UDK 621.791.05:669.14.018.295:620.178.3 ISSN 1580-2949 Izvirni znanstveni članek MATER. TEHNOL. 34(5)231(2000) V. GLIHA: DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA ... DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA NA PREHODU TEMENA VARA PRI ZVARNEM SPOJU NA VISOKOTRDNEM KONSTRUKCIJSKEM JEKLU FATIGUE STRENGTH OF A MATERIAL AT THE WELD TOE OF THE WELD JOINT ON A HIGH-STRENGTH STRUCTURAL STEEL Vladimir Gliha Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija Prejem rokopisa - received: 2000-03-15; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-04-11 Pri zelo kakovostnih soležnih zvarnih spojih, ki so dinamično obremenjeni, nastanejo razpoke zaradi utrujenosti materiala zmeraj na prehodu temena vara v osnovni material, torej v TVP (toplotno vplivano področje) tik ob črti taljenja. Eksperimentalno delo je bilo opravljeno na vzorcih materiala TVP, ki so bili pripravljeni s simulacijo termičnih razmer pri varjenju. Primerjali smo trajno dinamično trdnost materiala TVP v razmerah koncentriranih napetosti in hitrost ohlajanja pri varjenju varka, ki material najbolj segreje, ter zadnjega vplivnega varka. Trajno dinamično trdnost materiala na prehodu je mogoče oceniti na osnovi njegove trdote. Pri dvovarkovnih TVP sta trajna in statična trdnost odvisni od zadnjega termičnega vpliva, ki material na prehodu segreje nad temperaturo Ac3. To je mogoče uporabiti za izboljšanje dinamične nosilnosti zvarnih spojev, ki so varjeni produktivno. Ključne besede: varjenje, soležni zvarni spoj, prehod temena vara, razpoke, utrujenost materiala, dinamična nosilnost, hitrost ohlajanja, prekristalizacija, produktivno varjenje With high-quality butt-welded joints that are dynamically loadad, cracks caused by material fatigue originate at the toe of weld that is in the HAZ (heat affected zone) adjacent to the fusion line. The experimental work was carried out on samples from the HAZ material prepared by the simulation of thermal conditions during welding. The endurance limit in the concentrated stress state was correlated with the cooling time of the termally most intensive weld pass and the last one that the affects microstructure. The weld-joint load-carrying capacity can be assessed by the use of hardness data. In the case of a double-cycle HAZ, the endurance limit and the static strength depend on the last thermal influence that reheats the material at the toe above the Ac3 temperature. This can be successfully used for welded-joint load-carrying-capacity improvement in production. Key words: welding, butt-welded joint, weld toe, fatigue crack, dynamic load-carrying capacity, cooling rate, recrystallization, productive welding 1 UVOD Če so dinamične obremenitve večje od nosilnosti zvarnih spojev, se ti sčasoma porušijo. To velja tudi za najbolj kakovostne soležne zvarne spoje, v katerih sploh ni makroskopskih napak. Zaradi utrujenosti materiala nastanejo pri njih na prehodu temena vara v osnovni material majhne razpoke, ki se pod vplivom dinamičnih obremenitev širijo. Ko postanejo tako velike, da je medsebojni učinek razpok in napetosti večji, kot to prenese material, povzročijo zlom. Razpoke nastanejo na mestu, kjer so zaradi oblike vara napetosti zmeraj nekoliko koncentrirane, število mikronapak pa je zaradi varjenja povečano (slika 1). Za porušitev zvarnega spoja je potemtakem ključen nastanek razpoke. Nivo dinamičnih napetosti, ki pov-zročijo nastanek razpoke zaradi utrujenosti materiala, mora biti višji od trajne dinamične trdnosti. Zato je nosilnost kakovostnih soležnih zvarnih spojev dejansko odvisna od trajne dinamične trdnosti materiala na prehodu temena vara v osnovni material v razmerah koncentriranih napetosti. Ozek pas materiala vzdolž vara je s toploto vplivano področje (TVP). Tu je bil med izdelavo zvarnega spoja osnovni material tako močno segret, da je njegova mikrostruktura sedaj drugačna kot prej. Ali se bodo pri dinamičnih obremenitvah na nekem nivoju izobstoječih mikronapak na prehodu sploh razvile makrorazpoke, pa je odvisno od ovir za širjenje mikrorazpok. prehod razpoka črta taljenja \ ± teme / Slika 1: Pri zelo kakovostnih soležnih zvarnih spojih nastane razpoka zaradi utrujenosti materiala zmeraj na prehodu temena vara v osnovni material (OM), kar je tik ob črti taljenja. Na tem mestu je TVP, kjer je zaradi varjenja število mikronapak močno povečano. Oblika temena vara je vzrok za zvišanje napetosti na prehodu Figure 1: By high quality butt-welded joints the fatigue crack originates always at the toe of weld that is adjacent to the fusion line. There is HAZ where the number of micro-defects is much higher due to the welding. The consequence of the shape of weld profile is higher stress level at the toe MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 5 231 V. GLIHA: DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA Kristalne meje polikristalnih kovinskih materialov so ena od mikrostrukturnih ovir za začetno širjenje mikro-razpok zaradi utrujenosti materiala. Za material TVP tik ob črti taljenja, ki se nahaja na prehodu temena vara v osnovni material, je značilno, da je bil med izdelavo zvarnega spoja vsaj enkrat segret skoraj do tališča. Pri tako visoki temperaturi pa so kristalna zrna nekaj časa rasla, zaradi česar je to grobozrnato TVP. Velikost zrn v grobozrnatem TVP je odvisna od kemične sestave in izhodne mikrostrukture varjenega materiala ter od parametrov varjenja in načina gradnje vara. Ker so lastnosti kovinskih materialov funkcija mikrostrukture, je priča-kovati, da bo tako tudi zdinamično trdnostjo materiala na prehodu temena vara v osnovni material. V tem prispevku so prikazani rezultati eksperimentalnega študija lastnosti materiala dinamično najšibkejšega členka kakovostnih večvarkovnih soležnih zvarnih spojev na visoko trdnem konstrukcijskem jeklu nionicral 70. To so lastnosti, ki so pomembne za dinamično nosilnost takšnih zvarnih spojev v primeru, ko lahko vpliv mikronapak, nastalih zaradi varjenja, zanemarimo. 2 EKSPERIMENTALNO DELO Vzorce materiala TVP, ki ga v zvarnem spoju najdemo tik ob črti taljenja, smo pripravili v laboratorijskih razmerah s simulacijo termičnega vpliva varjenja na varjeni material. Za to smo uporabili računalniško voden simulator termičnega cikla. Tako smo dobili dovolj velike vzorce relevantnega materiala TVP, iz katerih je bilo mogoče izdelati preizkušance. Za simulacijo ter-mičnih razmer pri izdelavi zvarnega spoja na določenem materialu pa moramo vedeti, kaj vpliva na potek termičnih ciklov, ki so posledica varjenja posameznih varkov, in kako. 2.1 Termični vpliv izdelave zvarnega spoja Termični cikel pri varjenju nekega varka opišemo s hitrostjo naraščanja temperature pri segrevanju, znaj-višjo doseženo temperaturo in s hitrostjo upadanja temperature pri ohlajanju1: Segrevanje Pri varjenju je hitrost segrevanja materiala, ki bo po varjenju tik ob varku, zelo velika, ponavadi več kot 200 K/s. Nekoliko manjša je v primeru zelo velikih vnosov toplote in pa na večji oddaljenosti od varka 2. Najvišja temperatura Med približevanjem vira toplote neki točki v varjenem materialu se ta segreje do najvišje temperature termičnega cikla Tp. To temperaturo je mogoče analitično določiti ob predpostavki, da je vnašanje toplote v material pri varjenju točkovno in enakomerno3. Ker je v odvisnosti od debeline varjenih plošč odvod toplote iztočke, kjer se vnaša toploto, lahko ravninski (2D) ali pa prostorski (3D), sta možni dve rešitvi: T p (r) q l2nepcv d 2q 1 Šnepcv 1 ; 2D 3D (1) (2) Tp(r) je najvišja temperatura termičnega cikla v tistih točkah, ki so za r oddaljene od črte, po kateri vir toplote potuje s konstantno hitrostjo. T0 je temperatura materiala pred varjenjem. Z virom toplote vnašamo v časovni enoti točno določeno količino energije. Pri znani hitrosti varjenja je količina toplote na enoto dolžine varka konstantna. To je specifični vnos toplote q=r\xP/v, pri čemer je P moč vira, v hitrost varjenja, i\ pa toplotni izkoristek. Konstanti p in cv sta gostota in specifična toplota varjenega materiala, d pa njegova debelina. Enačba 1 velja za varjenje tankih, enačba 2 pa za varjenje debelih plošč. Pri točkovnem vnašanju toplote je čas, ko je material segret na temperaturo Tp, zelo kratek. Ohlajanje Takoj, ko je pri varjenju dosežena najvišja temperatura Tp, se prične ohlajanje. Takrat je časovna odvisnost temperature v točki r takšna: Tšr,t)-T q 4Dt A/4npcv h d q Vlnkt -¦e r 4Ö 2D 3D (3) (4) t je čas. Konstanti A in D sta toplotna prevodnost in difuzivnost materiala. Če nista odvisni od temperature, lahko s tema dvema enačbama izračunamo parameter, ki je ključen za izoblikovano mikrostrukturo v neki točki TVP. Pri jeklih je to At8/5, čas ohlajanja skozi temperaturni pas 800 - 500 °C. f Af8/5 = q 4npcv%d2 q 2kX 1 1 U (500-TQ)2 (800- TQ)2 j (5) 500-T0 800-T0 ; 3D (6) Da je tako izračunana velikost At8/5 uporabna pri simulaciji termičnih razmer pri varjenju, je treba poznati za X in cv povprečne vrednosti med 800 in 500 °C. Z izenačitvijo izrazov v enačbah 5 in 6 dobimo debelino varjenega materiala, pri kateri sta hitrosti ohlajanja pri 2D in 3D rešitvi enaki: d q 2pcv 1 1 500 -r 800 Tj (7) Mejna debelina d2/3 je torej odvisna od začetne temperature varjenca in od lastnosti materiala ter od ; 2 r 1 1 232 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 5 V. GLIHA: DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA specifičnega vnosa toplote. Pri varjenju jekel je d2/3 velikostnega reda 20-30 mm. Pri večvarkovnih zvarnih spojih je celotni termični vpliv izdelave zvarnega spoja v neki točki zaporedje več posameznih vplivov. Vrstni red teh vplivov pri simulaciji mora biti takšen, kot pri dejanski izdelavi zvarnih spojev. Termičnih vplivov, ki na lastnosti materiala TVP ne delujejo, sploh ne izvedemo. Prvi je zmeraj vpliv varjenja najbližjega varka, pri katerem se material tik ob črti taljenja segreje skoraj do tališča. Nato sledijo vplivi varjenja naslednjih, bolj oddaljenih varkov, katerih intenzivnost oziroma najvišja dosežena temperatura je nižja od prvega varka. Slika 2 ilustrira simulacijo ter-mičnega vpliva tik ob črti taljenja pri varjenju dveh zaporednih varkov z enakima specifičnima vnosoma toplote, ki je narejena na simulatorju termičnega cikla. 2.2 Osnovni material in material TVP Pri eksperimentalnem delu smo uporabili 30 mm debelo poboljšano visoko trdno konstrukcijsko jeklo nionicral 70. Njegova kemična sestava je: 0,09 C, 0,27 Si, 0,30 Mn, 0,015 P, 0,010 S, 1,05 Cr, 0,27 Mo, 2,63 Ni, 0,07 V, 0,045 Al, 0,026 Ti, mehanske lastnosti pa: Rp0,2=713 MPa, Rm=764 MPa, Cv-50°C =170 J. Mikrostruk-tura je izpopuščenega martenzita zmajhnim deležem bainita. Velikost zrn je približno 22 µm. Slika 2: Simulacija termičnih pogojev tik ob črti taljenja pri izdelavi večvarkovnega zvarnega spoja, ko so lastnosti TVP odvisne od dveh varkov. Pri prvem termičnem ciklu je Tp1 presegla temperaturo 1350 °C, pri drugem pa je temperatura Tp2 dosegla 780 °C. Oba varka sta varjena zenakima specifičnima vnosoma toplote, zato je hitrost ohlajanja obakrat enaka (?t8/5=25 s). Med simulacijo sta ugotovljeni dilatacijski krivulji, katerih analiza omogoča konstrukcijo CCT-diagrama materiala TVP (slika 5) Figure 2: Simulation of thermal conditions adjacent to the fusion line during multi-pass weld joint execution when properties of HAZ depend on two weld passes. During the first thermal cycle temperature Tp1 exceeded 1350 °C, while during the second one Tp2 attained 780 °C. Specific heat imput of both weld passes is the same and so the cooling time (?t8/5=25 s). During the simulation the dilatometric curves are detected. Their analysis enables to design CCT diagram of HAZ material (see figure 5) MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 5 S simulacijo termičnih razmer med varjenjem smo pripravili tri tipe materiala TVP, ki bi jih bilo mogoče pri soležnih zvarnih spojih najti na prehodu temena vara. To so grobozrnato TVP, ki nastane pod vplivom varjenja enega samega varka in dve dvovarkovni TVP, ki nastaneta pod vplivom dveh varkov. Prvi od obeh dvovarkov-nih TVP je posledica varjenja obeh varkov zenakima, drugi pa zrazličnima vnosoma toplote. Bolj produktivno je variti zvelikimi specifičnimi vnosi toplote, ker so izdelovalni časi zvarnih spojev tako krajši. Pri dvovar-kovnem TVP zrazličnima vnosoma je bil pri prvem varku vnos toplote zelo velik, pri drugem pa majhen. 1. Grobozrnato TVP Tak material nastane na prehodu pod vplivom varjenja enega samega varka. Za njegovo pripravo smo vzorec jekla v dobavljenem stanju segreli s hitrostjo 200 K/s skoraj do tališča (Tp>1350 °C), nato pa takoj ohladili v skladu zenačbo 4. Izbrani časi ?t8/5 so bili 5, 9, 25 in 100 s. Tak termični vpliv na varjeni material je prikazan na sliki 2 kot prvi od obeh termičnih ciklov. 2. Dvovarkovno TVP, ko sta vnosa toplote enaka Vzorec jekla v dobavljenem stanju smo najprej hitro segreli skoraj do tališča (Tp1>1350 °C) in nato ohladili. Takšni so termični pogoji na prehodu temena vara pri varjenju prvega varka, ko se izoblikuje mikrostruktura grobozrnatega TVP. Nato smo simulirali termične razmere na istem mestu pri varjenju naslednjega varka. Najvišja temperatura tega termičnega cikla je odvisna od oddaljenosti (enačba 2). Pri varjenju zenakima vnosoma toplote sta tudi časa ?t8/5 enaka. Simulirali smo razmere, ki ustrezajo ohlajanju s časi ?t8/5= 9 in 25 s. Najvišja temperatura drugega termičnega cikla Tp2 je bila 780 °C (med temperaturo jekla Ac1 in Ac3) in pa 960 °C (nekoliko nad Ac3). Ena od teh simulacij (?t8/5=25 s, Tp2=780 °C) je prikazana na sliki 2. 3. Dvovarkovno TVP, ko sta vnosa toplote različna Vzorec jekla v dobavljenem stanju smo najprej segreli skoraj do tališča (Tp1>1350 °C) in nato ohladili tako, da je bil ?t8/5=100 s. Pri tem se je izoblikovala mikrostruktura grobozrnatega TVP pri zelo produktivnem varjenju. Nato smo simulirali termične razmere na istem mestu pri varjenju naslednjega varka zmnogo manjšim specifičnim vnosom toplote kot pri prvem. Zaradi tega termičnega vpliva se material poprej grobozrnatega TVP ohladi bistveno hitreje kot prvič (enačba 6). Najboljše rezultate smo pričakovali pri ?t8/5= 9 s 4. Najvišja temperatura termičnega cikla, ki je posledica varjenja drugega varka zrelativno majhnim vnosom toplote, je bila 780 °C (med Ac1 in Ac3) in 1100 °C (veliko nad Ac3). 2.3 Preizkušanci in preizkusi Izvzorcev materiala TVP, ki smo ga pripravili s simulacijo termičnih razmer med varjenjem, smo izdelali 233 V. GLIHA: DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA metalografske obruše ter natezne trgalne preizkušance za merjenje osnovnih mehanskih lastnosti in upogibne preizkušance za merjenje trajne dinamične trdnosti v razmerah koncentriranih napetosti. Na simulatorju termičnega cikla se vzorce materiala segreva elektro-uporovno, kontrolirano ohlaja pa zvodno hlajenimi čeljustmi. Zato se da doseči varjenju ustrezne termične razmere le na sredini vzorca. To smo morali pri obliki preizkušancev upoštevati: Metalografski obrusi Rabili so nam za oceno mikrostrukture ter za meritev trdote in velikosti primarnega zrna. Trgalni preizkušanci Izdelali smo jih v obliki peščene ure. Takšna oblika ima za posledico največje napetosti prav na mestu, kjer je s simulacijo pripravljen material TVP. Med računalniško vodenim kvazistatičnim obremenjevanjem preizkušancev do porušitve pri sobni temperaturi smo poleg obremenitve merili na najožjem mestu tudi obseg preizkušancev. Spremembo obsega smo sproti preračunavali v ustrezno velikost deformacije. Tako smo eksperimentalno pripravili diagrame o-e, ki so nam rabili za določitev mehanskih lastnosti5. Upogibni dinamični preizkušanci Trajno dinamično trdnost materiala TVP smo eksperimentalno določili na tritočkovno upogibno obremenje-vanih preizkušancih z žlebom (slika 3). Preizkušance smo obremenjevali pri sobni temperaturi utripno (razpon obremenitve AF je bil 2F0) s frekvenco 115 Hz. Zaradi upogibne obremenitve, predvsem pa zaradi koncentracije napetosti, ki jo povzroča žleb, so napetosti največje na dnu žleba, kjer je bil s simulacijo pripravljen material TVP. Posamezne preizkušance smo obremenili 2x106 -krat. Če nastanka makroskopske razpoke v tem času nismo ugotovili, smo pri naslednjem preizkušancu obremenitev povečali. Ker se je material na dnu žleba v začetku obremenjevanja nekoliko plastično deformiral, značaj napetosti na mestu, kjer so nastale razpoke, ni bil utripen. Nominalno upogibno trajno dinamično trdnost materiala TVP (AoNl rAc3 Avstenitizacija izhodnega grobozrnatega materiala TVP je popolna in novo nastali TVP je popolnoma prekristaliziran. V primerjavi z enovarkovnim grobo-zrnatim TVP je začetek izoblikovanja mehkejših mikro-strukturnih sestavin pomaknjen k malo krajšim časom ohlajanja, vendar pa pri ohlajanju s temperature Tp2=960 °C razlike še niso velike (drugi CCT-diagram). Slika 5: Z analizo dilatacijskih krivulj pri simulaciji termičnih razmer pri varjenju dobimo CCT-diagrame za material TVP ob črti taljenja, ki je segret in ohlajan pod varilnimi pogoji. Posledica segretja nad temperaturo Ac3 je popolna, med Ac3 in Ac1 pa delna prekristalizacija izhodnega materiala. Podatki o trdoti so v HV10 Figure 5: Analysis of dilatometric curves during the simulation of thermal conditions by welding gives CCT diagrams of HAZ material adjacent to the weld fusion line that is heated and cooled under welding conditions. The result of heating over Ac3 temperature is complete recrystallization while between Ac1 and Ac3 partial recrystallization of former material. Hardness is measured in HV10 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 5 235 V. GLIHA: DINAMIČNA TRDNOST MATERIALA 1300 i- 500 10 100 Atg/5 Šs] Slika 6: Rezultati meritev statične (Rm) in trajne dinamične trdnosti (??d) zozirom na čas ?t8/5. Ta se nanaša na varek, ki zadnji vpliva na mikrostrukturo TVP (prazni simboli). Polni simboli pripadajo dvovarkovnim TVP, pri katerih je najvišja temperatura drugega termičnega cikla med Ac1 in Ac3. Obe linearni regresiji teh točk ne upoštevata Figure 6: The results of static strength (Rm) and endurance limit (??d) measurement in relation to cooling time ?t8/5. It is related to the last weld pass that affects the microstructure (empty marks). Filled marks belong to the double cycle HAZ of peak temperature between Ac1 and Ac3. Both linear regressions do not take into account these data 2. Ac1