawalniczy, WNT, Warszawa, 1983.