PRAKSA PRACTICE A. Živković WELDOX I HARDOX ČELICI Osobine, preporuke za rezanje i zavarivanje Adresa autora / Author's addres Aleksandar Živković, dipl.ing. EWE, GOŠA Fabrika opreme i mašina, Smederevska Palanka Sve veći zahtevi ekonomičnosti izrade zavarenih čeličnih konstrukcija uslovljavaju primenu savremenih kvalitetnih i specijalnih čelika. Nesumnjivo, takvi čelični proizvodi su i švedske korporacije SSAB Oxelősund AB, sa lepezom čelika komercijalnog naziva Weldox i Hardox čelici. Zahvaljujući velikoj otpornosti na habanje (Hardox), visokoj granici napona tečenja, od 290 do 1100 MPa, i žilavosti i na -60 ºC (Weldox), ovi čelici mogu da zadovolje zahteve projektovanja i ekonomičnosti izrade zavarenih čeličnih konstrukcija u mašinogradnji, građevinarstvu i procesnoj opremi. *izlagano na Međunarodnoj konferenciji "Zavarivanje 2003", Beograd septembra 2003 1.UVOD Standardizovani finozrni konstrukcioni čelici u području pljosnatih proizvoda, u odnosu na osobine i namenu razvrstani su na čelike za noseće čelične konstrukcije (S), za posude pod pritiskom (P) i čelike za gradnju cevovoda (L). Isporučuju se kao normalizirajuće valjani (N) i termomehanički valjani (M) ili poboljšani(q). Osnova za razvoj finozrnih čelika je potpuno umireni konstrukcioni čelik (S355) u normalizovanom stanju koji, osim Al sadrži i elemente Ti, Nb, V, Mo koji grade nitride i karbonitride, kao centre kristalizacije za stvaranje finozrne strukture. Kontrolisanim završetkom valjanja u području normalizirajućeg žarenja i kontrolisanom brzinom hlađenja proizvedeni su čelici normalizirajuće valjanog stanja isporuke, povećanog napona tečenja i žilavosti. Uvođenjem termomehaničkog valjanja, sa modifikacijama temperaturskog područja završetka valjanja i kontrolisanog ubrzanog hlađenja, omogućeno je dalje smanjivanje kristalnog zrna i taložno ojačavanje, čime su dobijeni čelici koji se odlikuju visokim naponom tečenja, dobrom žilavošću i na niskim temperaturama, dobrom otpornošću na naponsku koroziju, ravnomernim osobinama po debljini i dobrom zavarljivošću. Razlikuju se tri grupe finozrnih konstrukcionih čelika: 1. Normalizaciono žareni (mikrolegirani) čelici napona tečenja od 255 do 500 N/mm 2 ; 2. Poboljšani (vodom hlađeni) čelici napona tečenja do 950 N/mm 2 i čelici visoke tvrdoće (400HV, 500HV i 600HV otporni na habanje); 3. Termomehanički valjani čelici napona tečenja od 700 N/mm 2. Za dalje povećanje zateznih osobina termomehanički valjani finozrni čelici, osim prisustva mikrolegirajućih elemenata, sadrže i legirajuće elemente, prevashodno Cr, Mo, V, a stanje isporuke je kaljeno i otpušteno (Q). Weldoks i Hardoks čelici, načinom proizvodnje (sl.1) i osobinama značajnim za dalju obradu (deformacijom, zavarivanjem...) i primenu, obuhvataju kvalitetne čelike, stanja isporuke N, M i Q, za širok dijapazon primene. HARDOX čelični limovi su namenjeni za velika opterećenja na habanje što im omogućava visoka tvdoća, velika čvrstoća i odlična žilavost. Primenjuju se za opremu koja se koristi u rukovanju rudama, i koja je izložena različitim vrstama naprezanja na habanje klizanju i udarnom opterećenju, često kombinovano sa velikom deformacijom. Hardox čelici mogu imati tvrdoću 400 ili 500 HB i podneti sva ova naprezanja, uz pet do deset puta duži radni vek od klasičnih čelika iste namene. WELDOX čelici predstavljaju kvalitetne čelike sa naponom tečenja od 355 MPa do 1100MPa, zateznom čvstoćom od 460MPa do 1500Mpa i imaju garantovanu žilavost i na temperaturama i do 60 C. Ovi čelici, pored niskog sadržaja C, imaju i nizak sadržaj legirajućih elemenata, i prema tome i nizak ekvivalent ugljenika, što omogućava odličnu zavarljivost, bez primene posebnih mera opreza.[1] 2. PROIZVODNJA HARDOX I WELDOX ČELIKA Hardox i Weldox čelici se proizvode livenjem u ingote. Pre valjanja ingoti se zagrevaju na približno 1200 C, a zatim progresivno valjaju do zahtevanog konačnog oblika, tj. ploča ili profila. Za Hardox čelike kontrolisano valjanje završava se u austenitnom području. Temperature zagrevanja slabova obično su niže u poređenju sa uobičajenim valjanjem. Prvi deo valjanja obavlja se u području rekristalizovanog austenita, (iznad 950 o C), gde se rekristalizacija vrši već pri valjanju, dok se austenitno zrno smanjuje redukcijom debljine uloška. Valjanje se zatim nastavlja u području metastabilnog austenita (između A r3 i A r1 ), gde dolazi do hladne deformacije, a austenitna zrna ostaju deformisana. U ovoj fazi ne dolazi do rekristalizacije, ili ne do potpune rekristalizacije. Tokom transformacije svako deformisano austenitno zrno daje mnoge feritne začetke po kristalnim granicama i deformacijskim pojasevima koji nastaju u unutrašnjosti kristalnih zrna. Posle završene transformacije stvara se veliki broj feritnih zrna koji poboljšavaju čvrstoću i žilavost[5]. 23
PRACTICE PRAKSA Kod Weldox čelika, radi efikasnijeg kontrolisanog valjanja legiranje se vrši sa manjim količinama Nb. Ovaj element podiže područje rekristalizovanog austenita ka višim temperaturama, što omogućava izvođenje većih plastičnih deformacija austenita prilikom valjanja. Za različite tipove Weldox čelika pri kontrolisanom valjanju primenjuje se i hlađenje vodom. Pri tom se koriste tri mogućnosti: a) za Weldox 355, 420, 460 - hlađenje vodom do sobne temperature, što daje vrlo dobre osobine zavarljivosti, sa niskim tvrdoćama u ZUT. Ovi čelici su otporni na naponsku koroziju. b) za Weldox 500 - hlađenje vodom ispod A r1, a zatim hlađenje na vazduhu što daje odlične vrednosti žilavosti čelika, uz malo povećanje čvrstoće. Primenjuju se za niske temperature, za posude pod pritiskom, cevovode, brodove. Moguća je primena žarenja za smanjenje napona usled zavarivanja, bez štetnih posledica. c) za Weldox 700-1100, kao i deblji Weldox 460-500, - hlađenje vodom (kod 900 C ) do sobne temperature, a zatim otpuštanje na 580-650 C, što daje dobre vrednosti žilavosti pri niskim temperaturama, a kod debelih limova i visoke čvrstoće. Efekti hlađenja vodom omogućavaju smanjenje legiranosti. Lim, koji treba da bude poboljšan, mora da bude hlađen vazduhom [1]. 3. REZANJE WELDOX I HARDOX LIMOVA Weldox i Hardox limovi se mogu rezati svim poznatim postupcima (tab.1). Kako ovi kvaliteti čelika dobijaju svoja svojstva kroz procese posebne toplotne obrade, u obzir treba da se uzme i količina toplotne energije za rezanje, zavisne od metode rezanja. Zato posebnu pažnju treba obratiti na uticaj primenjene metode na ZUT. Slika 1. Šematski prikaz tipova čelika koji se dobijaju promenom uslova valjanja i hlađenja. Abrazivno rezanje vodenim mlazom je najbolja metoda kada postoji rizik od pojave prslina pri rezanju, i zato se preporučuje za debele limove Hardoks čelika. Ova metoda može da se koristi za rezanje većine materijala. Površina rezanja je vrlo visokog kvaliteta. Rezanje laserom, sa opremom koja je danas dostupna, primenjuje se za limove debljine do 20 mm. Rezanje plazmom može da se koristi za limove debljine do 40 mm. Površina rezanja je dobrog kvaliteta, ali ivice imaju tendenciju skošenja. ZUT je obično širine 5 mm. Gasno rezanje (gorivi gas, zemni gas ili acetilen) se najčešće koristi, i ima široko polje primene. Može da se primeni za limove svih debljina. Rizik od nastanka prslina pri gasnom rezanju se povećava sa debljinom i tvrdoćom lima. Za sprečavanje nastanka prslina preporučivo je primeniti predgrevanje ili smanjenje brzina rezanja. Tabela 1. Primenjeni postupci rezanja i parametri Postupak rezanja Debljina Brzina rezanja Širina reza Tolerancija Širina ZUT (mm) (mm/min) (mm) (mm) (mm) Abrazivno vodenim mlazom 4-150 8-150 1-3 ±0,2 0 laserom 4-20 600-2200 <1 ±0,2 0,4-3 plazmom 4-40 1200-6000 2-4 ±1,0 2-5 gasno 4-150 150-700 4-10 ±2,0 4-10 Širina zone predgrevanja je najmanje 100 mm sa svake strane planiranog reza, pre početka, i održavanje preporučene temperature predgrevanja do završetka rezanja (tab.2.). Rizik od nastanka prslina usled rezanja se smanjuje regulisanim hlađenjem, za šta je pogodna upotreba elektrootpornog grejanja. Takođe, predgrevanje može da se vrši pomoću gasnog plamena za rezanje [1,3]. Vreme predgrevanja treba da bude minimim 5 minuta po mm debljine lima, ali ne manje od jednog časa. Smanjenje brzine rezanja (20%), takođe potpomaže predgrevanju zone reza i smanjuje rizik od nastanka prslina. Temperatura predgrevanja se proverava merenjem sa suprotne strane lima. 24
PRAKSA PRACTICE Tabela 2. Preporučene temperature predgrevanja kod gasnog rezanja Radni materijal Debljina (mm) Temperatura ( C ) Hardox 400 30 50 75 100 Hardox 400 51 80 100 150 Hardox 400 81 130 150 200 Hardox 500 10 40 70 100 Hardox 500 41 80 100 150 Rezanje pod vodom može da se primeni i kod postupaka plazmom i gasnog rezanja. U oba slučaja, širina ZUT se smanjuje. Voda deluje kao rashladno sredstvo i obezbeđuje ujednačeniju temperaturu lima, što smanjuje kretanje lima po stolu za rezanje. 4. ZAVARIVANJE WELDOX I HARDOX ČELIKA Hardox i Weldox čelici, s obzirom na klasu čvrstoće, imaju relativno male vrednosti ekvivalenta ugljenika. Uobičajene vrednosti date su u tabeli 3. (S355 u tabeli je dat radi poređenja). Tabela 3. Vrednosti CEV Weldox i Hardox čelika Oznaka čelika Debljina (mm) CEV (IIW) S355 5-100 0,39 0,43 Weldox355 8-25 0,34 0,37 Weldox420 6-80 0,37 0,39 Weldox460 6-80 0,37 0,42 Weldox500 8-80 0,37 0,42 Weldox700 4 130 0,39 0,64 Weldox900 4-80 0,56 Weldox960 4-50 0,56 0,64 Weldox1100 5-40 0,68 0,72 Hardox400 4 130 0,36 0,70 Hardox450 4-80 0,41 0,62 Hardox500 5-80 0,58 0,68 Za zavarivanje ovih materijala mogu se koristiti svi konvencionalni elektrolučni postupci zavarivanja uz primenu standardnih dodatnih materijala, uzimajući u obzir sve faktore koji utiču na mehaničke karakteristike zavarenog spoja: kvalitet materijala, vrsta dodatnog materijala, temperatura predgrevanja, energija zavarivanja i međuslojna temperatura. Takođe, na ovim materijalima je moguće i zavarivanje bolcni [1,4]. Kod zavarivanja Hardox čelika potrebno je očuvati tvrdoću i žilavost u ZUT. Kod zavarivanja WELDOX čelika potrebno je obezbediti prihvatljivu tvrdoću i žilavost u ZUT, u odnosu na osobine osnovnog materijala. Kod svih kvaliteta, za smanjenje rizika od hladnih prslina potrebno je preduzimanje mera za sprečavanje unosa vodonika u zonu zavarivanja. Smanjenje rizika od hladnih prslina Kod zavarivanja ovih čelika važno je minimalizovati rizike od nastajanja hladnih prslina. Pojava vodonika uz prisustvo napona u zavarenom spoju predstavlja glavni razlog za nastajanje hladnih prslina. Rizik od nastanka hladnih prslina može da se minimalizuje uz pomoć: - predgrevanja pre zavarivanja; - primenom bazičnog niskovodoničnog dodatnog materijala, odnosno praška (EPP zavarivanje). - minimalizovanja napona od skupljanja, dobrim podešavanjem između radnih komada i dobro isplaniranim redosledom zavarivanja. Temperatura predgrevanja zavisi od količine unete toplote pri zavarivanju, veličine ekvivalenta ugljenika (hemijski sastav) i odvođenja toplote preko osnovnog materijala (debljina i pravci odvođenja toplote). Način odvođenja toplote preko debljine i mesto merenja temperature prikazan je na slici 2. Preporučene temperature predgrevanja i međuslojne temperature za Weldox i Hardox čelike, pri određenoj količini unete toplote pri zavarivanju date su na slici 3. S obzirom na niski ekvivalent ugljenika, kod manjih debljina zavarivanje se može izvesti i bez predgrevanja. Granična debljina kada se ne primenjuje predgrevanje zavisi od napona tečenja osnovnog materijala. Slika 2. Debljine elemenata spoja i odvođenje toplote; mesto merenja temperature Posebnu pažnju treba obratiti na predgrevanje kod zavarivanja pripoja (heftova) i kod zavarivanja korenog zavara. Ako je vlažnost okoline veća i/ili je temperatura ispod +5 C, vrednost prikazana u tabelama se povećava za 25
PRACTICE PRAKSA 25 C. U skladu sa tim, temperatura treba da se poveća i ako je radni komad koji se zavaruje kruto uklješten. Naknadno zagrevanje zavarenog spoja odmah nakon zavarivanja, takođe omogućava lakše oslobađanje vodonika iz zavarenog spoja. Temperatura za naknadno zagrevanje treba da bude ista kao temperatura za predgrevanje. Vreme zadržavanja treba da bude najmanje 5 min. po mm debljine lima, ali ne manje od jednog časa.[6] Slika 3. Preporučene temperature predgrevanja i međuslojne temperature kod zavarivanja Hardox i Weldox čelika kod energije zavarivanja od 1,7kJ/mm i sadržaja vodonika < 5ml /100g metala šava. Termička obrada nakon zavarivanja (PWHT) se vrši da bi se smanjili zaostali naponi nakon zavarivanja. Čelici visokog napona tečenja skloni su pojavi prslina usled naknadne termičke obrade posle zavarivanja, posebno u prisustvu agresivnog medija. Weldox čelici treba da se termički tretiraju nakon zavarivanja samo ako je to zahtevano projektom, vodeći računa o visini temperature i vremenu žarenja, da se ne bi narušilo polazno strukturno stanje osnovnog materijala. Hardox čelici i Weldox 1100 ne smeju da se podvrgavaju naknadnoj termičkoj obradi PWHT. Kontrolisan unos toplotne energije pri zavarivanju Pri zavarivanju Hardox ili Weldox čelika potrebno je voditi računa o ograničenom unosu toplotne energije, kao najvažnijeg faktora za kontrolisano hlađenje ZUT, za očuvanje strukturnog stanja i osobina postignutih kontrolisanim valjanjem i hlađenjem (koncept t 8/5 ). U tom smislu date su preporuke (sl.4) za količinu unete toplote, zavisno od kvaliteta materijala i ukupne debljine, a za postizanje zadovoljavajuće kombinacije žilavosti i čvrstoće (Weldox čelika), ili i očuvanje tvrdoće (Hardox čelika) u ZUT. Za izračunavanje količine unete toplotne korišćena je formula: U I 60 Q = η gde je: V 1000 Q - energija zavarivanja (kj/mm); U - napon luka (V); I - struja zavarivanja(a); V - brzina zavarivanja (mm/min); ŋ - koeficijent korisnog dejstva luka (tab. 4.). Tabela 4. Koeficijenat iskorišćenja toplote kod različitih postupaka zavarivanja Postupak zavarivanja Koeficijenat iskorišćenja toplote ( η) E (111) 0,8 MIG/MAG (135/136) 0,8-0,9 MAG punjenom žicom 0,9 EPP (121) 1,0 TIG (141) 0,7 Ilustracija tvrdoće po preseku zavarenog spoja pri variranju unete toplote zavarivanja, pri ostalim istim uslovima za čelik Hardox 400 prikazana je na slici 5. 26
PRAKSA PRACTICE [mm] [mm] Slika 4. Preporučene maksimalne količine unete toplote, zavisno od kvaliteta materijala i ukupne debljine Slika 5. Tvrdoća po preseku zavarenog spoja pri variranju unete toplote zavarivanja, pri ostalim istim uslovima 27
PRACTICE PRAKSA Izbor dodatnog materijala za zavarivanje Izbor dodatnog materijala za zavarivanje je u skladu sa mehaničkim svojstvima osnovnog materijala. Kod primene ručnog elektrolučnog zavarivanja obloženim elektrodama (E postupak), preporuke su da se koriste niskovodonične bazične elektrode koje imaju sadržaj vodonika 5ml/100g metala šava. U principu, kada se izbor dodatnog materijala bazira na vrednostima zatezne čvrstoće osnovnog materijala moguća su tri pristupa: 1. da metal šava ima manju zateznu čvrstoću od osnovnog materijala; 2. da metal šava ima zateznu čvrstoću u granicama osnovnog materijala; 3. da metal šava ima veću zateznu čvrstoću od osnovnog materijala. Kod zavarivanja Weldox 700 do Weldox 1100, preporučljivo je da se vrši kombinovanje, na primer za korene zavare primenjivati dodatne materijale čistog metala šava veće žilavosti, a za zavare popune dodatne materijale čistog metala šava veće čvrstoće. Kod čelika čvrstoće na zatezanje veće od 500 N/mm 2 primenom dodatnog materijala manje čvrstoće postiže se veća sposobnost deformabilnosti metala šava, te smanjenje osetljivosti na hladne prsline. Za ugaone šavove je uvek preporučljivo da se odabere materijal za zavarivanje koji ima manju zateznu čvrstoću od osnovnog materijala. Kod zavarivanja Hardox čelike treba koristiti dodatne materijale koji imaju povećanu žilavost, tj. zateznu čvrstoću ispod 500N/mm 2. Ako je šav izložen intenzivnijem habanju, za završni sloj popune mogu da se koriste elektrode za tvrdo navarivanje. Hardox čelici mogu da se zavaruju sa austenitnim dodatnim materijalima u sledećim slučajevima: - ako je radni komad kruto uklješten; - ako se ne može primeniti predgrevanje; - ako je debljina lima veća od 60mm. Dodatni materijal treba da se skladišti i pre upotrebe suši, u skladu sa preporukama proizvođača. Načelno, dodatni materijal se skladišti na +20 ºC uz maksimalnu relativnu vlažnost vazduha od 40%. Ako se skladištenje vrši u nekontrolisanim uslovima, obavezno se primenjuje sušenje na 350 ºC u trajanju od 2h, uz održavanje temperature od 150 ºC. Izuzeta elektroda se drži u tobolcima na 70 ºC najduže 8h, a nakon isteka tog vremena vraća se na ponovno sušenje.[1,6] Zavarivanje lima sa osnovnim premazom boje Pre isporuke, Hardox i Weldox limovi se peskiraju do osnovnog kvaliteta SA 2,5 (ISO 8501-1), i zaštićuju cinksilikatnim prajmerom sa malim sadržajem cinka. Zavarivanje lima premazanog sa antikorozivnom osnovnom bojom može da dovede do pojave poroznosti. Poroznost se minimalizuje odabirom tipa i debljine osnovnog premaza boje, i primenom odgovarajućih parametara za zavarivanje. U tom slučaju zavarivanje se izvodi bez ograničenja koje propisuju relevantni standardi, i bez potrebe za uklanjanjem osnovnog premaza. Ako je lim premazan antikorozivnom bojom sa PVB (polivinil butiralom) ili epoksi osnovnim premazom, boja treba da se ukloni pre zavarivanja. Zavarivanjem preko zaštitnog premaza u zaštiti Ar luk je stabilan, ali je visoka poroznost metala šava. Zavarivanjem u zaštiti CO 2 poroznost u metalu šava je mala, ali luk nije stabilan i dolazi znatnog rasprskavanja dodatnog materijala, a time i do začepljenja mlaznice. Zavarivanje u zaštiti Ar/CO 2 predstavlja kompromis. Postupak Punjenom žicom MAG E topitelj zaštitni gas nagib elektrode pozicija zavarivanja pravac zavarivanja bazična 75%Ar / 25%CO 2 75 1F, PA u levo - 75%Ar / 25%CO 2 75 1F, PA u levo bazična - 60-90 1F, PA u desno Slika 6. Preporuke za zavarivanje limova zaštićenih premazom sa malim sadržajem cink silikata Na slici 6. date su preporuke za zavarivanje Hardox i Weldox čelika zaštićenih premazom sa malim sadržajem cinksilikata. LITERATURA [1] Helin information, 2002.god, Handbook on Welding of Hardox and Weldox steel, Osterbergs&Sörmalandstryck;Sweden [2] M.P.Braun, 1982, Mikrolegirovanie Stali, Naumkova Dumka, Kiev. [3] Hrivnjak I., 1982, Zavarljivost čelika, Gradjevinska knjiga Beograd. Kod zavarivanja i brušenja lima sa osnovnim premazom potrebno je da radni prostor ima dobru ventilaciju. [4] A.Radović,N.Bajić,V.Grabulov, 1996, Specifičnosti metala šava zavarenih spojeva finozrnih mikrolegiranih čelika,medjunarodno savetovanje Zavarivanje 96 Zavarivanje u energetici, Beograd. [5] Dave Smith,1986,Welding and technology,mc Graw-Hill International Editions [6] G.M.Evans,1993, The Effect of microalloying elements in C-Mn steel weld metal, IIW II A-1211-93. 28