Zavarljivost metalnih materijala odnosi se na sposobnost metalnih materijala da dobiju izvrsne zavarene spojeve korištenjem određenih postupaka zavarivanja, uključujući metode zavarivanja, materijale za zavarivanje, specifikacije zavarivanja i strukturne oblike zavarivanja.Ako metal može dobiti izvrsne zavarene spojeve korištenjem uobičajenijih i jednostavnijih postupaka zavarivanja, smatra se da ima dobre performanse zavarivanja.Zavarljivost metalnih materijala općenito se dijeli na dva aspekta: procesna zavarljivost i zavarljivost primjene.
Procesna zavarljivost: odnosi se na sposobnost dobivanja izvrsnih zavarenih spojeva bez grešaka pod određenim uvjetima procesa zavarivanja.To nije inherentno svojstvo metala, već se procjenjuje na temelju određene metode zavarivanja i specifičnih korištenih mjera procesa.Stoga je procesna zavarljivost metalnih materijala usko povezana s postupkom zavarivanja.
Servisna zavarljivost: odnosi se na stupanj do kojeg zavareni spoj ili cijela konstrukcija zadovoljava radnu izvedbu specificiranu tehničkim uvjetima proizvoda.Izvedba ovisi o radnim uvjetima zavarene konstrukcije i tehničkim zahtjevima navedenim u projektu.Obično uključuju mehanička svojstva, otpornost na niskotemperaturnu žilavost, otpornost na krti lom, puzanje pri visokim temperaturama, svojstva zamora, trajnu čvrstoću, otpornost na koroziju i otpornost na trošenje, itd. Na primjer, često korišteni nehrđajući čelici S30403 i S31603 imaju izvrsnu otpornost na koroziju, a 16MnDR i 09MnNiDR niskotemperaturni čelici također imaju dobru otpornost na niskotemperaturnu žilavost.
Čimbenici koji utječu na učinkovitost zavarivanja metalnih materijala
1.Materijalni čimbenici
Materijali uključuju osnovne metale i materijale za zavarivanje.Pod istim uvjetima zavarivanja, glavni čimbenici koji određuju zavarljivost osnovnog metala su njegova fizikalna svojstva i kemijski sastav.
Što se tiče fizičkih svojstava: čimbenici kao što su talište, toplinska vodljivost, koeficijent linearnog širenja, gustoća, toplinski kapacitet i drugi čimbenici metala imaju utjecaj na procese kao što su toplinski ciklus, taljenje, kristalizacija, fazna promjena itd. , što utječe na zavarljivost.Materijali s niskom toplinskom vodljivošću kao što je nehrđajući čelik imaju velike temperaturne gradijente, visoko zaostalo naprezanje i velike deformacije tijekom zavarivanja.Štoviše, zbog dugog vremena zadržavanja na visokoj temperaturi, zrna u zoni utjecaja topline rastu, što je štetno za performanse spoja.Austenitni nehrđajući čelik ima veliki koeficijent linearnog širenja i jaku deformaciju spojeva i naprezanje.
U pogledu kemijskog sastava najutjecajniji element je ugljik, što znači da sadržaj ugljika u metalu određuje njegovu zavarljivost.Većina drugih legirajućih elemenata u čeliku ne pogoduje zavarivanju, ali njihov je utjecaj općenito puno manji od utjecaja ugljika.Kako se sadržaj ugljika u čeliku povećava, tendencija otvrdnjavanja se povećava, plastičnost se smanjuje, a pukotine nastale zavarivanjem su sklone pojavi.Obično se kao glavni pokazatelji za ocjenu zavarljivosti materijala koriste osjetljivost metalnih materijala na pukotine tijekom zavarivanja i promjene mehaničkih svojstava područja zavarenog spoja.Stoga, što je veći sadržaj ugljika, to je lošija zavarljivost.Niskougljični čelik i niskolegirani čelik s udjelom ugljika manjim od 0,25% imaju izvrsnu plastičnost i udarnu žilavost, a plastičnost i udarna žilavost zavarenih spojeva nakon zavarivanja također su vrlo dobre.Predgrijavanje i toplinska obrada nakon zavarivanja nisu potrebni tijekom zavarivanja, a proces zavarivanja je lako kontrolirati, tako da ima dobru zavarljivost.
Osim toga, stanje taljenja i valjanja, stanje toplinske obrade, organizacijsko stanje itd. čelika u različitim stupnjevima utječu na zavarljivost.Zavarljivost čelika može se poboljšati pročišćavanjem ili pročišćavanjem zrna i kontroliranim procesima valjanja.
Materijali za zavarivanje izravno sudjeluju u nizu kemijskih metalurških reakcija tijekom procesa zavarivanja, koje određuju sastav, strukturu, svojstva i nastanak grešaka u metalu zavarivanja.Ako su materijali za zavarivanje nepravilno odabrani i ne odgovaraju osnovnom metalu, ne samo da se neće dobiti spoj koji zadovoljava zahtjeve uporabe, već će također doći do nedostataka kao što su pukotine i promjene u strukturnim svojstvima.Stoga je pravilan odabir materijala za zavarivanje važan čimbenik za osiguranje visoke kvalitete zavarenih spojeva.
2. Čimbenici procesa
Čimbenici procesa uključuju metode zavarivanja, parametre procesa zavarivanja, redoslijed zavarivanja, predgrijavanje, naknadno zagrijavanje i toplinsku obradu nakon zavarivanja, itd. Metoda zavarivanja ima veliki utjecaj na zavarljivost, uglavnom u dva aspekta: karakteristike izvora topline i uvjeti zaštite.
Različite metode zavarivanja imaju vrlo različite izvore topline u smislu snage, gustoće energije, maksimalne temperature zagrijavanja, itd. Metali zavareni pod različitim izvorima topline imat će različita svojstva zavarivanja.Na primjer, snaga elektroslag zavarivanja je vrlo visoka, ali je gustoća energije vrlo niska, a maksimalna temperatura zagrijavanja nije visoka.Zagrijavanje je sporo tijekom zavarivanja, a vrijeme zadržavanja na visokoj temperaturi je dugo, što rezultira krupnim zrnima u zoni utjecaja topline i značajnom smanjenju udarne žilavosti, koja se mora normalizirati.Poboljšati.Nasuprot tome, zavarivanje elektronskim snopom, lasersko zavarivanje i druge metode imaju malu snagu, ali visoku gustoću energije i brzo zagrijavanje.Vrijeme zadržavanja na visokoj temperaturi je kratko, zona utjecaja topline vrlo je uska i nema opasnosti od rasta zrna.
Podešavanjem parametara procesa zavarivanja i usvajanjem drugih procesnih mjera kao što su predgrijavanje, naknadno zagrijavanje, višeslojno zavarivanje i kontrola temperature međuslojeva može se prilagoditi i kontrolirati toplinski ciklus zavarivanja, čime se mijenja zavarljivost metala.Ako se poduzmu mjere kao što je predgrijavanje prije zavarivanja ili toplinska obrada nakon zavarivanja, potpuno je moguće dobiti zavarene spojeve bez nedostataka pukotina koji zadovoljavaju zahtjeve performansi.
3. Strukturni čimbenici
Uglavnom se odnosi na oblik dizajna zavarene konstrukcije i zavarenih spojeva, kao što je utjecaj čimbenika kao što su strukturni oblik, veličina, debljina, oblik utora spoja, raspored zavara i njegov oblik poprečnog presjeka na zavarljivost.Njegov se utjecaj uglavnom ogleda u prijenosu topline i stanju sile.Različite debljine ploče, različiti oblici spojeva ili oblici žljebova imaju različite smjerove i brzine prijenosa topline, što će utjecati na smjer kristalizacije i rast zrna rastaljene baze.Strukturni prekidač, debljina ploče i raspored zavara određuju krutost i ograničenje spoja, što utječe na stanje naprezanja spoja.Loša kristalna morfologija, jaka koncentracija naprezanja i prekomjerno naprezanje zavarivanja osnovni su uvjeti za nastanak pukotina zavarivanja.U dizajnu, smanjenje krutosti spojeva, smanjenje poprečnih zavara i smanjenje različitih čimbenika koji uzrokuju koncentraciju naprezanja važne su mjere za poboljšanje zavarljivosti.
4. Uvjeti korištenja
Odnosi se na radnu temperaturu, uvjete opterećenja i radni medij tijekom radnog vijeka zavarene konstrukcije.Ova radna okruženja i radni uvjeti zahtijevaju da zavarene konstrukcije imaju odgovarajuće performanse.Na primjer, zavarene konstrukcije koje rade na niskim temperaturama moraju imati otpornost na krti lom;konstrukcije koje rade na visokim temperaturama moraju imati otpornost na puzanje;konstrukcije koje rade pod izmjeničnim opterećenjima moraju imati dobru otpornost na zamor;strukture koje rade u kiselim, alkalijskim ili slanim medijima. Zavareni spremnik mora imati visoku otpornost na koroziju i tako dalje.Ukratko, što su uvjeti uporabe stroži, to su zahtjevi za kvalitetom zavarenih spojeva viši i teže je osigurati zavarljivost materijala.
Identifikacija i ocjena indeksa zavarljivosti metalnih materijala
Tijekom procesa zavarivanja, proizvod prolazi toplinske procese zavarivanja, metalurške reakcije, kao i naprezanje i deformaciju zavarivanja, što rezultira promjenama u kemijskom sastavu, metalografskoj strukturi, veličini i obliku, čineći izvedbu zavarenog spoja često različitom od performansi zavarenog spoja. osnovni materijal, ponekad čak i ne može zadovoljiti zahtjeve uporabe.Za mnoge reaktivne ili vatrostalne metale treba koristiti posebne metode zavarivanja kao što su zavarivanje elektronskim snopom ili lasersko zavarivanje kako bi se dobili visokokvalitetni spojevi.Što je manje uvjeta opreme i manje poteškoća potrebno za izradu dobrog zavarenog spoja od materijala, to je bolja zavarljivost materijala;Naprotiv, ako su potrebne složene i skupe metode zavarivanja, posebni materijali za zavarivanje i procesne mjere, to znači da je zavarljivost materijala loša.
Prilikom proizvodnje proizvoda prvo se mora procijeniti zavarljivost upotrijebljenih materijala kako bi se utvrdilo jesu li odabrani konstrukcijski materijali, materijali za zavarivanje i metode zavarivanja prikladni.Postoje mnoge metode za procjenu zavarljivosti materijala.Svaka metoda može objasniti samo određeni aspekt zavarljivosti.Stoga su potrebna ispitivanja kako bi se u potpunosti odredila zavarljivost.Metode ispitivanja mogu se podijeliti na simulacijske i eksperimentalne.Prvi simulira karakteristike grijanja i hlađenja zavarivanja;potonji ispituje prema stvarnim uvjetima zavarivanja.Sadržaj ispitivanja je uglavnom za otkrivanje kemijskog sastava, metalografske strukture, mehaničkih svojstava i prisutnosti ili odsutnosti nedostataka zavarivanja osnovnog metala i metala za zavarivanje, te za određivanje performansi na niskim temperaturama, performansi na visokim temperaturama, otpornosti na koroziju i otpornost zavarenog spoja na pukotine.
Karakteristike zavarivanja uobičajenih metalnih materijala
1. Zavarivanje ugljičnog čelika
(1) Zavarivanje niskougljičnog čelika
Niskougljični čelik ima nizak sadržaj ugljika, nizak sadržaj mangana i silicija.Pod normalnim okolnostima, neće uzrokovati ozbiljno strukturno otvrdnjavanje ili kaljenje strukture uslijed zavarivanja.Ova vrsta čelika ima izvrsnu plastičnost i udarnu žilavost, a plastičnost i žilavost njegovih zavarenih spojeva također su izuzetno dobre.Predgrijavanje i naknadno zagrijavanje općenito nisu potrebni tijekom zavarivanja, a posebne procesne mjere nisu potrebne za dobivanje zavarenih spojeva zadovoljavajuće kvalitete.Stoga čelik s niskim udjelom ugljika ima izvrsnu učinkovitost zavarivanja i čelik je s najboljom izvedbom zavarivanja među svim čelicima..
(2) Zavarivanje srednje ugljičnog čelika
Srednje ugljični čelik ima veći sadržaj ugljika i njegova je zavarljivost lošija od niskougljičnog čelika.Kada je CE blizu donje granice (0,25%), zavarljivost je dobra.Kako se sadržaj ugljika povećava, tendencija otvrdnjavanja se povećava, a struktura martenzita niske plastičnosti lako se stvara u zoni utjecaja topline.Kada je zavar relativno krut ili su materijali za zavarivanje i parametri procesa nepravilno odabrani, vjerojatno će se pojaviti hladne pukotine.Prilikom zavarivanja prvog sloja višeslojnog zavarivanja, zbog velikog udjela osnovnog metala stopljenog u zavaru, povećava se sadržaj ugljika, sumpora i fosfora, što olakšava stvaranje vrućih pukotina.Osim toga, osjetljivost stomata također se povećava kada je sadržaj ugljika visok.
(3) Zavarivanje visokougljičnog čelika
Visokougljični čelik s CE većim od 0,6% ima visoku prokaljivost i sklon je stvaranju tvrdog i lomljivog visokougljičnog martenzita.Pukotine su sklone pojavi u zavarenim spojevima i zonama pod utjecajem topline, što otežava zavarivanje.Stoga se ova vrsta čelika općenito ne koristi za izradu zavarenih konstrukcija, ali se koristi za izradu komponenti ili dijelova visoke tvrdoće ili otpornosti na trošenje.Većina njihovog zavarivanja je popravak oštećenih dijelova.Ove dijelove i komponente treba žariti prije popravka zavarivanjem kako bi se smanjile pukotine nastale zavarivanjem, a zatim ponovno toplinski obraditi nakon zavarivanja.
2. Zavarivanje niskolegiranog čelika visoke čvrstoće
Sadržaj ugljika u niskolegiranom čeliku visoke čvrstoće općenito ne prelazi 0,20%, a ukupni legirajući elementi općenito ne prelaze 5%.Upravo zbog toga što niskolegirani čelik visoke čvrstoće sadrži određenu količinu legiranih elemenata, njegova zavarivačka svojstva su nešto drugačija od ugljičnog čelika.Njegove karakteristike zavarivanja su sljedeće:
(1) Pukotine nastale zavarivanjem u zavarenim spojevima
Hladno napuknuti niskolegirani čelik visoke čvrstoće sadrži C, Mn, V, Nb i druge elemente koji učvršćuju čelik, pa se lako očvrsne tijekom zavarivanja.Ove stvrdnute strukture su vrlo osjetljive.Stoga, kada je krutost velika ili je ograničavajuće naprezanje veliko, ako nepravilan postupak zavarivanja može lako uzrokovati hladne pukotine.Štoviše, ova vrsta pukotina ima određeno kašnjenje i izuzetno je štetna.
Pukotine od ponovnog zagrijavanja (SR) Pukotine od ponovnog zagrijavanja su intergranularne pukotine koje se javljaju u grubozrnatom području u blizini linije taljenja tijekom toplinske obrade za ublažavanje naprezanja nakon zavarivanja ili dugotrajnog rada na visokim temperaturama.Općenito se vjeruje da se to događa zbog visoke temperature zavarivanja koja uzrokuje da V, Nb, Cr, Mo i drugi karbidi u blizini ZUT-a budu čvrsti otopljeni u austenitu.Nemaju vremena precipitirati tijekom hlađenja nakon zavarivanja, već se rasprše i precipitiraju tijekom PWHT-a, ojačavajući tako kristalnu strukturu.Unutar, deformacija puzanja tijekom popuštanja naprezanja koncentrirana je na granicama zrna.
Zavareni spojevi niskolegiranog čelika visoke čvrstoće općenito nisu skloni pukotinama uslijed ponovnog zagrijavanja, kao što su 16MnR, 15MnVR, itd. Međutim, za serije niskolegiranih čelika visoke čvrstoće Mn-Mo-Nb i Mn-Mo-V, kao npr. 07MnCrMoVR, budući da su Nb, V i Mo elementi koji imaju jaku osjetljivost na pucanje uslijed ponovnog zagrijavanja, ovu vrstu čelika potrebno je tretirati tijekom toplinske obrade nakon zavarivanja.Treba paziti da se izbjegne osjetljivo temperaturno područje pukotina od ponovnog zagrijavanja kako bi se spriječila pojava pukotina od ponovnog zagrijavanja.
(2) Krtost i omekšavanje zavarenih spojeva
Krtost zbog starenja pod deformacijom Zavareni spojevi prije zavarivanja trebaju proći kroz različite hladne postupke (rezanje u prazno, bačvasto valjanje, itd.).Čelik će proizvesti plastičnu deformaciju.Ako se područje dodatno zagrije na 200 do 450°C, doći će do starenja naprezanja..Krtost uslijed deformacije će smanjiti plastičnost čelika i povećati prijelaznu temperaturu krhkosti, što će rezultirati krtim lomom opreme.Toplinska obrada nakon zavarivanja može eliminirati takvo starenje naprezanja zavarene strukture i vratiti žilavost.
Krtost zavara i zona pod utjecajem topline Zavarivanje je neravnomjeran proces zagrijavanja i hlađenja, što rezultira nejednolikom strukturom.Temperatura prijelaza krhkosti zavara (WM) i zone utjecaja topline (HAZ) viša je od temperature osnovnog metala i slaba je karika u spoju.Energija linije zavarivanja ima važan utjecaj na svojstva niskolegiranih čelika visoke čvrstoće WM i HAZ.Niskolegirani čelik visoke čvrstoće lako se kali.Ako je linijska energija premala, martenzit će se pojaviti u ZUT-u i izazvati pukotine.Ako je energija linije prevelika, zrnca WM i HAZ će postati gruba.Uzrokuje da spoj postane krt.U usporedbi s vruće valjanim i normaliziranim čelikom, kaljeni i poboljšani čelik s niskim udjelom ugljika ima ozbiljniju tendenciju krtosti u ZUT-u uzrokovane prekomjernom linearnom energijom.Stoga, kod zavarivanja, linijska energija treba biti ograničena na određeni raspon.
Omekšavanje zone utjecaja topline zavarenih spojeva Zbog djelovanja topline zavarivanja, vanjski dio zone utjecaja topline (ZUT) niskougljičnog kaljenog i poboljšanog čelika zagrijava se iznad temperature popuštanja, posebno područje u blizini Ac1, što će proizvesti zonu omekšavanja sa smanjenom čvrstoćom.Strukturno omekšavanje u zoni ZUT-a povećava se s porastom energije linije zavarivanja i temperature predgrijavanja, ali općenito je vlačna čvrstoća u omekšanoj zoni još uvijek viša od donje granice standardne vrijednosti osnovnog metala, tako da zona pod utjecajem topline ove vrste čelika omekšava Sve dok je izrada pravilna, problem neće utjecati na performanse spoja.
3. Zavarivanje nehrđajućeg čelika
Nehrđajući čelik može se podijeliti u četiri kategorije prema različitim strukturama čelika, naime austenitni nehrđajući čelik, feritni nehrđajući čelik, martenzitni nehrđajući čelik i austenitno-feritni dupleks nehrđajući čelik.U nastavku se uglavnom analiziraju karakteristike zavarivanja austenitnog nehrđajućeg čelika i dvosmjernog nehrđajućeg čelika.
(1) Zavarivanje austenitnog nehrđajućeg čelika
Austenitni nehrđajući čelici lakše se zavaruju od ostalih nehrđajućih čelika.Neće doći do fazne transformacije ni na jednoj temperaturi i nije osjetljiv na vodikovu krtost.Austenitni spoj od nehrđajućeg čelika također ima dobru plastičnost i žilavost u zavarenom stanju.Glavni problemi zavarivanja su: vruće pukotine pri zavarivanju, krtost, interkristalna korozija i korozija naprezanja, itd. Osim toga, zbog slabe toplinske vodljivosti i velikog koeficijenta linearnog širenja, naprezanje i deformacija zavarivanja su veliki.Kod zavarivanja unos topline zavarivanja treba biti što manji, bez predgrijavanja, a temperaturu međusloja treba smanjiti.Temperaturu međusloja treba kontrolirati ispod 60°C, a zavarene spojeve treba rasporediti.Kako bi se smanjio unos topline, brzina zavarivanja se ne smije pretjerano povećavati, ali treba odgovarajuće smanjiti struju zavarivanja.
(2) Zavarivanje austenitno-feritnog dvosmjernog nehrđajućeg čelika
Austenitno-feritni dupleks nehrđajući čelik je dupleks nehrđajući čelik sastavljen od dvije faze: austenita i ferita.Kombinira prednosti austenitnog čelika i feritnog čelika, tako da ima karakteristike visoke čvrstoće, dobre otpornosti na koroziju i jednostavnog zavarivanja.Trenutno postoje tri glavne vrste duplex nehrđajućeg čelika: Cr18, Cr21 i Cr25.Glavne karakteristike ove vrste zavarivanja čelika su: niža toplinska tendencija u usporedbi s austenitnim nehrđajućim čelikom;niža sklonost krtosti nakon zavarivanja u usporedbi s čistim feritnim nehrđajućim čelikom, a stupanj ogrubljenja ferita u zoni utjecaja topline zavarivanja također je niži, pa je zavarljivost bolja.
Budući da ova vrsta čelika ima dobra svojstva zavarivanja, predgrijavanje i naknadno zagrijavanje nisu potrebni tijekom zavarivanja.Tanke ploče treba zavarivati TIG, a srednje i debele ploče mogu se zavarivati elektrolučnim zavarivanjem.Kod zavarivanja elektrolučnim zavarivanjem treba koristiti posebne zavarivačke šipke sličnog sastava osnovnom metalu ili austenitne zavarivačke šipke s niskim udjelom ugljika.Elektrode od legure na bazi nikla također se mogu koristiti za dvofazni čelik tipa Cr25.
Dvofazni čelici imaju veći udio ferita, a inherentne sklonosti krtosti feritnih čelika, kao što su krtost na 475°C, krtost taloženja σ faze i gruba zrna, još uvijek postoje, samo zbog prisutnosti austenita.Određeno olakšanje može se postići učinkom balansiranja, ali još uvijek morate obratiti pozornost prilikom zavarivanja.Kod zavarivanja duplex nehrđajućeg čelika bez Ni ili niskog sadržaja Ni, postoji tendencija ka jednofaznom feritu i grubljenju zrna u zoni utjecaja topline.U ovom trenutku treba obratiti pozornost na kontrolu unosa topline zavarivanja i pokušati koristiti malu struju, veliku brzinu zavarivanja i zavarivanje uskim kanalima.I višeprolazno zavarivanje za sprječavanje grubljanja zrna i jednofazne feritizacije u zoni utjecaja topline.Međuslojna temperatura ne smije biti previsoka.Najbolje je zavariti sljedeći prolaz nakon hlađenja.
Vrijeme objave: 11. rujna 2023