Technologie Materiałowe II Spajanie materiałów

KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ I SPAJANIA ZAKŁAD INŻYNIERII SPAJANIA Technologie Materiałowe II Spajanie materiałów Wykład 14 i 15 Spawalność podstawowych metali stosowanych w technice dr inż. Dariusz Fydrych Kierunek studiów: Inżynieria Materiałowa Studia stacjonarne I stopnia sem. VI Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

SPAWALNOŚĆ - LITERATURA 1. Bailey N.: Weldability of ferritic steels. Abington Publishing, Abington Hall, Cambridge, England 1994. 2. Brózda J., Pilarczyk J., Zeman M.: Spawalnicze wykresy przemian austenitu CTPc-S. Wydawnictwo Śląsk, Katowice 1983. 3. Butnicki S.: Spawalność i kruchość stali. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 1991. 4. Jakubiec M., Lesiński K., Czajkowski H.: Technologia konstrukcji spawanych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1980. 5. Łomozik M.: Metaloznawstwo i spawalność metali. Materiały szkoleniowe Instytutu Spawalnictwa, Gliwice 1997. 6. Mikuła J., Wojnar L.: Analityczne metody oceny spawalności stali. Wydawnictwo Fotobit, Kraków 1996. 7. Pilarczyk J. (red.): Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. Tom I. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003. 8. Tasak E.: Spawalność stali. Wydawnictwo Fotobit, Kraków 2002. 2

SPAWALNOŚĆ - DEFINICJA Spajalność-przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie do utworzenia w określonych warunkach spajania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej użyteczności. Spajalność: 1. Spawalność, 2. Zgrzewalność, 3. Lutowność. 3

SPAWALNOŚĆ - DEFINICJA 1. Spawalność metalurgicznaczynniki związane z zachowaniem się materiału w czasie spawania (skład chem., struktura MR), 2. Spawalność technologicznaczynniki związane z technologią spawania oraz jej wpływem na własności złącza (metoda i parametry spawania), 3. Spawalność konstrukcyjnaczynniki związane z rozwiązaniem elementu konstrukcyjnego (własności materiału, stopień utwierdzenia). 4

SPAWALNOŚĆ - DEFINICJA Klasyfikacja pęknięć wg faz powstawania złącza spawanego, w których występują: pęknięcia gorące, pęknięcia zimne, pęknięcia lamelarne, pęknięcia pod wpływem powtórnego nagrzewania. 5

OCENA SPAWALNOŚCI Metody oceny spawalności stali: eksperymentalne: -badania próbek z rzeczywistą SWC, -badania symulacyjne, analityczne, graficzne: -dla stali niestopowych i niskostopowych, -dla stali wysokostopowych. 6

PĘKANIE GORĄCE Powstawanie pęknięć gorących jest uwarunkowane następującymi czynnikami: składem chemicznym spoiny, warunkami procesu krystalizacji (kształt spoiny i parametry spawania), konstrukcją i sztywnością połączenia spawanego. 7

PĘKANIE GORĄCE Mechanizm tworzenia się pęknięć zimnych opiera się na oddziaływaniu naprężeń pochodzących od skurczu spoiny na krystalizujący metal (i niskotopliwe eutektyki). 8

PĘKANIE GORĄCE Przyczyny powstawania i zapobieganie tworzeniu się pęknięć krystalizacyjnych w spoinie 9

PĘKANIE GORĄCE Wpływ składu chemicznego i temperatury wstępnego podgrzewania na skłonność do tworzenia pęknięć gorących 10

PĘKANIE GORĄCE-PRÓBA TEOWA 11

PĘKANIE ZIMNE Pękanie zimne jest skutkiem jednoczesnego oddziaływania w złączu spawanym zjawisk: wodoru dyfundującego, kruchej struktury, naprężeń. 12

PĘKANIE ZIMNE Pozostałe czynniki wpływające na skłonność do tworzenia pęknięć zimnych: temperatura, skład chemiczny stali i obecność wtrąceń niemetalicznych i wydzieleń, szybkość odkształcania, czas, działanie karbu. 13

PĘKANIE ZIMNE. Przyczyny i sposoby zapobiegania tworzeniu się pęknięć zimnych w materiale spawanym 14

PĘKANIE ZIMNE-ZAPOBIEGANIE Zapobieganie powstawaniu pęknięć zimnych polega na wyeliminowaniu lub zmniejszeniu wpływu przynajmniej jednego z trzech koniecznych do zainicjowania procesu pękania czynników. W tym celu można zastosować następujące działania: 1. stosowanie niskowodorowych procesów spawania (suszenie materiałów dodatkowych do spawania wg zaleceń producenta, spawanie w osłonie gazów ochronnych), 2. zmniejszenie szybkości stygnięcia złącza spawanego (wydłużenie czasu stygnięcia) dzięki: zastosowaniu podgrzewania wstępnego, zwiększeniu energii liniowej spawania e L. 3. zmniejszenie naprężeń w złączach spawanych poprzez stosowanie rozwiązań konstrukcyjnych skutkujących mniejszym stopniem utwierdzenia, mniejszym stopniem koncentracji naprężeń, 15

PĘKANIE ZIMNE-ZAPOBIEGANIE 4. wygrzewanie złącza po spawaniu w temperaturze 200 300 C w ciągu 2 h w celu przyspieszenia dyfuzji wodoru, 5. zastosowanie wyżarzania odprężającego po spawaniu, 6. zapobieganie powstawaniu wad w spoinie i stosowanie materiału rodzimego bez wad, 7. spawanie sposobem kaskadowym z maksymalnymi przerwami lub spawanie wielołukowe przy kolejnym rozłożeniu łuków, 8. ograniczenie w materiale rodzimym i spoinie zawartości C i pierwiastków stopowych podwyższających hartowność, 9. zastosowanie metalurgicznych metod zmniejszania ilości wodoru dyfundującego: wprowadzenie do otuliny elektrody albo topnika: fluorku wapnia wiążącego wodór w trwały związek HF, węglików lub tlenków żelaza i manganu, metali przejściowych (Ti, B, Y, V), 10. zastosowanie wstępnego napawania brzegów łączonych elementów materiałem o mniejszej skłonności do tworzenia pęknięć zimnych, 11. zastosowanie stopiwa o strukturze austenitycznej. 16

PĘKANIE ZIMNE-OCENA SKŁONNOŚCI Eksperymentalne metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć zimnych: - próby złączy utwierdzonych (Tekken, CTS), - próby z regulowanymi naprężeniami (implant), - badania na próbkach niespawanych (symulatory). 17

PRÓBA TEKKEN A A: przygotowanie brzegów dla spoiny próbnej, B B: przygotowanie brzegów dla spoin mocujących 18

PRÓBA CTS Próbka CTS; 1 spoina mocująca, 2 spoina próbna 19

PĘKANIE LAMELARNE Powstawanie pęknięć lamelarnych jest uwarunkowane następującymi czynnikami: składem chemicznym i właściwościami MR, technologią spawania, konstrukcją połączenia spawanego. 20

PĘKANIE LAMELARNE Przyczyny powstawania pęknięć lamelarnych 21

PĘKANIE LAMELARNE Cechy charakterystyczne pęknięć lamelarnych to: pęknięcia biegną w obrębie blachy i tylko wyjątkowo dochodzą do powierzchni, pęknięcia występują w SWC i poza nią, pęknięcia wykazują przebieg schodkowy, przełomy pęknięć mają charakter włóknisty, typowy dla drewna rozszczepionego wzdłuż włókien. 22

PĘKANIE LAMELARNE-ZAPOBIEGANIE 23

PĘKANIE LAMELARNE-OCENA SKŁONNOŚCI Próba Z najprostsza eksperymentalna metoda oceny skłonności do tworzenia pęknięć lamelarnych 24

PĘKANIE RELAKSACYJNE Pęknięcia pod wpływam powtórnego wygrzewania występują najczęściej w stalach Cr-Mo-V, Cr-Ni oraz stopach niklu i można je sklasyfikować następująco: -pęknięcia powstające przy niskich temperaturach (200-300ºC), -pęknięcia, które pojawiają się przy wysokich temperaturach, -pęknięcia podplaterowe (napawanie stali niskostopowych taśmą austenityczną). 25

PĘKANIE RELAKSACYJNE Pęknięcia niskotemperaturowe powstają, gdy występuje duża szybkość nagrzewania elementów spawanych. Rozwojowi ulegają zarodki pęknięć gorących i zimnych. Zapobieganie: nagrzewanie elementów z małą szybkością (15-30 ºC/h), stosowanie obróbki międzyoperacyjnej (wytrzymanie elementu po spawaniu w temperaturze 150-300 ºC). 26

PĘKANIE RELAKSACYJNE Pęknięcia wysokotemperaturowe powstają, gdy występują w stali -pierwiastki: Mo, Nb, V, Ti, -struktury przesycone (martenzyt, bainit), -gruboziarnista struktura, -wysoki poziom naprężeń. 27

PĘKANIE RELAKSACYJNE 28

ANALITYCZNE METODY OCENY SPAWALNOŚCI STALI Metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć krystalizacyjnych: 29

ANALITYCZNE METODY OCENY SPAWALNOŚCI STALI Metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć zimnych: 30

ANALITYCZNE METODY OCENY SPAWALNOŚCI STALI 31

ANALITYCZNE METODY OCENY SPAWALNOŚCI STALI Metody oceny skłonności do tworzenia pęknięć lamelarnych i pod wpływem powtórnego nagrzewania 32

OCENA SPAWALNOŚCI STALI Wykres CTPc-S dla stali 18G2A 33

GRAFICZNE METODY OCENY SPAWALNOŚCI STALI WYSOKOSTOPOWYCH 34

SPAWANIE STALI NISKOWĘGLOWYCH Stale niskowęglowe klasyfikuje się jako: 1. nieuspokojone, 2. półuspokojone, 3. uspokojone (zaw. tlenu mniejsza niż 150 ppm) Jako odtleniacz stosuje się krzem. Do spawania stosuje się stale uspokojone. Uznawane są one za bardzo dobrze spawalne 35

SPAWANIE STALI NISKOWĘGLOWYCH Metody spawania stali niskowęglowych: 1. Spawanie gazowe, 2. Ręczne elektrodą otuloną MMA, 3. Elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego MAG, 4. Elektrodą nietopliwą w osłonie gazu obojętnego TIG, 5. Spawanie automatyczne łukiem krytym pod topnikiem SAW 6. Spawanie elektronowe, laserowe, plazmowe. Warunki spawania wg MIS: Jeżeli C<0,22% i równoważnik węgla Ce<0,41% oraz gdy grubość elementów g<37 mm, to specjalne środki ostrożności nie są konieczne. 36

SPAWANIE STALI NISKOSTOPOWYCH Skłonność do pękania zimnego podstawowe ograniczenie spawalności, Skłonność do pękania gorącego niska, Skłonność do pękania lamelarnego zależna od zawartości siarki i kształtu złącza. 37

SPAWANIE STALI NISKOSTOPOWYCH STALE DO PRACY W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH KLASYFIKACJA: Molibdenowe: (16M, 20M), Chromowo-molibdenowe (15HM, 20HM), Chromowo-molibdenowo-wanadowe (12HMF, 13HMF). Zastosowanie: Walczaki kotłów, Rurociągi energetyczne, Zbiorniki ciśnieniowe. Spawalność tych stali jest (w porównaniu do stali niskowęglowych) ograniczona. 38

SPAWANIE STALI NISKOSTOPOWYCH Spoiwo powinno zapewnić skład chemiczny i własności spoiny zbliżone do własności materiału rodzimego. Typowa technologia spawania wymaga stosowania podgrzewania wstępnego, utrzymywania jej podczas spawania i przeprowadzania obróbki cieplnej po bezpośrednio po spawaniu. Skłonność do pękania zimnego i wyżarzeniowego podstawowe ograniczenie spawalności, 39

SPAWANIE STALI WYSOKOSTOPOWYCH 40

SPAWANIE STALI WYSOKOSTOPOWYCH 41

SPAWANIE STALI WYSOKOSTOPOWYCH Podstawowe zasady przy spawaniu stali austenitycznych: 1. Niska energia liniowa, 2. Skład chemiczny stopiwa taki sam, jak materiału rodzimego, 3. Stosowanie osłony grani. 42

SPAWANIE STALI WYSOKOSTOPOWYCH 43

SPAWANIE STALI WYSOKOSTOPOWYCH 44

SPAWANIE ŻELIWA ŻELIWO - stop żelaza z węglem o zawartości węgla powyżej 2 % (zazwyczaj 2do 4 %). Kształt użytkowy z żeliwa uzyskuje się na drodze odlewania. W zależności od postaci grafitu występującego w strukturze stopu wyróżnia się żeliwa białe, szare i pstre. 45

Spawalność żeliwa Ze względu na własności żeliwa zagadnienia spajania i regeneracji elementów wykonanych z tego stopu należą do najtrudniejszych działów spawalnictwa. Oddziaływanie spawalniczego cyklu cieplnego prowadzi do tworzenia się kruchych struktur o dużej skłonności do tworzenia pęknięć. Dodatkowo-warunki panujące podczas eksploatacji elementów żeliwnych powodują zmiany pogarszające ich spawalność wykluczające w praktyce zastosowanie jedynie metod spajania i zmuszające do zastosowania metod kombinowanych. Trudności występujące przy spawaniu żeliwa: temperatura topnienia, niskie przewodnictwo cieplne, dużą rzadkopłynność, kruchość, wysoki równoważnik węgla, możliwość występowania porowatości w elementach eksploatowanych w wysokich temperaturach, skurcz około 1%, tworzenie się żeliwa białego. 46

Spawalność żeliwa Metody spawania żeliwa: 1. spawanie gazowe, 2. spawanie łukowe MMA, 3. spawanie w osłonach gazów ochronnych, 4. spawanie łukiem krytym, 5. spawanie termitowe, 6. lutospawanie, 7. metody mechaniczne. W zależności od temperatury podgrzewania elementów przed spawaniem wyróżnia się metody: 1. spawanie na zimno (brak podgrzewania; T<70 ), 2. spawanie na gorąco (T=700 ), 3. spawanie na półgorąco (T=450 ). 47

Spawalność żeliwa 48

Spawanie gazowe Spawanie gazowe przeprowadza się zazwyczaj płomieniem acetylenowotlenowym. Spoiny charakteryzują się niską twardością oraz odpowiednią wytrzymałością. Proces wymaga stosowania topników. Spawanie przeprowadza się tylko w pozycji podolnej. 49

Spawanie MMA 50

Spawanie MMA Ważnym zabiegiem technologicznym, który należy uwzględnić przy spajaniu żeliwa na zimno jest wkręcenie w ukosowane powierzchnie wkrętów stalowych. Ma to na celu mechaniczne wzmocnienie spoin. 51

Spawanie MMA 52

Spawanie MMA W przypadku naprawy żeliw trudnospawalnych, gdy spoiny nie zapewniają dostatecznej wytrzymałości złącza należy dodatkowo wzmacniać nakładkami lub klamrami stalowymi. 53

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 54

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 55

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 56

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 57

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 58

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 59

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 60

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 61

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 62

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 63

64

SPAWALNOŚĆ ALUMINIUM 65

66

67

68

Charakterystyka miedzi 69

Charakterystyka miedzi 70

Charakterystyka miedzi 71

Charakterystyka miedzi 72

Charakterystyka miedzi 73

Spawalność miedzi 74

Spawalność miedzi 75

Spawalność miedzi 76

Spawalność miedzi 77

Spawalność miedzi 78

Stopy miedzi 79

Stopy miedzi 80

Spawanie GMAW Spawanie przeprowadza się prądem stałym z biegunowością odwrotną Parametry spawania MIG blach miedzianych 81

Spawanie GTAW 82

Spawanie GTAW 83

Spawanie MIG 84

Spawanie GTAW Spawanie przeprowadza się prądem stałym z biegunowością normalną Parametry spawania TIG blach miedzianych 85

Stopy miedzi - brązy 86

Spawanie brązów 87

Spawanie brązów 88

Spawanie brązów 89

Spawanie brązów MMA Najkorzystniejsze warunki spawania zapewnia pozycja podolna lub odchylona od poziomu o pod kątem 10-15 stopni. Blachy do 5 mm spawa się bez podgrzewania wstępnego, natomiast grubsze oraz odlewy podgrzewa się do 200-300 stopni C. TIG Spawanie brązów cynowych i krzemowych przeprowadza się prądem stałym ujemnej biegunowości, natomiast brązy aluminiowe spawa się prądem przemiennym. Stosowanie topnika nie jest bezwzględnie konieczne. MIG Szczególnie korzystne jest spawanie brązów aluminiowych i krzemowych o grubościach powyżej 5 mm, odlewów i wykonywanie spoin pachwinowych. Wstępne podgrzewanie do 200 stopni C jest korzystne, gdyż powoduje zmniejszenie porowatości spoin oraz zwiększenie wydajności spawania. Własności połączeń z brązów Wytrzymałość na rozciąganie połączeń spawanych wynosi 80-90 % wytrzymałości materiału rodzimego. 90

Stopy miedzi - mosiądze 91

Stopy miedzi - mosiądze 92

Stopy miedzi - mosiądze 93

Spawanie mosiądzów 94

Spawanie mosiądzów Najkorzystniejsze warunki spawania (parowanie cynku) oraz własności złączy zapewnia spawanie gazowe. Płomień reguluje się z 10-30 % nadmiarem tlenu w zależności od gatunku materiału podstawowego. MMA W przypadku, gdy dopuszczalny jest inny skład chemiczny spoiny niż materiał rodzimy do spawania mosiądzu można stosować metodą MMA. Stosuje się elektrody miedziane głębokowtapiające lub brązowe. Własności połączeń z mosiądzów Wytrzymałość na rozciąganie połączeń spawanych wynosi 80-90 % wytrzymałości materiału rodzimego. 95

Spawanie mosiądzów 96

Stopy miedzi - miedzionikle 97

Spawanie miedzionikli 98

Spawanie miedzionikli 99

Lutowanie miedzi i jej stopów 100