PL B1. Sposób i stanowisko do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian strukturalnych w stalach w warunkach cykli cieplnych spawania

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. G01N 25/02 ( ) G01N 25/12 ( ) B23K 37/00 ( ) (54) Sposób i stanowisko do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian strukturalnych w stalach w warunkach cykli cieplnych spawania (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 11/11 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT SPAWALNICTWA, Gliwice, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/14 (72) Twórca(y) wynalazku: ZYGMUNT MIKNO, Gliwice, PL MIROSŁAW ŁOMOZIK, Gliwice, PL ADAM PILARCZYK, Gliwice, PL MARIAN LESZEK ZEMAN, Gliwice, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i stanowisko do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian strukturalnych w stalach w warunkach cykli cieplnych spawania. Do określenia spawalności stali stosowane są wykresy rozpadu austenitu Czas - Temperatura - Przemiana CTP c -S. Stanowią one źródło ważnych informacji o wpływie cykli cieplnych spawania na strukturę i własności badanej stali. Wykresy te umożliwiają np. optymalne projektowanie technologii łączenia elementów stalowych w taki sposób, aby własności gotowego złącza były jak najwyższe, a co za tym idzie, aby odporność na różnego rodzaju pęknięcia całego elementu konstrukcyjnego była jak największa. Do wykreślenia wykresów CTP c -S niezbędna jest znajomość temperatur krytycznych (tj. temperatury początku i końca) przemian strukturalnych zachodzących w stalach w stanie stałym podczas nagrzewania i chłodzenia. Do precyzyjnego wyznaczenia temperatur krytycznych, które określają początek i koniec przemian strukturalnych w stalach w czasie cyklu cieplnego spawania, niezbędna jest odpowiednia metodyka badawcza oraz aparatura pomiarowa. Istnieją metody i urządzenia do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian fazowych w stalach, na podstawie których wykreślane są wykresy przemian fazowych w postaci, tzw. krzywych CTP (Czas-Temperatura-Przemiana), które jednak nie mogą być bezpośrednio wykorzystane dla potrzeb spawalniczych. Wynika to z faktu, że w warunkach spawalniczych przemiany strukturalne w stalach zachodzą w niższych zakresach temperatur oraz dla krótszych czasów stygnięcia, w porównaniu do warunków klasycznej obróbki cieplnej. Z punktu widzenia badawczego można stwierdzić, że przemiany strukturalne w stalach podczas spawania zachodzą w znacznie bardziej ostrych warunkach i dlatego wykorzystywanie klasycznych wykresów CTP dla potrzeb spawalniczych, wiązałoby się ze znacznym błędem. W związku z powyższym, niezbędne jest badanie przebiegu przemian strukturalnych austenitu i opracowywanie wykresów tych przemian dla warunków spawalniczych, tzw. wykresów CTP c -S (Czas - Temperatura - Przemiana przy chłodzeniu ciągłym - dla warunków spawalniczych). Zasadnicze różnice pomiędzy cyklami cieplnymi spawania, a klasyczną obróbką cieplną, polegają na całkowicie odmiennych temperaturach maksymalnych obydwu cykli i odmiennych szybkościach nagrzewania oraz chłodzenia. Ponadto znane urządzenia i metodyka badawcza bazuje na wolnym nagrzewaniu, wytrzymaniu oraz wolnym chłodzeniu badanego gatunku stali. Klasycznym parametrem mierzonym jest dylatacja (rozszerzalność termiczna), a do nagrzewania (zadawania cykli cieplnych) wykorzystywane są nagrzewnice indukcyjne, które są źródłem dodatkowego pola magnetycznego. Przy próbach pomiaru zmiany strumienia magnetycznego wywołanej zmianą przenikalności magnetycznej badanej próbki, która z kolei jest zależna od temperatury, pole to stanowi źródło potencjalnych zakłóceń. W zależności od parametrów cyklu cieplnego (temperatury maksymalnej i szybkości chłodzenia), tworzą się określone tymi parametrami mikrostruktury materiału. Wykresy CTP c -S powstają w wyniku wyznaczenia temperatur krytycznych początku i końca poszczególnych przemian strukturalnych. Z kolei wartości temperatur krytycznych są wyznaczane na podstawie pomiaru (trzech) wielkości charakteryzujących proces, tj.; dylatacji próbki, zmian własności magnetycznych i temperatury. Znany jest z polskiego patentu nr PL opis magnetometru do badania przemian fazowych w metalach i stopach. W dotychczasowym rozwiązaniu nie uwzględniono możliwości pomiaru innych parametrów procesu, jak: temperatura i dylatacja oraz bezkontaktowego nagrzewania próbki, i zarazem bezzakłóceniowego, który nie wpływałby negatywnie na pomiar temperatury, dylatacji, a także przenikalności magnetycznej. Jedną z podstawowych charakterystyk stali niezbędnych przy ocenie ich spawalności i opracowywaniu technologii spawania jest znajomość przemian strukturalnych austenitu zachodzących w przylegającej do spoiny strefie wpływu ciepła (SWC), i wynikających stąd własności tej strefy. W a- runki zachodzenia przemian strukturalnych różnią się od tych, jakie występują podczas klasycznej obróbki cieplnej stali, ponieważ cykl cieplny spawania wykazuje znaczne różnice w porównaniu do cyklu obróbki cieplnej. Sposób wyznaczania według wynalazku polega na tym, że mierzy się równocześnie trzy wielkości, to jest strumień magnetyczny za pomocą cewki pomiarowej, dylatację za pomocą czujnika laserowego oraz temperaturę próbki za pomocą termopary, przy czym małogabarytową próbkę umieszcza się w szczelinie ferromagnetycznego rdzenia, po czym próbkę nagrzewa się za pomocą lamp grzewczych

3 PL B1 3 do zadanej maksymalnej temperatury 1350 C i chłodzi na podobieństwo cykli spawalniczych z zadaną szybkością chłodzenia w temperaturze od 800 do 500 C, w czasie od 2 do 600 sekund, po czym dokonuje się pomiaru tych trzech wielkości w funkcji czasu, a następnie przebiegi dylatacji i strumienia magnetycznego przekształca się w funkcji temperatury. Ponadto wykreśla się styczne do krzywych pierwotnych, to jest dylatacji i strumienia magnetycznego oraz dodatkowo wyznacza się funkcje wyższego rzędu I (pierwszą) i II (drugą) pochodną dla krzywych pierwotnych, a następnie wyznacza się punkt styczności z rejestrowaną krzywą, który jest nazywany punktem charakterystycznym odpowiadającym przemianie fazowej. Grubość i wymiar próbki dobiera się tak, aby próbka nagrzewała, i chłodziła się równomiernie w czasie symulowania cykli cieplnych dla uzyskania wyraźnych (ostrych) przebiegów rejestrowanych parametrów. Próbkę poddaje się nadmuchowi gazu, który pełni rolę gazu ochronnego i chłodzącego, a za pomocą układu sterowania reguluje się szybkość przepływu gazu i intensywność nagrzewania, określa się maksymalną temperaturę cyklu 1350 C i trzy rodzaje cykli cieplnych: naturalny, z szybkim chłodzeniem i z dogrzewaniem, przy czym określa się cykle regulowane poprzez określenie szybkości chłodzenia w zakresie temperatury C, a dla cyklu z szybkim chłodzeniem minimalny czas chłodzenia 2 s, dla cyklu z dogrzewaniem maksymalny czas chłodzenia 600 s. Stanowisko według wynalazku charakteryzuje się tym, te ma podłoże izolacyjne cieplne i magnetyczne usytuowane wewnątrz obwodu magnetycznego, w którym są umieszczone dwie cewki, z których jedna jest cewką wzbudzającą, a druga jest cewką pomiarową oraz lampy grzewcze usytuowane w jednej płaszczyźnie z powierzchnią górną podłoża, na którym umieszczona jest próbka, przy czym nad podłożem osadzony jest przesuwny popychacz próbki, a na przedłużeniu popychacza w górnej jego części znajduje się czujnik laserowy. Próbka dodatkowo umieszczona jest w osłonie ze szkła kwarcowego, co pozwala na korzystny przepływ gazu chłodzącego wokół próbki w czasie cyklu i na zapewnienie powtarzalności eksperymentu. Wynalazek w odróżnieniu do klasycznych znanych metod i rozwiązań umożliwia: pomiar jednocześnie trzech wielkości, to jest temperatury, strumienia magnetycznego i dylatacji. Pomiar tych wielkości jest możliwy dzięki zastosowaniu czystego źródła ciepła, jakim jest promieniowanie lamp grzewczych. Nie wprowadza ono zakłóceń pola magnetycznego w obszarze badanej próbki, jak to ma miejsce przy indukcyjnym nagrzewaniu. Dodatkowo jest to metoda bezkontaktowego nagrzewania, która w tym przypadku nie wpływa negatywnie na pomiar rozszerzalności termicznej, jak np. w metodach kontaktowych, które zakłócają, a niekiedy uniemożliwiają swobodny pomiar tego parametru. Dzięki zastosowaniu gabarytowo małej próbki i odpowiedniej mocy lamp, możliwe są do przeprowadzenia (zasymulowania) cykle cieplne zbliżone do spawalniczych cykli cieplnych, tzn. z szybkim nagrzewaniem (kilka sekund) i regulowanym czasem chłodzenia. Cykle te, w zależności od potrzeb są zadawane wcześniej w urządzeniu sterującym, a następnie realizowane w trakcie cyklu pracy. Pomiar dylatacji dokonywany jest czujnikiem laserowym o rozdzielczości 0,5 m. Przy maksymalnych wartościach dylatacji sięgających około 200 m, jest to rozdzielczość wystarczająca. Pomiar strumienia magnetycznego realizowany jest za pomocą 2 cewek magnetycznych (nadawczej i odbiorczej) umieszczonych w obwodzie magnetycznym. Również w tym obwodzie, umieszczona jest badana próbka, a końce obwodu magnetycznego są specjalnie ukształtowane celem koncentracji pola magnetycznego w próbce. Temperatura mierzona jest w sposób termoparowy. Stanowisko badawcze według wynalazku umożliwia dokonanie pomiaru jednocześnie trzech wielkości pomiarowych, to jest temperatury badanego materiału (próbki), jej dylatacji i strumienia magnetycznego. Stosowane są więc trzy metody: dylatometryczna, magnetometryczna i analiza termiczna. Pomiar i analiza trzech wielkości rejestrowanych jednocześnie umożliwia uzyskanie wyższej precyzji pomiaru przy wyznaczaniu punktów charakterystycznych, wykorzystywanych przy opracowywaniu wykresu przemian strukturalnych w porównaniu do precyzji pomiaru uzyskiwanej za pomocą urządzeń używanych dotychczas, gdzie wykorzystuje się tylko jedno (zjawisko), zazwyczaj efekt dylatometryczny. Dogłębna znajomość zjawisk zachodzących w stalach w stanie stałym pozwala na przewidywanie rodzaju struktur metalograficznych, tworzących się w zależności od różnych parametrów cykli cieplnych spawania. To z kolei umożliwia prognozowanie własności wytrzymałościowych i plastycznych stali. Dogłębna znajomość przemian strukturalnych zachodzących w stalach w stanie stałym, umożliwia m.in. prognozowanie rodzaju struktur metalograficznych w zależności od różnych wartości

4 4 PL B1 parametrów cykli cieplnych spawania. Dzięki temu można orientacyjnie przewidywać własności mechaniczne, głównie obszaru SWC w złączu spawanym. Przedmiot wynalazku przedstawiono na przykładowych rysunkach, na których fig. 1 przedstawia rzut stanowiska z boku, a fig. 2 - rzut stanowiska w przekroju. Poddawana badaniom próbka stalowa 1, umieszczona jest w obwodzie magnetycznym 2, w którym są również cewki 4 wzbudzająca i pomiarowa odbiorcza. Próbka 1 jest umieszczona na podłożu 7 izolacyjnym cieplnie i magnetycznie, a od góry jest stabilizowana przez element również izolacyjny cieplnie i magnetycznie, który pełni jednocześnie rolę przesuwnego popychacza 6, który przenosi sygnał dylatometryczny. Na drugi koniec popychacza 6, skierowana jest wiązka czujnika laserowego 5, który dokonuje rejestracji dylatacji próbki 1. Próbka 1 nagrzewana jest czterema lampami grzewczymi 3, które nagrzewają badaną próbę nie wprowadzając zakłóceń elektromagnetycznych oraz oporów mechanicznych, co pozwala na bezzakłóceniowy pomiar strumienia magnetycznego i rozszerzalności termicznej próbki. Korzystny skutek wynalazku polega na możliwości wyznaczania punktów charakterystycznych przemian w stalach i na tej podstawie wykreśleniu bardziej dokładnych, niż dotychczas, wykresów CTP c -S, które z kolei przyczyniają się do poprawy jakości opracowywanych technologii spawania, a tym samym do wykonania bezpieczniejszych konstrukcji spawanych. Procesy spawalnicze należą do kategorii procesów, które wymagają specjalnych metod kontroli procesu, ale wymagają również z uwagi na specyfikę procesu, specjalistycznych narzędzi i metod badawczych, które w największym stopniu odzwierciedlają warunki panujące w tym procesie. Metodyka badawcza i urządzenie pozwala w efekcie końcowym na opracowanie wykresów CTP c -S, które różnią się od typowych wykresów CTP c opracowywanych na potrzeby metalurgii i hutnictwa. Warunki spawalnicze zdecydowanie odbiegają od warunków metalurgicznych, ponieważ charakteryzują się znacznie większymi prędkościami nagrzewania i chłodzenia oraz znacznie wyższymi wartościami temperatury maksymalnej osiąganej w czasie nagrzewania w obszarze SWC. Potwierdzeniem tego są struktury hartownicze powstające przy większych szybkościach chłodzenia w większej ilości niż w wolnych procesach hutniczych. Uzyskuje się większe twardości i większy udział struktur twardych, niższe temperatury austenityzacji. Wszystkie te informacje są niezwykle istotne i na ich podstawie uzyskujemy wiedzę o wpływie cykli cieplnych na strukturę i własności badanej stali. Precyzyjne wykresy CTP c S umożliwiają, np.; optymalne projektowanie technologii łączenia elementów stalowych w taki sposób, aby własności gotowego złącza były jak najwyższe, a co za tym idzie, aby odporność na różnego rodzaju pęknięcia całego elementu konstrukcyjnego była jak największa. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wyznaczania punktów charakterystycznych przemian strukturalnych w stalach w warunkach cykli cieplnych spawania, znamienny tym, że mierzy się równocześnie trzy wielkości, to jest strumień magnetyczny za pomocą cewki pomiarowej, dylatację za pomocą czujnika laserowego oraz temperaturę próbki za pomocą termopary, przy czym małogabarytową próbkę umieszcza się w szczelinie ferromagnetycznego rdzenia, po czym próbkę nagrzewa się za pomocą lamp grzewczych do określonej maksymalnej temperatury 1350 C i chłodzi na podobieństwo cykli spawalniczych z zadaną szybkością chłodzenia w temperaturze od 800 do 500 C w czasie od 2 do 600 sekund, po czym dokonuje się pomiaru tych trzech wielkości w funkcji czasu, a następnie przebiegi dylatacji i strumienia magnetycznego przekształca się w funkcji temperatury. 2. Sposób wyznaczania według zastrz. 1, znamienny tym, że wykreśla się styczne do krzywych pierwotnych, to jest dylatacji, strumienia magnetycznego i dodatkowo wyznacza się funkcje wyższego rzędu I (pierwszą) i II (drugą) pochodną dla krzywych pierwotnych, a następnie wyznacza się punkt styczności z rejestrowaną krzywą nazywany punktem charakterystycznym. 3. Sposób wyznaczania według zastrz. 1, znamienny tym, że dobiera się wymiar i grubość próbki, tak, aby próbka równomiernie się nagrzewała i chłodziła w czasie symulowania cykli cieplnych. 4. Sposób wyznaczania według zastrz. 1, znamienny tym, że próbkę poddaje się nadmuchowi gazu, który pełni rolę gazu ochronnego i chłodzącego, a za pomocą układu sterowania reguluje się szybkość przepływu gazu i intensywność nagrzewania, przy czym określa się maksymalną temperaturę cyklu 1350 C otrzymując trzy rodzaje cykli cieplnych: naturalny, z szybkim chłodzeniem i z dogrzewaniem, oraz określa się cykle regulowane poprzez określenie szybkości chłodzenia w zakresie

5 PL B1 5 temperatury C i dla cyklu z szybkim chłodzeniem minimalny czas chłodzenia 2 s, a dla cyklu z dogrzewaniem maksymalny czas chłodzenia 600 s. 5. Stanowisko do wyznaczania punktów charakterystycznych przemian strukturalnych w stalach w warunkach cykli cieplnych spawania, znamienne tym, że ma podłoże (7) izolacyjne cieplne i magnetyczne, usytuowane wewnątrz obwodu magnetycznego (2), w którym są umieszczone dwie cewki (4), z których jedna jest cewką wzbudzającą, a druga jest cewką pomiarową oraz lampy grzewcze (3) usytuowane w jednej płaszczyźnie z powierzchnią górną podłoża (7), na którym umieszczona jest próbka (1), przy czym nad podłożem (7) osadzony jest przesuwny popychacz (6) próbki (1), a na przedłużeniu popychacza (6) w górnej jego części znajduje się czujnik laserowy (5). 6. Stanowisko do wyznaczania według zastrz. 5, znamienne tym, że próbka (1) dodatkowo umieszczona jest w osłonie ze szkła kwarcowego. Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)