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.

 

Zdjęcie pęknięcia gorącego złącza spawanego
Rys. 1: Pęknięcie gorące w spoinie złącza spawanego [5].

 

 

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

Wskaźnik HCS - wzór ogólny
Wzór ogólny wskaźnika 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 Cekw ekwiwalentu węgla:

Wskaźnik Cekw ekwiwalentu węgla
Wskaźnik dla Cekw ekwiwalentu węgla

 

Zastosowanie dla stali niskowęglowych

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

 

Wskaźnik USC

Wskaźnik USC - wzór ogólny
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

Wzór ogólny wskaźnika CSF
Wskaźnik CSF - wzór ogólny

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.

Próba teowa ze spoiną pachwinową
Próba teowa ze spoiną pachwinową

 

 

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

Przyczyny i zapobieganie pęknięciom podczas spawania
Przyczyny i zapobieganie pęknięciom podczas spawania

 

 

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