I
METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE
KOMPONENTE
diplomsko delo
Študent: Uroš Colarič
Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: doc. dr. Zdravko Praunseis
Lektorica: Simona Žmauc, prof. slovenščine
Krško, september 2016
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Zdravku Praunseisu za pomoč in usmerjanje pri pisanju
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem Inštitutu za energetiko za uporabo
laboratorijske opreme.
Posebna zahvala velja tudi staršem za vso podporo, razumevanje ter omogočanje študija.
IV
METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE KOMPONENTE
Ključne besede: metalografija, X-večvarkovni zvar, toplotno vplivano področje, optični
pregled
UDK: 621.791.053:54.06(043.2)
Povzetek
Diplomsko delo obravnava optični pregled večvarkovnega zvarnega spoja in določitev
karakterističnih mikrostruktur v korenu, temenu in toplotno vplivanem področju zvarnega
spoja izdelanega iz visokotrdnostnega mikrolegiranega jekla, ki se največkrat uporablja za
gradnjo energetskih sistemov.
Opisani so postopki odvzemanja vzorcev iz zvarnih spojev in priprava metalografskih
obrusov za kvalitetno izdelavo metalografskih slik.
Ugotovljeno je, da je najbolj kritična mikrostruktura z najnižjo lomno žilavostjo toplotno
vplivano področje večvarkovnega zvarnega spoja.
V
METALLOGRAPHICAL ANALYSIS OF WELDED ENERGY COMPONENTS
Key words: metallography, multi-pass double v weld, heat affected zone, optical
inspection
UDK: 621.791.053:54.06(043.2)
Abstract
Thesis deals with an optical inspection of the multi-pass double v weld joint and the
determination of characteristic microstructures in the root, crown and the heat affected
zone of welded joint made from high-strength microalloyed steel, which is mainly used for
the construction of energy systems.
It describes the procedures for taking samples of welded joints and the preparation of
metallographic samples for quality production of metallographic images.
It was found that the most critical microstructure with the lowest fracture toughness is the
heat affected zone of multi-pass double v weld joint.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ................................................................................................................................ 1
2 METALOGRAFSKA PREISKAVA ZVAROV ......................................................... 2
2.1 POSEBNOSTI METALOGRAFSKE PREISKAVE ZVAROV .................................................................2
2.1.1 Splošno....................................................................................................................................................2
2.1.2 Tehnike odvzemanja in priprave vzorcev .............................................................................................3
2.2 MOŽNOSTI, KI JIH PONUJA MAKROSKOPSKA PREISKAVA ..........................................................4
2.2.1 Makroskopska predstavitev zvara; Definicije ......................................................................................4
2.2.2 Razlaga makroskopskih preiskav zvarov na jeklu ...............................................................................7
2.2.3 Pripombe k različnim rabam metalografske preiskave .....................................................................11
2.3 DOPOLNILA GLEDE MIKROSKOPSKE PREISKAVE ........................................................................12
3 STRJEVANJE TALILNEGA PODROČJA.............................................................. 14
3.1 POSEBNOSTI STRJEVANJA....................................................................................................................14
3.2 OBRAVNAVA TALILNE KOPELI ..........................................................................................................15
3.2.1 Splošni primer ......................................................................................................................................15
3.2.2 Posebni primeri: varjenje z elektronskim snopom, točkovno varjenje .............................................17
3.3 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA .......................................................................................................19
3.3.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija.....................................................................19
3.3.2 Trajektorja strjevanja - hitrost strjevanja ..........................................................................................21
3.3.3 Uporabnost makrografskih podob talilnega področja ......................................................................24
3.3.4 Vloga premen v trdnem stanju ............................................................................................................27
3.4 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA.......................................................................................................29
3.4.1 Izcejanje ( segregacija) .......................................................................................................................29
3.4.2 Drugi vzroki heterogenosti ..................................................................................................................32
3.5 PRAKTIČNE POSLEDICE ........................................................................................................................34
3.5.1 Delovanje plinov: pore ........................................................................................................................34
3.5.2 Pokljivost vara v toplem ......................................................................................................................37
3.5.3 Mehanske lastnosti vara ......................................................................................................................38
4 EKSPERIMENTALNI DEL ........................................................................................ 41
4.1 OPIS UPORABLJENIH NAPRAV-APARATUR ....................................................................................41
4.1.1 Rezalnik BUEHLER AbrasiMet 250 ...................................................................................................41
4.1.2 Ročni Brusilni polirni stroj BUEHLER MetaServ 250......................................................................44
VII
4.1.3 Avtomatski brusilni - polirni stroj BUEHLER EcoMet 250 Pro.......................................................46
4.1.4 Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m .................................................................................................49
4.1.5 Prenosni rentgenski fluorescenčni (XRF) analizator Thermo NITON XL3t ....................................51
4.2 IZDELAVA IN PRIPRAVA METALOGRAFSKEGA OBRUSA ..........................................................52
4.2.1 Izrez metalografskega obrusa .............................................................................................................52
4.2.2 Vlivanje (pritrjevanje) vzorca .............................................................................................................53
4.2.3 Brušenje vzorca ....................................................................................................................................54
4.2.4 Poliranje vzorca ...................................................................................................................................55
4.2.5 Jedkanje vzorca ....................................................................................................................................57
5 DOLOČITEV MIKROSTRUKTUR V ZVARNEM SPOJU ................................. 59
5.1 MIKROSKOPIRANJE (METALOGRAFSKA ANALIZA) VZORCA ..................................................59
5.2 IZSLEDKI (SLIKE MIKROSTRUKTUR ZVARNEGA SPOJA IN NJIHOVA DOLOČITEV)...........60
6 DISKUSIJA REZULTATOV ...................................................................................... 65
7 SKLEP ............................................................................................................................. 66
8 VIRI IN LITERATURA ............................................................................................... 68
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA
DELA IN OBJAVO OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV..................................................................69
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ..............................................................70
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) za makrografijo prerezov zvarov,
zvarjenih s pomičnim izvorom toplote. [2] .............................................................................. 2
Slika 2.2: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) makro prerezov uporovno
varjenih zvarnih točk. [2] ........................................................................................................... 3
Slika 2.3: Polporušni odvzem preizkušanca v obliki ˝čolnička˝s sferičnim rezkarjem. [2] .. 4
Slika 2.4: Sestava področja sočelnega talilnega zvara v enem zvaru. [2] .............................. 5
Slika 2.5: Makroskopski videz zvara, varjenega pod pritiskom na toplo (primer jekla):
deformacija vlaken v prehodnem področju. [2] ....................................................................... 7
Slika 2.6: Makroskopski prikaz vrstnega reda in razporeditve zvarkov (primer zvara v treh
zvarkih na jeklu).[2] ................................................................................................................... 8
Slika 2.7: Planimetrična ocenitev mešanja na makroskopski sliki ob upoštevanju znane
začetne priprave.......................................................................................................................... 9
Slika 2.8: Razpoznavanje morebitnih toplotnih obdelav pred varjenjem in med varjenjem
ter po njem po njihovem učinku na talilno področje in toplotno vplivano področje. [2] .... 10
Slika 3.1: Shematski prikaz talilne kopeli v primeru I zvara. [2].......................................... 15
Slika 3.2: Tloris in vzdolžni prerez talilne kopeli in gibanje taline v kopeli. Vidne raze na
površini kažejo napredovanje talilne kopeli. [2] .................................................................... 16
Slika 3.3: Pogled v vzdolžnem prerezu na učinek napredovanja d l podaljšane talilne kopeli:
debelina dn ustrezne strnjene plasti je toliko manjša, kolikor je talilna kopel daljša. [2] .... 16
Slika 3.4: Varjenje z elektronskim snopom: talilno področje (sočelni I zvar) nastaja z
napredovanjem votlinice s tekočo oblogo, ki jo povzroča snop (črno polje na vzdolžnem
prerezu in v tlorisu). [2] ........................................................................................................... 17
Slika 3.5: Varjenje z elektronskim snopom: prikaz nepopolne homogenizacije talilne
kopeli z rezultati meritev trdot v heterogenem zvaru (A – avstenitno jeklo, M –
martenzitno jeklo). [2] ............................................................................................................. 18
Slika 3.6: Tvorba in usmeritev talilnega področja uporovnega točkovnega zvara. [2] ....... 18
Slika 3.7: Epitaksalno strjevanje v prehodnem področju. To področje, ki je prikazano na
sliki v prekinjeni črti, ni vidno v primeru čiste kovine. [2] ................................................... 20
IX
Slika 3.8: Epitaksalno strjevanje sledečih si zvarkov pri večvarkovnem varjenju iste kovine
ali zlitine brez fazne premene: strjena struktura se zadrži preko sledečih si prehodnih
področij.[2] ............................................................................................................................... 21
Slika 3.9: Trajektorija (smerna črta) strjevanja, ki jo povzroča pomik talilne kopeli: ........ 21
Slika 3.10: . Mehanizem selektivne rasti kristalnih zrn v prehodnem področju. Zrna vara,
katerih prednostna smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja, se razvijajo na račun drugih
zrn. [2] ....................................................................................................................................... 23
Slika 3.11: Zrna strjevanja, ki izhajajo iz selektivne rasti (pokončna slika v tlorisu). ........ 23
Slika 3.12: . Glavni videzi struktur strjevanja na prečnih prerezih in tlorisih [2] ............. 24
Slika 3.13: Struktura zvarov, varjenih navpično pod žlindro, ki se pojavi na prečnih
vzdolžnih prerezih: ................................................................................................................... 26
Slika 3.14: Struktura strjevanja uporovnih točkovnih zvarov: .............................................. 26
Slika 3.15: Prehod strukture strjevanja v strukturo premene v prehodnem področju
(jeklo). Proevtektoidni ferit, ki se izloča na mejah in v notranjosti zrn na obeh straneh
prehodnega področja, obdrži epitaksalni videz. [2] ............................................................... 28
Slika 3.16: Vloga fazne premene pri segrevanju v času varjenja v več zvarkih .................. 29
Slika 3.17: Uporaba primera večvarkovnega zvara na debeli pločevini [2] ......................... 29
Slika 3.18: Shematski prikaz rasti zrna pri strjevanju od začetnega kubičnega kristala: osi
rasti zrna, ki so usmerjene pravokotno na stranice kubičnega kristala. [2] .......................... 30
Slika 3.19: Mikroskopski videz ravninske strukture na začetku strjevanja v prehodnem
področju; dendritski videz se pokaže šele na določeni oddaljenosti od stične površine
"trdno/tekoče". [2] .................................................................................................................... 31
Slika 3.20: Makroskopski videz periodične heterogenosti na vzdolžnem in prečnem
prerezu, ki izvira iz prehoda v kapljicah v primeru heterogenega zvara. [2] ................... 33
Slika 3.21: Nastanek netopnih delcev v talilni kopeli in njihovo izločanje vzdolž robov
zvara. [2] ................................................................................................................................... 33
Slika 3.22: Sheme Chalmersa (na levi) v zvezi z okoliščinami nastajanja in oblike por;
uporaba (shem) za razlago poroznosti (na desni) v talilnem področju: (S - trdno, L -
tekoče):...................................................................................................................................... 35
Slika 3.23: Radiografski videz črvičastih por. Razporeditev, imenovana tudi "ribja kost".
[2] .............................................................................................................................................. 36
X
Slika 3.24: Makroskopski videz (v tlorisu in v prečnem prerezu) vzdolžnega in prečnega
interdendritnega razpokanja v toplem. [2] ............................................................................. 37
Slika 3.25: Posledica anizotropije vara v enem ali več varkih na izdelku, ki nima fazne
premene (glej sliko 3.8). Natezni preizkušanec zvara, ki je izrezan vzdolž vara, se bolj
deformira med preizkusom v smeri rasti zrn kot v prečni smeri: preizkušanec postane
ovalen [2] .................................................................................................................................. 39
Slika 3.26: Možne lege žilavostnega preizkušanca in njegove zareze glede na smer rasti
strjevanih zrn (primer zvara pri varjenju pod žlindro). [2] .................................................... 39
Slika 4.1: AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik. ................................................................ 42
Slika 4.2: MetaServ 250 brusilni-polirni stroj. ....................................................................... 45
Slika 4.3: EcoMet 250 brusilni-polirni stroj. [7] .................................................................... 47
Slika 4.4: Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m. ................................................................. 50
Slika 4.5: analizator Thermo NITON XL3t. [8]..................................................................... 51
Slika 4.6: vzorec izrezan (prečno) iz zvarnega mesta. ........................................................... 53
Slika 4.7: priprava mase za vlivanje vzorca za izdelavo metalografskega obrusa............... 54
Slika 4.8: primer ročnega brušenja metalografskega obrusa. ................................................ 55
Slika 4.9: polikristalno abrazivno sredstvo 3 mikrone. ......................................................... 56
Slika 4.10: polikristalno abrazivno sredstvo 9 mikronov. ..................................................... 56
Slika 4.11: Al2O3 - prah, k ga uporabljamo za končno poliranje metalografskih obrusov. [9]
................................................................................................................................................... 57
Slika 5.1: Pregled metalografskega obrusa s svetlobnim mikroskopom Zeiss, Axio Imager
A2m. .......................................................................................................................................... 59
Slika 5.2: prikaz računalniške obdelave s programom AxioVision. ..................................... 60
Slika 5.3: Osnovna slika X-večvarkovnega zvara.................................................................. 60
Slika 5.4: Bainit v osnovnem materialu – NIOMOL 490K(320 x). ..................................... 61
Slika 5.5: Drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v korenu zvara s sledovi
primarnega ferita po mejah avstenitnih zrn (200 x). .............................................................. 61
Slika 5.6: Drobnozrnata feritno-bainitna mikrostruktura v korenu zvara (1000 x). ............ 62
Slika 5.7: Bainit v korenskih varkih zvara. ............................................................................ 62
Slika 5.8: Drobnozrnata bainitna mikrostruktura v korenskem delu zvara. ......................... 63
Slika 5.9: Bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja. ............. 63
Slika 5.10 Feritno – bainitna mikrostruktura v korenu zvara. ............................................... 64
XI
UPORABLJENI SIMBOLI
A(mm2) - površina prereza zvara
a(mm2) - površina prereza osnovnega materiala
L(likvidus) - tekoče stanje
S(solidus) - trdno stanje
Q(26 KJ/ cm) - vnos toplote pri varjenju
A1,A2,A3 - izoterme premen
Vs(mm) - hitrost varjenja
P(kW/Hp) - moč
d% - procentualna stopnja mešanja materiala v varu
I1,I2,I3 - lege izotermne površine
T - trajektorija strjevanja
γ - avstenit(gama)
δ - delta ferit
Mg - magnezij
P(bar) - tlak
Ni - nikelj
Cr - krom
S - žveplo
U - uran
C - ogljik
CO2 - ogljikov dioksid
Ar - argon
U(V) - napetost
f(Hz) - frekvenca
I(A) - tok
Al2O3 - aluminijev oksid
SiC - silicijev karbid
Si - silicij
Mn - mangan
P - fosfor
XII
Mo - molibden
V - vanadij
Al - aluminij
Ti - titan
XIII
UPORABLJENE KRATICE
TVP - toplotno vplivano področje
TEM - transmisijski elektronski mikroskop
TIG - postopek varjenja (tungsten inert gas)
MIG - postopek varjenja (metal inert gas)
MAG - postopek varjenja (metal active gas)
LED - vrsta žarnice (light-emitting diode)
CE - spričevalo skladnosti ("Conformité Européene" ("evropska skladnost") )
EC - certifikat o preizkusu
USB - povezava z osebnim računalnikom (Universal Serial Bus)
GPS - navigacija (global positioning system)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Varjeni jekleni deli so pomemben in kritičen del vsakega energetskega postrojenja. Zaradi
navedenega je poznavanje mikrostruktur po varjenju ključnega pomena za pravilno
ocenitev varnega obratovanja konstrukcije.
Postopek po katerem prepoznavamo mikrostrukture v zvaru in njegovi okolici imenujemo
metalografska preiskava zvarnega spoja. V ta namen moramo odvzeti vzorec zvarnega
spoja in ga pripraviti za nadaljno obdelavo.
Metalografska preiskava v povezavi s preiskovalnimi tehnikami, ki jo informacijsko
dopolnjujejo, je osnova metalurškega študija zvarov. Kar zadeva makroskopijo in
mikroskopijo, moramo pregledati posebnosti teh dveh tehnik, kadar jih uporabljamo za
preiskavo zvarov za raziskovalne cilje, pri izdelavi, kontroli in tudi pouku. Metalografska
preiskava zvarov predstavlja eno najvažnejših tehnik metalurškega študija zvarov, kajti
njeni rezultati omogočajo zbrati in razložiti delne rezultate, ki jih dobimo pri drugih
tehnikah preiskave.
Pregled in določitev vseh mikrostruktur v zvarnem spoju opravimo z optičnim stereo
mikroskopom .
Praktični del naloge je bil izveden na Inštitutu za energetiko in zajema izdelavo X-
večvarkovnega zvarnega spoja, odvzem in pripravo vzorca zvarnega spoja ter
eksperimentalno delo na Zeiss mikroskopu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
2 METALOGRAFSKA PREISKAVA ZVAROV
2.1 POSEBNOSTI METALOGRAFSKE PREISKAVE ZVAROV
2.1.1 Splošno
Najbolj pogosto izvajamo metalografsko preiskavo na odvzetih preizkušancih (iz
varjencev); torej s porušitvijo. Neporušni postopek ali postopek z delno porušitvijo replik
uporabljamo redkeje v makrografiji in češče v mikrografiji. Vedno, kadar je mogoče,
dajemo prednost odvzetim vzorcem, ki imajo vsa zanimiva področja preiskovanega zvara;
edina resna ovira, predvsem v mikrografiji, sta teža in velikost vzorcev (primer velikih
debelin). V primeru izdelave zvarov s pomikom izvora toplote najbolj pogosto odvzamemo
vzorce prečno na linijo zvara (slika 2.1-a). Tako odvzet vzorec je reprezentativen za ves
Slika 2.1: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) za makrografijo prerezov zvarov,
zvarjenih s pomičnim izvorom toplote. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
zvar, kjer je bilo med varjenjem doseženo kvazistacionarno stanje. Odvzeti vzorec v drugih
legah ali smereh ni pri tem izključen; posebno zanimive informacije dobimo na vzdolžnih
prerezih (slika 2.1-b), predvsem, kar zadeva morfologijo morebitnih razpok, o katerih se ne
moremo izjaviti, preden nismo preiskali obeh vrst prerezov, prečnega in vzdolžnega.[2]
V primeru varjenja z nepomičnim izvorom toplote v splošnem izrežemo vzorec po
simetrijski ravnini; to je primer za zvarno točko pri uporovnem varjenju, ki jo preiskujemo
po sredi (slika 2.2-a), toda tudi tu je mogoče potrebno preiskovati drug prerez, npr. skozi
ekvatorialno ravnino. [2]
Slika 2.2: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) makro prerezov uporovno varjenih zvarnih točk. [2]
a - prerez preko debeline po sredi točke, b - ekvatorialni prerez, vzporedno površini varjenca
2.1.2 Tehnike odvzemanja in priprave vzorcev
Le v okviru izdelave ekspertiz uporabljamo odvzete vzorce, sicer pa v makrografski
preiskavi zvarov uporabljamo preizkušance, ki so posebej pripravljeni, ali pa celo
preizkušance, pripravljene sicer za druge preiskave (preizkus trdote, mehanski preizkusi ali
tudi preizkus varivosti). Včasih smo uporabljali makrografsko preiskavo tudi za kontrolo –
z rezervami, toda upoštevanje, da pri tem poškodujemo konstrukcijo, ker bi iz nje izrezali
preizkušance in razvoj ustreznejših možnosti kontrole, sta narekovali opustitev te prakse.
Toda še vedno imamo v praksi nek način odvzema vzorcev s sferinim rezkalom z vzorcem
v obliki ˝čolnička ̋ (slika 2.3); oblika tako poškodovanega področja je ustreznejša za
neizogibno kasnejše popravilo z varjenjem kot v primeru valjasto izvrtanih preizkušancev.
Ta način odvzema vzorcev uporabljamo za dopolnitev neporušne kontrole (radiografije ali
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
Slika 2.3: Polporušni odvzem preizkušanca v obliki ˝čolnička˝s sferičnim rezkarjem. [2]
ultrazvoka), kadar moramo natančno določiti vrsto in lego odkritih napak in, če napake so,
oceniti možnost njihovega popravila. [2]
Ne glede na namen preiskave je važno, da s tehniko odvzema vzorcev in pripravo ne
povzročimo segretja, s katerim bi lahko spremenili makrografski ali mikrografski videz
področij, ki nas zanimajo. Če pri tem uporabljamo toplotno rezanje, da bi prišli do vzorca
preizkušanca, mora biti velikost tega vzorca zadostna, da brez težav mehansko odstranimo
zaradi toplotnega rezanja spremenjeno strukturo. [2]
Prav tako moramo biti previdni ne glede na marko ali mikrografijo pri izdelavi in poliranju
obrusov, predvsem pri mehanskem poliranju; razlika med obema je samo v stopnji
predvidenega poliranja glede na jakost potrebnega jedkanja, da pridemo do vpogleda v
spremembe preiskane sestave in strukture. Elektrolitsko poliranje praktično v mikrografiji
omogoča doseči zelo visoko stopnjo poliranja, ne da bi pri tem prišli do kakšne spremembe
ali deformacije v hladnem na preiskovani površini kot pri mehanskem poliranju. [2]
2.2 MOŽNOSTI, KI JIH PONUJA MAKROSKOPSKA PREISKAVA
2.2.1 Makroskopska predstavitev zvara; Definicije
Jedkanje makro obrusa omogoča med drugim prikaz sestavnih področij zvara, ki se
razlikujejo drugo od drugega v odvisnosti od jakosti jedkanja ali po različnih barvah. Te
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
razlike predstavljajo spremembe sestave in strukture, ki jih povzroči varjenje. Če je
jedkanje zadostno, so razlike vidne na oko ali pri rahlem povečanju. Na primer, v splošnem
prerezu sočelnega taljenega zvara v enem zvarku, bomo opazili naslednja področja, ki so
prikazana na sliki 2.4-a. Talilno področje je področje, v katerem je bila kovina med
varjenjem
Slika 2.4: Sestava področja sočelnega talilnega zvara v enem zvaru. [2]
Legenda slike:
a) Splošni primer
1) Talilno področje
2) Prehodno področje
3) Toplotno vplivano področje (TVP)
4) Osnovni material
b) Posebni primer za jeklo
staljena; do njega smo prišli s taljenjem osnovnega materiala z večjim ali manjšim
mešanjem s staljenim dodajnim materialom. Takoj po varjenju so zrna, ki rastejo iz
strjevanja, v splošnem razvidna brez povečave. Kovino, ki jo sestavlja talilno področje,
imenujemo var. Staljeni dodajni material, to je pred mešanjem, imenujem čisti var.[2]
Prehodno področje ustreza meji, do katere je bil osnovni material raztaljen in omejuje
taljeno področje; razvidno je zaradi razlike v strukturi, ki jo ugotovimo z ene in druge
strani zvara. Naj spomnimo, da je za neko zlitino (v širokem smislu besede: kovina-kovina
ali kovina-nečistoča) značilno področje temperature, imenovano interval strjevanja, v
katerem sta v ravnotežju dve fazi, tekoča in trdna. Prehodno področje je zanimivo po tem,
da je mesto začetka strjevanja zvara. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Toplotno vplivano področje (TVP) je tisto področje, v katerem toplotni cikel varjenja pri
segrevanju povzroča od začetne temperature navzgor eno ali več strukturnih premen v
trdnem stanju. Transformacije pri ohlajanju so težje določljive z mikrografijo, kajti
potrebnemu pogoju dosežene temperature ne dodajamo v splošnem pogoj za čas ohladitve .
Z vsako strukturno premeno je značilna nižja temperatura, ki je obenem zunanja meja
ustreznega vplivanega področja in sovpada z značilno izotermo te temperature. Ta
izoterma se pojavi bolj ali manj jasno glede na to, če pojav napreduje v odvisnosti od
temperature ali ne napreduje. Tako na sliki 2.4-b na jeklu razlikujemo po napredujoči
spremembi obarvanosti vstop v področje, kjer je temperautra A1 (pospešen prehod perlita v
avstenit). Temu sledi oster prehod v popolnoma avstenitizirano področje nad temperaturno
premeno. Bliže talilnemu področju je področje rasti avstenitnega zrna. Zrno je tem večje,
čim višja je bila dosežena temperatura. Pregreto področje je bolj ali manj vidno, vendar ni
jasno omejeno z izotermo. [2]
Osnovni material je del varilnega preizkušanca za makrografijo in mikrografijo. Najprej je
osnovni material osnova za oceno sprememb, do katerih pride pri varjenju. Na drugi strani
pa določene spremembe niso vidne pri makroskopski obdelavi, ker ustvarjajo sestavne dele
in strukture, ki so preveč fine ali preveč disperzirane, da bi nastala heterogenost vidna pri
makroskopski obdelavi; te strukture so v velikosti optične ali celo elektronske
mikroskopije. Zato ne smemo sklepati, da osnovni material ni prizadet, če makroskopska
preiskava ni ničesar odkrila. Tak primer je morebitno staranje jekla, ki ga povzroči varjenje
v bližini hladno deformiranega področja. [2]
Pri načinih varjenja, kjer ne pride do taljenja, in tistih, kjer je talina iztisnjena, ni talilnega
področja; tam opazimo samo z ene in druge strani prehodno področje, kjer ostane trdna
kovina med varjenjem, toda morebitno ostaja na njej sled deformacije, ki jo je doživela, v
hladnem ali v toplem, glede na način varjenja. S tem je tako, na primer, pri obžigalnem ali
varjenju s trenjem (slika 2.5), kjer makrografska obdelava istočasno odkrije toplotno
vplivano področje in deformacijo kovine, zaznamovano z odklonom vlaken. Lahko bi
navajali tudi makrografske posebnosti v zvezi z drugimi načini kot so spajkanje ali varilno
spajkanje, difuzijsko varjenje itd. [1-5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
Slika 2.5: Makroskopski videz zvara, varjenega pod pritiskom na toplo (primer jekla): deformacija vlaken v
prehodnem področju. [2]
2.2.2 Razlaga makroskopskih preiskav zvarov na jeklu
Če se omejimo na talilne zvare v enem ali več zvarkih, lahko razpravljamo o podatkih, ki
jih da makroskopska preiskava na eni strani o geometrijskih ali fizikalnih nepravilnostih na
zvarih, na drugi strani pa o njihovih pogojih izdelave. [2]
Kar zadeva geometrijske in fizikalne nepravilnosti, je jasno, da so samo tiste vidne, ki so
na preiskovanih površinah. Le-te so vidne na prerezih brez jedkanja tudi kot rezultat
neporušne kontrole in so tako z makrografijo potrjene in dopolnjene.
Pri geometrijskih nepravilnostih naj navedemo:
- zamik robov
- kotno deformacijo (učinek strehe)
- zamaknitev zvarov zgoraj in spodaj
- zajede
- pretirano teme ali pomanjkljivo teme
- pomanjkljiva spojitev (zlep) (napaka uvara)
Med fizikalne nepravilnosti (ali nepravilnosti homogenosti) štejemo:
- pore
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
- nekovinske vključke (žlindra)
- pomanjkljiva zlitja (lepljenje)
- razpoke
S tem, da je viden samo tisti del nepravilnosti, ki leži na površini obrusa, preiskava samo
na enem prerezu ne omogoča točno določiti oblike preiskovane napake. Ta pripomba v
bistvu velja za vključke, pore in predvsem razpoke, katerih natančna določitev je lahko
rezultat preiskave v več prerezih. [2]
Pogoje izdelave zvarov lahko natančno določimo vsekakor z makroskopsko preiskavo, kar
zadeva naslednje elemente, ki veljajo za talilne zvare na jeklu:
- Določitev načina varjenja: To je vprašanje samo v primeru ekspertize, toda dobro je
vedeti, da je način varjenja v bistvu ugotovljiv po obliki talilnega področja (če tam sploh
je) na prečnih prerezih in po bolj ali manj širokem toplotno vplivanem področju .
- Število, razporeditev in vrstni red zvarkov: Mikrografija daje podatke o tem z
opazovanjem naslednjih posebnosti zvara v treh zvarkih, od katerih je eden izdelan z druge
(korenske) strani (slika 2.6).
Slika 2.6: Makroskopski prikaz vrstnega reda in razporeditve zvarkov (primer zvara v treh zvarkih na
jeklu).[2]
- V zvaru so vidna prehodna področja in kažejo svojo konkavnost iz tiste strani, kjer
so bili varki varjeni. Pri prekrivanju varkov ločimo vrstni red in njihovo število .
- Področja zvara, kjer so medsebojno toplotno vplivani zvarki, se kažejo s svojo
konkavnostjo in z njihovo različno strukturo (ki je fina), kar potrjuje prejšnjo diagnozo .
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
- Meje toplotno vplivanih področij osnovnega materiala, ki izvirajo iz vsakega
zvarka, potrjujejo s svojimi usmeritvami in s svojimi medsebojnimi sečišči ugotovitve, ki
smo jih naredili o zvaru, vsaj na meji talilnega področja
- Varki v zvaru takoj po varjenju (označeni so z dve ali tri, oziroma tri ali dve) se
razlikujejo po strukturi, ki ni transformirana z učinkom prejšnjih zvarkov
- Glede na vrstni red zvarkov, pa lahko pride do dvomov. Tako z makrografijo na
sliki 2.6 ne moremo ugotoviti, če je bil varek s korenske strani zavarjen preje ali kasneje
kot zadnji varek s temenske strani. [2-4]
Ocena procentualne stopnje mešanj: Po že dani definiciji procentualne stopnje mešanja
zadošča izmeriti za oceno te procentualne stopnje v primeru istega varka ali navarka (slika
2.7-a) ploskev ˝a˝ (staljeni osnovni material) in ploskev A (celotno staljeni material), da b i
izračunali to procentualno stopnjo za:
d% = (a / (a + A)) . 100 [%];
od tod sledi ocena kemijske sestave vara iz osnovnega materiala in čistega vara. Ta
Slika 2.7: Planimetrična ocenitev mešanja na makroskopski sliki ob upoštevanju znane začetne priprave .
a - na navaru, b - na zvarjenem spoju;
A - celotna površina zvara, a – površina osnovnega materiala, ki ga je zajelo taljenje. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
postopek zelo koristi v primeru heterogenih navarjanj (npr. nerjavečega jekla na malo
legirano jeklo) in omogoča, da so pogoji izvedbe in nato uvar konstantni po vsej dolžini
navara. [2]
Isti postopek je mogoč v primeru zvara pod pogojem, da poznamo začetni profil in žlebno
režo, ki jo imamo na makroskopski sliki (slika 2.7-b). [2]
Toplotna obdelava pred varjenjem, med varjenjem in po varjenju; makroskopija omogoča
za zvare na jeklu, da določimo ali preverimo, če smo take postopke uporabili:
- Varjenje na predmetu, ki je bil pred varjenjem normaliziran, povzroči toplotno
vplivano področje; tega jasno omejujejo izoterme premen A1 in A3 (slika 2.8-a). Če je bilo
Slika 2.8: Razpoznavanje morebitnih toplotnih obdelav pred varjenjem in med varjenjem ter po njem po
njihovem učinku na talilno področje in toplotno vplivano področje. [2]
jeklo pred varjenjem kaljeno in popuščeno, toplotni cikel učinkuje preko meja teh izoterm
s tem, da povzroči visoko popustitev na področju, ki je bilo ponovno segreto preko
temperature začetnega popuščanja. Metalografsko jedkanje zaznamuje to področje z
avreolo, ki je manj kontrastna in ki obkroža avstenitizirano področje (slika 2.8-b).
Predgretje povzroči zmanjšanje temperaturnega gradienta, torej povečanje toplotno
vplivanega področja. Primerjava makroskopske slike varka, ki ni bil predgret (slika 2.8-c),
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
z makroskopsko sliko predgretega varka in izdelanega z enako energijo (slika 2.8-d) jasno
kaže povečanje toplotno vplivanega področja in manjši kontrast.
- V praksi normaliziramo na temperaturo, ki je višja od A3, da bi dobili popolno
avstenitizacijo. Če tako normaliziramo cel varjenec ali zadostno širino okrog zvara, izgine
toplotno vplivano področje, ki je reavstenitizirano z osnovnim materialom in ki povzroči
pomanjšanje zrn v talilnem področju (kar je eden od ciljev normalizacije). To je vzrok zelo
različnih makroskopskih slik varka takoj po varjenju (slika 2.8-c) in normaliziranega varka
(slika 2.8-f). Podobno velja tudi za postopek kaljenja in popuščanja varjencev.
- Če toplotno obdelujemo na temperaturi, kjer ne pride do avstenitizacije, kot v
primeru postopkov sproščanja napetosti, vplivano področje ni niti odpravljeno niti
dimenzijsko spremenjeno, toda učinek popuščanja pri tej izvedbi se kaže z manjšim
kontrastom obarvanosti TVP, ki je primerljiva s tisto v primeru d nasliki 2.8. [2-4]
2.2.3 Pripombe k različnim rabam metalografske preiskave
Makroskopska preiskava zvarov z ozirom na podatke, ki jih nudi, je uporabna za različne
primere, h katerim naj naredimo nekaj pripomb.
Najprej: makroskopska preiskava je pred mikroskopsko, ki jo vpeljuje, ne glede na namen
mikroskopije (raziskava, ekpertiza, kontrola, pouk); tudi če kasnejše izvedbe dopoln jujejo
makroskopsko preiskavo, je ta preiskava neizogibna, da bi s tem lokalizirali mikroskopske
preiskave in nato iz njih izvajali zaključke. Pogosto zato rezultate mikroskopske raziskave
zvarov predstavimo istočasno z makroskopijo, kjer so prikazane lege preiskovanih mest.
[2]
Prav tako je makroskopija nepogrešljiva za določitev mest odvzema preizkušancev za
preiskave. To velja za preizkuse trdote pod zvarkom ali na zvarih in za različne mehanske
preizkuse, vključno s preizkusi žilavosti, za katere je makroskopsko jedkanje samih
vzorcev neizogibno, da bi natančno določili lego zareze. To velja tudi za kemijske
mikroanalize, posebno s pomočjo elektronske mikrosonde. Rezultate teh različnih
preizkusov pogosto prikažemo na makroskopski shemi preiskovanega zvara. [1-5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
Kadar uporabljamo za kontrolo makroskopsko preiskavo, moramo upoštevati, že prej
izražene pomisleke, da lahko pride do poškodbe pri odvzemu potrebnih preizkušancev.
Zaradi tega sklepamo, da drugih nepravilnosti kot večine že preje naštetih, ne moremo
zanesljivo odkriti. Obliko in naravo teh napak natančno ugotovimo na lokaliziran ih
prerezih s predhodno neporušno kontrolo. Nasprotno pa lahko odkrijemo značilnosti
izdelave, ki se stalno ponavljajo vzdolž zvara zaradi kvazistacionarnega stanja z
makroskopsko preiskavo, in sicer na katerem koli prerezu. Zato je makroskopska preiskava
pomembna za določitev in odobritev izvedbenih predpisov ali za njihovo pravilno uporabo.
V prvem primeru v praksi opravljamo preizkuse na reprezentativnih spojih; v drugem pa
preiskujemo spoje na dodanem materialu (talonu), varjenem istočasno z zvari na
konstrukciji. V tem primeru moramo posvetiti največjo pozornost resnično
reprezentativnemu značaju talonov glede toplotnega cikla, ki so mu podvrženi (varjenje in
toplotna obdelava). [2-3]
2.3 DOPOLNILA GLEDE MIKROSKOPSKE PREISKAVE
Mikroskopska preiskava, optična ali elektronska, ki jo tako vpeljemo z makroskopsko
preiskavo, ne predstavlja posebnega problema za zvare, kar zadeva preiskovalno tehniko.
Navedli bomo le nekaj praktičnih podatkov.
Kar zadeva izdelavo preizkušancev, ki jo izvajamo na enak način za optično in
elektronsko mikroskopijo, poliranje in elektrolitsko jedkanje predstavljata nekaj težav, če
želimo dobiti enakomerno polirano površino prereza celotnega zvarjenega spoja, ki ima
različne hitrosti raztapljanja (jedkanja). Najčešče se zadovoljimo z več lokalnimi poliranji
(vsak na premeru nekaj milimetrov) na mestih, ki jih želimo preiskovati in smo jih
predhodno določili z makrografsko preiskavo. [2-3]
Za preiskavo na transmisijskem elektronskem mikroskopu (TEM) delamo z replikami, v
splošnem ogljičnimi, ki jih pripravimo z naparevanjem ogljika na plastične odtise s
poliranih in jedkanih preizkušancev. Lahko pa uporabimo tudi zelo tanke preizkušance
(stanjšane z elektrolitskim raztapljanjem), katerih priprava je bolj občutljiva kot tudi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
njihova lokalizacija. V tem oziru je elektronska rasterska (vrstična) mikroskopija
ustreznejša za preiskavo zvarov kot transmisijska (presevna) elektronska mikroskopija,
kar zadeva možnost opazovanja na vsej polirani površini. [2]
Mikroskopska preiskava je lahko včasih kvantitativna, tako da uporabimo dodatno
opremo. Ocenimo lahko vsebnost delta ferita v strukturi avstenitnih zvarov, delež
martenzita v TVP zvarov na jeklu ali tudi vključkov v talilnem področju. [2]
Končno je za raziskovalne in učne potrebe mikroskopska preiskava, lahko združena z
kinematografijo, kot je bil primer na francoskem Institutu za varjenje pri študiju vloge
vodika za pokljivost v hladnem in za uhajanje tega plina iz talilnega področja. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
3 STRJEVANJE TALILNEGA PODROČJA
3.1 POSEBNOSTI STRJEVANJA
Poskušali bomo ugotoviti razlike in podobnost med strjevanjem vara zvarov in strjevanjem
odlitkov.
V ingotu ali odlitku je v začetku mirujoča talina (razen pri centrifugalnem vlivanju) segreta
na enakomerno temperaturo. V sredini taline ne pride do temperaturnega gradienta.
Ohlajanje se začne s toplotno izmenjavo med zunanjostjo "kokile" ali kalupa in obdajajočo
okolico. Strjevanje se začenja na stenah "kokile", ne da bi prišlo do zlivanja z materialom
"kokile". Nadaljuje se z izotermami proti notranjosti odlitka. Pri talilnem varjenju pa se
talina, ki jo predstavlja talilna kopel, pomika; natali tudi osnovni material; strjevanje taline
poteka postopoma. Njegov potek uravnava hitrost varjenja. Na stičišču likvidus-solidus
pride med parnikom do močnega gradienta temperature, tako v smeri taline kot v smeri
trdne faze. [2]
Najbližji primer vlivanja je, v približnem merilu, uporovno točkovno varjenje. Prav tako je
treba spomniti, da opazujemo strjevanje in ohlajanje makroskopsko negibne taline pod
pritiskom.[2]
Potem ko smo opisali talilno kopel, bomo v naslednjem obravnavali kristalografijo in
fizikalno kemijo strjevanja, da bi v praksi lažje razumeli njegove posledice.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
3.2 OBRAVNAVA TALILNE KOPELI
3.2.1 Splošni primer
Če pustimo ob strani posebne primere varjenja z elektronskim snopom in točkovnega
varjenja, lahko definiramo talilno kopel (slika 3.1), kot bi bila v določenem trenutku
Slika 3.1: Shematski prikaz talilne kopeli v primeru I zvara. [2]
sestavljena iz določene prostornine taline v gibanju, ki je nastala s taljenjem osnovnega
materiala in z morebitnim staljenim dodajnim materialom. Spredaj jo omejuje izotermna
površina taljenja osnovnega materiala in zadaj stičišče taline in trdnega kot rezultat pomika
izvora toplote. Površino talilne kopeli prekriva, glede na način varjenja, zaščitni plin ali
talina žlindre, ki nastane iz praškov ali oplaščenja. Ta površina ni ravna; na njej je mesto
vpada izvora toplote (plamen, oblok, plazma, laser), katerega dinamični učinek ni
neznaten; temperaturni gradient povzroči konvekcijska gibanja v talilni kopeli.
Elektromagnetne sile, ki jih povzroča oblok, tudi igrajo svojo vlogo v kopeli. Povsem
razumljivo je, da je pomik izvora toplote naprej vezan na talilno kopel, ki ohranja svojo
obliko, če je kvazistacionarno stanje temperatur ohranjeno kot tudi morebitno dodajanje
staljenega dodajnega materiala. [2-4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
Pomik izvora toplote naprej in z njim talilne kopeli povzroča gibanje staljene kovine od
čela, kjer se tvori, in nazaj, kjer se strjuje, in sicer ob straneh in v globino (slika 3.2). Še
več, bolj ali manj podolgovata oblika talilne kopeli, ki je odvisna od hitrosti pomika in
Slika 3.2: Tloris in vzdolžni prerez talilne kopeli in gibanje taline v kopeli. Vidne raze na površini kažejo
napredovanje talilne kopeli. [2]
načina varjenja, ima za posledico dejstvo, da vsakemu pomiku dl izvora toplote (slika 3.3)
pripada taljenje določene prostornine dV kovine, kar pomeni za izvornim enak volumen
taline, ki se strdi.
Slika 3.3: Pogled v vzdolžnem prerezu na učinek napredovanja dl podaljšane talilne kopeli: debelina dn
ustrezne strnjene plasti je toliko manjša, kolikor je talilna kopel daljša. [2]
Ta prostornina ima širino dh, ki je manjša od dl, tako, da lahko opazimo na vzdolžnem
prerezu zvara ali na njegovi površini poudarjeno sled vsake nepravilnosti, do katere pride
na čelu talilne kopeli, povezane s spremembo hitrosti varjenja ali kemične sestave. Na
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
vzdolžnem prerezu in na površini zvara opazimo tudi sledove spremembe hitrosti
strjevanja, ki ga povzroči pretirano taljenje, ali celo sled periodičnega varilnega toka. Na ta
način pojasnjujemo zaradi vseh teh razlogov bolj ali manj podolgovate "brazde", ki jih
opazimo na površinah zvarov glede na hitrost in način varjenja. [2]
3.2.2 Posebni primeri: varjenje z elektronskim snopom, točkovno varjenje
Že preje smo imeli priliko omeniti, da pri varjenju z elektronskim snopom talilna kopel ni
primerljiva glede oblike in učinka s tisto, ki je značilna za druge načine talilnega varjenja
bodisi, da je sočelni spoj v vodoravni legi (in snop navpičen) bodisi v navpični legi (in
snop vodoraven). V vsakem trenutku je talilna kopel sestavljena iz valjaste votlinice, ki jo
izkopljejo elektroni, in je obdana z varom, ki obliva stene prehodnega področja; pomik
votlinice naprej povzroči, v splošnem, taljenje kovine na čelu in zlivanje taline zadaj (slika
3.4) z "vlečko", ki izvira iz hitrega pomika snopa in njegove izgube energije v debelini
varjenca. Obliko in pomik talilne kopeli lahko vidimo s pomočjo radiokinematografije pri
Slika 3.4: Varjenje z elektronskim snopom: talilno področje (sočelni I zvar) nastaja z napredovanjem
votlinice s tekočo oblogo, ki jo povzroča snop (črno polje na vzdolžnem prerezu in v tlorisu). [2]
veliki hitrosti, kot jo je izvedel Arata z uporabo metode kontaminiranja. Zaradi tega poteka
je mešanje taline manj močno kot pri klasičnih načinih talilnega varjenja; o tem moramo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
voditi računa v primeru heterogenih zvarov, kajti po strditvi zvara ugotavljamo jasno
desimetrijo spoja; vsaka polovica talilnega področja ima kemično sestavo sorodno
osnovnemu materialu, iz katerega je nastala; npr. pri zvaru med avstenitnim Cr-Ni jeklom
in martenzitnim Cr jeklom (slika 3.5). Rezultati meritve trdot odkrivajo makroskopsko
heterogenost talilnega področja. [2]
Slika 3.5: Varjenje z elektronskim snopom: prikaz nepopolne homogenizacije talilne kopeli z rezultati
meritev trdot v heterogenem zvaru (A – avstenitno jeklo, M – martenzitno jeklo). [2]
Talilna kopel pri točkovnem uporovnem varjenju se ne pomika; (slika 3.6) predstavlja
neko posebnost glede na ingot ali odlitek. Segrevanje se začenja zaradi upornosti stika med
Slika 3.6: Tvorba in usmeritev talilnega področja uporovnega točkovnega zvara. [2]
Legenda slike:
a) tlak
b) taljenje
c) strjevanje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
deloma varjenca. Kakor hitro se vzpostavi kovinski most (pri varjenju pod pritiskom), v tej
točki deluje Joulov učinek in v njej povzroči lokalizirano talilno področje, ki se povečuje s
podaljševanjem prehoda varilnega toka. Talilno področje je torej zaprto z radialno
usmeritvijo izoterm iz zvarne točke. Kakor hitro je varilni tok prekinjen, ohlajanje zaradi
prevodnosti v varjencu in elektrodah, ki ostaneta v stiku, preokrene smer izoterm in
strjevanje se širi od zunaj v notranjost kot pri odlitkih, toda razumljivo, veliko hitreje (faze
a, b in c nasliki 3.6). [2]
3.3 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA
3.3.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija
Strjevanje talilne kopeli se pri upoštevanju njene oblike in pomika začne na stičišču vara in
osnovnega materiala na mestu, kjer je prečni prerez največji (xy na sliki 3.2); ta prerez bo
tudi na makrografskem posnetku končanega zvara.
Na tem stičišču, katerega pomik bo povzročil prehodno področje, poteka kristalizacija
kovine med strjevanjem na epitaksini način (glej sliko 3.7, ki je kopija slike 3.6). Pri tem
načinu si kristalna zrna, ki nastajajo pri strjevanju talilne kopeli, prisvojijo usmeritev
kristalnih zrn osnovnega materiala, iz katerih rastejo. Mikrografska preiskava zadošča za
ugotovitev te posebnosti, kajti vsako zrno je zgradba iz enako usmerjene kristalne mreže;
spoji med zrni predstavljajo meje med različno usmerjeno kristalno mrežo. Če torej var
prevzame v vsaki točki svojega strjevanja usmeritev kristalnega zvara spodaj ležečega
osnovnega materiala, moramo videti mesta, kjer so kristalna zrna vara priraščena na
kristalna zrna osnovnega materiala in kako prehajajo preko prehodnega področja, tako da
zasledimo njihovo podaljšanje brez prekinitve kristalnega zrna strjenega vara. To je
izhodiščna lega zrn pri strjevanju, toda kasneje bomo videli, da "selektivna rast" hitro
spremeni izhodiščno lego. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
Slika 3.7: Epitaksalno strjevanje v prehodnem področju. To področje, ki je prikazano na sliki v prekinjeni
črti, ni vidno v primeru čiste kovine. [2]
Važna posledica epitaksije v prehodnem področju je v dejstvu, da je velikost zrn pri
strjevanju določena z velikostjo zrn osnovnega materiala v soseščini tega področja. Torej
je tu mesto pregretja, ki je spremenljivo glede višine in načina varjenja, tako da so
pregretje osnovnega materiala in bolj ali manj groba zrna pri strjevanju povezana. Zato
ima, posebno v primeru jekel, vsak ukrep, ki poskuša omejiti rast zrn v osnovnem
materialu (izvedba, kemična sestava), ugoden učinek na manjšo rast zrn pri strjevanju v
talilnem področju. Razumljivo pa je, da ima epitaksijski značaj strjevanja vara, ki smo ga
pravkar opisali v zvezi z osnovnim materialom, tudi na stičnih površinah med dvema
zaporednima zvarkoma pri pogoju, da ponovno segretje prvega varka zaradi varjenja
naslednjega ne povzroči v njem strukturne spremembe. Zato je epitaksija zelo prisotna,
npr. na večvarkovnih zvarih na aluminiju in njegovih zlitinah ali tudi na avstenitnem jeklu
(slika 3.8), kajti ti materiali nimajo faznih premen v trdnem stanju. [2-5]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
Slika 3.8: Epitaksalno strjevanje sledečih si zvarkov pri večvarkovnem varjenju iste kovine ali zlitine brez
fazne premene: strjena struktura se zadrži preko sledečih si prehodnih področij.[2]
3.3.2 Trajektorja strjevanja - hitrost strjevanja
Od prehodnega področja naprej, kjer se določa usmeritev vsakega kristalnega zrna, poteka
strjevanje v odvisnosti od pomika talilne kopeli, tako da zrna poskušajo rasti vzdolž
ortogonalnih trajektorij na izoterme v skladu z zakoni strjevanja. Tako lahko določimo
(slika 3.9) za zaporedne lege I1, I2, I3 itd. izotermne površine, ki omejujejo zadaj talilno
kopel in
Slika 3.9: Trajektorija (smerna črta) strjevanja, ki jo povzroča pomik talilne kopeli:
v - hitrost varjenja (konstantna), vS - hitrost, ki jo narekuje strjevanje (rastoča vzdolž trajektorije (smerne
črte) po vS = vcos α). [2]
"trajektorijo strjevanja" A1, A2, A3 itd., ki začenja v A1 in se ukrivi v smeri pomika talilne
kopeli, dokler ne doseže osi zvara. Tako se vzdolž celote teh trajektorij, ki so krivulje,
vzpostavlja struktura v pogojih strjevanja, kar bomo obravnavali kasneje. [2]
Toda še pred tem moramo ugotoviti, da je hitrost strjevanja vS v varu spremenljiva vzdolž
te trajektorije od zelo majhne vrednosti ali ničelne na začetku (A1) do največje vrednosti v
osi zvara, kjer je vS enaka hitrosti v varjenja. Zato je pri strjevanju, ki skuša napredovati
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
pravokotno na izoterme, njegova hitrost vS določena v vsaki točki s projekcijo vektorja
hitrosti varjenja pravokotna na izotermo. Tako vidimo, da vektor vS = v . cos α preide od
vrednosti nič v A1 na začetku na največjo vrednost v, enako v osi zvara, kjer je kot α enak
nič, kajti strjevanje napreduje v isti smeri kot talilna kopel. [2]
Na drugi strani poleg te stalne spremembe hitrosti strjevanja, ki je rezultat oblike in
napredovanja talilne kopeli, lahko opazimo ponavljajoče ali psevdo ponavljajoče
spremembe, povezane z izvorom toplote (vključno s periodičnostjo izmeničnega toka) z
načinom prehoda dodajnega materiala in morebitno tudi z prevelikim taljenjem na čelu
strjevanja ali celo, preprosto, z nepravilnim parnikom talilne kopeli, sicer čisto mehanskem
pri avtomatskem varjenju. Te spremembe se kažejo vzdolž zvara glede na njihove
posledice v zvezi s kristalizacijo. To so brazde, ki jih zasledimo na površini kot tudi na
vzdolžnih prerezih zvarkov zvara. [2]
Za dobro razumevanje poteka strjevanja vzdolž trajektorij, ki jih povzroča pomik talilne
kopeli, moramo uporabiti zakone strjevanja za razlago pojava "selektivna rast", ki
povzroči, da pri tehničnih kovinah ali zlitinah nekatera zrna rastejo na račun drugih ali pa
na njihovem mestu. V primeru iste kovine kristalno zrno raste iz tekoče kovine z enako
hitrostjo vseh smereh, ki jih dovoli njegova kristalna mreža. Na ta način usmeritev, ki jo
povzroči epitaksija na stičišču "tekoče-trdno" ne vpliva na rast zrn; ta se razvijajo od
njihovih kali v prehodnem področju naprej (slika 3.7) brez ovire po vsej dolžini trajektorije
strjevanja. Nasprotno pa je za kristalna zrna pri strjevanju tehničnih kovin ali zlitin
značilna "prednostna smer rasti", pri kateri je hitrost rasti zrn največja. Iz tega izvira, da
imajo zrna, katerih prednostna smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja T (slika 3.10),
prednostno rast na račun sosednjih zrn, katerih možnosti rasti so manjše, ker so drugače
usmerjena. Ta rast, imenovana selektivna, se kaže v izginjanju manj ugodno usmerjenih
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
Slika 3.10: . Mehanizem selektivne rasti kristalnih zrn v prehodnem področju. Zrna vara, katerih prednostna
smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja, se razvijajo na račun drugih zrn. [2]
zrn. Zato se zmanjša preostalo število zrn, torej se zrna zvečajo glede na začetno velikost
(slika 3.11-a). Če se trajektorija strjevanja sama zadostno ukrivi, ta zrna izgubijo prednost
razraščanja; zato jih nadomestijo druga, katerih kali imajo prednostno usmeritev bliže
smeri močneje ukrivljene trajektorije (slika 3.11-b). Za tehnične kovine in zlitine obstaja za
Slika 3.11: Zrna strjevanja, ki izhajajo iz selektivne rasti (pokončna slika v tlorisu).
a) smerna črta (trajektorija), ki je rahlo ukrivljena (podaljšana talilna kopel); zrna pri strjevanju
poskušajo doseči os zvarka
b) trajektorija (smerna črta) strjevanja, rahlo ukrivljena (zaokrožena talilna kopel); nadomestilo zrn z
zrni, ki so bolje usmerjena vzdolž trajektorije (smerne črte) [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
vsako od njih mejna hitrost usmerjenega strjevanja. Skladnost strjevanja s hitrostjo pomika
talilne kopeli, ki zavisi od načinov in postopkov varjenja, ustvarja različne oblike strjene
strukture. [2-3]
3.3.3 Uporabnost makrografskih podob talilnega področja
Slika 3.12 združuje različne makroskopske podobe talilnih zvarov, varjenih s pomikom
izvora toplote . Prikazani so prerezi, vzporedni s površinami varjencev (kar je enakovredno
pogledu v ravnini) in prečni prerezi. Te podobe so odvisne delno od toplotnih značilnosti
izbranega načina varjenja in obravnavanega materiala, delno pa od hitrosti strjevanja
zvarne taline glede na hitrost vS, ki vlada vzdolž trajektorije strjevanja.
Slika 3.12: . Glavni videzi struktur strjevanja na prečnih prerezih in tlorisih [2]
Omeniti moramo, da pri jeklu makroskopija ne odkrije samo strukture strjevanja, ampak
tudi strukturo, ki izvira iz transformacije pri ohlajanju po strditvi. Na te transformacije
delno vpliva primarna kristalizacija. [2]
V primeru a, to je relativno počasnega varjenja, talilna kopel skoraj ni podolgovata, kar
daje obliko trajektorijam strjevanja, ki so na začetku pravokotne na prehodno področje in
ki se postopno ukrivijo v smeri pomika talilne kopeli. Če je hitrost strjevanja vzdolž teh
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
trajektorij manjša od mejne hitrosti strjevanja obravnavane kovine, se zrna (ali venci zrn)
razvijajo ne glede na centralni del. Iz tega sledi, da vidimo na prečnem prerezu povsod
okoli prehodnega področja območja zrn podolgovate oblike, ker trajektorija strjevanja
opisuje majhen kot z ravnino prereza. V središčnem delu zvara pa najdemo kakršnokoli
obliko zrn, kajti tu je ravnina prereza pravokotna na trajektorijo strjevanja. [2]
Primer b upošteva nekoliko drugačne okoliščine, v katerih gre podolgovata oblika talilne
kopeli, pri hitrem varjenju vsporedno s kvazi prečno razporeditvijo trajektorij strjevanja.
Če se zaradi hitrosti strjevanja lahko na obravnavanem materialu njegova zrna zgrajujejo
do središčnega dela, dobimo pogled na ravnino in prečni prerez, ki sta prikazana na sliki
3.12-b. Zrna, ki rastejo iz prehodnega področja, se simetrično razvijajo do združitve v
središčnem delu; na tem mestu ni več področja, kjer bi se zrna razvila pravokotno na
ravnino prereza, kot smo videli v prejšnjem primeru; zaradi tega dobimo značilni
makroskopski videz prečnega prereza zvara. [2]
Slika 3.12-c ustreza primeru hitrega varjenja, katerega talilna kopel je podolgovata kot
preje, tokrat na materialu, katerega mejna hitrost strjevanja na nekem mestu onemogoča
nadaljnje strjevanje, usmerjeno po trajektoriji strjevanja. Zato poteka kristalizacija drugače
in tvori se na enoosni način, t.j. brez prednostne usmeritve iz kakršnekoli usmeritve
kristalnih kali, ki se pojavijo v zvarni talini; ta pa kasni s strjevanjem zaradi prevelikega
taljenja. Tako dobimo makroskopske podobe v ravnmi in prečnem prerezu, prikazane na
sliki 3.12-c, ki jih ne smemo zamenjavati s temi v primeru a, kajti tu gre v središčnem
delu za enakoosno strukturo in ne pravokotno usmerjeno na ravnino prečnega prereza. [2]
Jasno je, da je pojav ene od teh treh vrst makrostrukture po strjevanju odvisen od načina
in postopka varjenja ter od materiala varjenca. Npr. pri navpičnem varjenju pod žlindro
lahko dobimo glede na vrednosti varilne napetosti in toka talilno kopel in nato izotermne
površine, ki so skoraj ravne in dajejo prednost navpični usmeritvi rasti zrna (slika 3.13-a),
ali pa talilno kopel in nato vdolbene izotermne površine, ki imajo trajektorije strjevanja
toliko bolj prečne, kolikor bolj je talilna kopel vdolbena (slika 3.13-b). Zato dobimo
različne makroskopske podobe pri vsakem od teh dveh primerov. Kar zadeva prečno
makroskopijo v primeru slike a, gre za jasno razliko v obliki zrna ob prehodnem
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
področju in središču zvara zaradi razlike v usmeritvi trajektorije strjevanja in zaradi
vpliva, ki smo ga že omenili, velikosti zrna osnovnega materiala v prehodnem področju.
Slika 3.13: Struktura zvarov, varjenih navpično pod žlindro, ki se pojavi na prečnih vzdolžnih prerezih:
a - ploska talilna kopel: navpična rast zrn, b - ugreznjena talilna kopel: prečna rast zrn. [2]
Kar zadeva zvarne točke uporovnega varjenja, povzročajo trajektorije strjevanja
centripetalni pomik izotermnih površin od periferije zvarne taline proti notranjosti pod
vplivom močnega ohlajanja zaradi prevodnosti v varjencu in zaradi močnega odvoda
toplote preko konic elektrod, ki sta vodno hlajeni. Če se zaradi lastne hitrosti
strjevanja material temu prilagodi, dobimo radialno strukturo, katere zrna se razvijajo
tako, da se stikajo na ekvatorialni ravnini (slika 3.14-a); v nasprotnem primeru pa strukturo
usmerjenega strjevanja sčasoma nadomesti enakoosna struktura v sredini zvarne točke
(slika 3.14-b). [2]
Slika 3.14: Struktura strjevanja uporovnih točkovnih zvarov:
a - radialna rast zrn, ki se nadaljuje skozi ekvatorialno ravnino, b - prekinitev radialne rasti zrn s pojavom
enakoosne strukture p - obrobno (perifeno) področje, ki je varjeno s pritiskom na toplo. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
3.3.4 Vloga premen v trdnem stanju
V primeru materiala, ki ima v trdnem stanju fazne premene, npr. jeklo, je prav, da
pregledamo časovno zaporedje pojavov med ohlajanjem, ki sledi strditvi in ponovnim
segretjem vara po strditvi in ohlajanju, posebno pri večvarkovnem varjenju. [2]
Kakor smo že rekli, z metalografsko preiskavo zvara na jeklu v talilnem področju
ugotavljamo strukturo, ki bi jo lahko imenovali "strukturo strjevanja - transformacije",
ker je rezultat prekrivanja začetnih učinkov strjevanja (v obliki delta ferita (δ) ali
avstenita "gama" (γ) odvisno od kemične sestave) in kasnejše transformacije v trdnem
stanju, do katere pride zaradi zakonitosti ohlajanja in kemične sestave. [2]
Tako pridemo do tega, da ima struktura zvara po transformaciji sestavo in obliko, ki je
posledica dednosti začetne strukture strjevanja; na drugi strani pa je oblika
transformacijskih izoterm, čeprav različna, dovolj blizu tiste, ki jo imajo strjevalne
izoterme. [2]
Iz teh dveh razlogov so strukture pri strjevanju zelo blizu druga drugi, kar zadeva njihovo
usmeritev in morfologijo, čeprav poglobljena preiskava kaže, da ne sovpadajo. Posebno
epitaksija je v prehodnem področju taka kot pri strjevanju. To vidimo npr. na sliki 3.15:
intragranularna mreža ferita, imenovanega "proevtektoidni", ostane na prehodu med
osnovnim materialom in varom, ki se je strdil in transformiral, ostane pa tudi usmeritev
intragranularnega ferita. Praktična posledica tega pojava dednosti je, da vsak dejavnik, ki
vpliva na nastanek drobne strukture po strjevanju (kemična sestava, toplotni cikel), vpliva
tudi na nastanek drobnejše strukture po transformacijah. Kasneje bomo videli, da lahko
tudi zmanjšamo učinke strukturne dednosti, če vplivamo na naravo transformacij, da bi
dosegli bolj fine in bolj dispergirane dele v strukturi. [2-3]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Slika 3.15: Prehod strukture strjevanja v strukturo premene v prehodnem področju (jeklo). Proevtektoidni
ferit, ki se izloča na mejah in v notranjosti zrn na obeh straneh prehodnega področja, obdrži epitaksalni
videz. [2]
Transformacija pri segrevanju zvara na jeklu omogoča v talilnem področju zvarov
nastanek bolj finega zrna, primerljivega s tistim, ki ga dobimo po normalizaciji odlitka. Do
tega učinka ne pride samo med toplotno obdelavo po varjenju (npr. da bi dobili bolj fino,
sicer grobo strukturo zvara, varjenega z veliko energijo), ampak tudi in predvsem pri
večvarkovnem varjenju. Pri študiju toplotnega cikla smo videli, da naknadni varek
ponovno segreje okolico in predhodno izvedeni varek. Vsak delček varka, v katerem je
temperatura premene A3 presežena, doživi pojav, imenovan strukturna regeneracija: pri
segrevanju preide v avstenitno strukturo, nato pa pri ohlajanju z novo transformacijo
izbriše in nadomesti prejšnjo strukturo. Večvarkovni zvar na kovini, ki nima faznih
premen, ali na monofazni zlitini (Al, Ni, avstenitno jeklo) vsebuje po strditvi samo
nespremenjeno kovino med posameznimi varki (slika 3.16-a). Enak zvar, varjen na
nelegiranem ali nizko legiranem jeklu v istih pogojih, vsebuje področja normaliziranega
vara, ki loči področja lite in transformirane strukture zvara (slika 3.16-b). Če to razlago
prenesemo na praktičen primer večvarkovnega zvara na debeli pločevini, lahko razumemo,
npr. kako vsebuje talilno področje zvara pod praškom, zvarjenega v dveh zvarkih (enega s
temenske, drugega s korenske strani), majhen delež tako regenerirane kovine (slika 3.17-
a), medtem ko je večvarkovni zvar MIG ali MAG ali večvarkovni zvar pod praškom v ozki
reži skoro v celoti regeneriran (slika 3.17-b). [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
Slika 3.16: Vloga fazne premene pri segrevanju v času varjenja v več zvarkih
a - nelegirana kovina ali monofazna zlitina: obdrži strjeno strukturo med posameznimi varki, b - jeklo:
posredovanje premene pri segrevanju: strukturna regeneracija na delu vsakega varka, kjer je temperatura A3
prekoračena med varjenjem varka. [2]
Slika 3.17: Uporaba primera večvarkovnega zvara na debeli pločevini [2]
3.4 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA
3.4.1 Izcejanje ( segregacija)
Pojav izcejanja (segregacije), to je lokalne heterogenosti kemične sestave obravnavanega
izdelka, spremlja strjevanje na treh stopnjah:
- na stopnji kristalizacije: dendritne izceje (segregacije)
- na stopnji zrna: intragranularne izceje (segregacija)
- na makroskopski stopnji: izceje v ingotu.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
Dendritne izceje so rezultat načina rasti kristalnih zrn tehničnih zlitin kot nečistih
proizvodov in pa pojava "konstitucijskega pretiranega taljenja". način rasti kristalnih zrn,
ki smo ga že preje omenili, je dendritičen, to je, da raste kristalno zrno iz kristalne kali v
eni prednostni smeri, ki jo določa kristalna mreža (npr. pravokotno na stranico kocke pri
kubični kristalni mreži) in ki je istočasno najbližja trajektoriji strjevanja (slika 3.18).
Razumljivo je, da v primeru iste kovine ta način strjevanja ne spremlja nobena kemična
heterogenost. V posameznem usmerjeno zgrajenem zrnu je težko ugotoviti dendritno
kristalizacijo. Pri zlitinah in nečistih tehničnih kovinah prve kali pri strjevanju spremenijo
kemično sestavo taline, ki jih obdaja in tako upočasnijo strjevanje. Tako pride do pojava
prevelikega taljenja, imenovanega konstitucijsko. Ta pojav postopnega strjevanja ima za
posledico rast dendritov neenake sestave: njihova sredina je bogatejša na komponenti z
višjim tališčem, medtem ko je njihova zunanjost bogatejša na komponenti z nižjim
tališčem. Zaradi hitrega ohlajanja ostaja homogenizacija preko difuzije zelo nepopolna in
zato se kemična heterogenost obdrži tudi po ohladitvi. Pri metalografski preiskavi zato
dendrite vidimo. Njihovo kemično heterogenost lahko kvantitativno dopolnimo npr. z
elektronsko mikroanalizo (Castaingova mikrosonda). [2-5]
Slika 3.18: Shematski prikaz rasti zrna pri strjevanju od začetnega kubičnega kristala: osi rasti zrna, ki so
usmerjene pravokotno na stranice kubičnega kristala. [2]
Ta mehanizem pri varjenju pa ne deluje od začetka trajektorije strjevanja naprej, to je na
prehodnem področju, kajti dana hitrost ohlajanja je na trenutke zelo majhna in gradient
temperature zelo velik. Na tem mestu se stvori ozek sloj strukture, imenovan "ravninski"
(slika 3.19); zrna se tvorijo na trajnem čelu, pojav dendritov vpliva kasneje, ko začne
naraščati hitrost, ki jo pogojuje strjevanje. Intergranularno izcejanje se pojavi tako pri
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
Slika 3.19: Mikroskopski videz ravninske strukture na začetku strjevanja v prehodnem področju; dendritski
videz se pokaže šele na določeni oddaljenosti od stične površine "trdno/tekoče". [2]
zlitinskih elementih kot pri nečistočah v končni fazi strjevanja kristalnih zrn, kajti
mehanizem odrinjanja (repulzije) niže taljive taline se proti zunanjosti kristalnega zrna
nadaljuje do meje sosednjega zrna. S točkovno kemično analizo lahko odkrijemo lokalno
heterogenost; ta zadeva bodisi povišano koncentracijo zlitinskega elementa bodisi
predvsem nizko taljiv del, v katerem prevladuje neka nečistoča. Ta oblika izcejanja
prizadene tudi področje z ravninsko strukturo, kjer se meje zrn osnovnega materiala
podaljšujejo v meje dendritnih zrn, kar je zelo pomembno v zvezi s tveganjem pokljivosti v
toplem. [2-5]
Kar zadeva izcejanje v ingotu poglejmo, v kakšni obliki se lahko ta pojav pokaže pri
varjenju. Ta vrsta izcejanja, se pojavlja pri strjevanju mirujočih talin (kokila ali kalup).
Heterogenost kemične sestave je v merilu odlitka, katerega sredina vsebuje več elementov
zlitinskih dodatkov (ali nečistoč), ki znižajo točko taljenja in so med strjevanjem odrinjeni
proti notranjosti, če je strjevanje potekalo od stene kokile ali kalupa proti notranjosti
odlitka. [2]
Tako definirano izcejanje v ingotu se na noben način ne more pojaviti pri varjenju, razen
pri točkovnem uporovnem, kajti to je edini način, pri katerem talilna kopel miruje.
Mehanizem strjevanja, ki smo ga že opisali in prikazali na sliki 3.14, daje možnost
koncentracije niže taljivih elementov v sredini talilnega področja, to je področja, kjer se
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
stikajo usmerjena zrna (razporeditev a na sliki 3.14) ali v obliki intergranularne izceje v
enakoosnem zrnu (razporeditev b na sliki 3.14). Za razporeditev a bi bila lahko ta izceja
škodljiva, ker je povezana z lunkerjem (povečana nagnjenost k pokljivosti v toplem). Toda,
če med strjevanjem deluje pritisk ali celo kovanje po strjenju, je učinek zmanjšan. [2]
Kar zadeva načine talilnega varjenja, zadostuje, da se spomnimo razporeditev, prikazanih
na sliki 3.12: čim več je prečnih trajektorij strjevanja, toliko več zrn se pri strjevanju steka
proti osi zvara (razporeditev b) in tem večja je možnosti heterogenosti kemične sestave. Na
tem mestu se strjevanje končuje za vsako lego talilne kopeli. V primeru razporeditve c je
izceja okoli enakoosnih zrn intergranularna. Pri tej razporeditvi izcej ni in je v tem pogledu
ugodnejša. Videz izcej v ingotu, ki jih lahko imenujemo progresivne, ponovno srečamo pri
nekaterih navpičnih zvarih, varjenih pod žlindro, kjer je pri tem razporeditev najugodnejša
(slika 3.13), kajti nečistoče, ki so pri strjevanju izrinjene, se spet dvignejo proti talini
žlindre. [2-4]
3.4.2 Drugi vzroki heterogenosti
Vsakokrat, ko je dodajni material različen od osnovnega materiala, je homogenizacija vara,
ki izvira iz mešanice enega in drugega materiala, bolj ali manj dobro izvedena glede na
pogoje varjenja in posebej glede na načine prehoda dodajnega materiala pri obločnem
varjenju. Tako najdemo na vzdolžnem prerezu talilnega področja bolj ali manj
ponavljajoče se spremembe v sestavi. Posebno pri obločnem varjenju nelegiranega ali
nizko legiranega jekla z oplaščenimi elektrodami iz Cr-Ni nerjavnega jekla pride pri
prenosu dodajnega materiala v kapljicah (slika 3.20) do pojava izmeničnih pasov mešanja
na vzdolžnih in prečnih prerezih, kjer se zaporedno izmenjujeta z električnim oblokom
"izpodkopani" osnovni material (martenzitni pasovi) in dodajni material, ki ga obdajajo
zaporedne kapljice (avstenitni pasovi), bogatejše v zlitinskih elementih. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
Slika 3.20: Makroskopski videz periodične heterogenosti na vzdolžnem in prečnem prerezu, ki izvira iz
prehoda v kapljicah v primeru heterogenega zvara. [2]
Druga vrsta heterogenosti, ki jo lahko opazimo, izvira iz dejstva, da vzdolž svojega pomika
talilna kopel zbira na svojih robovih nečistoče in nekovinske vključke, ki jih lahko vsebuje
osnovni material. Če so te nečistoče taljive in topljive, jih najdemo v sloju izcej v strjeni
kovini, kot je to v primeru nečistoč v jeklu, ki zato lahko povzročijo pokljivost vara. Če so
nečistoče netopne in predvsem obstojne, se zberejo v talilni kopeli, od tam se prebijejo na
robove zvara, ki mu lahko s svojim učinkom na površinske napetosti vara ali na ionizacijo
oblaka spremenijo obliko. Tak pojav zasledimo pri avtomatskih zvarih TIG in MIG na
nerjavnih jeklih (slika 3.21), ki vsebujejo okside redkih zemelj, ki so dodani pri izdelavi
teh jekel. [2-3]
Slika 3.21: Nastanek netopnih delcev v talilni kopeli in njihovo izločanje vzdolž robov zvara. [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
3.5 PRAKTIČNE POSLEDICE
3.5.1 Delovanje plinov: pore
Potek strjevanja vara zvarov vpliva na delovanje plinov (par) v varu; če ti plini nimajo
možnosti, da bi zapustili talilno kopel, preden jih strjena kovina ne ujame vase, se
pojavijo pore. Plini in pare, o katerih govorimo, lahko nastanejo tako zaradi zunanjih
vplivov pri samem varjenju ali zaradi ponašanja talilne kopeli. Med zunanje vplive
lahko štejemo razpad ali sežig premazov, barv ali različnih zaščit, redukcijo nečistoč
valjanih proizvodov, vpliv vlage ali popolnoma enostavno ujetje zraka pri varjenju slabo
pripravljenih in slabo varjenih zvarov (npr. pomanjkljiv uvar pri popravnem varjenju
korenskega zvarka). Kot vpliva v drugi skupini lahko navedemo vplive izparevanja
elementov v talini (npr. cink v medeninah), vlago, ki jo vsebujejo ali adsorbirajo
dodajni materiali (nastanek vodika) ali reakcije nepomirjenja (nastanek ogljikovega
monoksida). Glede na njihov izvor in pogoje strjevanja dobijo pore različne oblike;
opisane so z ustrezno terminologijo v francoskem standardu: NF A 89-230*. [1-5]
Torej so to predvsem pore v drugi skupini, ki smo jih omenili, ki zahtevajo razlago
njihove morfologije v odvisnosti od pogojev strjevanja vara. To lahko naredimo (slika
3.22), če uporabimo navedbe iz Chalmersa o oblikah, ki jih ima odtok plina, pri prehodu
čela strjevanja (slika 3.22), ki se pomika tako, da pred seboj izriva talino. Chalmers
razlaga, da se v takšnih okoliščinah zaradi površinske napetosti tvorijo plinski mehurčki
na samem čelu in da ti mehurčki rastejo in izhajajo iz taline zaradi težnosti, če
strjevanje ne poteka zelo hitro (primer a); če čelo strjevanja mehurčke prehiti, je
napredovanje zelo hitro (primer b); ali pa se mehurčki, ki so stalno napajani s plinom,
razvijejo tako, da se zdaljšajo v smeri pomika čela strjevanja (primer c). [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
Slika 3.22: Sheme Chalmersa (na levi) v zvezi z okoliščinami nastajanja in oblike por; uporaba (shem) za
razlago poroznosti (na desni) v talilnem področju: (S - trdno, L - tekoče). [2]
Legenda slike 3.22:
a - počasno napredovanje čela strjevanja: nastanek plinskih mehurčkov, ki uhajajo ujetju
zaradi strjevanja
b - hitro napredovanje čela strjevanja glede na razmere rasti plinskih mehurčkov, ki so
pri strjevanju ujeti: sferoidalne pore, razporejene po sledečih si legah čela strjevanja
c - trajni dotok plina, sorazmerno napredovanju čela strjevanja: črvičaste pore, (ki se
razvijajo vzdolž
smernih črt (trajektorij) strjevanja
Na vse tri okoliščine naletimo tudi pri varjenju; odvisne so od načinov in izvedb varjenja
in tudi od izvora plina, ki povzroča poroznost. Okoliščine a so tiste, ki dovoljujejo
morebitnim mehurčkom plina, da zapustijo talilno kopel, preden bi jih zajelo pomikajoče
čelo strjevanja: v tem primeru ni por. Najbolj očiten primer je prikazan na sliki 3.22; to
je navpično varjenje pod žlindro, kjer razplinjenje zagotavljata počasen pomik čela
strjevanja in navpična usmeritev kristalnih zrn, ki olajšuje odtok plina zaradi težnosti.
Toda strjevanje mora potekati po shemi a (slika 3.13) in ne po shemi b. [2-4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
Okoliščine b, na sliki 3.22, ustrezajo poram, ki jih že navedeni standard kvalificira za
"sferoidne" in opisuje kot pravilno razdeljene po varu. Gre za plinske mehurčke, ki jih
je čelo strjevanja prehitelo, potem ko so se oblikovali ob njem. Zares lahko vidimo take
pore, kadar preiskujemo vzdolžne in prečne prereze zvarov; razporejene so po odsekih
zaporedno sledečih si leg talilne kopeli. To razporeditev je možno videti v zvarih MIG
zlitin Al-Mg, v katerih so pore zaradi adsorbirane vlage na površini dodajnih žic. Pri
varjenju pride do polperiodičnega cikla, ki izvira iz faze večanja vsebnosti vodika v
talilni kopeli, ki ji sledi nastanek in ujetje mehurčkov; nato se potek ponavlja. [2-4]
Kar zadeva okoliščine c na sliki 3.22, omogočajo pore, imenovane "črvičaste". Njihov
nastanek predstavlja stalni pritok plina bodisi zaradi prekinjene topnosti plina pri
strjevanju (vodik) bodisi zaradi reakcije, ki povzroči uhajanje plina (ogljikov monoksid).
Ustrezna shema na sliki upošteva, da se črvičaste pore razvijajo po trajektorijah
strjevanja. Zelo dobro jih vidimo na vzdolžnih razpokah, ki nastanejo v varu; vidimo
tudi, da so črvičaste pore sestavljene z zaporedjem sferoidnih in med sabo povezanih por,
pri jeklih pa ugotavljamo, da so stene por svetleče zaradi redukcijskega značaja plinov,
ki so povzročili pojav (vodik ali ogljikov monoksid). Pri makrografski preiskavi
črvičaste pore zelo jasno vidimo in njihova povezava s strjeno strukturo je očigledna
(primerjaj sliko 3.23 s sliko 3.12-b); prikazano razporeditev imenujemo tudi "ribje kosti".
[2]
Slika 3.23: Radiografski videz črvičastih por. Razporeditev, imenovana tudi "ribja kost". [2]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
37
3.5.2 Pokljivost vara v toplem
Vsako strjevanje kovine ali zlitine spremlja krčenje; talilno področje zvarov mu ne uide.
Neposredno za talilno kopeljo se kovina, ki se je pravkar strdila, skrči najprej pri
strjevanju, nato pa se še dodatno krči zaradi zniževanja temperature. Pomik osnovnega
materiala v okolici, ki naj bi to krčenje nadomestil, ni nikdar popoln (vpetje); zato pride do
postopne plastične deformacije vara na visoki temperaturi tako v prečni kot tudi vzdolžni
smeri varjenja. Zaradi strjene strukture in njene kemične heterogenosti sklepamo, da lahko
obstajata v zvarku zvara dve šibki področji, kjer lahko pride do razpokanja v toplem zaradi
nezmožnosti kovine, da prenese deformacijo, ki ji je vsiljena: gre za središčni del zvarka
(vzdolžne razpoke) in po mejah dendritnih zrn (prečne intergranularne razpoke). V obeh
primerih je razpokanje, če do njega pride, (slika 3.24) povezano z izcejami ingota in
intergranularnimi izcejami po mejah kristalnih zrn v zvarkih zvarov. [2-4]
Slika 3.24: Makroskopski videz (v tlorisu in v prečnem prerezu) vzdolžnega in prečnega interdendritnega
razpokanja v toplem. [2]
Vzdolžne razpoke so dobro vidne na prečnem prerezu zvara in jih lahko odkrijemo z ultra
zvokom; manj uspešno s sistematično radiografijo. Te razpoke se lahko ali ne začenjajo na
površini zvarkov glede na dejstvo, da imajo bolj ali manj videz votlinice pri strjevanju
(lunkerja). V istem materialu so vzdolžne razpoke predvsem povezane z razporeditvijo b
na sliki 3.12, kajti izceje so tam največje, medtem ko so majhne ali nične za razporeditev a.
Drugače povedano, vzdolžne razpoke se pogosteje pojavijo v hitro varjenih zvarih s
podolgovato talino zvara. Medtem pa razporeditev po sliki 3.12-c ustreza sicer veliki
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
38
hitrosti varjenja, vendar je zaradi enakoosnih zrn sredi zvara manj nagnjena k pojavu
razpok v toplem; če pa se razpoke kljub temu pojavijo, potekajo po mejah zrn
(intergranularno ). [2]
Tudi prečno intergranularno razpokanje pospešujejo pogoji varjenja, ki omogočajo
razporeditev b na sliki 3.12. Zaradi epitaksine rasti zrn v prehodnem področju se
intergranularne razpoke pogosto podaljšujejo v razpoke v osnovnem materialu, ki jih je
povzročila likvacija, to je izločanje tekoče faze na mejah zrn, in ki škodi razteznosti v
toplem. [2]
Končno, če gre za pore ali razpoke v toplem, vidimo, da je njihova prisotnost raje vezana
na določene vrste strjene strukture kot na druge strukture, to je v končni posledici na
določeni postopek varjenja. Zaradi tega je važna ustrezna izbira pogojev varjenja, ki
dopolnjuje varnost, dano z izbiro ustreznih materialov in ustreznih dodajnih materialov. [2]
3.5.3 Mehanske lastnosti vara
Glede na posebne pogoje strjevanja vara in nastalih struktur si lahko predstavljamo, kakšne
mehanske lastnosti ima talilno področje zvarov v primerjavi z osnovnim materialom. Za
pojasnjevanje posebnosti moramo ločeno upoštevati na eni strani varjence, ki imajo fazne
premene, na drugi strani pa enopotezne ali večvarkovne zvare. [2-5]
Če zaradi kemične sestave var nima točke premene, smatramo, da je zvar v prvem
približku istočasno primer enopoteznega ali večvarkovnega zvara; ker so zrna teh zadnjih
(slika 3.8) zaradi epitaksije usmerjena ena na drugo. Ta usmeritev zrn, ki je skupna
zaporednim varkom, ustvari neko anizotropijo mehanskih lastnosti, ki se kaže v razliki
ponašanja zrn, če so obremenjena v smeri svoje rasti ali v pravokotni smeri nanjo. To
anizotropijo lahko ugotovimo na prerezu valjastega preizkušanca na nateg, odvzetega
vzdolžno (z ozirom na smer varjenja) v varu; presek se splošči v vsem plastificiranem
področju in predvsem v področju zožitve (slika 3.25), medtem ko površina preizkušanca
postane hrapava, ker se tam začenjajo drsne ploskve usmerjenih strjenih zrn. To je znak
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
39
večje razteznosti v smeri rasti zrn kot v prečni smeri. Podobno je pri žilavosti zvara,
varjenega navpično pod žlindro v odvisnosti od lege zareze glede na smer rasti zrn (slika
3.26). Žilavost je večja za preizkušance, ki so izrezani v rasti vrste zrn. [2-5]
Slika 3.25: Posledica anizotropije vara v enem ali več varkih na izdelku, ki nima fazne premene (glej sliko
3.8). Natezni preizkušanec zvara, ki je izrezan vzdolž vara, se bolj deformira med preizkusom v smeri rasti
zrn kot v prečni smeri: preizkušanec postane ovalen [2]
Slika 3.26: Možne lege žilavostnega preizkušanca in njegove zareze glede na smer rasti strjevanih zrn
(primer zvara pri varjenju pod žlindro). [2]
Ta anizotropija nima škodljivih posledic za mehanske lastnosti, vsaj ne za večino kovin in
njihovih trdnih raztopin, katerih kristalna struktura je kubična ploskovno centrirana, kar
pomeni znatno raztegljivost celo na nizki temperaturi zaradi možnosti drsenja po več
drsnih ploskvah, ki jih nudi ta struktura. Nasprotno pa je za kubično prostorsko centriran
sistem, torej za jeklo, kjer prevladuje na nizki temperaturi razkolni lom; od tod nizka
žilavost, če ima var grobo in usmerjeno strukturo. To je, žal, primer za jekla, imenovana
feritna s kromom (17% Cr in več glede na vsebnost ogljika), in razlog, zaradi katerega jih
varimo talilno z avstenitnim dodajnim materialom. V nadaljevanju bomo videli, da
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
40
nagnjenost ferita k razkolnemu lomu pojasnjuje tudi problem mehanskega ponašanja
zvarov na nizko legiranih ali nelegiranih jeklih. V tem primeru nelegiranega ali nizko
legiranega jekla karakterizira zvar v enem zvarku po strditvi in ohladitvi struktura, ki izvira
iz fazne premene v trdnem stanju kovine, ki se je pravkar strdila. Kot smo že rekli, ta
struktura predstavlja v širšem smislu značilnosti, ki delno izvirajo iz strukture strjevanja,
posebno kar zadeva velikost strukturnih delov, vključno s feritom. Zato so žilavostne
lastnosti pri enaki kemični sestavi toliko slabše, kolikor je talilna kopel večja in zato
ohlajanje počasnejše. Tako je s tem pri zvarih pod praškom pri velikem vnosu energije kot
tudi pri navpičnih zvarih, varjenih pod žlindro. Za izboljšanje žilavosti pri istem toplotnem
režimu vplivamo na kemično sestavo, da bi dobili bolj drobnozrnato strukturo po
strjevanju in po faznih premenah (dodatki Ti, Mo, V). Z menjavo narave premene se
izognemo nastanku večjih delcev ferita (plažam). Kar zadeva večvarkovne zvare, zlahka
razumemo, da bo strukturna regeneracija zaradi neposrednih toplotnih ciklov varjenja
naknadnih zvarov ugodna glede žilavosti. Da se o tem prepričamo, lahko primerjamo dve
shematizirani področji na sliki 3.17: če zahtevamo veliko vrednost žilavosti v zvaru, jo
bomo lahko dosegli v celoti pri razporeditvi b. Pri tej razporeditvi je prišlo do toplotne
obdelave normalizacije, po varjenju. [2-5]
Pri obločnem varjenju z oplaščeno elektrodo ali v plinski zaščiti s taljivo žico ali še pri
varjenju pod praškom predpisi za žilavost zahtevajo večvarkovne zvare. Zato ustrezni
standardi natančno določajo potek varjenja, vključno z vmesno temperaturo, da bi dobili
ponovljive rezultate preizkusov. [2-4]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
41
4 EKSPERIMENTALNI DEL
Pri eksperimentalnem delu naloge je bil zvarjen x-večvarkovni zvarni spoj. Uporabljen je
bil MAG postopek varjenja z zaščitnim plinom mešanice CO2 in Ar.
Metalografski obrus je bil izdelan s pomočjo aparatur za izdelavo metalografskih obrusov
znamke BUEHLER.
Kemijska sestava materiala je bila ugotovljena z uporabo THERMO NITION XL3T
analizatorjem.
Pregled zvarnega spoja je bil izveden z mikroskopom ZEISS AXIO Imager A2m.
4.1 OPIS UPORABLJENIH NAPRAV-APARATUR
4.1.1 Rezalnik BUEHLER AbrasiMet 250
AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik (slika 4.1) omogoča ročno vodeno rezanje in je z
osvetlitvijo delovnega prostora, preglednostjo nad obdelovancem in rezalni zmogljivosti,
vodilni v svojem razredu. S svojo veliko delovno površino in vsestranskimi možnostmi
vpenjanja ta rezalnik omogoča enostavno in hitro pozicioniranje vzorcev za rezanje in
odrezovanje.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
42
Slika 4.1: AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik.
1 ENOSTAVNO ROKOVANJE
- Stikalo za vklop / izklop
- Stikalo za izklop v sili
2 DELOVNA ROČICA
- Delovna ročica zagotavlja občutek pri rezanju ter hitre in lahke reze
3 ZANESLJIVOST
- Komora, ki ščiti uporabnika in elektroniko od delovnega okolja
4 ZUNANJA ŠOBA ZA ČIŠČENJE
- Zagotavlja nam lahko in enostavno čiščenje
- Zaradi zunanje montaže ostane med obratovanjem suha in čista
5 IZPIRANJE
- Stikalo pretoka za splakovalne šobe omogoča enostavno izpiranje
6 VELIKA DELOVNA PLOŠČA
- S pomočjo različnih primežev omogoča enostavno pritrjevanje obdelovancev
- Omogoča enostaven nadzor nad obdelovancem
7 VARNOST
- Zaklep komore preprečuje obratovanje medtem ko je le ta odprta
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
43
- Med obratovanjem je komora avtomatsko zaklenjena
8 REZANJE
- Na razpolago imamo rezilna kolesa (premera 254 mm)
9 FLEKSIBILNA LED LUČ
- Omogoča enostavno pozicioniranje za maksimalno osvetlitev delovnega prostora
10 OSVETLITEV
- Deset visoko učinkovitih LED luči zagotavlja dobro osvetljenost komore
11 PREGLED
- Veliko pregledno okno omogoča neoviran pogled na obdelovanec
Tehnični podatki:
Napetost:
200-240VAC, 50 Hz, 3-fazni
Motor:
4Hp [3kW]
Tok:
13A / 230VAC,
Število obratov:
2800 vrt./min
Razsvetljava:
10 svetlih LED luči z visokim izkoristkom,
ena 457mm prilagodljiva LED luč
Hrup:
≤76 db brez obremenitve na razdalji [1m]
Kapaciteta rezervoarja hladilne tekočine :
27l
Premer rezilke:
254 mm
Maksimalna dolžina reza:
95mm
Dimenzije:
572 x 711 x 737mm
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
44
Dimenzije delovne plošče:
76 x 76mm
Vodila za primeže:
12mm T-reže
Teža:
136kg
Odobritve:
CE
4.1.2 Ročni Brusilni polirni stroj BUEHLER MetaServ 250
V MetaServ 250 brusilni-polirni stroj (slika 4.2) ponuja kombinacijo učinkovitosti,
varčnosti in zanesljivosti za večino mikrostrukturnih analiz. Zasnovan je za ročno ali
polavtomatsko brušenje in poliranje, saj se lahko uporablja z eno od dveh polirnih
pogonskih glav. Ulito zaščitno ohišje zagotavlja dolgotrajno korozijsko in odpornost ter
odpornost na udarce. Vsaka posoda ima snemljiv ščitnik , da zmanjša prekomerno pršenje,
in omogoča enostaven dostop do plošče. Vgrajena splakovalna posoda z drenažo omogoča
izpiranje delcev in s tem zagotavlja kakovostnejše poliranje metalografskih vzorcev .
Nastavljivo šobo za pretok vode je mogoče namestiti kjerkoli nad ploščo, ki zagotavlja
hlajenje natanko tam, kjer je to potrebno.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
45
Slika 4.2: MetaServ 250 brusilni-polirni stroj.
1 DELOVNA PLOŠČA
- Omogoča enostavno zamenjavo brusnega papirja različnih granulacij
2 MOŽNOST ČIŠČENJA
- Šoba z nastavljivim pretokom vode omogoča čiščenje in hlajenje po potrebi
- Vgrajena posoda z izpustom zmanjša nabiranje smeti (opilkov)
3 KONTROLNA PLOŠČA
- Omogoča enostavno uporabo in nastavljanje parametrov
4 MOŽNOST NADGRADNJE
- Nosilec za polavtomatsko pogonsko glavo nam nudi možnost nadgradnje
5 TRAJNO OHIŠJE
- Ohišje izdelano (ulito) iz enega kosa zagotavlja trajno odpornost na korozijo in druge
vplive
Tehnični podatki:
Velikost delovne plošče:
254 mm
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
46
Način obdelave:
Ročni/polavtomatski
Možnost nadgradnje s pogonsko glavo:
Vector LC 250
Motor:
300W
Napetost:
85-264VAC, 50Hz, 1-fazni
Hitrost rotacije delovne plošče:
50-500rpm
Napetost:
85-264VAC, 50/60Hz, 1-fazni
Maksimalni tlak vode vode:
6.8bar
Pretok vode skozi šobo za hlajenje:
2 l/min
Dimenzije:
452 x 735 x 242mm
Teža:
20kg
Odobritve:
CE in EC
4.1.3 Avtomatski brusilni - polirni stroj BUEHLER EcoMet 250 Pro
EcoMet 250 brusilni - polirni stroj (slika 4.3) je bil zasnovan za zadovoljevanje potreb pri
analizah materialov, saj analitiki zahtevajo vsestranskost pri pripravi vzorcev.
EcoMet 250 Pro je nadgrajen z nadzorno ploščo, z barvnim zaslonom na dotik, za nadzor
odstranjevanja materiala po globini na Z-osi. Ima možnost programiranja poteka dela ter
programiranja avtomatskega razpršilca (šobe).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
47
Delo na tem stroju je podobno kot na MetaServ 250, vendar poteka občutno hitreje saj ta
naprava med delovanjem ne zahteva nobenega ročnega dela.
Slika 4.3: EcoMet 250 brusilni-polirni stroj. [7]
1 AVTOMATSKA POGONSKA GLAVA
- Omogoča obdelovanje kar 6-ih vzorcev istočasno
- znatno skrajša čas priprave (obdelave) vzorca
2 KONTROLNA PLOŠČA
- Pregleden zaslon na dotik
- Enostavna uporaba in nastavljanje parametrov
- Nadzor odstranjevanja materiala po globini na Z-osi
- Možnost programiranja poteka dela ter programiranja avtomatskega razpršilca (šobe)
3 DELOVNA PLOŠČA
- Omogoča enostavno zamenjavo brusnega papirja različnih granulacij
4 TRAJNO OHIŠJE
- Ohišje izdelano (ulito) iz enega kosa zagotavlja trajno odpornost na korozijo in druge
vplive
5 MOŽNOST ČIŠČENJA
- Šoba z nastavljivim pretokom vode omogoča čiščenje in hlajenje po potrebi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
48
- Vgrajena posoda z izpustom zmanjša nabiranje smeti (opilkov)
Tehnični podatki:
Velikost delovne plošče:
254 mm
Način obdelave:
Avtomatski
Motor:
750W
Napetost:
85-264VAC, 50Hz, 1-fazni
Hitrost rotacije delovne plošče:
10-500rpm (v presledkih po 10rpm)
Smer vrtenja delovne plošče:
Po želji (v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca)
Maksimalni tlak vode vode:
25-60bar
Poraba baze(delovne plošče):
1.1kW, 4.8A, 230VAC
Poraba baze in automatske pogonske glave skupaj:
1.73kW, 7.5A, 230VAC
Kontrolna plošča:
Barvni LCD ekran (175mm)
Hrup baze:
59.5dB / 100rpm
Hrup baze in automatske pogonske glave skupaj:
61.5dB / 100rpm baza, 30rpm glava
Teža:
45kg
Odobritve:
CE in EC
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
49
Tehnični podatki automatske pogonske glave (AutoMet 250):
Moč:
116W
Hitrost:
10-60rpm (v presledkih po 10rpm)
Sila glave na vzorce:
20-260N
Velikost vzorcev:
25mm, 30mm, 40mm
Cev za dovod zraka:
6mm
Tlak zraka:
2.4bar
Poraba:
630W, 2.7A, 230VAC
Teža:
32kg
Odobritve:
CE in EC
4.1.4 Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m
Svetlobni mikroskop Zeiss, Axio Imager A2m (slika 4.4), digitalna kamera AxioCam ICc
3 in programska oprema AxioVision:
Zmogljiv svetlobni mikroskop omogoča opazovanje površine metalolografskih vzorcev v
svetlem polju, temnem polju, diferenčno-interferenčnem kontrastu in polarizirani svetlobi.
Opremljen je z digitalno kamero za zajemanje slike AxioCam ICc 3 (3,3 milijone točk) in
programsko opremo AxioVision za obdelavo in analizo slike (npr. omogoča merjene
velikosti zrna, deleža faz ....).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
50
Slika 4.4: Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m.
1 OKULAR
- Omogoča direkten pogled na vzorec ter fino izostritev slike
2 OBJEKTIV
- Revolverska glava omogoča hitro in enostavno izbiro željene povečave na objektivu
3 DIGITALNA KAMERA
- Ponuja možnost digitalnega zajema slike ter povezave z osebnim računalnikom
- Za lažjo in boljšo obdelavo slike
4 MIZICA
- Prostor za vpenjanje preiskovanega vzorca
5 KOLO ZA POMIK MIZICE
- Omogoča nastavitev pravilne oddaljenosti mizice (vzorca) od objektiva
6 ZASLONKI IN FILTER
- S pravilno izbiro zaslonk in filtra dobimo najkvalitetnejšo sliko vzorca
7 VIJAK ZA NASTAVITEV
- Fina nastavitev - pomik mizice
8 VIJAK ZA PRITRDITEV MIZICE NA POMIČNI NOSILEC
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
51
4.1.5 Prenosni rentgenski fluorescenčni (XRF) analizator Thermo NITON XL3t
Analizator Thermo NITON XL3t (slika 4.5) zagotavlja zanesljive podatke za
prepoznavanje vzorcev in pozitivno indetifikacijo materiala. V realnem času prepozna celo
lažje elemente, ki jih je težje analizirati.
Slika 4.5: analizator Thermo NITON XL3t. [8]
Opis:
Niton XL3t XRF ročni analizator ponuja funkcije, razvite z namenom, da bi povečali
produktivnost in dobičkonosnost. Odlikuje ga:
- visoka občutljivost in natančnost meritev
- nižja meja zaznavanja za elemente z višjim atomskim številom ter Mg, Al, Si in P
- standardno zaznavanje: 25 elementov od S do U
- opcija: CCD kamera za vizualno identifikacijo in shranjevanje slik vzorcev
- uporabnik lahko za iskanje izbere do 3mm majhno točko
- barvni zaslon na dotik
- ergonomska oblika
- 50 kV rentgenska cev zagotavlja približno dvakratni rentgenski tok 40 kV rentgenske
cevi
-Hotfoot adapter omogoča testiranje vročih površin v petrokemičnih rafinerijah (do
450°C).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
52
Povezovanje:
- programska oprema omogoča nastavitev dovoljenj operaterjem, ustvarjanje poročila po
meri, tiskanje potrdil o analizi, ali oddaljen nadzor in upravljanje instrumenta prostoročno
preko računalnika
- vgrajen USB in Bluetooth komunikacija omogoča neposreden prenos podatkov v
računalnik ali mrežno shranjevalno napravo
- dodatna oprema vključuje Bluetooth bralnik črtne kode, tiskalnik Bluetooth in Bluetooth
GPS.
4.2 IZDELAVA IN PRIPRAVA METALOGRAFSKEGA OBRUSA
Pogoj za natančno in zanesljivo oceno mikrostrukture zvarnega spoja, je kakovostno
izdelan metalografski obrus. Njegova površina mora biti zrcalnega videza, povsem gladka,
brez raz in napak.
Metalografski obrus je bil izdelan v naslednjih korakih:
- izrez obrusa
- ulivanje (pritrjevanje) vzorca
- brušenje vzorca
- poliranje vzorca
- jedkanje vzorca
4.2.1 Izrez metalografskega obrusa
Iz varjenca je bil s posebnim rezalnikom AbrasiMet 250 (slika 4.1) izrezan obrus velikosti
približno 30 mm x 40 mm. Vzorec (slika 4.6) mora ohraniti vse lastnosti preizkušanca, kar
pomeni, da se med odrezovanjem pod nobenim pogojem ne sme spremeniti njegova
mikrostruktura. To je bilo dosežemo :
- s hlajenjem vzorca med odrezovanjem (s povišano temperaturo se spremeni
mikrostruktura)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
53
- s pravilno nastavljeno vrtilno hitrostjo rezilke
- z zagotavljanjem zmerne sile rezilke na obdelovanec (varjenec)
Slika 4.6: vzorec izrezan (prečno) iz zvarnega mesta.
4.2.2 Vlivanje (pritrjevanje) vzorca
Za nadaljno obdelavo je bil izrezan vzorec vlit v umetno maso. S tem ukrepom so bili
doseženi 3-je pomembni pogoji:
- enostavno rokovanje z obrusom
- zagotovljena je zaščita robov obrusa
- zapolnitev praznin v poroznih materialih
Za vlivanje vzorca je bil uporabljen Vari Dur akrilni sistem za vlivanje metalografskih
vzorcev (slika 4.7). Sistem vsebuje 3 komponente (2 x tekočina in moder prah). Masa
zmešana iz teh komponent se med strjevanjem ne krči in se strdi v približno 20-ih minutah.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
54
Slika 4.7: priprava mase za vlivanje vzorca za izdelavo metalografskega obrusa
4.2.3 Brušenje vzorca
Po vlivanju vzorca, je sledila priprava le tega na poliranje. Groba površina, ki je nastala z
odrezovanjem, je bila najprej obrušena na brusilno/polirnem stroju MetaServ 250. Vzorec
je bil brušen postopoma (v več korakih) z brusnim papirjem od najbolj grobega do
najfinejšega. Izbran je bil brusni papir, na katerem je kot abrazivno sredstvo silicijev
karbid (SiC),saj je to najbolj primeren in učinkovit brusni papir za brušenje kovin.
Za prvo brušenje je bil uporabljen brusni papir z granulacijo 120, ki je bila postopoma
povečana do 600 ter na koncu do 1200.
Po vsaki menjavi brusnega papirja je bil brušeni vzorec obrnjen tako, da je bila smer
brušenja med vsako fazo zamaknjena za 900. Brusili smo toliko časa, da se raze
predhodnega brušenja niso več opazile. To ponavljamo toliko časa, dokler ne dosežemo
zadovoljive gladkosti površine vzorca.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
55
Ves čas brušenja je bilo zagotovljeno tudi istočasno izpiranje površine brusnega papirja. S
tem so bili odstranjeni odbrušeni delci, kateri bi nam lahko poškodovali površino vzorca,
ob enem pa je bilo tako doseženo tudi hlajenje vzorca.
Če se nam iz kakršnega koli razloga površina vzorca poškoduje, ali pa se na njej pojavijo
raze, moramo celoten postopek ponoviti. Slika 4.8 prikazuje primer ročnega brušenja
metalografskega obrusa.
Slika 4.8: primer ročnega brušenja metalografskega obrusa.
4.2.4 Poliranje vzorca
Po uspešno zaključenem brušenju je sledilo poliranje vzorca. Delo je potekalo na istem
stroju kakor brušenje, le da smo tu namesto brusnega papirja uporabili poli-kristalna
diamantna abrazivna sredstva. Ta imajo veliko število ostrih robov in proizvedejo veliko
število zarez z minimalno poškodbo površine.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
56
Poliranje je bilo izvedeno v dveh korakih:
Prvi korak - grobo poliranje:
- uporabljena so bila poli-kristalna abrazivna sredstva s premerom zrnc od 9mikronov do 1
mikron(slika 4.9 in slika 4.10)
- kot emulzija je bila uporabljena destilirana voda
Slika 4.9: polikristalno abrazivno sredstvo 3 mikrone.
Slika 4.10: polikristalno abrazivno sredstvo 9 mikronov.
Drugi korak - fino poliranje:
- zadnje poliranje je bilo namenjeno odpravljanju samo manjših površinskih napak
- visoko kosmato polirno kolo je bilo posuto z alumino (Al2O3) (slika 4.11)
- polirni čas je bil krajši od 30 sekund
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
57
Slika 4.11: Al2O3 - prah, k ga uporabljamo za končno poliranje metalografskih obrusov. [9]
4.2.5 Jedkanje vzorca
Po poliranju je bila površina vzorca zrcalnega videza ter popolnoma gladka. Pri
mikroskopiranju nam takšna površina vzorca ne bi podala zadovoljivih rezultatov, zato je
bil izveden naslednji ukrep - jedkanje vzorca. Ta postopek nam omogoči, da postane
struktura materiala (kristalna zrna) vidna.
Za jedkanje je bil uporabljen 7% NITAL (93ml etanola + 7ml dušikove kisline), ki se
uporablja za jedkanje ogljikovih jekel in nikljevih zlitin.
Postopek jedkanja je potekal po naslednjem redosledu:
- razmastitev površine vzorca z alkoholom
- izpiranje vzorca pod tekočo vodo
- jedkanje z NITAL-om ( vata + NITAL; 5-10 sekund)
- izpiranje vzorca z alkoholom
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
58
- ponovno izpiranje vzorca pod tekočo vodo
- ponovno izpiranje vzorca z alkoholom
- sušenje vzorca s fenom
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
59
5 DOLOČITEV MIKROSTRUKTUR V ZVARNEM SPOJU
5.1 MIKROSKOPIRANJE (METALOGRAFSKA ANALIZA) VZORCA
Po končani obdelavi je bil metalografski obrus pregledan s svetlobnin mikroskopom Zeiss,
Axio Imager A2m (slika 5.1). Opremljen je z digitalno kamero AxioCam ICc 3, ki nam
omogoča prenos podatkov (slike) na osebni računalnik. Naknadno računalniško obdelavo
(slika 5.2) (merjenje velikosti zrn, deleža faz, velikosti razpok in napak,...) nam omogoča
programska oprema AxioVision.
Slika 5.1: Pregled metalografskega obrusa s svetlobnim mikroskopom Zeiss, Axio Imager A2m.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
60
Slika 5.2: prikaz računalniške obdelave s programom AxioVision.
5.2 IZSLEDKI (SLIKE MIKROSTRUKTUR ZVARNEGA SPOJA IN NJIHOVA
DOLOČITEV)
Makro obrus (slika 5.3) je bil izdelan po opisanem postopku in sicer na ročnem polirnem
stroju z uporabo različne zrnatosti polirnih papirjev in past. Jedkanje vzorca je potekalo z
Nitalom (7%), površino smo potem obrisali z alkoholom in posušili s fenom.
Slika 5.3: Osnovna slika X-večvarkovnega zvara.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
61
Osnovni material Niomol 490K je sestavljen iz bainitne mikrostrukture (slika 5.4).
Slika 5.4: Bainit v osnovnem materialu – NIOMOL 490K(320 x).
V korenu zvarnega spoja je nastala drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v
korenu zvara s sledovi primarnega ferita po mejah avstenitnih zrn, ponekod se je pojavil
čisti bainit v korenskih varkih zvara (slika 5.5, slika 5.6 in slika 5.7)
Slika 5.5: Drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v korenu zvara s sledovi primarnega ferita po
mejah avstenitnih zrn (200 x).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
62
Slika 5.6: Drobnozrnata feritno-bainitna mikrostruktura v korenu zvara (1000 x).
Slika 5.7: Bainit v korenskih varkih zvara.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
63
Slika 5.8: Drobnozrnata bainitna mikrostruktura v korenskem delu zvara.
Na sliki 5.9 je dobro vidno toplotno vplivano področje z grobozrnato mikrostrukturo in
bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja.
Slika 5.9: Bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
64
V korenu zvara je nastala tudi t.i. feritno - bainitna mikrostruktura (slika 5.10)
Slika 5.10 Feritno – bainitna mikrostruktura v korenu zvara.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
65
6 DISKUSIJA REZULTATOV
Pri praktičnem delu naloge je bil zavarjen X-večvarkovni zvarni spoj, na debelini
visokotrdnostnega mikrolegiranega jekla - osnovnega materiala 30 mm. Za gradnjo
zvarnega spoja je bil uporabljen postopek varjenja MAG v mešanici plina CO2 in Ar.
Povprečen vnos toplote je bil približno 26 KJ/ cm in s časom hlajenja zvara iz temperature
800 stopinj na 500, to je 15-20s. Tehnologija varjenja se je zato izvajala z večjim številom
varkov in manjšim vnosom energije. Na ta način je bila dosežena optimalna širina toplotno
vplivanega področja, katerega mikrostruktura kvarno vpliva na žilavost celotnega zvarnega
spoja. Na slikah (slika 5.4, slika 5.5, slika 5.6, slika 5.7, slika 5.8, slika 5.9 in slika 5.10) so
predstavljene vse osnovne mikrostrukture, ki v večvarkovnem zvarnem spoju lahko
nastopijo in s pomočjo katerih lahko določimo in ocenimo najbolj krirično mikrostrukturo
z najmanjšo lomno žilavostjo zvarnega spoja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
66
7 SKLEP
Zvarni spoj vsake konstrukcije oziroma energetske komponente predstavlja mehansko
motnjo v materialu. V varjeni konstrukciji to opazimo kot različno trdnostno elasto-
plastično in lomno obnašanje od osnovnega materiala. Morebitne napake, ki so med
varjenjem nastale v zvarnem spoju (pore, zlepljena mesta, ostanki žlindre in podobno), se
lahko kasneje med obremenjevanjem razvijejo v razpoke. Omenjene razpoke se potem
širijo v trdnostno nižja področja, kar lahko privede po porušitve konstrukcije. Zaradi
navedenega metalografska preiskava zvarov predstavlja eno najvažnejših tehnik
metalurškega študija zvarov, kajti njeni rezultati omogočajo zbrati in razložiti delne
rezultate, ki jih dobimo pri drugih tehnikah preiskave.
Metalografija je veda o kristalni zgradbi kovin s katero kvalitativno in kvantitativno
opišemo ter ovrednotimo kovinsko strukturo. Pri tem s pomočjo različnih mikroskopskih
metod iščemo napake v materialih, poškodbe ter vzroke za njihov nastanek, vrsto toplotne
obdelave in podobno. Trdimo, da je metalografija porušna metoda, s katero preiščemo le
del celotnega materiala. Vedno moramo odvzeti najbolj reprezentativen vzorec, med
pripravo pa se njegova mikrostruktura nikakor ne sme spremeniti. Vzorec mora ohraniti
vse lastnosti preizkušanca, razen njegovih dimenzij. Te vzorce imenujemo metalografski
obrusi. Po obdelavi metalografske obruse najprej preverimo z optičnim mikroskopom
(LOM - Light Optical Microscope), šele kasneje, če so napake nerazločne oziroma niso
vidne, uporabimo močnejše in dražje priprave, kot so elektronski mikroskopi in rentgen.
Za kakovostno in zanesljivo oceno mikrostrukture materiala, je treba tudi vzorce pripraviti
zanesljivo in kakovostno, da so brez najmanjših napak, ki bi lahko vplivale na slabo oceno.
Kar zadeva izdelavo preizkušancev, ki jo izvajamo na enak način za optično in elektronsko
mikroskopijo, poliranje in elektrolitsko jedkanje predstavljata nekaj težav, če želimo dobiti
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
67
enakomerno polirano površino prereza celotnega zvarjenega spoja, ki ima različne hitrosti
raztapljanja (jedkanja).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
68
8 VIRI IN LITERATURA
1 Praunseis Z. Avsec J Gradniki v energetiki, Univerzitetni učbenik, Fakulteta za
energetiko. Krško: 2010.
2 Granjon, H.; slovenski prevod Štular, P. Metalurške osnove varjenja: 1. izdaja.
Ljubljana: Zveza društev za varilno tehniko Slovenije, 1994.
3 Zdravko Praunseis; Mikrostrukture v jeklenih zvarnih spojih, študija za projekt.
4Zdravko Praunseis: Vpliv znižane trdnosti zvara na lomnomehanske lastnosti zvarnega
spoja, doktorska disertacija, Univerza v Mariboru, 1997
5 Zdravko Praunseis: Zapiski predavanj; Gradniki v energetiki, 2012, Krško
[6] Katalog Buehler, GmBh, Hamburg, 2015
[7] Spletni naslov; https://shop.buehler.com [15.9.2016]
[8] Spletni naslov; http://portableas.com [15.9.2016]
[9] Spletni naslov; http://alice785.en.ec21.com [15.9.2016]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
69
PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVO OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
70
PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA