Problem varivosti debelostenskih varjencev iz konstrukcijskih jekel
UDK: 621.791.004:621.791.002 ASM/SLA: K, k9s, 9-72
V. Prosenc in F. Seliškar
Razpoke raznih izvorov kot problem varivosti nelegiranih konstrukcijskih jekel velikih debelin; analiza razpok na zvarjenem strojnem delu; primerjava sestave jekla z mehanskimi lastnostmi in dolžino razpok v varjencu; preskušanje varivosti s preskušanci z lastno vpetostjo; možnosti za vplivanje na varivost z avtomatizacijo varjenja.
1.	UVOD
Pri varjenju debelostenskih varjencev se pojavljajo številne težave, predvsem če debeline prekoračijo 40 do 50 mm. Tedaj varivost ni problematična samo pri zahtevnejših materialih (malo, srednje ali močno legiranih, oz. mikrolegiranih jeklih), ampak tudi že pri nelegiranih kvalitetah Č 0462, 0463, 0563 in podobnih, ki so v normalnih debelinah pločevine (10 do 20 mm) vedno lahko variva. Problemi izhajajo iz številnih tehnoloških razlogov, ki so vedno prisotni pri varjenju debelih presekov. Ti so: velika hitrost ohlajanja vara zaradi intenzivnega odvoda toplote, velik dovod do-dajnega materiala in z njim tudi toplote, neugodno večosno napetostno stanje v varu in velika togost varjene konstrukcije, ki se težko prilagodi z lastno plastično deformacijo varilnim napetostim.
Škodljivi vpliv vodika je pri velikih debelinah mnogo bolj izražen kot pri tankih materialih in tudi homogenost jekla je bolj problematična.
2.	Postavitev problema
Največji problem pri varjenju debelostenskih varjencev je pokljivost. Vsi prej navedeni dejavniki prispevajo k nastajanju razpok. Te se lahko pojavljajo v varu ali v osnovnem materialu. Začetek imajo lahko v varu, a najpogosteje v prehodni coni in se nato nadaljujejo po prehodni coni ali pa prehajajo v var, oziroma osnovni material. Razpoke so vedno posledica notranjih napetosti in pogosteje nastajajo med ohlajanjem kot pa med ogrevanjem varjenca.
2.1 Razpoke v varu so lahko vroče ali hladne, a neposredni vzroki so lahko metalurški (široki interval strjevanja, nečistoče v materialu, oz. varu, nehomogenosti, neugodne strukturne premene) ali
Prof. dr. Viktor Prosenc, VTO — Fakulteta za strojništvo Ljubljana
Selišikar Franc, dipl. ing. — TZ Litostroj, Ljubljana
pa so splošni — varilski: neugodna ali nepravilna tehnologija varjenja, nekvaliteten dodajni material, vodik v varu, nekvalitetna izvedba varjenja in še drugo.
2.2	Razpoke v osnovnem materialu imajo lahko delno enake vzroke kot one v varu. To so predvsem metalurški vzroki: neprimerna sestava jekla, preveč nečistoč (žveplo), nehomogeni material (tra-kasta struktura), neustrezna predelava (valjanje), ki vodi do neustreznih mehanskih lastnosti, predvsem do prevelikih razlik v vzdolžni in prečni smeri ter po debelini.
2.3	Lamelami lom je posebna vrsta razpok, ki se pojavljajo v osnovnem materialu. So izrazita posledica varilnih napetosti po debelini in metalurške nehomogenosti jekla. Skoraj vedno imajo svoj začetek v osnovnem materialu ali tik pod va-rom v prehodni coni, se nadaljujejo po osnovnem materialu in le redko prehajajo v var. Posebno nevarno je, če ostanejo zaprte pod površino in ne dosežejo večjih dimenzij ter se zato izmaknejo kontroli. Te so kasneje lahko izhodišče za porušitve.
Na sliki 1 je nekaj značilnih mest v varih za nastajanje lamelarnih razpok. V vseh primerih je oblika vara v konstrukciji takšna, da je osnovni material obremenjen v smeri debeline.
Slika 1
Nekaj značilnih mest za pojavljanje lamelarnih razpok pod zvari
Fig. 1
Some characteristic areas where lamellar craks appeared under vveldc.
r i

2ZZ2
h
B
c
JZZL
vzzm vmz
V
A

tj
H	I
Sliika 2
Nekatere oblike zvarov z različno nagnjenostjo k lamelar nim razpokam
A zelo neugodno, B, C in D ugodnejše, E neugodno, F odmik z roba je ugodnejši, G slabo, H boljše, J vzdolžna lamela razmere izboljša
Fig. 2
Some shapes of vvelds vvith various susceptibility to lamelar cracking
A very unfavourable, B, C, and D more favourable, E un-favourable, F away from the edge is more favourable, G bad, H better, J Iongitudial lamella Improves the situation
K nastajanju lamelarnih razpok prispeva svoj delež nekvaliteten material, nepravilna zasnova varjene konstrukcije, nepravilna izvedba varjenja in priprava varnega roba. Jeklo, ki naj bi bilo odporno proti lamelarnemu lomu, naj bi bilo zelo čisto, s čim bolj izotropnimi mehanskimi lastnostmi.
Prerez A-A
2 ČL.0446
Slika 3
Skica varjenca z označenimi razpokami
Fig. 3
Sketch of the vvelded piece with marked cracks
Številni raziskovalci [1], [2] so iskali povezavo med sestavo, načinom izdelave in predelave jekla ter lamelarnim lomom. Ugotovljeno je, da imajo zelo slab vpliv sulfidne in tudi oksidne nečistoče, izločene v obliki trakov. Zato naj žveplo v jeklu ne bi prekoračilo 0,01 %, ker se nad to vrednostjo že pojavljajo lamelarne razpoke, niže pa ne. Istočasno mora biti zagotovljena tudi dobra dezoksi-dacija [3].
Odpornost proti lamelarnemu lomu nakazujejo mehanske lastnosti v smeri debeline materiala. Največji poudarek je na kontrakciji v smeri debeline. Najnižja prečna kontrakcija (po debelini) naj bi bila ob nizki stopnji vpetosti najmanj 25 %, pri večjih vpetostih mora biti znatno višja. Zelo važno je torej konstruiranje, kjer naj bo velik poudarek na razporejanju in oblikovanju varov. Na sliki 2 je nekaj primerov oblike in namestitve varov s slabim vplivom na pokljivost in za primerjavo so prikazane ugodnejše izvedbe.
3. Analiza razpok na varjenem strojnem delu
Pri varjenju strojnega dela večjih dimenzij iz jekla Č 0462, debeline 40 mm, in iz jeklene litine ČL 0446, debeline 80 mm, je prišlo 'do številnih razpok. Varjenec (slika 3) je bil izrazito toga konstrukcija z veliko stopnjo vpetosti. Pri varjenju krožnega vara — K, kjer je bila predpisana popolna prevaritev, so bile ugotovljene po celem obodu številne razpoke. Pri oceni oblike konstrukcije in namestitve vara je bila umestna ugotovitev, da bi bile razpoke lahko lamelarne, če bi bilo jeklo k temu nagnjeno.
Pri sanaciji varjenca je bil izrezan cel var - K. S tem je bila bistveno spremenjena oblika varnega spoja, a izrezani var je bil podvržen številnim preiska-vam (mehaničnim, kemičnim in metalo-grafskim).
3.1 Mehanske preiskave
Pozicija, iz katere je bil izrezan obroč (razpokam var), je bila iz jekla Č 0462, a sestavljena iz treh različnih šarž. Obroč je bil razrezan na 17 segmentov, dolžine 400 do 500 mm, od katerih je 6 pripadalo šarži št. 0097, 6 šarži št. 9889 in 5 šarži št. 3728. Kemična sestava in mehanske lastnosti v vzdolžni smeri so bile znane že iz prevzemnih atestov. Dodatno so bile ugotovljene še mehanske lastnosti v smeri debeline.
Rezultati so navedeni v 'tabeli. Iz nje je razvidno, da kemična sestava v vseh točkah ustreza predpisu za kvaliteto Č 0462. Odstopanja pri žveplu so od 0,022 do 0,035 %. Tudi pri mehanskih lastnostih so opazna odstopanja, vendar so ta v vzdolžni smeri nebistvena, celo na izrezanem obroču po varjenju. Izrazite pa so razlike pri kontrakciji po debelini, ki je bila ugotovljena na izrezanih segmentih. Pri šarži št. 0097 z žveplom 0,022 % do 0,025 % je bila kontrakcija 19 do 33,8 %, pri šarži št. 9889 z žveplom od 0,030 do 0,035 % je bila kon-
Tabela: Kemične sestave in mehanske	lastnosti isk	:la iz izrezanih segmentov	
Številka šarže			
	0097	3728	9889
KEMIČNA ANALIZA %			
C	0,13 —0,15	0,13 —0,16	0,13 —0,17
Si	0,22 —0,28	0,22 —0,26	0,15 —0,18
Mn	0,53 —0,59	0,63 —0,70	0,60 —0,67
P	0,016 — 0,020	0,016 — 0,022	0,011—0,012
S	0,022 — 0,025	0,030 — 0,035	0,031 —0,035
N2	0,006	0,007	0,005
MEHANSKE LASTNOSTI			
(iz atesta)			
Meja plastičnosti N.mm—2	317	286	279
Trdnost N.mm—2	460	466	420
Razteznost %	27	26	29
Žilavost J	24,8 —- 37,8	47,4 — 50,0	46,7 — 49,4
Kontrakcija %	65,8	60,5	65,2
MEHANSKE LASTNOSTI			
(po debelini materiala)			
Meja plastičnosti N.mm—2	287 — 385	203 — 267	229 —343
Trdnost N.mm—2	458 —483	438 —484	404 —429
Kontrakcija %	19 — 33	5,6— 15	6,6— 12,6
Žilavost J	10,3— 11	2,0— 8,4	7,6— 10,9
ANALIZA RAZPOK			
Štev. razpokanih segmentov	3	6	4
Skupna dolžina razpok mm	205	2150	1530
isto %	7,5	79,5	68
trakcija 5,6 do 15 % in pri šarži št. 3728 z žveplom med 0,031 in 0,035 % je bila 6,5 do 11,5 %. Iz navedenega sledi, da so bile kontrakcije pri vseh treh šaržah sorazmerno nizke; vendar je najvišja pri šarži z najnižjim žveplom, ki izkazuje istočasno tudi najboljšo žilavost (določeno na segmentih).
Po ugotovitvah skupne dolžine razpok na izrezanih segmentih se rezultati zelo dobro ujemajo z žilavostjo in kontrakcijo po debelini. Pri šarži št. 0097 je skupna dolžina razpok na treh segmentih samo 205 mm, kar je 7,5 % od skupne dolžine. Na segmentih šarže št. 9889, ki ima najslabše mehanske lastnosti, je skupna dolžina razpok 2150 mm, tj. 79,5 %, a na segmentih šarže št. 3728 je razpok v skupni dolžini 1530 mm„ oziroma 68 %.
3.2 Metalografske preiskave
Po pregledu z ultrazvokom je sledila še metalo-grafska preiskava razpok, da bi ugotovili, kakšen je njihov potek. Preiskava kaže, da se pričenjajo vse razpoke v prehodni coni, se širijo pod varom
Slika 4
Potek razpok v nekaterih izrezanih segmentih a) šarža 9889, b) šarža 3728, c) šarža 0097
Fig. 4
Crack course in some cut sections a heat 9889, b heat 3728, c heat 0097
»
a) Test Window

	2 1		
			o o
			
	i ^. ..—__ 3 _		o o co
	150(200)		
			
AJ			
350 (450)			
Prerez A- A
		L> 4N cn o 60 (80)	
			
v II 17	/// 60 ( —S---Om- 0 (2	80) 20)	5°
b) Dvojni zvar K
fT
1
o
LO
•<r
Prerez C-C
50°^.	l	^50° L>		o o CM
m		V////	o t--	
4°i 120	70	120		
				
Št.varilne probe: 1 2 3 Temp. predgretja [°C]:0 150 200
Slika 5
Obliki preskušancev za ugotavljanje varivosti z lastnim vpetjem, okenski (Window-test), dvojni zvar-K
Fig. 5
Shapes of test pieces for testing weldability by own rigity of samples, window-test, double K vveld
ali pa prehajajo v osnovni material. Iz makrome-talografskih posnetkov (slika 4) je razvidno, da ima le malo razpok takšen potek, ki bi ustrezal predstavi lamelarnega loma in je le-ta samo nekoliko nakazan.
Iz te analize sledi zaključek, da pri varjenju velikih debelin ne zadošča samo poznavanje mehanskih lastnosti po dolžini, ampak je važna predvsem kontrakcija po debelini, ki je vedno povezana z nizkim žveplom.
4.	Preskus varivosti s preskušane! z lastno
vpetostjo
Vzporedno s preskusom izrezanega vara so bili napravljeni precej številni varivostni preskusi na preskušancih z lastnim notranjim vpetjem. Izbrana sta bila dva preskušanca, dvojni var - K in Window - test (preskus z oknom) (slika 5). Preskusni material je bil jeklo C 0462, C 0463 in Č 0563, debeline 60, 70 in 80 mm. Varjenje je bilo ročno, z dovodom toplote 12 do 20 kJ.cm-1 pri elektrodah premera 3,25 mm in 15 do 25 kJ.cm—1 pri elektrodah premera 5 mm, izvedeno pri sobni temperaturi i p s predgrevanjem na 150 °C. Za ponazoritev posebno neugodnih pogojev je bila serija poskusov, opravljena pri temperaturi okolice s forsiranim ohlajanjem vara in varjeno z nesuše-nirni bazičnimi elektrodami.
Preskus je pokazal, da je s preskušanci le težko doseči tako neugodne pogoje, kot se pojavljajo v realnih varjencih. Napake, predvsem razpoke, so se pojavile le v dveh primerih, in to pri varjenju s forsiranim ohlajanjem v hladni vodi.
5.	Vpliv avtomatizacije varjenja na varlvost
V definiciji varivosti neke kovine ali zlitine ni obsežena samo vrsta, sestava, kvaliteta in debelina osnovnega materiala, ampak tudi varilni postopek. Zato je možno z izbiranjem varilnega postopka vplivati na varivost. Predvsem je zanimivo, če zamenjava ročnega varjenja z avtomatskim lahko varivost izboljša. Pri avtomatskem varjenju se dosežejo večje hitrosti taljenja in so koti posnetja
©3-------2
5

6 7
Slika 6
a) Princip varjenja v ozki regi b) Makro posnetek zvara (v ozki regi).
Fig. 6
a Principle of welding in a narrow gap b Macropicture of the vveld (in narrovv gap)
CO,
EPP
		8
	/	
	22
kg /m	
	18
	16
	U
	12
o	
o >	10
o	
>N	
(U	
	6
	L
	2
	0
		/j
		/
-		y/EpF>
-		/ / ' A
-		/// c°2 ' ' '
-		/// NG. / / / s
■		r -
0	30 50	mm	100
debelina osnovnega materiala Slika 7
Primerjava porabe dodajnega materiala in priprava zvar-nega roba pri: R ročnem obločnem varjenju, EPP (pod praškom, CO, po MAG postopku, NG varjenje v ozki regi
Fig. 7
Comparison of filler comsumption and preparation of the welding edge at: R faand metal are welding, EPP submer-ged are welding, CO; MAG process, NG vvelding in narrovv
gap
varnega roba lahko bolj strmi. Zato je poraba dodajnega materiala manjša. S tem se skrajša čas varjenja, zmanjša potrebni dovod toplote in z njim varilne napetosti po varjenju.
Za varjenje posebno velikih debelin je ugoden postopek varjenja »v oziki regi« — Narrow-gap. [4] Shematično je prikazan na sliki 6a, a na sliki 6b je makroposnetek vara v ozki regi [5]. Varjenje je v zaščitni atmosferi. Širina varne špranje je zelo ozka in poraba dodajnega materiala majhna. [6] V sliki 7 je prikazana poraba dodajnega materiala pri štirih varilnih postopkih. Vidna je prednost polavtomatskih in avtomatskih načinov varjenja, a pred vsemi je varjenje v ozki regi.
6. ZAKLJUČEK
Varivost debelostenskih varjencev je vedno kritična. Za uspešno varjenje je treba zagotoviti cel sklop ukrepov, ki se začenjajo pri pravilni konstrukciji, ustrezni kvaliteti osnovnega materiala, pravilni varilski tehnologiji in zadostni tehnološki disciplini, ki zagotavlja kvalitetno izvedbo varilskih del.
Tudi avtomatizacija varilnih postopkov lahko prispeva izdaten delež k izboljšanju varivostnih pogojev.
Literatura:
1.	Wilson, G. W.: Minimiziing lamellar tearing by impro-ving Z-direction ductiMty. Weld. J. (1974) nov., s. 611
2.	Kobayashi, K. in sodel.: Propagation de fissures de fa-tigue Soud. et techn. conn. 32 (1978) 4/5, s. 127
3.	Aotorski kolektiv: Soud. et teohn. conn. 31 (1977) 5 6, s.
4.	Soudage Narrow. gap, Cahiers techniques Sciaky, (1977) 10
5.	Hendersan, I. in K. Seifert: Untersuchung verschiede-ner Badsicherungen beim En;gspaltschwedssen eines Re-aktorbaustahles. Schwei,ss. Schneid. 26 (1976) 8, s. 291
6.	Beokert, M. in R. Probst: Betrachtungen zum Schwei-sen von Nahten geringen Volumens ... Schvveiss. u. Schneid. 28 (1976) 8, s. 287
ZUSAMMENFASSUNG
Ein grosses Problem beim Schweissen von diekwandi-gem Grundvverisstoff iist die Rissigkeit. Lamellenbriiche sind gamz besondere Fehler, deren Ursache metallurgische Unreinigkeiten im Stahl sind.
Die metallographische Untersuchung eines Risses an einer Schvveissverbindung aus Stahl Č 0462 und einer Dicke von 40 mm und Stahlguss ČL 0446 und 80 mm Dioke, und die chemischen und mechanischen Untersuchungen am Stahl in der Diokemrichtiung haben eine unmittelbare
Verbiindung zvvischen der Risslange, dem Schweffelgehalt und der Einschniirrung in der Dickejirichtung ergeben. An Rissen war der Lamellenbruch nur leieht angezeigt. An verschiedenen Proben welche bei der Versuchsdurchfuh-rung eingespannt werden, konnen die Verhaltnisse beim Schweissen nicht zuverlassig reproduziert werden. Auto-matisierung der Schweissverfahren kann die Schweissbar-keit giinstig toeeinflussen, da die Warmezufuhr niedriger ist und damit auch die Schweisssipaniiungen.
SUMMARY
The greatest problem in welding thick-walled pieces is their susceptibility to cracking. Lamellar fractures appe-aring mainly because of metallurgical non-homogeneities in steel are a special type of cracks. Metallographic ana-lysis of craaks in 40 mm thiok welded piece of Č 0462 steel and 80 mm thick welded piece of ČL.0446 čast steel shovv-ed at simultaneous chemical and mechanical investigations of steel in the direction of thickness that direct relation-
ship exists between the length of cracks and the sulphur content, and the contraction in transversal direction (thickness). The lamellar characteristic of the cracks was only slightly indicated. Test pieces having own rigity cannot reliably raproduce conditions in welding. Automation of the welding process can favourably influence the welda-bility since the needed heat input is reduced and thus also the welding stresses.
3AKAKMEHHE
CymecTBeHHbiH Bonpoc npii CBapKH TOACTOCTeHHbix CBapHbix coeAHHeHHg npeACTaBAaeT HaAHine TpemuH. CBoeo6pa3Hbift bha TpeiUHH 3to CAOHCTMe TpeiUHHbl, KOTOpbie o6pa3yK)TCH TAaBHblM 06pa30M BCAeACTBHH MeTaAAyprnqecKHX HeoAHopoAHoeTeii b cTaAH. Ha CBapHbix o6pa3uax CTaAH MapKH C. 0462 toaihhhbi 40 mm h CTaAbHoro ■AHTba MapKH CL. 0446 toaiiihhh 80 mm, BbinoAHeHHbie xniimecKne h mexahm«reckne hccaeaobahhs b HanpaBAeHHH toahhhm o6pa3ua noKa-3aAH HenocpeACTBeHHyio CBS3b MeatAV aahhoh TpemiiH H % cepbi, a
TaKate cBS3b c cvacemieM b nonepe^HOM HanpaBAeHHH (no TOAmnue). Caohcthh BHA TpemiiH TOAbKo cAerKa npHMeien. Ha o6pa3Hax c caMOHanpaaceHiieM HeT HaAe«Hbix b03m0>KH0creH penpoAvmipoBaTb VCAOBIia, KOTOpbie B03HHKaroT npH CBapKH. ABTOMaTH3aHHSI CBapKH MOJKeT noBAH3TB nOAO>KHTeAbHO Ha CBapHBaeMOCTb, TaK KaK YMeHb-maeT BBeAeHHe Heo6xoAHMoro KOAH^ecTBa TenAOTbi, h c sthm TaKace CBapoTObie HanpaaceHHH.