123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

98_1-4   Svařování vysokolegovaných ocelí

Jedním z důležitých pracovních postupů při zpracování vysokolegovaných ocelí bylo i v roce 1998 svařování duplexních a superduplexních materiálů. Stále větší význam zde získalo svařování v ochranných plynech s aktivním i inertním charakterem. Ve srovnání s dosavadním hlavně užívaným ručním svařováním obalenými elektrodami nabízí vyšší hospodárnost, vyšší spolehlivost procesu, lepší reprodukovatelnost a vyšší odtavovací výkony. K tomu je třeba přičíst ještě i mnohotvárnost parametrů a výsledkem je, že se svařování v ochranných plynech dvoufázových chromniklových ocelí používá stále častěji.

Obchodně obvyklým svařovacím drátem ze superduplexní oceli typu 25-10-4 byly vykonány zkoušky s variacemi tepelného příkonu, složení ochranného plynu a parametrů pulzů. Nejvyšší kritická teplota bodové koroze CPT 47,5 oC nastala při omezení času t12/8 na 2,8 s. Zvýšení přívodu tepla, a tím i času t12/8 na 5,6 s, vedlo již ke snížení odolnosti proti bodové korozi. Závislost vrubové houževnatosti na tepelném příkonu nebyla prokázána. Vyhodnocení křivek síla/dráha získaných přístroji při zkouškách vrubové houževnatosti rázem přesto ukázalo se zvyšováním přívodu tepla zvyšování podílu křehkých lomů.

Při přidání 2,5% dusíku do argonu byl zaznamenán zřetelný vzestup kritické teploty pro bodovou korozi svarového kovu při současně vyšší vrubové houževnatosti. Houževnatost svarového kovu a jeho obsah kyslíku byly nejpříznivější, pokud se přidával k argonu jen dusík. Spolehlivě svařovat se však dalo použitým drátem také bez pravidelného přidávání kysličníku uhličitého nebo helia při dobrém skrápění a spolehlivém vytváření oblouku.

Způsob přechodu kovu ovlivňuje charakter vlastností svarového kovu. MIG-svary s pulzním obloukem vykazují snižující se hodnoty vrubové houževnatosti, jakmile roste pulzní proud. Za příčinu snížení houževnatosti se považuje stoupající obsah kyslíku ve svarovém kovu. Použitím pulzního oblouku je možno při stejném složení ochranného plynu zvýšit vrubovou houževnatost svarových kovů.

Zatímco např. pro svařování klasické duplexní oceli X2CrNiMoN22-5-3 (číslo materiálu 1.4462) se požaduje vyšší tepelný příkon, musí se při svařování dílů ze superduplexníxh ocelí nebo litých částí velké tloušťky udržovat nízký příkon. Výzkumy na návarech s různě legovanými obalenými elektrodami k ručnímu svařování feriticko-austenitických superduplexních materiálů dávají nejvyšší hodnoty vrubové houževnatosti při použití elektrod s nízkým obsahem mědi. Jestliže se omezí ochlazovací čas t12/8 přibližně na 2,6 s, docílí se nejvyšší odolnost proti bodové korozi. Nejlepší hodnoty houževnatosti se docílily při nastavení podílu feritu na 37 FN při obsahu niklu 10%. Spojovací svary mezi litým materiálem G-X3CrNiMoCuN26-6-3 (číslo materiálu 1.4515) a materiálem k tváření typu S32550 (26%Cr, 6%Ni, a 3%Mo) dosáhly nejvyšší hodnoty houževnatosti svarového kovu při omezení ochlazovacího času t12/8 na 2,7 s. Přitom zůstalo zkřehnutí ovlivněného pásma u materiálu k tváření omezeno na pásmo 2 mm, zatímco snížení KLST-vrubové houževnatosti v tepelně ovlivněném pásmu litého materiálu asi na 4 mm od tavné linie.

Požadované nároky na svařované konstrukce z moderních nerezavějících ocelí s duplexní strukturou byly v minulosti často příliš vysoké. Podle vykonaných zkušebních svarů lze ukázat, s jakými přídavnými materiály, svařovacími procesy a svařovacími parametry je možno očekávat realistické výsledky. Bylo zjištěno, že odolnost proti bodové korozi při jednostranném WIG-svařování (při dosavadním přídavném materiálu typu 1.4462 a čistém argonu) je možno zlepšit přídavkem dusíku do ochranného plynu zejména v kořeni nebo použitím superduplexních přídavných materiálů. Přídavkem tohoto plynu se dále posouvá odolnost proti bodové korozi o 2,5 až 5 oC. Při WIG-svařování standardními duplexními přídavnými materiály se přídavkem dusíku může docílit kritická teplota pro vznik bodové koroze 22,5 oC.

Pokud se pro hodnocení svařovacího procesu použije vrubová houževnatost, tak se ukazuje, že zde přináší WIG-svařování ve srovnání se svařováním ručními elektrodami s rutilovým obalem zřetelné výhody. V této souvislosti dává WIG-svarový kov nejvyšší a svarový kov vytvořený obalenými elektrody nejnižší vrubovou houževnatost.

Pokud jde o odolnost proti korozi a o mechanické vlastnosti, nebyly při normálním tepelném příkonu (0,3 až 2,0 kJ.mm-1) a při podílu feritu mezi 23 a 53% pozorovány žádné výraznější změny.

Při použití nově vyvinutých svařovacích ochranných plynů s podílem dusíku se dají docílit při zpracování duplexních ocelí výrazně lepší výsledky, protože ochranné plyny umožňují optimální řízení podílu feritu. S tím je u těchto materiálů spojeno zvýšení svařovací rychlosti a zlepšení odolnosti proti korozi. U plně austenitických materiálů se kromě toho zvyšuje stabilita oblouku. Z toho pak vyplývají přednosti pro ekonomiku a a kvalitu svarových spojů. Oblastí použití jsou stříhací technika, technika odpadních vod, stavba chemických zařízení, ale i potravinářská technika, výroba léčiv nebo genová technologie.

Jak ukazují nové výzkumy, spočívá pozitivní působení dusíku v jeho vlivu na podíl feritu v austenitickém svarovém kovu. Tak bylo blíže sledováno rozdělení primárního deltaferitu ve svarovém kovu z austenické chromniklové oceli. Jako svařovací procesy přicházejí v úvahu obloukové a elektrostruskové navařování. Legování návarového kovu Cr-Ni dusíkem v množství 0,10 až 0,15% vede k homogennějšímu rozdělení feritu.

Jedním z těžisek práce Komise XII. Obloukové svařování Mezinárodního svářečského ústavu (IIW) bylo zjišťování reprodukovatelnosti měření podílu feritu ve svarovém kovu vysokolegovaných austenitických a dvoufázových Cr-Ni ocelí. Šetření ukázala, že rozptyl měření roste se zvyšování podílu feritu. Porovnávací zkoušky v rámci IIW při použití měřících přístrojů kalibrovaných podle ISO 8249 a primárních normálů vykázaly reprodukovatelnost +/- 10 FN v měření podílu feritu pomocí "MagneGageÖ-přístroj" (magnetická váha). Přitom se vycházelo z míry určitosti 95%. Protože je použití primárních normálů ve spojení s magnetickou váhou v provozních podmínkách méně vhodné, proběhla podobně i kalibrace jiných přístrojů na měření feritu pomocí sekundárních normálů. Zde byl zjištěn maximální rozptyl +/- 14 FN. Při uvedených porovnávacích zkouškách byly laboratořemi, které se na zkouškách podílely, vyšetřovány různé vzorky s předem daným podílem feritu 4,0, 10,0 a 50,0 FN.

Za pomoci statistického vyhodnocování byly stanoveny matematické vztahy mezi podílem feritu v FN a chemickým složením vysokolegovaných nerezavějících ocelí. Bylo vyšetřováno celkem 560 druhů legování. Podíl feritu kolísal ve vyhodnocovaném souboru dat mezi 0 a 61 FN. Byla stanovena tato závislost mezi podílem feritu a chemickým složením:
FN = -48,5296 - 13,8497%C + 12,7329%Si + 1,15893%Mn + 3,88612%Cr - 3,14161%Ni + 4,60491%Mo + 10,1017%Cu - 20,3555%N.

Byl publikován nově vyvinutý diagram struktury pro předpověď podílu feritu a martenzitu ve svarovém kovu vysokolegovaných ocelí. Ve srovnání se Schaefflerovým a WCR diagramem se zde jeví možnost, že i uvnitř oblasti martenzit-ferit bude možno pomocí iso-čar feritu pro materiály v této oblasti přesněji předpovědět podíly struktury.

S podílem feritu ve vysokolegovaném svarovém kovu je úzce spojena problematika náchylnosti k trhlinám za tepla. Důkladná šetření byla věnována zejména spolehlivému důkazu všech třech typů trhlin za tepla, tj. trhlinám při tuhnutí, trhlinám při opětovném natavování a trhlinám souvisejícím s poklesem tvárnosti. Byly nutné zkušební metody, které dokáží jednoznačně prokázat náchylnost k mikrotrhlinám a popsat ji v měřitelné velikosti. Rozsáhlá šetření potvrdila v této souvislosti vypovídací schopnost a průkaznost modifikované zkoušky Varestrainta (MVT-test) a programované zkoušky trhlin při tváření (PVR-test). Jak fraktografické poznatky, tak i metalografická šetření ukázala, že metalurgické podmínky pro vznik trhlin vlivem poklesu tvárnosti na jedné straně a trhlin při tuhnutí a opětovném natavování na druhé straně jsou velmi rozdílné. Z toho je možno odvodit, že materiály s vysokou citlivostí na vznik trhlin vlivem poklesu tvárnosti nemusí mít nutně sklon k trhlinám při tuhnutí a natavování.

Zvláště při plném vysvětlení příčin vzniku trhlin vlivem poklesu tvárnosti je třeba současně vysvětlit i celou řadu otázek. Jak bylo na základě vyčerpávající analýzy aktuálního stavu poznatků k problematice houževnatosti za tepla ukázáno, závisí vznik trhlin v důsledku poklesu tvárnosti při vysokých teplotách (Ductility Dip Craks nebo DDC) na velkém počtu nejrozmanitějších a maximálně komplexních vlivů. Přiřazení vzniku takových trhlin k trhlinám za tepla, tj. k trhlinám, jejichž tvoření je obvykle vázáno na vznik nízkotavitelné vrstvičky na hranicích zrn, nemůže následovat bez komentáře. Jako trhliny za tepla mohou být proto definovány takové trhliny, jejichž vznik je jako přímý následek tuhnutí kovových materiálů a jejichž podmínky vzniku jsou bezprostředně spojeny se zvláštnostmi mechanických vlastností v teplotním intervalu tuhnutí a na něj navazující teplotní rozsah. Pro tvorbu trhlin za tepla (DDC) není však zodpovědná jen přítomnost tekutých, polotekutých nebo nízkotavitelných fází na hranicích zrn, které v důsledků procesů tuhnutí a tavení vznikají, resp. existují v oblasti teploty solidu. Dalším důvodem je vznik kontrakčních pnutí a působení místně omezených zpevnění v důsledku vylučovacích procesů a/nebo deformační procesy již v plně tuhém stavu. V této souvislosti je třeba přiznat větší důležitost pojmu "technologická pevnost", čímž se rozumí odolnost materiálů proti vzniku trhlin v teplotním intervalu jejich tuhnutí.

Řada mezinárodních publikací ukazuje, že trhliny za tepla při svařování vysokolegovaných ocelí představují v současnosti vážný problém. Vedle hodnocení vlivů legovacích a doprovodných prvků, udávají aktuální výsledky výzkumu přímou souvislost mezi pravděpodobností tvorby trhlin za tepla a elektromagnetickými účinky při obloukovém svařování chromniklových ocelí a niklových slitin. Bylo přijato, že velikost teplotního intervalu křehkosti (TTS) se mění tak, že se zvyšuje jeho spodní hranice. S tím může být spojeno zmenšení sklonu k tvorbě trhlin za tepla. Optimální parametry elektromagnetického působení byly definovány na základě zevšeobecnělé charakteristické velikosti, která může být vypočtena pro konkrétní svařovací podmínky jako funkce energetického příkonu od oblouku jako zdroje tepla do svarového spoje.

Vysokolegované oceli podléhají kromě nebezpečí tvorby trhlin za tepla řadě dalších působení, ke kterým patří zejména korozní namáhání. Skupina nově vyvinutých vysokolegovaných austenitických nerezavějících ocelí, které jsou vhodné pro použití v prostředí s vysokým obsahem chloru, např. v mořské vodě, bělírnách buničiny a čistírnách kouřových plynů, vyznačují se pro tento účel vysokým obsahem molybdenu a přídavkem dusíku. Svařovací zkoušky ukázaly, že při výběru vhodných přídavných materiálů a k nim přizpůsobených svařovacích procesů a parametrů, je možno zhotovit svarové spoje s vysokými antikorozními vlastnostmi a vysoce odolné vůči trhlinám za tepla.

Pro transport korozně působících produktů jako ropa, zemní plyn a kondenzát s obsahem CO2, H2S a chloridů, jsou nutné vhodné a cenově příznivé materiály pro potrubí. V současné době se zde používají hlavně mikrolegované TM-ocelové roury. Použití inhibitorů pro ochranu proti korozi může být při tom náročné na údržbu. Podobně do dnes je praktikována nenáročná na údržbu, ale velmi drahá alternativa pokládaní trub z duplexních ocelí nebo trub s vnitřním plátováním. V této souvislosti uvádí jeden pramen představy pro jaká použití je možno použít měkké martenzitické ocele s obsahem 13% Cr. Autoři poukazují na základě vlastních výzkumů, že MAG-svarové spoje na rourách z 13%ní chromové ocele s obdobnými standardními přídavnými materiály vykazovaly povzbudivé výsledky s ohledem na mechanicko-technologické vlastnosti svarového kovu. Tato zjištění platí obdobně pro svarové spoje sestávající z kořenové housenky svařené duplexním drátem a výplňových resp. krycích housenek svařených druhově stejným drátem. Problematické zůstávají zjištěná ztvrdnutí v měkkém martensitickém svarovém kovu. Vhodné možnosti řešení by mohly poskytnout modifikace legování a následná tepelná zpracování.

Zatímco v minulých letech byly rešeršovány především odborné příspěvky v mezinárodní literatuře, jejichž obsah se zabýval svařovacími a metalurgickými zvláštnostmi vysokolegovaných oceli odolávajících korozi a kyselinám při použití stávajících procesů, může se v současnosti konstatovat, že se při zpracování těchto materiálů v rostoucí míře používají svařovací procesy na bázi paprsku. Např. při výrobě velmi kvalitních brýlových rámů z nerezavějící oceli nabývá výrazně na významu laserové svařování ve srovnání s konvenčními způsoby. V rámci jedné studie bylo zjišťováno, zda pájení nebo svařování brýlových rámů lépe splňují stanovené požadavky. K tomu byly laserově svařeny profily z chromniklové oceli, jaké se užívají v podmínkách praktického nošení pro jejich dlouhodobou odolnost proti korozi. Pro upřesnění metalurgických vlastností spojových míst byly vyšetřovány kvalitativní hodnoty vzorků vzhledem na tvrdost, pevnost, tvárnost a složení struktury. S ohledem na požadovanou dobrou tvárnost spojů byly u těchto vzorků prokázány přednosti ve srovnání s laserovým pájením.

Velmi zajímavou možnost použití laserového svařování dává výroba hydraulických ventilů. Vlivem vysokých provozních tlaků v hydraulickém systému vznikl požadavek na přizpůsobení mechanicko-technologických vlastností spojových míst. Na základě zvolené materiálové kombinace z nerezavějící oceli AISI 304L (X2CrNi19-10, 1.4306) a automatové oceli legované sírou a olovem typu AISI 12L13 (11SMnPb30, 1.0718) bylo třeba počítat z hlediska svařovací metalurgie se vznikem trhlin za tepla. V tepelně ovlivněném pásmu se vlivem přítomnosti síry, olova a fosforu objevily vyvolané mikrotrhliny z důvodu opakovaného natavení a v zóně tavení trhliny při tuhnutí. Bylo vyšetřováno vzájemné působení mezi rozložením prvků v pásmu spoje ohroženém trhlinami za tepla, parametry laserového svařování včetně polohy ohniska a strukturou materiálu. Bylo prokázáno, že za pomoci laserového svařování a při použití vhodných svařovacích parametrů je možno zhotovit spoje, které mají vyhovující kvalitu. Tím je i možné svařováním spojit materiálové dvojice, z nichž jeden platí jako nevhodný pro svařování. V této souvislosti poukazuje zevrubně jeden příspěvek na problémy, které je možno očekávat ze svařovacího metalurgického pohledu očekávat při svařování důležitých skupin ocelí a možných kombinací spojů.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz