Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J
S e ria: M E C H A N I K A z. 56 N r k o l . 4 3 7
_______ 1975
J e r z y D Z I U B I Ń S K I , P i o t r A D A M I E C , P i o t r M A K O S Z , M a r c e l i M A Z U R
I n s t y t u t M e t a l o z n a w s t w a i S p a w a l n i c t w a
» P Ł Y W E N E R G I I L I N I O W E J Ł U K U N A S K Ł O N N O Ś Ć D O P Ę K A N I A S P O I N W Y K O N A N Y C H Ł U K I E M K R Y T Y M N A S T A L I K O N S T R U K C Y J N E J M n - V - N
S t r e s z c z e n i e . P r z e p r o w a d z o n o b a d a n i a s k ł o n n o ś c i d o p ę k a n i a s p o i n w y k o n a n y c h ł u k i e m k r y t y m n a b l a c h a c h ze s ta l i k o n s t r u k c y j n e j M n - V - N o g r u b o ś c i 9 i 2 5 m m . S t w i e r d z o n o , że s k ł o n n o ś ć s p o i n do p ę k a n i a za-*
l e ż y od e n e r g i i li n i o w e j ł u k u o r a z o d p r ę d k o ś c i s p a w a n i a . P r z y s t a łej e n e r g i i l i i n o w e j niniejszą s k ł o n n o ś ć do p ę k a n i a w y k a z u j ą s p o i n y w y k o n a n e m n i e j s z y m i p r ę d k o ś c i a m i s p a w a n i a . S t w i e r d z o n o także,; że w s t ę p n e p o d g r z a n i e b l a c h p r z e d s p a w a n i e m w y r a ź n i e z m n i e j s z a s k ł o n n o ś ć s p o i n do p ę k a n i a .
1. Wstęp
M o ż l i w o ś ć z a s t o s o w a n i a p r z e m y s ł o w e g o s t a l i k o n s t r u k c y j n y c h o p o d w y ż s z o * nej w y t r z y m a ł o ś c i w i ą ż e s ię ś ci ś le z i c h s p a w a l n o ś c i ą . Z a g a d n i e n i e s p a - w a l n o ś c i j e s t b a r d z o z ł o ż o n e i j e s t f u n k c j ą s z e r e g u w z a j e m n i e p o w i ą z a n y c h c z y n n i k ó w . J a k o p o d s t a w o w e k r y t e r i u m o c e n y s p a w a l n o ś c i , p r z y j m u j e s i ę s k ł o n n o ś ć z ł ą c z s p a w a n y c h do w y s t ę p o w a n i a p ę k n i ę ć . P ę k n i ę c i a w z a l e ż n o ś c i od z a k r e s u t e m p e r a t u r i c h p o w s t a w a n i a d z i e l ą si ę n a g o r ą c e , z i m n e (zwł o c a * ne) i k r u c h e . 0 p ę k n i ę c i a c h g o r ą c y c h d e c y d u j e c z y s t o ś ć m e t a l u r g i c z n a B t o - p i w a o r a z s z y b k o ś ć n a r a s t a n i a o d k s z t a ł c e ń w p r o c e s i e k r y s t a l i z a c j i [i].
P ę k n i ę c i a z w ł o c z n e są e f e k t e m J e d n o c z e s n e g o o d d z i a ł y w a n i a n a p r ę ż e ń , w o d o r u i m a r t e n z y t u [2] n a j c z ę ś c i e j w s t r e f i e w p ł y w u c i e p ł a » g d z i e n a s t ę p u j e z a p o c z ą t k o w a n i e p ę k n i ę c i a . P r z y p ę k n i ę c i a c h k r u c h y c h d e c y d u j ą c e z n ac z ę*
n i e p o s i a d a s p i ę t r z e n i e n a p r ę ż e ń w o b e c n o ś c i k a r b u , p r z y c z y m s k ł o n n o ś ć do i c h w y s t ę p o w a n i a r o ś n i e z o b n i ż a n i e m t e m p e r a t u r y oraz ze w z r o s t e m wiel
k o ś c i z i a r n a i w s p ó ł c z y n n i k a z a b l o k o w a n i a d y s l o k a c j i [3]. A n a l i z u j ą c w a r u n k i p o w s t a w a n i a p ę k n i ę ć , m o ż n a s t w i e r d z i ć , że c z y n n i k i d e c y d u j ą c e o p ę k a n i u z a l e ż ą o d c z y s t o ś c i m e t a l u r g i c z n e j s t o p i w a i e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u s p a w a l n i c z e g o , d e c y d u j ą c e j o k s z t a ł c i e i w i e l k o ś c i j e z i o r k a c i e k ł e g o m e t a l u , w a r u n k a c h k r y s t a l i z a c j i i o d k s z t a ł c e n i a c h m e t a l u s p o i n y , s z y b k o ś c i c h ł o d z e n i a s p o i n y i s t r e f y w p ł y w u c i e p ł a o r a z o s k ł a d z i e c h e m i c z n y m s t o p i w a . W i e l k o ś ć e n e r g i i l i n i o w e j n a b i e r a s z c z e g ó l n e g o z n a c z e n i a w p r z y p a d ku s p a w a n i a s t a l i o p o d w y ż s z o n e j w y t r z y m a ł o ś c i % m i k r o d o d a t k a m i m e t o d a m i w y s o k o w y d a j n y m i n p . ł u :ri * m k r y t y m l u b w o s ł o n i e C 0 2 [4].
68 J. Dziubiński i inni
B a d a n i a E i c h h o m a i N i e d e r h o f f a [
5
] p rz eprowadzone przy spawaniu stali St37-3 w osłonie OOg wykazały, że o w ł a s n o ś c i a c h p o ł ą c z e ń s p a w a n y c h nie decyduje w y ł ą c z n i e w i e l k o ś ć energii liniowej łuku E = U . I/Vs, lecz r ó w n i e ż k o m b i n a c j a p a r a m e t r ó w sp awania jaki n a p i ęc ie łuku U, n a tę żenie prądu I i p r ę d ko ś ć sp aw an ia Vs, przy stałej w a r to śc i energii liniowej E.C e l e m b a d a ń jest us ta l en ie w pływu energii liniowej łuku.szybkości spa
w a n i a pr zy stałej w a r t oś c i tej energii oraz tempe ra tu r y w s t ę p ne go pogrze- w a n i a b l a c h ze stali ko n strukcyjnej tón-V-N o grub oś ci 9 i 25 m m na sk ło n n o ś ć do p ę k a n i a s p o i n w y k o n a n y c h ł u k i e m k r yt y m. Dl a oceny skłonności spoin do p ę ka n ia z a st o so wa no próbę P isco [6].
2. B a da ni a w ła s ne
B a d an i a p rz e pr o w a d z o n o na bl ac h a c h ze stali konstrukcyjnej M n - V - N o g rubości 9 i 25 m m (tabl, 1). Do s pawania łuki em k r y t y m stosowano drut SP4 o śr ednicy 3 i 4 mm, zawie ra ją c y 0,015 - 0 , 2 2 % Cj 0,9 - 1,2% Mnj 0,7- 1,1% Si oraz t o p n i k n e u t r a l n y TAStl. S p oi n y układano p r z y p o m oc y automatu A S7d-1200, zasil an eg o z t r a n s f or ma t or a spawalniczego EATe-900 lub trans
f o r m a to ra ETc-500. P ę k n i ęc i a wy kr y wa no de fe k t o s k o p e m do badań m ag netyczno p r o s z k o w y c h typu MEP-2. W y m i ar y pr óbek s t os ow a ny ch do b a d a ń oraz schemat w y k o n y w a n i a s p oi n p r ó b n y c h pr z ed s t a w i a rys. 1. Spoiny próbne 1-3 u kładano kole jn o po sobie p r z y s t a ły c h pa r am e t r a c h k o n t ro lo wa n yc h w p r ocesie spa
wania.
T a b l ic a 1
S kład ch em ic z ny b a d a ny c h stali Śrubość
b la c hy m m
Skład c h e m ic zn y %
C Mn Si P S Cr Ni Cu V Al n2 %
9
0,16 1,60 0,40 0,016 0,021 0,02 0,03 0,05 0,18 0,04 0 ,0250 0,4625 0,18 1,54 0,46 0,032 0,033 0,07 0,30 0,08 0,18 0,07 0,0131 0,48 r 7 T I M n Si Cr Ni V .
c E = c + - b + 2 4 + 3 + r e + T T i
Sk ł on no ść do p ę k a n i a oceniano n a podstawie zależności:
fa = P J M . d ł u ą o ś c i pękn ię ć spoin prób ny c h 10Qj6 suma długości spoin p r ó b ny c h ’ gdzie:
f a - w s p ó ł c z y n n i k skłonności do p ę k an ia %,
a - w i e l k o ś ć ods tę pu m i ę d z y próbkami mmj w b a d a ni a ch stosowano a=2 m m
W p ł y w e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u n a . . 6 9
A~A
Rys. 1. W y m i a r y p r ó b e k s t o s o w a n y c h d o b a d a ń o r a z s c h e m a t w y k o n y w a n l a spoin p r ó b n y c h
J s - s a " /»
10 <3
- J rŁj. ,e n e rg ia k n io re a tu k u t l ^ rc m j
Rys. 2. Z a l e ż n o ś ć w s p ó ł c z y n n i k a s k ł o n n o ś c i d o p ę k a n i a o d e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u p r z y r ó ż n y c h p r ę d k o ś c i a c h s p a w a n i a j g r u b o ś ć b l a c h y g = 9 ®
P r ó b k i p o d g r z a n e p r z e d s p a w a n i e m g r z a n o w p i e c u d o t e m p e r a t u r y 2 0 0 - 2 5 0 ° C tak, a b y po z a m o c o w a n i u i c h w p r z y r z ą d z i e o s i ą g n ę ł y t e m p e r a t u r y 150 i 2 5 0 ° C . W p r z y p a d k u b a d a n i a w p ł y w u p r ę d k o ś c i s p a w a n i ® n a s k ł o n n o ś ć s p o i n do p ę k a n i a , p r ó b k i s p a w a n o t r z e m a s t a ł y m i p r ę d k o ś c i a m i V s p = 30, 4 0 i 50 m/h, z m i e n i a j ą c n a t ę ż e n i e p r ą d u i n a p ę c i9 ł uk u tak, a b y z a c h o w a ć s t a ł ą e n e r g i ę l i n i o w ą ł u k u . W y n i k i z m i a n w s p ó ł c z y n n i k a s k ł o n n o ś c i do p ę k a n i a w z a l e ż n o ś c i o d e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u p r z y r ó ż n y c h p r ę d k o ś c i a c h s p a w a n i a p r z e d s t a w i a j ą rys. 2 1 3 , n a t o m i a s t w p ł y w e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u i s z y b k o ści s p a w a n i a n a s k ł o n n o ś ć do p ę k a n i a s p o i n w y k o n a n y c h n a b l a c h a c h p o d g r z a ć n y c h w s t ę p n i e do 1 5 0°C i 2 0 0 ° C - rys. 4 1 5 .
70 J . D ziu b iń sk i i in n i
Rys- 3- łuku
¿0 2S
e n e r g ia lin io w a to k u a l^ y ć r iJ
Z a l e ż n o ś ć w s p ó ł c z y n n i k a s k ł o n n o ś c i do p ę k a n i a o d e n e r g i i l i n io w e j p r z y różnych, p r ę d k o ś c i a c h s p a w a n i a ; g r u b o ś ć b l a c h y g «= 2 5 m m
1
l "i-s *>
JO /►o
. f s
.ys-jo*/*
JO J5
rk.
energia Urnowa tu k u E l T cm J
H y s . 4. Z a l e ż n o ś ć w s p ó ł o z y n n i k a s k ł o n n o ś c i do p ę k a n i a od e n e r g i i l i ni o w e j ł u k u p r z y r ó ż n y c h p r ę d k o ś c i a c h s p a w a n i a b l a c h g = 9 mm, p o d g r z e w a n y c h
p r z e d s p a w a n i e m d o t e m p e r a t u r y 1 5 0 ° C
Wpływ energii liniowej łuku na.. 71
Rya. 5. Z a l e ż n o ś ć w s p ó ł c z y n n i k a s k ł o n n o ś c i d o p ę k a n i a o d e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u p r z y r ó ż n y c h p r ę d k o ś c i a c h s p a w a n i a b l a c h g = 9 m m , p o d g r z e w a n y c h przed
s p a w a n i e m do t e m p e r a t u r y 2 0 0 ° C
C h a r a k t e r y s t y c z n e p r z e b i e g i p ę k n i ę ć w s p o i n a c h w i d o c z n e s ą n a r y s . 6 i 7
• ■; ’''•V. .
■ ■ ' •' * ' ..
; ... ;>■ . s-;
. . - * ' - •
; ‘ ' • . ' •
• ” V • • w, • •. . ’ .
*• • - ' • . ' ‘ . • / ■ '-=■
;• '• :'r~ - ' ,v .• * . • s‘ / '• : ■
Kye.
a) E = 2 4 , 6 k J / c m b) E = 9,0 k J / c m
6
. P r z e b i e g p ę k n i ę ć m a k r o s k o p o w y c h w s p o i n a c h p r ó b n y c h . B l a c h a g = 2 5 mm. Pow. 2x. T r a w . o d c z . A d l e r aa) E •= 1 5 ,0 k J / c m b) E » 1 2 , 0 k J / c m
Rys. 7. P r z e k r o j e p o p r z e c z n e s p o i n b e z p ę k n i ę ć . B l a c h a g ■= 3 m p o d g r z e w a n a p r z e d s p a w a n i e m do t e m p . 2 0 0 ° C . Pow. 2x. T r a w . o d c z .
A d l e r a
7 2 J . D z i u b i ń s k i i I n n i
3. A n a l i z a w y n i k ó w ba da ń
P r z e pr o wa dz on e b a d an ia w y k a z a ł y zależność w s p ó ł c z y n n i k a skłonności s pc in do p ę k a n i a w pro ce s ie spawania o d energii liniowej łuku oraz pręd
kości spawania, prz y stałej energii liniowej. Stwierdzono, że istnieje za
kres op ty ma l n y c h energii l i n i ow yc h łuku i zarówno wzrost, jak i zmniejsze
ni e tej energii powoduje z wi ększenie skłonności s po in do pękania. Optymal
n y zakres energii, w y z n a c z o n y dla stali 18G2VA w oparciu o próbę Pisco w a h a się, w p r z y pa dk u s pawania bez p o d g r z e w a n i a wstępnego, w g r a n i c ac h 10 - 1! k J / c m d la b l a c h o gru bo śc i 9 m m i 18 - 22 k J / c m dla b l a c h o grubości 25 m m (rys. 2 i 3). Przy m a ł y c h e n e r gi a ch l in io w yc h łuku p ę k n ię ci a zapo
c zątkowane są w strefie w pływu ciepł a (rys. 6a) i ma ją cha ra k te r pęknięć
¡awłocznych, na to mi a st pr zy e n e r g i a c h d u ż y c h w y s t ę p u j ą głównie pę kn ię c ia gorą ce w strefie transkr y st al iz a cj i (rys. 6 b ) . W p i e r w s z y m przypadku o che;
r akterze pęk n ię ć decyduje duża szybkość c hł od z en ia i m o ż l iw o ść p ow stania stru k tu r o dużej kruchości. Natomiast p ę k n i ęc ia go rące są e f ek t em n i e w y starczającej cz ys tości me ta lurgicznej i m o żl iw e j segregacji zan ie cz y sz cz eń w spoinie. D u ż y w p ł y w p o s i a da prę dk o ść spawania, której wzrost p r z y sta
łej energii liniowej łuku zw iększa sk io n no śó s po in do pęka ni a (rys. 2 i 3) Wzrost szybkości spawania z 30 do 50 m / h p r z y spawaniu b l a c h o g rubości 9 m m po w od uj e zwiększenie w s p ó ł c z y n n i k a f a z 50 do 100$ dla w s z y s t k i c h e nergii li n io wy ch łuku (rys. 3). Jest to w y n i k i e m n i e k o r z y s t n y c h zmian k ształtu j e zi o r k a i w a r u n k ó w kry st a li za cj i ze w z r o s t e m szybkości spawania.
Kształt p ow i er zc hn i krystali z ac ji decyduje o ks z tałcie i w i e l ko śc i dendry*- tó w oraz po śr e dn io o konc en tr ac j i w t r ą c e ń n i e m et al ic z ny ch .Z w ię ks zo n e stę
żenie w t r ą c e ń w p r z e st rz e ni ac h m i ę d z y d e n d r y t y c z n y c h wz gl ę d n i e w strefie t r a n sk ry s ta li za c ji prowadzi n i e wą tp li w ie do z w iększenia skłonności do pęk nięć, głównie kr ystalizacyjnych. Zmniejszeniu skłonności spoin do pękania sprz y ja w s t ę p n e podgrzanie b l a c h p r z e d s p a w a n i e m do t em p er at ur y 150° C i 200°C. W t y m pr zy pa dk u zaz na c za się także w p ł y w energii liniowej łuku jak i szybkości sp awania p r z y tej samej energii liniowej łuku. Podgrzewanie b l a c h p rz ed sp aw a n i e m powoduje z mn ie jszenie się szybkości chłodz en ia stre
fy w p ł y w u c ie pł a i n a p r ę ż e ń we wnętrznych, w y n i k a j ą c y c h z o d ks z t a ł c e ń ciepl
n y c h w proc es ie spawania.
4. Wnioski
S p o i n y wyk o na ne ł u k i e m k r y t y m n a bl a ch ac h ze stali konstrukcyjnej ten - V - N w y k a z u j ą d u ż ą skłonność do pękania, zale żn ą od energii liniowej łuku, szybkości s pawania i t e m pe ra t ur y s pa w a n y c h blach.
Np j m n i ej sz ą skłonność do p ę ka ni a w y k a z u j ą s p oiny wy ko na ne pr zy energii liniowej łuku od 10 do 14 k J / c m dla bl ac h o grubości 9 m m i od 18 do 22 k-i/cm dla b l a c h o g rubości 25 mm.
W p ł y w e n e r g i i l i n i o w e j ł u k u n a . . 7 3
Pr z y stałej energii liniowej łuku ze zm n ie j s z e n i e m szybkości spawania, maleje sk ł on no ść spoili do pękania.
P od gr z e w a n i e w s t ę p n e b l a c h p r z e d s p a w a n i e m do t e m p e r a t u r y 150-200°C z mn iejsza w yd at n i e sk ło nn o ść s p o i n do pękania.
L IT E RA TU RA
fil P r o ł o w J.W. - T i e o r i t io ze s ki je o s n ow y swarki, W y s s z a j a Szkoła, M o s kw a 1970.
[
2
] G r a n j o n H. - Dok. MIS 384-71.[
3
] Dahl W. - Stahl u . E i s e n 11, 1968, 578.[4] W ę g r z y n J. - M a t e ri a ły I Konf. "Stan o b e c n y i p e rs pe k ty wy rozw oj u spa- w a i n y c h stali m i k r o s t o p o w y c h w PRL i CSRS" - Ustroń-Dobra, 1973.
[
5
] E i c hh o rn P . , N i e d e r h o f f K. - S c h w e i s s e n u.Schneiden, 10, 1972, 339.(ć>] Schnadt H.M. - O e r l i k o n Schwe is sm i tt ei lu n ge n, 27, 1957, 71.
BJIHHHHE nOTOHHOa OHEPrHH flyni HA CKJIOHHOCTfc K OEPA 30 BAHIDO TPEIięffi B CBAPHŁDC ¡ 1 IBAX BU 110 JIHEHHH 2 nOfl iJHOCOM HA KOHCTPyKUjŚHHOH CTAJIK Mn-V-N
P e 3
ku e
I I p O B e f l e H O H O C J i e f l O B a H H H C K J I O H H O C T H K 0 6 p a 3 0 B B H H K > i p e i D H H B C B a p H b U C m B a x B u n o j i H e H H H x a B i o M a i H ^ e c K o a O B a p K O f t n o « (Jm iio co m H a j w c r o B o a K O H c i p y K u e H H o a CTa- JIK M n - V - N T O J H Ę H H O a B 9 H 2 5 M M . y c i a H O B J i e H O , <110 C K J l O H H O C T b K T p e i H H H O O f i p a - 3 0 B a H H I O 3 a B H C H T Ofl H O r O H H O a 3 H e p r H H A y r a K C K O p O C T H O B a p K H . ilpH n O O T O H H H O a n o r o H H o a 3 H e p r H H M e a t m y » c k j i o h h o g t b k T p e ą n H o o 6 p a 3 0 B a H H i o n p o a B M i o T C B a p H u e s i b h B H K O J i H e H H u e n p E 6 o j t e e h h s k h x c k o p o o t h x O B a p K H . y c T a H O B a e u o , h t o n p e ^ E a - p a i e j i t H u a n o A o r p e s a o C B a p K H o n j e i M B O y M e H B m a e T o k j i o h h o c t b C B a p H b n c h i b o b k O Ć p a 3 0 B a H H i O i p a m H H .
I i
J . D ziu b iń sk i i in n iT H E I N F L U E N C E OP HEA T INPUT ON T H E S U S C E P T I B I L I T Y TO C R ACKING OP S UB ME R GE D ARC W E L D M ETALS ON CA R BO N - M A N G A N E S E STEEL WITH A V A N A D I U M A N D N I T R O G E N AD DITION
S u m m a r y
The s u s c e pt ib i li ty to cra ck in g of welds made by s ub m e r g e d arc w e l d in g process on man ga ne s e steel p la te s w i t h V a nd N ad ditions of 9 a nd 25 m m in thi ck n es s h as b e e n tested. It h a s b e e n stat e d that the suscept ib i li ty to c r a c ki ng depends on the heat input and a h i g h in fluence on the cra
cking p a r a m e t e r has also the w e l d i n g speed. Welds made w i t h l o we r w e l di ng speeds at a constant heat input sho w small er s u s c e pt ib il i ty to cracking.
R anges of heat i n puts at w h i c h the s u s c e pt i bi li ty to c r a c k i n g was the lo
west hav e b e e n stated. It has be en d e t e r m i n e d that a p re he a t i n g of plates decreases m a r ke d ly the sus c ep ti bi l it y to c r a ck in g of w e l d metals.
