Ocena spawalności stali konstrukcyjnych

Transkrypt

1 Ocena spawalności stali konstrukcyjnych Piotr Kozioł, Piotr Organek, doktoranci I roku Wydziału Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Bronisław Gosowski, Wydział Budownictwa Lądowego i Wodnego Politechniki Wrocławskiej 1. Wprowadzenie Do początków XX wieku, kiedy to masowo produkowano zwykłe stale, rzecz była prosta, bo stal cechowała się zbliżonymi parametrami. Obecnie pod pojęciem stal skrywa się kilkaset różnych stopów żelaza, różniących się składem, właściwościami i zastosowaniami [1]. W produkcji stalowych konstrukcji spawanych istotną właściwością jest spawalność stosowanych gatunków stali. W czasach, kiedy konstrukcje stalowe były wykonywane ze stali niskowęglowych, które nie wymagały obróbki cieplnej po spawaniu (w zakresie grubości mm i wytrzymałości na rozciąganie mniejszej niż 500 MPa) nie obserwowano negatywnych skutków procesu spawania. Wraz z rozpoczęciem stosowania w latach 40. ubiegłego wieku na konstrukcje spawane stali o podwyższonej wytrzymałości, pojawiły się pierwsze problemy ze złączami spawanymi, a konstrukcje ulegały groźnym awariom, prowadzącym często do ich całkowitego zniszczenia. Wszystko to prowadziło do potrzeby wyjaśnienia problemów dotyczących spawalności. Spawalność można zaliczyć do pojęć technicznych trudnych do zdefiniowania. Pojęcie spawalności obejmuje zespół czynników, których wypadkowa decyduje o przydatności danego materiału do wykonania określonej konstrukcji spawanej. Czynniki wpływające na spawalność stali można podzielić na trzy grupy. Do pierwszej zalicza się problemy dotyczące spawalności metalurgicznej m.in. skład chemiczny, stopień zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, sposób prowadzenia i wykańczania wytopu oraz struktury wynikające z obróbki plastycznej lub cieplnej. Druga grupa to problemy dotyczące spawalności konstrukcyjnej, a więc sztywność konstrukcji, grubość elementów, rozmieszczenie i grubość spoin, koncentracja naprężeń. Trzecia grupa to czynniki technologiczne np. metoda spawania, energia źródła ciepła lub prędkość spawania [2 5]. Graficzną interpretacją spawalności jest wektor będący wypadkową tych trzech spawalności (rys. 1). Spawalność można zdefiniować jako zdolność stali do tworzenia w określonych warunkach złącz spawanych o właściwościach zbliżonych do takich, jakie ma materiał rodzimy [5]. Stal przeznaczona na konstrukcje spawane, oprócz podstawowych właściwości mechanicznych (wytrzymałość na rozciąganie R m, granica plastyczności R e, wydłużenie procentowe po rozerwaniu A, przewężenie procentowe przekroju Z oraz udarność KC) musi zapewnić możliwość uzyskania połączeń spawanych bez pęknięć i o wymaganych właściwościach. Jednym z podstawowych wskaźników charakteryzujących spawalność metalurgiczną stali jest równoważnik chemiczny węgla CEV, charakteryzujący skłonność stali do hartowania się i tworzenia pęknięć. Natomiast spawalność technologiczną i konstrukcyjną ocenia się na podstawie odpowiednich wskaźników lub prób pękania gorącego i zimnego [2 5]. 22 Rys. 1. Graficzna interpretacja spawalności jako wypadkowej ze spawalności metalurgicznej, konstrukcyjnej i technologicznej 2. Określanie spawalności stali Jedną z głównych przyczyn pęknięć spoin, obok wad materiałowych metalu spoiny i wad metalu rodzimego, są niekorzystne zmiany w strefie wpływu ciepła (SWC). Zmiany te powodują niejednorodność właściwości mechanicznych złącza spawanego, a ocena jakościowa

2 i ilościowa tych zmian jest niezbędna, aby w sposób poprawny dobrać parametry wykonania połączenia, a w efekcie zmniejszyć wrażliwość na naprężenia własne materiału i szybkie zmiany temperatury. Znane są różne rodzaje technologicznych i eksperymentalnych prób jakościowych umożliwiających ocenę skłonności stali do pękania jako objawu niedostatecznej spawalności. Należą do nich 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. Zaproponowano system wskaźników spawalności stali [2], w którym wyróżnia się trzy grupy wskaźników. Pierwsza z grup obejmuje wskaźniki wyznaczane analitycznie na podstawie składu chemicznego stali, a druga i trzecia grupa wskaźników wyznaczana jest doświadczalnie. W skład grupy drugiej wchodzą wskaźniki określające skłonność do powstawania pęknięć. Grupa trzecia zawiera wskaźniki właściwości SWC, takie jak kruchość w wyniku zachodzących przemian w procesie spawania oraz kruchość w wyniku starzenia Obliczeniowy sposób oceny spawalności stali Pierwsza grupa wskaźników spawalności określana jest na podstawie składu chemicznego stali. Znajomość składu chemicznego pozwala określić 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 [2]: % Mn % Ni+ % Cu % Cr+ % Mo+ % V CEV= % C (1) Przy użyciu równoważnika węgla CEV dla danej stali można wstępnie rozeznać jej spawalność [5]. 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). Rys. 2. Schemat wpływu energii liniowej łuku E i podgrzewania przed spawaniem na twardość w SWC [2] Jednym z najczęściej stosowanych czynników poprawiających spawalność jest wspomniane podgrzanie materiału przed spawaniem. Im większa szybkość chłodzenia połączenia spawanego, tym większe prawdopodobieństwo zahartowania się materiału w SWC. Wpływ większej energii liniowej łuku (ilości ciepła potrzebnego do wykonania spoiny) i podgrzania wstępnego na twardość w SWC pokazano na rysunku 2. Jeżeli za maksymalną dopuszczalną twardość przyjmie się 350 HV, to prosta BE2 w przypadku niepodgrzewania materiału dzieli zakres energii liniowych łuku na zakres, w którym podgrzewanie nie jest wymagane (na prawo od BE 2 ). Natomiast na lewo od BE 2 określa się, że podgrzewanie wstępne jest wymagane [2]. Jeżeli materiał zostanie wstępnie podgrzany do temperatury 200 C, to minimalna energia liniowa łuku, dla której twardość nie przekracza 350 HV spada obrazuje to linia AE 1. Temperaturę, do której należy podgrzać elementy przed spawaniem, wyznacza się z zależności (2): T = 350 CEV (1+ 0,005 g) 0,25 gdzie: g grubość blachy [mm]. Na podstawie równoważnika węgla CEV można obliczyć również twardość w SWC w jednostkach twardości Vickersa z zależności: (2) 23

3 24 dla spoin nie poddanych obróbce cieplnej po spawaniu: HVmin = 1200 CEV 260 (3) dla spoin poddanych obróbce cieplnej po spawaniu: HV max = 1200 CEV 200 Maksymalna twardość HV max w SWC nie powinna przekraczać 250 HV dla materiału łatwo spawalnego, a dla materiału średnio spawalnego powinna zawierać się w granicach HV. Gdy HV max przekroczy 350 HV, materiał uznaje się za niespawalny. Oprócz przedstawionych wyżej znanych jest wiele innych zależności matematycznych umożliwiających obliczeniowe wyznaczenie wskaźników oceny skłonności do pękania: gorącego, zimnego, lamelarnego oraz wyżarzeniowego (relaksacyjnego) [2, 11]. 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 podkreśla się, że są tanim, chętnie wykorzystywanym i przydatnym narzędziem do oceny spawalności stali, gdyż pozwalają one przewidywać wyniki prób technologicznych i wstępnie dobierać warunki spawania Metody badania spawalności stali Metody obliczeniowe używane są głównie do określania spawalności stali niestopowych, drobnoziarnistych i niskostopowych. W przypadku 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 [3]. Przemiany fazowe zachodzące w materiale rodzimym na skutek cyklu cieplnego spawania sprawdzane są w próbach spawalności metalurgicznej. Do przykładowych prób oceny spawalności w tym zakresie należą m.in.: próby mechaniczne, statyczne lub dynamiczne prowadzone na złączach doczołowych (np. próba rozciągania, zginania, udarności), próby napawania w warunkach zmieniającej się mocy liniowej łuku, a także próby pomiaru twardości SWC. W szczególności te ostatnie określają wskaźnik niejednorodności właściwości mechanicznych złącza, jakim jest rozkład twardości w SWC. Pomiary twardości wykonuje się w zasadzie sposobem Vickersa przy małej sile obciążającej. Jeżeli złącze wykazuje nadmierną twardość w tej strefie (znaczne zróżnicowanie względem twardości materiału rodzimego większe niż 30% wywołuje tzw. karb strukturalny), to stal może wykazywać skłonności do tworzenia pęknięć na skutek dużej hartowności. Próbę tę wykonuje się zgodnie z PN-EN 1043, mierząc twardość w spoinie, SWC i materiale rodzimym. (4) Próby spawalności konstrukcyjnej określające skłonność do pękania w procesie spawania to odpowiednio dla: pękania na gorąco, np. próba Varestrainta (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. Próby spawalności technologicznej polegają na określeniu wpływu czynników związanych z technologią wykonania i parametrami spawania, tj. rodzaju procesu i szybkości spawania lub średnicy elektrody. Jedną z najbardziej rozpowszechnionych technologicznych prób jakościowych jest próba teowa, która pozwala na określenie właściwego doboru elektrod na podstawie analizy pęknięć spoin pachwinowych w specjalnie wykonanym złączu teowym. Podczas dobierania elektrod oraz ustalania technologii spawania, wykorzystywana jest również próba Tekken umożliwiająca jakościową ocenę odporności złącza na powstanie pęknięć na zimno. Wymienione próby spawalności są szerzej opisane w pracach [2, 3]. Wspólną cechą wszystkich prób jest stworzenie warunków sprzyjających powstawaniu pęknięć w celu wskazania zabiegów, które mogą zmniejszyć wrażliwość na spawanie Spawalność stali konstrukcyjnych w PN-EN Stale konstrukcyjne stosowane na konstrukcje budowlane ujęte w normie [7] obejmują stale: niestopowe, drobnoziarniste po normalizowaniu lub walcowaniu, drobnoziarniste po walcowaniu termomechanicznym, trudnordzewiejące oraz o podwyższonej granicy plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie (część 2 6 normy [8]) oraz stale do walcowania na zimno [9, 10]. Stale niestopowe zawierające mniej niż 0,15% węgla charakteryzują się dobrą spawalnością, ponieważ dzięki małej zawartości tego pierwiastka nie hartują się. W zasadzie stale zawierające 0,15 0,30% węgla (a więc wszystkie gatunki wymienione w [7]) nie stwarzają większych problemów podczas spawania, ale mogą wykazywać skłonność do hartowania się w SWC. Ryzyko to rośnie w przypadku większej zawartości manganu, grubszych przekrojów lub przesztywnienia konstrukcji. Wówczas należy podjąć środki ostrożności polegające na podgrzaniu elementów łączonych przed spawaniem. Elementy o grubościach większych niż 25 mm, zwłaszcza gdy jest w nich zawartość węgla większa niż 0,2%, mogą wymagać podgrzania przed spawaniem

4 do temperatury ok. 40 C i wyżarzania odprężającego po spawaniu w temperaturze C. Zabiegi te wykonywane są w celu uniknięcia pęknięć zimnych. Normy wyrobu stali konstrukcyjnych ujętych w [7] wymagają spełnienia ogólnych warunków dotyczących spawania łukowego podanych w [11], a także zwracają uwagę na możliwość wystąpienia pęknięć zimnych w procesie spawania. Skłonność złączy spawanych tych stali do pękania zimnego powoduje wodór dyfundujący do spoiny, nadmierne utwardzenie w SWC (wskutek zahartowania) oraz znaczna koncentracja naprężeń rozciągających w złączu spawanym. Załącznik C normy [11] podaje dwie metody unikania pęknięć wodorowych w stalach niestopowych, drobnoziarnistych i niskostopowych. Poprawne i ekonomiczne ustalenie wysokości temperatury podgrzewania wstępnego umożliwiające uniknięcie pęknięć wodorowych, zależy w dużej mierze od dokładnej znajomości składu materiału rodzimego, równoważnika węgla CEV oraz składu spoiny. Część 1 normy [8] oraz [11] w metodzie A załącznika C zalecają obliczanie równoważnika węgla CEV wg wzoru (1). W przypadku stali o zawartości węgla mniejszej niż 0,16% równoważnik węgla CEV lepiej opisuje wzór opracowany przez Ito i Bessyo [6]: % Si % Mn+ % Cu+ % Cr CEV = % C % Ni % Mo % V B) Ze zmniejszaniem się równoważnika węgla CEV maleje skłonność stali do pękania. Tworzenie się twardych faz w mikrostrukturze stali i związana z tym skłonność do pękania zależy głównie od zawartości węgla w stali. (4) W odniesieniu do obecnych stali niskostopowych umacnianych w inny sposób niż przez wzrost zawartości węgla, szkodliwy wpływ pierwiastków stopowych jest mniejszy niż w stalach o większej zawartości węgla. Wpływ wartości równoważnika węgla i zawartości węgla na podatność stali do tworzenia się pęknięć w strefie wpływu ciepła przedstawiono rysunku 3. Wartość CEV nie powinna przekraczać 0,45, co odpowiada twardości złącza spawanego w skali Vickersa 350 HV. Większa twardość SWC powoduje niekorzystne zmniejszanie ciągliwości materiału. Przekroczenie granicznej wartości równoważnika węgla CEV oznacza konieczność zastosowania specjalnej technologii spawania, mającej na celu spowolnienie chłodzenia stopiwa, aby nie tworzyły się twarde i kruche struktury martenzytyczne sprzyjające pękaniu zimnemu w obecności wodoru w stali. Najczęściej jest to wstępne podgrzanie brzegów łączonych lub zwiększenie liniowej energii spawania. Metoda B w załączniku C normy [11] pozwala określić temperaturę wstępnego podgrzania T p, CET na podstawie znajomości równoważnika węgla CET, który określa wzór: % Mn + % Mo % Cr + % Cu % Ni CET = % C+ + + (5) Temperaturę wstępnego podgrzania można również określić na podstawie wzoru (2). Między równoważnikiem węgla CET i temperaturą podgrzewania wstępnego Tp istnieje zależność liniowa (rys. 4). Można zauważyć, że wzrost wartości równoważnika węgla CET o 0,01% prowadzi do wzrostu temperatury podgrzewania wstępnego o około 7,5 C. Technologia spawania, w tym temperatura podgrzania wstępnego i energia spawania powinna być określana przez doświadczonego spawalnika [12]. Wartości CEV poszczególnych gatunków stali ujętych w [7] określone są w normach wyrobu. W części 5 normy Rys. 3. Wpływ zawartości węgla i równoważnika CEV na podatność stali do tworzenia pęknięć w SWC: strefa I mała skłonność do pękania w każdych warunkach, strefa II skłonność do pękania zależna od warunków, strefa III duża skłonność do pękania w każdych warunkach [6] Rys. 4. Temperatura podgrzewania wstępnego w funkcji równoważnika CET (wykres C.3 [11]) 25

5 26 [8], dotyczącej stali trudnordzewiejących, nie podano wartości CEV, zalecając aby w procesie spawania spełnione zostały warunki podane w [11]. Natomiast w przypadku stali gatunków S355J0WP i S355J2WP o wysokiej zawartości fosforu należy podjąć szczególne środki ostrożności (podgrzanie wstępne, wyżarzanie odprężające po spawaniu). W [11] znajdują się również zalecenia dotyczące wyboru odpowiedniej technologii spawania w celu uniknięcia pęknięć zimnych, krystalizacyjnych (gorących) i lamelarnych. W załączniku E normy [11] podano zależność (5) do wyznaczania skłonności do pęknięć krystalizacyjnych: C) + 190( % S) + 75( % P) UCS = Nb) 12,3( % Si) 5,4( % ) Mn Wzór (5) obowiązuje dla składu chemicznego spoiny, podanego w tablicy E.1 normy [11]. Na ogół skład chemiczny spoiny jest zbliżony do składu chemicznego materiału rodzimego, więc w zasadzie można go stosować dla wszystkich stali ujętych w [7], z wyłączeniem stali trudnordzewiejących o podwyższonej zawartości fosforu. Jeśli wskaźnik skłonności do pęknięć krystalizacyjnych UCS jest mniejszy od 10, to złącze spawane będzie charakteryzować się wysoką odpornością na pękanie gorące. W przypadku stali, które wzmacniane są przez rozdrobnienie ziarna krystalicznego, wzrostowi wytrzymałości towarzyszy również wzrost ciągliwości, a przy tym nie zwiększa się równoważnik węgla CEV i nie pogarsza spawalność. Tak więc drobnoziarniste stale konstrukcyjne nie powinny nastręczać problemów przy spawaniu. Spawanie stali po obróbce cieplnej zmienia ich strukturę i może negatywnie wpłynąć na ich cechy użytkowe. Przy spawaniu takich stali należy zachować środki ostrożności. Stale o podwyższonej granicy plastyczności w stanie ulepszonym cieplnie, wskutek działania wysokich temperatur (np. w trakcie pożaru) charakteryzują się znacznie szybszą utratą parametrów wytrzymałościowych w porównaniu z pozostałymi gatunkami stali, dlatego nie są chętnie stosowane na konstrukcje budowlane. 3. Podsumowanie Awarie złączy stalowych konstrukcji spawanych spowodowały powstanie wielu wskaźników analitycznych i badań doświadczalnych, które pozwalają na ocenę spawalności stali poprzez określenie skłonności powstawania w złączu spawanym różnego rodzaju pęknięć. Najbardziej wiarygodne są doświadczalne próby oceny spawalności. Ze względu na dużą czasochłonność oraz konieczność odpowiedniego wyposażenia badawczego ich zastosowanie jest jednak ograniczone. (5) Tanim i przydatnym narzędziem do oceny spawalności są wskaźniki analityczne, które mimo małej dokładności są chętnie wykorzystywane. Stale ujęte w [7] stosowane na konstrukcje budowlane nie stwarzają większych problemów podczas spawania, ale mogą wykazywać skłonność do hartowania się w SWC. Skłonność tę można ocenić na podstawie równoważnika węgla CEV ze wzoru (1) zawartego w części 1 normy [8]. Wartości CEV dla poszczególnych gatunków stali, z uwzględnieniem grubości materiału, podane są w [8, 9, 10]. Dla stali trudnordzewiejących (część 5 normy [8]) wartości równoważnika węgla CEV nie zostały podane i nie zaleca się jego stosowania do oceny spawalności. W przypadku stali S355J0WP i S355J2WP o wysokiej zawartości fosforu należy dodatkowo przedsięwziąć szczególne środki ostrożności (podgrzanie wstępne, wyżarzanie odprężające po spawaniu). Przydatność stali niestopowych, drobnoziarnistych i niskostopowych do wykonania złączy spawanych można ocenić w sposób analityczny poprzez spełnienie wartości granicznych dla wskaźników skłonności do pękania podawanych w [11]. Ocena spawalności stali jest problemem złożonym, zależnym od wielu czynników. Równoważnik węgla CEV bazujący na składzie chemicznym materiału pozwala ocenić spawalność metalurgiczną, która jest jedną ze składowych oceny spawalności. Dopiero w połączeniu z poprawnym skonstruowaniem złącza i doborem technologii spawania przez doświadczonego spawalnika, jest się w stanie osiągnąć zadowalającą jakość połączeń spawanych. BIBLIOGRAFIA [1] Wnęk Z., Stal. Przewodnik inżyniera. Katowice: Wydawnictwo ELAMED, 2010 [2] Tasak E., Ziewiec A., Spawalność materiałów konstrukcyjnych. Tom 1: Spawalność stali. Kraków: Wydawnictwo JAK, 2009 [3] Butnicki S., Spawalnosć i kruchość stali. Warszawa. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1991 [4] Blicharski M., Inżynieria materiałowa. Stal. Wydanie II zmienione i rozszerzone. WNT [5] Gosowski B., Kubica E., Badania laboratoryjne konstrukcji metalowych. Wydanie IV zaktualizowane i rozszerzone. Wrocław: Oficyna Wydawnicza PWr, 2012 [6] Rykaluk K., Stale konstrukcyjne w PN-EN Inżynieria i Budownictwo 2007, nr 3, Warszawa 2013 [7] PN-EN :2006 Eurokod 3: Projektowanie konstrukcji stalowych Część 1-1: Reguły ogólne i reguły dla budynków [8] PN-EN 10025:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych Części 1 6 [9] PN-EN :2007 Kształtowniki zamknięte wykonane na gorąco ze stali konstrukcyjnych niestopowych i drobnoziarnistych Część 1: Warunki techniczne dostawy [10] PN-EN :2007 Kształtowniki zamknięte ze szwem wykonane na zimno ze stali konstrukcyjnych niestopowych i drobnoziarnistych Część 1: Warunki techniczne dostawy [11] PN-EN :2004+A1:2005 Spawanie Wytyczne dotyczące spawania metali Część 2: Spawanie łukowe stali ferrytycznych [12] Sędek P., Technologia spawania w aktualnych normach technicznych cz. 1 i 2. Konstrukcje Stalowe 2006, nr 5 i 6