UDK 621.791.052:539.55 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MTAEC 9, 36(5)255(2002) D. ROJKO, V. GLIHA: VPLIV GRADNJE VEČVARKOVNEGA ZVARA NA ŽILAVOST VPLIV GRADNJE VEČVARKOVNEGA ZVARA NA ŽILAVOST EFFECT OF MULTI-PASS WELD BUILD-UP ON WELD-METAL TOUGHNESS Danilo Rojko, Vladimir Gliha Fakulteta za strojništvo, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija danilo.rojkoŽuni-mb.si Prejem rokopisa - received: 2001-11-15; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-12-24 V pričujočem delu smo z uporabo simulatorja termičnega cikla SMITWELD analizirali vpliv termičnega varilnega cikla na nastanek mikrostruktur v varu in njihovo udarno žilavost. S simulatorjem termičnega varilnega cikla je mogoče enostavno reproducirati mikrostrukture toplotno vplivanega področja (TVP) in materiala vara, pa tudi izločilne pojave, ki so posledica delovanja termičnega cikla. V ta namen smo uporabili kot osnovo varek-izhodni material, ki je bil izdelan z varjenjem pod praškom (EPP), na katerega smo aplicirali nadaljnje termične cikle z različnimi maksimalnimi temperaturami. Tako smo v laboratorijskih razmerah simulirali izoblikovanje mikrostruktur ter vpliv termičnega cikla na udarno žilavost in nastanek lokalno krhkih področij (LKP). Ključne besede: zvarni spoj, mehanske heterogenosti, simulacija, termično varilni cikel, udarna žilavost, krhka področja In this study the influence of a weld's thermal cycle on the microstructures and the impact toughness of the weld metal are experimentally analysed. For this purpose we used the SMITWELD simulator for the thermal cycle. With a simulator for the thermal cycle it is possible to simply reproduce the microstructures of a heat-affected zone (HAZ) and the microstructures of the weld metal. Also, it is possible to simulate the segregation process as part of the weld's thermal cycle. For this purpose a different thermal cycle with a different peak temperature on a real single-pass weld joint produced by submerge arc welding (SAW) was used. With this experimental work the simulation of the effect of weld build-up on the weld-metal toughness and the formation of a local brittle zone (LBZ) in laboratory conditions was performed. Key words: weld joint, mechanical heterogeneity, weld thermal cycle, impact toughness, brittle zones 1 UVOD Mehanska in metalurška heterogenost je zaradi delovanja termičnega in deformacijskega cikla med varjenjem spremljevalec vsakega zvarnega spoja. Med varjenjem se zaradi termičnega varilnega cikla v varu in toplotno vplivanem področju (TVP) izoblikujejo različne mikrostrukture 1. Tevplivajo na žilavost zvarnega spoja. Varjenje lahko vodi k zniževanju žilavostnih lastnosti zvarnega spoja, še posebej v področju grobega zrna toplotno vplivanega področja (GZ TVP), kot tudi samega vara 2. Zlasti lokalna krha področja (LKP) so povezana s termičnim varilnim ciklom in se pojavljajo na področju vara in TVP. Na njihov nastanek vplivajo kemična sestava osnovnega in dodajnega materiala, varilni parametri in gradnja varkov. Zaradi slabe žilavosti teh področij in nevarnosti pojava krhkega loma so to najšibkejši členi obremenjenih zvarnih spojev 3. Zanesljivost zvarnih spojev je v veliki meri odvisna od strukturnih značilnosti LKP. Na to pa lahko vplivamo s primerno gradnjo varkov. V predstavljenem delu smo v laboratorijskih razmerah simulirali izoblikovanje različnih mikrostruktur v zvarnem spoju. Zato smo uporabili enovarkovni realni varek-izhodni material, na katerega smo aplicirali nadaljnjetermičnecikle. Analizirali smo vpliv najvišje temperature termičnega cikla na udarno žilavost in nastanek različnih mikrostruktur v materialu vara, zlasti lokalno krhkih področij (LKP). 2 MATERIAL, ZVARNI SPOJ 2.1 Osnovni in dodajni material Pri eksperimentalnem delu smo uporabili visoko-trdnostno konstrukcijsko jeklo NIOMOL 490K, ki jo proizvaja ACRONI Jesenice. To jeklo ima feritno-bainit-no mikrostrukturo, drobno zrno in dobro žilavost pri nizkih temperaturah. V tabelah 1 in 2 so prikazane kemična sestava in mehanske lastnosti jekla. Za izdelavo zvarnega spoja smo uporabili polnjeno stržensko žico FILTUB 128 premera 4 mm ter varilni prašek FBTT 4. Kemična sestava in mehanske lastnosti dodajnega materiala so prikazane v tabelah 3in 4, ke-mična sestava varilnega praška pa je podana v tabeli 5. 2.2 Izdelava zvarnega spoja Na pločevini debeline 25 mm smo izdelali zvarni žleb oblike"V" in globine10 mm. Žleb smo zapolnili z enim varkom, izdelanim po postopku varjenja EPP. Da bi dosegli zadovoljive mehanske lastnosti in ponovljivost izvedbe varjenja, smo med varjenjem merili čas ohlajanja materiala vara ?t8/5, ki je bil 13,2 s. Za merjenje MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 255 D. ROJKO, V. GLIHA: VPLIV GRADNJE VEČVARKOVNEGA ZVARA NA ŽILAVOST Tabela 1: Kemična sestava jekla NIOMOL 490K Table 1: Chemical composition of steel NIOMOL 490K Kemični element C Si Mn P S Al Cr Atest (%) 0,10 0,42 0,52 0,005 0,001 0,034 0,53 Tabela 2: Mehanske lastnosti jekla NIOMOL 490K Table 2: Mechanical properties of steel NIOMOL 490 K fe Rm (MPa) A5 (%) Udarna žilavost pri -60 °C (J) Zahteve >470 560-750 >19 120 Atest 522 621 38,5 280, 271, 294 Tabela 3: Kemična sestava dodajnih materialov Table 3: Chemical composition of all weld metal Dodajni material (%) C Si Mn P S Mo Ni FILTUB 128 0,05 0,20 1,40 - - 0,40 1,2 0 20 40 60 80 100 120 140 Eas Šs] Slika 2: Potek termičnih varilnih ciklov z različnimi najvišjimi temperaturami Figure 2: Termination of weld thermal cycles with different peak temperatures Tabela 4: Mehanske lastnosti dodajnega materiala Table 4: Mechanical properties of all weld metal Dodajni material Rpo,2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) FILTUB 128 >550 630-730 >20 Tabela 5: Kemična sestava varilnega praška FB TT Table 5: Chemical composition of flux FBTT Si+MgO (%) CaO+MgO (%) A12+MnO (%) CaF2 (%) PB TT 15 40 20 25 Slika 1: Izrez preizkušancev iz zvarnega spoja Figure 1: Cut out of specimens from weld joint 260 •---.---• . . . L . ¦¦ 012345678 Razdalja v smeridebeline vara Šmm] Stanje C1 (realnivar) Stanje C2 (Tp1=780 °C) Stanje C3 (Tp1=980 °C) Stanje C4 (Tp1=700 °C) Stanje C5 (Tp1=1100 °C) Stanje C6 (Tp1=1350 °C) Slika 3: Porazdelitev trdot v varu v smeri debeline preizkušancev Figure 3: Distribution of hardness in weld metal in the thickness direction časa ?t8/5 smo uporabili termočlen Cr-NiCr, ki smo ga med varjenjem potisnili v talino vara, neposredno za gibajočim seoblokom. Varjenje se je izvajalo brez predgrevanja varilnega etalona oziroma pri sobni temperaturi. 2.3 Izdelava preizkušancev Iz zvarnega etalona smo izdelali preizkušance dimenzije 9x9x55 mm. Ti so bili iz zvarnega etalona debeline 25 mm odvzeti tako, da je varek potekal preko celotne debeline preizkušanca. Slika 1 prikazujeodvzem preizkušancev iz zvarnega spoja. Na preizkušancih dimenzije 9x9x55 mm smo nato aplicirali nadaljnje termične cikle. Po končani simulaciji termičnih ciklov smo iz teh preizkušancev izdelali Charpyjeve žilavostne epruvete dimenzije 8x8x55 mm. Mehanska zareza je potekala v materialu vara v smeri njegove debeline. 3REZULTATI Raziskave so bile izvedene na realnem enovar-kovnem varu kot izhodnem materialu in na realnih varih, na kateresmo aplicirali nadaljnjetermičneciklez različnimi najvišjimi temperaturami, ki so bile dosežene z uporovnim segrevanjem vzorcev materiala (slika 2). Temperaturo vzorcev materiala med simulacijo smo merili z termočlenom Cr-NiCr, ki smo ga točkovno privarili na sredino ene od daljših stranic vzorca. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 290 280 270 250 240 230 256 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 D. ROJKO, V. GLIHA: VPLIV GRADNJE VEČVARKOVNEGA ZVARA NA ŽILAVOST -100 -80 -60 -40 -20 0 Temperatura Š°C] 20 40 60 ¦ C1 (1.varek-realni var) • C6(Tp1=1350°C) C2 (Tp1=780 °C) Polinomsko ( C1 (1.varek-realni var)) Č C3 (Tp1=980 °C) -------Polinomsko (C3 (Tp1=980 °C)) X C4 (Tp1=700 °C) -------Polinomsko (C2 (Tp1=780 °C)) X C5(Tp1=1100°C) Slika 4: Udarna žilavost simuliranih struktur Figure 4: Impact toughness of simulated structures Realnivar 780 "C 980 DC 700 "C 1100DC 1350 "C (C1) (C2) (C3) (C4) (C5) (C6) Slika 5: Primerjava udarne žilavosti simuliranih struktur pri –30 °C Figure 5: Comparison of theimpact-toughness valueof simulated structures at –30 °C Slika 3 prikazujeizmerjenetrdotev varu v smeri debeline preizkušanca. Posamezne točke v diagramu pomenijo eno izmerjeno vrednost trdote HV1 in potekajo enakomerno na razdalji 1 mm v smeri debeline preiz-kušanca. Udarno žilavost smo določili po standardu ASTM E 23-96 5. Meritve so potekale v temperaturnem območju -80 °C in +40 °C. Rezultati udarne žilavosti za navedena temperaturna območja so prikazani na sliki 4. Primerjava udarnežilavosti pri -30 °C pa nam prikazujediagram na sliki 5. Po določitvi udarne žilavosti realnega vara kot izhodnega materiala in simuliranih struktur so bili izdelani metalografski obrusi področij, neposredno ob Slika 6: Metalografski posnetek mikrostrukture poligonalnega ferita, izločenega na mejah kristalnega zrna, ki je nastala zaradi delovanja simuliranega termičnega cikla z najvišjo temperaturo 1350 °C na realni var Figure 6: Metallographic shot of polygonal ferrite and grain-boundary ferrite cause by exoposure of a real weld metal to a simulation thermal cycle with a peak temperature of 1350 °C (specimen C6) Slika 7: Vpliv termičnega cikla z najvišjo temperaturo 1100 °C na realni var je povzročil nastanek mikrostrukture z poligonalnimi zrni ferita (preizkušanec C5). Figure 7: Exposure of real weld metal to a simulation thermal cycle with a peak temperature of 1100 °C causes the formation of polygonal ferrite (specimen C5) Slika 8: Nastanek M-A konstituentov zaradi vpliva termičnega varilnega cikla z najvišjo temperaturo 780 °C na realni var (preiz-kušanec C2) Figure 8: Exposure of real weld metal to a simulation thermal cycle with a peak temperature of 780 °C causes the formation of M-A constituent (specimen C2) 0 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5 257 D. ROJKO, V. GLIHA: VPLIV GRADNJE VEČVARKOVNEGA ZVARA NA ŽILAVOST liniji širjenja loma med udarnim preizkusom. Metalo-grafske posnetke teh področij prikazujejo slike 6, 7 in 8. 4 DISKUSIJA REZULTATOV Porazdelitev trdot v smeri debeline vara nam pove, da so bilenajvišjeizmerjenetrdoteposledica delovanja simulacijskih termičnih ciklov z najvišjima temperaturama 1350 °C in 780 °C. Zlasti pri slednjem imamo zaradi neenakomernega ohlajanja vara v smeri debeline v korenu in temenu vara trdotne konice. Po pričakovanju so trdotenajnižjepri simulacijskem termičnem ciklu z najvišjo temperaturo 980 °C. Popolna transformacija aČy jepovzročila nastanek finozrnate strukture z zelo dobro žilavostjo. Spreminjanje trdot pa jeposledica karbidov in karbonitridov, ki sezaradi nizkih temperatur niso raztopili v avstenitu. Izmerjene trdote v smeri debeline vara pri simula-cijskih ciklih z najvišjima temperaturami 700 °C in 1100 °C se medsebojno veliko ne razlikujejo in so primerljive z izmerjenimi trdotami izhodnega materiala-realnega enovarkovnega vara. Rezultati udarne žilavosti kažejo, da ima najvišjo udarno žilavost izhodni material z feritno-perlitno mikro-strukturo. Primerjava udarne žilavosti simuliranih struktur pri -30 °C na sliki 4 pa kaže, da ima najvišjo udarno žilavost mikrostruktura, ki jenastala kot posledica delovanja simulacijskega termičnega cikla z najvišjo temperaturo 1350 °C (slika 7). Kljub poligonalnem feritu in feritu, izločenim na mejah zrn, je prisotnost acikularnega ferita omogočila dobro žilavost. Majhen padec žilavosti najdemo tudi pri strukturi, ki je bila dobljena pri delovanju termičnega cikla z najvišjo temperaturo 1100 °C. Mikrostrukturo sestavljajo poligo-nalna zrna ferita in je prikazana na sliki 6. Najnižjo udarno žilavost pa ima struktura, ki jenastala pri delovanju simulacijskega termičnega cikla z najvišjo temperaturo 780 °C. Mikrostruktura tega področja je prikazana na sliki 5. Padec udarnežilavosti jepoledica nastanka poligonalnega ferita in martenzita med ohlajanjem. 5 SKLEP Rezultati udarne žilavosti kažejo, da imajo najnižjo žilavost strukture, ki so nastale kot posledica delovanja simulacijskega termičnega cikla z najvišjo temperaturo 780 °C na izhodni material-realni enovarkovni var. Kot prikazujejo metalografski posnetki obstaja nevarnost nastanka trdih struktur (martenzita) in s tem krhkega loma. Strukture, ki so bile dobljene s simulacijskim termičnim ciklom z najvišjo temperaturo 980 °C kažejo v primerjavi z drugimi strukturami nizke vrednosti trdot, ki pa seneizražajo v višji udarni žilavosti. Iz izmerjenih trdot ni mogočenapovedati najnižjeali najvišjeudarne žilavosti posameznih struktur. Iz rezultatov raziskav je razvidno, da je treba večjo pozornost nameniti mikrostrukturam, ki nastanejo v temperaturnemu območju 780 °C, in primerni gradnji varkov. 6 LITERATURA 1 F. Matsuda, Y. Fukada, H. Okada, C. Shiga, K. Ikeuchi, Y. Horii, T. Shiwaku, S. Suzuki (Japan): Rewiew of mechanical and metallurgical investigations of maretnsite - austenite constituente in welded joints in Japan, Welding in the World, 37 (1996), 3, ISSN 0043-2288 2 M. Toyoda, F. Minami: Evaluation procedure of structural raliability of weldments based on CTOD results, Osaka University, Faculty of Engineering Osaka, Japan, The American Society of Mechanical Engineers; Book No. I0285C-1989, March 1989 3 F. Minami, M. Toyoda, K. Satoh: Probalistic Analysis of Fracture Touhness of Weld HAZ with LBZ, Transactions of the Japan Welding Society, 19 (1988), 2, IIW Doc.X-1158-88 4 Welding consumables, SŽ Elektrode Jesenice, Jesenice 1998 5 ASTM Designation E 23-96: Standard Test Method for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, Philadelphia, 1996 258 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 36 (2002) 5