uticaj tehnologije termiČke obrade na kvalitet …praksa practice zavarivanje i zavarene...

PRAKSA

PRACTICE

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 57-62 57

N. Filipović

UTICAJ TEHNOLOGIJE TERMIČKE OBRADE NA KVALITET ZAVARENOG SPOJA KOMBINACIJE MATERIJALA SA RAZLIČITIM SADRŽAJEM HROMA

INFLUENCE OF THE HEAT TREATMENT TECHNOLOGY ON WELDS QUALITY OF THE MATERIALS COMBINATION WITH DIFFERENT CHROMIUM CONTENT

Stručni rad / Professional paper

UDK / UDC: 621.791.05:621.78 621.791:669.15

Rad primljen / Paper received: Maj 2008.

Adresa autora / Author's address: Nadežda Filipović, Zavod za zavarivanje, Grčića Milenka 67, Beograd, Srbija. E-mail: [email protected]

Ključne reči: Termička obrada posle zavarivanja;dodatni materijal, osobine zavarenog spoja.

Keywords: Post weld heat treatment (PWHT); filler material, weld joint properties.

Izvod U radu su analizirani fenomeni koji se javljaju kod zavarivanja visokolegiranih čelika X10CrMoVNb9-1 i X20CrMoV121 sa niskolegiranim čelicima 15CrMoV510 i 10CrMo9-10, korišćenjem različitih dodatnih materijala. Kod izbora dodatnih materijala proizvođači se opredeljujiu u odnosu na jedan, odnosno na drugi materijal. Pri termičkoj obradi kao rezultat difuzionih procesa nastaju zone koje umanjuju kvalitet zavarenog spoja, a njihove dimenzije zavise od parametara termičke obrade. Kako se prisustvo ovih zona kod zavarivanja materijala sa različitim sadržajem hroma ne može sprečiti, izborom dodatnog materijala i otimalnih parametara termičke obrade donekle se ublažava ovaj problem. Pri zavarivanju neophodno je striktno poštovanje parametara termičke obrade, čiji je kvalitet potvrđen u postupku kvalifikacije tehnologije zavarivanja. * Rad je izlagan na Savetovanju sa međunarodnim učešćem

“ZAVARIVANJE 2008” - Subotica

Abstract This paper describes the phenomenon that appear in welding of high alloyed steel X10CrMoVNb9-1 and X20CrMoV121, with low alloyed steel 15CrMoV510 and 10CrMo9-10, using the different filler materials. Producers are used filler materials according to quality request of the first or second steel. During the heat treatment of the welds, the zones that reduce the quality of welds are appeared and their dimensions are depended upon the heat treatment parameters. The presence of these zones in welds of materials with different chromium contents can not be prevented, but selection of filler materials and optimal heat treatment parameters can alleviate this problem. In welding it is required to estimate strictly heat treatment parameters and quality of the welds are approved in welding procedure qualification.

UVOD

Pri zavarivanju materijala toplopostojanih čelika sa različitim sadržajem hroma nameće se problem izbora dodatnog materijala, izbora optimalne temperature termičke obrade kao i vremena držanja , a sve u cilju postizanja zavarenog spoja optimalnih osobina .

Kod zavarivanja čelika sa sadržajem hroma 9-12% sa niskolegiranim čelicima sa sadržajem hroma 1 1/4 – 2 1/4 %, mogu se koristiti dodatni materijali sa niskim i sa visokim sadržajem hroma, odnosno dodatni materijal prema nižem - slabijem ili prema višem-jačem materijalu.

Kako se za zavarene spojeve sa visokim sadržajem hroma može reći da je najkritičniji deo zavarenog spoja metal šava, to se za zavarene spojeve kombinacije materijala, sa različitim sadržajem hroma, može reći da je to, deo ZUT na prelazu materijala, sa sadržajem

hroma oko 1 1/4 -2 1/4 % sa jedne strane i sadržajem hroma 9-12% sa druge strane.

Pored karakteristika osnovnog i dodatnog materijala, postupaka zavarivanja, tehnike polaganja zavara u jednom sloju, redosleda polaganja slojeva na osobine (žilavost) zavarenog spoja utiče termička obrada posle zavarivanja (PWHT).

U radu su analizirane promene koje nastaju pri temičkoj obradi posle zavarivanja na prelazu u graničnim zonama materijala sa sadržajem hroma oko 1 ¼ - 2 ¼ % sa jedne strane i sadržajem hroma 9% -12% sa druge strane, u zavisnosti od izbora dodatnog materijala i parametara termičke obrade.

Analizirani su zavareni spojevi kombinacije materijala 15CrMoV510 sa X10CrMoVNb9-1 u zavisnosti od tehnologije termičke obrade. Takođe su ilustrovani pomenuti fenomeni kod zavarivanja materijala 10CrMo910 sa materijalpm X20CrMoV121, kao i kod

PRAKSA

PRACTICE

58 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2009), str. 57-62

zavarivanja materijala 10CrMo9-10 sa materijalom X10CrMoVNb9-1.

Termički režimi pri izvođenju zavarivanja

Pošto je kod čelika sa visokim sadržajem hroma 9-12%, temperatura Ac1, 785-790°C, to je temperatura termičke obrade u intervalu temperatura 740-770°C. Kod čelika sa nižim sadržajem hroma 1 ¼ - 2 ¼ % temperatura Ac1 je niža , pa je i temperatura termičke obrade u intervalu 710-740°C. S obzirom da nema

preklapanja ovih temperatura kod zavarivanja ovih kombinacija materijala (visoka temperatura bi izazvala transformaciju niskolegiranog čelika, niska ne bi otpustila visoko legirani čelik) mora da se nađe kompromis, da se postignu optimalne osobine zavarenog spoja. U tabeli 1 i 2, su date temperature termičke obrade kod zavarivanja kombinacije materijala sa različitim sadržajem hroma u odnosu na dodatni materijal.

Tabela 1: Područje temperatura termičke obrade u odnosu na grupe materijala [2]

Tip čelika Grupa čelika Područje tremperature °C

2 1/4Cr1Mo 5.2 /

9Cr1Mo 6.4 710-730*

730-760

12Cr1Mo 6.4 730-760

710-730*

Napomena : * - ako je dodatni materijal tipa 2 1/4 Cr1Mo

Tabela 1: Područje temperatura termičke obrade u odnosu na osnovne i dodatne materijle [1,3,5]

Zavareni spoj kombinacija materijala Dodatni materijal

koren/popuna 141/111(12) Temperatura termičke

obrade °C

X20CrMoV121/10CrMo9-10 2 ¼ %Cr1%Mo /

tipa X20CrMoV121 700-750

X20CrMoV121/15CrMoV510 Istovrstan sa 15CrMoV510 720-740

X10CrMoVNb9-1/15CrMoV510 Istovrstan sa 15CrMoV510 720-740

X10CrMoVNb9-1/10CrMo9-10 tipa X10CrMoNb9-1 740-760

X10CrMoVNb9-1/10CrMo9-10 tipa 2 ¼ Cr1Mo 730-750

X10CrMoVNb9-1/10CrMo9-10 tipa 5Cr 730-760

X10CrMoVNb9-1/15CrMoV510 730-750

Kod zavarenih spojeva kombinacije materijala, sa sadržajem hroma 9-12% sa jedne strane i sadržajem hroma 1 ¼ - 2 ¼ % sa druge strane, tokom termičke obrade dolazi do difuzije ugljenika iz dela materijala sa nižim sadržajem hroma u deo sa višim sadržajem hroma. Kao rezultat toga zona osiromašena ugljenikom- razugljenčena zona se priključuje materijalu sa nižim sadržajem hroma, a zona obogaćena ugljenikom -naugljeničena zona materijalu sa visokim sadržajem hroma [1].

EKPERIMENTALNI DEO

Zavarivanje materijala 15CrMoV510 i X10CrMoVNb9-1

Zavarena su dva uzorka cevi ø 406x20mm od materijala X10CrMoVNb9-1 i 15CrMoV510.

Zavarivanje ispitnih uzoraka izvedeno je u PF položaju, uz primenu tehnike polaganja više zavara u jednom

sloju (širina zavara max. 3d). Pri izvođenju zavarivanja postupkom 141 (koren), obezbeđena je zaštita protokom zaštitnog gasa argona (I1 prema JUS EN439), protoka za lice 8-12 l/min, a za koren 10-25 l/min).

Popuna je izvedena primenom postupka 111. Primenjena je elektrootporska metoda zagrevanja u toku zavarivanja.

Za koreni zavar korišćen je dodatni material - žica prema visoko legiranom čeliku (9% Cr), a za ispunu prema nisko legiranom čeliku(2 ¼ % Cr) [7].

Hemijski sastav osnovnih materijala cevi i dodatnih materijala dati su su u tabeli 3.

Pri zavarivanju ispoštovani su zahtevi za temperaturu predgrevanja (250-300°C) i međuslojnu temperature (max. 300°C), sa hlađenjem posle zavarivanja do sobne temperature. Temperatura žarenja bila je 720°C, a vreme žarenja 3h kod uzorka 1 i 1,5h kod uzorka 2.

PRAKSA

PRACTICE


Tabela 3: Hemijski sastav osnovnog i dodatnog materijala( žice i elektrode) u tež. % (tipičan sastav čistog metala šava) [3-5]

Oznaka materijala C Si Mn Cr Ni Mo P, max. S, max V Nb

X10crMoV9-1 0,08

0,12

0,20

0,5

0,3

0,6

8,0

9,5

Max

0,40

0,85

1,05 0,02 0,01

0,18

0,25

0,06

0,10

15CrMoV510 0,10

0,16

0,15

0,35

0,40

0,90

1,1

1,4

max

0,25

0,90

1,10 0,025 0,015

0,20

0,35 /

WCrMo91 0,09 0,3 0,5 9 0,9 0,9 / / 0,2 0,05

ECrMo2B32H5 0,05 0,30 0,8 2,25 / 1,05 0,011 0,008 / /

Tabela 4: Rezultati ispitivanja mehaničkih osobina zavarenih spojeva X10CrMoVNb91/15CrMoV510

Vrsta ispitivanja Uzorak 1 (3h ) Uzorak 2 (1,5h)

Ispitivanje savijanjem Ugao savijanja 180˚ (bočno savijanje )

bez indikacija

Ugao savijanja 180˚ (bočno savijanje )

bez indikacija

Ispitivanje zatezanjem Rm: 545 N/mm2; 555 N/mm2 (min 490 N/mm2)

mesto prekida: OM 15 CrMoV510

Rm: 540 N/mm2; 550 N/mm2 (min. 490 N/mm2)

mesto prekida: OM 15 CrMoV510

VWT 0/1(J), min. 48 J VHT 2/1 (J), min 48 J VWT 0/1(J), min 48 J VHT 2/1(J), min 48 J Ispitivanje udarom

KV300 57, 49,1 24 260, 210, 192(15)

98, 214, 75(X10) 142, 73, 142

151, 50, 177(15)

187, 190, 54(X10)

15: OM:140-215 HV; ZUT≤320 HV ; ŠAV≤:280 HV, prema VGB 508L

X10: OM:190-260 HV; ZUT≤320 HV ; ŠAV≤:280HV, prema VGB 508L Ispitivanje tvrdoće po Vikersu

niz 1: uz lice šava (<2mm)

OM : 188-189 HV(15); 247-256 HV(X10)

ZUT: 243-249 HV(15) ); 254-262 HV(X10)

MŠ: 249-258 HV

OM: 215-222 HV(15), 258-260 HV(X10)

ZUT: 297-306HV(15), 317-322 HV(X10)

MŠ: 294-302 HV

Ispitivanje zavarenih spojeva

Ispitivanje ispitnih uzoraka urađeno je prema JUS EN288-3, a pojedinačna ispitivanja u skladu sa odgovarajućim stanadardima za ispitivanje. Pri ispitivanju metodama ispitivanja bez razaranja (vizuelni pregled, ispitivanje magnetskim česticama, ultrazvučna ispitivanja) postignuti su zahtevi za kvalitet zavarenog spoja propisani za nivo “B“ prema SRPS ISO 5817. Rezultati ispitivanja mehaničkih osobina na epruvetama uzetim poprečno na zavareni spoj, dati su u tabeli 4 [7].

Rezultati metalografskih ispitivanja

Kod zavarenog spoja kombinacije materiala X10CrMoVNb91 / 15CrMoV510 posebno su analizirane

strukture na prelazu materijala sa različitim sadžajem hroma, kod oba uzorka. Na prelazu osnovni material cevi 15CrMoV510 / metal šava koreni deo, uočava se razugljeničena zona na strani osnovnog materijala cevi, a na strani metala šava naugljeničena zona (tamna zona) slika 1 i 2 (leva strana), a dimenzije zona su date u tabeli 5.

Na prelazu metal šava popune / osnovni material cevi X10CrMoVNb91 uz metal šava uočava se razugljeničena zona (svetla zona ), a uz osnovni material cevi naugljeničena zona (tamna zona), slika 1 i 2 (desna strana ), a dimenzije zona su date u tabeli 5.

Tabela 5: Rezultati ispitivanja mehaničkih osobina zavarenih spojeva X10CrMoVNb91/15CrMoV510

Prelaz materijala sa različitim sadržajem Cr

Dimenzije, mm uzorak 1 (3h ) uzorak 2 (1,5h)

Razugljeničena zona(k) max. 0,15mm < 0,05m

Naugljenčena zona(k) max. 0,1mm ≈ 0,1

Razugljeničena zona(p) max. 0,15mm < 0,05mm

Naugljeničena zona(p) max. 0,10mm < 0,05mm

(k):OM-15CrMoV510/MŠ -koren,(p): MŠ-popune/OM -10CrMoV Nb91

PRAKSA

PRACTICE


Prelaz OM - 15 /metal šava - koren Prelaz metal šava - popuna /OM-X10

Slika 1: Uzorak 1, čelici X10CrMoVNb91 / 15CrMoV510 , uvećanje 200 X

Prelaz OM - 15 /metal šava - koren Prelaz metal šava - popuna /OM-X10

Slika 2: Uzorak 2, X10CrMoVNb91 / 15CrMoV510, uvećanje X 200

Zavarivanje materijala X20CrMoV121 i 10CrMo9-10

Zavarivanje cevnih umetaka za ventilske komore, cevi Ø 350x65 mm od materijala 10CrMo910 sa cevi Ø 324x36 mm od materijala X20CrMoV121 izvedeno je postupkom 141/111. Korišćen je dodatni materijal prema visokolegiranom čeliku (12% Cr). Kvalifikacija tehnologije zavarivanja nije bila urađena , nisu postojali podaci o izvedenoj tehnologiji zavarivanja [6].


Metalografskom mikrostrukturnom analizom – tehnika replike uz liniju stapanja na strani materijala 10CrMo910 konstatovana je feritna krupnozrna zona .Širina ove zone bila je od 0,6 mm (uzorak 1) do 0,2 mm (uzorak 2), slika 3.

U zoni uticaja toplote materijala X20CrMoV121 nije konstatovana razlika u strukturi otpuštenog martenzita.

Zavarivanje materijala X10CrMoVNb9-1 i 10CrMo9-10

Zavarivanje cevi, dimenzija Ø42,4x5,6mm od materijala 10CrMo910 sa materijalom X10CrMoVNb-9-1 izvedeno

je postupkom 141. Korišćen je dodatni materijal sa sadržajem 5% Cr (WCrMo5S1).

Pri zavarivanju ispoštovani su zahtevi za temperaturu predgrevanja (250-300°C) i međuslojnu temperature (max. 300°C). Temperatura žarenja bila je 730 -760°C (740°C), a vreme žarenja 30 min.

Primenjena je elektrootporska metoda zagrevanja u toku zavarivanja [8].


Metalografskom mikrostrukturnom analizom uz liniju stapanja na strani materijala 10CrMo9-10 konstatovana je feritna zona neujednačene širine i veličine feritnog zrna, a uska naugljeničena zona na strani metala šava (5% Cr), (slika 4) .

Širina feritne zone bila je (max.0,2 mm - sredina ), uz lice i koren šava (max. 0,4 mm) .

Na strani materijala X10CrMoVNb9-1 uočena je mestimičmo uska feritna zona širine jednog feritnog zrna (max. 0,1 mm ).

PRAKSA

PRACTICE


Uzorak 1 (0,6mm) Uzorak 2 (0,2mm)

Slika 3: Krupnozrna feritna zona, čelik 10CrMo910 uvećanje 200 X

Prelaz metal šava-OM Prelaz metal šava-lice/koren /OM

Slika 4: Zona prelaza šav-osnovni materijal 10CrMo910, uvećanje 200 X

DISKUSIJA

Kod zavarenog spoja kombinacije materijala 15CrMoV510 i materijala X10CrMoVNb9-1 konstatuje se sledeće :

- Dodatni materijal za koreni zavar i za popunu trebao je da bude isti i da odgovara niskolegiranom čeliku ,

- Razlika u vremenu žarenja uzoraka 1 i 2 nije uticala na vrednosti zatezne čvrstoće.

- Izmerene vrednosti tvrdoće na uzorku 2, gde je vreme žarenja bilo kraće (1,5h) su veće u odnosu na vrednosti na uzorku 1, a u ZUT-u materijala X10CrMoVNb9-1 i metalu šava veće od dozvoljenih, što ukazuje da je vreme žarenja bilo nedovoljno .

- Vrednosti energije udara su neujednačene i u granicama zahteva u odnosu na osnovne materijale. Kod uzorka gde je vreme žarenja bilo duže dobijene su veće vrednosti u ZUT na strani materijala 15CrMoV510. S obzirom na primenjeno klasično

ispitivanje udarom, za kvalifikaciju tehnologije zavarivanja, uticaj evidentiranih difuzionih zona na žilavost zavarenog spoja nije pokazan.

- Na prelazu (OM - 15CrMoV510 i metal šava - popuna) sa jedne strane i (OM - X10CrMoVNb9 1 i metal šava – koren) sa druge strane, pri termičkoj obradi, kao rezultat difuzije ugljenika javlja se zona osiromašena ugljenikom - razugljeničena zona sa strane osnovnog materijala cevi 15CrMoV510, odnosno sa strane metala šava - popune, a zona obogaćena ugljenikom - naugljeničena zona ka materijalu šava – koreni deo odnosno ka osnovnom materijalu cevi X10CrMoVNb9 -1.

- Veličina zone osiromašene ugljenikom kod uzoraka gde je vreme žarenja bilo 3h iznosi max. 0,15 mm, a kod uzorka gde je vreme žarenja bilo 1,5 h je manja od 0,05 mm. Što se tiče zone obogaćene ugljenikom generalno se može reći da je ona veća na prelazu osnovni material cevi 15CrMoV510 / metal šava -

PRAKSA

PRACTICE


koreni deo i iznosi max. 0,1 mm. Naugljeničena zona u delu popune je manja kod uzoraka gde je vreme žarenja bilo 1,5 h.

- Veličina feritne zone je veća kod uzorka 1 gde je vreme žarenja bilo 3h, vrednosti tvrdoće u ZUT na strani materijala X10CrMoVNb9-1 i u metalu šava su veće od dozvoljenih, znači da je vreme žarenja od 1,5 h bilo nedovoljno (odnosno temperatura žarenja trebala je da bude veća - 730°C ).

- Kod zavarivanja materijala X20CrMoV121 sa materijalom 10CrMo9-10, korišćenjem dodatnog materijala koji odgovara visokolegiranom čeliku, na strani materijala 10CrMo910 konstatovana je feritna zona, dimenzija 0,6 mm (uzorak 1) odnosno 0,2 mm (uzorak 2). Različite dimenzije feritne zone, ukazuju da su parametri termičke obrade bijli različiti kod oba uzorka i da prethodno nije urađena kvalifikacija tehnologije zavarivanja koja bi potvrdila optimalne parametre.

- Kod zavarivanja materijala 10CrMo9-10 sa materijalom X10CrMoVNb9-1 korišćenjem dodatnog materijala sa srednjim sadržajem hroma u odnosu na osnovne materijale (5 %Cr) takođe su konstatovane difuzione zone , s tim što su izraženije na strani materijala 10CrMo910. Pošto je ispitivanje urađeno na cevi male debljine (vreme žarenja 30 min), potrebno uraditi dodatna ispitivanja na većim debljinama materijala .

ZAKLJUČAK

Cilj rada je bio da se pokaže uticaj parametara termičke obrade na osobine zavarenog spoja kombinacije visokolegiranih čelika sa hromom sa nisko legiranim čelicima. Rezultati ispitivanja tvrdoće posle temičke obrade ne predstavljaju apsolutni pokazatelj kvaliteta izvođenja termičke obrade.

Kod zavarivanja materijala, sa sadržajem hroma 1 ¼ - 2 ¼ % sa jedne strane i materijala sadržajem hroma 9 - 12% sa druge strane, pri termčkoj obradi, na prelazu materijala, usled difuzije ugljenika nastaje

feritna zona koja se priključuje materijalu sa nižim sadržajem hroma, kao i naugljeničena zona koja se priključuje materijalu sa visokim sadržajem hroma. Širina ovih zona zavisi od temperature i vremena žarenja, što je i potvrđeno ispitivanjem. Uticaj evidentiranih zona na žilavost zavarenog spoja nije pokazan primenjenim klasičnim ispitivanjem zavarenog spoja.

Kako se prisustvo ovih zona kod zavarivanja materijala sa različitim sadržajem hroma ne može sprečiti, izborom dodatnog materijala, i otimalnih parametara termičke obrade donekle se ublažava ovaj problem. Ispitivanja su pokazala da opredeljenje za dodatni materijal prema nižem osnovnom materijalu (sa manjim sadržajem hroma), uslovljava i nižu temperaturu termičke obrade , a samim tim manju difuziju ugljenika, tako da ovakvo opredeljenje ima više opravdanja .

Pri zavarivanju se treba striktno pridržavati parametara termičke obrade, čiji je kvalitet potvrđen u postupku kvalifikacije tehnologije zavarivanja.

LITERATURA

[1] Dr. Gnirs G. (2002), Zavarivanje modernih kotlovskih materijala; Zavarivanje i zavarene konstrukcije; 2/2002. pp103-111,

[2] EN12952-5-Vodocevni kotlovi i pomoćne instalacije – Izrada i konstrukcija delova pod pritiskom za kotlove

[3] VdTUV 506.12.92-Toplopostojani čelik 15CrMoV510 [4] SRPS EN10216-2. Bešavne cevi za delove pod pritiskom- Tehniški

uslovi isporuke–Deo2. Ne legirane i legirane čelične cevi sa specificiranim osobinama na radnim temperaturama .

[5] Katalog dodatnih materijala BOHLER [6] Izveštaj o metalografskom ispitivanju Zavoda za zavarivanje , br.

122.01 od 05.02.2003 [7] Kvalifikacija tehnologije zavarivanja br. K-2.011/05; K-2.002/06; K-

2.003/06, Zavod za zavarivanje - Beograd. [8] Kvalifikacija tehnologije zavarivanja br. K-2.030/07, Zavod za

zavarivanje – Beograd

uticaj tehnologije termiČke obrade na kvalitet …praksa practice zavarivanje i zavarene...

Documents