SPAWALNOŚĆ STALI

(materiały dydaktyczne do wykładu „Wstęp do Inżynierii Materiałowej”, „Materiałoznawstwo”)

1. WPROWADZENIE POJĘCIA SPAWALNOŚCI

Spawanie jest jedną z najpopularniejszych a zarazem wygodną „technologicznie” metodą łączenia materiałów metalicznych - pozwalają na dowolne ustawienie łączonych ścianek, nie wprowadzając elementów pomocniczych; nie wymagają dodatkowych zabiegów celem uzyskania szczelności łączenia wymagają mniej robocizny, mniejszego wyposażenia, mniejsza powierzchnia warsztatu. Połączenia spawane powstają w wyniku nadtopienia brzegów łączonych elementów i wprowadzenia stopionego materiału dodatkowego (spoiwa) w miejscu łączenia; materiały te po ostygnięciu tworzą spoinę - wiążącą część w jedną całość, tak jak to pokazano na rys. 1.

Rys. 1. Schemat budowy połączenia spawanego

Widoczne na rysunku strefy oznaczone literkami od a-d to charakterystyczne strefy połączenia spawanego. Na szczególną uwagę zasługuje tu strefa oznaczona na rysunku jako „b” to tzw. strefa wpływu ciepła (SWC), która w procesie spawania została nagrzana do wysokiej temperatury tj. takiej, że nastąpiły w niej zmiany mikrostruktury układu. Spawalnością stali nazwiemy podatność materiału do tworzenia złącz spawanych o właściwościach zbliżonych do materiału rodzimego. Spawalność jest cechą nie tylko cechą danego materiału, zależy, bowiem od kilku innych czynników, dlatego też z uwagi na wpływ tychże różnych czynników wydzielono 3 kryteria spawalności:

• Spawalność metalurgiczną - zostanie szerzej omówiona dalej

• Spawalność technologiczną - zależy ona od metody, parametrów i temperatury spawania, sposobu studzenia, obróbki cieplnej połączenia (zostanie to poszerzone w dalszej części opracowania)

• Spawalność konstrukcyjna - zależy ona od grubości i kształtu spawanych elementów, rodzaju i sposobu usytuowania względem siebie poszczególnych połączeń.

Fundamentalne znaczenie ma tu wspomniana spawalność metalurgiczna, bowiem to ona determinuje w dużej mierze całkowitą spawalność. Podstawowym czynnikiem spawalności metalurgicznej jest skłonność do pękania podczas spawania wyrażona równoważnikiem węgla CEV (dawniej Ce). Skłonność ta rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem węgla w materiale, a więc wzrost C (dla stali niestopowych przyjmuje się często maksimum zawartości C na 0,25%) pogarsza spawalność. Dla stali niestopowych i niskostopowych opracowano na ten temat wiele zależności empirycznych, z których zaprezentowane zostaną 2 (najważniejsze):

• International Institut of Weldnig - dla stali w których %C>0,18

(1)

• Ito z Basso - dla stali gdy %C<0,16

(2)

Jak wynika z powyższych zależności może dojść do takiej sytuacji, w której mimo małej zawartości węgla stal (np. 0,15%C) może się okazać trudno spawalną (CEV=0,8), co doskonale widać na rys. 2. Powszechnie uważa się, ze za dobrze spawalne należy uznać stale dla których CEV<0,45%. CEV nie może być jedynym kryterium przesądzającym o spawalności, bowiem wzajemna korelacja pomiędzy spawalnością metalurgiczną, a konstrukcyjną, a dokładniej grubością spawanych elementów może się okazać decydująca na zakwalifikowanie danego przypadku do grup dobrze, warunkowo i źle spawalnych, co pokazuje rys. 3.

Tak, więc jak widać nie łatwo jest rozstrzygnąć, kiedy coś jest łatwo lub trudno spawalne, należy na problem spojrzeć bardziej kompleksowo. Pozostaje tylko pytanie dotyczący wyjaśnienia, co uznać za stal łatwo, trudno średnio spawalną, etc.? Literatura podaje następujący podział stali ze względu na cechę, jaką jest spawalność;

• Stale łatwo spawalne - stale, które przy spawaniu w temperaturze powyżej +5°C i grubości ścianek łączonych poniżej 40 mm, bez zastosowania specjalnych zabiegów i obróbki cieplnej po spawaniu, tworzą połączenie spawane bez zanieczyszczeń, porów i nieciągłości w spoinie, bez występowania miejsc zahartowanych i pęknięć w SWC oraz bez późniejszych pęknięć spoiny i materiału rodzimego podczas pracy. Dla tej grupy stali CEV≤0,45[%]

• Stale średnio spawalne - tworzą podobnie jak poprzednio połączenie bez wspomnianych wad, ale przy łączeniu elementów o grubości ścianek nieprzekraczającej 20 mm. Wymagają jednak zastosowania odpowiednich środków ostrożności w postaci np. zmniejszenia szybkości spawania, zwiększenia średnicy spoiwa, elektrody przed spawaniem etc.

• Stale trudno spawalne - Stale te wymagają nie tylko zastosowania środków ostrożności i zabiegów (jak stale średnio spawalne), lecz także dodatkowej obróbki cieplnej po spawaniu niezależnie od grubości łączonych elementów.

• Stale niespawalne - stale, które pomimo zastosowania wymienionych wyżej środków i zabiegów nie dają połączenia o określonych własnościach

Znajomość CEV pozwala nam obliczyć twardość strefy SWC, która nie powinna przekraczać 350 HV. Twardość tę można wyznaczyć orientacyjnie z zależności;

(3)

Zbyt duża twardość w strefie SWC i mała plastyczność mogą być powodem pękania złączy pod wpływem naprężeń własnych lub obciążeń zewnętrznych podczas eksploatacji. Szczególnie groźne są tu obciążenia dynamiczne. Dodatkowym źródłem informacji na temat rodzajów przemian otrzymanych struktur, twardości, udarności są wykresy CTPc - S (czas, temperatura, przemiana ciągła - spawanie) pokazane jako przykład na rys. 4 dla stali 18G2A.

Rys. 4. Wykres CTPc-S oraz wykres zmian udarności i twardości w zależności od czasu stygnięcia stali dla danego jej gatunku (18G2A)

2. OBRÓBKA CIEPLNA POŁĄCZEŃ SPAWANYCH

Obróbkę tę można w zasadniczy sposób podzielić na obróbkę przed (podczas) jak i po spawaniu;

1. Obróbka cieplna w czasie spawania;

Polega ona na grzaniu materiału spawanego zarówno przed jak i w trakcie spawania. Celem takiej operacji jest zmniejszenie naprężeń własnych, uzyskanie lepszej (bardziej poprawnej) struktury oraz umożliwienie wydyfundowania gazów - w szczególności wodoru. Istotą sprawy jest tu odpowiedni dobór temperatury wstępnego podgrzania materiałów - rys. 5.

Rys. 5. Temperatura wstępnego podgrzania

w zależności od CEV i grubości blachy

Można też skorzystać ze wzoru prezentowanego poniżej

(4)

Przy czym: C_ES=CEV(1+0,05g), zaś g - grubość blachy [mm]

2. Obróbka cieplna po spawaniu

Operacje obróbki cieplnej po uzyskaniu złącza sprowadzają się do dwóch rodzajów wyżarzania; odprężającego i normalizującego. Celem prowadzenia tychże operacji jest uzyskanie lepszej struktury ze względu na własności mechaniczne jak również, a może i przede wszystkim zmniejszenie naprężeń własnych i skłonności do powstawania pęknięć. Jaki to ma wpływ na twardość, doskonale ilustruje to rys. 6.

Rys. 6.Wpływ obróbki cieplnej na zmianę twardości złącza spawanego

• Wyżarzanie odprężające stosuje się zazwyczaj do konstrukcji o skomplikowanych kształtach, które muszą charakteryzować się dużym współczynnikiem bezpieczeństwa pracy, zachowania wymiarów (stabilność) lub są narażone na znaczne obciążenia robocze. Wyżarzanie to prowadzone jest w zakresie temperatur 620-650ºC (dla stali węglowych. Szybkość nagrzewania nie powinna być większa niż 120-150 ºC/h. Czas nagrzewania jest zależny od grubości łączonych elementów i do obliczeń przyjmuje się 3-5min/mm grubości, jednak nie mniej niż godzinę. W celu uniknięcia naprężeń podczas chłodzenia zaleca się, aby nie było ono szybsze niż 150-200 ºC/h.

• Wyżarzanie normalizujące - stosuje się w celu likwidacji struktur hartowania, oraz uzyskania drobniejszego ziarna. Zakres temperatur dotyczy 30-50 ºC powyżej A1. Wyżarzanie to jest stosowane do stali trudno spawalnych oraz wykazujących duże skłonności do tworzenia w SWC struktur hartowania.

DLA STALI STOPOWYCH JEST ZUPEŁNIE INACZEJ!

(o tym pewnie powie doktor Grzegorz Pękalski na zajęciach)

LITERATURA:

[1] Haimann R., Metaloznawstwo, Wyd. PWr., Wrocław 1980

[2] Dudziński W. (red.), Materiały konstrukcyjne w budowie maszyn, Oficyna wyd. PWr, Wrocław 1994

K

Rys.2 Strefy skłonności do pękania w zależności od %C i CEV

CEV [%]

Rys. 3. Zależność spawalności w funkcji CEV i grubości spawanego elementu

CEV

6

---