12.2. Wytyczne doboru materiałów dodatkowych do spawania stali konstrukcyjnych
Materiałami dodatkowymi (spawalniczymi) nazywa się materiały wykorzystywane bezpośrednio w metalurgicznym procesie spawania, a więc wpływające na jakość złącza. Do materiałów dodatkowych zalicza się spoiwa, np. elektrody i druty topliwe, proszki, pasty, oraz inne materiały spawalnicze, zwane pomocniczymi, np. gazy osłonowe, podkładki ceramiczne do spawania jednostronnego, pierścienie jonizujące do przypawania sworzni. Z materiałów pomocniczych nie powstaje stopiwo, lecz mogą wpływać na jego właściwości, np. gazy osłonowe.
Materiały dodatkowe tworzące stopiwo powinny charakteryzować się możliwością otrzymania spoiny o określonym składzie chemicznym i o określonych własnościach mechanicznych. Materiały dodatkowe należy dobierać uwzględniając ich szczególne zastosowanie, np. projekt złącza, pozycję spawania i wymagane własności aby spełnić warunki eksploatacji. Należy uwzględniać specjalne zalecenia producenta materiałów dodatkowych. Dla otrzymania wymaganych właściwości spoiny druty o odpowiedniej zawartości pierwiastków powinny być właściwie skomponowane z otuliną, topnikiem lub atmosferą ochronną.
Przy doborze materiałów dodatkowych (spoiw) do spawania stali konstrukcyjnych należy w pierwszej kolejności brać pod uwagę granicę plastyczności stopiwa i materiału spawanego. Wartość granicy plastyczności stopiwa z założenia nie powinna być niższa od granicy plastyczności materiału spawanego (podstawowego). Wyższa wartość granicy plastyczności jest konieczna zwłaszcza wtedy gdy spoina przenosi bezpośrednio takie same obciążenie jakie działa na łączone elementy tworzące złącze. Stan taki występuje najczęściej w konstrukcjach powłokowych ze spoinami czołowymi (rurociągi, naczynia ciśnieniowe, zbiorniki magazynowe itp.), w elementach prętowych konstrukcji przenoszących bezpośrednio obciążenia, np. styki poprzeczne słupów, belek, dźwigarów. Pewien nadmiar wytrzymałości jest zabezpieczeniem przed lokalnym odkształceniem plastycznym spoiny na skutek sumowania naprężeń własnych spawalniczych i eksploatacyjnych, a także na wypadek występowania wad w spoinie zmniejszających jej pole przekroju.
Od powyższej zasady mogą istnieć odstępstwa, jak np. przy spawaniu złączy narażonych na pękanie lamelarne (rozwarstwienia. Teoretycznie można dopuścić spoiwo o niższej granicy plastyczności stopiwa, gdy naprężenia eksploatacyjne w spoinach są niskie i nie są one krytyczne dla konstrukcji. Przykładem mogą być spoiny pachwinowe wzdłużne, łączące elementy trzonów ściskanych słupów lub wzdłużne spoiny części składowych blachownic, o ile nie działają na nie siły poprzeczne i skupione o znacznych wartościach. Spoiny o granicy plastyczności niższej od granicy plastyczności materiału podstawowego sprawiają, że poziom naprężeń własnych w złączu i odkształcenia spawalnicze konstrukcji są nieco mniejsze. Jednak stosowanie spoiw o różnych własnościach mechanicznych w jednej konstrukcji stwarza w praktyce niebezpieczeństwo pomyłkowego zastosowania spoiw. W przypadku doboru spoiwa do łączenia materiałów o różnych własnościach mechanicznych należy przyjąć zasadę, że własności mechaniczne stopiwa (Re , Rm,, KV) powinny sprostać wymaganiom dla materiału o wyższych własnościach. W tabl. 12.3 podano symbole własności mechanicznych stopiwa uzyskiwanego z różnych materiałów dodatkowych.
Mniejsze znaczenie przy doborze materiału dodatkowego ma wytrzymałość stopiwa na rozciąganie (Rm), gdyż zarówno w przypadku elementów konstrukcji stalowych nie spawanych i złączy spawanych wielkością wyjściową przy wymiarowaniu jest granica plastyczności. Stosunek granicy plastyczności do wytrzymałości stopiwa jest na ogół wyższy niż dla materiału podstawowego. Stopiwo, którego granica plastyczności osiąga minimalną wartość granicy plastyczności materiału podstawowego, niekoniecznie osiąga jego minimalną wytrzymałość na rozciąganie. Należy też mieć na uwadze, że własności mechaniczne stopiwa mogą się różnić od własności spoin ponieważ własności spoin zależną od sposobu prowadzenia procesu spawania np. średnicy elektrod otulonych, pozycji spawania, sposobu prowadzenia elektrody oraz składu chemicznego materiału podstawowego.
Drugą istotną wielkością jest wartość pracy łamania stopiwa w określonej temperaturze, będąca miernikiem przydatności stopiwa do spawania stali przeznaczonych na konstrukcje narażone na pękanie kruche, zwłaszcza eksploatowane w obniżonej temperaturze. Dla większości materiałów dodatkowych oznaczanych zgodnie z zasadami przyjętymi w Normach Europejskich, jest podawana temperatura, przy której uzyskuje się pracę łamania o wartości 47 J. Producenci podają niekiedy wartość pracy łamania stopiwa inną niż 47 J, co utrudnia przypisanie spoiwa do klas ujętych w normach. Spoiwa dobrane pod względem odporności na pękanie kruche powinno charakteryzować się wartością pracy łamania uzyskanego z niego stopiwa wyższą niż materiału podstawowego w określonej temperaturze. Ostatecznym sprawdzianem poprawności doboru zarówno materiału podstawowego i spoiwa jest zazwyczaj wynik próby udarności z wykonanej spawanej płyty kwalifikacyjnej (lub innego kryterium technologicznego), ponieważ krytycznym miejscem połączenia spawanego jest zwykle strefa wpływu ciepła, jednak powyższy warunek powinien być zachowany.
Dobór spoiwa pod względem dopasowania składu chemicznego stopiwa do składu chemicznego materiałów spawanych nie jest tak jednoznaczny i prosty jak w przypadku doboru wytrzymałości i udarności. Zawartość określonych pierwiastków w spoiwie do spawania stali konstrukcyjnych wpływa na wytrzymałość i udarność w temperaturach obniżonych i podwyższonych oraz na odporność na korozję atmosferyczną spoiny.
Węgiel, niezależnie od przeznaczenia i wytrzymałości stali, występuje z reguły w ilości nie większej niż 0,1 %, ponieważ bardzo niekorzystnie wpływa na spawalność, podnosząc skłonność spoin do pękania. Wzrost wytrzymałości stopiwa uzyskuje się głównie przez zwiększenie zawartości manganu. Należy mieć na uwadze, że mangan, podobnie jak krzem, w aktywnych atmosferach łuku ulegają znacznemu wypalaniu, więc ich zawartość w spoiwie powinna być wyższa niż w stali. Do spoiw o wysokiej wytrzymałości wprowadza się również dodatek molibdenu, a nawet chromu. Ponieważ Mn, Cr i Mo pogarszają spawalność przez wzrost hartowności stali, przy zwiększonej ich zawartości do spoiwa z reguły wprowadza się nikiel, który obniża krytyczną szybkość chłodzenia i poprawia plastyczność stopiwa.
Nikiel jest podstawowym pierwiastkiem stosowanym w stalach i spoiwach do podniesienia ich odporności na kruche pękanie. Tak więc spoiwa do spawania stali przeznaczonych do pracy w obniżonych temperaturach powinny zawierać nikiel w ilościach zależnych od gatunku i klasy jakości stali (np. L, L1, L2 w oznaczeniu w przypadku stali drobnoziarnistych).
W spoiwach do spawania stali pracujących w podwyższonych temperaturach powinien występować molibden ponieważ podnosi on wytrzymałość i odporność na przegrzanie stali. Do spawania stali energetycznych niskostopowych wieloskładnikowych, przewidzianych do eksploatacji w temperaturach powyżej 400oC (odpornych na pełzanie) stosuje się spoiwa specjalne.
Spoiwa stosowane do spawania stali konstrukcyjnych trudno rdzewiejących powinny zawierać te same pierwiastki, które znajdują się w spawanej stali, w ilościach zapewniających nie gorszą odporność spoiny na rdzewienia niż wykazuje stal. Przykładowo, elektrody ES 10HNB powinno się stosować do stali 10HNAP i 12HNANb wszystkich odmian wg PN 83/H-84017, elektrody ES 10HB do stali 10H, 08HA, 10HA, 10HAV, odmian B,C,D, natomiast elektrody ES HA do tych samych gatunków stali jak ES HB, ale tylko do odmiany B i grubości poniżej 16 mm. Druty elektrodowe OK Autrod 13.26 i OK Tigrod 13.26 nadają się do spawania metodami MAG i TIG stali 10HNAP i 12HNANb oraz innych stali trudno rdzewiejących niższych klas (skład stopiwa z tych drutów jest następujący: C=0,09%, Mn=1,4%, Si=0,8%, Cr=0,2%, Ni=0,8%, Cu=0,5%).
Producenci materiałów dodatkowych z reguły oznaczają swoje wyroby nazwami lub symbolami nie mającymi związku z oznaczeniami przyjętymi w normach o zasięgu międzynarodowym. Aby cechy ich produktów mogły być jednoznacznie rozpoznawane przez użytkowników, zazwyczaj oprócz własnego oznaczenia podają oznaczenie według uznanych norm. Dla producentów i dostawców na rynek europejski takimi normami są normy EN, w których stworzono jednolity system klasyfikacji materiałów spawalniczych. Na świecie bardzo powszechny jest system oznaczania wg AWS (American Welding Society). Pełne oznaczenie materiałów dodatkowych wg EN lub AWS daje gwarancję poznania wszystkich cech użytkowych wyrobu. W katalogach, obok oznaczeń symbolowych, producenci podają również własności mechaniczne stopiwa, gatunki materiałów, do których dane stopiwo może być stosowane, warunki i parametry spawania oraz uznania (dopuszczenia ) spoiwa przez Towarzystwa Klasyfikacyjne lub instytucje dozorowe. Przy doborze materiału dodatkowego zaleca się zwrócić uwagę, które organizacje uznały produkt, szczególnie gdy wyrób spawany podlega odbiorowi technicznemu przez tego rodzaju organizacje. Uznanie materiałów dodatkowych przez Towarzystwa Klasyfikacyjne o randze międzynarodowej, np. BV, DB, DnV, GL, LR, PRS, TÜV, UDT, daje gwarancje dobrej jego jakości.
Tablica 12.3. własności mechaniczne stopiwa z elektrod otulonych
i drutów elektrodowych wg norm PN-EN: 440, 499, 756, 757, 758, 1668
Symbole w normach PN-EN: |
Minimalna granica plastyczności, MPa |
Wytrzymałość na rozciąganie, MPa |
Minimalne wydłużenie A5, % |
|
440, 449, 756, 758, 1668 |
757 |
|
|
|
35 38 42 46 50 |
55 62 69 79 89 |
355 380 420 460 500 550 620 690 790 890 |
440÷570 470÷600 500÷640 530÷680 560÷720 610÷780 690÷890 760÷960 880÷1080 980÷1180 |
22 20 20 20 18 18 18 17 16 15 |