ZAVARLJIVOST ČELIKA

Nelegirani čelici. Najvažniji prateći element kod nelegiranih konstrukcijskih čelika je ugljik. Njegov se sadržaj kreće u granicama 0.1 - 0.6 %. Sadržaj ostalih pratećih elemenata se orjentacijski kreće do: 0.5 % Si 0.1 % Al 0.8 % Mn 0.1 Ti 0.05 % S 0.25 Cu (iz otpada pri dobivanju čelika) 0.05 % P

Za razliku od nelegiranih čelika niskolegirani čelici sadrže do 5% legiranih elemenata (Ni, Cr, Mo, V i drugi), a visokolegirani čelici preko 5%.

Postupci dobivanja čelika: Thomas, Siemens - Martin, elektropostupak, propuhavanje kisikom određuju sastav i svojstva čelika, te njegovu zavarljivost. Postupak Thomas je ekonomičan, ali daje čelik s povišenim sadržajem N i P.

S obzirom na dodatke za dezoksidaciju: Si, Mn, Al mogu se proizvesti u čeličani:

· Neumireni čelik, bez dezoksidacije, s nepoželjnim segregacijama, ali mekanom površinom pogodnom za duboko vučenje. Ova vrsta čelika je najjeftinija.

· Poluumireni s djelomičnom dezoksidacijom. Ima manje izražene segregacije.

· Umireni čelici se umiruju s dezoksidantima u dovoljnim količinama.

· Posebno umireni čelici osim Si sadrže Al kao dezoksidant. Al2O3 služi kao tvorac klica kristalizacije i dobiva se sitnozrnati čelik s dobrom udarnom žilavosti, otpornosti starenju, jer se dušik veže u aluminij nitrid. Sadržaj Al mora biti veći od 0.02%.

Pri dobivanju numirenih čelika talina je nemirna, jer se razvijaju plinovi, CO, a u manjoj mjeri i SO2 uzrokovani reakcijama:

FeO + C = Fe + CO

2FeO + FeS = 3Fe + SO2

Ingoti pri dobivanju neumirenih čelika sadrže poroznost, koji se toplim valjanjem zavare i ne uočavaju se kasnije. Također, neumireni čelici imaju izažene segregacije. Tablica 1.

Tablica 1: Primjer različitog kemijskog sastava površinskog sloja i unutrašnjosti neumirenog čelika.

 

P %

S %

Prosječni sadržaj

0.07

0.05

Površinski sloj

0.04

0.02

Unutrašnjost

0.20

0.12

Pri zavarivanju srednjih slojeva (unutrašnjosti) materijala, zbog visokog sadržaja P i S javljaju se teškoće: pukotine, poroznost, starenje, krhkost materijala.

Umireni čelici su skuplji, jer je manje iskorištenje ingota (zbog izgubljene glave), ali je zavarljivost bolja i posebno je bolja udarna žiilavost, odnosno žilavost loma.

Da se izvrši smanjenje sadržaja nepoželjnih plinova: H, O i N može se rastaljeni čelik otplinjavati vakuumom. U svrhu prečišćavanja čelika od raznih nečistoća već odlivene gredice se pretaljuju postupcima: pod troskom, plazmom, snopom elektrona ili elektrolučno u vakuumu. Ovakovi čelici su čišći, otporni na trganje u slojevima i s boljim mehaničkim svojstvima.

Za dobro zavarljive čelike se smatraju oni koji sadrže C < 0.25%. Za čelike s C > 0.25% je zavarljivost uvjetna, pa je potrebno provoditi određene mjere da se smanji vjerojatnost pojave pukotina i da se postignu zadovoljavajuša svojstva.

Kao potrebne mjere za kvalitetno zavarivanje nelegiranih konstrukcijskih čelika se predviđa:

a) Predgrijavanje. Na temperaturu predgrijavanja utječu osim %C i sadržaj ostalih elemenata, debljina stijenke, upetost i sadržaj difuzijskog vodika, pa treba dodatno koregirati temperaturu predegrijavanja.

Tablica 2: Temperatura predgrijavanja To pri zavarivanju nelegiranih čelika

C%

To, oC

0.20 - 0.30

100 - 150

0.30 - 0.45

150 - 275

0.45 - 0.8

275 - 425

b) Zavarivati s većim unošenjem topline. Eef = , J/mm To se postiže manjom brzinom zavarivanja, jačom strujom, većim promjerom elektrode ili poprečnim osciliranjem. Rezultat je smanjenje zakaljivanja odnosno tvrdoće ZUT i ZT, manja vjerojatnost pojave hladnih pukotina. Većim unošenjem topline se postiže isto djelovanje na brzinu hlađenja kao predgrijavanjem.

c) Primjena bazičnih elektroda, koje daju veću istezljivost i udarnu žilavost, pa time i manju mogućnost pojave pukotina.

        d)      Oblikovanje konstrukcije treba smanjiti upetost, debljinu i diskontinuitete (koncentraciju naprezanja). Sadržaj S i P mora biti što manji. Obično se ograničava sadržaj na 0.05%P i 0.05%S. Današnji čelici sadrže obično ispod 0.035% P i isto toliko S, pa se može postaviti ova vrijednost kao maksimalna dozvoljena za dobru zavarljivost. Posebnim rafiniranjem je moguće je smanjiti sadržaj S na najviše 0.001% S. Ovakovi čisti čelici su otporni na pojavu toplih pukotina, pukotina zbog korozije uz naprezanje i na trganje u slojevima.

        e)       Popuštanje zaostalih napetosti za deblje zavarene proizvode, kada se javljaju opasna zaostala troosna naprezanja i sklonost krhkom lomu. Popuštanje zaostalih naprezanja toplinskom obradom se provodi obično na 550 - 650 oC. Popuštanje zaostalih naprezanja je moguće provoditi i mehaničkim obradama: vibracijama, prenaprezanjem i eksplozijom.

Spriječavanje krhkog loma. Sklonost krhkom lomu je uvjetovana:

· svojstvima materijala (prelazna temperatura, starenje),

· stanje radnih naprezanja, (troosno stanje naprezanja, povećava sklonost krhkom lomu),

· zaostala naprezanja; najopasnija su troosna, koja se javljaju, ako je debljina zavara (lima) veća od 25 mm (ili >38 mm ovisno o propisima), pa se preporučuje popuštanje zaostalih naprezanja, da se smanji sklonost krhkom lomu;

· koncentracija naprezanja, greške zavarenih spojeva,

· niske temperature.

Pogodnim izborom materijala, oblikovanjem konstrukcije ispravnom tehnologijom i propisanim uvjetima eksploatacije moguće je izbjeći krhki lom. Inicijacija krhog loma je najčešće uzrokovana greškama zavarenih spojeva. Poznati su krhki lomovi brodova, mostova i na drugim većim objektima.

Udarna žilavost po Charpy ili žilavost loma KIC, CTOD, JIC su najbolji pokazatelji otpornosti krhkom lomu, a treba ih odrediti za OM, ZT i ZUT. Najniže vrijednosti moraju biti iznad zahtjevanih vrijednosti za osiguranje od pojave krhkog loma (napr. 35 J/cm2 ili 0.25 mm CTOD pri najnižoj temperaturi eksploatacije).

MIKROLEGIRANI I NISKOLEGIRANI FINOZRNATI VISOKOČVRSTI ČELICI

Finozrnati mikrolegirani čelici

Kod nelegiranih čelika se veća čvrstoća Rm i granica razvlačenja Re postižu povećanjem sadržaja ugljika. Povećanje čvrstoće je moguće i legiranjem čelika malim količinama jednog elementa ili više njih: Al, Nb,V, Ti i Zr uz dovoljno niski sadržaj C (obično L 0,2 %C), čime se zadržava dobra zavarljivost. Budući da se navedeni elementi dodaju u malim količinama, ovi se čelici zovu mikrolegirani. U načelu sadržaj mikrolegiranih dodataka se ograničava kako slijedi [ 1] : Al - min 0,015 %, Ti L 0.15 %, V L 0.10% NbL 0.04 %.

Mikrolegirani elementi sa C i N tvore i izlučuju karbide, nitride i karbonitride, pomažu stvaranju finozrnate strukture i svojim izlučivanjem povećavaju čvrstoću (AlN, TiC, Ti(CN), TiN, V4C3, VC, NbC, Nb(CN). Kontroliranim valjanjem i termomehaničkom obradom u valjaonici moguće je kod ovih čelika postići povećanje čvrstoće.

Mikrolegirani elementi tvore i sulfide, karbosulfide i oksisulfide, čije je talište niže od Mn sulfida, pa su ovi čelici skloniji likvacijskim toplim pukotinama. Da se smanji vjerojatnost pojave ovih toplih pukotina, potrebno je smanjiti sadržaj s dodavanjem silikokalcija ili kalcija u lonac s talinom. Tako je moguće postići S < 0.01 %. Za čelike izložene koroziji uz naprezanje se traži ponekad S < 0.001 %.

Mikrolegirani čelici imaju pored visoke granice razvlačenja i čvrstoće i dobru udarnu žilavost. Jači pad žilavosti se može očekivati u ZUT zbog pogrubljenja zrna i brzog hlađenja (Widmannstätenova mikrostruktura). Zato je potrebno smanjiti unos topline (To i Eef). Za ove čelike se zato propisuje temperatura predgrijavanja To (i između prolaza Tm) da se izbjegnu hladne pukotine, a unos topline mora biti optimalni. Ne smije biti prevelik niti premalen. Emin < E < Emax. Kod mikrolegiranih čelika je najčešće lokalna grubozrnata krhka zona u ZUT, uz liniju taljenja, a ponekad je u području A1 - A3, u ZUT.

Niskolegirani visokočvrsti finozrnati čelici (HSLA, Re = 550 - 1000 MPa)

Isporučuju se iz željezare u poboljšanom stanju (engl. QT-- Quenched and Tempered). Nakon zavarivanja se ne predviđa toplinska obrada. U nekim slučajevima se provodi nakon zavarivanja ili toplog oblikovanja poboljšavanja. Poboljšavanje se vrši prvo austenitiziranjem, pa kaljenjem u vodi. Rezultat je sitnozrnata struktura martenzita i/ili međustruktura. Poslije se vrši popuštanje na 600-720 oC.

Zavarljivost ovih poboljšanih čelika se ne razlikuje bitno od mikrolegiranih čelika. Jedina razlika je pojava troostita ZUT između A1 - A3 te pojava omekšanja i pad čvrstoće ZUT na mjestu zagrijavanja na temperaturu oko 600 oC.

Toplinski input pri zavarivanju se mora držati u strogim granicama. Legiranje čelika se vrši s Ni,Cr,Mo uz mikro legiranje s Zr ili Ti, B, V.

Primjer sastava čelika NAXTRA - 70: C L 0,20; Si @ 0,6; Mn @ 0,9; P L 0,035; S L 0,035; Cr = 0.6 - 1.0; Mo 0,2 - 0,6; Zr 0.06 - 0.12.

LEGIRANI Mo, CrMo i CrMoV ČELICI

Ova grupa čelika je predvi|ena za rad na visokim temperaturama u parnim kotlovima, turbinama, rafinerijama nafte i drugim postrojenjima gdje se traži visoka čvrstoća na puzanje (Rm/200.000/T, R1%/200.000/T) i trenutna čvrsto}a (Rp0.2/T, Rm/T) pri visokim temperaturama. Najčešće se ovi čelici koriste za cijevi, komore i posude pod tlakom.

Ovi čelici postižu višu čvrstoću na visokim temperaturama legiranjem s 0.5-1.0% Mo, 0,5-12.0% Cr i 0,3-0,7 V.

Cr i Mo povećavaju prokaljivost, a Cr poboljšava otpor na oksidaciju pri visokim temperaturama, jer stvara zaštitni oksidni sloj na površini.

Tipični sastavi ove grupe čelika dani su u doljnjoj tablici. Detaljnije o zavarivanju i zavarljivosti jače legiranih čelika kao što su napr. 5Cr0,5Mo, 9Cr1Mo i 12Cr1Mo0.3V (X20CrMoV12.1-oznaka po DIN) vidjeti u poglavlju 12 “Visokolegirani Cr čelici martenzitnog i feritnog tipa”.

Kemijski sastav tipičnih vrsta legiranih Mo, CrMo i CrMoV čelika

( DIN oznaka)

Kem. sastav

C

Mn

Si

Cr

Mo

Maksimalna radna

temperatura oC

(15Mo3)

C - Mo

0,1 - 0,2

0,3 - 0,8

0,1 - 0,5

-

0,44 - 0,65

525

0.5 Cr 05 Mo

0,1 - 0,2

0,3 - 0,61

0,1 - 0,3

0,5 - 0,81

0,44 - 0,65

550

(13CrMo44)

1 Cr 0,5 Mo

0,17 max.

0,4 - 0,65

0,15 - 0.30

0,9 - 1.15

0.45 - 0,65

550

(10 CrMo 910)

2.25 Cr 1 Mo

0,15 max

0,3 - 0,6

0,5 max

2.0 - 2.50

0,90 - 1.10

575

3 Cr 1 Mo

0,15 max

0,3 - 0,6

0,5 max

2.75 - 3.75

0,90 - 1.10

590

5 Cr 0,5 Mo

0,12 max

0,3 - 0,6

1 - 2

4 - 6

0,45 - 0,65

650

9 Cr 1 Mo

0,15 max

0,3 - 0,6

0,25 - 1.00

8 - 10

0,9 - 1.1

675

Pomoću ekvivalenta ugljika se može procijeniti zavarljivost. Najčešće se koristi formula MIZ:

Zavarljivost i prokaljivost čelika s više legiranih dodataka se povećava, pa se tvrdoća ZUT i ZT povećava. Sklonost hladnim pukotinama ovih ovih čelika u ZUT i ZT se povećava povećavanjem sadržaja legiranih elemenata, povećanjem čvrstoće i tvrdoće.

Za spriječavanje hladnih pukotina potrebno je:

1. Korištenje elektroda s niskim sadržajem difuzijskog vodika ( podrazumijeva se pečenje, sušenje i pravilno rukovanje elektrodama). U nekim slučajevima se preporučuje primjena austenitnih elektroda, posebno ako nije moguća naknadna toplinska obrada.

2. Predgrijavanjem, izborom odgovarajućeg toplinskog inputa i naknadnom toplinskom obradom.

Predgrijavanje služi za spriječavanje pukotina pri zavarivanju i za postizanje optimalnih svojstava zavarenog spoja.

C - Mo čelike, u principu, do 10 mm debljine ne treba predgrijavati a preko 10 mm je potrebno na oko 200 oC. Jače legirane materijale (1 Cr 0,5 Mo i 2.25 Cr 1 Mo ) treba predgrijati na 200-300 oC. Temperaturu predgrijavanja se preporučuje računati prema formuli Sé fé riana.

Izračunavanje temperature predgrijavanja prema Séférianu:

To = 350 , oC

[ C] % ukupni ekvivalent ugljika čelika, koji je zbroj kemijskog ekvivalenta ugljika [ C] c i ekvivalenta ugljika vezanog za debljinu [ C] h :

[ C] = [ C] c + [ C] h

Kemijski ekvivalent ugljika [ C] c se može izračunati iz formule:

360 [ C] c = 360C + 40 (Mn+Cr) + 20 Ni + 28 Mo

Ekvivalent ugljika vezan za debljinu: [ C] h= 0.005 . h [ C] c; gdje je h debljina lima u mm.

[ C] = [ C] c (1 + 0.005 h).

Mjere osiguranja kvalitete pri zavarivanju. Pri zavarivanju treba paziti na čistoću rubova, izbor i rukovanje dodatnim materijalom (suhe bazične elektrode), temperatura između prolaza Tm ne smije biti previsoka. Tehnika polaganja gusjenica "povlačenjem" je bolja od "njihanja", jer smanjuje deformacije i daje bolju udarnu žilavost.

Naknadna toplinska obrada je načelno potrebna za ovu grupu čelika za čelike 3 1 % Cr. Za slučajeve kada će zavareni spoj u eksploataciji biti izložen dovoljno visokim temperaturama (3 490 oC), tada nije potrebna naknadna toplinska obrada za popuštanje tvrdoće, jer će visokom radnom temperaturom doći do popuštanja tvrdoće.

Za proizvode iz čelika ove grupe koje se isporučuju u poboljšanom stanju nakon zavarivanja se preporučuje ponovo provođenje poboljšanja (kaljenje+popuštanje) da bi se postigla zahtjevana svojstva.

Nakon zavarivanja uz predgrijavanje, ako je potrebna naknadna toplinska obrada, preporučuje se odmah dizati temperaturu od temperature predgrijavanja na temperaturu odžarivanja. Time smanjujemo troškove ponovnog zagrijavanja, ali i opasnost pukotina pri hlađenju nakon zavarivanja i ponovnom zagrijavanju.

tii103.jpg (15657 bytes)

Nakon zavarivanja uz predgrijavanje preporučuje se odmah podizanje temperature na temperaturu toplinske obrade. U praksi se to čini napr. na cijevnim zavarenim spojevima pojačavanjem snage električnih ili indukcijskih grijača.

Povratak na početnu stranicu - povratak na popis pitanja iz Tehnologije zavarivanja - popis pitanja iz Zavarivanja !!