Primerjava lastnosti toplotno vplivanega področja večvarkovnega zvara na jeklu Nionicral 70 pri dveh različnih vnosih toplote Comparison of Multirun Heat Affected Zone Properties on the Steel Nionicral 70 for Two Different Heat Inputs V. Gliha in D. Toplak, Tehnološko razvojni center, d.o.o. Maribor Analizirali smo nekatere lastnosti TVP v prehodu zvara, ki so pomembne za nosilnost realnih zvarnih spojev. Najvišja temperatura pri drugem termičnem ciklu je odločilna za lastnosti pri obeh vnosih toplote, posebno za udarno žilavost in trdnost (trdoto). Vpliv varilnih parametrov in načina izdelave zvara na dinamično trdnost ni tako izrazit. Ključne besede: varjenje, termični cikel, toplotno vplivano področje - TVP, prehod zvara, žilavost, trdnost, utrujanje, inicial. Some properties of HAZ at the weld toe important for the load carrying capacity of the real weld joints were analyzed. The peak temperature of the second thermal cycle is decisive for the properties of both heat inputs, especially impact toughness and strength (hardness). The influence of the vvelding parameters and weld built up on the fatigue strength is less pronounced. Key words:welding, thermal cycle, heat affected zone - HAZ, weld toe, toughness, strength, fatigue, small flaw. 1 Uvod Elemente nosilnih kovinskih konstrukcij in delovnih strojev je možno trdno, zaneslj ivo, hitro in sorazmerno poceni spojiti z varjenjem. Tudi kadar sta dodajni material in način varjenja namenu uporabe povsem ustrezno izbrana, zvarni spoj i niso področja s homogenimi lastnostmi. Analize vzrokov nastalih okvar na teh objektih, ki navadno povzročijo večjo materialno škodo, ogrozijo pa tudi človeška življenja, kažejo, da so začetki lomov zvarnih spojev pogosti prav na prehodu zvara v osnovni material. Povzročitelji so: - nehomogen material - spremenjene lastnosti - napetosti, ki niso posledica zunanjih obremenitev - koncentracija napetosti zaradi oblike. Omenjeni prehod se nahaja v s toploto vplivanemu področju (TVP) zvara. Med varjenjem je bil tu material segret tako visoko, da se to odraža tako na mikrostrukturi, kot lastnostih in včasih tudi na homogenosti. Nivo, do katerega je posamezna točka TVP segreta, je odvisen od njene oddaljenosti od vsakokratne linije topljenja. Nastala mikrostruktura in lastnosti so funkcija kemične sestave in stanja varjenega materiala ter celotnega termičnega vpliva. Tu se misli na dosežene najvišje temperature in na hitrosti vsakokratnih ohlajanj. Termično delovanje varjenja na določene točke v TVP je odvisno od parametrov varjenja in načina izdelave spoja, termodinamskih lastnosti materiala ter oblike in debelin. Neenakorerno krčenje segretega materiala med ohlajanjem in fazne transformacije, še posebno, če so zaključene pri sorazmerno nizki temperaturi, so glavni vzrok za obstoj zaostalih napetosti. Koncentracija napetosti na prehodu pa je posledica večje debeline zvara v primerjavi z vgrajenim materialom. Z uporabo metode končnih elementov (MKE) lahko numerično določimo termičnodelovanje v posameznih točkah v TVP. Tako dobljeni podatki omogočajo na simulatorju izdelati ustrezne mikrostrukture in j ih eksperimentalno analizirati. Če lastnosti niso zadovoljive, se varilne parametre ali način izdelave zvara korigira. Možno pa je pristopiti tudi z druge strani: na simulatorju izdelamo vrsto verjetnih mikrostruktur, kijih eksperimentalno analiziramo. Z MKE nato izračunamo kakšnim varilnim parametrom in načinu izdelave zvara izbrane lastnosti TVP ustrezajo. V prispevku so prikazani rezultati podobnega pristopa pri varjenju domačega visokotrdnostnega konstrukcijskega jekla Nionicral 70. 2 Zvarni spoj in izdelava le-tega Na sliki 1 je prikazan soležni zvarni spoj narejen s sedmimi varki. Zadnji (št. 7) je zavarjen po žlebljenju korenskega varka (št. 1), s čimer se zagotovi največjo mogočo homogenost zvara tudi v korenu. Na temenski strani zvara pa je namen izvedbe varka št. 6 popraviti lastnosti grobozrnatega dela TVP v prehodu zvara v osnovni material. S toploto vplivani material na treh označenih prehodih A, B in C je med varjenjem tako deležen treh različnih termičnih delovanj: - TVP na prehodu A je grobozrnato. Med izvedbo varka št. 7 je bilo segreto skoraj do tališča in zrna so se močno povečala - TVP na prehodu B je po izvedenem prvem vplivnem varku (št. 4) grobozrnato. Temperatura pri drugem vplivnem varku (št. 6) je presegla 900°C, oziroma AC3 točko. Ta termični cikel bi naj že povzročil normalizacijo poprej grobozrnatega TVP. - TVP na prehodu C je po prvem vplivnem varku (št. 5) grobozrnato. Temperatura pri drugem vplivnem varku (št. 6) ni presegla 800°C. Drugi termični cikel, ki je segrel grobozrnato področje TVP med AC 1 in AC3 točko Je tako povzročil le delno spremembo. Seveda lahko v prehodu zvara v osnovni material pride tudi do nekaj drugačnega vpliva drugega termičnega cikla na sprva grobozrnati del TVP. Ta se lahko segreje pod AC 1 ali pa precej nad AC3 točko. To se zgodi, če vrednosti Xi in X2 na sliki 1, ki predstavljata toleranci, znotraj katerih naj bi se ta normalizacijski varek izvedel, nista predpisani optimalno. Običajna praksa predvideva variti od 1 do 3 ali 4 mm od prehoda zvara oziroma od linije topljenja. Zvar na sliki 1 se ekonomično izdela z avtomatskim postopkom varjenja v zaščiti praška. Varilni parametri so takšni, daje vnos toplote 38,1 kJ cm1, hitrost varjenja pa 60 cm min1. Izkoristek pri takšnem varjenju je skoraj 1. Manj ekonomično se enak zvar izdela z ročnim ele-ktroobločnim varjenjem. Takrat so parametri varjenja in izkoristek drugačni, zato je vnos toplote nižji in sicer 13,7 kJ cm1. Hitrost varjenja je 15 cm min1. Seveda je treba zaradi manjšega vnosa toplote napraviti več varkov, vendar pa je postopek za normaliziranje grobozrnatega dela TVP enak. Slika 1. Zvarni spoj z različnim termičnim delovanjem varjenja v TVP na prehodih zvara v OM. Figure 1. Weld joint and various thermal treatments ofthe HAZ at the weld toes. T p = 1350°C (A) Tpi = 1350°C' © Tp2= 790°C 3 Izračun termičnega delovanja varjen ja Da bi ugotovili, kako izvesti varjenje varka ali varkov, ki bodo vplivali na lastnosti grobozrnatega dela TVP v prehodu zvara v pozitivnem smislu, smo varjenje po obeh postopkih simulirali z uporabo MKE '. Primera uporabljene mreže in izračunanega poteka izotenn v nekem časovnem prerezu sta za ročno varjenje prikazana na sliki 2. Ker se izvor toplote (oblok) pri varjenju premika z znano hitrostjo, je za vsako točko v določeni odda ljenosti od linije topljenja mogoče izračunati njen celotni termični cikel. To so hitrost segrevanja, najvišja dosežena tem-pera-tura Tp in hitrost ohlajanja, ki jo okarakteriziramo s časom Ats/s v katerem se material ohladi od 800° do 500°C. Izračunan At 8/5 je pri varjenju jekla debeline 30 mm za ročno varjenje 9 s, za avtomatsko varjenje v zaščiti praška pa 25 s. Na sliki 3a so za zadnji primer časovni poteki temperature na mestih, kjer le-ta doseže 1100°, 960° in 790°C. Ta so od linije topljenja "normalizacijske-ga" varka oddaljene 2.23, 2.94 in 3.91 mm. V primeru ročnega varjenja so tolikšne Tp dosežene že pri oddaljenostih 1.53, 2.10 in 2.94 mm Spreminjali smo najvišjo doseženo temperaturo drugega termičnega cikla TP2. Daje bila po prvem ciklu mikrostruktura za enak At s/5 zmeraj enako grobozrnata smo poskrbeli tako, daje Tpi bila vsakokrat med 1350° in 1370°C. Primer takšne simulacije je na sliki 3b. TP2 je približno 790°C, At 8/5 pa 9 s, kar pomeni, da ustreza ta primer simulacije ročnemu varjenju Vzorci s sintetičnimi mikrostrukturami so služili za: - meritev trdote - meritev udarne žilavosti na preizkušancih z V zarezo - meritevupogibne trajnedinamičnetrdnostina preizkušancih z okroglo zarezo. Okrogla zareza je povzročala približno tolikšno koncentracijo napetosti, kot jopovzroči prehod realnega zvara (1,74). Ti preizkušanci so bili gladki in takšni z iniciali. Koncentracije okoli 1,74 smo registrirali na realnih zvarnih spoj ih, narejenih z avtomatskim varjenjem v zaščiti praška2. Za n j ihov izračun je treba meriti natančne dimenzije (x 10) _ 180.0 _ 169.3 _ 158.6 _ 147.9 _ 137.2 _ 126.5 _ 115.8 _ 105.0 _ 94.34 _ 83.63 _ 72.92 _62.22 _ 51.51 a) Slika 2. Simulacija varjenja z MKE Figure 2. Manual are vvelding simulation 4 Material, preizkušanci in eksperimentalno delo Raziskova lno delo je bilo opravljeno na domačem visoko-trdnostnem konstrukcijskem jeklu Nionicral 70. Njegova kemična sestava v%je: 0.09 C, 0.27 Si, 0.30 Mn, 0.015 P, 0.010 S, 1.05 Cr, 0.045 Al, 2.63 Ni, 0.07 V, 0.026 Ti, 0.27 Mo. Meja plastičnostije 688 MPa, trdnost 742 MPa, raztezek 85 20 %, udarna žilavost pri -50°C pa 173 J. Vzorce za izdelavo sintetičnih mikrostruktur različnih področij TVP smo izrezali v smeri valjanja 30 mm debele pločevine tik pod površino. Vzorci, ki so služili za kasnejšo izdelavo preizkušancev za udarni preizkus so bili dimenzi j 11x11x55, tisti za utrujenostne preizkuse pa dimenzij 15x9x70. Na simulatorju termičnega cikla Smitvveld smo na teh vzorcih izdelali serijo mikrostruktur za At 8/5 9 in 25 s. b) za ročno varjenje a) mreža b) izoterme by FEM. a) the mesh b) the isothermal lines zvara kot celote in prehoda zvara. Pri izračunu so uporabljene znane empirične formule3. Pomembne dimenzije prehoda so kot S in radij p (slika 1, detajl D). Te podatke smo dobili z meritvami na silikonskih replikah prehodov realnih zvarov. 5 Rezultati Rezultati metalografske analize mikrostruktur dvovarkov-nega TVP ob liniji spa janja ter meritev udarne žilavosti pri -40°C m trdote, v odvisnosti od TP2, so za primer ročnega varjenja prikazani na sliki 4 S slike 4a je razvidno, daje za visoke TP2 mikrostruktura večinoma martenzitna z majhnim deležem bainita. Ta delež je pri At 8/5 9 s manjši kot pri 25 s. Pri nižjih TP2 se delež bainita povečuje. Ko se avstenitizira le del snovi, je mogoče dilatacija [mm] a) b) Slika 3. Termični cikli a) rezultati simulacije valjenja z MKE (Tp = 1100°, 960°, 790°C) b) primer izdelave mikrostrukture (Tpi ~ 1350°C, Tp2 ~ 790°C) Figure 3. Thermal cycles a) the results of FEM simulation of vvelding (Tp = 1100°, 960°,790°C) b) an example of microstructure making (Tpi ~ 1350°C, Tp2 ~ 790°C) a) b) Slika 4. Vpliv dosežene temperature drugega cikla Tp2 a) mikrostruktura (temperatura začetka in konca transformacij) b) žilavost in trdota Figure 4. Influence of the peak temperature of the second cycle Tp2: a) the microstructure (start and finish transformation temperatures) b) the toughness and the hardness registrirati tudi nekaj ferita. Temperaturi Bf in Ms se razmakneta. Delež martenzita je pri najnižjih TP2 za 25 s v primerjavi z 9 s že skoraj zanemarljiv. Udarna žilavost je bila merjena na standardnih preiz-kušancih. Na sliki 4b je izmerjena odvisnot le-te od TP2 za At 8/5 9 s. Najbolj žilava mikrostruktura je pri TP2 okoli 1100° in malo pod 800°C. Pri 900° je žilavost za več kot 50 % nižja. Približno isto velja pri TP2 nad 1350°C. Odvisnost žilavosti od TP2 pri At 8/5 25 s je podobna, le razlike niso tako velike. Trdota je tudi odvisna od TP2. Najnižja je tam, kjer je žilavost najboljša (800°C). Pri 1100°C je znižanje trdote komaj zaznavno. Pri At 8/5 25 s je odvisnost trdote od TP2 slična, le trdote so za 30-40 HV nižje. Mikrostruktura enovarkovnega TVP ob liniji topljen-ja je skoraj povsem enaka kot tista pri TP2 = 1350°C, le daje malo manj grobozrnata. Žilavost pri -40°C in trdota takšnega TVP sta vneseni na sliki 4b. Nevplivani osnovni material ima popuščeno marten-zitno-bainitnomikrostrukturo. Žilavostpri-40°Cje 170 J, trdota pa 246 HV. Dinamično trajno trdnost smo določili na preizkušancih dimenzij 14,5 x 8 * 70 z okroglo zarezo globine 3,2 mm in ostrino r=3,0 mm. Obremenjevanje je bilo tritočkovno upogibno z razponom podpor 59 mm. Razmerje R med najnižjo in najvišjo napetostjo je bilo med 0,02 in 0,04. Eksperimente smo izvedli na resonančnem pulzirnem stroju Amsler v kontroli razpona obremenitve. Temperatura je bila sobna, frekvenca obremenjevanja pa 126-128 Hz. Površina zareze je bila brušena in glajena do hrapavosti le nekaj p. Vpliv "mikro" inicialov smo simulirali z odtisi po Vickersu v liniji, tako da so predstavljali linijski inicial dimenzije 650-700 p x 45 p. To ustreza efektivni dimenziji razpoke 155 p« Režime vseh rezultatov za obravnavana načina varjenja je na sliki 5. Najprej je udarna žilavost p, sledijo pa trdnost ctm, utripna upogibna trajna trdost za gladke preizkušance ano ter enaka trajna trdnost za preizkušance z "mikro" inicialom od. ctm je preračunana iz trdot. p i ji i 9 — t l ,(7M[MPol < ( >