Sposoby oceny spawalności stali

Przyjęcie na materiał konstrukcyjny stali o niedostatecznej spawalności skutkuje pęknięciami w złączach spawanych. Pęknięcia te mogą powstać w czasie procesu spawania i w niedługim czasie po jego wykonaniu (przed przyłożeniem obciążeń eksploatacyjnych), mówi się wtedy o pęknięciach

technologicznych. Jeżeli dodatkowo przyczyną pęknięć jest kruchość materiału to wyróżnia się pęknięcia technologiczne gorące (rys 2a) i zimne, a jeżeli przyczyną są odkształcenia wynikające z procesu krzepnięcia i stygnięcia spoin (zjawiska skurczu) – pęknięcia technologiczne lamelarne (rys. 2b) i wyżarzeniowe. Pęknięcia, które występują po dłuższym okresie czasu, gdy konstrukcja jest już poddana obciążeniem eksploatacyjnym to pęknięcia eksploatacyjne kruche lub zmęczeniowe. Wszystkie wady spawania, a w szczególności pęknięcia powstające w spoinach lub złączach spawanych, są zjawiskiem niepożądanym w wykonywanej konstrukcji, ponieważ w znaczący sposób obniżają jej nośność, co dodatkowo jest potęgowane przy obciążeniach cyklicznych. Mogą więc prowadzić do awarii połączeń spawanych i w efekcie zniszczenia całej konstrukcji. Dlatego ważne jest aby ograniczyć możliwość ich powstania poprzez prawidłowy dobór technologii spawania, rodzaju złącza oraz gatunku stali.

a) b)

Rys. 2. Przykłady pęknięć złączy spawanych: a) pęknięcie gorące w osi spoiny, b) makrostruktura połączenia spawanego z widocznym pęknięciem lamelarnym [2]

Znane są różne rodzaje technologicznych i eksperymentalnych prób jakościowych umożliwiających ocenę skłonności stali do pękania, jako objawu niedostatecznej spawalności [1÷3]. Wyróżnia się badania eksperymentalne rzeczywistych połączeń spawanych, badania symulacyjne, badania dylatometryczne, a także testy spawalności. Badania eksperymentalne umożliwiają odzwierciedlenie warunków panujących w połączeniach spawanych, jednakże większość z nich jedynie w sposób przybliżony odtwarza warunki rzeczywiste i zmusza do prowadzenia badań na modelowych połączeniach spawanych. Wymagają one odpowiedniego wyposażenia badawczego, dużej pracochłonności, co w połączeniu z niewielkimi wymiarami próbek sprawia, że stają się trudne i kłopotliwe do przeprowadzania. Dlatego też koniecznym było opracowanie systemu oceny wrażliwości na spawanie, umożliwiającego opis zachowania materiału podczas spawania i wstępną ocenę spawalności.

Zaproponowano system wskaźników spawalności stali [2], w którym wyróżnia się trzy grupy wskaźników. Jedna z grup obejmuje wskaźniki wyliczane na podstawie składu chemicznego,

a pozostałe dwie grupy obejmują wskaźniki wyznaczane doświadczalnie. W skład grupy drugiej wchodzą wskaźniki określające skłonności do powstawania pęknięć. Grupa trzecia zawiera wskaźniki właściwości SWC takie jak kruchość w wyniku zachodzących przemian i starzenia.

Należy podkreślić, że prawidłowej ocenie skłonności stali do pękania, służą technologiczne i eksperymentalne próby jakościowe. Wskaźniki spawalności służą jedynie wstępnej przybliżonej ocenie spawalności i mają na celu uniknięcie wykonywania kosztownych prób technologicznych dla stali o niedostatecznej spawalności (wskaźniki pozytywne – przeprowadza się próby technologiczne i ocenia spawalność, wskaźniki negatywne – ocenia się, że stal jest niedostatecznie spawalna i nie przeprowadza się prób technologicznych).

3.1. Empiryczne sposoby oceny spawalności stali

Metody obliczeniowe używane są głównie do określania spawalności stali niestopowych, drobnoziarnistych i niskostopowych. W przypadku m.in. stali średnio i wysokostopowych konieczne jest wykorzystanie eksperymentalnych metod badania spawalności stali. Z punktu widzenia problematyki spawalności wyróżnia się próby badania spawalności metalurgicznej, konstrukcyjnej i technologicznej [2].

Próby spawalności metalurgicznej informują o przemianach fazowych materiału rodzimego pod wpływem cyklu cieplnego spawania. Do nich możemy zaliczyć:

– próby mechaniczne statyczne lub dynamiczne prowadzone na złączach doczołowych (próba rozciągania, ścinania, zginania, udarności, twardości, wytłaczania),

– próby pomiaru twardości pod napoiną (spoiną), – próby korozji połączeń spawanych,

– próby napawania w warunkach zmieniającej się mocy liniowej łuku.

Próby spawalności konstrukcyjnej określające skłonność do pękania w procesie spawania to odpowiednio dla:

– pękania na gorąco, np. próba Varestraint (próba zmiennego odkształcenia), próba Blancheta (umożliwiająca badanie skłonności do pęknięć przy spawaniu blach cienkich) lub próba kołowa segmentowa (do badania blach grubych),

– pękania zimnego, np. próby złączy utwierdzonych (próba CTS próba regulowanej ostrości cieplnej, próba krzyżowa i inne), a także próby z regulowanymi naprężeniami (np. próba kołkowa lub próba TRC z kontrolowaną sztywnością złącza),

– pękania lamelarnego (miarą skłonności do pękania jest wartość przewężenia Z próbki pobranej w kierunku grubości blachy), np. próba Z lub okienkowa,

– pękania wyżarzeniowego, np. próba Tanaki lub typu H.

Technologiczne próby spawalności składają się z prób określających wpływ cyklu cieplnego spawania oraz skłonności do powstawania pęknięć w czasie spawania lub po spawaniu. Wykonywane są one jednocześnie w trakcie prób spawalności metalurgicznej lub konstrukcyjnej.

3.2. Analityczne sposoby oceny spawalności

Oprócz, czasochłonnych i wymagających dużych nakładów oraz dobrze wyposażonego zaplecza badawczego, empirycznych metod oceny spawalności stali, występują także metody analityczne, które umożliwiają opis zachowania się materiału podczas spawania. Powstały one przy wykorzystaniu złożonych modeli, najczęściej wspartych szerokim zakresem badań doświadczalnych opracowanych statystyczne i przedstawionych w postaci systemu wskaźników oceny spawalności. W skład systemu wchodzą wskaźniki oceny skłonności do pękania technologicznego tj. pękania gorącego, zimnego, lamelarnego i wyżarzeniowego [2, 4]. Większość wskaźników opisana jest dwustopniową skalą (skłonna, odporna) lub trójstopniową skalą (skłonna, częściowo odporna, odporna), przez co stanowią mało precyzyjną i szacunkową ocenę teoretyczną spawalności. Mimo to są tanim, chętnie wykorzystywanym i przydatnym narzędziem do oceny spawalności stali, gdyż pozwalają one przewidywać wyniki prób technologicznych i wstępnie dobierać warunki spawania.

Na podstawie procentowego udziału poszczególnych składników stopowych stali możliwe jest określenie równoważnika węgla CEV. Obrazuje on intensywność oddziaływania składników stopowych na tworzenie kruchych, utwardzających struktur (martenzyt i bainit) w SWC. Wyznacza się go z zależności (1), opracowanej przez Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa:

. 5 % % % 15 % % 6 % %C ^{Mn Ni Cu Cr Mo V} CEV (1)

Przy użyciu równoważnika węgla CEV można wstępnie ocenić spawalność stali [1]. Kiedy obliczona wartość CEV na podstawie wzoru (1) nie przekracza 0,42%, to stal uważa się za łatwo spawalną, a uzyskanie złącza bez zanieczyszczeń i pęknięć nie wymaga stosowania specjalnych środków ostrożności (dla stali łatwo spawalnych dodatkowo procentowa zawartość węgla nie powinna być większa niż 0,25%). Gdy współczynnik CEV zawiera się w przedziale 0,42 0,60%, wówczas stal zalicza się do grupy stali średnio spawalnych. Wymagane jest wtedy stosowanie środków ostrożności takich jak: zmniejszenie szybkości spawania czy podgrzanie materiału przed spawaniem. Dotyczy to jednak elementów o grubościach ścianek powyżej 20 mm (elementy

o grubości do 20 mm nie wymagają ww. zabiegów). Przy wartościach współczynnika CEV większych od 0,60% stal uznaje się za trudno spawalną, a więc wymagającą stosowania dodatkowych zabiegów niezależnie od grubości łączonych elementów (takich jak dla stali średnio spawalnych, a także dodatkowo obróbki cieplnej po spawaniu).

Należy podkreślić, że CEV to powszechnie stosowany wskaźnik spawalności, ale nie jedyny i we wstępnej ocenie nie należy ograniczać się tylko do niego. Oprócz CEV występuje szereg innych wskaźników spawalności (wskaźników skłonności do pęknięć, wskaźników właściwości SWC) szeroko opisywanych np. w [2].

Obok metod analitycznych powstały również metody graficzne, które mają zastosowanie w przypadku stali niestopowych i stopowych oraz wysokostopowych. Są nimi wykresy CTPc-S (czas-temperatura-przemiana) (rys. 3a) oraz wykresy skłonności do pęknięć (rys. 3b).

a) b) c)

Rys. 3. Przykładowe wykresy dla metody graficznej oraz komputerowej: a) wykres CTPc-S dla stali podeutektoidalnej, b) wykres Schafflera z zaznaczonymi obszarami kruchości oraz wrażliwości na pękanie

gorące i zimne, c) wykres CTPc-S z bazy danych programu Mat Spaw [5]

Na podstawie metod analitycznych zostały opracowane programy komputerowe (np. Mat Spaw). Umożliwiają one przeprowadzenie wstępnej oceny spawalności, wyznaczenie optymalnych warunków termicznych spawania, dobór materiałów dodatkowych do spawania oraz opracowanie technologii spawania (rys. 3c). Nie uwzględniają one jednak wszystkich zmiennych technologicznych i dają jedynie wstępną informację o materiale i uzyskanych właściwościach złącza. Pozwala to na znacznie skrócenie czasu doboru odpowiedniej technologii spawania.

5. Podsumowanie

W referacie przedstawiono poszczególne wypadkowe spawalności (spawalność metalurgiczną, technologiczną oraz konstrukcyjną) oraz współzależność między nimi. Podkreślono, że technologiczne parametry spawania, metalurgiczne właściwości złącza oraz czynniki

konstrukcyjne są powiązane zależnościami, a więc spawalności należy rozumieć jako wypadkową tych czynników.

Ocena spawalności stali jest problemem złożonym, zależnym od wielu czynników. Prawidłowa ocena spawalności powinna być przeprowadzona we wstępnym etapie w oparciu o system wskaźników spawalności. Uzyskane w ten sposób wstępne informacje pozwalają przewidzieć wyniki prób technologicznych i ułatwiają podjęcie decyzji czy wykonanie kosztownych prób jest sensowne. Ocenę o niedostatecznej spawalności można wyciągnąć już na podstawie analizy samych wskaźników spawalności. Natomiast ocena o zadowalającej spawalności może być wyciągnięta tylko i wyłącznie po przeprowadzeniu odpowiednich prób technologicznych.

Literatura

[1] Gosowski B., Kubica E.: Badania laboratoryjne konstrukcji metalowych. Wydanie IV zaktualizowane i rozszerzone. Wrocław: Oficyna Wydawnicza PWr, 2012.

[2] Tasak E., Ziewiec A.: Spawalność materiałów konstrukcyjnych. Tom 1: Spawalność stali. Kraków Wydawnictwo JAK, 2009.

[3] Butnicki S.: Spawalnosć i kruchość stali. Warszawa: WNT, 1991.

[4] PN-EN 1011-2:2004+A1:2005 Spawanie – Wytyczne dotyczące spawania metali – Część 2: Spawanie łukowe stali ferrytycznych.

[5] Mikuła J., Habel J.: Mat Spaw - program wspomagający analizę spawalności stali i opracowanie technologii spawania – instrukcja użytkownika.