Pęknięcia gorące w procesie spawania

Zachodzące pod wpływem cyklu cieplnego spawania zmiany struktury oraz zmiany stanów naprężenia i odkształceń wywierają istotny wpływ na powstawanie pęknięć spawalniczych.

 

W tym artykule zatrzymamy się przy pęknięciach gorących, inaczej zwanych krystalizacyjnych lub nad solidusowych, które powstają w momencie krystalizacji spoiny w wysokich temperaturach, czyli powstają w metalu spoiny, rzadziej w strefie wpływu ciepła (SWC). Powstają one w obszarach likwidusu, czyli linii lub obszaru na wykresie fazowym, na której zaczyna się przemiana cieczy w ciało stałe. Koniec tej przemiany  określa solidus. [1] [2] [3]

 

Pęknięcia gorące najczęściej występują w ściegach graniowych spoiny, lecz często dochodzą do powierzchni spoiny i widoczne są po usunięciu żużla  spawalniczego. Pęknięcia gorące przyczyniają się do obniżenia wytrzymałości zmęczeniowej złącza. Występują głownie przy spawaniu łukiem krytym (SAW) stali węglowo -manganowej [1].

 

Głównym pierwiastkiem, który wpływa na pękanie gorące jest siarka. Siarka rozpuszcza się w żelazie tworząc siarczek żelaza FeS o temperaturze topnienia 1193˚C.

 

 

 

Stale konstrukcyjne o zawartości większej niż 0,06% siarki mają skłonność do pękania gorącego w procesie spawania. Skłonność stali do tworzenia pęknięć gorących można określić za pomocą wzorów empirycznych.

 

Wskaźnik HCS

 

 

Zastosowanie dla stali niskowęglowych o Re ≤ 700 MPa

• kryterium oceny HCS ≥ 4 stal skłonna do pękania gorącego
• kryterium oceny HCS < 4 stal odporna na pękanie gorące.

Zastosowanie dla stali niskostopowych o Re > 700MPa

• kryterium oceny HCS ≥ 2 stal skłonna do pękania gorącego
• kryterium oceny HCS < 2 stal odporna na pękanie gorące.

 

Wskaźnik dla C_ekw ekwiwalentu węgla:

 

Zastosowanie dla stali niskowęglowych

• kryterium oceny C_ekw ˃ 0,45 - stal skłonna do pękania gorącego
• kryterium oceny C_ekw < 0,15 - stal odporna na pękanie gorące
• 0,15 < C_ekw < 0,45 – stal częściowo skłonna

 

Wskaźnik USC

 

Zastosowanie dla UCS₁ - stali węglowo manganowych CMn, UCS₂ – stale niskostopowe,     UCS₃ –stele z niobem:

• Kryterium oceny UCS₁, UCS₂ – wraz ze wzrostem wartości parametru wzrasta skłonność do pękania 
• Kryterium oceny UCS₃ < 10 stal odporna; UCS₃ ≥ 30 stal skłonna; 10 ≤ USC₃ < 30 stal częściowo skłonna

 

Wskaźnik CSF

Zastosowanie stale niskostopowe wysokowytrzymałe

• Kryterium oceny, czym wyższe parametry CSF, tym skłonność stali do pękania gorącego.

 

Pęknięcia gorące można podzielić na:

• Pęknięcia krystalizacyjne powstające w spoinie podczas jej krystalizacji
• Pęknięcia typu likwacyjnego, które powstają w przegrzanym obszarze SWC lub w powtórnie przegrzanych złączach spoin wielowarstwowych
• Pęknięcia w SWC powstają w wyniku spadku własności plastycznych stali w pewnych zakresach temperaturowych [2].

Czynniki wpływające na tworzenie się pęknięć gorących to:

• Sposób krystalizacji
• Zanieczyszczenia (siarka , fosfor)
• Naprężenia spawalnicze

Zapobieganie pęknięciom gorącym:

Rozpuszczalność siarki w żelazie obniża dodatek manganu. Mangan w stali wiąże siarkę w trudno topliwe siarczki manganu MnS, które maja wyższą temperaturę topnienia niż siarczki żelaza. Przyjmuje się, że w stalach z mała zawartością węgla, przy zachowaniu stosunku Mn/S=22, nie występuje pęknięcie gorące w spoinach.

 

Skuteczne zapobieganie powstawaniu pęknięć można wykonać za pomocą:

• Zapewnić wymagany stosunek Mn/S w spoinie wykorzystując materiał podstawowy i dodatkowy z jak najniższą zawartością siarki.
• Stosować parametry spawania dające spoiny o korzystnym kształcie i sposobie krystalizacji najlepiej o kształcie elipsy.
• Zapewnić korzystną wartość wskaźnika np. HCS
• Zmniejszyć naprężenia w złączach spawanych.

Badania skłonności do tworzenia pęknięć gorących można sprawdzać za pomocą specjalnie przygotowanych do  tego celu prób. Należą do nich:

• próba przy użyciu próbek o różnej szerokości ze spoinami czołowymi
• próba teowa za spoiną pachwinową.

Próba teowa ze spoiną pachwinową o wymiarach i kształcie jest przedstawiona na poniższym rysunku.  Wykonana jest w ten sposób, że w pierwszej kolejności spawamy spoinę nr1 jako spoinę mocującą. Następnie po ostygnięciu próby do temperatury otoczenia, z drugiej strony układa się spoinę próbną nr2. Po wystygnięciu próbki do temperatury otoczenia, sprawdzamy ją za pomocą oględzin zewnętrznych, a następnie przecina się półkę pomiędzy spoinami i wygina się próbkę w celu wykrycia pęknięć gorących na powierzchni przełomu.

 

 

Dla zobrazowania w/w informacji można to ująć w diagramie opisującym przyczyny i zapobieganie pęknięciom gorącym [1].

 

 

Literatura:

[1] – Technologie Materiałowe II, Spajanie materiałów – dr inż. Dariusz Fydrych

[2] – Metaloznawstwo i Spawalność metali – Instytut Spawalnictwa – Gliwice 1997

[3] – Wikipedia

[4] – Poradnik Inżyniera- Spawalnictwo tom1 – WNT Warszawa 2003

[5] – Figel technika spawalnicza – strona internetowa www.figel.pl