W pracach [25 - 27] przedstaw iono opis przemian 8 + y —> 8 i 8 - » S + y zachodzących w warunkach spawania, to jest przy dużej szybkości stygnięcia. Przy op isie tych przemian zjaw iska dyfuzyjne pow iązano z temperaturą i czasem oddziaływania w ynikającym z cyklu cieplnego spawania. W yniki badań doświadczalnych porównano z w ynikam i obliczeń uzyskanym i na podstaw ie w zorów i zależności opisujących zm ianę temperatury w czasie w złączu spawanym. U zyskano ilo ścio w y opis przemian 8 + y - » S i 8 - » 8 + y w spoinie (w zakresie temperatury w yższej od 1000°C).
W pracach [28 - 35] analizow ano przemianę 8 + y - » 8 i S - + 8 + y zachodzącą w strefie w pływ u ciepła poprzez opis zjaw isk cieplnych i dyfuzyjnych zachodzących przy spawaniu. D o opisu wzrostu ziarna ferrytu podczas cyklu cieplnego w ykorzystano równanie Arrheniusa [34].
U dział fazy, która uległa przem ianie y —> 8, określano wykorzystując równanie Johnsona - M ehla - Avram iego [34],
% fazy 8 = N imax - Ni% , (2.4)
% fazy 8 = 3 Creq - Cr0b, (2.5)
Crob = 0,93 (N i) +6,7 ( 2 . 6 )
( 2 . 7 )
gdzie:
VY- udział fazy przem ienionej y —» 8, %, t - czas, s.
W celu obliczenia stałych b i n dokonano dwukrotnego logarytm owania sprowadzając równanie (2.7) do postaci liniowej [34]:
log log
1 - V„■ = « lo g r + log/) + log lo g e ( 2 . 8 ) b - punkt przecięcia prostej opisanej równaniem (2 .8) z o s ią y ,
n - kąt pochylenia prostej opisanej równaniem (2.8) w zględem osi odciętych - (rys. 2.9).
Średnia wartość „b” w ynosi 0,0892, natomiast średnia wartość „n” w ynosi 0,4. Kinetyka przem iany austenitu w ferryt zm ienia się znacznie wraz z temperaturą. Ilustrację graficzną równania (2.8) w zakresie temperatury 1340 do 1360°C przedstawia rysunek 2.9.
Przedstawiona zależność wskazuje na wzrost objętości względnej ferrytu w strefie w pływu ciepła wraz z wydłużaniem się czasu przebywania w tym zakresie temperatury.
logt
Rys. 2.9. Graficzna postać równania (2.9) dla stali 24,5Cr - 7,5Ni o zawartości C od 0,018 do 0,130% oraz N od 0,003 do 0,21% [34]
Fig. 2.9. Graphical presentation o f equation (2.9) for 24.5 C r - 7 . 5 Ni steel with C content o f 0.018 to 0.130% and N content o f 0.003 to 0.21% [34]
W pracy [34] podjęto próbę ustalenia objętości względnej austenitu VY krystalizującego podczas krzepnięcia jako funkcji składu chem icznego i czasu stygnięcia At w zakresie od temperatury 1250 do 800 °C. N a podstawie danych z symulacji [36] otrzymano równanie regresji wielokrotnej w postaci [34]:
(2.9) Vy= 2 1 3 ,5 -1 2 ,5 4]Creq - N ie qJ+0,1259/
W celu ułatwienia praktycznego wykorzystania zależności (2.9) na rysunku 2.10 przedstawiono zależność czasu stygnięcia w zakresie temperatury 1250 do 800°C od energii liniowej spawania dla różnych grubości blachy.
Rys. 2.10. Zależność czasu stygnięcia t w zakresie od temperatury 1250 do 800 V od energii liniowej spawania dla różnych grubości blachy ze stali 25Cr - 8Ni [34]
Fig. 2.10. Relation between cooling time t in the temperaturę rangę 1250 to 800°C and energy input fo r different gauges o f 25Cr - 8Ni Steel sheets [34]
Z ależność objętości w zględnej ferrytu w złączach spawanych stali Cr - N i od składu ch em icznego oraz od szybkości stygnięcia analizow ano w pracy [34], Jako parametr reprezentatywny dla szybkości stygnięcia przyjęto czas przebywania strefy w pływ u ciepła w zakresie temperatury 1200 - 800 °C (t^/s). D o określenia zm iany temperatury w złączu spawanym zależnej od cyklu cieplnego spawania w ykorzystano równania opisujące cieplne procesy spaw alnicze uwzględniające parametry spawania oraz w łaściw ości fizyczn e metalu [ 3 7 - 5 8 ] ,
Opisane zagadnienia w skazują na zainteresowanie w pływ em szybkości stygnięcia na strukturę strefy w pływ u ciepła w stalach Cr - N i. Zagadnienie w pływ u szybkości stygnięcia spoiny na objętość w zględn ą ferrytu jest szersze i obejmuje rów nież proces krystalizacji, co znacznie utrudnia w yzn aczen ie parametru w iążącego te dw ie w ielkości. N iem niej jednak przedstawiona m etodyka i sposób opisu zjawisk m ogą być pom ocne przy wyznaczaniu takiego parametru i je g o wykorzystaniu do uściślenia objętości w zględnej ferrytu w yzn aczonego na podstaw ie wykresu Schaefflera.
2 . 3 . 3 . Z a s t o s o w a n i e m o d e l o w a n i a k o m p u t e r o w e g o d o o k r e ś l a n i a s t r u k t u r y s p o i n y
W ykorzystanie technik komputerowych um ożliw iło m odelow anie zjaw isk fizycznych zachodzących w procesach spawalniczych [59-70]. W pracach [59 - 62] opisano m odel i wyniki liczb ow ego odwzorowania wzrostu dendrytów i formowania struktury spoiny oraz m odel rozrostu ziam w strefie w pływ u ciepła dla stali niskostopow ych. Przy op isie przejścia metalu ze stanu ciek łego w stan stały analizowano przebieg procesu dyfuzji w ęgla w fazie stałej i ciekłej oraz zm ianę temperatury na granicy faz pod w pływ em przechłodzenia.
Przy m odelowaniu i op isie zjawisk występujących przy przejściu metalu ze stanu ciekłego w stan stały uw zględniono przepływ ciepła, ciepło krystalizacji, podział pierwiastka stopow ego m iędzy fazę ciek łą i stałą oraz przechłodzenie cieplne i stężen iow e [59-62],
Opisane w pracy [62] m odelow anie dotyczy tworzenia i wzrostu dendrytów, koncentrując się głów n ie na ich orientacji i kinetyce wzrostu. K rzywą kinetyki krystalizacji opisano równaniem Johnsona - M ehla - Avram iego.
W pracy [63] przedstawiono schemat przem iany struktury spoiny od fazy ciekłej, poprzez fazę stałą (ferryt pierwotny), aż do powstania austenitu. D o opracowania schematu wykorzystano dane zawarte w pracach [64 - 70], D o analizy zjawiska wykorzystano równanie Ficka - Osnagera, opisujące strumień dyfuzji. Model bazuje na porównaniu strumieni dyfuzji m iędzy fazą ciek łą a stałą oraz m iędzy fazą austenityczna i ferrytyczną. M odel ten, bazując na znanych prawach dyfuzji, wskazuje jeden ze sposobów opisu zjawisk w pływających na objętość w zględn ą ferrytu w spoinie. W przypadku pracy [63] przyjęcie do analizy przemiany w stanie stałym temperatury 1500°C nie jest uzasadnione, gdyż przemiana taka m oże nastąpić dopiero poniżej temperatury Tsoi, która jest niższa od 1400°C. Dendryt został zam odelow any w sposób uproszczony w postaci cylindra. Sam w zrost dendrytu nie jest tutaj rozpatrywany. M odelowana jest zmiana struktury w p oszczególnych obszarach dendrytu.
@ - 0 - 0
| Faza płynna [ | : o - Ferryt : Austenit
Rys. 2.11. Schemat krystalizacji dendrytu i dalszej przemiany <S—»-y [63]
Fig. 2.11. Dendrite crystallisation and further 8 —> y transition scheme [63]
Zaznaczona na rys. 2.11 w ielk ość L/2 oznacza p ołow ę odległości pom iędzy ramionami dendrytu. Wybór tego obszaru jest reprezentatywny dla zjaw isk segregacji zachodzących przy krystalizacji dendrytu i następstw tego zjawiska dla późniejszej przemiany ferryt - austenit.
Parametry termodynam iczne procesu, tj. m oc cieplna łuku, szybkość spawania oraz szybkość dyfuzji, szybkość chłodzenia i od ległość m iędzy ramionami dendrytu stanowią dane w ejściow e do przeprowadzonych obliczeń.
W pracy [67] porównano zm iany objętości w zględnej ferrytu 5 wraz z obniżaniem się temperatury na podstaw ie w yników badań i przeprowadzonej sym ulacji numerycznej - rys.
2.12 oraz ob liczony udział m olow y faz 8 i y w funkcji temperatury - r y s . 2 . 13.
Rys. 2.12. Porównanie udziału molowego ferrytu w funkcji temperatury dla danych eksperymentalnych uzyskanych w warunkach równowagi i wyników symulacji - stal typu 1 8 - 8 [67]
Fig. 2.12. Comparison offerrite mole fraction as function o f temperature fo r experimental data obtained in conditions o f equilibrium and simulation results - 1 8 - 8 grade steel [67]
Rys. 2.13. Udział molowy faz S i y w funkcji temperatury - stal typu 18 - 8 [67]
Fig. 2.13. Mole fractions o f S and yphases as a function o f temperaturę - 1 8 - 8 grade steel [67]
2 . 4 . C i e p l n e p r o c e s y s p a w a l n i c z e
Charakterystyczną cech ą procesu spawania jest m iejscow e nagrzanie metalu aż do je g o stopienia. Źródło ciepła przyłożone w określonym punkcie ciała powoduje jego nagrzanie. N a skutek przew odzenia ciepło rozpływa się w całej m asie ciała. W zależności od natężenia strumienia cieplnego, przew odności cieplnej i m asy nagrzanego ciała po pewnym
0- i , 1---L—
1000 1100 1200 1300 1400 1500 Temperatura °C
1.0
1000 1100 1200 1300 1400 1500 Tempertaura °C
czasie ustala się stan metastabilnej rów nowagi cieplnej. Stan ten w yznaczany jest na podstawie izoterm. Obszar nagrzanej m asy ciała nazyw a się polem temperatury. Ciepło, które doprowadzone jest do m iejsca spawania, zużyw ane jest przede w szystkim na stopienie materiału podstaw ow ego i dodatkowego, tj. elektrody oraz nagrzanie spawanego materiału.
C zęść ciepła spaw alniczego łuku elektrycznego odprowadzana jest także do otaczającej atmosfery. W ykorzystując opis zjawiska rozprzestrzeniania się ciepła w procesach spawalniczych m ożna obliczyć temperaturę d ow olnego punktu p ołożon ego w polu temperatury w dow olnym czasie. W przypadku nagrzewania łukiem elektrycznym przesuwającym się ze stałą prędkością w zdłuż powierzchni cienkiej płyty lub ciała m asyw nego (rys. 2.14) temperaturę d ow olnego punktu, z pom inięciem strat ciepła do otoczenia, m ożna obliczyć z zależności [71 - 74]:
Rys. 2.14. Położenie punktu A, dla którego obliczana je st chwilowa temperatura w cienkiej płycie (a) lub w ciele masywnym (b) [74]
Fig. 2.14. Position o f point A fo r which instantaneous temperature in a thin sheet (a) and a massive body (b) has been calculated [74]
- y 2
T{yj) - T 0 = exp — - (2 . 10)
v. s ^ 4 ? r Ac y t 4 at
dla cienkiej płyty oraz po sprowadzeniu układu współrzędnych biegunow ych do postaci
dla ciała m asyw nego,
gdzie:
Tm , T(r j ) , T0 - temperatura rozpatrywanego punktu A, °C,
t - czas od m om entu przejścia źródła ciepła przez punkt 0 do m omentu w yznaczenia temperatury w punkcie A (źródło ciepła w tym czasie przesunęło się o x = v c t ),
y, r - w spółrzędne punktu A , przy czym r = (y2 + x 2f ’5, vc - prędkość ruchu źródła ciepła, ms~',
X - w spółczynnik przew odzenia ciepła, Jm~xs~xK~x, Ä
a = w spółczynn ik przew odzenia temperatury, m V 1, cy
c - ciep ło w łaściw e w stanie stałym, Jg~xK ~1, y - gęstość, kgnf2
q = 0 ,2 4t iI U - efektywna m oc źródła ciepła, Js~l ,
t| - w spółczynnik sprawności nagrzewania lukiem elektrycznym , zależny od m etody spawania,
I - natężenie prądu spawania, A, U - napięcie łuku, V,
s - grubość płyty, m.
K ażdy punkt ciała znajdujący się w polu temperatury jest nagrzewany, a następnie stygnie. Przebieg zm ian temperatury punktu w czasie (rys. 2.15) nazyw any jest cyklem cieplnym spawania.
C z a s , s
Rys. 2 .1 5 . C y k l c ie p ln y s p a w a n ia [7 4 ] :
Tm - te m p e r a tu r a m a k s y m a ln a p u n k tu , °C,
t - c z a s p r z e b y w a n ia d a n e g o p u n k tu p o w y ż e j z a d a n e j te m p e r a tu r y T, s, tg a = —d T = W - s z y b k o ś ć s ty g n ię c ia w d a n e j te m p e r a tu r z e T, °Cs_I
d t
F ig 2.1 5 . W e ld in g th e r m a l c y c le [7 4 ] :
Tm - m a x im u m te m p e r a tu r e o f th e p o in t, °C,
t - tim e o f r e m a in in g o f th e p o i n t o v e r th e g iv e n te m p e r a tu r e T, s, tg a = — = W - c o o lin g r a te in th e g iv e n te m p e r a tu r e T, °Cs 1 d T
d t
2 . 5 . P o d s u m o w a n i e p r z e g l ą d u l i t e r a t u r y
Podstaw ow ą technologią łączenia przy produkcji urządzeń i instalacji technologicznych w ykonanych z nierdzewnych stali austenitycznych chrom owo - niklow ych jest spawanie. Złącza spawane powinny charakteryzować się w łasnościam i m echanicznym i i odpornością na korozję nie gorszą niż łączone materiały. Z tego w zględu na podstawie prac [ 1-2] przedstawiono ogóln ą charaktrystykę stali austenitycznych chrom owo - niklowych odpornych na korozję.
W publikacji [3] przedstawiono izotermiczne przekroje potrójnego układu równowagi fazowej stopów Fe - Cr - N i w temperaturze 1300, 1000, 900, 800 i 650°C.
W publikacji [4] przedstawiono przekroje politerm iczne stopów Fe - N i przy stężeniu 18% Cr i Fe - Cr przy stężeniu 8% N i. Obydwa przekroje politermiczne wskazują na całkow itą przemianę a —► y, w wyniku której stop o składzie Fe - 18% Cr - 8% N i w temperaturze ok. 1200°C uzyskuje strukturę y oraz na cz ęścio w ą przemianę y —* a,
zachodzącą w temperaturze ok. 630°C. Przedstawione przekroje politerm iczne dostarczają objętości w zględnej ferrytu w spoinie przez zablokow anie przemiany 8—*y. N ie uw zględniono jednak faktu, że przy w zroście szybkości stygnięcia przemiana eutektyczna zachodzi przy rosnącym udziale fazy y. Praca [17] zakłada, że objętość w zględna ferrytu w spoinie w doprowadzić do jej zablokowania. Jest to zgodne z przebiegiem przemian przedstaw ionych na om ów ionych przekrojach politermicznych. W skazanie na w pływ przemiany y —* a zachodzącej w temperaturze poniżej 650°C na objętość w zględną ferrytu w spoinie w temperaturze pokojowej powoduje konieczność zw eryfikowania dotychczasow ych poglądów zakładających, że udział ten jest w ynikiem pozostałości ferrytu pow stałego podczas krystalizacji, który nie u legł dalszym przemianom. Przemiana y —► a zachodząca w temperaturze poniżej 650°C zaznaczona na przekrojach politermicznych [4] oraz na w ykresie rów nowagi fazow ej w warunkach metastabilnych [18] skłania do podjęcia badań nad w pływ em szybkości stygnięcia (rów nież w temperaturze poniżej 650°) na objętość w zględn ą ferrytu w spoinach austenitycznych stali chrom ow o - niklowych.
Stosow ane w praktyce do w yznaczania objętości w zględnej ferrytu w ykresy Schaefflera, D e Longa, WRC - 92 [19 - 24] nie uwzględniają w pływ u warunków odprowadzenia ciepła i szybkości stygnięcia spoiny na objętość w zględn ą ferrytu w spoinie i u m ożliw iają jed yn ie przybliżone jeg o w yznaczenie. M ożna przypuszczać, że błąd, z jakim
jest w yznaczana tymi metodami objętość w zględna ferrytu (±4% ), jest w ynikiem pom inięcia w pływ u szybkości stygnięcia na krystalizację spoiny i przem iany 8 -> y i Y —> & ■ U ściślen ie objętości względnej ferrytu w spoinie wym aga w ięc uwzględnienia wpływu warunków odprowadzenia ciepła i szybkości stygnięcia spoiny.
W pracach [25 - 27] szukano analogii m iędzy czasem stygnięcia strefy w pływ u ciepła przyjęto do analizy przedział temperatury 1200 - 800°C .
W publikacjach [28 - 35] opisano w pływ warunków nagrzewania i stygnięcia na przedziału temperatury. M im o że opisane zagadnienie dotyczy zjaw isk zachodzących w strefie w pływ u ciepła, to przedstawiony sposób określenia objętości względnej austenitu, w ykorzystujący zależność opisującą kinetykę przemiany, m oże być zastosow any do opracowania w yników badań ferrytu w spoinie.
Przemiana ferryt - austenit jest procesem dyfuzyjnym przebiegającym przy ciągłym stygnięciu spoiny. Przedstawione w pracach [47 - 58] zagadnienia dotyczą podstawowych zależności m ięd zy w spółczynnikiem dyfuzji, energią aktywacji a temperaturą. Ponieważ badane zjaw isko w iąże się ze zm ianą energii aktywacji dyfuzji wraz z obniżaniem się temperatury spoiny, ogóln ie wskazano na zjawiska opisane w literaturze z zakresu m etaloznawstw a ogóln ego i teoretycznego.
Przedstawiono również przegląd m odeli komputerowych, jakie opracowano w celu zobrazowania m echanizm u krystalizacji jeziorka spaw alniczego i przemian strukturalnych
zachodzących w spoinie [56 - 70], Opis m odeli zam ieszczon o w celu pokazania sposobów podejścia autorów do przedstawienia i opisu zjaw isk zw iązanych z tworzeniem się spoiny i zm ianąjej struktury.
W pracach [56 - 59] przedstawiono m odel opisujący przejście jeziorka spaw alniczego w stan stały, tw orzenie się i kinetykę wzrostu dendrytów oraz w zrost ziaren w strefie w pływ u ciepła. Przy budowaniu m odelu wykorzystano równania i zależności opisujące przepływ ciepła, przepływ m asy, utajone ciep ło krystalizacji, zm ianę szybkości dyfuzji pierwiastków stopow ych oraz udział pierwiastków stopow ych w fazie ciekłej i stałej metalu. M odel opisany w pracach [62 - 70] przedstawia proces krystalizacji dendrytów z uw zględnieniem segregacji składu ch em icznego oraz dalszą przemianę ferryt - austenit w zakresie temperatury 1500 - podstaw ie danych eksperym entalnych i przeprowadzonej symulacji oraz zm ianę udziału fazy austenitycznej i ferrytycznej wraz z obniżaniem się temperatury.
W edług dotychczasow ego stanu w ied zy nie w yznaczono jednak parametru lub uw zględnienia obok składu chem icznego rów nież szybkości stygnięcia i w yznaczenia charakteryzujących j ą parametrów. Przed postaw ieniem tezy pracy dokonano fizycznej interpretacji krystalizacji stopu Fe - Cr - N i na postaw ie układu rów now agi metastabilnej przedstawiono przebieg krystalizacji dla najmniejszej, zielonym dla w iększej, a niebieskim dla największej szybk ości stygnięcia spoiny.
R y s.2 .1 6 . S c h e m a t z m ia n te m p e r a tu r y lik w id u s i te m p e r a tu r y k o ń c a k r y s ta liz a c ji o r a z te m p e r a tu r y p r z e m ia n S - * y i y - > a w z a le ż n o ś c i o d s z y b k o ś c i sty g n ię c ia (n a p o d s ta w ie u k ła d u r ó w n o w a g i m e ta s ta b iln e j s to p ó w 7 0 % F e - C r - N i [1 7 ] ) F ig. 2 .1 6 . S c h e m e o f c h a n g e s o f lik w id u s te m p e r a tu r e a n d c r y s ta llis a tio n fi n i s h te m p e r a tu r e
a s w e ll a s te m p e r a tu r e s o f 8 —> y a n d y - r a tr a n s itio n s in d e p e n d e n c e o n c o o lin g r a te ( o n th e b a s is o f m e ta s ta b le e q u ilib r iu m sy s te m o f 70%> F e - C r - N i
a llo y s [1 7 ] )
O bniżenie wartości temperatury TL, TE(s> i TK prowadzi zatem do przesunięcia pierwotnego wykresu rów now agi fazowej w warunkach m etastabilnych w stronę w yższych zawartości N i i n iższych zawartości Cr.
Biorąc pod uwagę faktyczne położenie T^s) (punkt 2, 2 ’, 2 ”) oraz p ołożenie ich w stosunku do w ykresu rów now agi w warunkach metastabilnych w idać, że przemiana eutektyczna zachodzi z rosnącym udziałem fazy y. W ynika to z reguły dźw igni [5].
W pierwszym przypadku (m ała szybkość stygnięcia) z cieczy utworzy się prawie 100% fazy 8. N a w ykresie zaznaczono kolorem czerwonym .
W drugim przypadku (średnia szybkość stygnięcia) utworzy się ok. 30% fazy y i ok.
70% fazy 8. N a w ykresie zaznaczono kolorem zielonym .
W trzecim przypadku (duża szybkość stygnięcia) utworzy się ponad 50% fazy y. N a wykresie zaznaczono kolorem niebieskim . Przy bardzo dużej szybkości stygnięcia np. odlew chłodzony w w odzie lub mała masa spoiny, ilość krystalizującego eutektycznie austenitu rośnie nawet do 90%.
Podobnej analizie można poddać obszary temperatury przemiany fazy 8 - » y (w stanie stałym ). Temperatura tej przemiany stale obniża się, czego efektem jest zw iększenie zawartości fazy y.
W reszcie rozw ażyć należy zakres niskotemperaturowej przemiany przebiegającej od 650 do 350°C. R ów nież w tym przypadku zw iększenie szybkości stygnięcia prowadzi do obniżenia temperatury tej przemiany, a tym sam ym utrudniona jest dyfuzja pierwiastków (zw łaszcza Cr i N i), co w efekcie zm niejsza ilość powstającego ferrytu.
3 . T E Z A , C E L I Z A K R E S P R A C Y
Przeprowadzona analiza literatury pozw ala na stwierdzenie, że o ostatecznym udziale ferrytu w ysokochrom ow ego w spoinie oprócz składu chem icznego decyduje rów nież w istotnym stopniu jej szybkość stygnięcia.
Przeprowadzona analiza aktualnego stanu w ied zy na temat w pływ u szybkości stygnięcia na tworzenie się ferrytu w ysokochrom ow ego w spoinach typu Fe - Cr — N i pozwala na postaw ienie następującej tezy pracy:
Objętość względna ferrytu wysokochrom owego w temperaturze pokojowej w spoinie o strukturze austenityczno - ferrytycznej wykonanej drutem typu 23% Cr - 12%Ni zależy nie tylko od składu chemicznego, ale także od szybkości jej stygnięcia w zakresie tem peratury 1450 - 1000°C, a zwłaszcza 650 - 350°C. W yznaczenie ilościowego wpływu szybkości stygnięcia reprezentowanej przez czas stygnięcia t = l,lt6so - 350 na objętość względną ferrytu umożliwia zastosowanie tego parametru do uściślenia objętości względnej w spoinie wyznaczonej na podstawie wykresu Schaefflera.
Z przyjętej tezy wynika cel pracy:
Celem pracy jest określenie zależności między szybkością stygnięcia a objętością względną w spoinie ferrytu wysokochrom owego w temperaturze pokojowej oraz uściślenie objętości względnej ferrytu wyznaczonej na podstawie wykresu Schaefflera poprzez wykorzystanie parametru charakteryzującego szybkość stygnięcia spoiny.
Realizacja celu oraz udowodnienie tezy pracy zostały udokumentowane w wyniku opracowania następujących zagadnień:
• określenia wpływu szybkości stygnięcia na kinetykę przemiany fazowej y a,
• wyznaczenia wpływu szybkości stygnięcia na objętość względną ferrytu wysokochrom owego przy uwzględnieniu składu chemicznego reprezentowanego przez równoważniki chromu i niklu oraz czasu stygnięcia t = l , l t 6s o - 350,
• opracowania nomogramu uwzględniającego szybkość stygnięcia spoiny i umożliwiającego uściślenie z dokładnością ± 2% objętości względnej ferrytu wysokochrom owego określonej za pom ocą wykresu Schaefflera.
W celu udow odnienia tezy pracy przeprowadzono badania, których zakres obejmował:
badania w pływ u potencjału jonizacji m ieszanki gazow ej, energii liniowej spawania oraz warunków odprowadzenia ciepła na objętość w zględn ą ferrytu w spoinie,
badania strukturalne,
badanie zawartości pierwiastków w spoinie,
rejestrację za p om ocą termoelementu wolfram - ren cykli cieplnych przebiegających w rzeczyw istych warunkach spawania,
analizę term iczną krystalizacji metalu spoiny, badania sym ulacyjne.
W dalszym etapie pracy na podstaw ie uzyskanych w yników badań:
określono zależność wzrostu objętości w zględnej ferrytu przy uw zględnieniu składu ch em icznego (rów now ażników chromu i niklu) oraz czasu stygnięcia t = 1 , 1^ 50-350 przez opracowanie równań regresji w iążących te w ielkości,
w yzn aczono równanie Johnsona - M ehla - A vram iego określające zw iązek m iędzy objętością w zględ n ą ferrytu i czasem stygnięcia spoiny, w yzn aczono wartość w spółczynnika dyfuzji oraz energię aktywacji dyfuzji,
zbudowano nom ogram y uw zględniające szybkość stygnięcia spoiny um ożliw iające uściślen ie w yznaczonej z wykresu Schaefflera objętości w zględnej ferrytu w spoinie, opracowano m odel m atem atyczny rozkładu ferrytu w spoinie.
4 . M E T O D Y K A B A D A Ń
4 . 1 . M a t e r i a ł y , p r z y g o t o w a n i e p r ó b e k o r a z p l a n b a d a ń M ateriały stosowane w badaniach
Badania obejm ow ały w ykonanie złączy spawanych blach o grubościach 8, 16 i 24 mm ze stali gatunku X 5 C rN il8 -1 0 drutami o oznaczeniu:
litym G 23 12 L w g EN 12072 (oznaczenie producenta CN 23/12 IG),
- proszkow ym osłonow ym T 23 12 LRM3 w g EN 12073 (oznaczenie producenta CN 23/12 FD),
- proszkowym sam oosłonow ym MF 23 12 L w g D IN 8556 (oznaczenie producenta Thermanit 25/14 E/FD).
Średnica każdego drutu w ynosiła l,2m m .
Skład chem iczny stopiwa zastosow anych drutów (w g katalogu producenta) przedstawiono w tablicy 4.1.
Tablica 4.1 Skład chem iczny stopiwa drutów (dane w edług katalogu producenta)
O znaczenie drutu Skład chem iczny, %
C Si Mn Cr N i
G 23 12 L
(C N 2 3/1 2 IG) < 0 , 0 2 0 , 6 1,7 23,5 12,5
T 2 3 12 LRM3
(C N 2 3 /1 2 FD ) < 0 ,0 3 0 , 6 1,5 2 2 , 8 12,5
M F 23 12 L
(Therm anit 2 5/1 4 E/FD) < 0 ,0 4 0,9 1,5 24,5 13
Drut spaw alniczy G 23 12 L (C N 23/12 IG), drut proszkow y o rdzeniu rutylowym T 23 12 LRM3 (CN 23/12 FD) oraz drut proszkow y sam oosłonow y MF 23 12 L (Thermanit 25/14 E/FD) są stosow ane do w ykonyw ania połączeń m iędzy stalami ferrytycznymi i austenitycznymi oraz do spawania w szystkich innych m ateriałów podanych w w ytycznych V dT U V 1000.xx. Druty te m ogą być rów nież stosow ane do spawania w ysokochrom owych stali odpornych na korozję oraz do w ykonyw ania warstw pośrednich lub buforowych przy napawaniu. Połączenia w ykonane tymi drutami m ogą być stosow ane do pracy w temperaturze nie przekraczającej 300°C.
Przygotowanie próbek do badań
Przed spawaniem blachy ukosow ano, a następnie spawano w utwierdzeniu na podkładce m iedzianej chłodzonej wodą. Po wykonaniu każdej warstwy i jej sw obodnym ostygnięciu do temperatury pokojowej m ierzono objętość w zględn ą ferrytu w pięciu punktach pom iarow ych na długości złącza zgodnie z [75]. Przygotowanie złącza do spawania przedstawia rysunek 4.1 , spawaną próbkę - rysunek 4.2, natomiast sposób układania kolejnych warstw spoiny przedstawiono na rysunku 4.3.
Rys. 4.2. Wymiary próbki Fig. 4.2. Dimensions o f a sample
E max E min
Rys. 4.3. Sposób układania poszczególnych ściegów spoiny Fig. 4.3. M ethod o f beading
Planowanie badań
W badaniach zastosow ano planow anie eksperymentu.
W przypadku spawania drutami wym agającym i osłony gazowej przyjęto trzy zm ienne w ejściowe:
• potencjał jonizacji m ieszanki osłonow ej (w pływ ający na temperaturę łuku spawalniczego) w zakresie zm ienności od 17,5 do 22,8 eV,
• energię lin iow ą spawania w zakresie zm ienności od 8 do 24 kJ/cm,
• energię lin iow ą spawania w zakresie zm ienności od 8 do 24 kJ/cm,