UDK 621.791.052:669.14.018.298 Strokovni članek ISSN 1318-0010 MATER. TEHNOL. 34(3-4)177(2000) R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV JEKLA NIOMOL 490K INFLUENCE OF REPAIRS ON MICROSTRUCTURE OF STEEL NIOMOL 490K WELDS Roman Celin1, Janez Tušek2 1Inštitut za kovinske materiale in tehnologije, Lepi pot 11, 1000 Ljubljana, Slovenija 2Institut za varilstvo, Ptujska 19, 1000 Ljubljana, Slovenija Prejeme rokopisa - received: 1999-12-20; sprejem za objavo - accepted for publication: 2000-02-15 Pri varjenju jeklenih konstrukcij so pogosta popravila zvarjenih spojev zaradi odkritih, nedopustnih napak v zvaru. Še posebej so za varjenje zahtevna visokotrdnostna mikrolegirana drobnozrnata jekla. Opravljene so bile preiskave, ki naj bi pokazale, kako popravila zvara pri jeklu Niomol 490K vplivajo na mikrostrukturo in toplotno vplivano cono zvara. Mikrostrukturne preiskave so bile opravljene na šestih zvarih, zavarjenih z različnimi parametri varjenja. V prispevku so predstavljeni rezultati teh preiskav. Ključne besede: varjenje, mikrostruktura, popravilo, toplotno vplivana cona During the erection of steel assemblies, repairs of not allowable defects in welds are necessary. Very demanding for welding are the HSLA steels. Investigations were preformed to establish the influence of repairs of welds on the microstructure and the heat affected zone on the steel Niomol 490K. The microstructure of six joints prepared using different welding parameters was investigated in SEM. Results are presented in this paper. Key words: welding, microstructure, repair, heat affected zone 1 UVOD Pri gradnji zahtevnih jeklenih konstrukcij prihaja tudi do po popravil zvarjenih spojev. Takšna popravila so posledica nedopustnih napak v zvaru, ki so bile odkrite z neporušitvenimi preiskavami. Med take zahtevne jeklene konstrukcije prav gotovo spada tudi nadzemni valjasti rezervoar za naftne derivate R-17, zgrajen v Instalaciji, d.o.o., na Serminu pri Kopru. Zgrajen je iz drobno-zrnatega mikrolegiranega jekla Niomol 490K. Pri varjenju mikrolegiranih drobnozrnatih jekel se pojavljajo težave, ki so predvsem povezane z nastajanjem in širjenjem razpok v zvaru ali v toplotno vplivani coni in jih lahko opredelimo kot: – razpokljivostv hladnem - nastajanje razpok zaradi zakalitve pri hitrem ohlajanju in prisotnosti vodika, zareznega vpliva in omejenega krčenja – razpokljivostpri ponovnem segrevanju zaradi slabih duktilnih lastnosti v temperaturnem območju okoli 600°C – nastanek in širjenje razpok pri obratovanju pod obremenitvijo zaradi slabših duktilnih lastnosti in zmanjšane lomne žilavosti v hladnem kot posledica izločilnega utrjevanja pri daljšem zadrževanju v področju 500°C do 800°C – nižja odpornost na napetostno korozijo. Poleg naštetih razlogov za razpoke lahko nastopijo v celotnem zvarnem spoju z varjenjem še naslednji učinki: – strukturne spremembe v toplotno vplivani coni, povečanje trdote, zmanjšanje duktilnosti, kar vpliva na spremembo mehanskih lastnosti v toplotno vplivani coni – absorbcija vodika v zvaru ali celo v toplotno vplivani coni – termične napetosti, ki povzročijo zaostale napetosti v materialu – izločilno utrjevanje s tvorbo karbidov povezano z znižano lomno žilavostjo v toplotno vplivani coni zvara. Opravili smo nekaj preiskav, ki naj bi pokazale, kako popravilo zvara z varjenjem vpliva na mikrostrukturo zvara in toplotno vplivano cono. 2 EKSPERIMENTALNO DELO Preiskave smo opravili na sočelnih zvarnih spojih iz mikrolegiranega jekla Niomol 490K z V-zvarom debeline pločevine 15 mm. Varili smo ročno obločno z oplaščeno elektrodo z oznako EVB NiMo. Vzorec A1 smo zavarili z optimalnim vnosom energije in vzorec B1 s povečanim vnosom energije na enoto dolžine vara. Vzorca A2 in B2 sta bila po varjenju izžlebljena s temenske strani do korenskega varka in ponovno zavarjena z optimalnim vnosom energije A2 in povečanim vnosom energije B2 (enojno popravilo). Vzorca A3 in B3 sta bila tako izžlebljena dvakrat in dvakratponovno zavarjena (dvojno popravilo). Na sliki 1 so prikazane izvedbe posameznih vzorcev. Vzorce serije A smo zavarili z večjim številom varkov, ker smo varili z manjšimi jakostmi toka, kar MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 177 R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… E = I U A U s cm J_ cm (1) V tabeli 1 so podani varilni parametri za posamezne vzorce. Tabela 1: Podatki o varilnih parametrih Slika 1: Skice zavarjenih spojev Figure 1: Drawings of the welded joints pomeni, da je bilo tudi odtaljevanje oplaščene elektrode počasnejše. Pri vseh zvarih so bili korenski varki zavarjeni z elektrodo premera 3,25 mm, polnilni varki pa z elektrodo premera 4 mm. Vnesene energije v zvar smo izračunali z enačbo 1. vzorec tok IŠA1 napetost U ŠVI hitrost varjenja vv Šcm/s] A1 153 23 0,28 do 0,5 A2 160 23 0,35 do 0,5 A3 162 do 158 23 0,29 do 0,53 B1 175 23 0,22 do 0,26 B2 195 23 0,22 do 0,31 B3 180 do 184 23 0,19 do 0,27 A* 104 23 0,16 B* 112 23 0,17 * podatki o varilnih parametrih za oba korenska varka V tabeli 2 je podan vnos energije v kJ/cm za posamezni varek vzorcev A in B. Slika 2: Makroobrusi zavarjenih spojev Figure 2: Prepared samples of the welded joints 178 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… Tabela 2: Vnos energije v vzorce A in B ŠkJ/cm] A1 A2 A3 B1 B2 B3 lega 1. 14,5 14,5 14,5 14,8 14,8 14,8 koren 2. 12,5 8 10 14 12,3 14,5 — 3. 8,1 9,5 12,6 19,3 18,7 21,2 — 4. 7,5 7,1 8,4 16,7 13,1 18,4 — 5. 7,5 7,8 9,9 18,3 14,8 17,6 — 6. 6,5 8,1 8,6 17,1 17,7 15,6 — 7. 7,9 8,1 8,2 17,1 16,1 16,4 — 8. 8,3 7,4 9,4 17,1* 13,7* 16,8* *teme 9. 7,9 7,4 7,4 — — — — 10. 8,1 7,4 6,9 — — — — 11. 11,9 10 12,1 — — — — 12. 9,7 10* 10 — — — — 13. 11* — 7* — — — *teme Slika 3: Zvari s toplotno vplivano cono Figure 3: Welds with the heat affected zone MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 3 PRIKAZ DOBLJENIH REZULTATOV Na pripravljenih vzorcih so bile opravljene metalo-grafske preiskave, preiskave v SEM, meritve trdot HB in mikrotrdot HV ter meritev udarne žilavosti po Charpy-ju. Na sliki 2 so prikazani makroobrusi vseh šestih zvarov (A1, A2, A3, B1, B2, B3). S posnetkov je razvidno, da so si zavarjeni spoji A1, A2, A3 zelo podobni in med njimi ni opaziti pomembnih razlik. Na posnetkih A2 in A3 skoraj ni videti, da sta bila zvara izbrušena in ponovno zavarjena. Pomembno pri popravilih je, da je zvar na mestu popravila izbrušen do osnovnega materiala. S slik je razvidno, da je toplotno vplivana cona vzorcev A2 in A3 skoraj identična kot pri vzorcu A1. Tudi zvari serije B so si med seboj po videzu 179 R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… zelo podobni. Opazna pa je razlika v širini toplotno vplivane cone med obrusi vzorcev A in vzorcev B. Toplotno vplivana cona vzorcev B je širša kot pri vzorcih serije A. Večja širina toplotno vplivane cone še ne pomeni nujno poslabšanja lastnosti zvarjenega spoja. Pomembno je, kakšna je rast kristalnih zrn tik ob liniji varjenja, kako naslednji varek toplotno vpliva na groba zrna ob liniji spajanja in ali so ta zrna izolirana na lokalnih področjih ter obdana s plastjo drobnih zrn. Na sliki 3 so prikazani posnetki zvarov s toplotno vplivano cono vseh vzorcev. Na vseh šestih vzorcih je bilo z optičnim mikroskopom pregledano področje spajanja in preostanek toplotno vplivane cone od temena do korena zvara. Velikostkristalnih zrn je bila ocenjena v skladu z ASTM E112. Velikost kristalnih zrn osnovnega materiala je bila ocenjena z 9 do 12. Ob liniji spajanja imajo kristalna zrna zaradi toplotnega vpliva varjenja različno velikost med 3 do 9, na posameznih mestih tudi do 12 po ASTM testnih slikah. Večinoma imajo najbolj groba zrna velikost 4. Res grobozrnata mikrostruktura se pojavlja kot strjevalna struktura samega zvara na zadnjih dveh varkih v temenu. Razlik v velikosti zrn na liniji spajanja med vzorci A in B ni opaziti. Področje povečanih zrn se nadaljuje v področje rekristaliziranih zrn z velikostjo 12 ali več, ki nato preide v mikrostrukturo osnovnega materiala z velikostjo 9 do 12. Tak potek je značilen za vseh 6 vzorcev. Preko temena in korena zvara so bile pri vseh šestih vzorcih izmerjene trdote HB. Merilne točke so bile izbrane dva milimetra pod površino osnovnega materiala, slika 2. Na sredini zvara je bila postavljena prva točka meritve ter nato s korakom 2 mm levo in desno preko toplotno vplivane cone do osnovnega materiala. Rezultati meritev trdot so podani v tabeli 3. Trdote v toplotno vplivani coni v temenu nikjer ne presegajo vrednosti 230 HV. Pri zvarih serije B so vrednosti nekoliko nižje, večinoma pod 220 HB. Izmerjene vrednosti HB kažejo na to, da jeklo pri danih Tabela 3: Rezultati meritev trdot HB (RC 60) A1 teme 176 162 154¦ 213 228 216 216* 210 216 216 228 200? 162 172 koren 180 176 176 165 162 190 210* 200 195 162 162 180 180 176 A2 teme 176 162 176 228¦ 216 216 216 210* 216 216 216 190? 157 169 koren 176 176 176 161 176 210 210* 200 190 165 176 176 176 A3 teme 176¦ 190 228 216 216 200 210* 213 216 216 210 180 169? 176 koren 176 176 176 162 190 200* 200 180 180 210 210 216 216 B1 teme 169¦ 162 200 228 213 210 210* 216 216 210 210 190 162? koren 176 176 169 162 169 180 190* 180 162 153 169 172 169 B2 teme 176¦ 210 210 210 200 205 210* 216 210 213 216? 169 153 169 koren 176 169 169 159 162 180 180* 176 178 165 159 169 176 176 B3 teme 162 162 169¦ 200 200 210 210 200 210* 190 200 190 176? 162 koren 176 169 162 165 147 159 169 169 176* 176 163 163 169 165 izmerjene trdote v središču zvara izmerjene trdote v toplotno vplivani coni levo od sredine zvara izmerjene trdote v toplotno vplivani coni desno od sredine zvara Slika 4: Mikrostruktura jekla Niomol 490 K Figure4: Microstucture of the steel Niomol 490 K 180 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… Slika 5: Groba zrna toplotno vplivane cone vseh vzorcev Figure 5: Coarse grains in the heat affected zone of all samples parametrih varjenja v toplotno vplivani coni ne zakali in zato ni nagnjeno k tvorbi razpok v hladnem. V toplotno vplivani coni na obeh straneh zvara in zvaru samem, kjer lahko pričakujemo konice vrednosti trdot, so bile dodatno izmerjene mikrotrdote HV (500 g). Največje izmerjene vrednosti so podane v tabeli 4. Tabela 4: Največje izmerjene mikrotrdote HV (500 g) toplotno vplivana cona (levo) zvar toplotno vplivana cona (desno) A1 198 245 213 A2 249 241 219 A3 189 249 184 B1 184 234 179 B2 207 237 230 B3 234 226 213 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4 181 R. CELIN, J. TUŠEK: VPLIV POPRAVIL NA MIKROSTRUKTURO ZVAROV… Iz rezultatov, podanih v tabeli 4, je razvidno, da trdotna konica ne preseže 250 HV. Mikrostrukturne preiskave zvarjenih spojev v SEM so bile narejene v toplotno vplivanem področju osnovnega materiala ob meji z naloženim materialom, kjer so kristalna zrna zaradi pregretja zrasla, ter v samem naloženem materialu. Na sliki 4 je prikazana feritno bainitna mikro-struktura osnovnega materiala (SEM, povečavi 6000-krat in 10000-krat). V feritni osnovi se opazijo drobni precipitati, po mejah kristalnih zrn pa jih ni opazili. Na sliki 5 je prikazana mikrostruktura (pov. 6000-krat) toplotno vplivane cone v področju grobih kristalnih zrn posameznih vzorcev. Mikrostrukturne značilnosti vseh vzorcev so podobne. V toplotno vplivani coni ni nikjer opaziti precipitatov, izločenih po mejah kristalnih zrn. V feritnih zrnih se opazi, da je precipitatov več v področju drobnejših zrn, kjer je bilo pregretje manjše. V področju grobih zrn se izrazito opazijo meje podzrn. V naloženem materialu ni precipitatov. Po končanih metalografskih pregledih vzorcev zvarov so bili izdelani še preizkušanci z zarezo ISO-V za preizkus udarne žilavosti po Charpy-ju. Zareze so bile postavljene v sredini zvarov in v toplotno vplivanih conah vzorcev. Temperatura vzorcev pri preizkušanju je bila -20°C. Rezultati udarne žilavosti po Charpy-ju so predstavljeni v tabeli 5. Tabela 5: Udarna žilavostvzorcev ŠJ] pri -20°C sredina zvara toplotno vplivana cona A1 151 124 140 206 220 208 A2 130 120 83 231 222 238 A3 152 130 144 221 230 250 B1 95 56 87 206 220 203 B2 103 83 80 92 207 113 B3 81 94 80 194 198 220 Žilavostčistega vara je pri seriji vzorcev A boljša od serije B. Pri seriji vzorcev B je večji delež lite strukture zato so vrednosti udarne žilavosti nižje. V toplotno vplivani coni se udarna žilavostvzorcev serije A in B ne razlikuje dosti. Izjema so vrednosti v toplotno vplivani coni vzorca B2. 4 SKLEP V okviru nadzora nad kvaliteto izdelave in montaže jeklene konstrukcije nadzemnega valjastega rezervoarja R-17 v Instalacija, d.o.o., so bile opravljene preiskave, ki naj bi pokazale vpliv večkratnih popravil zvarjenega spoja na mikrostrukturo zvara in toplotno vplivano cono. Iz rezultatov metalografskih pregledov, pregledov v SEM, merjenja trdot HB, merjenja mikrotrdot HV in udarne žilavosti po Charpy-ju je razvidno, da ni velikih razlik med vzorci serije A in B. Varjenje z vnosom energije okoli 10 kJ/cm omogoča izvedbo kakovostnega zavarjenega spoja. Tudi varjenje s povečanim vnosom energije (tabela 2) ne vpliva bistveno na mikrostrukturo zvara. Popravila zvarjenih spojev z brušenjem in ponovnim varjenjem ne poslabšajo zvarjenega spoja ob naslednjih pogojih: - izbrušen mora biti ves zvar do osnovnega materiala - ponovno varjenje mora potekati pod enakimi pogoji kotprvotno. Katere vnesene energije so kritične za jeklo Niomol 490K in kako te vplivajo na mikrostrukturo zvarjenega spoja, pa je predmetnadaljnih preiskav. 5 LITERATURA 1 J. Vojvodič Tuma, B. Ule, S. Ažman, Kovine zlit. tehnol, 28 (1994) 1-2, 183-187 2 J. Vojvodič Tuma, Kovine zlit. tehnol, 32 (1998), 1-2, 95-98 3 J. Tušek, Varilna tehnika, 42 (1993) 3, 88-93 4Welded Steel Tanks for Oil Storage, ANSI/API Std. 650, Ninth Edition, July 1993, Addendum 1, December 1994 182 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 34 (2000) 3-4