JANUSZ MIKUŁA SPAWALNO STALI. Waniejsze oznaczenia

Transkrypt

1 3 JANUSZ MIKUŁA SPAWALNO STALI Waniejsze oznaczenia SWC - strefa wpływu ciepła, CTPc-S - wykres przemian austenitu w warunkach spawalniczych cykli cieplnych, Ms - temperatura pocztku przemiany martenzytycznej, Mf - temperatura koca przemiany martenzytycznej, Bs - temperatura pocztku przemiany bainitycznej, Bf - temperatura koca przemiany bainitycznej, Fs - temperatura pocztku przemiany ferrytycznej, tb - czas pocztku przemiany bainitycznej, tf - czas pocztku przemiany ferrytycznej, tp - czas rozpoczcia przemiany perlitycznej, tmk - czas koca przemiany martenzytycznej, t 8/5 - czas przebywania w zakresie temperatur 800 a C podczas chłodzenia, t czas chłodzenia od temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania do temperatury C, t A1 - czas przebywania w temperaturach powyej A 1, vmax - szybko nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu, T max - maksymalna temperatura cyklu cieplnego spawania, U - napicie łuku, I - natenie prdu, v, v sp - prdko spawania, v el - prdko podawania drutu, d el - rednica elektrody, n η - współczynnik sprawnoci nagrzewania, E, E L, q - energia liniowa łuku, q c - całkowita moc łuku, - współczynnik przewodzenia ciepła, λ 0 α k c p - współczynnik wymiany ciepła przez unoszenie, - ciepło właciwe, T 0 - temperatura podgrzewania spawanych elementów, g, h - grubo blachy, n - zuycie elektrod, z dr - zuycie drutu, z top - zuycie topnika, γ - ciar właciwy stopiwa, α n - stała topienia elektrody, G c - masa 1 elektrody; U c - uzysk elektrody, F sc - przekrój ciegu, - przekrój spoiny, F sp

2 4 Tmax T 0, T p C e, C E, C ekw P cm, P c, P w HCS, UCS ( ) σ kr imp - temperatura maksymalna cyklu cieplnego spawania, - temperatura podgrzewania wstpnego, - równowanik wgla, - parametr pkania, - wskaniki skłonnoci stali do tworzenia pkni gorcych, - naprenia krytyczne w próbie implantacyjnej, H D - zawarto wodoru dyfundujcego w stopiwie wyznaczona metod glicerynow, P I, P L - wskaniki skłonnoci stali do tworzenia pkni lamelarnych, G, P SR - wskaniki skłonnoci stali do tworzenia pkni pod wpływem powtórnego nagrzewania HV - twardo Vickersa, HV max - maksymalna twardo Vickersa, HV M - twardo martenzytu, HV B - twardo bainitu, HV FP - twardo mieszaniny ferrytu z perlitem, Vv M, M - udział objtociowy martenzytu w strukturze, Vv B, B - udział objtociowy bainitu w strukturze, Vv FP, FP - udział objtociowy ferrytu z perlitem w strukturze, R - współczynnik korelacji liniowej Pearsona.

3 5 WPROWADZENIE Proces spawania charakteryzuje si wieloma specyficznymi cechami, zwizanymi ze zmiennym polem temperatur oraz ze zmieniajcymi si w szerokim zakresie właciwociami fizycznymi i mechanicznymi spawanego materiału. Zjawiska zachodzce w procesie spawania wchodz w zakres wielu dziedzin wiedzy i rozwijane były czsto niezalenie, m.in. w odlewnictwie, metaloznawstwie i mechanice. Dopiero masowe stosowanie spawania, datujce si od czasów II wojny wiatowej, wywołało potrzeb całociowej analizy tego procesu, niezalenie od innych technik, oraz jego wpływu na właciwoci zarówno złczy spawanych, jak i całych konstrukcji. Specyficzny charakter tworzenia struktury strefy wpływu ciepła złcza spawanego, uwarunkowany cyklem cieplnym spawania, powoduje powstanie struktur o duej rónorodnoci. W zwizku z tym opracowanie optymalnej technologii spawania winno by oparte o precyzyjn analiz zjawisk zachodzcych w procesie spawania a przede wszystkim : - skłonnoci do przemian struktury austenitu w warunkach spawania, - podatnoci do tworzenia rónego rodzaju pkni w procesie spawania, - właciwoci uytkowych złcza spawanego. Tradycyjne metody analizy zjawisk zachodzcych w procesie spawania wymagaj duych nakładów finansowych, specjalistycznej aparatury oraz s bardzo pracochłonne. Jednym ze sposobów przyspieszenia i obnienia kosztów bada spawalnoci stali jest zastosowanie metod obliczeniowych, które ma ju kilkunastoletni tradycj. Pierwsza midzynarodowa konferencja powicona tej problematyce odbyła si w Dublinie w 1977 r. Analizujc literatur powicon zastosowaniu metod matematycznych w badaniach spawalnoci stali, mona wyróni dwa podstawowe kierunki. Pierwszy to teoretyczne modelowanie procesu spawania [10,13,18,23,31]. Traktuje on proces spawania jako zespół zjawisk cieplnych, mechanicznych i przemian strukturalnych sprzonych ze sob. Tworzone w tej grupie modele termomechaniczne spawania opisuj w kompleksowy sposób złoono procesów zachodzcych w złczu spawanym, uwzgldniajc dylatacj ciepln, przemiany fazowe, przemiany plastyczne, powizanie procesów cieplnych spawania z procesami dyfuzji, zwłaszcza w fazie krzepnicia, itp. Modele te niestety obejmuj, jak na razie, bardzo ograniczon i najczciej najprostsz grup zagadnie. Wprowadzajc du liczb danych rzeczywistych do skomplikowanych programów komputerowych, wykorzystujcych termomechaniczne modele procesów spawania, mona otrzyma dobre wyniki prognozowania właciwoci pewnych grup połcze spawanych. Jest to jednak niezwykle trudne i pracochłonne, zwłaszcza w warunkach przemysłowych. Drugi kierunek to analityczne metody oceny spawalnoci stali [5,10,18,21,25,23,53,67,86]. Wykorzystuje si tu złoone modele próbujc da globalne odpowiedzi, najczciej wsparte szerokim zakresem bada dowiadczalnych. Prace z tego zakresu pozwoliły na opracowanie obszernej grupy zalenoci o duym znaczeniu praktycznym, mogcych znale bezporednie zastosowanie w analizie spawalnoci i projektowaniu technologii spawania. Umownie zalenoci te mona podzieli na trzy grupy, opisujce kolejno: 1. wskaniki skłonnoci do pkni spawalniczych, 2. charakterystyczne temperatury i krytyczne czasy przemian rozkładu austenitu w warunkach spawalniczych, 3. właciwoci strefy wpływu ciepła w funkcji parametrów cyklu cieplnego spawania. Wzory okrelajce zalenoci wyznaczano najczciej na drodze analizy statystycznej zbioru wyników serii bada dowiadczalnych dla pewnych grup materiałowych i okrelonych technik łczenia. Tak wic zalenoci te niekoniecznie musz by przydatne dla innych grup materiałów i technik łczenia, skutkuje to wieloci zalenoci i wskimi zakresami ich zastosowania. Dokładno podnie mona dwoma sposobami: poprzez przeprowadzenie bardzo szerokiego zakresu bada i zgromadzenie niezbdnej bazy danych dla wyznaczenia odpowiednich zalenoci lub poprzez tworzenie modeli fizycznych analizowanego procesu. Ten drugi sposób jest praktycznie dzisiaj jeszcze niemoliwy [10]. Pomimo tych ogranicze, stosowanie metod analitycznych w ocenie spawalnoci stali pozwala odej od tradycyjnego stosowania sztywnych wytycznych technologicznych i zastosowa przy wyborze

4 technologii spawania podejcie wariantowe, np. dokona wyboru odpowiedniej energii liniowej łuku lub nagrzewania po spawaniu eliminujc uciliwe i kosztowne zabiegi jak np. podgrzewanie wstpne. Nadto uwaga technologa moe by skupiona nie tylko na uzyskanie połczenia wolnego od wad, ale take na okrelenie optymalnych właciwoci SWC. Analityczne metody oceny spawalnoci stali mog by take bardzo przydatne na etapie konstruowania programu bada i nastpnie samych bada spawalnoci nowo opracowanego gatunku stali lub te na etapie prac nad opracowywaniem nowego gatunku stali. Umoliwia to przyspieszenie i obnienie kosztów bada co jest problemem o podstawowym znaczeniu dla tworzenia konstrukcji w pełni wykorzystujcych potencjalne właciwoci materiału. Ze wzgldu na wielo i złoono opracowanych modeli matematycznych efektywne wykorzystanie metod obliczeniowych w ocenie spawalnoci stali wymaga zastosowania techniki komputerowej [34,52,84]. Obecnie spotykane programy dla potrzeb oceny spawalnoci stali mona podzieli na trzy grupy [14,15,35,37,38,43,48,69,81,82,101,102,103, 104,105]: - spawalnicze bazy danych, - programy kalkulacyjne, - systemy ekspertowe. Spawalnicze bazy danych mona podzieli na bazy materiałowe, technologiczne oraz systemy informacji naukowo-technicznej. Programy kalkulacyjne obejmuj najczciej programy umoliwiajce przewidywanie zjawisk zachodzcych w strefie wpływu ciepła połczenia spawanego, np. przebieg cyklu cieplnego spawania, udział objtociowy składników struktury w analizowanym miejscu SWC, twardo, udarno, itp. Wspóln cech obu pierwszych grup programów jest to, e s one narzdziami dla dowiadczonego spawalnika, który dobrze wie co chce osign i umie zinterpretowa dostarczone przez program wyniki. Bardzo czsto programy kalkulacyjne do przeprowadzenia oblicze wykorzystuj bazy danych, zarówno materiałowe jak i technologiczne, dostarczane wraz z programami. Niestety brak jest obecnie krajowego, profesjonalnego oprogramowania komputerowego w tym zakresie, co znacznie ogranicza wdraanie tej problematyki do programów kształcenia przyszłych technologów. Pomimo dynamicznego rozwoju spawalnictwa dziedzina ta nadal cechuje si stosunkowo niskim stopniem sformalizowania. Dzieje si tak zarówno w teorii jak i w praktyce spawalniczej. Dlatego te bardzo czsto po dokonaniu oblicze przeprowadza si seri bada, by drog prób i błdów zweryfikowa obliczenia. W celu rozwizania tego problemu podjto próby zastosowania programów, których podstaw byłby nie sztywno okrelony algorytm działania, lecz przeniesiona do komputera wiedza ekspertów, analizowana przeze zgodnie z zasadami logiki. Systemami takimi s systemy ekspertowe. Systemy te wydaj si szczególnie atrakcyjne w zakresie opracowywania procedur spawania [15,35,37,38]. Nowym kierunkiem jest stosowanie w oprogramowaniu sztucznych sieci neuronowych i logiki rozmytej. Główne zalety sieci neuronowych to zdolno uczenia si, dua szybko przetwarzania, zdolno do uogólnienia nabytej wiedzy, odporno na błdy i moliwo niejawnego znajdywania zalenoci midzy wprowadzonymi danymi a wynikami. Sieci neuronowe nie wymagaj definiowania adnych zasad rozwizywania problemu, poniewa reguły działania s opracowywane w trakcie uczenia na przykładach. Główn zalet systemów wykorzystujcych logik rozmyt jest umiejtno przetwarzania informacji niepewnej, charakteryzujcej si pewn rozmytoci. W zaawansowanych systemach mona wprowadzanej informacji przypisa stopie niepewnoci Systemy te umoliwiaj take przetwarzanie informacji, dla której trudno jest przypisa warto liczbow. Istniej równie mechanizmy przetwarzania wartoci dokładnych na wartoci rozmyte. Sieci neuronowe i systemy wykorzystujce logik rozmyt znajduj ju zastosowanie w niektórych dziedzinach spawalnictwa. Obecne kierunki zastosowania to midzy innymi budowa systemów ekspertowych, monitorowanie procesu spawania w czasie rzeczywistym oraz przewidywanie geometrii ciegu dla rónych typów połcze i rónych technik spawania [84]. Analityczne metody oceny spawalnoci stali stanowi nowe, niestety jeszcze powszechnie niedoceniane narzdzie w badaniach spawalnoci stali i wyznaczaniu optymalnych warunków termicznych spawania. Wyniki uzyskiwane z zastosowaniem analitycznych metod oceny spawalnoci traktowane s jako wstpna teoretyczna analiza poprzedzajca seri bada dowiadczalnych. Tymczasem przy umiejtnym wykorzystaniu tego narzdzia badania dowiadczalnie mona ograniczy 6

5 7 do minimum. Szczególnie atrakcyjne wydaje si łczne wykorzystanie metod analitycznej oceny spawalnoci stali i bada symulacyjnych, co w bliskiej przyszłoci moe sta si podstawowym narzdziem bada spawalnoci stali a w szczególnoci wraliwoci na spajanie i wyznaczania optymalnych warunków termicznych spawania, eliminujc w znacznym stopniu drogie i pracochłonne badania technologiczne. 1. TEORETYCZNE PODSTAWY OCENY SPAWALNOCI STALI 1.1. Spawalno stali - definicja Podobnie jak przydatno do hartowania nazwano hartownoci, do odlewania lejnoci a przydatno do skrawania skrawalnoci tak przydatno materiału do spawania nazwano spawalnoci. Ze wzgldu jednak na to, e pojcie to zwizane jest nie tylko z materiałem spawanym, lecz take z wieloma innymi czynnikami wynikajcymi midzy innymi ze stosowanych metod i technologii spawania, materiałów dodatkowych do spawania oraz rozwiza konstrukcyjnych przez wiele lat wystpowały trudnoci w sformułowaniu zadawalajcej definicji spawalnoci. Jedn z pierwszych definicji spawalnoci opublikowano w 1924 roku [62]: Materiał uwaa si za spawalny, jeeli róne czci ze stali o podobnym składzie chemicznym daj si połczy w jedn cało, przy uyciu ciepła. Definicja która powstała w połowie lat trzydziestych uwzgldniała ju pewne aspekty technologiczne procesu spawania [61]: Spawalno jest to własno nie tylko spawanego materiału, lecz jest ona zalena od metody spawania i materiału dodatkowego. Takie podejcie do pojcia spawalnoci doprowadziło do tego, e spawalno zaczto rozpatrywa z trzech punktów widzenia, rozróniajc spawalno metalurgiczn, spawalno technologiczn i spawalno konstrukcyjn [79]. Spawalno metalurgiczna - zwizana jest z okrelonymi właciwociami materiału, takimi jak skład chemiczny, struktura, obecno wtrce niemetalicznych, gazów itp. Spawalno technologiczna - zwana niekiedy operatywn, uzaleniona jest od warunków technologicznych i parametrów spawania: metody spawania, energii ródła ciepła, prdkoci spawania itp. Spawalno konstrukcyjna - zalena jest od zespołu czynników charakteryzujcych spawany element z konstrukcyjnego punktu widzenia ( wymiary, rozkład obcie, sztywno). Definicja spawalnoci ewaluowała wraz z rozwojem technik spawalniczych oraz rozwojem materiałów, dla których spawanie okazało si główn metod ich łczenia. Równolegle rozwijane były metody bada pozwalajce ocenia spawalno. W latach szedziesitych w Midzynarodowym Instytucie Spawalnictwa opracowano definicj spawalnoci przyjt przez Midzynarodow Organizacj Normalizacyjn (ISO) [93]:

6 8 Uwaa si, e materiał metaliczny jest spawalny w danym stopniu za pomoc okrelonej metody i dla danego rodzaju konstrukcji, jeli nadaje si, przy zastosowaniu rodków ostronoci, odpowiadajcych temu stopniowi - do wykonania połcze midzy dwoma elementami. Połczenia te maj zapewni cigło metaliczn, a wic utworzy złcze spawane, które przez swoje cechy lokalne i nastpnie ogólne spełniaj dane wymagania bdce podstaw ich oceny. Równie w kraju podejmowano próby sformułowania definicji spawalnoci: wg J.Pilarczyka [56] : Spawalno jest to zdolno do tworzenia za pomoc spawania złczy o wymaganych właciwociach fizycznych, zdolnych do przenoszenia obcie przewidzianych dla danego rodzaju konstrukcji, do wykonania której dana stal ma by uyta. wg M.Myliwca [50] : Spawalno jest to prawdopodobiestwo zdarzenia, polegajcego na tym, e złcza spawane wykonane z danego metalu, za pomoc okrelonego procesu technologicznego spawania, bd pracowały w sposób niezawodny w wymaganych warunkach eksploatacyjnych przez zadany okres. Rozwój wielu gatunków stali w tym niskowglowych stali o podwyszonej, wysokiej i bardzo wysokiej wytrzymałoci oraz problemy zwizane z właciwociami połcze spawanych tych stali zmusiły do podjcia szczegółowych bada nad czynnikami wpływajcymi na zachowanie si materiałów oraz wykonywanych z nich konstrukcji podczas spawania. Opracowanie nowych metod badawczych umoliwiło rozrónienie a nastpnie analiz wpływu poszczególnych czynników na spawalno. Powstały podstawy do ilociowego okrelenia wpływu tych czynników na spawalno. Tak wic spawalno, która dotychczas rozwaana była wyłcznie w kategoriach opisowych lub jakociowych, mogła zosta przedstawiona w postaci parametrycznej. Zgodnie z norm PN-84/M Spawalnictwo. Spajanie metali. Terminologia : Spajalno (pojcie nadrzdne, obejmujce: spawalno, zgrzewalno i lutowalno) wyraa przydatno metalu o danej wraliwoci na spajanie, do utworzenia w okrelonych warunkach spajania złcza metalicznie cigłego o wymaganej uytecznoci. Wraliwo na spajanie wyraa reakcj metalu na procesy wywołane okrelonymi warunkami spajania Warunki spajania obejmuj zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych oddziałujcych na spajane złcze w czasie jego wykonywania. Uyteczno jest wynikiem własnoci złcza i okrela moliwoci jego wykorzystania w danych warunkach pracy.

7 9 Powysz definicj mona przedstawi w postaci graficznej ( rys.1.1.) Rys.1.1. Graficzne przedstawienie definicji spawalnoci stali x i - warunki spawania z i - właciwoci złcza Wp - warunki pracy Uz - uyteczno złcza Pomidzy warunkami spawania a właciwociami złcza wystpuj zalenoci o charakterze przyczynowo-skutkowym, których opis matematyczny, nazywany wraliwoci na spawanie, odpowiada funkcji obiektu bada w teorii eksperymentu. Wraliwo na spawanie stanowi w takim ujciu podstawowy czynnik materiałowy zaleny od składu chemicznego i struktury stali w chwili poprzedzajcej proces spawania. Zapewne nie jest to ostateczna wersja definicji spawalnoci. Prace nad definicj spawalnoci i jej w pełni ilociowym opisem na pewno bd rozwijane, choby tylko z tego powodu, e opracowanie w pełni ilociowego modelu spawalnoci pozwoli na uwzgldnienie analizy spawalnoci na etapie projektowania materiału, biorc po uwag konkretne zastosowanie (np. rodzaj konstrukcji, charakter pracy) i technologi łczenia, nie wspominajc ju o przyspieszeniu i potanieniu bada spawalnoci stali Warunki spawania Warunki spawania to zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych oddziałujcych na spawane złcze w czasie jego wykonywania. Podstawowe czynniki technologiczne to: - metoda spawania, - energia liniowa łuku, - temperatura podgrzewania przed i po spawaniu, - obróbka cieplna po spawaniu, - kolejno spawania, - pozycja spawania, - właciwoci fizyko-chemiczne materiałów dodatkowych, - warunki otoczenia: temperatura, wilgotno, itp.

8 10 Podstawowe czynniki konstrukcyjne to: - grubo łczonych elementów, - długo spoiny, - warunki utwierdzenia, - kształt złcza, - sposób ukosowania. Czynniki te decyduj o przebiegu procesów cieplnych i odkształceniowych, przemianach strukturalnych, dyfuzji gazów, a w pewnych przypadkach take procesach dyfuzji niektórych pierwiastków ze spoiny do SWC złcza spawanego i na odwrót. Metal poddany tym procesom zmienia swoj struktur i właciwoci. Zmienia je w stopniu okrelonym przez jego wraliwo na spawanie Cykl cieplny spawania W wyniku oddziaływania na spawane elementy strumienia cieplnego pochodzcego ze spawalniczego ródła ciepła, w trakcie procesu spawania w elementach spawanych powstaje nierównomierny rozkład temperatur. Rozkład temperatur w spawanym elemencie w dowolnym momencie czasu nazywa si polem temperatury. Pole temperatur przedstawia si za pomoc izoterm. Zmiany temperatur w funkcji czasu w kadym z punktów spawanego materiału, znajdujcych si w zasigu pola temperatur, nazywa si cyklem cieplnym. Kształt cykli cieplnych spawania zaleny jest od: - metody spawania (rodzaj i charakterystyka ródła ciepła), - parametrów spawania, - temperatury pocztkowej elementów spawanych, - pojemnoci cieplnej i przewodnictwa cieplnego materiału, - masy, gruboci i kształtu elementów spawanych oraz wzajemnego usytuowania elementów wzgldem siebie. - miejsca złcza, w którym analizujemy cykl cieplny. Wielkociami charakteryzujcymi ródło ciepła w procesie spawania s moc ródła, gsto strumienia ciepła oraz sprawno cieplna ródła ciepła. ródłem ciepła przy spawaniu łukowym jest łuk elektryczny. Całkowita moc łuku elektrycznego jest zalena od parametrów prdowych [57]: q c = U. I [W] (1.1) gdzie: U - napicie łuku [V] I - natenie prdu [A] Efektywna moc łuku, tj. moc wykorzystana do nagrzewania spawanego przedmiotu, jest mniejsza od mocy całkowitej, na skutek strat ciepła do otaczajcej atmosfery : q = n. η k. e qc [W] (1.2) gdzie: n η - współczynnik sprawnoci nagrzewania. k e - współczynnik rodzaju prdu, dla prdu stałego k e =1, dla prdu przemiennego 0,7-0,97.

9 11 Współczynnik sprawnoci nagrzewania zaleny jest od metody spawania oraz długoci łuku i w zalenoci od metody mieci si w nastpujcych granicach: - spawanie elektrodami otulonymi n η = 0,70-0,85 - spawanie łukiem krytym n η = 0,80-0,95 - spawanie MIG n η = 0,45-0,65 - spawanie TIG n η = 0,45-0,60 Wielkoci wic ze sob podstawowe parametry spawania łukowego, czyli natenie prdu spawania, napicie łuku i prdko spawania jest energia liniowa łuku: gdzie: v - prdko spawania [m/s] E U = I k. e n η [J/m] (1.3) v Jednym z kluczowych elementów analitycznych metod oceny spawalnoci stali jest opisanie pola temperatur w SWC złcza spawanego. Literatura z tego zakresu zawiera szereg szczegółowych rozwiza równania róniczkowego przewodzenia ciepła. Przyjmuje si, e proces przepływu ciepła w dowolnym punkcie analizowanego ciała i w okrelonym momencie czasu spełnia równanie róniczkowe [50]: T t λ0 T T T λ0 = + + = c q x y z c q p 1 p 1 2 T (1.4) gdzie: λ 0 c p q 1 - współczynnik przewodzenia ciepła - ciepło właciwe - gsto T - temperatura t - czas x, y, z - współrzdne analizowanego punktu Jednake złoono zjawisk przepływu ciepła w elementach spawanych sprawia, e w obliczeniach stosowanych jest szereg załoe upraszczajcych. Rozpatruje si zarówno uproszczone modele ciał jak i ródeł ciepła, przyjmuje si stałe materiałowe niezalene od temperatury, pomija si ukryte ciepło krzepnicia spoiny i ciepło przemian, straty ciepła odbitego od spoiny itd. Do oblicze rozkładów temperatur przyjmuje si najczciej nastpujce schematy obliczeniowe [50]: - ciało masywne spawane ruchomym, punktowym ródłem ciepła, - ciało masywne spawane szybkim, punktowym ródłem ciepła, - płyta spawana ruchomym, punktowym ródłem ciepła, - płyta spawana szybkim, punktowym ródłem ciepła, - cienka płyta spawana ruchomym, liniowym ródłem ciepła, - cienka płyta spawana szybkim, liniowym ródłem ciepła. Ciało masywne jest to model ciała nieskoczenie rozbudowanego w kierunku osi Ox i Oy, o skoczonym wymiarze w kierunku osi Oz. Ciepło doprowadzane jest do jednej powierzchni ograniczajcej

10 12 z = 0. Strumie ciepła wytworzony w ciele masywnym ma charakter przestrzenny. Modelowi temu odpowiada w rzeczywistoci blacha o gruboci wikszej od 25 mm. Płyta to model ciała ograniczonego dwoma płaszczyznami z = 0 i z = g, o wymiarach nieskoczenie rozbudowanych w kierunkach osi Ox i Oy. Powstały w płycie przestrzenny strumie ciepła jest czciowo zniekształcony powierzchniami ograniczajcymi. Modelowi temu odpowiada blacha o gruboci w zakresie od 3 do 25 mm. Cienka płyta (powłoka) jest to model ciała ograniczonego dwoma płaszczyznami z = 0 i z = g, ale o nieznacznej gruboci. Strumie ciepła wystpujcy w powłoce jest płaski, co wynika z załoenia, e ciepło prowadzone jest równomiernie na całej gruboci cienkiej płyty. Modelowi cienkiej płyty odpowiada w rzeczywistoci blacha o gruboci poniej 3 mm. Punktowe ródło ciepła jest to ródło o nieskoczenie małej objtoci. Przykładem takiego ródła jest łuk elektryczny. Liniowe ródło ciepła jest to ródło, w którym ciepło jest rozmieszczone wzdłu odcinka linii prostej (ciepło skoncentrowane w objtoci prostopadłocianu lub walca o nieskoczenie małej podstawie). Ruchome ródło ciepła to ródło stałej mocy przemieszczajce si po powierzchni lub wewntrz analizowanego ciała ruchem prostoliniowym ze stał szybkoci. Szybkie ródło ciepła to ródło poruszajce si ruchem prostoliniowym ze stał szybkoci, zblion do prdkoci przepływu ciepła przed ródłem ciepła. Obliczenia prowadzi si zwykle przy nastpujcych załoeniach: 1. Moc ciepln łuku elektrycznego w czasie całego okresu spawania przyjmuje si stał. 2. Rozprzestrzenianie si ciepła w metalu odbywa si zgodnie z prawem Fouriera: ilo przewodzonego ciepła dq w czasie dt przez element powierzchni izotermicznej df jest proporcjonalna do gradientu temperatury dt/dn, a λ jest współczynnikiem proporcjonalnoci dq = λ dt dn dfdt 0 (1.5) 3. W przypadku ciała masywnego, powierzchnia ograniczajca jest powierzchni adiabatyczn, na której nie wystpuje wymiana ciepła z otaczajc atmosfer. Wymiana taka zgodnie z prawem Newtona, odbywa si na powierzchniach granicznych w przypadku cienkiej płyty. Ilo oddawanego ciepła dq k przez element powierzchni granicznej df o temperaturze T do otaczajcej atmosfery o temperaturze T0 w czasie dt jest równa: dqk = α k ( T T0 ) dfdt (1.6) gdzie: α k - współczynnik wymiany ciepła przez unoszenie 4. Współczynniki cieplno - fizyczne spawanego materiału, takie jak: - współczynnik przewodzenia ciepła λ, - objtociowa pojemno cieplna cγ (c - ciepło właciwe, γ - gsto), - współczynnik przewodzenia temperatury a s stałe w danym zakresie temperatur. = λ cγ 5. Przemiany fazowe i strukturalne metalu odbywaj si bez wydzielania i pochłaniania ciepła.

11 13 Oczywicie załoenia te, a w szczególnoci załoenie 4 i 5, stanowi jedynie zgrubne przyblienie stanu rzeczywistego. Poniej przedstawiono rozwizania równania przewodnictwa ciepła dla typowych schematów obliczeniowych [50]: Ciało masywne spawane ruchomym, punktowym ródłem ciepła: v q T R x R e ( a (, ) = 2 x= R + πλ T ; R = x + y + z (1.7) Ciało masywne spawane szybkim, punktowym ródłem ciepła: r q T y z t vt e 4at (,, ) = + πλ T ; r = y + z (1.8) Płyta spawana ruchomym, punktowym ródłem ciepła: vx q T r x z m e K vr a (,,, ) = 2 ( r, z,) ( ) + T 2πλδ 2a 0 0 (1.9) m ( r, z) - współczynnik uwzgldniajcy zmiany temperatury na gruboci płyty δ vδ r w zalenoci od oraz 2a δ. Cienka płyta spawana ruchomym, liniowym ródłem ciepła: vx q 2a T( r) = e K ( u) + T 2πλδ 0 0 (1.10) 2 v b1 K 0 (u) - warto funkcji Bessela dla u = r 2 + 4a a 2 k b1 = α - współczynnik wymiany ciepła na powierzchni granicznej cienkiej płyty cγδ Cienka płyta spawana szybkim, liniowym ródłem ciepła: T( y, t) = vδ q e 4πλtcγ 2 y ( + b1t ) at 4 (1.11) Jeeli w równaniu tym pominiemy b 1. t, to obliczenia prowadzone bd bez uwzgldnienia wymiany ciepła z otoczeniem. Przyjmowane do oblicze warunki graniczne nie s spełnione lub spełnione s czciowo, w zwizku z tym obliczone wartoci mog odbiega od wartoci zmierzonych. Moliwe jest jednak skorygowanie oblicze na podstawie pomiarów cykli cieplnych w okrelonych punktach elementów spawanych.

12 14 W dalszej czci tego rozdziału, ze wzgldu na wielo, nie prezentowano innych szczegółowych rozwiza równania przewodzenia ciepła, zawarte s one midzy innymi w pracach [10, 13, 16, 59, 60, 64, 71, 87]. Poniej przedstawiono natomiast wybrane zalenoci majce due znaczenie praktyczne w analizie spawalnoci. Wyznaczanie czasu chłodzenia w zakresie temperatur pomidzy 800 a C : t q / = dla ciała masywnego [87] (1.12) 2 πλ ve θ gdzie: q t 8 / = 5 cv 2 d 2 2 dla cienkiej płyty [87] (1.13) 2 πλρ e θ 1 1 θ = 773 T T θ = 2 2 ( 773 T ) ( 1073 T ) wg Suzuki [74] : gdzie: F Q T p α, β, γ, δ - stałe t 8/ 5 = F γ ( 600 Tp ) ( α βtp ) q + (1.14) ε - stała, F = 1 dla napoiny wykonanej na powierzchni blachy o gruboci powyej 20mm, F = 0,9 dla ciegu graniowego, F = 0,67 dla spoiny pachwinowej i gruboci materiału powyej 20 mm, F = 0,45-0,67 dla spoin pachwinowych i gruboci materiału poniej 20 mm - energia liniowa łuku, - temperatura podgrzewania wstpnego, wg [30]: t 8/ 5 = K E ( T T ) arctg g g β π α n 2 0 (1.15) gdzie:

13 15 I U E - energia liniowa łuku ( E = ) [ J/cm] v T 0 - temperatura podgrzewania spawanych elementów [ 0 C] g - grubo blachy [m] K, T, g o, n, α, β - współczynniki zalene od metody spawania Wartoci współczynników wystpujcych we wzorze 1.15 podano w tablicy 1.1. Tablica 1.1 Wartoci wielkoci wystpujcych we wzorze 1.1 Metoda spawania K n g 0 α T β napoina lub spoina czołowa β spoina pachwi nowa Spawanie elektrod otulon 1,35 1,5 14, Spawanie w 1 osłonie CO, ,7 13 3, ,7 Spawanie łukiem g<32 9, , 22g 2,5-0,05g krytym g , Szeroko strefy wpływu ciepła w której temperatura przekraczała temperatur A1: 2 q 1 r = πeρc v A T c1 0 1/ 2 dla ciała masywnego (1.16) 1/ 2 q r = πe 2ρc d v A T c1 0 dla cienkiej płyty (1.17) gdzie: r - odległo od linii wtopu A c1 = ,7Mn - 16,9Ni +29,1Si + 16,9Cr + 290As + 6,3W

14 16 W przypadku gdy chcemy wyznaczy szeroko SWC dla temperatur przekraczajcych A3 w równaniach (1.16), (1.17) naley zastpi temperatur Ac1 przez Ac3. A C3 = C- 15,2Ni + 44,7Si + 104V + 31,5Mo + 13,1W - ( 30Mn + 11Cr +20Cu - 700P - 400Al - 120As - 400Ti ) (1.18) Odkształceniowy cykl spawania Odkształceniowy cykl spawania jest nastpstwem cyklu cieplnego spawania. Zmiany pola temperatur wywołuj podczas nagrzewania rozszerzanie a podczas chłodzenia skurcz materiału. Ograniczenie swobody odkształce, wywołane otaczajcym metalem, jest ródłem powstawania napre: gdzie: σ = Eα T (1.19) E - moduł sprystoci α - współczynnik rozszerzalnoci cieplnej liniowej T - rónica temperatur pomidzy nagrzan i nienagrzan stref metalu. Naley pamita, e wartoci E, α oraz granica plastycznoci Re ulegaj znacznym zmianom wraz ze zmian temperatury, co ilustruje rys.1.2. Zmiany naprenia zachodzce w materiale spawanym zale od sztywnoci i utwierdzenia wzła spawanego oraz przemian fazowych zachodzcych w spoinie i w strefie wpływu ciepła. Na rys.3 przedstawiono schemat zmian naprenia w funkcji odkształcenia zachodzcych w punkcie X strefy SWC podczas spawania doczołowego dwóch blach. Rys.1.2. Zmiany właciwoci stali wglowej w funkcji zmian temperatury [79]

15 17 Rys.1.3. Schemat zmian naprenia w funkcji odkształcenia jakie zachodz w punkcie X strefy wpływu ciepła podczas wykonywania złcza doczołowego [79] Podczas nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania w analizowanym punkcie SWC powstaj naprenia ciskajce. W zakresie temperatur do C w stalach konstrukcyjnych zaleno σ = f ( ε) jest liniowa i zgodna z prawem Hooka. Wraz ze wzrostem temperatury granica plastycznoci materiału obnia si, co przy istniejcych napreniach wywołuje proces odkształcenia plastycznego. W zakresie temperatur powyej C, gdzie spadek wartoci granicy plastycznoci materiału jest najwikszy obserwowane jest najwiksze odkształcenie plastyczne (odcinek BC). Punkt C oznacza maksymaln temperatur cyklu w analizowanym miejscu SWC. Maksymalne odkształcenie w tym miejscu wynosi OC. Podczas chłodzenia, wraz z obnianiem temperatury, w analizowanym punkcie SWC powstaj naprenia rozcigajce i odkształcenia w wyniku rozcigania. Dla zakresu temperatur poniej C zaleno pomidzy napreniem a odkształceniem jest ponownie liniowa. Całkowite odkształcenie w punkcie X strefy wpływu ciepła wynosi OC + CF (gdzie CF jest rzutem CF na o ε ). Po zakoczeniu spawania w analizowanym punkcie SWC wystpuje szcztkowe naprenie rozcigajce OF' wywołane odkształceniem sprystym DF ( DF jest rzutem DF na o ε ). Tak wic po ochłodzeniu elementu do temperatury otoczenia w materiale wystpuj naprenia własne pozostajce. Naprenia własne mog si sumowa z napreniami lokalnymi wystpujcymi w pewnych obszarach SWC a powstajcymi w wyniku zachodzcych przemian strukturalnych. Naprenia własne mog by take potgowane utwierdzeniem połczenia spawanego, przede wszystkim zewntrznym mocowaniem elementów spawanych, ciarem własnym elementów, wzajemnym oddziaływaniem pomidzy elementami spawanymi, skurczem innych spoin w trakcie chłodzenia, mocowaniem innych elementów do spawania itp. Naley pamita, e kocowy stan napre powstaje w wyniku nakładania si kolejnych stanów napre własnych wytworzonych w procesie przetwórstwa metalu. W zwizku z tym na stan napre własnych powstały w wyniku procesu spawania maj równie wpływ naprenia własne powstałe w wyniku procesów poprzedzajcych spawanie, takich jak: walcowanie, obróbka plastyczna, obróbka cieplna, obróbka mechaniczna.

16 18 W połczeniach spawanych naprenia własne tworz zawsze wieloosiowy stan napre. Charakterystyczn cech napre własnych jest to, e ulegaj wyrównaniu w pewnym obszarze elementu. Oddziaływanie napre rozcigajcych równowaone jest zawsze oddziaływaniem napre ciskajcych co ilustruje rys.1.4. Przedstawiono tu rozkład napre oraz odkształce w złczu doczołowym wykonanym jednowarstwowo Wraliwo na spawanie Wraliwo na spawanie wyraajca reakcj metalu na procesy wywołane warunkami spawania, jest czynnikiem cile zwizanym ze spawanym materiałem. Stanowi wynik procesu metalurgicznego wytwarzania stali, przetwórstwa hutniczego oraz wszelkich procesów technologicznych poprzedzajcych proces spawania. Z pewnym uproszczeniem mona przyj, e wraliwo stali na spawanie zaley do składu chemicznego oraz struktury stali w chwili poprzedzajcej proces spawania. Reakcja metalu na procesy wywołane warunkami spawania obejmuje zmiany struktury i wynikajce std zmiany właciwoci oraz procesy pkania zachodzce w trakcie procesu spawania. Rys.1.4. Rozkład napre oraz odkształce w złczu doczołowym wykonanym jednowarstwowo [48]

17 Wpływ cyklu cieplnego spawania na struktur SWC Cykl cieplny spawania, bdcy funkcj charakterystyki ródła ciepła, energii liniowej łuku, gruboci, kształtu i wzajemnego połoenia spawanych elementów, zabiegów cieplnych przed i w trakcie spawania oraz właciwoci cieplnych spawanego materiału, charakteryzuje si pewnymi parametrami decydujcymi o przebiegu przemian w SWC połczenia spawanego, parametrami tymi s: - szybko nagrzewania (lub czas nagrzewania) do temperatury maksymalnej cyklu - vmax (lub tmax), - temperatura maksymalna cyklu cieplnego spawania - Tmax, - czas przebywania w temperaturach powyej A 3 - t A3, - czas chłodzenia w zakresie temperatur pomidzy 800 a C - t 8/5 Podczas nagrzewania, w zakresie temperatur do Ac1 w SWC materiału spawanego nie zachodz adne przemiany strukturalne, mog natomiast mie miejsce zmiany zwizane z przechodzeniem nietrwałych składników strukturalnych w składniki trwałe. Rezultatem tych zmian s procesy starzenia i odpuszczania. Po przekroczeniu temperatury Ac1, w materiale rozpoczyna si przemiana austenityczna, za po przekroczeniu temperatury Ac3 nastpuje proces homogenizacji (ujednoradniania) austenitu i rozrostu ziarn. Szybko nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania oraz maksymalna temperatura cyklu to parametry decydujce o szybkoci rozpuszczania wglików oraz homogenizacji austenitu. W wyniku duej, w porównaniu z obróbk ciepln, szybkoci nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu wzrasta temperatura pocztku przemiany Ac1, opónia si rozpuszczanie wglików, wzrasta temperatura koca przemiany Ac3, oraz rozszerza si temperaturowy zakres przemiany α γ. Podczas szybkiego nagrzewania, po przekroczeniu temperatury Ac3, w austenicie pozostaje dua ilo nierozpuszczonych wglików. Wgliki te rozpuszczaj si w całoci dopiero przy temperaturach znacznie przewyszajcych Ac3. W niektórych stalach z dodatkami pierwiastków silnie wglikotwórczych takich jak V, Ti, Nb, Mo czy W, wgliki nie rozpuszczaj si całkowicie nawet przy bardzo wysokich temperaturach. Nierozpuszczone wgliki hamuj w tych materiałach rozrost ziarn oraz nie sprzyjaj procesowi ujednoradniania austenitu. Im mniejsza jest szybko nagrzewania, tym nisza jest temperatura maksymalna, przy której wystpuje jednorodny austenit. Take przy bardzo wysokich temperaturach obserwowane jest hamowanie ujednoradniania austenitu. Przyczyn tego moe by dyfuzja składników stopowych i domieszek po granicach ziarn oraz procesy wydzielania w stanie stałym faz, w których rozpuszczalno pewnych pierwiastków i domieszek jest wysza ni w podstawowym roztworze (np. przemiana δ ). Proces rozrostu ziarna w SWC złcza spawanego jest cile zwizany z poprzedzajcymi go procesami powstawania austenitu i jego homogenizacji. Z tego te wzgldu parametrami cyklu cieplnego spawania decydujcymi o wielkoci ziarna w SWC s: szybko nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu, temperatura maksymalna cyklu cieplnego spawania oraz czas przebywania w zakresie temperatur powyej Ac3. Najbardziej intensywny rozrost ziarn nastpuje zwykle podczas nagrzewania do temperatury maksymalnej cyklu po przekroczeniu temperatury C. W nielicznych przypadkach ma to miejsce w fazie chłodzenia, po przekroczeniu temperatury Tmax. Wraz ze wzrostem szybkoci nagrzewania temperaturowy zakres najbardziej intensywnego rozrostu ziarn przesuwa si bliej temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania. Przy chłodzeniu intensywno rozrostu ziarn zmniejsza si w wyniku cigłego obniania temperatury i koczy si podczas chłodzenia zwykle przy temperaturach wyszych od tych, przy których rozpoczł si podczas nagrzewania. Wraz ze wzrostem szybkoci nagrzewania i chłodzenia temperatura koca procesu rozrostu ziarn zwykle obnia si, o ile fazy dyspersyjne i segregaty nie hamuj migracji granic ziarn. Jeeli jednak, w wyniku wysokich szybkoci nagrzewania, wgliki nie zd si rozpuci, to wzrost szybkoci chłodzenia moe prowadzi do podwyszenia temperatury koca rozrostu ziarn. W procesie chłodzenia przemiana austenitu w warunkach spawalniczych nastpuje zwykle w temperaturze wyranie niszej od temperatury AC1, co wynika z bardzo duej szybkoci chłodzenia w

18 20 złczu spawanym. W zalenoci od składu chemicznego spawanej stali przemiana austenitu moe by zbliona do przemiany perlitycznej lub martenzytycznej. Rodzaj mikrostruktury, powstajcej w SWC złcza spawanego w wyniku przemiany austenitu zaley od warunków austenityzacji (tj. od vmax, Tmax i t A3) oraz szybkoci chłodzenia w zakresie temperatur najniszej trwałoci austenitu. Szczególnie istotn miar szybkoci chłodzenia jest czas chłodzenia w zakresie temperatur pomidzy 800 a C, tzw. czas t 8/5. Ze wzgldu na charakter cyklu cieplnego spawania w SWC złcza spawanego mona wyróni nastpujce obszary (rys.1.5): - obszar przegrzania, wystpujcy bezporednio za lini wtopienia. W tym obszarze maksymalna temperatura cyklu cieplnego spawania znacznie przekracza temperatur AC3, dochodzc do temperatury solidusu, co sprzyja znacznemu rozrostowi ziarn austenitu. Ta cz SWC wykazuje zazwyczaj najnisze właciwoci plastyczne. Dlatego te wikszo bada i zalenoci analitycznych dotyczy włanie tej czci SWC. - obszar normalizacji, charakteryzujcy si struktur drobnoziarnist. Maksymalna temperatura w tym obszarze nieznacznie przekracza temperatur AC3, - obszar niepełnej normalizacji. Maksymalna temperatura cyklu cieplnego spawania w tym obszarze mieci si w zakresie pomidzy temperaturami AC3 a AC1, - obszar rekrystalizacji, w którym maksymalna temperatura cyklu cieplnego spawania nie przekracza temperatury AC1. Poszczególne obszary SWC róni si zarówno wielkoci ziarna jak i rodzajem struktury, co wywołuje odpowiednie rónice we właciwociach tych obszarów. Rys.1.5. Charakterystyczne obszary strefy wpływu ciepła złcza spawanego [56] Wykresy CTPc-S Analiz przemian zachodzcych w SWC połczenia spawanego prowadzi si najczciej na podstawie wykresów rozpadu przechłodzonego austenitu w warunkach spawalniczych cykli cieplnych (CTPc-S).

19 21 Wyznaczanie temperatur przemian fazowych celem opracowania wykresów CTPc-S mona prowadzi dwoma metodami [1,96]: - metod "in situ". W tej metodzie temperatury przemian wyznacza si bezporednio podczas spawania za pomoc analizy termicznej, polegajcej na róniczkowaniu krzywej zmian temperatury w funkcji czasu T = f(t). - metod symulacyjn. W metodzie tej próbki poddaje si cyklom cieplnym imitujcym proces nagrzewania i chłodzenia w czasie procesu spawania. Próbki nagrzewa si oporowo indukcyjnie, przepuszczajc przez próbk prd ( ciepłem Joule'a ) lub za pomoc energii promieniowania lamp projekcyjnych. Temperatury przemian w tej metodzie mona wyznacza dylatometrycznie l = f (t), metod analizy termicznej dt/dt = f (t) lub metod magnetyczn d µ /dt = f (t). Wykresy CTPc-S przedstawia si w układzie półlogarytmicznym: temperatura - czas chłodzenia lub temperatura - czas chłodzenia w zakresie temperatur C. W tym drugim przypadku czas t 8/5 wyznacza si z poszczególnych krzywych chłodzenia. Dla tak wyznaczonych czasów t 8/5 (linia pionowa odpowiada na omawianym typie wykresu krzywej chłodzenia) nanosi si temperatury pocztku i koca poszczególnych przemian, łczc je nastpnie liniami. Powstaj w ten sposób pola, opisujce zakres powstawania poszczególnych składników strukturalnych ( rys.1.6 ). Rys.1.6. Wykres CTPc-S Zazwyczaj wykresy CTPc-S uzupełnia si wykresami zmian twardoci i udarnoci w funkcji czasu t8/5 oraz sporadycznie wykresami zmian Rm, Re, A5 i Z w funkcji czasu t8/5. Wykresy CTPc-S wykorzystuje si do: - przewidywania składu strukturalnego SWC, - wstpnej oceny skłonnoci do utwardzania si SWC złcza spawanego, a tym samym skłonnoci stali do zimnego pkania w procesie spawania, - okrelenia warunków spawania (energii liniowej łuku i temperatury wstpnego podgrzewania) pozwalajcych na uzyskanie połcze spawanych bez zimnych pkni oraz o dobrych właciwociach plastycznych, zabezpieczajcych ten obszar przed kruchym pkaniem. W zwizku z tym, e istotny wpływ na przebieg przemian fazowych, a szczególnie na czas ich rozpoczcia i zakoczenia ma temperatura i czas austenityzacji, wykres CTPc-S wyznaczony dla jednej temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania (najczciej C) nie pozwala na

20 22 przeprowadzenie analizy zmian strukturalnych w całym obszarze SWC. Wykres taki pozwala jedynie analizowa obszar SWC, w którym wystpiły zblione temperatury maksymalne cyklu cieplnego spawania. Dopiero wykonanie serii wykresów CTPc-S, rónicych si maksymalnymi temperaturami cyklu cieplnego pozwala na dokładn analiz przemian w całym zakresie SWC. Dysponujc zestawem wykresów CTPc-S wykonanych dla rónych temperatur maksymalnych cyklu, mona zbudowa wykresy przedstawiajce zmian czasów rozpoczcia poszczególnych przemian w funkcji maksymalnej temperatury cyklu cieplnego spawania dla analizowanej metody spawania ( rys.1.7 ). Rys.1.7. Wykres zmian czasów rozpoczcia poszczególnych przemian w funkcji maksymalnej temperatury cyklu cieplnego spawania [99] Na wykresie tym wyranie wida, e w miar obniania temperatury maksymalnej cyklu cieplnego spawania krytyczne czasy rozpoczcia i zakoczenia przemian przesuwaj si w kierunku krótszych czasów chłodzenia. Przykładowo w obszarze SWC, gdzie Tmax osignła warto C otrzymamy dla okrelonego czasu t 8/5 struktur złoon z martenzytu i bainitu, tymczasem dla obszaru gdzie Tmax = C przy tym samym czasie t 8/5 struktura bdzie złoona z bainitu, niewielkiej iloci martenzytu i ferrytu. Takie zachowanie si materiału skutkuje midzy innymi równomiern zmian twardoci w SWC od wartoci maksymalnej (dla danych warunków spawania) tu za lini wtopu do twardoci materiału rodzimego na kocu SWC, o ile nie wystpuje tzw. strefa mikka. Niestety, wykresy tego typu stanowi wielk rzadko. Dlatego te przy opracowywaniu technologii spawania dysponujemy najczciej jedynie wykresami CTPc-S wyznaczonymi dla maksymalnej temperatury cyklu równej C Wpływ cyklu cieplnego spawania na właciwoci SWC Zmiany struktury strefy wpływu ciepła złcza spawanego wywołane oddziaływaniem cyklu cieplnego spawania, obejmujce przemiany fazowe, rozrost ziarn i wydzielenia, s przyczyn istotnych zmian właciwoci tego obszaru w porównaniu z właciwociami materiału rodzimego. Zmiany te tak jak zmiany struktury zale przede wszystkim od charakterystycznych parametrów cyklu cieplnego spawania, a w szczególnoci od maksymalnej temperatury cyklu cieplnego spawania Tmax, czasu przebywania

21 23 powyej C (t1000) oraz czasu chłodzenia w zakresie pomidzy 800 a C (t 8/5 ). Najpowaniejsze zmiany właciwoci zachodz w przegrzanej czci SWC. Na rys.1.8 przedstawiono przykładowo przebieg zmian Rm, Re, A5, Z, KCV oraz HV w funkcji czasu t8/5 przy maksymalnej temperaturze cyklu C dla stali 18G2A. W obszarze przegrzanym, ze wzgldu na wysok temperatur cyklu cieplnego spawania, najczciej wystpuje znaczny rozrost ziarn. W przypadku duych prdkoci chłodzenia (krótkie czasy t8/5) w obszarze tym powstaje struktura martenzytu iglastego lub bainitu, charakteryzujca si wysok wytrzymałoci na rozciganie Rm i granic plastycznoci Re, wysok twardoci HV oraz niskimi wartociami wydłuenia A5, przewenia Z i udarnoci KCV. Wraz z wydłueniem czasu t8/5 zmniejsza si w obszarze przegrzanym udział objtociowy martenzytu w strukturze, co powoduje obnienie wartoci Rm, Re, HV oraz wzrost wartoci A5, Z, KCV. Dalsze wydłuenie czasu t8/5 prowadzi do wzrostu wartoci A5 i Z oraz obnienia wartoci Rm i Re, udarno uzyskuje natomiast wartoci maksymalne, po czym jej warto ulega obnieniu. Odmienny przebieg zmian udarnoci wystpuje w stalach w których w przegrzanym obszarze SWC powstaje martenzyt listwowy, charakteryzujcy si wysok plastycznoci. W takich przypadkach dla krótkich czasów t8/5 warto KCV jest wysoka i ulega obnieniu wraz z wydłueniem czasu t8/5. Cykl cieplny spawania i wywołane nim zmiany struktury oraz zmiany stanu odkształce i napre s take przyczyn wzrostu kruchoci SWC złcza spawanego w porównaniu z materiałem rodzimym. Badania prowadzone za pomoc próbek udarnociowych z karbem ISO-Charpy V umieszczonym w gruboziarnistym obszarze SWC pozwalaj wyznaczy zmiany temperatury przejcia plastyczno - kruchego tego obszaru w porównaniu z temperatur przejcia plastyczno - kruchego materiału rodzimego. Na rys.1.9 przedstawiono krzywe przejcia plastyczno - kruchego dla stali 18G2A dla rónych czasów t8/5 przy Tmax = C. Rys.1.8. Zmiany właciwoci SWC w funkcji czasu t8/5 dla Tmax = C [49]

22 24 Rys. 9. Krzywe przejcia plastyczno kruchego SWC dla stali 18G2A [56]. Próbki symulowane na symulatorze cykli cieplnych spawania przy Tmax = C i t8/5 = 12, 24, 60, 120 i 600 s. W obszarze normalizacji, ze wzgldu na nisze temperatury maksymalne cyklu cieplnego spawania, mieszczce si w zakresie 1100 do C, powstaje drobnoziarnista struktura dla której udziały objtociowe składników struktury róni si w porównaniu z obszarem przegrzanym (odpowiadaj wyszym czasom chłodzenia t8/5). W efekcie obszar ten charakteryzuje si dobrymi własnociami plastycznymi i wytrzymałociowymi. W obszarze niepełnej normalizacji temperatury maksymalne cyklu cieplnego spawania mieszcz si w zakresie Ac1 Ac3. Przy tych temperaturach nie wszystkie ziarna materiał spawanego ulegaj przekrystalizowaniu. Ziarna ferrytu zachowuj z reguły swoj pierwotna budow, natomiast z perlitu i czci otaczajcego ferrytu powstaje austenit. Dlatego te, obszar niepełnej normalizacji składa si z nieprzemienionych ziarn ferrytu i drobnoziarnistej struktury powstałej z obszarów austenitycznych, której rodzaj zaley od prdkoci chłodzenia. Własnoci wytrzymałociowe i plastyczne tego obszaru s nisze w porównaniu z własnociami obszaru normalizacji. W obszarze rekrystalizacji lub odpuszczania temperatura maksymalna cyklu cieplnego spawania wynosi od 500 do C. W przypadku złczy wykonanych ze stali poddanej uprzednio obróbce plastycznej na zimno (zgniotowi), w obszarze tym nastpuj procesy zdrowienia, rekrystalizacji i rozrostu ziarn. Towarzyszy temu zmiana własnoci wytrzymałociowych i plastycznych do sytuacji sprzed zgniotu, materiał zyskuje wysz cigliwo przy jednoczesnym spadku wartoci Rm i Re. W złczach ze stali, które przed spawaniem podlegały hartowaniu lub hartowaniu i odpuszczaniu, w obszarze tym nastpuj zmiany prowadzce do powstawania stref odpuszczania, charakteryzujcych si zmniejszon twardoci i obnion wytrzymałoci na rozciganie w porównaniu z materiałem rodzimym. W obszarze dla którego temperatura maksymalna cyklu cieplnego spawania wynosiła poniej C (najczciej w zakresie temperatur od 200 do C), w stalach niskowglowych nie zawierajcych dodatków stopowych moe wystpowa zjawisko starzenia. Starzenie powoduje obnienie własnoci plastycznych oraz wzrost kruchoci stali. W przypadku stali ulepszanych cieplnie w obszarze tym nastpuje jedynie wydzielanie wglików, zwłaszcza w stalach zawierajcych dodatek wanadu.

23 25 Przedstawiony powyej schemat zmian struktury i właciwoci SWC odpowiada warunkom spawania jednowarstwowego. Przy układaniu spoin wielowarstwowych, w wyniku powtórnego oddziaływania cyklu cieplnego nastpuje powtórna nagrzanie poprzedniego ciegu i odpowiadajcej mu SWC, w skutek czego zachodzi samoczynna obróbka cieplna tego obszaru, wywołujc zarówno zmiany struktury jak i właciwoci. Prowadzi to najczciej do rozdrobnienia struktury i poprawy właciwoci mechanicznych złcza. W celu zapobieenia niekorzystnym zmianom wystpujcym w czasie spawania, w szczególnoci zmianom struktury oraz powstawaniu napre i odkształce spawalniczych stosuje si obróbk ciepln złcz spawanych. Obróbka cieplna złcz spawanych obejmuje: - grzanie w procesie spawania, na które składaj si: podgrzewanie przed spawaniem, grzanie w czasie i po zakoczeniu spawania, - wyarzanie po spawaniu obejmujce odpranie lub normalizowanie. Celem grzania w procesie spawaniem jest przede wszystkim zmniejszenie szybkoci chłodzenia i zmniejszenie ryzyka wystpowania procesu hartowania lub podhartowania w SWC oraz w konsekwencji ograniczenie wzrostu kruchoci i moliwoci utworzenia si pkni w połczeniach spawanych. Celem grzania w procesie spawania jest równie obnienie napre wewntrznych wynikajcych z odkształce wywołanych cyklem cieplnym spawania oraz stworzenie korzystnych warunków do dyfuzji wodoru ze spoiny. Najistotniejsze znaczenie w procesie spawania ma podgrzewanie wstpne przed spawaniem, które prowadzi si, w zalenoci od gatunku stali, gruboci elementów spawanych oraz rodzaju i rozwizania konstrukcji spawanej, w zakresie temperatur od kilkudziesiciu do kilkuset 0 C [57]. Wyarzanie odprajce jest stosowane w celu zmniejszenia lub wyeliminowania napre wewntrznych, tzw. własnych, spowodowanych procesem spawania. Wyarzanie odprajce polega na wyarzeniu konstrukcji w temperaturze 620 do C w czasie 3 5 min/1 mm gruboci, przy czym czas ten nie powinien by krótszy ni 1 h, a maksymalny czas wyarzania nie powinien by dłuszy ni 5 h. Nagrzewanie do temperatury wyarzania odprajcego powinno si odbywa z szybkoci C/h, natomiast chłodzenie z szybkoci C/h. Wyarzanie normalizujce prowadzi si w temperaturze A C w czasie ok. 2 min/1mm gruboci i powolnym chłodzeniu po wyarzaniu. Zachodzca w czasie wyarzania przemiana powoduje zmiany strukturalne w całej konstrukcji spawanej, przez co uzyskuje si korzystne rozdrobnienie ziarna i w konsekwencji popraw właciwoci mechanicznych materiału. Wyarzanie normalizujce zapewnia równie obnienie napre własnych konstrukcji spawanych Pkanie SWC w procesie spawania Zachodzce pod wpływem cyklu cieplnego spawania zmiany struktury oraz zmiany stanów napre i odkształce wywieraj istotny wpływ na powstawanie pkni spawalniczych. Pknicia mogce powstawa w SWC złcza spawanego, których przyczyny zwizane s z technologi spawania, mona sklasyfikowa w czterech grupach: - pknicia gorce, - pknicia zimne, - pknicia lamelarne, - pknicia pod wpływem powtórnego nagrzewania Pknicia gorce Pknicia gorce mog powstawa w obszarach SWC, gdzie temperatura materiału zbliona jest do temperatury solidusu. Pknicia te mog take wystpowa w znacznie niszych temperaturach. Jako doln granic powstawania pkni gorcych przyjmuje si 0.5Tm (Tm - temperatura topnienia w 0 C).