Vpliv mehkega korena na vedenje zvarnega spoja pri lomu Influence of Soft Root on Weld Joint Fracture Behaviour V. Gliha,1 I. Rak, N. Gubeljak, Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru Prejem rokopisa - received: 1996-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1997-01-17 Primerjali smo lomno žilavost treh različnih zvarnih spojev, katerih meja plastičnosti je presegala mejo plastičnosti osnovnega materiala. Dva zvara smo v korenskem delu zavarili z mehkejšim dodajnim materialom, da smo lahko opustili predgrevanje. Mehki koren vpliva na znižanje lomne žilavosti spoja. Rezultati merjenja lomne žilavosti so na zvaru, kjer je bil koren izdelan dvovarkovno, višji od štirivarkovnega. Ključne besede: zvarni spoj, koren zvara, dodajni material, lomna žilavost, krhki lom A comparison of fracture toughness results on three different yield stress over-matched weld joints was performed. Two welds were made with the soft root to avoid preheating. Soft root lowers fracture toughness of the joint. Results of fracture toughness measurement on weld with two pass soft root are higher than those on four pass one. Key ivords: weld joint, weld root, consumable, fracture toughness, brittle fracture 1 Uvod Faktor M zvarnega spoja je razmerje med mejo plastičnosti materiala zvara (MZ) in osnovnega materiala (OM). Pri M>1 so manjše napake v zvaru zaščitene pred velikimi deformacijami, saj se OM prej plastično deformira1. Ker je v splošnem težko zagotoviti visoko žilavost MZ, je tako verjetnost pojava krhkega loma manjša. Pri zvarnih spojih z M>1, na jeklih visoke trdnosti, je treba pri varjenju računati tudi s hladno razpokljivostjo MZ, posebno v korenu debelih zvarov. Takšne zvare zato predgrevamo, še posebno pri izdelavi korena. Stroški predgrevanja so velik del celotnih stroškov izdelave varjenih konstrukcij. Varjenje korena zvara z dodajnim materialom, ki zagotovi lokalno M<1 v takšnem obsegu, da se nosilnost celotnega zvarnega spoja ne zniža, zmanjša nevarnost nastanka hladnih razpok, zato predgrevanje ni več potrebno. Pričakovati pa je, da bodo mehkejša področja v zvaru bistveno vplivala na vedenje zvarnih spojev pri lomu. 2 Material in eksperimentalno delo Na konstrukcijskem jeklu visoke trdnosti nionocral 70 debeline 40 mm (OM v tabeli 1) smo zavarili tri spoje z M>1. Prvi (homogeni zvar) je bil v celoti izdelan z enim samim dodajnim materialom (MZi v tabeli 1), ki je trdnostno enakovreden OM. Druga dva (heterogena zvara) sta bila izdelana z dvema različnima dodajnima materialoma. Koren zvara je bil varjen z dodajnim materialom, ki je mehkejši od OM (mz2 v tabeli 1), ostali del zvara pa z istim dodajnim materialom kot homogeni zvar (MZi). Mehki koren je bil varjen dvo- in štirivarkovno. Hitrost ohlajanja med 800° in 500°C (Atg/s) je bila ~9 s. ' Mag. Vladimir GLIHA Univerza v Mariboru. Fakulteta za strojništvo Smetanova 17. 2(HK) Maribor. Slovenija Za razliko od homogenega zvara pri izdelavi mehkih korenov zvarov nismo predgrevali. Mehanske lastnosti in kemična sestava OM, MZi in MZ2 so navedeni v tabeli 1. Parameter Pcm, ki ga izračunamo po formuli: PCm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 -h Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B, je merilo občutljivosti materiala na hladno razpok-ljivost2. Vrednost faktorja M se tu ne tiče dejanskega zvarnega spoja in je le teoretična ocena, kako velik M lahko v zvarnih spojih pričakujemo. Udarno žilavost in mehanske lastnosti posameznih delov MZ smo ugotovili na preizkušancih, odvzetih iz dejanskih zvarov. Preizkušanci za udarno žilavost preseka 10 x 10 mm so bili prečni na os zvara, okrogli trgalni preizkušanci premera 5 mm pa vzdolžni. Iz skoraj celotne debeline spojev smo izdelali upogibne CTOD preizkušance z razpoko po debelini in z razmerjem razpoke in višine preizkušanca a/W - 0,5. Vse razpoke na preizkušancih niso bile tako ravne, kot to zahteva standard3. Vzrok so zaostale napetosti, ki so posledica varjenja. Vseeno pa smo zlomili tudi te preizkušance. Na osnovi meritev trdote MZ smo po formuli: Rpmz = 3,15 HV-1684, izračunali vrednost faktorja M po celotni debelini obravnavanih zvarov. Tabela 1: Mehanske lastnosti in kemična sestava osnovnega materiala (OM) in obeh materialov čistih zvarov (MZi, MZ2) Table 1: Mechanical properties and chemical composition of base metal (OM) and two all-vveld metals (MZi, MZ2) material Rpo.2 Rm §5 E-40°C M MPa MPA % J OM 711 838 20 54 - MZ, 770 845 16 58 (1,08) mz2 403 466 32 153 (0,57) % C Si Mn P S Cr Ni Mo Pcm OM .09 .27 .25 .015 .004 1.12 2.63 .25 .228 MZ, .06 .35 1.43 .011 .008 .86 3.01 .56 (.274) MZ2 .05 .25 .61 .011 .008 .06 .07 .03 (.095) 3 Rezultati in razprava Mehanske lastnosti in kemična sestava MZ homogenega zvara v korenu in temenu (MZhom-k, MZhom-t) ter obeh nehomogenih zvarov v korenu (MZ2 var, MZ4 var) so navedene v tabeli 2. Tu so tudi vrednosti Pcm in M dejanskih zvarov. Udarna žilavost MZ2 var ni bila izmerjena, saj debelina dvovarkovnega korena tega ni omogočila. Tabela 2: Mehanske lastnosti in kemična sestava delov dejanskih zvarov Table 2: Mechanical properties and chemical composition of regions of actual welds material Rpo.2 Rm 85 E-ucc M MPa MPa % J MZhom-t 861 951 12 56 1.21 MZhom-k 807 905 15 61 1.14 MZ2 var 623 677 16 - 0.88 MZ4 var 632 674 16 23 0.89 % C Si Mn P S Cr Ni Mo Pcm MZhom-l .07 .36 1.27 .008 .015 .86 2.21 .47 .257 MZhom-k .08 .32 .78 .012 .013 .99 2.50 .35 .244 MZ2 var .08 .26 .32 .012 .007 .38 .82 .16 .148 MZ4 var .08 .26 .43 .011 .008 .20 1.32 .12 .150 Na sliki 1 je faktor M prikazan po debelini zvarov, na sliki 2 pa vrednosti CTOD teh zvarov, skupaj z nevpli-vanim OM. Izmerjene so bile pri -10°C. Iz slike je razvidno, da je bil karakter zlomov različen. Pri OM krhkega zloma nismo ugotovili. Pri homogenem zvaru se je pri polovici preizkušancev pojavil krhek lom (pop-in), pri drugi polovici pa ne. Pri heterogenem zvaru z dvovarkovnim mehkim korenom je bil le en preizkuša-nec, pri katerem ni bilo krhkega loma, pri tistem s štiri-varkovnim pa nobenega. Neujemanje med "teoretičnimi" in dejanskimi faktorji M v tabelah 1 in 2 je posledica namešanja MZ realnih zvarov, česar pri čistem zvaru ni bilo, ter drugač- 0 10 20 30 Debelina zvara [mm] Slika 1: Porazdelitev faktorjev M po debelini zvara za tri zvarne spoje z M>1 (Vrednosti M=1 so na y-osi za vsak spoj prikazane ločeno) Figure 1: Factor M distribution over the weld for three over-matched vveld joints (value M=1 on the y-axis for each joint is shown separately) nega vnosa toplote pri varjenju čistega zvara, ki je rabil proizvajalcu dodaj nega materiala za analizo lastnosti, in s tem drugačne hitrosti ohlajanja. Namešanje je večje v korenskih varkih, kar je razvidno iz kemične sestave. Razen tega pride tudi do razlik v trdnosti zaradi kaljenja in popuščanja, kar je posledica termičnega delovanja kasnejših varkov. To je vzrok za dodatno lokalno porazdelitev faktorja M po debelini zvarov (slika 1). Glede na vrednosti udarne žilavosti (tabela 2) ni bilo pričakovati, da se bo pri homogenem zvaru krhki lom pričel v korenu. Vzrok, da se je, je višji faktor M v temenskem delu zvara, ki je zaščitil razpoko pri preizkusu CTOD bolj kot v korenskem delu. V posameznih delih zvara vrednost faktorja M ni konstantna, zato je defor-macijska situacija v okolici najnižjih vrednosti M najbolj akutna. Poleg tega pa je tudi razmerje 2H(W-a) v korenu zvara X najmanjše (2H je širina zvara v določeni poziciji), kar dodatno zmanjšuje zaščitni vpliv višjetrdnost-nega MZ. V primeru homogenega zvara je tako koren zvara lokalno krhko področje5. Pri heterogenih zvarih je bilo zaradi bistveno nižje udarne žilavosti MZ in M<1 v korenu pričakovati začetek krkega loma. Pomembno je, kako takšne razmere v korenu zvara vplivajo na vedenje pri lomu oziroma koliko znižajo lomno žilavost zvarnega spoja kot celote. S primerjavo izmerjenih vrednosti CTOD (slika 2) z vrednostmi, izmerjenimi na homogenem zvaru, in karakterjev loma (trije reprezentativni primeri so na sliki 3), se da skleniti, da je dvovarkovno varjenje korena primernejše, saj je glede na homogeni zvar žilavost komaj kaj manjša. Pri zvaru s štirivarkovnim mehkim korenom so vrednosti CTOD opazno nižje. OM homogeni zvar heterogena zvara mehki koren —brez dvo štirivarkovni Slika 2: Karakter loma in vrednosti CTOD izmerjene na preizkušancih v celotni debelini zvarnega spoja (Homogeni zvar nima, heterogena pa imata mehki koren, in to dvo- oziroma štirivarkovnega) Figure 2: Fracture character and weld joint full thickness CTOD values (homogeneous vveld has not, but heterogeneous ones have soft root - two and four pass soft root) V. Gliha et al.: Vpliv mehkega korena na vedenje zvarnega U e k. O, g U .10 .05 pop-m i,® V o B> 1 t pop-in pop-in o homogeni zvar a heterog. zvar (2 var) □ heterog. zvar (4 var) -1-1_ 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Prirastek stabilne razpoke Aa [mm] Slika 3: Vedenje zvarnih spojev pri CTOD-preizkusu Figure 3: Weld joint fracture behaviour by CTOD testing 4 Sklep Pri realnih večvarkovnih zvarih faktor M v zvaru ni konstanten zaradi namešanja in termičnih vplivov kasnejših varkov. Lokalno odstopanje v meji plastičnosti MZ v korenu zvara z M>1 na jeklih visoke trdnosti je lahko namerno, saj tako ni potrebno predgrevanje. Mehak in žilav dodajni material pa še ne zagotavlja žilavega korena zvara. To je v največji meri odvisno od varilnega postopka in parametrov varjenja. Vrednosti CTOD obeh heterogenih zvarov z mehkim korenom so bile nižje od homogenega zvara, vendar je dvovarkovni koren ugodnejši od štirivarkovnega. Ker kljub opustitvi predgre-vanja pri obeh zvarih z mehkim korenom nismo registrirali hladnih razpok, je bolj priporočljiva tehnologija izdelave zvarov z M>1 na visokotrdnih jeklih tista z dvovarkovnim mehkim korenom, v katerem je lokalno M<1. 5 Literatura 1 R. Denys: Strength and Performance Characteristics of Welded Joints, Mismatching of Welds-ESlS 17, Edited by K.-H. Schwalbe and M. Ko?ak), Mechanical Engineering Publication, London, 1994, 59-102 2 Y. Ito, K. Bessyo, Weldability Formula of High Strength Steels, IIW doc. K-576-68, 1968 3BS 5762: 1979, Method for Crack Opening Displacement (COD) Testing, The British Standards Institution, 1979 4 R. J. Pargerter, Welding Research Bulletin, 1978, 11 5R. D'Haeyer, J. Defourny, Literature Data Concerning the Problem of Local Brittle Zones (LBZs), IIW doc. IX-1606-90, Annual Assembly of Int. Inst. of Welding, Montreal, Canada, 1990