UDK 621.791.053:669.14.018.298 Pregledni znanstveni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 34(6)409(2000) Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU ... ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU, GRAJENEM S POSTOPKOM VARJENJA POD PRAŠKOM A STUDY OF THE COLD CRACKING IN MULTI-PASS WELD METAL MADE BY A SUBMERGED-ARC WELDING PROCESS Zdravko Praunseis1, Masao Toyoda2 1Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija 2Osaka University, Faculty of Engineering, Yamadaoka 2-1, 565-0871 Osaka, Japan zdravko.praunseisŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2000-10-02; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-11-29 Problematika varivosti visokotrdnostnih malolegiranih konstrukcijskih jekel se kaže tudi v fenomenu razpokljivosti v hladnem. V raziskavi je namenjena posebna pozornost nastajanju razpok v hladnem v večvarkovnem strjenem varu. Razpokljivost v hladnem v strjenem varu preprečujemo s predgrevanjem, za zagotovitev ustrezne mikrostrukture, s sušenjem oplaščenih elektrod ali praškov in s pogrevanjem zvarnega spoja za izhajanje raztopljenega vodika. Ker predgrevanje pomeni visok strošek pri gradnji zvarjene konstrukcije, je potrebna natančna določitev ustrezne temperature predgrevanja. V raziskavi je predstavljena eksperimentalna določitev temperature predgrevanja večvarkovnega strjenega vara debeline 50 mm, pri kateri ne bo prišlo do pojava razpok v hladnem. Ugotovljeno je, da nastajajo prečne razpoke v hladnem v večvarkovnem strjenem varu, grajenem s polnjeno žico Filtub 128 po postopku varjenja pod praškom (EPP postopek) pri temperaturi predgrevanja, ki je nižja od 70 °C. Ključne besede: večvarkovni var, razpokljivost v hladnem, temperatura predgrevanja, malolegirana konstrukcijska jekla One of the weldability problems with high-strength low-alloy (HSLA) steels is the cold-cracking phenomenom. In this research special attention has been paid to cold cracks appearing in the multi-pass weld metal. Cold cracking is prevented by the preheating of steel prior to welding in order to achieve a beneficial microstructure, and by the drying of welding flux and the post-heating of a welded joint for the expulsion of dissolved hydrogen. An accurate determination of the preheating temperature is necessary because of the high cost of the preheating during the build up of a welded structure. This paper deals with the experimental determination of the preheating temperature for multi-pass weld metal, with a thickness of 50 mm, at which cold cracking in the welded joint could be eliminated. It was found that in the multi-pass weld metal made by Filtub 128 flux-cored wire and a submerged-arc welding process, transverse cold cracks appear at preheating temperatures lower than 70 °C. Key words: multi-pass weld metal, cold cracking, preheating temperature, high strength low alloy steels 1 UVOD Razpoke v hladnem1 se pojavijo pri ohlajanju zvarnega spoja pri temperaturi pod 450 °C in lahko nastanejo v toplotno vplivanem področju (TVP) ali strjenem varu. Nastanek teh razpok je odvisen od občutljivih mikrostruktur, vodika invpetosti vara. Za varno obratovanje zvarjenih konstrukcij je pomembno, da njihov nastanek preprečimo. Razpokljivost v hladnem prepreču-jemo s predgrevanjem za zagotovitev ustrezne mikro-strukture, s sušenjem oplaščenih elektrod (pri ročnem elektroobločnem varjenju) oziroma praškov (pri varjenju pod praškom - EPP postopek) in s pogrevanjem zvarnega spoja za izhajanje raztopljenega vodika. Kljub relativno pogostem pojavu razpokljivosti v hladnem v strjenem varu je bilo narejenih malo raziskav o pojavu hladnih razpok v varu v primerjavi z razširje-nimi raziskavami fenomena razpokljivosti v hladnem v TVP enovarkovnega vara2. Prevladovala je domneva, da se problematika razpokljivosti v hladnem v zvaru ne pojavlja pri uporabi nizko - srednjetrdnostnih jekel. S povečano uporabo nizkoogljičnih jekel t. i. visokotrd- nostnih malolegiranih konstrukcijskih (VTML) jekel in polnjenih žic (elektrod) se je začela pojavljati razpok-ljivost v hladnem pogosteje tudi v varu. Največkrat so nastajale razpoke v hladnem v varu pri varjenju debelo-stenskih cevovodov zaradi tradicionalne uporabe opla-ščenih elektrod z nekoliko višjo vsebnostjo vodika3. Največje zaostale napetosti se pri soležnih zvarnih spojih pojavijo v varu inTVP4. Če zvarni spoj ni vpet, se pojavijo v omenjenih področjih predvsem visoke natezne vzdolžne zaostale napetosti. V primeru toge vpetosti soležnega zvarnega spoja pa se lahko pojavijo na prej omenjenih področjih tudi visoke natezne prečne zaostale napetosti. Velikost vzdolžnih ali prečnih nateznih zaostalih napetosti lahko na teh področjih doseže vrednosti napetosti tečenja materiala. Pri varjenju večjih debelinse lahko pojavijo zaostale napetosti tudi v smeri debeline. Takrat se pojavi v notranjosti materiala triosno napetostno stanje. Širjenje prečnih razpok v hladnem povzročajo predvsem natezne komponente vzdolžnih zaostalih napetosti. In nasprotno, širjenje vzdolžnih razpok v hladnem povzročajo natezne komponente prečnih zaostalih napetosti. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 409 Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU Poleg karakterističnih razpok v hladnem lahko nastanejo v varu tudi druge oblike razpokljivosti v hladnem, kot so npr. mikrorazpoke, "ribja očesa" in Chevronove razpoke. V primeru, ko ima var manjšo napetost tečenja od osnovnega materiala, govorimo o varu z manjšo trdnostjo (TRN - var). Kadar ima var večjo napetost tečenja od osnovnega materiala, pa govorimo o varu z večjo trdnostjo (TRV - var) 5. S stališča varivosti VTML - jekel ter predvsem ekonomičnosti je gradnja TRN - varov zaželena. TRN -zvarni spoji se uporabljajo za preprečevanje razpok-ljivosti v hladnem brez predgrevanja, še posebej za zvarne spoje iz VTML - jekel z napetostjo tečenja nad 700 MPa. Večja nevarnost nastanka razpok v hladnem nastopi pri gradnji TRV - varov, saj je pri večji trdnosti vara težje doseči zadovoljivo žilavost. Zaradi tega TRV -vari zahtevajo predgrevanje, kar pomeni znaten strošek ter pazljivo in disciplinirano gradnjo vara. Temu sledi še često izbrana termična ali mehanska obdelava zvarnega spoja po varjenju, kar stroške izdelave zvarnega spoja še povečuje. Čeprav želimo razpokljivost v hladnem popolnoma odpraviti že med izdelavo zvarnega spoja z gradnjo TRN - varov oziroma s predgrevanjem TRV - zvarnih spojev, je za varno obratovanje zvarjenih konstrukcij iz VTML Slika 1: Porazdelitev plastičnih deformacij v simetričnem X in Y TRV - a) inTRN - b) strjenem varu Figure 1: Distributionof plastic strains inthe symmetrical X and Y undermatched a) and overmatched b) multipass weld metal 410 izredno pomembno, da upoštevamo možnost nastanka in s tem nastanek razpok v hladnem (ravninskih napak) v TRN - ali TRV - varu tudi po varjenju oziroma po izdelavi zvarnega spoja. Osnovna značilnost TRV - vara (slika 1a) z razpoko v hladnem je, da ostane material zvara pri preobremenitvi zvarnega spoja v elastičnem napetostnem področju, medtem ko se duktilnejši osnovni material že prične plastično deformirati. Pri tem je dosežena stabilnost (zaščitni efekt) razpok v hladnem (kratke ravninske napake) v TRV - varu, dokler osnovni material z utrjevanjem ne doseže vrednosti meje tečenja strjenega vara. Nasprotno, pri preobremenitvi TRN - vara s prisotno razpoko v hladnem, se pojavi plastična deformacija najprej v varu, medtem ko ostane TVP in osnovni material v elastičnem napetostnem področju (slika 1b). Iz povedanega sledi, da je s stališča lomno mehanskega obravnavanja zvarnega spoja z razpoko v hladnem oziroma varnosti zvarjene konstrukcije bolj neugodno, če razpoke v hladnem nastanejo v TRN - varu, namesto v TRV - varu. Takrat razpoke v hladnem postanejo zaznavne in lahko ob premajhni duktilnosti (žilavosti) strjenega vara vplivajo na sprožitev loma v strjenem varu in s tem povzročijo porušitev zavarjene konstrukcije že pri relativno majhni obremenitvi. Zaradi tega je potrebna natančna in sistematična ocenitev občutljivosti na razpokljivost v hladnem v varu z varivostnim preizkusom. Temperaturo predgrevanja, pri kateri ne bo prišlo do pojava razpok v hladnem v varu, lahko določimo analitično (z empiričnimi enačba-mi) in s praktično izvedbo varivostnega preizkusa. Ker pomeni predgrevanje visok strošek pri gradnji zvarjene konstrukcije, je potrebna natančna določitev ustrezne temperature predgrevanja. V raziskavi je na osnovi izvedenega varivostnega preizkusa predstavljena ocenitev občutljivosti na razpokljivost v hladnem v večvarkovnem varu, grajenem s polnjeno žico Filtub 128 po postopku varjenja pod praškom (EPP postopek). 2 EKSPERIMENTALNI POSTOPEK 2.1 Podatki o materialu Za izdelavo preizkušancev za varivostni preizkus po Yurioku6 ni posebej predpisana vrsta materiala oziroma njegove mehanske lastnosti in kemična sestava. Predpisana je debelina materiala, ki naj bo 50 mm. Odločili smo se, da bodo preizkušanci za varivostni preizkus izdelani iz konstrukcijskega jekla z mejo tečenja 355 MPa in natezno trdnostjo 520 MPa. Preizkusni večvarkovni simetrični Y-var je zavarjen s polnjeno stržensko žico Filtub 128 premera ? 4 mm po postopku EPP. Pri varjenju je uporabljen aglomerirani prašek FB TT. Mehanske lastnosti in kemična sestava dodajnega materiala so navedeni v tabeli 1 in 2. MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU Tabela 1: Mehanske lastnosti dodajnega materiala Filtub 128 Table 1: Mechanical properties of welding consumable - Filtub 128 Material Rp (MPa) Rm (MPa) A% CVNJ Filtub 128 čisti var 550 630-730 20 160 pri +20 °C Filtub 128 strjeni var 710* 802* 21,5* 122, 187, 100 pri +20 °C *vrednost je povprečje dveh meritev Tabela 2: Kemična sestava dodajnega materiala Filtub 128 Table 2: Chemical composition of welding consumable - Filtub 128 Kemična sestava(%) C Si Mn Ni Mo Ce PCM Filtub 128 -čisti var 0,05 0,20 1,40 1,20 0,40 0,184 0,173 Ogljikov ekvivalent CE v preglednici 2 se izračuna po enačbi7: Si Mn Cr Cu Ni Mo V /1X C E =C+ — +-----+ — + — + — +----+ — (1) 25 20 10 20 40 15 10 Vpliv kemičnih elementov zajema parameter hladne razpokljivosti PCM 8: Si Mn+Cu + Cr Ni Mo V PC =C+ — +----------------+ — +----+ — + 5B (2) 30 20 60 15 10 2.2 Podatki o vodiku v varu Vsebnost difuzijskega vodika HD v vam je bila določena s standardizirano glicerinsko merilno metodo (DIN 8572) pri EPP-varjenju s sušenim in nesušenim praškom FB TT. Nesušeno stanje praška pomeni tisto količino HD v strjenem vam, ki jo dobimo pri EPP-varjenju s praškom shranjenim v skladišču. S sušenjem praška pri temperaturi sušenja Ts = 380 °C v času 2 ur neposredno pred varjenjem znižamo količino HD v vam na minimum. Izmerjene vrednosti HD so podane v tabeli 3. Slika 2: Preizkušanec za izvedbo varivostnega preizkusa Figure 2: Weldability test specimen MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 Slika 3: Priprava in vpetje preizkušanca pred izvedbo varivostnega preizkusa Figure 3: Preparation and restraint of specimens before weldability test execution 2.3 Eksperimentalna določitev temperature predgre-vanja z varivostnim preizkusom Preizkus po Yurioku6 spada med tiste varivostne preizkuse za določanje temperature predgrevanja, pri kateri se več ne pojavijo prečne razpoke v hladnem v večvarkovnem varu. Preizkušanec za izvedbo varivost-nega preizkusa je izdelan iz konstrukcijskega jekla debeline 50 mm z mejo tečenja 355 MPa in natezno trdnostjo 520 MPa s simetrično Y-obliko zvarnega žleba (slika 2). Preizkušanec je ločen od podlage s podložnimi ploščami debeline 30 mm, da dosežemo čim bolj enakomerno ohlajanje preizkušanca po varjenju. Togost in ustrezno vpetost kasneje varjenega preizkusnega večvarkovnega vara je dosežena s prispojitvijo preizkušanca k podložnima ploščama s spenjalnimi varki (slika 3). Preizkušanec smo segreli na preskusno temperaturo predgrevanja (razen v primerih brez predgrevanja), nato pa izvršili varjenje preizkusnega večvarkovnega vara (polnjena strženska žica Filtub 128, ?4 mm) v Y- zvarni žleb z ustrezno tehnologijo varjenja (tabela 4 in 5). Varjenje preizkusnega večvarkovnega vara smo izvedli le s sušenim praškom (380 °C/ 2 uri in HD = 0,10 ml/100g). Tabela 3: Izmerjene vrednosti difuzijskega vodika H Table 3: Hydrogen content values measured in the weld metal made by a submerged-arc welding process with Filtub 128 flux - cored wire and FB TT flux TS°C HDml/100g nesušeni prašek 3,69 380 °C 0,10 Po enem tednu (v tem času difundira večina vodika) smo preizkušanec prerezali vzdolžno po sredini vara (slika 4 - prerez A-A) inizdelali metalografske obruse. Sledil je pregled z optičnim mikroskopom NIKON EPIPHOT 300. V primeru, da smo pri pregledu obrusov 411 Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU Tabela 4: Tehnologija varjenja za varjenje večvarkovnega vara pri sobni temperaturi Table 4: Welding procedure of multi-pass weld metal for welding at room temperature Številka varka Premer elektrode (mm) Napetost (V) Jakost el. toka (A) Pol Medvark. temp. Hitrost varjenja (cm/min) Vnos toplote * (kJ/cm) Ats/5-eksp. (s) 1 4 28 500 DC- sobna t. 58 14,4 2 4 29 510 DC- 50 60 14,7 6,4 3 4 29 515 DC- 50 60 14,9 4-42 4 29-33 500-530 DC- 50-54 60 14,5-17,4 9,6-11,2 * Pri varjenju toplotni izkoristek ni upoštevan. Za realni izračun vnosa toplote za EPP-varjenje lahko vzamemo T|= 0,95. Tabela 5: Tehnologija varjenja za varjenje večvarkovnega vara pri temperaturi predgrevanja Tp = +70 °C Table 5: Welding procedure of multi-pass weld metal for welding at preheating temperature Tp = +70 °C Številka varka Premer elektrode (mm) Napetost (V) Jakost el. toka (A) Pol Medvark. temp. Hitrost varjenja (cm/min) Vnos toplote * (KJ/cm) Ats/5-eksp. (s) 1 4 29 510 DC- 70 60 14,7 2 4 29 515 DC- 70 60 14,9 7,1 3 4 30 515 DC- 70 60 15,4 4-40 4 29-33 500-530 DC- 70-73 60 14,5-17,4 10,1 - 11,9 * Pri varjenju toplotni izkoristek ni upoštevan. Za realni izračun vnosa toplote za EPP varjenje lahko vzamemo r|= 0,95. Tabela 6: Rezultati meritev po izvedbi varivostnega preizkusa na večvarkovnem strjenem vara, varjenem s polnjeno stržensko žico Filtub 128 (Č4 mm insušenim praškom FB TT Table 6: Results of measurements after weldability test of multi-pass weld metal at welding with Filtub 128 flux - cored wire (Č4 mm and FB TT dry flux Št. preizkusa t (mm) Ts (°C) HD (ml/100g) H (mm) Tp (°C) Tp» (°C) Opom. 1 50 380 0.10 49,5 Sobna temperatura +60 Razpoke! 2 50 380 0.10 49,0 +70 +57 Brez razpok! * izračunana temperatura predgrevanja po enačbi (3) kateri ne bi prišlo do nastanka razpok v hladnem v večvarkovnem varu. Varivostni preizkus smo izvedli s polnjeno stržensko žico Filtub 128 (|>4 mm insušenim praškom FB TT najprej pri sobni temperaturi. S sušenim praškom FB TT smo varivostni preizkus opravili še pri Tp « +70 °C. Rezultati varivostnih preizkusov so podani v preglednici 6. Temperaturo predgrevanja, pri kateri ne bo prišlo do nastanka razpok v hladnem v večvarkovnem varu, lahko izračunamo tudi po empirični enačbi u. Tp =120+1201og(Či + 5(//-20) + 8K 83I (3) A 3,5 J V10 J Za določitev TP je pomembna vsebnost difuzijskega vodika HD, debelina večvarkovnega vara H (slika 5) in natezna trdnost vara Rm. HD se meri v ml/100g, H v mm inRm v MPa. 2.4 Pregled metalografskih obrusov z optičnim mikroskopom Vsi metalografski obrusi so bili fino brušeni in jedkani s 3 % nitalom, ter nato pregledani z optičnim z optičnim mikroskopom opazili razpoke v hladnem, smo preizkus ponovili pri višji temperaturi predgrevanja, vse dokler nismo dosegli temperaturo predgrevanja, pri Prečne razpoke Slika 4: Shematski prikaz razreza preizkušanca s preizkusnim večvarkovnim Y - varom po varjenju Figure 4: Sectioning of specimen with tested multipass Y- weld metal after welding 412 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU Slika 5: Posnetek vzdolžnega prereza preizkusnega večvarkovnega strjenega zvara z razpokami v hladnem, identificiranimi s penetrantsko metodo, pri varjenju s sušenim praškom pri sobni temperaturi; povečava 1,5-krat Figure 5: Cross-sectionof tested multi-pass weld metal with cold cracks, identified with the penetration method, for welding with dry flux at room temperature, 1.5X Slika 6: Bainit a) v varu tik ob izolirani razpoki v hladnem s sledovi primarnega ferita (PF). Na sliki b) so vidna kristalna zrna primarnega ferita (PF-G), nastalega po kristalnih mejah primarnih avstenitnih zrn b). Figure 6: Bainite a) in weld metal close to isolated cold crack with contours of primary ferrite (PF). At higher magnification primary ferrite along the grain boundary is visible (PF-G), formed at primary austenitic grains b) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6 Slika 7: Bainitna mikrostruktura v okolici področja stopničaste razpoke v hladnem Figure 7: Bainitic microstructure in the surroundings of stepped cold crack mikroskopom NIKON EPIPHOT 300. Opazovane mikrostrukture večvarkovnega vara so bile ocenjene po proceduri 9. 3 RAZPRAVA Za analitični izračun temperatur predgrevanja je bila uporabljena natezna trdnost vara (tabela 1), ki je dejanska trdnost večvarkovnega vara po varjenju in ima zaradi tega pomemben vpliv na velikost izračunanih temperatur predgrevanja (enačba 3). Iz primerjave izračunanih temperatur predgrevanja (tabela 6) lahko sklenemo, da je predgrevanje potrebno že pri varjenju s sušenim praškom (HD = 0,10 ml/100g). V primeru varjenja s sušenim praškom (380 °C/ 2 uri) je pričakovati temperature predgrevanja med 57 °C in 60 °C, ki so orientacijske vrednosti za eksperimentalno določitev temperature predgrevanja vara pri varivostnem preizkusu. Ta je pokazal, da se pri varjenju s sušenim praškom pri temperaturi predgrevanja Tp = +70 °C popolnoma odpravi razpokljivost v hladnem. Predhodno smo opravili preizkus še pri sobni temperaturi. Razrez preizkušanca in ogled njegove površine (slika 5) je pokazal, da so nastale prečne razpoke v hladnem v smeri, pravokotno na površino vara, na področju med korenom in temenom vara. Razpoke v hladnem so nastajale v grobozrnatem dendritskem delu varkov in TVP-varkov kot stopničaste (razvejene) in izolirane (nerazvejene) prečne razpoke. Izolirane razpoke so nastajale na trših področjih (?285 HV1) vara z bainitno mikrostrukturo, ki so pogostokrat mejila na mehkejša področja (?255 HV1) vara z mikrostrukturo primarnega ferita (slika 6). Stopničaste razpoke v hladnem so se pojavljale najpogosteje v popuščenem TVP-področju varkov in so nastajale s povezovanjem izoliranih razpok preko trše grobozrnate bainitne mikrostrukture (slika 7). 413 Z. PRAUNSEIS, M. TOYODA: ŠTUDIJ RAZPOKLJIVOSTI V HLADNEM V VEČVARKOVNEM VARU 4 SKLEPI Z varivostnim preizkusom je bilo ugotovljeno, da nastajajo prečne razpoke v hladnem v večvarkovnem EPP-varu pri varjenju s polnjeno žico Filtub 128 in s sušenim praškom (HD = 0,10 ml/100g) pri temperaturi predgrevanja, ki je nižja od 70 °C. Iz rezultatov je razvidno, da lahko z analitičnimi izračuni dovolj natančno napovemo interval dejanske temperature predgrevanja. Le-to je treba potrditi z varivostnim preizkusom. 5 LITERATURA 1 Alcantara, N. G.: Weld metal hydrogen cold cracking, Doctoral Theses, Cranfield Institute of Technology of Industrial Science, University Library of Cranfield, Great Britain, 1982 2 Praunseis, Z., Gliha, V., Rak, I., Materiali in Tehnologije, 34 (2000) 1-2, 27-30 Graville, B.: A short review of weld metal hydrogencracking, 33-46, IIW Doc. IX - 1374 - 85, 1985 Vuherer, T.: Analiza zaostalih notranjih napetosti s posebnim poudarkom na ponovnem vnosu toplote in njih meritev v sočelnih zvarnih spojih, Master's degree, Maribor, 1999 Praunseis, Z.; Rak, I.: Problematika trdnostne neenakosti visoko-trdnostnih zvarnih spojev, Proizvodne tehnologije in sistemi, Mednarodna multi-konferenca Informacijska družba - IS98, 89-91, Ljubljana 1998 Yurioka, N.: Test results of cold cracking in multi - pass weld metal, 83-96, IIW Doc. IX - 1903 - 98, 1998 Dueren, C.: Equation for the prediction of cold cracking resistance in field – welding large diameter pipes; International Institute of Welding, Subcommision IX, 27-35, IIW Doc. IX - 1356 - 85, 1985 Ito, Y., Bessyo, K.: Cracking Parameter of High Strenght Steels Related to Heat-Affected-Zone Cracking, Rep. 1, Jour. JWS, 37(1968) 9, 983-991, Rep.2, ibid, 38, (1969), 10, 1134-1144, IIW Doc. IX-576-68, 1968 Guide to the light microscope examination of ferritic steel weld metals, International Institute of Welding, 66-78, Doc. IIS/IIW-999-88, 1985 414 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 6