Mašinski fakultet Sarajevo

Tehnike spajanja 2

Seminarski rad

od max 25

Ime i Prezime Rev. Datum Ime i Prezime Ukupno bodova

Kolokvij i/ili prezentacija Pregledao asistent

Datum izdavanja Naziv seminarskog rada

Hladne pukotine – uzroci nastanka i tehnološke mjere za izbjegavanjeJanuar 2015

Mašinski fakultet Sarajevo | Katedra za mašinski proizvodni inženjering | Tehnike spajanja 2

Sadržaj seminarskog rada

1 Sažetak................................................................................................................................................3

2 Kako raditi seminarski rad...................................................................................................................4

3 Upisati naslov 2...................................................................................................................................7

4 Upisati naslov 3...................................................................................................................................8

5 Upisati naslov 4.................................................................................................................................10

6 Upisati naslov 5 (ako treba)...............................................................................................................11

7 Upisati naslov 6 (ako treba)...............................................................................................................13

8 Literatura...........................................................................................................................................14

Na ovoj stranici ne treba ništa dopisivati, već samo u konačnoj verziji uraditi „update field“ početnih stranica svih poglavlja Projektnog zadatka. Date napomene (plavi kosi tekst u tablici) brisati u konačnoj verziji rada!

str. 2 / 17

1 Sažetak

Ovdje navesti sažetak seminarskog rada: šta je obuhvatio, šta obradio i šta je ukupni zaključak. Ispod je potrebno navesti do pet ključnih riječi koje su karakteristične za urađeni seminarski rad i obrađenu temu. Sažetak se piše u jednom paragrafu/pasusu, ne više od deset redova, i nakon što seminarski bude već skoro u potpunosti završen.

Ključne riječi: prva, druga, treća, četvrta, peta

str. 3 / 17

2 Opšte o hladnim pukotinama

Hladne pukotine nastaju pri hlađenju zavarenog spoja na temperaturi ispod 300 °C, a čak mogunastati i nekoliko dana nakon zavarivanja, pa su tako u tom slučaju dobile naziv "zakašnjele" hladnepukotine. Hladne pukotine nastaju u metalu šava ili ZUT-u. Prema pravcu u odnosu na osu šava hladne pukotine se dijele na poprečne i podužne, pa se tako obzirom na smjer rasprostiranja govori o longitudionalnim (L) i transferzalnim (T) pukotinama. Po pravilu su unutar - kristalne, iako njihov rast često počinje po granicama zrna. Također, mogu biti vidljive na površini zavarenog spoja, ali i nevidljive u zavarenom spoju. Po veličini mogu biti mikropukotine za oko nevidljive i makropukotine koje su vidljive ili se nekom od metoda lako otkrivaju. Prijelomna površina je svijetla, za razliku od toplih pukotina gdje dolazi do površinske oksidacije koje nastaju na povišenim temperaturama.Hladne pukotine su najopasnije za sigurnost zavarenih konstrukcija jer ih je teško otkriti. Glavni uzročnici nastajanja hladnih pukotina su:

strukture metala šava te ZUT-a, koje su osjetljive na djelovanje vodika, prisutnost vodika u metalu šava, metal sklon otvrdnjavanju, naročito u ZUT-u, djelovanje naprezanja nastalih skupljanjem zavara, nepovoljan položaj uključaka u zavaru.

Slika 2-1. Lokacije i orjentacije hladnih pukotina prema IIW1

1 IIW, eng. International Institute for Welding

str. 4 / 17

3 Uzroci i mehanizam nastajanja hladnih pukotina

Uzroci odnosno tri bitna faktora nastanka hladnih pukotina su prikazani u sljedećoj tabeli.

Tabela 3-1. Uzroci nastanka hladnih pukotina (IWE2 skripta)Mikrostruktura (tvrdoća) Zaostali vodik Naponsko stanje

Hemijski sastavUgljikov ekvivalent – CE

VlažnostOM i DM

Zaostali naponi

Brzina hlađenjaVrijeme t8/5

Brzina hlađenjaVrijeme t8/1

Dodatni naponiUslovi proizvodnje

Za nastanak hladnih pukotina moraju biti prisutna sva tri faktora.

Slika 3-1. Prikaz faktora nastanka hladnih pukotina

Mehanizam nastajanja hladnih pukotina vrlo je složen. Vodik dospijeva u metal šava, ali i u ZUT, uslijed prisustva vlage u okolnom vazduhu, dodatnom materijalu ili usljed neadekvane zaštite tokom zavarivanja. Prelazak vodika iz atomarnog u molekularno stanje stvara veliki lokalni pritisak, uslijed čega na okolni materijal djeluje napon koji može da bude veći od njegove čvrstoće, pa tako nastaje lokalni lom, odnosno mikropukotina. Takva mikropukotina može da raste zbog djelovanja napona zatezanja, nastalnog neravnotežnim skupljanjem pojedinih oblasti metala šava i ZUT-a. Pri tome na nastanak mikropukotine i njen dalji rast bitno utiče plastičnost materijala, koja je tim manja, što je sklonost martenzitnoj transformaciji veća. Tako je suštinski važan parametar za nastanak hladnih pukotina količina zaostalog vodika, koji dolazi u zavar razlaganjem vlage (u oblozi elektrode ili praška ili u zaštitnom plinu) na visokim temperaturama, te iz drugih nečistoća kao što su hrđa, okujina, masnoća, vlaga, koje se nalaze na površini mjesta zavarivanja. Ukoliko vodika nema u dovoljnoj količini onda hladne pukotine ne mogu da nastanu.

2 IWE, eng. Internacional Welding Engineer

str. 5 / 17

4 Metode za određivanje sklonosti ka hladnim pukotinama

Sklonost hladnim pukotinama procjenjuje se analitički na osnovi različitih formula za ugljikov ekvivalent, a za eksperimentalno istraživanje postoji čitav niz laboratorijskih i pogonskih metoda.U nastavku će biti prikazane češće korištene eksperimentalne laboratorijske i pogonske probe zavarljivosti za procjenu sklonosti materijala prema nastajanju hladnih pukotina.

Implant metoda - daje kvantitativne pokazatelje, odnosno kritična implantacijska naprezanja. Kada se opterećenje podijeli sa površinom poprečnog presjeka implanta - epruvete, dobiju se vrijednosti implantacijskog naprezanja. Ono naprezanje kod kojega dolazi do loma implanta - epruvete naziva se kritično implantacijsko naprezanje. Poželjno je da je ono što više, jer je tada bolja zavarljivost materijala. Kako se povećava sadržaj difuzijskog vodika, razina zaostalih napona i zakaljivost materijala, do loma epruvete dolazi ranije i kod nižih naprezanja. U tim je slučajevima kritično implantacijsko naprezanje niže, što je nepovoljno jer znači slabiju zavarljivost.

Slika 4-1. Šematski prikaz uređaja za ispitivanje po Implant metodi

Slika 4-2. Dijagram opterećenja implant – epruveta tokom vremena do loma

str. 6 / 17

Tekken metoda daje kvalitativne pokazatelje odnosno ima ili nema pukotina uz određenu tehnologiju i uvjete zavarivanja.

Slika 4-3. Priprema spojeva po Tekken metodi

Procedura izvođenja Tekken testa: prvo se zavare pomoćni zavari, a tek onda ispitni zavar, pomoćnim zavarima ploća je ukrućena. Epruveta se ostavi 48 sati i zatim se ispituje. ispitivanja se vrše prvo vizuelnim pregledom a zatim penetrantima i na kraju se zavar izrezuje na tri mjesta, rade se makroizbrušci te provodi makroanaliza. U zavisnosti o visini i dužini pukotina zaključuje se sklonost prema hladnim pukotinama.

Slika 4-4. Prikaz ispitivanja sklonosti hladnim pukotinama po Tekken metodi

str. 7 / 17

CTS3 – BS 709-1964 je metoda praktična za pogonska ispitivanja sklonosti ugaonih zavarenih spojeva prema hladnim pukotinama. Ova metoda simulira različite modele vođenja toplote (zavar uz rub ploče se brže hladi od onog koji je više udaljen od ruba ploče). Moguće je između ploča postaviti podložnu pločicu, pa se osjetljivost metode na hladne pukotine značajno povećava. Prvo se izvode zavari za ukrućenje (bočni zavari) koji su nešto deblji od ispitnih. Ispitni su debljine 4 – 6 mm, dužine 75 mm. Nakon zavarivanja i hlađenja (uvažavajući inkubacijski period od 48 sati nakon zavarivanja), vrši se odgovarajuće isjecanje uzoraka i mikroskopska analiza zavarenih spojeva. Ovo je također kvalitativna metoda ispitivanja zavarljivosti.

Slika 4-5. Shematski prikaz ispitivanja sklonosti hladnim pukotinama po CTS metodi

Lehigh metoda je još jedna od metoda koje daju kvaliatativnu ocjenu zavarljivosti.

Slika 4-6. Shematski prikaz ispitivanja sklonosti hladnim pukotinama po Lehigh metodi

3 CTS, eng. Control Thermal Severity

str. 8 / 17

5 Materijali skloni nastanku hladnih pukotina

Materijale koji su skloni ovim pukotinama predstavit ćemo pomoću Graville-ovog dijagrama koji prikazuje sklonost pojedinih grupa čelika ka nastanku hladnih pukotina induciranih vodikom. Objasniti ćemo i gdje se te pukotine javljaju kod pojedinih čelika. Graville je predložio da se sklonost ka nastanku hladnjih pukotina induciranih vodikom može ocijeniti na osnovu usporedbe vrijednosti ugljikovog ekvivalenta sa sadržajem ugljika u čeliku.

Slika 5-1. Graville-ov dijagram

U zoni I čelici posjeduju nizak sadržaj ugljika te nemaju sklonost ka nastanku hladnih pukotin, a to su termomehanički ojačani čelici. U zoni II se u največoj mjeri nalaze niskougljenični i niskolegirani čelici visoke čvrstoće i kod njih se pukotine javljaju u ZUT-u ali i u metalu šava. U cilju izbjegavanja pukotina ovakvi čelici se zavaruju sa strogo kontroliranim unosom toplote. Čelike u zoni III visok ugljikov ekvivalenti visok sadržaj ugljika čini izuzetno sklonim otvrdnjavanju, te svi uslovi zavarivanja daju mikrostrukturu veoma osjetljivu na nastanak hladnih pukotina. I kod ove vrste čelika pukotine se mogu javiti u ZUT-u i u metalu šava. Kod ugljeničnih čelika u večini slučajeva pukotine se javljaju u ZUT-u.

str. 9 / 17

6 Izbjegavanje hladnih pukotina, prema EN 1011-2, Aneks C

Metode za izbjegavanje hladnih pukotina prema EN 1011-24 su:Metod A - (prema Aneksu C.2, EN 1011-2) uzima u obzir kombiniranu debljinu, za sitnozrnaste, nelegirane i CMn čelike Metod B - (prema Aneksu C.3, EN 1011-2) za visokočvrste niskolegirane (HSLA) čelike Metod C - (prema Aneksu C.4, EN 1011-2) za toplootporne i kriogene čelike.

6.1 Metod A, EN 1011-2, Aneks C.2, za izbjegavanje hladnih pukotina

Ova metoda je ograničena na čelike sljedećeg hemijskog sastava:Tabela 6-1. Hemijski sastav čelika

C Si Mn Cr Cu Ni Mo V

0,05 - 0,25 Max. 0,8 Max. 1,7 Max. 0,9 Max. 1,0 Max. 2,5 Max.0,75 Max.0,2

Metoda uzima u obzir ugljikov ekvivalent, CE5, koji se računa prema:

6.1Primjena metode ograničena je na čelike sa 0,30<CE<0,70 te uzima u obzir klasični pristup tretiranju uticajnih faktora na pojavu hladnih pukotina: tvrdoća (mikrostruktura), zaostali vodik, naponsko stanje. Pogonska energija EP ili Q [kJ/mm], se može izračunati prema poznatom izrazu iz EN 1011- 2, na osnovu poznatih primarnih parametara zavarivanja:

U [V], napona električnog luka. I [A], jačine struje zavarivanja. w [m/s], brzine zavarivanja. η [-], termičkog koeficijenta iskorištenja, za usvojeni ili razmatrani postupak zavarivanja.

Primjeri maksimalno dozvoljenih kombiniranih debljina osnovnog materijala za zavarivanje bez predgrijavanja su dati u sljedećoj tabeli.

Tabela 6-1-1. Maksimalno dozvoljene kombinirane debljine osnovnog materijala i odgovarajuće pogonske energije za zavarivanje bez predgrijavanja [EN 1011-2]

4 EN 1011-2, Welding - Recommendations for welding of metallic materials - Part 2 : Arc welding of ferric steels.5 CE, eng. Carbon Equivalent

str. 10 / 17

Sadržaj zaostalog vodika se uzima na osnovu podataka proizvođača dodatnog materijala, ili prema tabeli.Tabela 6-1-2. Skala zaostalog vodika [EN 1011-2]

Sadržaj difuzionog vodika [ml/100g] unutar zavarenog

spoja

Vodikova skala

>15 A

10≤15 B

5≤10 C

3≤5 D

≤3 E

Kombinirana debljina osnovnog materijala se određuje na osnovu smjernica datih na sljedećoj slici.

Slika 6-1-1. Smjernice za određivanje kombinirane debljine [EN 1011-2]

Konačno, temperatura predgrijavanja se određuje na osnovu dijagrama iz EN 1011-2, Aneks C. Primjeri dijagrama su dati na sljedećim slikama

str. 11 / 17

Slika 6-1-2. Primjer dijagrama za određivanje temperature predgrijavanja prema EN 1011-2, Aneks C.2

Slika 6-1-3. Primjer dijagrama za određivanje temperature predgrijavanja prema EN 1011-2, Aneks C.2

str. 12 / 17

6.2 Metod B, prema EN 1011-2, Aneks C.3, za izbjegavanje hladnih pukotina

Ova metoda je ograničena na čelike iz grupa od 1 do 4 iz CR ISO 1608. Ti čelici imaju hemijski sastav: Tabela 6-2-1. Hemijski sastav čelika

C Si Mn Cr Cu Mo Nb Ni Ti V B0,05-0,35

Max.0,8

0,5-1,9

Max.1,5

Max.0,7

Max.0,75

Max.0,06

Max.2,5

Max.0,12

Max.0,18

Max.0,005

Vrlo efikasan način da se izbjegnu hladne pukotine je predgrijavanje vara na višim temperaturama da bi se odložilo hlađenje područja vara i na taj način ubrzalo izlučivanje vodika u kraćem vremenu i u većoj mjeri nakon zavarivanja. Predgrijavanje smanjuje unutrašnje napone. Za višeslojne zavare moguće je početi bez predgrijavanje ako je dovoljno visoka temperatura međuprolaza. Osnova ove preporuke je opsežan pregled ponašanja hladnih pukotina čelika u zavarivanju, obavljen na samom varu ili pomoću posebnih testova za hladne pukotine. Ispitivani su i ugaoni varovi. Utvrđeno je da je jedan sloj ugaonih varova imao niže unutrašnje napone nego sučeoni varovi. Temperature predgrijavanja određena za sučeone varove stoga može biti za oko 60 ° C veća u odnosu na ugaone varove. Ovisno o svom iskustvu, to je do proizvođača da koriste ove prednosti. U pogledu određivanja temperature predgrijavanja za ugaone i sučeone varove sa različitim debljinama ploča, temperatura predgrijavanja izračunava se na osnovu deblje ploče. Ugaoni varovi sa više prolaza i sučeoni varovi imaju slične uvjete naprezanja. Stoga, ista temperatura predgrijavanja kao i za sučeone varove će se koristiti da se izbjegnu hladne pukotine. Ponašanje hladnih pukotina zavarenih spojeva je pod uticajem hemijskog sastava osnovnog metala i metala šava, debljine ploče, sadržajem vodika u metalu šava, unosa toplote za vrijeme zavarivanja, i nivoa naprezanja. Povećanje sadržaja legure, debljine ploče i sadržaja vodika povećava se rizik od hladnih pukotina. Povećanje unosa toplote, smanjuje rizik od nastanka hladnih pukotina. Utjecaj hemijskog sastava na ponašanje hladnih pukotina kod čelika je karakterizirano pomoću ugljikovog ekvivalenta (CET). Ova formula pruža informacije o efektu na pojedine legirajuće elemente na ove osobine u odnosu na ugljik.

6.2.1Linearni odnos postoji između ugljikovog ekvivalenta, CET, i temperature predgrijavanja, Tp, kao što je prikazano na slici. Može se vidjeti da je povećanje od oko 0,01% u ugljikovom ekvivalentu, CET, dovodi do povećanja od oko 7,5 ° C u temperaturi predgrijavanja.

TpCET 750 CET - 150 (C) 6.2.2

Slika 6-2-1. Temperatura predgrijavanja u funkciji ugljikovog ekvivalenta, CET

str. 13 / 17

Odnos između debljine ploče, d, i temperature predgrijavanja, Tp, može se vidjeti na sljedećoj slici. Može se vidjeti da za tanji materijal, promjena debljine ploče uzrokuje veću promjenu temperature predgrijavanja. Međutim, s povećanjem debljine materijala efekat se smanjuje i veoma je mali iznad 60 mm.

TPD = 160 × tanh (d/35) - 110 (°C) 6.2.3

Slika 6-2-2. Temperatura predgrijavanja u funkciji debljine ploče, d

Efekat sadržaja vodika, HD6, u metala šava u skladu sa ISO 36907 za temperaturu predgrijavanja prikazan je na slici. Može se vidjeti da je povećanje sadržaja vodika zahtijeva povećanje temperature predgrijavanja. Promjene u sadržaju vodika ima veći utjecaj na temperaturu predgrijavanja za nize koncentracije nego za one visoke.

TpHD = 62 x HD0,35 - 100 (°C) 6.2.4

Slika 6-2-3. Temperatura predgrijavanja u funkciji zaostalog vodika , HD

6 HD, eng, Diffusible hydrogen7 EN ISO 3690, Welding and allied processes - Determination of hydrogen content in ferritic arc weld metal

str. 14 / 17

Utjecaj unosa topline, Q, na temperaturu predgrijavanja može se vidjeti na slici. Može se vidjeti da povećani unos topline tijekom zavarivanja dozvoljava smanjenje temperature predgrijavanja. Nadalje, utjecaj ovisi o sadržaju legirajucih elemenata i izraženiji je za niskougljenični ekvivalent nego za visoki.

TPQ = (53 × CET - 32) × Q - 53 × CET + 32 (°C) 6.2.4

Slika 6-2-3. Temperatura predgrijavanja u funkciji unosa toplote

Efekti hemijskog sastava, karakterisitika ugljikovog ekvivalenta (CE), debljina ploče, (d), sadržaja vodika u zavaru (HD), i unos toplote (Q), mogu se kombinirati po formuli u nastavku za izračunavanje temperature predgrijavanja.

Tp TpCET Tp d TpHD TpQ (C) 6.2.5

Temperatura predgrijavanja se može izračunati i prema sljedećoj formuli:

6.2.6

Ovaj odnos vrijedi za strukturne čelika sa granicom razvlacenja do 1 000 N / mm2 i CET = 0,2% na 0,5% d = 10 mm do 90 mm HD = 1 ml / 100g do 20 ml / 100g Q = 0,5 kJ / mm do 4,0 kJ / mm

Očigledno, za proračun temperature predgrijavanja po ovoj metodi neophodno je poznavati i pogonsku energiju.

str. 15 / 17

6.3 Metod prema Aneksu C.4, EN 1011-2 za izbjegavanje hladnih pukotina

Osnovni čelici obuhvaćeni ovim aneksom su toplootporni i kriogeni čelici8 koji pripadaju grupama 4, 5, 6 i 7 u CR ISO 15608. Ograničenja za predgrijavanje i temperature, međuprolaza koje se primjenjuju za ploče, trake, cijevi i otkivke, dati su u tabeli za toplootpone čelike i u tabeli za kriogene čelike . Izmjene ce možda biti potrebne s obzirom na posebne zahtjeve, iskustva ili primjene kao što su ugaoni varovi, djelomično navarivanje, reperaturna zavarivanja. Procedura zavarivanja odobrava ispitivanja koja treba izvršiti čak i ako ne postoji zahtjev u specifikaciji dizajna.

Slika 6-3-1. Toplootporni čelici - minimalna temperatura predgrijavanja i međuprolaza

Slika 6-3-2. Kriogeni čelici - minimalna temperatura predgrijavanja i međuprolaza

8 Kriogeni čelici; eng. Cryogenic steels

str. 16 / 17

Minimalna temperatura predgrijavanja i međuprolaza ovisi od: hemijskog sastava osnovnog metala i metala šava; debljina zavara i vrste spoja; procesa zavarivanja i parametara; sadrzaja vodika.

Maksimalna temperatura međuprolaza treba da bude kao što je dato u tablicama na odgovarajući način. U predgrijavanju i temperaturi međuprolaza tablice važe za sučeone spojeve. Ugaoni spojevi ponekad zahtijevaju veće minimalne temperature. Zavarivanje sa strane može zahtijevati dodatne mjere opreza. Da bi se izbjegle hladne pukotine preporučljivo je:

da se drže minimalne temperature date u tabelama tokom cijelog procesa zavarivanja; da se hlađenje vrši polahko; da se razmotri da li da se odmah izvrši termička obrada nakon zavarivanja

str. 17 / 17