Kezembe került egy nagyon hasznos írás a melegszilárd acélok hegesztéséről. Úgy gondoltam, hogy közzéteszem az oldalon ezt az írást, mert akit érdekel ez a téma, az biztos, hogy sok hasznos információt fog találni a Dr. BÉRES Lajos és Dr. Werner IRMER által jegyzett tanulmányban.
“Sok” a számolgatás, a táblázat, a fügvény, de úgy gondolom, hogy néha kell ilyen is az oldalra. Aki nem szereti a tömény elméletet, még azok is találhatnak benne érdekességeket, szerintem érdemes legalább egyszer elolvasni. Nem mondom, hogy könnyű anyag, többször is át kell olvasni bizonyos részeket, hogy képben legyünk, de akit érdekel az rá fogja szánni az időt, mert megéri.
A publikációban szereplő hegesztőanyagok mind Böhler termékek, mivel a tanulmány az ő nevük alatt jelent meg. Természetesen a többi hegesztőanyag gyártónál is találhatunk ezekkel megegyező hegesztőanyagokat.
BEVEZETÉS
A melegszilárd acélok elsősorban a hőerőművek építésében, a gőzturbina gyártásban, a kőolaj- és földgázfeldolgozó iparban, továbbá a vegyipari berendezések előállításában nyernek széleskörű alkalmazást a termikus hatásfok emelése céljából.
Az ötvözetlen acélok szilárdsági tulajdonságai a hőmérséklet emelkedésével erőteljesen csökkennek, ezért ennek növelése érdekében elsősorban krómmal, molibdénnel és vanádiummal ötvözik azokat.
A leggyakrabban előforduló melegszilárd acélok néhány jellegzetes képviselője az 1. táblázatban található, valamint az a hőmérséklet, amelyen irodalmi adatok szerint gyengén oxidáló atmoszférában reveállóságuk még kielégítő. Bár e szempontból az ötvözetlen acélok 500 °C-ig felelhetnek meg, kb. 350 °C fölött csak alárendelt szerkezetekben, pl. kisveszélyességű hőcserélőkben kerülnek beépítésre. Jól érzékelhető az, hogy az acélok az üzemi hőmérséklet emelkedésével egyre több krómmal és molibdénnel ötvözöttek egyrészt a szükséges melegszilárdsági tulajdonságok elérése céljából, másrészt pedig azért, hogy a felületen kifejlődő oxidréteg az őket körülvevő atmoszféra oxidációs hatásának ellenálljon.
1. táblázat. Leggyakoribb melgszilárd acélok csoportosítása és megengedhető üzemi hőmérséklete enyhén oxidáló füstgázatmoszférában
A melegszilárd acélok ötvözés tekintetében az acélok teljes választékából kerülnek ki. A jobb áttekinthetőség végett a nagyszámú acélféleség közül a táblázat csupán néhány jellegzetes összetételt tartalmaz és ennek alapján az acélok az alábbi csoportokba besorolhatók.
- Ferrit-perlites (ötvözetlen vagy gyengén ötvözött) acélok,
- Bainit-martensites (közepesen ötvözött) acélok,
- Martensites (erősen ötvözött, edzhető) acélok,
- Austenites (erősen ötvözött ausztenites szövetszerkezetű acélok.
A hegesztett kötések készítéséhez elsősorban a 2. táblázatban található elektródákat ajánljuk az előző táblázattal azonos csoportosításban (a könnyebb áttekinthetőség céljából csak a kézi hegesztés céljaira készült bevont elektródákat tüntettük fel, de természetesen ezeknek megfelelő összetételű hegesztőanyagok más eljáráshoz is rendelkezésre állnak).
2. táblázat. Melegszilárd acélok hegesztéséhez leggyakrabban használt elktródák és jellemző összetételük
Abban az esetben, ha a hegesztőanyag a két alapanyaggal azonos összetételű, ún. homogén kötésekről van szó. Gyakran előfordul azonban az az eset, amikor nem azonos jelű, illetve nem azonos csoportba tartozó alapanyagokat kell egymással összehegeszteni. Ezek az ún. heterogén kötések, amelyeknél a varrat és az alapanyagok Cr tartalma között különbség van. Ennek következtében az üzemi hőmérsékleteken diffúzió zajlik. E folyamatban legdöntőbb a C atomok diffúziója, amely a kisebb Cr tartalmú oldal felől a nagyobb Cr tartalmú oldal felé irányul. Ennek eredményeként az átolvadási vonal egyik oldalán a kisebb Cr tartalmú anyagrészben karbonban szegény fer-ritréteg, a másik oldalon pedig karbidszemcsékben dús réteg keletkezik [2]. A króm és a molibdén, valamint a további ötvözőelemek növelik az átedzhetőséget, ezért hegesztéskor általában előmelegítés, a hegesztést követően pedig megeresztés szükséges. Ennek hőmérséklete az évszázad közepére tapasztalati, illetve kísérleti úton alakult ki, s mivel sem kellő pontosságú előmelegítő eljárás, sem pedig megfelelő hőfokmérési lehetőség nem volt, széles hőmérséklethatárok váltak szokásossá.
Érthető, hogy e széles határok között tetszőlegesen megvalósuló előmelegítési hőmérsékletek és a különböző adagokból gyártott alap-anyagok összetételének állandó változása miatt az elkészült kötések szilárdsági tulajdonságai erősen szórhatnak.
Belátható, hogy azonos, vagy legalább közel azonos tulajdonságú kötések készítése csak az éppen hegesztésre kerülő adag összetételének pontos ismeretében kijelölt előmelegítési – és ahol szükséges, a közbenső lehűtési – hőmérséklet előírásával lehetséges.
Az adag összetétele a műbizonylatból ismert, egy adott hőmérséklet beállítása szűk határok között, továbbá a folyamatos hőfokmérés pedig ma már az általánosan alkalmazott hőkezelő automatákkal megvalósítható. Ezeken a gépeken a beállított hőmérséklet ± egy-két °C pontossággal tartható és dokumentálható.
A következő táblázatokban a beállítandó hőmérsékletek javasolt értékeit adjuk meg, illetve azokat a határokat, amelyen belül a hegesztő szakember a munkadarab méretét és a munkavégzés körülményeit mérlegelve a hőmérsékletet kijelölheti.
1. HOMOGÉN KÖTÉSEK KÉSZÍTÉSE
A homogén kötések készítéséhez ajánlott elektródákról és a hegesztéssel összefüggő hőkezelésekről a 2. és a 3. táblázat ad áttekintést. E kötésfajta előnye a heterogénhez képest az, hogy összetétel és szilárdsági tulajdonságok tekintetében a kötés homogén, hátránya azonban az, hogy az ötvözőelemek növekedésével a hegömledék – főleg a megeresztés előtt – egyre keményebb és ridegebb.
1.1.Az„A “csoportba tartozó alap- és hegesztőanyagok ötvözetlenek, vagy csak gyengén ötvözöttek. Hegesztéskor ezért előmelegítést és megeresztést általában nem igényelnek, csupán a belső feszültségek csökkentése végett ajánlott előmelegítés elsősorban abban az esetben, ha a hegesztést követően feszültségcsökkentő hőkezelés nem megoldható.
1.2.A„B”csoportba tartozó alap- és hegesztőanyagok krómmal és molibdénnel közepesen ötvözöttek. Előmelegítés nélkül hegesztve ezért erősen felkeményednek és repedhetnek. Az előmelegítés célja ezeknél az acéloknál az, hogy a hőhatásövezet α – γ átalakuláson átesett részei és a varrat hegesztés közben – az általában még megengedhetőnektartott-300 HV keménységet még a 2,3 % Cr tartalmú acéloknál se érje el. Az éppen elkészült varratsor keménysége ennél természetesen valamivel nagyobb, a későbbi sorok hőhatása azonban kissé megereszti, lágyítja azt.
Adott adagszámú acél hegesztésekor az összetételhez igazodó előmelegítési hőmérséklet a karbonegyenérték (Ce) meghatározása után jelölhető ki:
Az 1. ábra ennek függvényében adja meg az ajánlott előmelegítési hőmérsékletet. Az alsó határértékek a 10 mm-nél kisebb, a felsők a 30 mm-nél nagyobb falvastagságokra, illetve öntvényekre, valamint utólagos javításokra vonatkoznak.
Példa: Legyen a kb. 20 mm falvastagságú 10 CrMo 9 10 jelű acél összetétele a következő: C=0,12 %; Mn=0,6 %; Cr=2,2 %; Mo=1,00 %; Si=0,3 %.
A karbonegyenérték: Ce=0,12+0,1 +0,44+0,25+0,02=0, 93 Az előmelegítés javasolt értéke az 1. ábrából: 286 °C. Beállítandó hőfok értéke: 290 °C.
A karbonegyenértéket természetesen az alap- és a hegesztőanyagra külön-külön ki kell számolni, és az előmelegítést a nagyobb Ce értéknek megfelelően kell vé-gezni. A varrat és a hőhatásövezet γ-α átalakuláson átesett anyagrészei hegesztés után közvetlenül 250…300 HV ke-ménységűek, de a megeresztés hatására ez az érték 200 HV alá süllyed.
1.ábra
A melegítés sebessége 20 mm falvastagság alatt és abban az esetben, ha az alapanyag szabadon tágulhat és zsugorodhat, a 200 °C/h értéket is elérheti. Ellenkező esetben és öntvényeknél legfeljebb 130…150 °C/h legyen, de 80…90 mm-nél nagyobb falvastagságoknál 50-60 °C/h-nál többet ne írjunk elő.
Az ajánlott előmelegítési hőmérséklet túllépése gazdaságossági szempontból hátrányos. E mellett azonban a hűlési sebességet csökkenti, ezért bizonyos fokig kedvező, hiszen a keménység csökkentésének irányában hat. Az 1. ábrán szereplő hőmérsékletek több mint kb. 50 °C-kal történő túllépése azonban a ferrit oly nagy mennyiségű megjelenését eredményezheti, amely már a kötés szilárdsági tulajdonságát rontja.
1.3.A „C” csoportba tartozó alap és hegesztőanyagok erősen ötvözött edzhető acélok. Légedzésűek, mert az austenitnek az Ms hőmérséklet (a martensites átalakulás kezdő hőmérséklete hűléskor) fölött oly hosszú a lappangási ideje, hogy átalakulása még napok múlva sem indul meg.
Ezek a kb. 4 %-nál több krómot tartalmazó acélok. Hegesztéskor azonban a varrat és a hőhatásövezet austenitessé vált anyagrészei néhány percen belül Ms hőmérséklet alá hűlnek abban az esetben, ha az előmelegítés hőmérséklete ez alatti, s ezért ezután csak martensitté alakulhatnak át további hűléskor. Az acélok Ms hőmérséklete jó közelítéssel 250…400 °C között van.
Ezeknél az acéloknál kétféle hegesztést ajánlhatunk:
1.3.1. Austenites hegesztés
Az előmelegítést az Ms hőmérséklet fölött 400…450 °C-on végezzük, ezért az austenit a hegesztés befejezéséig nem alakul át. Képlékeny, tehát hegesztés közben repedésveszéllyel gyakorlatilag nem kell számolni. Hegesztés után a kötést az ún. közbenső hűtés hőmérsékletére kell lehűteni azért, hogy az austenit teljes egészében martensitté alakuljon, majd ezután következhet a megeresztés. A lehűléskor azonban nagy tömegű austenit alakul át martensitté és ez nagy térfogatváltozással jár, amelynek következtében jelentős a repedésveszély. Tekintettel arra, hogy az előmelegítés nagy hőmérsékletét a hegesztés teljes időtartama alatt megtartani költséges és a hegesztőt nagyon igénybe veszi, általában az ún. martensites hegesztés megvalósítására törekszünk. A hegesztéssel összefüggő hőkezeléseket ezért az 1.3.2. pontban részletezzük.
1.3.2. Martensites hegesztés
Az előmelegítés hőmérséklete az Ms hőmérséklet alatt van, ezért hegesztés közben az austenit mellett martensit is képződik. Legkisebb a repedésveszély abban az esetben, ha az austenit és a martensit részaránya kb. 50-50 %. Az austenites hegesztéshez képest hegesztés közben nagyobb ugyan a repedésveszély, hűléskor azonban jóval kisebb a térfogatváltozásból adódó belső feszültség.
Végeredményben a tapasztalat szerint a martensites hegesztés az említett austenit-martensit arány mellett nagyobb biztonsággal végezhető, mint az austenites hegesztés. A repedésveszély természetesen az acél C tartalmának csökkenésével kissé csökken, mert a martensit lágyabb [3].
A hegesztés befejezésekor tehát a varratban és az átalakuláson átesett anyagrészekben jelentős mennyiségű austenit mindig található és a kötést a megeresztés előtt egy bizonyos hőmérsékletre le kell hűteni azért, hogy a martensites átalakulás végbe menjen. Ez az ún. közbenső lehűtés, amelynek során a keménység fokozatosan 350…400 HV értékre nő, s majd csak a megeresztés hőmérsékletén csökken 240 HV alá. A közbenső lehűtés hőmérsékletén a kötés tehát eléggé rideg, ezért a kb. 0,15 %-nál több karbont tartalmazó acéloknál szobahőmérsékletre nem is célszerű lehűteni: a hőntartás befejeztével azonnali megeresztés ajánlott. Az ennél kisebb C tartalmú acéloknál megengedhető a szobahőmérsékletre hűlés, megeresztés előtt.
Az Ms hőmérséklet alatt a martensit részaránya a hőmérséklet csökkenésével a 2. ábra szerint növekszik. Bizonyos, most nem részletezett számítások egyszerűsítése végett [2] berajzolt közelítés szerint ez a növekedés kezdetben lineáris oly módon, mintha az átalakulás az Ms hőmérséklet alatt 126 °C-on be is fejeződne, azaz 1 °C különbség a martensit tartalomban kereken 0,8 % változást von maga után. E szerint az előbb említett 50 % martensit részarány eléréséhez az acélt az Ms hőmérséklet alá kb. 70 °C-kal kell lehűteni, Kauhausen mérései szerint kb. 50 °C-kal. A legkedvezőbbnek tartható austenit-martensit arány elérése végett e két érték számtani közepét véve alapul, a 3. táblázatban szereplő előmelegítés (Te), valamint a már előbb említett közbenső lehűtés (Tk) hőmérsékletét ezeknél az acéloknál az alábbi módon kell kijelölni:
Te = Ms – 60 ±10 (°C)
Tk = Ms – 190 ±10 (°C)
2. ábra A martensit részaránya a szövetszerkezetben, az MS alatti hőmérsékletek függvényében
3. táblázat. Homogén hegesztett kötések kialakítása melegszilárd acélokon
A magasabb hőmérsékleteket a kb. 30 mm-nél nagyobb falvastagságoknál és öntvényeknél, az alacsonyabbakat kb. 10 mm falvastagság alatt írjuk elő.
Tekintettel a kb. 0,15 %-nál kisebb C tartalmú acélok nagyobb szívósságára, az ilyen acélok előmelegítési hőmérséklete a számítással meghatározott értéknél 10…15 °C-kal alacsonyabb lehet.
Az Ms hőmérséklet az acél összetételétől függ és néhány °C eltéréssel számítható [4], [5]. A különböző adagok összetétele a szabványban megadott értékhatárok között szabadon változhat és ennek eredménye az, hogy egy adott acélnál a két szélső adag Ms hőmérséklete akár 80 °C-kal is eltérhet egymástól. Abban az esetben, ha az előmelegftés hőmérsékletét az eddigi gyakorlatnak megfelelően az adag összetételének figyelembe vétele nélkül írják elő, ezen eltérés miatt az egymást követő és különböző adagból készült lemezek, csövek hegesztésekor [6]:
- a 2. ábra alapján akár 60 % változás is bekövetkezhet a martensit tartalomban, amely a repedésérzékenység erős változását vonja maga után és a kifogástalan minőségű hegesztést is kétségessé teszi;
- előfordulhat az, hogy az előmelegítést az illető adag Ms hőmérséklete alatt oly mélyen végzik, hogy hegesztés közben közel 100 % martensit keletkezik. Ez a kb. 0,15 %-nál nagyobb C tartalmú acélokban már hegesztés közben is repedést okoz, de a kisebb C tartalmúakban is erősen megnöveli a repedésveszélyt. Előfordulhat azonban az is, hogy a hegesztés az illető adag Ms hőmérséklete fölött folyik. Ilyenkor szándékunkkal ellentétben austenites hegesztést végzünk és a kötésben hűléskor repedés léphet fel: A felesleges kockázat elkerülése végett a kb. 0,15 %-nál kisebb C tartalmú acéloknál is célszerű az előmelegítés hőmérsékletét az összetételtől függően kiszámítani.
A C csoportba tartozó melegszilárd acélok Ms hőmérséklete az alábbi összefüggéssel számítható:
Ms = 454 – 210 x C + 4,2/C – 27Ni -7,8Mn – 9,5x (Cr + Mo +1,5 Si + V + W)
Az összefüggésben az elemek vegyjele azok tömeg%-át jelenti.
Példa: Számítsuk ki az 1. táblázat C csoportjában található X 10 CrMoVNb 9 1 jelű acél előmelegítési és közbenső lehűtési hőmérsékletét a két szélső összetételű adagra azzal a feltételezéssel, hogy a nikkel legalacsonyabb értéke: 0,2 %.
A legkevesebb ötvözőelemet tartalmazó adagnál: °C
Ms=454 – 210×0,08+4,2 / 0,08 – 27×0,2 – 7,8×0,3 – 9,5x(8,0+0,85+1,5×0,2+0,18)=393,4 °C
A legtöbb ötvözőelemet tartalmazó adagnál: °C
Ms=454 – 210×0,12+4,2 / 0,12 – 27×0,4-7,8×0,6-9,5x(9,5+1,05+1,5×0,5+0,25)=338,6 °C
Az első esetben:
Te=Ms- 60 ± 10 °C, azaz kerekítve 330 °C
Tk= Ms-190 ± 10 °C, azaz kerekítve 200 °C
A második esetben:
Te=Ms- 60 ± 10 °C, azaz kerekítve 280 °C
Tk= Ms- 60 ± 10 °C, azaz kerekítve 150 °C
Az alap- és hegesztőanyag gyártók szerint az előmelegítés ajánlott hőmérsékletköze 200…300 °C. A példából jól érzékelhető az, hogy ha az előmelegítés hőmérsékletét nem az elméletileg meglapozott módon az összetételből számítjuk ki, hanem mindig pl. 300 °C-ban írnánk elő, a több ötvözőelemet tartalmazó adagok hegesztésekor valójában austenites hegesztést végeznénk, hiszen az előmelegítés hőmérséklete 20 °C-kal magasabb lenne, mint az acél Ms hőmérséklete. A kötés hűlés közben repedhetne meg. Abban az esetben viszont, ha csak 200 °C előmelegítést alkalmazunk, a kevesebb ötvözőelem tartalmú adagok hegesztésekor szinte teljes egészében martensites szövet keletkezne. A hegesztés ugyanis az Ms hőmérséklet alatt 130 °C-kal folyna, és ilyenkor már hegesztés közben felléphet repedés a kötésben.
Ugyanez a helyzet a közbenső lehűtés hőmérsékletének meghatározásakor is. A gyártómű szerint ennek hőmérséklete 180 °C legyen. Ez jó közepes érték a számítással meghatározott 150, illetve 200 °C-hoz képest, adott esetben azonban az összetételből kiszámolt hőmérséklet alkalmazásával a repedésveszély tovább csökkenthető.
Belátható tehát, hogy a hegesztésre kerülő különböző adagból származó alapanyagok elfogadhatóan alacsony és mindig azonos fokú repedésérzékenysége csak az összetételből kiszámolt előmelegítési hőmérséklet alkalmazásával érhető el. Az előmelegítés hőmérsékletét tehát adagonként kell meghatározni. Ez a hőmérséklet a több ötvözőelemet tartalmazó adagoknál alacsonyabb, mint a kevesebb ötvözőelemet tartalmazóknál. Martensites hegesztéskor tehát az előmelegítés hőmérsékletének – a számítotthoz képest – emelése nem növeli a biztonságot!
Az előmelegítési hőmérsékletre hevítés sebessége általában 150…200 °C/h legyen. A közbenső hűtés hőmérsékletére hűléskor a hűtés sebessége és a megeresztési hőmérsékletre hevítéskora hevítés sebessége egyaránt 100…150 °C/h legyen általában. Utólagos munkáknál, javításoknál, mozgásukban gátolt 60…80 mm-nél vastagabb részeknél az említett értékek felét célszerű beállítani.
A közbenső lehűtés hőmérsékletén a hőntartás ajánlott időtartama falvastagság milliméterenként 2,0…2,5 min.
1.4. A „D” csoportba a melegszilárd austenites CrNi acélok tartoznak. Ezek hegesztése az azonos csoportba tartozó hegesztőanyagokkal az austenites acéloknál megszokott módon végezhető. Általában előmelegítés nélkül és kis hőbevitellel kell hegeszteni.
A következő részben a HETEROGÉN KÖTÉSEK KÉSZÍTÉSE jön és néhány jó tanács a szerzőktől a hegesztéshez.
Forrás: Dr. BÉRES Lajos és Dr. Werner IRMER: MELEGSZILÁRD ACÉLOK HEGESZTÉSE