Spawalność materiałów konstrukcyjnych. Tom 1

%DMUND 4ASAK !NETA :IEWIEC

30!7!,./i£ MATERIA ÐW KONSTRUKCYJNYCH TOM

3PAWALNOyà STALI +RAKÐW

2ECENZENT -IROS AW OMOZIK .A OK ADCE %LEMENT KOT A PRZEMYS OWEGO s FOT FIRMA .OVMAR W +RAKOWIE

#OPYRIGHT BY %DMUND 4ASAK

)3". s

7YDANE PRZEZ

UL :ACISZE +RAKÐW TEL FAKS WWW WYDAWNICTWOJAK PL 2EDAKTOR !NNA -ARIA 4HOR +OREKTA ,ILIANNA 2UDNIK 2EDAKTOR TECHNICZNY *ANINA "UREK 0ROJEKT OK ADKI !NDRZEJ #HOCZEWSKI AMANIE -ARCIN "UREK

$RUK $RUKARNIA .ARODOWA W +RAKOWIE

Spis treści

Przedmowa .......................................................................................................................

11

1.

Spawalność stali ......................................................................................................

1.1. Definicja spawalności stali .................................................................................

1.2. Wpływ składników stopowych na spawalność stali ..........................................

13 13 19

2.

Pękanie połączeń spawanych .................................................................................

2.1. Pęknięcia gorące ...............................................................................................

2.1.1. Pęknięcia krystalizacyjne w spoinie ......................................................

2.1.1.1. Wpływ węgla, siarki i fosforu na proces pękania .....................

2.1.1.2. Optymalizacja kształtu spoiny ..................................................

2.1.1.3. Rola wodoru w procesie pękania na gorąco..............................

2.1.2. Pęknięcia segregacyjne w strefie wpływu ciepła ...................................

2.2. Pęknięcia zimne ................................................................................................

2.2.1. Pękanie „pod ściegiem” .........................................................................

2.2.2. Pękanie zwłoczne ...................................................................................

2.2.3. Pękanie typu „chevron”..........................................................................

2.2.4. Pękanie typu „rybie oczy” ......................................................................

2.2.5. Wskaźniki skłonności do pękania zimnego ...........................................

2.3. Pęknięcia lamelarne ..........................................................................................

2.3.1. Mechanizm pękania lamelarnego ..........................................................

2.3.2. Czynniki wpływające na pękanie lamelarne ..........................................

2.4. Pęknięcia wyżarzeniowe (relaksacyjne) ...........................................................

2.4.1. Pęknięcia niskotemperaturowe ..............................................................

2.4.2. Pęknięcia wysokotemperaturowe ..........................................................

2.4.3. Pęknięcia „podplaterowe” ......................................................................

2.5. Pękanie kruche i ciągliwe ................................................................................

2.5.1. Warunki plastyczności materiałów ciągliwych ......................................

2.5.2. Mechanizm pękania plastycznego .........................................................

2.5.3. Mechanizm pękania kruchego ...............................................................

2.6. Temperatura przejścia w stan kruchy ................................................................

2.6.1. Wpływ stopnia odtlenienia i odgazowania stali na temperaturę przejścia w stan kruchy ..........................................................................

2.6.2. Wpływ składu chemicznego ..................................................................

2.6.3. Wpływ siarczków ..................................................................................

23 23 24 30 34 37 39 44 46 48 53 56 58 68 69 71 75 75 76 81 82 83 86 89 92 94 95 97 5

3.

4.

6

2.6.4. Wpływ wielkości ziarna i mikrostruktury ..............................................

2.6.5. Wpływ procesu wytwarzania konstrukcji ..............................................

2.6.6. Wpływ warunków eksploatacji ..............................................................

2.7. Współczynnik intensywności naprężeń ............................................................

100 102 105 106

Obliczeniowy sposób oceny spawalności stali ......................................................

3.1. Pękanie gorące ..................................................................................................

3.2. Pękanie zimne ...................................................................................................

3.3. Pękanie lamelarne .............................................................................................

3.4. Pękanie wyżarzeniowe .....................................................................................

3.5. Kruchość w wyniku zachodzących przemian ...................................................

3.6. Kruchość w wyniku starzenia ...........................................................................

3.7. Obliczeniowy sposób wyznaczania wykresów CTPc .......................................

3.8. Własności strefy wpływu ciepła .......................................................................

3.8.1. Temperatura przejścia w stan kruchy .....................................................

3.8.2. Twardość strefy wpływu ciepła ..............................................................

3.9. Programy komputerowe do oceny spawalności stali i wspomagające opracowanie technologii spawania ...................................................................

3.9.1. Mat Spaw ...............................................................................................

3.9.1.1. Moduł „Bazy danych” ...............................................................

3.9.1.2. Spawalność................................................................................

3.9.1.3. Moduł „Technologia” ................................................................

3.9.1.4. Moduł „Pomoc” ........................................................................

3.9.1.5. Uwagi końcowe.........................................................................

3.9.2. Program Starweld ...................................................................................

3.9.2.1. Moduł Weldware programu Starweld .......................................

3.9.2.2. Moduł Niroware programu Starweld ........................................

3.9.3. Schaeffler-Diagramm ............................................................................

3.9.4. Spawalność stali stopowych ..................................................................

109 109 110 110 110 110 111 114 117 118 120

Metody badania spawalności stali oraz odporności na kruche pękanie ............

4.1. Próba twardości pod napoiną ............................................................................

4.2. Próba napawania ze zmienną energią liniową łuku ..........................................

4.3. Próby pękania na gorąco ...................................................................................

4.3.1. Badanie skłonności do pęknięć krystalizacyjnych na próbkach o zmieniającej się sztywności ze spoiną czołową ..................................

4.3.2. Badanie skłonności do pęknięć krystalizacyjnych na zestawie próbek o różnych szerokościach ze spoinami czołowymi .....................

4.3.3. Badanie skłonności do pęknięć krystalizacyjnych na próbce teowej ze spoiną pachwinową ...........................................................................

4.3.3.1. Ocena wyników badań ..............................................................

4.3.4. Próba Varestraint ....................................................................................

4.3.5. Próba Transvarestraint ............................................................................

4.3.6. Próba LTP-1-6 ........................................................................................

4.3.7. Próba Blancheta .....................................................................................

4.3.8. Próba kołowa segmentowa ....................................................................

121 121 121 123 125 128 128 129 129 131 133 135 136 137 137 138 139 140 142 143 143 144 145 146 148

5.

6.

4.4. Próby pękania zimnego .....................................................................................

4.4.1 Próba krzyżowa ......................................................................................

4.4.2. Próba CTS .............................................................................................

4.4.3. Próba Tekkena ........................................................................................

4.4.4. Próba Schnadta–Fisco ............................................................................

4.4.5. Próba kołkowa (implantacyjna) .............................................................

4.4.6. Próba TRC .............................................................................................

4.5. Próby pękania lamelarnego ...............................................................................

4.5.1. Próba Z ...................................................................................................

4.5.2. Próba Cranfielda .....................................................................................

4.5.3. Próba okienkowa ....................................................................................

4.6. Próby pękania wyżarzeniowego (relaksacyjnego) ............................................

4.6.1. Próba kołowa BWRA ............................................................................

4.6.2. Próba Tanaki ..........................................................................................

4.6.3. Próba typu H ..........................................................................................

4.6.4. Próby pełzania .......................................................................................

4.6.5. Próby ralaksacji ......................................................................................

4.7. Próby pękania kruchego ....................................................................................

4.7.1. Próba CTOD...........................................................................................

4.7.2. Próba szerokiej płyty (Wellsa) ...............................................................

4.7.3. Próba Blink–Nibberinga ........................................................................

4.7.4. Próba Pelliniego .....................................................................................

4.7.5. Próba udarności ze zmiennym promieniem karbu ................................

4.7.6. Próba Robertsona ...................................................................................

4.7.7. Próba DWTT (Drop Weight Tear Test)...................................................

4.7.7.1. Sposób przeprowadzenia próby DWTT ...................................

4.7.7.2. Ocena powierzchni przełomu ...................................................

149 149 151 152 155 156 162 163 163 164 165 166 166 167 167 168 170 172 173 175 177 179 180 182 183 185 189

Stale konstrukcyjne niestopowe ............................................................................

5.1. Segregacja we wlewkach stalowych i jej wpływ na spawalność ......................

5.2. Starzenie stali niskowęglowych i jego wpływ na własności złącza spawanego ..............................................................................................

5.2.1. Starzenie po przesycaniu ........................................................................

5.2.2. Starzenie po zgniocie .............................................................................

5.2.3. Starzenie w procesie spawania ...............................................................

5.3. Porowatość spoin w stalach nieuspokojonych .................................................

5.4. Spawalność stali niestopowych .........................................................................

194 197

Stale drobnoziarniste o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości ......................

6.1. Mechanizmy umacniania stali ferrytyczno-perlitycznych ................................

6.1.1. Umocnienie roztworu stałego ferrytu.....................................................

6.1.2. Umocnienie w wyniku rozdrobnienia ziaren .........................................

6.1.3. Utwardzenie wydzieleniowe ..................................................................

6.1.4. Umocnienie dyslokacyjne ......................................................................

6.1.5. Umocnienie przez przemiany fazowe ....................................................

6.2. Obróbka cieplno-plastyczna .............................................................................

209 210 210 212 214 215 219 220

200 200 202 203 208 208

7

6.3.

6.4.

6.5.

6.6.

6.7.

Rozwój produkcji stali o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości .................

Stale bainityczne ...............................................................................................

Stale ulepszane cieplnie ....................................................................................

Efekt Bauschingera ...........................................................................................

Spawalność stali o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości ...........................

6.7.1. Pęknięcia gorące.....................................................................................

6.7.2. Pęknięcia zimne .....................................................................................

6.7.3. Pękanie lamelarne ..................................................................................

6.7.4. Zmiękczenie strefy wpływu ciepła w wyniku spawania ........................

6.7.5. Odporność złączy spawanych na kruche pękanie ..................................

6.8. Pękanie korozyjne stali i jej połączeń spawanych w obecności wilgotnego siarkowodoru ..................................................................................

6.8.1. Pękanie wodorowe (HIC) .......................................................................

6.8.2. Pękanie naprężeniowe siarczkowe SSC ................................................

6.8.3. Metody oceny skłonności do pękania wodorowego HIC .....................

6.8.4. Metody badania korozji naprężeniowej siarczkowej (SSC) .................

228 238 241 248 254 254 256 261 267 272 278 279 292 296 301

7.

Stale do pracy w obniżonych i niskich temperaturach ........................................ 303 7.1. Spawalność stali do pracy w niskich temperaturach ......................................... 310

8.

Stale do pracy w podwyższonych temperaturach ................................................

8.1. Charakterystyka stali stosowanych w energetyce .............................................

8.2. Charakterystyka stali do instalacji rafineryjnych i petrochemicznych..............

8.3. Zmiany własności plastycznych stali eksploatowanych w podwyższonych temperaturach ....................................................................................................

8.3.1. Metoda badania skłonności do kruchości eksploatacyjnej połączeń spawanych stali chromowo-molibdenowych .........................................

8.3.2. Wpływ składu chemicznego stali i spoin chromowo-molibdenowych na utratę plastyczności ...........................................................................

8.3.3. Wskaźniki stosowane do oceny skłonności do utraty plastyczności .....

8.3.4. Technologiczne sposoby przeciwdziałania obniżeniu plastyczności podczas eksploatacji ...............................................................................

8.4. Spawanie stali przeznaczonych do pracy w podwyższonych temperaturach ...

8.4.1. Obróbka cieplna połączeń spawanych ...................................................

8.5. Spawanie stali różniących się składem chemicznym ........................................

316 316 325

Stale odporne na korozję ........................................................................................

9.1. Klasyfikacja stali stopowych ze względu na własności użytkowe ..................

9.2. Klasyfikacja stali stopowych ze względu na strukturę......................................

9.3. Stale chromowe ferrytyczne..............................................................................

9.4. Stale chromowe półferrytyczne ........................................................................

9.5. Spawanie stali chromowych ferrytycznych i półferrytycznych ........................

9.5.1. Sposoby zmniejszenia kruchości złącz spawanych ze stali ferrytycznych i półferrytycznych ...............................................

9.6. Stale chromowe martenzytyczne ......................................................................

9.6.1. Spawanie stali chromowych martenzytycznych ....................................

349 350 352 358 360 364

9.

8

331 332 334 336 336 339 341 346

366 368 369

9.7. Stale chromowo-niklowe z miękkim martenzytem ..........................................

9.7.1. Spawanie stali chromowo-niklowych z miękkim martenzytem ............

9.8. Stale nierdzewne utwardzane wydzieleniowo ..................................................

9.8.1. Spawanie stali utwardzanych wydzieleniowo ........................................

9.8.2. Własności złączy spawanych .................................................................

9.8.3. Pękanie złącz spawanych stali nierdzewnych martenzytycznych utwardzanych wydzieleniowo miedzią .................................................

9.9. Odporność na korozję międzykrystaliczną połączeń spawanych ze stali chromowych. .....................................................................................................

9.10. Stale austenityczne chromowo-niklowe ...........................................................

9.10.1. Spawalność stali austenitycznych .......................................................

9.10.1.1. Pękanie na gorąco ................................................................

9.10.1.2. Kruchość połączeń spawanych stali austenitycznych wskutek tworzenia się fazy sigma ......................................

9.10.1.3. Pękanie wyżarzeniowe ........................................................

9.11. Odporność na korozję połączeń spawanych ze stali austenitycznych ..............

9.11.1. Korozja elektrochemiczna połączeń spawanych .................................

9.11.2. Korozja międzykrystaliczna połączeń spawanych ..............................

9.11.3. Korozja nożowa połączeń spawanych w stalach stabilizowanych ......

9.11.4. Korozja naprężeniowa połączeń spawanych .......................................

9.12. Spawanie stali austenitycznych chromowo-niklowych ....................................

9.13. Spawanie stali austenitycznych chromowo-niklowo-molibdenowych .............

9.14. Spawanie stali austenitycznych chromowo-niklowych z dużą zawartością molibdenu .........................................................................................................

9.15. Spawanie stali ferrytyczno-austenitycznych Cr-Ni-Mo-N (duplex) .................

9.16. Spawanie stali austenitycznych żaroodpornych i żarowytrzymałych ...............

9.17. Spawanie stali różnorodnych przy użyciu spoiwa austenitycznego .................

9.17.1. Struktura spoin w złączach mieszanych .............................................

9.17.2. Spawanie stali niskostopowych hartujących się .................................

9.17.3. Spawanie stali odpornych na korozję, martenzytycznych i ferrytycznych ....................................................................................

9.17.4. Spawanie stali niskowęglowych ze stalami wysokostopowymi .........

9.17.5. Problemy wykonywania połączeń stali różnorodnych stosowanych w wysokich temperaturach ..................................................................

9.18. Spawanie stali platerowanych ...........................................................................

374 379 380 383 385 386 389 391 394 394 401 407 408 409 410 415 418 423 425 426 432 440 444 446 450 451 452 454 455

Literatura .......................................................................................................................... 459 Skorowidz ważniejszych terminów .................................................................................. 469

Przedmowa

Technologie spawalnicze są coraz powszechniej stosowane w wykonawstwie nowych, różnych rodzajów konstrukcji w życiu codziennym każdego z nas. Spawanie, postrzegane jako specjalny proces łączenia metali, jest obecne właściwie we wszystkich gałęziach przemysłu, począwszy od energetycznego, maszynowego, chemicznego, poprzez motoryzację, elektronikę i elektrotechnikę, przemysł stoczniowy, na kosmonautyce skończywszy.

Postęp w rozwoju spawalnych materiałów konstrukcyjnych, a zwłaszcza stali, warunkuje przede wszystkim konieczność zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacyjnego złączy spawanych tych materiałów. Zagrożenia wynikające z ryzyka wystąpienia różnego rodzaju pęknięć w konstrukcjach spawanych stanowią podstawowe kryterium oceny jakościowej wyrobów przed ich dopuszczeniem do użytkowania. Pęknięcia bezpośrednio związane z procesem spawania, na przykład pęknięcia zimne, gorące, lamelarne czy wyżarzeniowe bądź też kruche, które ze spawaniem są związane pośrednio, stanowią podstawowe problemy zagadnienia technicznego, jakim jest spawalność.

Problem spawalności metali pojawił się w latach 20. XX wieku prawie równocześnie z przemysłowym wdrożeniem spawania metodą gazową acetylenowo-tlenową i metodą łukową z zastosowaniem elektrod węglowych. Od tamtej chwili nastąpił ogromny postęp w zakresie jakości, różnorodności i asortymentu zarówno materiałów spawanych, jak i metod spawania.

Niemniej spawalność jest nadal pojęciem, którego znaczenie ciągle się zmienia i rozwija.

Dlatego znajomość zjawisk cieplno-fizycznych, problematyki technologicznej, potencjalnych skutków różnego rodzaju pęknięć i sposobów ich zapobiegania, jak również poznanie metod badawczych służących do oceny spawalności powinny być niezbędnymi atrybutami wiedzy projektantów konstrukcji nośnych, technologów oraz inżynierów – nie tylko spawalników, ale ogólnie: specjalistów materiałoznawców.

Niniejsza książka traktuje o zagadnieniach związanych ze spawalnością materiałów konstrukcyjnych. Jej pierwszy tom dotyczy spawalności stali. Na krajowym rynku wydawniczym można znaleźć kilka pozycji zawierających informacje o spawalności różnych, częstokroć pojedynczych grup czy zaledwie gatunków stali lub innych rodzajów materiałów konstrukcyjnych. Publikacja ta jest jednym z nielicznych kompendiów wiedzy w kompleksowy, a jednocześnie niezwykle przejrzysty i komunikatywny sposób omawiających takie zagadnienia, jak: – geneza i mechanizm inicjowania oraz skutki występowania różnego rodzaju pęknięć w złączach spawanych oraz sposób zapobiegania ich występowaniu; 11

– ocena spawalności stali w ujęciu analitycznym; – metody badawcze służące do określania spawalności stali; – charakterystyka poszczególnych grup stali konstrukcyjnych niestopowych, niskostopowych i o wysokiej wytrzymałości, stali przeznaczonych do pracy w obniżonych i podwyższonych temperaturach oraz stali nierdzewnych, kwaso- i żaroodpornych z uwzględnieniem ich spawalności; – kruchość złącz spawanych spowodowana warunkami spawania bądź obróbki cieplnej po spawaniu; – mechanizmy korozji spoin i sposoby zapobiegania ich występowaniu; – kruchość stali będąca skutkiem starzenia bądź eksploatacji, mechanizmy umacniania stali, zmiękczenia w SWC stali ulepszanych cieplnie, efekt Bauschingera itp.; – zalecenia technologiczne odnośnie do spawania i obróbki cieplnej złączy różnych grup stali konstrukcyjnych.

Książka jest bardzo wartościowa, jej poziom naukowy wysoki, a dodatkowym atutem jest to, że wiele rozważań natury teoretycznej Autorzy poparli opisem konkretnych przypadków z praktyki przemysłowej. Dotyczy to zwłaszcza przykładów różnego rodzaju pęknięć występujących w rzeczywistych, przemysłowych konstrukcjach spawanych. Na uwagę zasługują zarówno trafnie dobrana dokumentacja fotograficzna, jak i liczne, starannie opracowane rysunki. Mechanizmy omawianych zjawisk zilustrowano schematami autorskimi, co znacznie ułatwia zrozumienie problemów. Niniejsza książka jest dowodem na to, że o zagadnieniach trudnych i skomplikowanych można pisać jasno i prosto.

Biorąc pod uwagę wspomniane zalety książki i jej wysokie walory dydaktyczne, można ją polecić przede wszystkim studentom takich kierunków, jak: inżynieria materiałowa, metalurgia, mechanika czy budowa maszyn oraz pracownikom naukowym uczelni technicznych, a także wszystkim inżynierom zatrudnionym w różnych gałęziach przemysłu, którzy w swojej pracy zawodowej mają do czynienia z problemami doboru stali na konstrukcje i ich spawaniem.

Mirosław Łomozik

1. Spawalność stali

1.1. Definicja spawalności stali Spawalność jest podstawową własnością materiałów stosowanych do produkcji konstrukcji spawanych. W okresie wykonywania konstrukcji spawanych wyłącznie ze stali niskowęglowych niewymagających żadnej obróbki cieplnej, o grubościach nieprzekraczających 30¸40 mm i o wytrzymałości na rozciąganie poniżej 500 MPa spawanie nie nastręczało większych trudności, tym bardziej że znano i stosowano do spawania elektrody otulone wysokiej jakości. Pierwsze problemy ze spawalnością pojawiły się w latach 40., kiedy to spawanie konstrukcji ze stali o podwyższonej wytrzymałości pociągało za sobą groźne ich awarie, prowadzące nierzadko do całkowitego zniszczenia. Praktyka i doświadczenie ujawniły problemy dotyczące spawalności oraz narzuciły potrzebę ich wyjaśnienia.

Spawalność należy zaliczyć do trudniejszych do zdefiniowania pojęć technicznych z uwagi na to, że określenie nie dotyczy pojedynczej stosunkowo prostej właściwości metalu, lecz obejmuje zespół czynników, których wspólne oddziaływanie decyduje o przydatności danego materiału do wykonania określonej konstrukcji spawanej.

W jednej z pierwszych definicji spawalności, opublikowanej w 1924 roku w Stahl und Eisen Handbuch, napisano [1]: Materiał uważa się za spawalny, jeżeli różne części ze stali o podobnym składzie chemicznym dają się połączyć w jedną całość, przy użyciu ciepła.

Definicja, która powstała w połowie lat 30. uwzględniała już pewne aspekty technologiczne procesu spawania [2]: Spawalność jest to własność nie tylko spawanego materiału, lecz jest ona zależna od metody spawania i materiału dodatkowego.

W latach 60. w Międzynarodowym Instytucie Spawalnictwa opracowana została definicja spawalności, która w tłumaczeniu na polski ma następujące brzmienie [3]: Uważa się, że materiał metaliczny jest spawalny w ustalonym stopniu przy użyciu danego procesu i do danego zastosowania, gdy przy odpowiednim sposobie postępowania można uzyskać ciągłość metaliczną za pomocą spawania, a połączenia spełniają wymagania dotyczące ich miejscowych własności i ich wpływu na konstrukcję, w skład której wchodzą.

13

Definicja ta została przyjęta przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO).

Przytoczona definicja spawalności podaje, w jakim wypadku uważa się materiał za spawalny oraz jakie czynniki wpływają na spawalność, nie określa jednak w sposób bezpośredni, co należy rozumieć przez pojęcie „spawalność”. Poza tym definicja ta nie stanowi dogodnej bazy do opracowania systemu oceny spawalności stali opartej na zespole wskaźników charakteryzujących w sposób ilościowy wpływ poszczególnych czynników na spawalność. Została opracowana w latach 60., uwzględnia więc ówczesną wiedzę spawalniczą.

Również w kraju podejmowano próby sformułowania definicji spawalności. Według J. Pilarczyka [4]: Spawalność jest to zdolność do tworzenia za pomocą spawania złączy o wymaganych właściwościach fizycznych, zdolnych do przenoszenia obciążeń przewidzianych dla danego rodzaju konstrukcji, do wykonania której dana stal ma być użyta.

M. Myśliwiec definiuje ją zaś następująco [5]: Spawalność jest to prawdopodobieństwo zdarzenia, polegającego na tym, że złącza spawane wykonane z danego metalu, za pomocą określonego procesu technologicznego spawania, będą pracowały w sposób niezawodny w wymaganych warunkach eksploatacyjnych przez zadany okres.

Norma DIN 8528 z 1969 r. wprowadza termin „spawalność elementu konstrukcji”, a zatem opisuje nie spawalność ogólną, rozpatrywaną w oderwaniu od konstrukcji, lecz spawalność podporządkowaną określonemu elementowi konstrukcji. Spawalność nie jest więc pojęciem związanym wyłącznie z materiałem spawanym, a zatem nie jest własnością samego materiału.

Jest to pojęcie szersze, związane z określonym elementem konstrukcji spawanej. Norma DIN wprowadza trzy dodatkowe pojęcia: 1) przydatność do spawania, 2) możliwość spawania, 3) bezpieczeństwo spawania.

Schemat pojęcia spawalności elementu konstrukcji według tej normy pokazano na rysunku 1.1. Schemat ten został nadmiernie rozbudowany i z praktycznego punktu widzenia bardziej słuszne jest przedstawienie pojęcia spawalności w postaci wektora R (rys. 1.2). W ten sposób zagadnienie upraszcza się.

Wszystkie czynniki wpływające na spawalność elementu konstrukcji (na wektor R) można podzielić na trzy grupy, a problem spawalności rozpatrywany jest na ogół z trzech punktów widzenia: 1) spawalności technologicznej, 2) spawalności metalurgicznej, 3) spawalności konstrukcyjnej.

Spawalność technologiczną określają czynniki związane z technologią wykonania i parametrami spawania (metoda spawania, energia źródła ciepła, prędkość spawania itp.) oraz wpływem tej technologii na własności złącza. Przykładem problemów wchodzących w zakres spawalności technologicznej są: właściwy dobór warunków i parametrów spawania, problem spawania metali o dużej przewodności cieplnej, na przykład miedzi.

14

!

Rys. 1.1. Schematyczne przedstawienie pojęcia spawalności elementu konstrukcji wg DIN 8528

Rys. 1.2. Przedstawienie pojęcia spawalności jako wektora R [1]

15

Spawalność metalurgiczna obejmuje zmiany i przemiany strukturalne materiału rodzimego będące wynikiem procesu spawania. Zależy ona od składu chemicznego, stopnia zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, sposobu prowadzenia i wykańczania wytopu, struktury wynikającej z przeróbki plastycznej lub obróbki cieplnej. Problemami wchodzącymi w zakres spawalności metalurgicznej są: powstawanie pęknięć gorących krystalizacyjnych i segregacyjnych, pęknięć zimnych, lamelarnych i relaksacyjnych, spawanie stali po obróbce cieplnej (zmiany struktury obróbki), tworzenie się kruchych struktur hartowania w procesie spawania, w wypadku spawania miedzi tworzenie się kruchej eutektyki Cu-Cu2O itp.

Spawalność konstrukcyjna obejmuje wszystkie czynniki dotyczące przystosowania się materiału do naprężeń, które w nim powstają w wyniku operacji spawania (w czasie i po spawaniu) oraz w eksploatacji. Zależy ona od grubości i kształtu elementów spawanych, stopnia usztywnienia, rodzaju złącz, granicy plastyczności materiału spawanego, stopiwa itp.

Spawalność konstrukcyjna obejmuje wszystkie problemy związane z przystosowywaniem się materiału w czasie spawania do odkształceń wywołanych naprężeniami spawalniczymi i naprężeniami wynikającymi z oddziaływania konstrukcji na złącze, a zatem wpływem naprężeń na skłonność do pęknięć (zimnych, gorących, lamelarnych i relaksacyjnych), a ponadto problemy związane z tworzeniem się i rozprzestrzenianiem pęknięć spowodowanych działaniem karbu (pęknięcia kruche).

Rysunek 1.3 potwierdza słuszność określenia pojęcia spawalności jako wektora R. Widać na nim, że technologiczne parametry spawania, materiał i własności złącza oraz czynniki konstrukcyjne są wzajemnie powiązane zależnościami i spawalności nie można rozpatrywać jako pojęcia oderwanego od nich.

Od czasu opracowania przywołanych definicji badania i praktyka spawalnicza uległy pogłębieniu i poszerzeniu, lepiej poznano czynniki wpływające na zachowanie się metalu i konstrukcji podczas spawania. Wiedza dotycząca nowych zjawisk i rządzących nimi prawidłości oraz opracowanie nowych metod badawczych pozwalają na rozróżnienie wpływu poszczególnych czynników na spawalność oraz ilościowe określenie tego wpływu. Umożliwiło to opracowanie określonego zestawu prób dających zespół wskaźników, w większości o charakterze liczbowym. Biorąc powyższe pod uwagę, w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach opracowano Polską Normę zawierającą następującą definicję spajalności metali (pojęcie szersze obejmujące spawalność, zgrzewalność i lutowalność) oraz czynników wpływających na jej ocenę [6–8]: Spajalność wyraża przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie do utworzenia w określonych warunkach spajania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności.

Zaproponowana definicja została tak sformułowana, aby obejmowała w sposób przejrzysty istotne czynniki wpływające na spajalność.

Powyższa definicja charakteryzuje ogólnie spajalność metali, jednak ze względu na bardzo duży udział stali w wytwarzaniu konstrukcji spawanych objaśnienia kolejnych pojęć odniesiono do stali.

Wrażliwość na spajanie wyraża reakcję metalu na procesy wywołane określonymi warunkami spajania. Stanowi zatem podstawowy czynnik materiałowy zależny od sposobu wytapiania stali i jej obróbki, a tym samym od składu chemicznego i struktury stali. Skład 16

chemiczny stali wpĹ‚ywa na charakter przemian fazowych w streďŹ e wpĹ‚ywu ciepĹ‚a pod wpĹ‚ywem cykli cieplnych spawania oraz zwiÄ…zanÄ… z nimi twardość strefy oraz jej skĹ‚onność do pÄ™knięć zimnych. ZwiÄ™kszona zawartość siarki w materiale rodzimym moĹźe spowodować

!

" " " ! !

# $

!

& !' !

( $

!

!

%

! )

!

% $ )

%

#

#

Rys. 1.2. Współzaleşność między poszczególnymi grupami spawalności metalurgicznej, technologicznej i konstrukcyjnej [1]

17

powstanie pęknięć segregacyjnych (likwacyjnych) w przyspoinowym obszarze SWC oraz wzrost skłonności do powstawania pęknięć lamelarnych w procesie spawania. W wyniku wymieszania metalu spoiwa z nadtopionym materiałem rodzimym, o podwyższonej zawartości siarki, w spoinie mogą powstać pęknięcia krystalizacyjne wskutek segregacji na granicach krzepnących krystalitów składników o niższej temperaturze topnienia. Celowo wprowadzone do stali mikrododatki niobu, wanadu i tytanu mogą również zwiększyć skłonność do powstawania pęknięć w spoinie oraz być przyczyną spadku jej udarności. Z powyższego wynika, że skład chemiczny stali wpływa nie tylko na własności SWC, ale może również oddziaływać na własności samej spoiny.

Dbałość o odpowiednio małą wrażliwość na spajanie winna rozpoczynać się na etapie opracowania nowego gatunku stali oraz być kontynuowana w czasie jej wytopu i dalszego przerobu. Zapewnienie przez producenta jedynie podstawowych własności mechanicznych (Re, Rm, A5, Z oraz udarności) stali przeznaczonej na konstrukcje spawane jest warunkiem niewystarczającym. Producent musi dodatkowo zapewnić możliwość uzyskania połączeń spawanych bez pęknięć i o wymaganych własnościach poprzez dostarczenie stali o odpowiedniej wrażliwości na spajanie. Jednym z podstawowych wskaźników charakteryzujących wrażliwość na spajanie stali jest równoważnik chemiczny węgla (Ce), od wartości którego zależy stopień utwardzenia SWC oraz skłonność do pęknięć zimnych.

Warunki spajania obejmujące zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych oddziałujących na spajane złącze w czasie jego wykonywania stanowią drugi istotny czynnik wpływający na spajalność danej stali. W zależności od zastosowanej metody i parametrów spawania, zmienia się ilość ciepła wprowadzonego do złącza, a tym samym charakter cyklu cieplnego wpływającego na szybkość chłodzenia SWC, ilość przetopionego metalu i wynikające stąd naprężenia skurczowe. Od stosowanej metody spawania i rodzaju materiałów dodatkowych zależy ilość wprowadzonego do spoiny wodoru, który w istotny sposób wpływa na powstawanie pęknięć zimnych. Kolejność układania poszczególnych ściegów oraz wstępne podgrzanie wpływają w zasadniczy sposób na warunki chłodzenia złącza oraz poziom naprężeń. Takie czynniki konstrukcyjne jak grubość spawanej stali, rodzaj złącza spawanego oraz stopień jego utwierdzenia wywierają duży wpływ na skłonność do powstawania pęknięć.

Wpływ czynników technologicznych i konstrukcyjnych na spawalność stali określa się na podstawie odpowiednich prób pękania gorącego i zimnego.

Użyteczność jest wynikiem własności złącza i określa możliwość jego wykorzystania w danych warunkach eksploatacji. Ustala się ją poprzez porównanie wskaźników spawalności z wymogami norm i przepisów dotyczących warunków wykonywania i odbioru poszczególnych typów konstrukcji spawanych (np. zbiorniki ciśnieniowe, kotły dla energetyki, rurociągi, kadłuby statków). Gdy stal o danej wrażliwości na spajanie w zastosowanych warunkach spawania ma wskaźniki spawalności spełniające wymagania określonych norm lub przepisów, wówczas uważa się, że jest przydatna do zastosowania w danej konstrukcji spawanej, a jej spawalność jest zadowalająca. Jeżeli wskaźniki spawalności nie spełniają tych wymogów, to spawalność stali jest niezadowalająca. Należy wtedy dobrać inny gatunek stali (o mniejszej wrażliwości na spajanie) lub zmienić warunki spawania na odpowiedniejsze.

18

1.2. Wpływ składników stopowych na spawalność stali Własności fizyczne stali związane są głównie z jej składem chemicznym i obróbką cieplną, przy czym wpływ poszczególnych składników stopowych zależy nie tylko od rodzaju pierwiastka i jego ilości, lecz także od obecności innych pierwiastków. Ponieważ spawalność stali jest uzależniona głównie od zmian własności mechanicznych w czasie spawania, dlatego jej skład chemiczny w dużej mierze decyduje o spawalności. Ze wszystkich pierwiastków węgiel jest składnikiem w największej mierze oddziałującym na spawalność.

Węgiel występuje w stali w postaci węglików (Fe3C, Cr23C6, TiC, Mo2C, VC i innych).

Zawartość węgla w zasadniczy sposób wpływa na własności mechaniczne stali i jej strukturę, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie, granicę plastyczności i twardość, a zmniejszając udarność, przewężenie i wydłużenie. Należy jednak zdawać sobie sprawę, w jakiej stali występuje węgiel, aby właściwie określić jego dopuszczalne granice. Stal węglowa zawierająca do 0,25% węgla jest dobrze spawalna, gdy nie zawiera innych składników stopowych w znaczących ilościach. Natomiast stal kwasoodporna zawierająca 18% Cr i 8% Ni przy tej samej zawartości węgla jest trudno spawalna. Jednak wysoko manganowa stal Hadfielda (14% Mn i 1,0÷1,4% C) jest dobrze spawalna, z tym że po spawaniu musi zostać szybko schłodzona.

W wypadku stali węglowych spawalność ich pogarsza się gwałtownie przy zwiększeniu zawartości węgla powyżej 0,25% (w stalach niskostopowych powyżej 0,15÷0,20%), gdyż wskutek skłonności stali do hartowania się w spoinie i w strefie wpływu ciepła występują struktury skłonne do pęknięć.

Mangan w małych ilościach poprawia spawalność stali, natomiast w ilościach większych jego wpływ na spawalność zależy od zawartości w stali innych pierwiastków, a przede wszystkim węgla. W związku z tym w spawalnych stalach konstrukcyjnych o wyższej wytrzymałości ograniczono zawartość manganu do około 2,0% przy zawartości węgla maksimum 0,15% (dla elementów o niezbyt dużej grubości) i do 1,6% przy tej samej zawartości węgla (dla elementów o znacznej grubości). W celu zahamowania rozrostu ziarna i zmniejszenia wrażliwości spawalnych stali manganowych na przegrzanie wprowadza się do nich pierwiastki węglikotwórcze (Ti, V, Nb), które tworzą trwałe węgliki lub azotki o wyższej temperaturze rozpuszczania. W wyniku tego zmniejsza się możliwość przegrzania stali i powstania kruchych składników strukturalnych w strefie przejściowej złącza spawanego. Wprowadzenie do stali manganowej pierwiastków węglikotwórczych zapewnia tworzenie się struktury drobnoziarnistej i zwiększa wytrzymałość stali, nie obniżając jej własności plastycznych.

Krzem w ilościach spotykanych w stalach konstrukcyjnych (do 0,5%) nie wpływa na spawalność. Pogorszenie spawalności następuje przy zawartości krzemu powyżej 0,7÷0,8%.

Krzem utrudnia przeróbkę plastyczną na gorąco i może powodować rozwarstwienie się blach walcowanych, co przy silnym nagrzaniu w czasie spawania i następnym skurczu doprowadza do całkowitego oddzielenia się poszczególnych warstw (pęknięcia lamelarne) i zniszczenia konstrukcji. Oprócz tego, krzem hamuje przebieg przemian fazowych, przez co przy większych zawartościach zwiększa hartowność stali.

Chrom należy do podstawowych składników stali stopowych, ponieważ wpływa w zasadniczy sposób na ich własności, a przede wszystkim hartowność. Już przy stosunkowo niewielkiej zawartości chromu (0,3÷0,4%) następuje znaczne utwardzenie się strefy 19

przejściowej spawanej stali, a spawanie stali o wyższej zawartości chromu jest możliwe tylko przy stosowaniu podgrzewania wstępnego. W wielu przypadkach konieczne jest stosowanie obróbki cieplnej złącza po spawaniu.

Nikiel podobnie jak chrom zwiększa hartowność stali, sprzyjając równocześnie powstaniu drobnoziarnistej struktury i zmniejszając w ten sposób wrażliwość stali na przegrzanie.

W miarę wzrostu zawartości niklu w stalach niklowych (o zawartości 1÷5% Ni i poniżej 0,15% C) powstaje, nawet przy stosunkowo powolnym chłodzeniu, struktura drobnego bainitu.

W miarę wzrostu zawartości niklu w stalach niskowęglowych pogarsza się zatem ich spawalność. Stale niklowe martenzytyczne mają wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności, są twarde, kruche i praktycznie niespawalne. Stale chromowo-niklowe austenityczne zawierają powyżej 8% niklu, odznaczają się dobrą wytrzymałością, wydłużeniem i udarnością, a także znaczną odpornością na korozję w kwasach. Są dobrze spawalne z uwagi na to, że mają strukturę austenityczną, ale tylko pod warunkiem niewielkiej zawartości węgla (maksimum 0,1÷0,12%).

Molibden zwiększa hartowność stali i z tego powodu w większości stali węglowych zawartość jego jest ograniczona do 0,35%. Nawet przy stosunkowo małej zawartości (0,5÷1,0%) zwiększa wytrzymałość na pełzanie i żaroodporność. Dlatego też jest jednym z głównych (oprócz chromu) składników stali stosowanych w energetyce, pracujących w podwyższonych temperaturach przy dużych obciążeniach. Ze względu na hartowanie się strefy wpływu ciepła tych stali niezbędne jest stosowanie podgrzewania przed spawaniem i obróbki cieplnej złącz po spawaniu. Dodatek 2÷5% molibdenu do austenitycznych stali chromowo-niklowych nie pogarsza ich spawalności. Powoduje natomiast powstawanie w strukturze stali austenitycznych niedużych ilości ferrytu, przez co poprawia odporność spoin na pęknięcia gorące.

Aluminium ze względu na duże powinowactwo z tlenem stosowane jest jako odtleniacz. Nadmiar aluminium po odtlenieniu w ilości minimum 0,02% tworzy azotki AlN, które hamują rozrost ziaren do temperatury około 950°C. Małe ilości aluminium nie wpływają na zmianę własności mechanicznych stali, jednak jego 2–3-procentowy dodatek wywołuje znaczny spadek udarności i przewężenia oraz w pewnym stopniu zwiększa kruchość stali na gorąco. Wymienione własności aluminium decydują o jego wpływie na spawalność stali.

Wprowadzone do stali w małych ilościach zmniejsza jej skłonność do hartowania się i hamuje rozrost ziaren w SWC, poprawiając w ten sposób spawalność stali. Natomiast stale o większej zawartości aluminium (ponad 1%) są trudno spawalne. Aluminium zwęża zakres krzepnięcia stali wskutek czego stal szybko przechodzi ze stanu stałego w ciekły, co uniemożliwia w ogóle spawanie łukowe blach cienkich.

Wanad, niob i tytan tworzą z węglem i azotem trwałe węgliki, azotki lub węglikoazotki typu M(CN). Tworzenie się cementytu w stalach zawierających te pierwiastki jest możliwe tylko wtedy, gdy po powstaniu trwałych węglików pozostanie jeszcze pewna ilość niezwiązanego węgla. Węgliki, azotki lub węglikoazotki wanadu, tytanu lub niobu w czasie nagrzewania w SWC poniżej 1250°C nie ulegają całkowitemu rozpuszczeniu, a zatem stają się zarodkami nowopowstających ziaren przy chłodzeniu, dzięki czemu stal ma strukturę drobnoziarnistą. Całkowite rozpuszczenie węglików lub węglikoazotków następuje w wysokiej temperaturze, dlatego strefa gruboziarnista jest bardzo wąska. Nawet nieduży dodatek tych pierwiastków do stali przyczynia się do otrzymania struktury drobnoziarnistej w strefie wpływu 20

ciepĹ&#x201A;a. Maksymalne dodatki tych pierwiastkĂłw do stali wynoszÄ&#x2026;: Nb < 0,05%, Ti < 0,05%, V < 0,1%, toteĹź pierwiastki te nazywane sÄ&#x2026; mikrododatkami.

Mikrododatki niobu, wanadu i tytanu rozpuszczone w SWC podnoszÄ&#x2026; hartownoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tego obszaru, a tym samym zwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026; twardoĹ&#x203A;Ä&#x2021; po ochĹ&#x201A;odzeniu. Jest to wpĹ&#x201A;yw niekorzystny.

Jednak zwiÄ&#x2026;zki niobu, wanadu i tytanu rozpuszczajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; w temperaturach 1150á1300°C, a zatem wyĹźszych niĹź AlN, przez co skutecznie hamujÄ&#x2026; rozrost ziarna austenitu i znacznie zawÄ&#x2122;ĹźajÄ&#x2026; szerokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; obszaru gruboziarnistego. Mimo Ĺźe obszar gruboziarnisty SWC ma nieco wiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; twardoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, to jednak znaczne zwÄ&#x2122;Ĺźenie tego obszaru powoduje, Ĺźe wprowadzenie do stali mikrododatkĂłw wywoĹ&#x201A;uje podwyĹźszenie udarnoĹ&#x203A;ci SWC, a przez to jej spawalnoĹ&#x203A;ci.

Schemat korzystnego wpĹ&#x201A;ywu mikrododatkĂłw na udarnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; SWC ilustruje rysunek 1.4.

MikrododatkĂłw nie naleĹźy stosowaÄ&#x2021; do elektrod i drutĂłw spawalniczych. W procesie krzepniÄ&#x2122;cia tworzÄ&#x2026; one dendrytyczne wÄ&#x2122;gliki lub wÄ&#x2122;glikoazotki rozmieszczone po granicach ziaren (krystalitĂłw). Powoduje to znaczne zwiÄ&#x2122;kszenie kruchoĹ&#x203A;ci spoiny. Przy wprowadzaniu mikrododatkĂłw, zwĹ&#x201A;aszcza tytanu i niobu, naleĹźy ograniczaÄ&#x2021; w stali zawartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; siarki. Siarka tworzy z tytanem (niobem) i wÄ&#x2122;glem dendrytyczne (eutektyczne) wÄ&#x2122;gliko-siarczki, na przykĹ&#x201A;ad Ti4S2C2, ktĂłre zwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026; skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania na gorÄ&#x2026;co.

!

!

Rys. 1.4. Mechanizm korzystnego wpĹ&#x201A;ywu mikrododatkĂłw na udarnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; strefy wpĹ&#x201A;ywu ciepĹ&#x201A;a

Wolfram w stalach wÄ&#x2122;glowych zwiÄ&#x2122;ksza twardoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; i granicÄ&#x2122; plastycznoĹ&#x203A;ci.

Nadaje stali strukturÄ&#x2122; drobnoziarnistÄ&#x2026;, co jest wynikiem zdolnoĹ&#x203A;ci do tworzenia trudno rozpuszczalnych wÄ&#x2122;glikĂłw. HartownoĹ&#x203A;Ä&#x2021; stali pierwiastek ten podwyĹźsza w niewielkim stopniu.

Wolfram pogarsza spawalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; stali, podnoszÄ&#x2026;c znacznie twardoĹ&#x203A;Ä&#x2021; SWC, szczegĂłlnie przy zwiÄ&#x2122;kszonej zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla. W stalach austenitycznych zawierajÄ&#x2026;cych niewielkÄ&#x2026; iloĹ&#x203A;Ä&#x2021; wÄ&#x2122;gla (poniĹźej 0,15%) dodatek wolframu siÄ&#x2122;gajÄ&#x2026;cy okoĹ&#x201A;o 3% nie pogarsza ich spawalnoĹ&#x203A;ci.

MiedĹş zwiÄ&#x2122;ksza wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; i granicÄ&#x2122; plastycznoĹ&#x203A;ci stali, nie pogarszajÄ&#x2026;c zbytnio jej wĹ&#x201A;asnoĹ&#x203A;ci plastycznych, a rĂłwnoczeĹ&#x203A;nie uodparnia stal na dziaĹ&#x201A;anie korozji atmosferycznej i niektĂłrych rozcieĹ&#x201E;czonych kwasĂłw. W iloĹ&#x203A;ciach spotykanych zwykle w stalach (do okoĹ&#x201A;o 0,5%) miedĹş nie pogarsza spawalnoĹ&#x203A;ci. Jednak wiÄ&#x2122;ksza zawartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; miedzi, na przykĹ&#x201A;ad w stalach nierdzewnych martenzytycznych utwardzanych wydzieleniowo miedziÄ&#x2026;, wywoĹ&#x201A;uje 21

w SWC pękanie na gorąco [9]. Niebezpieczne jest również zanieczyszczenie powierzchni stali miedzią, między innymi wskutek elektrochemicznego osadzenia lub potarcia mosiężną końcówką palnika. Miedź topi się w temperaturze 1083°C i w obecności naprężeń bardzo dobrze zwilża stal, rozpływając się po granicach ziaren. Obecność cieczy na granicach ziaren i odkształcenia wywołane skurczem przy krzepnięciu i chłodzeniu powodują powstanie pęknięć na gorąco w spoinie lub w SWC. Podobnie nieumiejętne spawanie na podkładce miedzianej może doprowadzić do przetopienia miedzi i dostanie się jej do spoiny. Badania [10] wykazały, że krytyczne naprężenie wywołujące natychmiastowe pękanie stali w temperaturze 1100°C w obecności warstewki płynnej miedzi wynosi około 12 MPa. Fosfor zwiększa wytrzymałość, granicę plastyczności, twardość i wytrzymałość na zmęczenie, zmniejsza natomiast wydłużenie i udarność. W ilościach spotykanych w stalach konstrukcyjnych (do 0,05%) nie zwiększa hartowności strefy przejściowej spawanego złącza. Powyżej 0,05% wywołuje gruboziarnistość stali i znacznie zwiększa jej kruchość.

Fosfor wykazuje znaczną skłonność do segregacji, przez co w obszarach o zwiększonej koncentracji (w środku grubości blachy) może powodować powstawanie pęknięć gorących lub zimnych.

Siarka, podobnie jak fosfor, wykazuje dużą skłonność do segregacji i w związku z tym – o ile występuje w większych ilościach (nawet w granicach dopuszczalnych normą) – pogarsza spawalność stali. Z żelazem tworzy siarczek FeS, który z austenitem (lub z FeO i austenitem) daje niskotopliwe eutektyki będące przyczyną powstawania pęknięć gorących w spoinie lub w strefie wpływu ciepła. W stalach o podwyższonej wytrzymałości, zwłaszcza po regulowanym walcowaniu, rozwalcowane siarczki manganu są przyczyną pęknięć lamelarnych. Ogólnie przyjmuje się, że im niższa jest zawartość siarki w stali, tym spawalność jest lepsza, a własności plastyczne (udarność) wyższe. W stalach do specjalnych zastosowań, na przykład na rurociągi do transportu gazu ziemnego zawierającego wilgotny H2S, zawartość siarki nie powinna przekraczać 0,002%. Większe zawartości siarki powodują powstanie pęknięć wodorowych HIC (Hydrogen Induced Cracking) w czasie eksploatacji lub wystąpienie korozji naprężeniowej SSC (Sulfide Stress Corrosion).

Na podstawie znajomości składu chemicznego stali można wstępnie w sposób przybliżony określić jej własności spawalnicze w oparciu o obliczeniowe wskaźniki spawalności (Ce, H.C.S., PCM itp.). Zagadnienie to zostanie szczegółowo omówione w następnych rozdziałach.

2. Pękanie połączeń spawanych

Przyjmując za kryterium klasyfikacji pęknięć okres, w którym one występują, i przyczyny ich powstawania, pęknięcia w złączach spawanych można podzielić na dwie grupy: 1. Pęknięcia technologiczne. Powstają one podczas spawania lub po pewnym czasie od jego zakończenia, gdy na złącze nie działają jeszcze naprężenia od obciążeń eksploatacyjnych, i dzielą się na: – gorące, – zimne, – lamelarne, – wyżarzeniowe.

2. Pęknięcia eksploatacyjne. Występują one po długim czasie od zakończenia spawania konstrukcji, gdy jest ona poddana obciążeniom eksploatacyjnym. Można je podzielić na: – kruche, – zmęczeniowe.

Pęknięcia technologiczne powstające w procesie spawania i po jego zakończeniu mogą być spowodowane: – kruchością, która może występować: • w wysokich temperaturach powyżej 0,5 Tt, powodując powstawanie tzw. pęknięć gorących (Tt – temperatura topnienia [K]), • pod wpływem tworzenia się martenzytu lub obecności wodoru w stali, przyczyniając się do występowania tzw. pęknięć zimnych; – naprężeniami i odkształceniami w złączach spawanych wynikającymi z procesu krzepnięcia i stygnięcia spoin i związanym z tym zjawiskiem skurczu; tworzą się wówczas pęknięcia lamelarne i pęknięcia wyżarzeniowe (relaksacyjne).

2.1. Pęknięcia gorące Pęknięcia gorące są jednymi z najczęściej występujących defektów (niezgodności spawalniczych) powstających przy spawaniu. Ich powstawanie uwarunkowane jest: – składem chemicznym metalu spoiny, – warunkami i charakterem procesu krystalizacji, 23

– stopniem rozwoju wewnątrzkrystalicznej niejednorodności, – konstrukcją i sztywnością połączenia spawanego.

Ze względu na miejsce powstania, pęknięcia gorące dzielimy na: – pęknięcia krystalizacyjne w spoinie (rys. 2.1), – pęknięcia segregacyjne w strefie wpływu ciepła i w spoinie w pobliżu linii wtopienia (rys. 2.2).

a)

b)

Rys. 2.1. Pęknięcie krystalizacyjne w spoinie: a) stali niestopowej, b) stali austenitycznej

Rys. 2.2. Makrostruktura spoiny wykonanej łukiem krytym pod topnikiem z widocznym pęknięciem segregacyjnym rozwijającym się w pobliżu linii wtopienia (w strefie wpływu ciepła i w spoinie)

2.1.1. Pęknięcia krystalizacyjne w spoinie Charakterystyczną cechą pęknięć gorących krystalizacyjnych jest ich usytuowanie w osi spoiny. W procesie spawania krystalizujący metal spoiny znajduje się pod wpływem naprężeń rozciągających. Naprężenia te powstają w wyniku nieswobodnego skurczu spoiny i stygnięcia nierównomiernie nagrzanego materiału spawanego. Pod wpływem tych naprężeń metal spoiny odkształca się, a przy niedostatecznej zdolności do odkształceń – pęka. Podczas krystalizacji stopy przechodzą przez stadium stało-ciekłego stanu w zakresie temperatury likwidus–solidus.

24

Proces pÄ&#x2122;kania w czasie krzepniÄ&#x2122;cia przebiega w tzw. zakresie kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej (ZKW). Zakres kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej jest ograniczony od gĂłry tzw. temperaturÄ&#x2026; wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci zerowej NST (Nil Strength Temperature), to znaczy najniĹźszÄ&#x2026; temperaturÄ&#x2026;, przy ktĂłrej materiaĹ&#x201A; ulega zerwaniu przy zerowym poziomie naprÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E;, a od doĹ&#x201A;u temperaturÄ&#x2026; powrotu ciÄ&#x2026;gliwoĹ&#x203A;ci DRT (Ductility Recovery Temperature). PoĹ&#x201A;oĹźenie tych temperatur ilustruje rysunek 2.3.

Rys. 2.3. Schemat zmian plastycznoĹ&#x203A;ci stopu podczas nagrzewania i chĹ&#x201A;odzenia oraz lokalizacja: temperatury ciÄ&#x2026;gliwoĹ&#x203A;ci zerowej (NDT), temperatury zerowej wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci (NST) i temperatury powrotu ciÄ&#x2026;gliwoĹ&#x203A;ci przy chĹ&#x201A;odzeniu (DRT)

Na rysunku 2.3 zaznaczono rĂłwnieĹź temperaturÄ&#x2122; ciÄ&#x2026;gliwoĹ&#x203A;ci zerowej NDT (Nil Ductility Temperature), czyli temperaturÄ&#x2122;, przy ktĂłrej podczas nagrzewania materiaĹ&#x201A; pÄ&#x2122;ka z przewÄ&#x2122;Ĺźeniem rĂłwnym zeru. W procesie krystalizacji po ochĹ&#x201A;odzeniu do temperatury NST ziarna zaczynajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; ze sobÄ&#x2026; stykaÄ&#x2021;, tworzÄ&#x2026;c â&#x20AC;&#x17E;mostkiâ&#x20AC;? (rys. 2.4).

Rys. 2.4. Charakterystyczne miejsca styku dendrytĂłw, czyli â&#x20AC;&#x17E;mostkiâ&#x20AC;? (M) na powierzchni pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia gorÄ&#x2026;cego w spoinie stali: a) S235JR, b) S355J2G3

25

Utrudniona zostaje wówczas swobodna cyrkulacja cieczy odpowiedzialna za plastyczność stopu. Poniżej temperatury NST metal spoiny ma już pewną wytrzymałość mechaniczną, jednak granice styków krystalitów nie są jeszcze zdolne do przenoszenia odkształceń plastycznych. Temperaturę, w której następuje ten proces, nazywamy górną granicą ZKW. Odkształcenia skurczowe mogą więc doprowadzić do powstawania mikropęknięć (mikroszczelin) na granicach krystalitów, na których proces krystalizacji jeszcze się nie zakończył.

Powstałe pęknięcia (szczeliny) nie są usuwane w wyniku dopływu ciekłego metalu, przez tzw. samozaleczenie, gdyż postępujący proces krystalizacji zamyka jego dopływ. W procesie dalszego chłodzenia krzepną warstwy międzydendrytyczne, a ich wytrzymałość osiąga wartość umożliwiającą przejęcie przez kryształy odkształceń plastycznych. Od tego momentu odkształcenie metalu zachodzi w wyniku transkrystalicznych poślizgów, a zerwana próbka ma już określone wydłużenie (przewężenie) większe od zera. Temperaturę, przy której to następuje, nazywa się temperaturą DRT lub dolną granicą ZKW. Mechanizm pękania spoin w czasie krystalizacji można wyjaśnić na przykładzie stopu tworzącego układ z eutektyką (rys. 2.5). W czasie krystalizacji w zakresie temperatury likwidus–solidus stopy przechodzą przez stan dwufazowy stało-ciekły. W pierwszym etapie krystalizacji jeziorka, kiedy ciekła faza ma możliwość swobodnej cyrkulacji między rosnącymi krystalitami, plastyczność metalu określona własnościami cieczy jest wysoka (stadium I na rys. 2.5). W miarę wzrostu objętości fazy stałej rozrastające się krystality zaczynają stykać się ze sobą, tworząc tzw. mostki (rys. 2.5b, 2.4). a)

b)

Temperatura, zapas plastyczności , skurcz

a

A

1

2 3 4

Stadium I Stadium II

5

c

Zawartość pierwiastka B

Rys. 2.5. Mechanizm tworzenia się pęknięć gorących przy krystalizacji eutektycznych stopów: a) zmiana efektywnego zakresu krystalizacji ΔTe, skurczu liniowego ε i wskaźnika skłonności do pęknięć (zapasu plastyczności) A w zależności od koncentracji domieszki (dodatku stopowego), b) schemat zmian ilości krystalitów i fazy ciekłej w czasie krystalizacji (odpowiednio w punktach 1–5 zaznaczonych na rysunku 2.5a dla stopu o składzie cx)

26

Powstanie mostkĂłw utrudnia swobodnÄ&#x2026; cyrkulacjÄ&#x2122; cieczy, a odksztaĹ&#x201A;cenia skurczowe mogÄ&#x2026; doprowadziÄ&#x2021; do powstawania mikropÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; (mikroszczelin) na granicach krystalitĂłw, na ktĂłrych proces krystalizacji jeszcze siÄ&#x2122; nie zakoĹ&#x201E;czyĹ&#x201A; (rys. 2.5, punkt 5). PoniĹźej temperatury DRT (dolnej granicy ZKW) zakrzepĹ&#x201A;y metal spoiny ma dostatecznÄ&#x2026; plastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021;, a odksztaĹ&#x201A;cenie materiaĹ&#x201A;u zachodzi w wyniku transkrystalicznych poĹ&#x203A;lizgĂłw.

W stopach wielofazowych, ktĂłre krystalizujÄ&#x2026; w ten sposĂłb, Ĺźe miÄ&#x2122;dzy ziarnami (dendrytami) osnowy znajdujÄ&#x2026; siÄ&#x2122; niskostopowe fazy w formie miÄ&#x2122;dzykrystalicznych warstewek, dolna granica ZWK zwykle znajduje siÄ&#x2122; w pobliĹźu nierĂłwnowagowej temperatury solidus Ts. Jednak kiedy niskotopliwe warstewki sÄ&#x2026; dostatecznie cienkie, tak Ĺźe ciepĹ&#x201A;a ich krystalizacji nie da siÄ&#x2122; zarejestrowaÄ&#x2021; za pomocÄ&#x2026; analizy termicznej, to nierĂłwnowagowa temperatura solidus jest zawyĹźona. Dolna granica ZKW jest wĂłwczas niĹźsza od Ts. W jednofazowych stopach dolna temperatura TZKW rĂłwna siÄ&#x2122; temperaturze solidus Ts jedynie wtedy, gdy efektywny zakres krystalizacji Î&#x201D;Te jest dostatecznie szeroki, a skurcz przy temperaturze solidus jest bardzo duĹźy.

Podczas krystalizacji czystych metali lub jednofazowych stopĂłw z wÄ&#x2026;skim zakresem krystalizacji, dajÄ&#x2026;cym strukturÄ&#x2122; komĂłrkowÄ&#x2026; ze sĹ&#x201A;abo rozwiniÄ&#x2122;tÄ&#x2026; wewnÄ&#x2026;trzkrystalicznÄ&#x2026; niejednorodnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026;, dolna granica ZKW znajduje siÄ&#x2122; znacznie poniĹźej Ts. PÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia gorÄ&#x2026;ce powstajÄ&#x2026; wĂłwczas na granicach krysztaĹ&#x201A;Ăłw w momencie, gdy stop jest juĹź w stanie staĹ&#x201A;ym. SprzyjajÄ&#x2026; temu stosunkowo gĹ&#x201A;adkie granice krysztaĹ&#x201A;Ăłw w spoinie. Na gĹ&#x201A;adkich granicach krysztaĹ&#x201A;Ăłw przy wysokiej temperaturze intensywnie rozwija siÄ&#x2122; proces poĹ&#x203A;lizgu prowadzÄ&#x2026;cy do miÄ&#x2122;dzykrystalicznego pÄ&#x2122;kania w kierunku prostopadĹ&#x201A;ym do dziaĹ&#x201A;ajÄ&#x2026;cych odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; skurczowych lub naprÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E; zewnÄ&#x2122;trznych. WpĹ&#x201A;yw charakteru krystalizacji na zapas plastycznoĹ&#x203A;ci stopu, a tym samym skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych, ilustruje rysunek 2.6.

#

#

! "

Rys. 2.6. WpĹ&#x201A;yw charakteru krystalizacji na plastycznoĹ&#x203A;Ä&#x2021; stopu (wielkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; dopuszczalnych odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E;) ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [11]

27

Z przedstawionego na rysunku 2.6 schematu wynika, Ĺźe najwiÄ&#x2122;kszÄ&#x2026; skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania majÄ&#x2026; spoiny, w ktĂłrych w czasie krzepniÄ&#x2122;cia powstaje struktura komĂłrkowa. PÄ&#x2122;kaniu tych spoin sprzyjajÄ&#x2026; stosunkowo gĹ&#x201A;adkie powierzchnie granic komĂłrek, gdzie wystÄ&#x2122;puje silna segregacja niskotopliwych skĹ&#x201A;adnikĂłw. Przy krzepniÄ&#x2122;ciu komĂłrkowo-dendrytycznym powierzchnia wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwa granic krystalitĂłw jest wiÄ&#x2122;ksza, a zatem stÄ&#x2122;Ĺźenie niskotopliwych faz na jednostkÄ&#x2122; powierzchni mniejsze i mniejsza skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania. Ponadto podczas wzrostu dendryty komĂłrkowe wzajemnie zazÄ&#x2122;biajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; bocznymi gaĹ&#x201A;Ä&#x2122;ziami, przez co spoina uzyskuje dodatkowy wzrost wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;ci i obniĹźenie skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;ci do pÄ&#x2122;kania. Przy pĹ&#x201A;askim froncie krzepniÄ&#x2122;cia wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cym przewaĹźnie w czystych metalach nie ma segregacji, a zatem odpornoĹ&#x203A;Ä&#x2021; tych spoin na pÄ&#x2122;kanie krystalizacyjne jest duĹźa.

WedĹ&#x201A;ug Prochorowa [12, 13] tworzenie siÄ&#x2122; pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; gorÄ&#x2026;cych jest uzaleĹźnione od trzech czynnikĂłw: 1) wielkoĹ&#x203A;ci zakresu kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej Î&#x201D;TZKW, 2) zdolnoĹ&#x203A;ci do odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; plastycznych, 3) szybkoĹ&#x203A;ci narastania odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E;.

"# $

!

!

!

Rys. 2.7. Charakter zmian plastycznoĹ&#x203A;ci stopu (p) i odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; (Îľ) w zakresie temperatur krystalizacji: Îľsk â&#x20AC;&#x201C; odksztaĹ&#x201A;cenie wywoĹ&#x201A;ane skurczem swobodnym, Îľk â&#x20AC;&#x201C; odksztaĹ&#x201A;cenie wywoĹ&#x201A;ane zmianÄ&#x2026; ksztaĹ&#x201A;tu elementu; CST â&#x20AC;&#x201C; krytyczna szybkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; narastania odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E;, TL â&#x20AC;&#x201C; temperatura likwidus

Krzywa p na rysunku 2.7 przedstawia zmianÄ&#x2122; plastycznoĹ&#x203A;ci metalu w obszarze kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej. W pobliĹźu temperatury likwidus mieszanina cieczy i krysztaĹ&#x201A;Ăłw wykazuje duĹźÄ&#x2026; zdolnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E;. Tak samo duĹźÄ&#x2026; zdolnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; ma caĹ&#x201A;kowicie 28

zakrzepnięty metal (poniżej temperatury solidus). W miarę postępu krystalizacji plastyczność gwałtownie maleje, osiągając pewną wartość εmin, natomiast odkształcenie ε, związane ze skurczem spoiny εsk i zmianą kształtu elementu εk, zwiększa się ze spadkiem temperatury.

Pęknięcia powstają wówczas, gdy krzywe p = f(T) i ε = f(T) przecinają się, to jest gdy wewnętrzne odkształcenie materiału jest równe jego zdolności do odkształceń lub większe od niej. Można zatem stwierdzić, że skłonność do pęknięć gorących zależy od szerokości zakresu kruchości wysokotemperaturowej (ZKW), która jest w pewnej korelacji z zakresem temperatur krzepnięcia (likwidus–solidus) oraz od szybkości narastania odkształceń. Badania Sterenbogena [14] wykazały, że szerokość ZKW i krytyczna szybkość narastania odkształceń (Vkr) zależą od składu chemicznego i wynoszą: – dla stali niskowęglowych: ZKW = 238 S + 56,7 C – 3,6 Mn [K]

(2.1)

Vkr = 27,7 – 76 C – 184 S + 24 Mn2 [mm/min]

(2.2)

– dla stali niskostopowych: ZKW = 609 S + 113 C +20 Si – 8,7 Mn – 14 Mo [K]

(2.3)

Vkr = 19 – 42 C – 411 S –3,3 Si + 5,6 Mn + 6,7 Mo [mm/min]

(2.4)

gdzie: C, S, Si, Mo, Mn – zawartości pierwiastków [%].

Przedstawione równania wskazują, że głównymi składnikami zwiększającymi skłonność do pęknięć krystalizacyjnych w stali są węgiel i siarka. Trzecim pierwiastkiem znacznie rozszerzającym zakres krzepnięcia, a tym samym zakres kruchości wysokotemperaturowej, jest fosfor.

Na rysunku 2.7 minimalne odkształcenie wywołujące pęknięcie oznaczono przez Emin.

Pochylenie stycznej (–dε/dT) do krzywej plastyczności jest nazywane krytyczną szybkością narastania odkształceń z temperaturą CST (Critical Strain rate for Temperature drop).

Ogólnie można stwierdzić, że im mniejsza wartość εmin i większy zakres kruchości wysokotemperaturowej oraz mniejsza krytyczna szybkość narastania odkształceń, tym większa skłonność do powstawania pęknięć krystalizacyjnych.

Skłonność do pękania w czasie krzepnięcia można zmniejszyć, obniżając szybkość narastania odkształceń z temperaturą poniżej wartości krytycznej, to jest –dε/dT < CTS. Matematycznie –dε/dT = (∂ε/∂t) / (–∂T/∂t), gdzie t jest czasem. Szybkość odkształcania (∂ε/∂t) jest wynikiem swobodnego skurczu krzepnącej spoiny oraz zmiany kształtu stygnącego elementu i oddziaływania sztywnego sąsiadującego materiału spawanego.

Jeśli szybkość odkształcania ∂ε/∂t jest mała, a krzepnięcie spoiny określone przez szybkość chłodzenia (–∂T/∂t) wolne, to szybkość narastania odkształceń z temperaturą –dε/dT bywa mała i utrzymuje się poniżej CST. Spoina w tych warunkach może krzepnąć bez pękania. Pęknięć można uniknąć również, jeśli szybkość chłodzenia –∂T/∂t zostanie znacznie 29

podwyĹźszona, co zmniejsza â&#x20AC;&#x201C;dÎľ/dT do wartoĹ&#x203A;ci poniĹźej CST. MoĹźliwoĹ&#x203A;ci ograniczenia skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;ci do pÄ&#x2122;kania poprzez wzrost szybkoĹ&#x203A;ci krzepniÄ&#x2122;cia zostaĹ&#x201A;y potwierdzone przez Yanga [15], ktĂłry uniknÄ&#x2026;Ĺ&#x201A; pÄ&#x2122;kania spoin podczas spawania stopu aluminium 2024 metodÄ&#x2026; GTAW, kierujÄ&#x2026;c strumieĹ&#x201E; ciekĹ&#x201A;ego azotu na spoinÄ&#x2122; (poza jeziorkiem), co zwiÄ&#x2122;kszyĹ&#x201A;o szybkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; chĹ&#x201A;odzenia i krzepniÄ&#x2122;cia.

2.1.1.1. WpĹ&#x201A;yw wÄ&#x2122;gla, siarki i fosforu na proces pÄ&#x2122;kania Przy krystalizacji stali zawierajÄ&#x2026;cej poniĹźej 0,09% wÄ&#x2122;gla (rys. 2.8) z cieczy wydziela siÄ&#x2122; ferryt (δ), ktĂłry przy dalszym chĹ&#x201A;odzeniu przechodzi w austenit. Przy wiÄ&#x2122;kszej zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla (C > 0,09%) miÄ&#x2122;dzy pierwotnie wydzielonymi krysztaĹ&#x201A;ami ferrytu δ a pozostaĹ&#x201A;Ä&#x2026; cieczÄ&#x2026; zawierajÄ&#x2026;cÄ&#x2026; 0,53% wÄ&#x2122;gla zachodzi reakcja perytektyczna z utworzeniem austenitu (Îł) o zawartoĹ&#x203A;ci 0,17% wÄ&#x2122;gla. RozpuszczalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; siarki w ferrycie jest znacznie wiÄ&#x2122;ksza niĹź w austenicie (rys. 2.9).

& '( ") $

%

! "#$

Rys. 2.8. Fragment ukĹ&#x201A;adu Ĺźelazo â&#x2C6;&#x2019; wÄ&#x2122;giel z przemianÄ&#x2026; perytektycznÄ&#x2026;

W konsekwencji w stalach, w ktĂłrych zachodzi przemiana perytektyczna, siarka, segregujÄ&#x2026;c na pierwotnych granicach ziaren austenitu, moĹźe tworzyÄ&#x2021; z austenitem niskotopliwe eutektyki o temperaturze topnienia 988°C. Pojawienie siÄ&#x2122; eutektyk znacznie rozszerza zakres krzepniÄ&#x2122;cia, a tym samym zakres kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej (ZKW), co sprzyja tworzeniu miÄ&#x2122;dzykrystalicznych pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych. Krytyczna zawartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; siarki zaleĹźy od zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla i manganu (rys. 2.10). Im wiÄ&#x2122;ksza jest zawartoĹ&#x203A;Ä&#x2021; wÄ&#x2122;gla, tym przy mniejszej zawartoĹ&#x203A;ci siarki pojawiajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia.

WpĹ&#x201A;yw siarki i manganu na powstawanie pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; podczas krzepniÄ&#x2122;cia spoiny okreĹ&#x203A;la siÄ&#x2122; zwykle, opierajÄ&#x2026;c siÄ&#x2122; na stosunku manganu do siarki (rys. 2.11). Na wykresie widaÄ&#x2021;, Ĺźe mangan czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ciowo neutralizuje szkodliwy wpĹ&#x201A;yw siarki, przy czym w stalach o wiÄ&#x2122;kszej zawartoĹ&#x203A;ci 30

! "

wÄ&#x2122;gla stosunek manganu do siarki zapewniajÄ&#x2026;cy odpornoĹ&#x203A;Ä&#x2021; na pÄ&#x2122;kanie musi byÄ&#x2021; znacznie wiÄ&#x2122;kszy.

Nowszym i lepiej opisujÄ&#x2026;cym wpĹ&#x201A;yw manganu

3 i siarki na pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia gorÄ&#x2026;ce jest parametr Mn /S

[17]. W spoinach, w ktĂłrych Mn3/S jest mniejszy od 0,83, siarczki skĹ&#x201A;adajÄ&#x2026; siÄ&#x2122; z FeS i (Mn,Fe)S. MajÄ&#x2026; one ksztaĹ&#x201A;t bĹ&#x201A;onek wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026;cych na granicach

ziaren kolumnowych i wydzieleĹ&#x201E; globularnych na

granicach komĂłrek lub dendrytĂłw komĂłrkowych.

PÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia podczas krzepniÄ&#x2122;cia powstajÄ&#x2026; zawsze wzdĹ&#x201A;uĹź siarczkĂłw bĹ&#x201A;onkowych. Gdy 0,83 < Mn3

< 3, zasadniczo tworzy siÄ&#x2122; tylko (Mn,Fe)S, lecz ksztaĹ&#x201A;t siarczkĂłw na granicach ziaren kolumnowych pozostaje bĹ&#x201A;onkowy. PÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia powstajÄ&#x2026;ce

podczas krzepniÄ&#x2122;cia wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; rzadko. W spoinach, w ktĂłrych stosunek Mn3/S jest wiÄ&#x2122;kszy od 3 wzdĹ&#x201A;uĹź granic ziaren kolumnowych oraz granic komĂłrek

i dendrytĂłw komĂłrkowych, powstaje eutektyka zĹ&#x201A;oĹźona z drobnych globularnych siarczkĂłw (Mn,Fe)S i Ĺźelaza zawierajÄ&#x2026;cego mangan. W takich sytuacjach

nie obserwuje siÄ&#x2122; pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; w spoinach.

Podobnie jak siarka fosfor rozszerza zakres krzepniÄ&#x2122;cia i ZKW (rys. 2.12). Z wykresu na ry

sunku 2.13 widaÄ&#x2021;, Ĺźe maksymalna rozpuszczalnoĹ&#x203A;Ä&#x2021;

fosforu w ferrycie δ wynosi 2,8%, a tworzenie eu tektyki fosforowej nie jest prawdopodobne. Fosfor jakkolwiek segreguje do granic ziaren i obnişa punkt

krzepniÄ&#x2122;cia obszarĂłw miÄ&#x2122;dzydendrytycznych, to jednak jego gĹ&#x201A;Ăłwne oddziaĹ&#x201A;ywanie polega na obniĹźeniu miÄ&#x2122;dzykrystalicznej kohezji. Zestawienie wpĹ&#x201A;ywu analizowanych pierwiastkĂłw na zakres

temperatur krzepniÄ&#x2122;cia w niskostopowych stalach przedstawiono na rysunku 2.14. WpĹ&#x201A;yw innych pierwiastkĂłw na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania krystaliza- Rys. 2.9. Fragment ukĹ&#x201A;adu Ĺźelazo â&#x20AC;&#x201C; siarka (wedĹ&#x201A;ug Hansena i Anderki) cyjnego spoin pokazano na rysunku 2.15. MechaĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [16] nizm wpĹ&#x201A;ywu boru jest taki sam jak fosforu, stÄ&#x2026;d teĹź jego bardzo silny wpĹ&#x201A;yw na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do tworzenia pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych. Nikiel, podobnie jak wÄ&#x2122;giel, sprzyja tworzeniu siÄ&#x2122; austenitu podczas pierwotnej krystalizacji, a tym samym zwiÄ&#x2122;ksza segregacjÄ&#x2122; siarki na granicach.

OgĂłlnie wpĹ&#x201A;yw skĹ&#x201A;adu chemicznego na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania na gorÄ&#x2026;co przy spawaniu Ĺ&#x201A;ukowym moĹźna scharakteryzowaÄ&#x2021; wskaĹşnikami opisanymi w rozdziale 3. Zamieszczone tam rĂłwnania wskazujÄ&#x2026;, Ĺźe gĹ&#x201A;Ăłwnymi skĹ&#x201A;adnikami zwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026;cymi skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; gorÄ&#x2026;cych sÄ&#x2026; wÄ&#x2122;giel i siarka.

31

#

#

"%

"

$"

# #

!"

#

#"

#"

"%# $" #

" #" ! # $" #"%

!"

%#

$"

!" #"

Rys. 2.10. WpĹ&#x201A;yw wÄ&#x2122;gla, siarki i manganu na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do tworzenia pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; gorÄ&#x2026;cych ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [18]

" & & '

" # ! $ %

!

Rys. 2.11. WpĹ&#x201A;yw stosunku manganu do siarki i zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania na gorÄ&#x2026;co spoin stali wÄ&#x2122;glowych ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [19]

32

!"

+

# $

%

' ()*

&

Rys. 2.12. WpĹ&#x201A;yw zawartoĹ&#x203A;ci siarki, fosforu i wÄ&#x2122;gla na zakres kruchoĹ&#x203A;ci wysokotemperaturowej (wedĹ&#x201A;ug Matsuda) ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [19]

' ( # $ )&

! "! # $% " &

Rys. 2.13. Fragment ukĹ&#x201A;adu Ĺźelazo â&#x20AC;&#x201C; fosfor (wedĹ&#x201A;ug Hansena i Anderki)

Rys. 2.14. WpĹ&#x201A;yw pierwiastkĂłw na zakres krzepniÄ&#x2122;cia stali niskowÄ&#x2122;glowych i niskostopowych

ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [16]

ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [40]

33

) *

!+ + " , #"- "#$ &'(

! "#$ !

% &'(

Rys. 2.15. WzglÄ&#x2122;dny wpĹ&#x201A;yw pierwiastkĂłw stopowych na skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania krystalizacyjnego spoiny (wedĹ&#x201A;ug Morigaki) ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [19]

2.1.1.2. Optymalizacja ksztaĹ&#x201A;tu spoiny OprĂłcz czynnikĂłw metalurgicznych, ktĂłre wywoĹ&#x201A;ujÄ&#x2026; pÄ&#x2122;kanie stopiwa, naleĹźy wspomnieÄ&#x2021; rĂłwnieĹź o czynnikach konstrukcyjnych i technologicznych. Na wielkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; naprÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E; i odksztaĹ&#x201A;ceĹ&#x201E; spawalniczych powodujÄ&#x2026;cych pÄ&#x2122;kanie duĹźy wpĹ&#x201A;yw ma ksztaĹ&#x201A;t uĹ&#x201A;oĹźonego Ĺ&#x203A;ciegu.

Spoina, krzepnÄ&#x2026;c, kurczy siÄ&#x2122;, a ostatni Ĺ&#x203A;cieg â&#x20AC;&#x201C; w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od uĹ&#x201A;oĹźenia â&#x20AC;&#x201C; moĹźe byÄ&#x2021; wklÄ&#x2122;sĹ&#x201A;y lub wypukĹ&#x201A;y. Rysunek 2.16 pokazuje, Ĺźe przy Ĺ&#x203A;ciegu wypukĹ&#x201A;ym naprÄ&#x2122;Ĺźenia rozciÄ&#x2026;gajÄ&#x2026;ce na powierzchni lica spoiny sÄ&#x2026; mniejsze, a tendencja do zainicjowania pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia na powierzchni zewnÄ&#x2122;trznej spada. JednakĹźe wypukĹ&#x201A;y Ĺ&#x203A;cieg moĹźe powodowaÄ&#x2021; powstanie podtopieĹ&#x201E;, przez co obniĹźa siÄ&#x2122; wytrzymaĹ&#x201A;oĹ&#x203A;Ä&#x2021; zmÄ&#x2122;czeniowa oraz odpornoĹ&#x203A;Ä&#x2021; na pÄ&#x2122;kanie wodorowe od brzegu spoiny. Przy spawaniu wielowarstwowym, jak pokazano na rysunku 2.17, pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cie moĹźe byÄ&#x2021; zainicjowane na powierzchni ostatniego Ĺ&#x203A;ciegu, jeĹ&#x203A;li Ĺ&#x203A;ciegi sÄ&#x2026; zbyt szerokie i wklÄ&#x2122;sĹ&#x201A;e. Ĺ&#x161;ciegi wypukĹ&#x201A;e obniĹźajÄ&#x2026; skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kania krystalizacyjnego. ZwiÄ&#x2122;kszajÄ&#x2026; jednak moĹźliwoĹ&#x203A;Ä&#x2021; powstania niezgodnoĹ&#x203A;ci spawalniczych w postaci zaĹźuĹźleĹ&#x201E; przy brzegu spoiny, spowodowanych trudnoĹ&#x203A;ciami z dokĹ&#x201A;adnym usuniÄ&#x2122;ciem ĹźuĹźla.

Parametrem okreĹ&#x203A;lajÄ&#x2026;cym ksztaĹ&#x201A;t spoiny jest wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu J okreĹ&#x203A;lony zaleĹźnoĹ&#x203A;ciÄ&#x2026;: K

gdzie:

b h

b â&#x20AC;&#x201C; szerokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; spoiny, h â&#x20AC;&#x201C; wysokoĹ&#x203A;Ä&#x2021; spoiny (rys. 2.18).

34

(2.5)

Rys. 2.16. WpĹ&#x201A;yw ksztaĹ&#x201A;tu jeziorka spawalniczego na stan naprÄ&#x2122;ĹźeĹ&#x201E; w Ĺ&#x203A;rodkowej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci powierzchni lica spoiny

Rys. 2.17. WpĹ&#x201A;yw ksztaĹ&#x201A;tu jeziorka spawalniczego na pÄ&#x2122;kanie krystalizacyjne przy spawaniu wieloĹ&#x203A;ciegowym: a) Ĺ&#x203A;ciegi wklÄ&#x2122;sĹ&#x201A;e, b) Ĺ&#x203A;ciegi wklÄ&#x2122;sĹ&#x201A;e i gĹ&#x201A;Ä&#x2122;boki przetop, c) maĹ&#x201A;e wtopienie i Ĺ&#x203A;ciegi lekko wypukĹ&#x201A;e

Rys. 2.18. Segregacja zanieczyszczeĹ&#x201E; w spoinie w zaleĹźnoĹ&#x203A;ci od wspĂłĹ&#x201A;czynnika ksztaĹ&#x201A;tu: a) wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu spoiny Ď&#x2022; maĹ&#x201A;y (domieszki pozostajÄ&#x2026; w osi spoiny), b) wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu prawidĹ&#x201A;owy (domieszki wyprowadzane sÄ&#x2026; do gĂłrnej czÄ&#x2122;Ĺ&#x203A;ci spoiny)

35

Najbardziej skĹ&#x201A;onne do pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych sÄ&#x2026; spoiny z wÄ&#x2026;skÄ&#x2026; strefÄ&#x2026; przetopienia o maĹ&#x201A;ym wspĂłĹ&#x201A;czynniku ksztaĹ&#x201A;tu, w ktĂłrych zetkniÄ&#x2122;cie siÄ&#x2122; wierzchoĹ&#x201A;kĂłw krystalitĂłw nastÄ&#x2122;puje w osi spoiny (rys. 2.19a). Przy zwiÄ&#x2122;kszaniu wspĂłĹ&#x201A;czynnika ksztaĹ&#x201A;tu odpornoĹ&#x203A;Ä&#x2021; materiaĹ&#x201A;u na powstanie pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; gorÄ&#x2026;cych podwyĹźsza siÄ&#x2122;, jednak przy bardzo szerokich spoinach prawdopodobieĹ&#x201E;stwo powstania pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; w spoinach znowu siÄ&#x2122; zwiÄ&#x2122;ksza, co moĹźna wyjaĹ&#x203A;niÄ&#x2021; niekorzystnym rĂłwnolegĹ&#x201A;ym ukĹ&#x201A;adem krystalitĂłw i duĹźym skurczem poprzecznym (rys. 2.19c).

Rys. 2.19. WpĹ&#x201A;yw wspĂłĹ&#x201A;czynnika ksztaĹ&#x201A;tu spoiny na pÄ&#x2122;kanie podczas krzepniÄ&#x2122;cia: a) wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu maĹ&#x201A;y, b) wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu wĹ&#x201A;aĹ&#x203A;ciwy, c) wspĂłĹ&#x201A;czynnik ksztaĹ&#x201A;tu duĹźy

Tak wiÄ&#x2122;c spoiny wÄ&#x2026;skie i bardzo szerokie sÄ&#x2026; skĹ&#x201A;onne do pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych, przy czym skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; ta zaleĹźy rĂłwnieĹź istotnie od zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla (rys. 2.20).

'

(" )$ #* "# $ + - ,

! "# $ % % &

Rys. 2.20. WpĹ&#x201A;yw ksztaĹ&#x201A;tu spoiny na wielkoĹ&#x203A;Ä&#x2021; odksztaĹ&#x201A;cenia wzglÄ&#x2122;dnego Îľ (a) i skĹ&#x201A;onnoĹ&#x203A;Ä&#x2021; do pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; krystalizacyjnych spoin o róşnej zawartoĹ&#x203A;ci wÄ&#x2122;gla (b) ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [11]

36

Kształt spoiny zależy od natężenia prądu spawania, napięcia łuku, szybkości spawania, gęstości prądu w łuku, składu chemicznego i granulacji żużla, położenia elektrody względem elementu spawanego oraz sposobu ukosowania krawędzi. Spawanie prądem o dużym natężeniu daje spoiny wąskie i głębokie, o niskim współczynniku kształtu, skłonne do pęknięć. Przykład pęknięcia spoiny o niskim współczynniku kształtu przedstawia rysunek 2.21.

Z kolei podczas spawania przy dużym napięciu otrzymuje się spoiny płytkie i szerokie o bardzo dużym współczynniku kształtu ϕ. Spoiny takie są również skłonne do pęknięć z uwagi na równoległy wzrost krystalitów i duży skurcz. Optymalną odporność na pękanie mają spoiny o współczynniku kształtu powyżej 1. Na przykład przy spawaniu automatycznym rur łukiem krytym pod topnikiem optymalny współczynnik kształtu winien wynosić około 1,5.

Rys. 2.21. Pęknięcie w osi spoiny spowodowane nieprawidłowym współczynnikiem kształtu (ϕ < 1)

2.1.1.3. Rola wodoru w procesie pękania na gorąco Dotychczas uważano, że wodór jest przyczyną powstawania pęknięć zimnych w czasie spawania oraz tzw. pęknięć zwłocznych powstających po pewnym czasie od zakończenia procesu spawania. Ostatnie badania [20] weryfikują te stwierdzenia i wskazują, że wodór sprzyja również pękaniu na gorąco. Przykład pęknięcia gorącego krystalizacyjnego w osi spoiny spowodowanego nadmierną ilością wodoru pokazano na rysunku 2.22.

Rys. 2.22. Makrostruktura złącza spawanego z widocznym pęknięciem gorącym w osi spoiny

Mechanizm tego pękania można wyjaśnić w następujący sposób (rys. 2.23). W procesie krzepnięcia wydzielający się wodór tworzy między krystalitami warstwę gazową, która nie pozwala na pełne zetknięcie krystalitów. Krystality mogą być połączone ze sobą mostkami, 37

ktĂłre przy dalszej dyfuzji wodoru juĹź w stanie staĹ&#x201A;ym, przy wzroĹ&#x203A;cie ciĹ&#x203A;nienia w wysokich temperaturach odksztaĹ&#x201A;cajÄ&#x2026; siÄ&#x2122;, powodujÄ&#x2026;c tworzenie siÄ&#x2122; na powierzchni pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;Ä&#x2021; charakterystycznych â&#x20AC;&#x17E;ĹźyĹ&#x201A;ekâ&#x20AC;? pokazanych na rysunkach 2.24 i 2.25. OprĂłcz â&#x20AC;&#x17E;ĹźyĹ&#x201A;ekâ&#x20AC;? widoczne sÄ&#x2026; ponadto tlenki powstaĹ&#x201A;e w cieczy, ktĂłre w czasie wzrostu krystalitĂłw zostaĹ&#x201A;y zepchniÄ&#x2122;te do ich granic. WokĂłĹ&#x201A; tlenkĂłw wystÄ&#x2122;pujÄ&#x2026; wgĹ&#x201A;Ä&#x2122;bienia niewypeĹ&#x201A;nione ciekĹ&#x201A;ym metalem na skutek duĹźego ciĹ&#x203A;nienia wodoru w miejscu styku krystalitĂłw.

Rys. 2.23. Schemat mechanizmu pÄ&#x2122;kania na gorÄ&#x2026;co wywoĹ&#x201A;anego wydzielaniem siÄ&#x2122; wodoru w czasie krzepniÄ&#x2122;cia ĹšrĂłdĹ&#x201A;o: [20]

Rys. 2.24. Powierzchnia pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cia gorÄ&#x2026;cego spowodowanego wydzielaniem siÄ&#x2122; wodoru w czasie krzepniÄ&#x2122;cia. Widoczne odksztaĹ&#x201A;cone mostki (zaznaczone strzaĹ&#x201A;kami)

38

Rys. 2.25. Szczelina (pÄ&#x2122;kniÄ&#x2122;cie) miÄ&#x2122;dzy krystalitami z widocznym mostkiem

2.1.2. Pęknięcia segregacyjne w strefie wpływu ciepła Występowanie pęknięć na gorąco w strefie wpływu ciepła stali niskowęglowych i stopowych obserwuje się przede wszystkim w strukturze obszaru leżącego w bezpośrednim sąsiedztwie spoiny, to jest w obszarze częściowego stopienia oraz w obszarze przegrzania (rys. 2.2, 2.26 i 2.27). Mają one charakter pęknięć międzykrystalicznych usytuowanych najczęściej prostopadle do kierunku działania naprężeń cieplnych. Pęknięcia segregacyjne mają z reguły przebieg dwustopniowy.

Rys. 2.26. Pęknięcia segregacyjne w SWC w pobliżu linii wtopienia: a) stal maraging; b) stal niskowęglowa niestopowa

20 m

a)

10 m

b)

Pęknięcie

Pęknięcie

Rys. 2.27. Powstawanie pęknięć w wyniku nadtapiania równowagowego w pasmach segregacji wtrąceń niemetalicznych lub związków międzymetalicznych: a) pęknięcia tworzące się tylko w SWC, b) powstałe w SWC pęknięcia przenoszące się do spoiny. Stal maraging spawana wiązką elektronów

Pierwszy stopień, określony jako początek tworzenia się pęknięć, jest wywołany obecnością ciekłych warstw na granicach ziaren, na których znajdowały się wtrącenia niemetaliczne, na przykład siarczki, węgliki lub fazy międzymetaliczne (rys. 2.27). Pojawienie się fazy ciekłej jest wynikiem procesu równowagowego nadtapiania się tych związków [21]. Płynne warstewki 39