Duplex acélok lézersugaras hegesztésekor lejátszódó metallurgiai folyamatok. Metallurgical processes at laser welding of duplex stainless steels

Átírás

1 Duplex acélok lézersugaras hegesztésekor lejátszódó metallurgiai folyamatok Metallurgical processes at laser welding of duplex stainless steels FÁBIÁN Enikő Réka Budapesti Műszaki Egyetem, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Hungary, 1111, Budapest, Műegyetem rakpart 3 Abstract The chemical composition of duplex stainless steels is balanced to give approximately equal amounts of ferrite and austenite in solution-annealed condition. In this work were studied the laser welded microstructure of LDX 101, 304, LDX 404, 05 grade steels produced at Outokumpu Works. Due to the laser welding the ferrite content of welded material increased in each case in comparison with the parent materials. Kulcsszavak: Duplex acél, lézersugaras hegesztés, szövetszerkezet, 1. Bevezetés Duplex korrózióálló acélok nevüket a különleges, kettős szövetszerkezetükről kapták, melyet körülbelül fele-fele arányban ausztenites és ferrites fázis alkot. A duplex acéloknál az ausztenit biztosítja az acélnak a jó alakíthatóságot, a szívósságot a jó hegeszthetőséget, a hidrogénes elridegedéssel szembeni ellenállást, míg a ferrit a megfelelő korrózióállóságot főleg a klorid ionnal ionok által indukált pittinggel, réskorrózióval és feszültségi korrózióval szemben. (Komócsin,1997, IMOA,1999). Ezért ezeket az acélokat ott alkalmazzák, ahol a korróziós hatás mellett a mechanikai igénybevétel is jelentős, mivel a duplex acélok nagyobb szakítószilárdsággal rendelkeznek, mint a hasonló korrózióállóságú az ausztenites acélok. A kísérletek azt igazolták, hogy sós tengeri környezetben a duplex acélok jobban ellenállnak a sós páratartalomnak, mint a leggyakrabban használt ausztenites acélok. Kísérletek azt mutatták, hogy a korróziós károsodás megjelenésének idő szükséglete a hőmérséklet emelkedésével jelentősen rövidült az ausztenites acéloknál, míg a duplex acéloknál ugyanannyi idő eltelte után nem volt megfigyelhető a korrózió [0]. Mellesleg a nikkel árának drasztikus ingadozása jelentősen befolyásolja a korrózióálló acélok gyártási költségeit. A nagy árak miatt, megjelentek a nikkelszegény duplex acélok (sovány duplex), így 001-ben az Outokumpu svéd acélgyártó vállalat által kifejlesztett LDX101 acéltípus, majd 010-ben az LDX404-es acél (Strenght, 011). Ezekben az acélokban az olcsóbb mangánnal helyettesítik a drága nikkelt. Minden duplex acél ferritként kristályosodik, majd ezt követően alakul át a hűlés során a ferrit egy része ausztenitté. Tehát a duplex szerkezet szilárd állapotban jön létre (1. ábra). A duplex acélok hegesztésére a legelterjedtebb hegesztési módszerek a védőgázos fogyóelektródás hegesztés kevert védőgázokkal illetve semleges védőgázos volfrámelektródás hegesztés. A relatív újnak mondható lézersugaras hegesztés, mely az 1970-es években csatlakozott az összeillesztési eljárásokhoz, számos területen rugalmasan alkalmazható. Készíthetőek vele, méteres hosszúságú mélybeolvadású varratok, amikor nagy mélység-szélesség arányú varratgeometriák keletkeznek. A vetemedés mértéke minimális. Általában előnye, hogy a lézer hihetetlenül gyorsan hegeszt, ami a

2 duplex acéloknál a szövetszerkezet alakulása miatt korlát is lehet, mivel a duplex acélok hegesztett kötéseiben a hegesztés során bevitt hő és a nagy hűlési sebesség hatására a varratfémben jelentősen módosul a ferrit- ausztenit arány Korábban a duplex acélok hegesztésére nem ajánlották a lézersugaras hegesztés alkalmazását (Peterson,1995). A 014-ben, a Nemzetközi Molibdén Egyesületnél megjelent, duplex acélok gyártására vonatkozó gyakorlati útmutató a lézersugaras hegesztések alkalmazásával kapcsolatban annyit mond, hogy a lézersugaras hegesztési kísérletek pozitív eredményt hoztak (IMOA,014). A duplex acélok különböző ötvözői nem egyenletesen oldódnak a szövetszerkezetben, az ausztenit képzők az ausztenitben, a ferrit-, illetve karbidképzők a ferritben dúsulnak. A dúsulás mértéke a hőmérséklet függvényében változik [Gunn,1999, Bödök,1997).. Kísérleti anyagok és berendezések Vizsgálatra négy különböző minőségű duplex acéllemezt választottam. A vizsgálatra kijelölt lemezek vegyi összetétele a 1. táblázatban látható. Hőmérséklet, c 1. ábra. Duplex acélokra jellemző Fe- Cr-Ni fázisdiagram részlet Fe = 70%, (Gunn,1999) Acél jele Vegyi összetétel a Fe mellett, tömeg % C Si Mn P S Cr Ni Mo N Cu X3CrMnNiN LDX 101 0,03 0,66 4,97 0,0 0,001 1,49 1,51 0,9 0,8 0,5 XCrNiMoN ,019 0,37 1,4 0,0 0,001,4 5,8 3,16 0,177 - XCrNiN ,018 0,30 1,37 0,04 0,001 3,16 4,71 0,34 0,1 0,7 XCrNiMnMoCuN LDX404 0,05 0,36 3,00 0,0 0,001 3,9 3,66-0,79-1. táblázat Vizsgálatra választott minták vegyi összetétele Mivel a kísérletek megkezdésekor az LDX404 még csak a gyártó által jelölt kereskedelmi nevét ismertük (015 -ben került be az MSZEN :015 szabványba), mintáimat a kereskedelmi név és a vastagság azonosítja. Megvizsgálva az alapanyagokat, úgy találtam, hogy a lemezeknek nemcsak a vegyi összetétele különbözött, de a szövetszerkezetüket is különböző vastagságú ferrit és ausztenit rétegek alkották még azonos lemezvastagság esetén is (. ábra). d). ábra. A vizsgálatra szánt duplex anyagminőségek szövetszerkezete. Eredeti nagyítás. N = 500, Marószer: Beraha' 1, a) 101 / 1,5 mm; b) 05 /1,5 mm; c) 304 /,5 mm; d) 404 / 3 mm A lézersugaras hegesztést a Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft.-ben működő, diódapumpált, Rofin DY 07 típusú Nd:YAG berendezéssel végeztük, 500W-os teljesítményen.

3 3 Kísérleti eredmények 3.1 A lézersugaras hegesztéssel létrehozott varratok szövetszerkezeti vonatkozásai A lemezek hozaganyag nélküli lézersugaras hegesztésekor a varratfémben a szemcsehatárokon vékony ausztenites fázis (világos) jól elkülöníthető Beraha 1 marószerrel való maratás után, de a szemcsék belsejében is megkülönböztethetünk ausztenites fázisokat finom diszperz eloszlásban. A 101 mintánál nagyon keskeny, ferriten gazdagabb hőhatásövezetet lehetett megfigyelni (3. ábra). Láthatjuk, hogy lézersugaras hegesztéskor a megömlött varratfém dermedésekor a szemcsék határán ausztenit alakul ki. A fázisok megjelenésének mennyiségét és minőségének tanulmányozását célszerű nagyobb felbontásban végezni. 3. ábra. A 101/1,5 mm lemezeknél kialakult varrat szövetszerkezete, v lézersugár = 3000 mm/min. Marószer: Beraha 1 a) hőhatásövezet a koronánál N = 100 b) varrat közepe, N = 100 c) hőhatásövezet N = 500 A minták tanulmányozásakor úgy találtam, hogy a hegesztési sebesség befolyásolja a varrat alakját, de a varratfém szövetszerkezetére is hatással van. A nagyobb hegesztési sebesség keskenyebb, hosszabb szemcsék kialakulásához vezet (4. ábra). A ferrittartalom mennyisége függ az anyagminőségtől (5. ábra). 4. ábra. A hegesztési sebességhatása hozaganyag nélküli lézersugaras hegesztéskor kialakult varrat jellegzetes szövetszerkezetére a 101/1,5 mm lemezeknél. Marószer: Beraha 1 a) v lézersugár = 750 mm/min N = 500 b) v lézersugár = 1500 mm/min N = 500 c) v lézersugár = 3000 mm/min N = ábra. Ausztenit/ferrit fázis megjelenése a varratfémben, N = 500 a) 05/1,5 minta v lézersugár = 1500 mm/min b) 304/,5 minta v lézersugár = 1800 mm/min c) 404/3 minta v lézersugár = 1500 mm/min

4 A vizsgálatok során készített felvételeken (10-1 felvétel/minta) a fázisok mennyiségi meghatározását J microvision 1.7 típusú képelemzővel számoltam ki. Közel azonos hegesztési sebességnél s varratok ausztenit tartalma megváltozott, csökkent. A varratok ausztenit tartalma köti különbségek másként alakultak, mint a kiinduló lemezek ausztenit tartalmának különbségei. Legtöbb ausztenitet a 304/,5 mintánál alakult ki, legkevesebb a standard 05 anyagnál, ahol kevesebb, mint 0% ausztenitet mértem. Mindenegyes lézersugaras hegesztés során kialakult varrat ausztenit tartalma kevesebb, mint a varratfém 40%-a (6. ábra). 6. ábra A ferrittartalom változása közel azonos hegesztési sebességnél. 3.. Korróziós tesztek eredménye Korróziós teszteket az ASTM G 48 szerint végeztem. A 6%-os FeCl 3-os oldatban való 7 órás tesztelés azt mutatta, hogy a lyukkorrózió főleg a varratfémek felületén illetve a hőhatásövezetben alakultak ki (7. ábra). d) 7. ábra. A korróziós tesztelés után megjelenő lyukkorrózió jelensége a különböző minőségű duplex acélok lézersugarason hegesztett mintáinál a)01/1,5mm minta b) 101/01,5mm minta c) 304/3mm mintad)403/3 mm minta A tesztek alapján a anyag korróziós ellenállása a vizsgált anyagok közül a leggyengébb. A mm/s hegesztési sebességnél a 304 minta fogyása meghaladta a 700g/ mm 600 t. A 101/1,5 minta korróziós vesztesége elérte a 600g/mm 500 -t. A 101 anyagú 400 mintasorozatnál a korrózió megjelenése inkább a 300 varraton illetve közvetlen a varrat mellett figyelhető meg. 00 A 05/1,5 mintánál a korrózió mértéke igen kicsi (16 g/mm ), és a lyukak ugyanolyan mértékben 100 fordult elő az alapanyagban, mint a varratban 0 A 404/-3 lézer mintasorozatnál lyukkorrózió főleg a varrat hőhatásövezetében illetve a korona részen jelent meg.1500mm//min sebességgel való hegesztés után a korróziós fogyás meghaladta a 50 g/mm t (8. ábra) 4. Összegzés fogyás g/m 800 korróziós fogyás fogyás g/m por + lézer lézer huzal+lezer korróziós fogyás 05-1,5mm 101-1,5mm 304-3mm 404_3mm por + lézer 8. ábra. ASTM G148 szerinti tesztelés után tapasztalt lyukkorróziós fogyás egységnyi felületre vetítve huzal+lezer A különböző minőségű ferrit- ausztenites duplex acélok lézersugaras hegesztésekor a varratfém ferrittartalma jelentősen megnő. A lézersugaras hegesztést követő gyors lehűlés következményeként a szemcsehatárokon ausztenit alakul ki a varratfémben, és a hőhatásövezetnél. A szemcsék belsejében a ferrites mátrixban finom diszperz eloszlásban

5 jelenik meg még ausztenit, melyek méretei, eloszlása az alapanyag vegyi összetételétől, a hegesztett lemezek vastagságától, a lehűlési sebességtől függ. A kialakult ferrittartalom növekedés nincs egyenes arányban a tapasztalt korróziós fogyással, bár a legnagyobb ferrittartalmú hőhatásövezetek a legérzékenyebbek a lyukkorrózióra. 5. Irodalomjegyzék ISBN , BÖDÖK Károly, 1997: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött acélok korrózióállósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére, Budapest, Corweld,. ISBN: : GUNN 1999: Duplex stainless steels. Abington Publishing, Cambridge, p: 1-47, ISBN , IMOA, 014:Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steel, Third ed., International Molybdenum Association (IMOA), London, UK IMOA , KOMÓCSIN Mihály, 1997: Duplex szerkezetű korrózióálló acélok és hegesztésük. Miskolci Egyetem OUTKUMPUKU, 014: Outokumpu-Duplex-Stainless-Steel-Data-Sheet.pdf, 1088 EN, Itasca, USA October Steel-Data-Sheet.pdf PEKKARINEN J, KUJANP V, 010: The effects of laser welding parameters on the microstructure of ferritic and duplex stainless steels welds, Physics Procedia / PETTERSSON C.O, FAGER S-Å, 1995: Welding practice for the Sandvik duplex stainless steels SAF 304, AF 05 and SAF 507; AB Sandvik Steel, S Sandviken, Sweden, STRENGTH R, 011: Properties of the new duplex grade LDX Outokumpu; Proceedings of the Stainless Steel. World Conference & Expo 011, November 9th December 1st,,. Maastricht, The Netherlands KCI Publishing,