A hegeszthetőség fogalma

Átírás

1 A hegeszthetőség fogalma Az acél hegeszthetősége annak bizonyos fokú alkalmassága, adott alkalmazásra, meghatározott (megfelelő) munkarenddel, megfelelő hegesztőanyagokkal, olyan szerkezet készítésére, amelyben a fémes kötések helyi tulajdonságai, a szerkezetre kifejtett hatásukkal együtt tesznek eleget a megkívánt követelményeknek.

2 Hegeszthetőségi háromszög Szerkezet Megbízhatóság Lehetőség Hegeszthetőség Alapanyag Technológia Alkalmasság

3 A hegeszthetőség tényezői MEGHATÁROZÓ TÉNYEZŐK - Az acél kémiai összetétele - Gyártási eljárás - Hőkezelési állapot - Előzetes alakítás BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK - Vastagság, méret, geometria - A hirtelen keresztmetszet változások - A feszültség gyűjtő helyek - Kötés kialakítások -Gyárthatóság - Üzemi körülmények

4 A kémiai összetétel hatása Alapalkotók: C, Mn, Si, S, P Gáznemű szennyezők: O, N, H Ötvözők: Cr, Ni, Mo, V, W, Ti, Nb, Ta stb Cr Ferritképző, korrózióállóságot, melegszilárdságot javít, karbidképző Ni Mo Ausztenitképző, korrózióállóságot javítja Ferritképző, karbidképző, a helyi korrózióval szembeni ellenállást, melegszilárdságot javítja V, W, Ti, Nb, Ta, erős karbidképzők, a melegszilárdságot javítják

5 Karbon hatása Az acél szűkebb értelemben hegeszthető, ha nem edzhető (C < 0,22 %)

6 Mangán hatása 1,7 R m KV Mn, % Dezoxidens KÉNTELENÍTÉS FeS + Mn = MnS + Hegeszthető acéloknál a szilárdság növelésére ötvözik, pl. 52 -es (S355) acélokban többek között 1,7 % Mn ötvöző van A mangán a szilárdságot növeli és az ütőmunkát sem rontja el 1,7 % alatt. Fe

7 Szilícium hatása R m Fő dezoxidens Az acél dezoxidált, (csillapított) ha KV Si 0,12 % Si, % Félig csillapított: 0,07 % Si < 0,12% Csillapítatlan, ha Si < 0,07 % A szilícium ridegít, így maximum 0,5 %-ot ötvöznek, kivéve a hőálló acélokat és egyéb speciális acélokat.

8 Kén hatása Fe 986 ºC FeS A kristályosodási repedésérzékenységet fokozza. (Melegrepedést okozhat.) A kis olvadáspontú Fe-FeS eutektikumnak köszönhetően. Teraszos repedés érzékenységért is a kén a felelős. (Képlékenyalakításnál a vörös-törékenységet okozza.) S 0,035 % általában.

9 Foszfor hatása Rm KV P, % Ridegít (hidegtörékenységet okoz) Hegesztésnél nem tudjuk csökkenteni a P mennyiségét Kénteleníteni és foszfortalanítani egyszerre nem lehet. A kéntelenítést kell végrehajtani, a P mennyiségét acélgyártáskor csökkentik Szokásos mennyiség: P 0,035 %

10 Oxigén hatása Oldott állapotban R m KV O, % Zárványok formájában FeO formájában is ridegít A gömb alakú (nemes) zárványok kedvezőbbek. MnO, SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2, V 2 O 3, CaO agy mértékben ridegít az oxigén. dezoxidálás nagyon fontos a hegesztéstechnika gyakorlatában

11 Dezoxidálás A dezoxidens ötvözők: Mn, Si, (Nb), V, Al, Ti, Zr, Ca (jelölésben Me - Metal). A tömeghatás törvényét felírva: K = ( MeO) [ Fe] [ FeO][ Me] K reakció egyensúlyi állandó FeO + Me MeO + Fe Hegesztésnél a diffúziós dezoxidálást is figyelembe kell venni: L ( FeO) = L megoszlási tényező [ FeO]

12 Jellemző tulajdonságok az oxigén tartalomtól függően T KV, ºC KV 27 J KV 40 J KV 60 J ISO Dezoxidálás 20 JR KR LR B Si - al dezoxidált, csillapított 0 J0 K0 L0 C "+nemes dezoxid. 20 J2 K2 L2 D "+ f. szemcse 40 J4 K4 L4 E "+ Ni ötvözés

13 Nitrogén hatása R m KV Kis N-tart. Nagy N-tart. KV Öregedés T, ºC N, % A nitrogén ridegít és öregedést okoz

14 A nitrogén csökkenése: Denitrálás A nitrogén ridegít és öregedést okoz. Az öregedés azt jelenti, hogy az átmeneti hőmérséklet nő, az ütőmunka csökken. Az öregedés elkerülésére az acélokat denitrálni kell. Denitrálás: FeN + Me = MeN + Fe Denitrálásra használható ötvözők: Al, V, Ti, Nb, Zr (nemes dezoxidensek) Azok az acélok, amelyek nemes dezoxidenssel is dezoxidáltak, öregedésállók is.

15 Mikroötvözés, mikroötvözött acélok Mikroötvözött acélok elnevezése az igen kis mértékű ötvözésből származik: Al V Nb Ti de maximum N ,015 % lehet ,5 Al, % Ti, % V, % Nb, % Zr, % B, %,015 0,03 0,02 0,06 0,02 0,15 0,015 0,1 0,015 0,1 0,0005 0,003 Tehát kis mennyiségben ötvözik a nitrogént nitridképző ötvözőkkel. (Mikro-mennyiségben viszik be az ötvözőket.) A nitridek diszperz eloszlását kell biztosítani, hőkezeléssel A mikroötvözött acélokra általában jellemező a növelt folyáshatár: Re 355 MPa

16 Mikroötvözött acélokra jellemző Ötvöző kiegyenlítés: A szilárdság nő és diszperz fázis eloszlásnál az ütőmunka sem és az átmeneti hőmérséklet sem romlik. Ezek szűkebb értelemben is hegeszthető acélok (C< 0,2 %). A karboneqv.-t is szavatolják sokszor. Ezek az acélok magasabb hőmérsékleten durvulnak el. Rm KV Mikroötvöző

17 Termomechanikus kezelés T A 3 Normalizálás Normalizálás Víz hűtés t ikroötvözéssel és termomechanikus kezeléssel elérhető az = MPa is. (Nagy szilárdságú hegeszthető acélok.) eh

18 Hidrogén hatása Mikroüregekbe bediffundált hidrogén, molekulákat alkotva bezáródik. Nagy nyomás alakulhat ki, amelyből adódó feszültség töréshez vezethet. Fényes felületű szubmikroszkópikus repedések, a pelyhek. Pelyhesedés s jelensége [H] [H] H 2 [H] Szubmikroszkópikus repedés Mikroüreg A szubmikroszkópikus repedések terjedése mikroszkópikus, majd makro-repedésekhez vezethet. A pelyhesedés a varratban hidegrepedések kiindulása lehet.

19 Halszem képződés Képlékeny alakváltozás utáni töretfelületeken képződik az un. halszem. Pl. szakító próbatest, hajlító-próba töretfelületén A nagy hidrogén tartalomra utal

20 Gyártási eljárás hatása A hegeszthetőség szempontjából a gyártási eljárás azt jelenti, hogy csak csillapított acélt szabad hegesztett szerkezetekbe beépíteni. Azt, hogy az acél csillapított-e vagy sem a kémiai összetételből látszik. A Si - tartalom alapján tudjuk eldönteni: Ha a Si 0,12 % az acél csillapított. Ha nemes dezoxidens is látható a kémiai összetételben, az acél öregedésálló is.

21 Hőkezelési állapot hatása Más előírás hiányában, a hegesztett szerkezetek acéljait, normalizált állapotban kell szállítani. A normalizálás az ausztenitesítési hőmérsékletről nyugvó, 20 ºC os levegőn való lehűlést jelent. A hőkezelt acélokat hegesztés után is hőkezelni kell. Például: Normalizált állapot: Az acélok többsége. Nemesített állapot: Hidegszívós acélok Edzett állapot: Ausztenites acélok

22 Az előzetes alakítás hatása Hidegalakítás után az acél újrakristályosodhat a hegesztési hő hatására. Ez kritikus alakítás esetén jelentős szemcsedurvulást okozhat. R R m = m + 0 k d Folyamatos öntés utáni melegalakítás esetében zárvá-nyok behengerlése révén a teraszos repedés (rétegesség) is gyakran előfordul.

23 Hegeszthető szerkezeti acélok A szűkebb értelemben hegeszthető acélokra jellemző a kis C tartalom. Jellemző tulajdonságok Szilárdság: R m = MPa Folyáshatár: R eh = MPa Alakváltozó képesség: A 18 % Ütőmunka: KV 27 J Átmeneti hőmérséklet: TTKV = ºC

24 Hegeszthető szerkezeti acélok Régi jel Új MSZ-EN jel Gégi jel Nem szabványos de találkozhatunk vele MSZEN1002 MSZ EN MSZ EN MSZ1741 Csoport MSZ6280 MSZ500 ISO Kat. EN jel /2 /3 /2 /3 37B Fe235B B S235JR "37" 37C Fe235C C S235J0G3 - - P235GH - "235" 37D Fe235D D S235J2 - Nyomástartó edényhez "265" - - C P265GH - KL2 45B Fe275B B S275JR Normalizált Termomech. heng. - "45" 45C Fe275C C S275J0 - - Alacsony hőm.-en szavatolt KV "275" 45D Fe275D D S275N S275N S275M - P275NH - - E S275J4 S275NL S275ML - P275NL "295" - - C P295GH - KL7 - (Fe355B) B S355KR Kis szennyező tartalom Kúszáshatár szavatolt "52" 52C (Fe355C) C S355K0 - - (P355GH) - "355" 52D (Fe355D) D S355K2G3 S355N S355M E - E S355J4 S355NL S355ML - P355NL E420C - C S420LR "420" E420D - D S420N S420M - - E420E - E Kül. csillap S420NL S420ML - P420NL E460C - C S460K "460" E460D - D S460N S460M - - E460E - E S460NL S460ML - P460NL ReH Átmeneti hkv = 27J KV = 40J KV = 60J ISO + 20 C JR KR LR B Szerkezeti acél 0 C J0 K0 L0 C - 20 C J2 K2 L2 D - 40 C J4 K4 L4 E - 50 C J5 K5 L5-60 C J6 K6 L6

25 Előmelegítés Ellenőrizni kell hidegrepedés érzékenységre, a már tanultak szerint. Hegesztőanyag választás Mechanikai tulajdonságok alapján történik: 1,4 R eh a.ag > R eh V R eh a.ag és A v A a.ag és TTKV v TTKV a.ag vagy azonos hőmérsékleten: KV v KV a.ag Hőbevitel, hegesztési technika Hőbevitelt alulról is és felülről is korlátozni kell. Utólagos hőkezelés Nem szükséges, ha előírják: ºC - on max. 0,5 óra hőntartással. Hegeszthető acélok hegesztésnek szabályai

26 MELEGSZILÁRD SZERKEZETI ACÉLOK Jellemző ezekre az acélokra a szavatolt melegszilárdság, ill. tartósfolyás-határ. Re σ t T, ºC ~ 350 σ t -re méreteznek

27 Melegszilárd acélok ötvözése A melegszilárdságot és a kúszási határt növelő ötvözőkkel ötvözik az acélt. Ezek a rekrisztallizációs hőmérsékletet növelő ötvözők főleg karbidképzők Mn, Cr, Mo, V, (W) Ezek az ötvözők - Növelik a szilárd oldat szilárdságát - Az oldott idegen atomok, diszperz kiválások fékezik a kúszási alakváltozást, növelik a törésig eltelt időt A Mo szerepe döntő, már 0,3 % Mo ötvözés hatására 2 3 nagyságrenddel csökken a kúszási sebesség

28 A melegszilárdság növelése 1,5 % Mn ötvözés ºC 0,3 % Mo ötvözés max. 450 ºC-ig zeket normalizált állapotban használják.) Cr Mo ötvözés Cr = 0,5 2,5 % Cr Mo V ötv. Mo = 0,2 1 % Mo V ötvözés V = 0,2 0,3 % zeket nemesítve használják: Edzés 920 ºC ról, megeresztés ºC) tvözet csoportok: Mn ötvözés Mo ötvözés Cr Mo ötv. Mo - V ötvözés Cr Mo V ötv.

29 A grafitosodás jelensége 500 ºC feletti üzemi hőmérsékleten, tartós igénybevétel (évek) hatására jön létre a grafitosodás, az ötvözetlen ill. Mn ötvözésű acélokban. A perlit elbomlik ferrit + grafit fészkek jönnek létre. Romlanak a mechanikai tulajdonságok.

30 Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai A fő probléma a nagy C e (sokszor eléri a 0,5 %-t, sőt van acél, amelyben 1 % is lehet.) hidegrepedés érzékenység! Előmelegítéssel kell hegeszteni ezeket az acélokat s 6 mm fölött. Előmelegítés 0,5 % C e alatt a már ismert nomogramokkal határozzuk meg az előmelegítési hőmérsékletet. Fölötte az Ito Bessyo módszerrel határozható meg az előmelegítési hőmérséklet, illetve az alábbi ökölszabály használható: Mo ötvözés ºC Cr - Mo ötvözés ºC Cr Mo V ötv ºC

31 ITO BESSYO módszer P P T cm c Si Mn = C H s = Pcm = 1440 P c Cu 20 + Ni 60 + Cr 20 + Mo 15 + V B A kémiai elemeket % - ban, a H tartalmat [ml/100g] ban, a lemezvastagságot ( s t) [mm] ben kell helyettesíteni. A T 0 előmelegítési hőmérsékletet [ºC] ban kapjuk.

32 A hegesztés szabályai Hegesztőanyag választás Mn ötvözésű acélok esetében a mechanikai tulajdonságok szerint választjuk a hegesztőanyagot, mint a hegeszthető acéloknál. Mo ötvözésű acélokhoz Mo ötvözésű, Cr Mo ötvözésű acélokhoz Cr Mo ötvözésű stb. hegesztőanyagot választunk. Hőbevitel, hegesztési technika A kis hőbevitelt kerülni kell, mindenféle eljárással hegeszthetők.

33 Utólagos hőkezelés Utólagos hőkezelés Utólagos hőkezelés szükséges Mo ötvözésű acéloknál ºC Cr Mo és Cr Mo V ötv. acéloknál ºC Hőntartás: 2-4 min/mm, de max. 1 h a Mo ötv. és 2 h a Cr Mo illetve Cr Mo V ötvözésű acéloknál A hevítési seb. max. 220 ºC/h, lehűlési seb. max. 275 ºC/h. A hőkezelési paraméterek tervezésénél H p = (Hollomon paraméter) vehető figyelembe. Ezeknél az acéloknál számolni kell az újrahevítési (hőkezelési) repedések keletkezésével, ha a Cr < 1,5 %.

34 Feszültség csökkentő hőkezelés A feszültség csökkentő hőkezelést legalább 520 ºC on kell végrehajtani. A hőkezelést max. 720 ºC on hajtják végre.

35 A Hollomon-Jaffe paraméter 3 H p = T [20 + lg( t)] 10 Rm A Hollomon-Jaffe paraméter értéke ha a hőmérsékletet (T) K - ben, az időt (t) órában helyettesítjük. A falvastagság és ötvöző tartalom növelésével H p nő Re Hp TTKV, ºC Mn < 1 % esetén A kisebb Hollomon-Jaffe paraméter kedvezőbb a mechanikai tulajdonságok szempontjából. Hp

36 H = P P, ha t = 1 óra lg(t) = 0! A diffúziós (Dudás) paraméter D 1D t 1D = D 2 D t 2 D D Q Q RT D RT2 D 0 e 1 t1d = D0 e t 2D g σ Mestergörbe lg(t 2D ) lg(t 1D ) = Q R lg(e) 1 T 2D 1 T 1D p1 p2 T 1D [log (t 1D )+C 1D ]=P 1D T 2D [log (t 2D )+C 2D ]=P 2D T 2D [(T 1D /T 2D )log(t 2D )+Q*lg(e)/(RT 2D )] = = T 1D [log (t 1D )+Q*lg(e)/(RT 2D )] =P 1D T 2D [log (t 2D )+Q*lg(e)/(RT 1D )] = T 1D [(T 2D /T 1D ) log (t 1D )+Q*lg(e)/(RT 1D )] =P 2D

37 A feszültségcsökkentés paraméterei Hőkezeléskor idő korrekciót kell alkalmazni: t t c c = = 2,3K t + t c1 ( 20 lg K ) c2 Itt K a hevítési illetve lehűlési sebesség K/h - ban. A t c1 a hevítési, t c2 a hűtési korrekció, t c a korrigált hőkezelési idő h - ban. T + t A hevítési sebesség értéke: max. 220 ºC/h, illetve (5600/s) ºC/h, ahol az s falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni, és a kisebb értéket kell alkalmazni. A hűtési sebesség értéke max. 275 ºC/h, illetve (7000/s) ºC/h, ahol az s falvastagságot mm-ben kell helyettesíteni, és a kisebb értéket kell alkalmazni.

38 Ellenőrzés hőkezelési repedés érzékenységre P = Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti 2 Az acél összetételére jellemző alkotókat % - ban kell helyettesíteni. Az acél érzékeny a repedésre, ha P > 0 és Cr < 1,5 % (P < 0 vagy Cr 1,5 % esetén az acél nem érzékeny). Tipikus hőkezelési repedés:

39 HIDROGÉN-NYOMÁSÁLLÓ SZERKEZETI ACÉLOK hidrogén diffúziójának max. 550 ºC-ig. Az acél melegszilárd, Ezek az acélok ellenállnak a magas hőmérsékleten is a és gyakorlatilag a melegszilárd acélok ötvözési rendszerét követi. Ötvözés: Mo = 0,2-0,6-1 %, Cr = 0,8-3,5-6 %, V = 0,1-0,5-0,9 % (Mo, Cr Mo Cr - Mo - V ötvözés) A hőkezelésük: Nemesítés - Edzés ºC ról - Hűtés olajban, vagy fúvott levegőn - Megeresztés ºC (hűtés kemencében, vagy nyugvó levegőn).

40 Az üzemi hőmérséklet és a hidrogén parciális nyomásának összefüggése

41 Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai lőmelegítés Hegesztőanyag választás Homogén kötés: ºC Homogén kötés: Heterogén kötés: ºC Hegesztés sajátanyaggal (egyes irodalmak szerint 150 Heterogén kötés: 200 ºC is elegendő) Ausztenites heg.anyaggal őbevitel, hegesztési technika 18/8 (Cr/Ni) ill. A kis hőbevitelt kerülni kell. 18/8/2-3 (Mo) tólagos hőkezelés 18/8/6 (Mn = 6 %) Homogén kötés ºC 25/13 (Cr / Ni) 1 2 h hőntartással. 25/20 (Ni / Cr) Heterogén kötés Nem igényel feszülts ltség g csökkent kkentő hőkezelést, ezt tartják k a heterogén kötés előnyének.

42 HIDEGSZÍVÓS ACÉLOK A hidegszívós acélok az alacsony üzemi hőmérsékleten üzemelő szerkezetek alapanyagai. 11 Mn Ni 5 3 (Mn = 0,7 1,5 %; Ni = 0,3 0,8 %) 13 Mn Ni Ni Mn 6 (Ni =1,3 1,7) 12 Ni 14 (Ni = 3,25 3,75) 12 Ni 19 (Ni = 4,75 5,25) X8 Ni 9 (Ni = 8,5 10,0 %) X7 Ni 9

43 Az üzemi hőmérséklet és a kritikus átmeneti hőmérséklet nem egyenlő! Burdekin diagram

44 A hidegszívós acélok ötvözése Ezeket az acélokat Ni - el övözik C tartalmat csökkentik S tartalmat is csökkentik A kis zárvány tartalom és a finomszemcsés szerkezet igen fontos Nemesített állapotban alkalmazzák ºC - ról edzés Megeresztés ºC. Fő ötvözet csoportok Ni = 0,5 1,5 % Normalizálás Ni = 3, 5 % Ni = 5 % Ni = 9% Nemesítés Utólagos hőkezelés Nem szükséges, ha igen: 600ºC-on, a lehűtés ºC - on gyors legyen.

45 Hegesztési problémák, a hegesztés szabályai Ezekre az acélokra a nagy alakváltozó képesség jellemző. A fő kérdés a hegesztőanyag választás. lőmelegítés Nem szükséges őbevitel, hegesztési technika Nem igényel különleges technikát. Az acélok a Ni tartalom növekedésével arányosan hajlamossá válnak a mágneseződésre. Hegesztőanyag választás 0,5 1, 5 % Ni tartalom: 1,5 % Ni tart. heg.anyag 3,5 % Ni tartalom: 2,5-4,2 % Ni tart. heg.anyag 5 % Ni tartalom: 18/8-as vagy 18/8/6 as heg.anyag 9 % Ni tartalom: Ausztenites heg.anyagok (18/8-as 25/20-as) vagy 70 % Ni + 15 % Cr ötvözésű nikkel heg.anyag