ΥΛΙΚΑ 1 L8 2.5 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ

1. Θερμικός Κύκλος και Δομή μιας Συγκόλλησης Η συγκόλληση με τήξη είναι ουσιαστικά μία τοπική διαδικασία χύτευσης. Tα μέρη που θα συγκολληθούν υφίστανται μία τοπική θερμική κατεργασία ανάλογα με την απόσταση τους από το σημείο της τήξης. Έτσι, οι ιδιότητες του προς συγκόλληση υλικού καθώς και η κατάσταση του υλικού στην θερμικά επηρεασμένη ζώνη, ΘΑΖ, θα είναι περισσότερο ή λιγότερο τροποποιημένες (σχήμα 1). (ΘΑΖ=ΗΑΖ= Heat affected zone)

Σχήμα 1. Επιρροή του θερμικού κύκλου μίας συγκόλλησης σε έναν απλό κατασκευαστικό χάλυβα.

Το μέγεθος των αλλαγών στην Θερμικά Επηρεασμένη Ζώνη εξαρτάται από την ποσότητα της θερμότητας που δίνεται από την μέθοδο συγκόλλησης στην περιοχή αυτή. Μέτρο της παροχής θερμότητας στην περιοχή της συγκόλλησης είναι το Heat Input το οποίο ορίζεται στο ΕΝ 1011 ως: Η θερμική παροχή με αυτόν τον τύπο μετριέται σε μονάδες kJ/mm. Ο συντελεστής k μεταβάλλεται μεταξύ 0.6 και 1 ανάλογα με την μέθοδο συγκόλλησης που ακολουθείται, "U" και "I" είναι η τάση και η ένταση του ρεύματος της συγκόλλησης αντίστοιχα ενώ σαν "ν" ορίζεται η ταχύτητα της συγκόλλησης.

Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα ψύξης στην ΘΕΖ και επομένως και την σκληρότητα των φάσεων που δημιουργούνται σε αυτή κατά την συγκόλληση, είναι το πάχος των προς συγκόλληση τεμαχίων και η θερμοκρασία προθέρμανσης. Η θερμικά επηρεασμένη ζώνη περιλαμβάνει εκείνες τις περιοχές που επηρεάζονται από την θερμότητα κατά την διάρκεια της συγκόλλησης. Αυτό σημαίνει ότι το μέγεθος της ΘΕΖ μπορεί να είναι σημαντικά διαφορετικό ανάλογα με την εφαρμογή και τον τύπο των χαλύβων προς συγκόλληση. Π.χ. κατά την συγκόλληση ενός μη κραματωμένου ανθρακούχου χάλυβα, οποιαδήποτε περιοχή με θερμοκρασία κάτω των 700°C μπορεί να θεωρηθεί ότι δεν επηρεάζεται σημαντικά από την συγκόλληση. Αντίθετα κατά την συγκόλληση ενός χάλυβα υψηλής αντοχής που έχει υποστεί σκλήρυνση και επαναφορά στους 315°C κάθε περιοχή που υπερβαίνει αυτή την θερμοκρασία θεωρείται μέρος της ΘΕΖ. Κατά την διάρκεια μίας συγκόλλησης πολλαπλών πάσσων, κάθε καινούριο πάσσο δημιουργεί ένα μηχανισμό ανόπτησης στα προηγούμενα πάσα,σχήμα 2.

Σχήμα 2. Θερμικοί κύκλοι σε μία συγκόλληση πολλαπλών πάσσων

Με αυτό τον τρόπο μία συγκόλληση πολλαπλών πάσσων επιτυγχάνει βέλτιστες μηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες μειώνοντας στο ελάχιστο τα σημεία με υψηλή σκληρότητα που μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα ρωγμάτωσης. Σε περιπτώσεις κρίσιμων εφαρμογών με σοβαρές απαιτήσεις στις μηχανικές και τεχνολογικές ιδιότητες μίας συγκόλλησης και ειδικά κατά την συγκόλληση χαλύβων υψηλής αντοχής που έχουν υποστεί βαφή και επαναφορά, τα λεγόμενα κορδόνια "καθαρισμού" μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επαναφορά των περιοχών της ΘΕΖ που έχουν δημιουργηθεί και δεν έχει καταστεί δυνατό να ανοπτηθούν από κάποιο από τα υπόλοιπα πάσσα της συγκόλλησης. Η τεχνική αυτή ονομάζεται temper bead welding και φαίνεται στο σχήμα 3

Σχήμα 3. Τεχνική temper bead welding για την επαναφορά κρίσιμων περιοχών της ΘΕΖ.

1.1. Μέταλλο της Συγκόλλησης Το μέταλλο της συγκόλλησης τήκεται και μετά από μία πιθανή αλλαγή της σύστασης του από την προσθήκη κραματικών στοιχείων από το υλικό του ηλεκτροδίου και το μέταλλο βάσης στην συνέχεια στερεοποιείται. Η διαδικασία αυτή αποτελεί μία μικρογραφία της χύτευσης των μετάλλων με την διαφορά ότι ο όγκος του στερεοποιούμενου μετάλλου είναι πολύ μικρότερος από τον αντίστοιχο όγκο στα χυτά και ο χρόνος στερεοποίησης πολύ πιο σύντομος. Αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας χύτευσης είναι η στερεοποίηση του μετάλλου της συγκόλλησης με μία δενδριτική δομή της οποίας οι δενδρίτες ακολουθούν τις γραμμές ροής της θερμότητας (heat flow lines) όπως φαίνεται στα σχήματα 4 και 5.

Σχήμα 4. Δενδριτική στερεοποίηση του μετάλλου της συγκόλλησης κατά μήκος των γραμμών ροής της θερμότητας

Σχήμα 5. Δενδριτική στερεοποίηση του μετάλλου της συγκόλλησης κατά μήκος των γραμμών ροής της θερμότητας

Ένα φαινόμενο που επηρεάζει την χημική σύσταση και την τελική μικροδομή του μετάλλου της συγκόλλησης, είναι το φαινόμενο της διαλυτοποίησης (dilution). Με τον όρο διαλυτοποίηση εννοούμε την αλλαγή της σύστασης του μετάλλου προσθήκης της (συγ)κόλλησης, λόγω της ανάμιξης του με το βασικό μέταλλο των προς συγκόλληση τεμαχίων. Το φαινόμενο της διαλυτοποίησης είναι ιδιαίτερα σημαντικό στις περιπτώσεις όπου το μέταλλο προσθήκης που χρησιμοποιείται στην συγκόλληση είναι διαφορετικό από αυτό του μετάλλου βάσης. Η διαλυτοποίηση D ορίζεται ως το βάρος ή ο όγκος του βασικού μετάλλου που έχει λιώσει προς το συνολικό βάρος ή τον όγκο του μετάλλου της (συγ)κόλλησης όπως φαίνεται στο σχήμα 6.

Σχήμα 6. Σχηματική αναπαράσταση του υπολογισμού της διαλυτοποίησης.

D=[Va/(Va+Vb)]x100 Τυπικές τιμές διαλυτοποίησης για διάφορες μεθόδους συγκολλήσεων είναι: SΜΑW (Shielded metal arc welding,MMA) : πάσσο στην ρίζα D = 30%, πάσσα γεμίσματος D = 10% ΤΙG: D = 20 - 40% ΜΙG/ΜΑG: πρώτα πάσσα D = 10 - 40%, πάσσα γεμίσματος D = 5 - 20%.

2. Σκλήρυνση και Προθέρμανση Η γρήγορη ψύξη από την ωστενιτική περιοχή που συμβαίνει κατά την διάρκεια της συγκόλλησης των κατασκευαστικών χαλύβων μπορεί να οδηγήσει στην δημιουργία σκληρών φάσεων, οι οποίες σε συνδυασμό με την ύπαρξη παραμένουσων τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης ενέχουν τον κίνδυνο δημιουργίας ρωγμών. Για αυτό τον λόγο πολλοί μη κραματωμένοι και κραματωμένοι χάλυβες παρουσιάζουν προβλήματα στην συγκολλησιμότητα τους από μία ορισμένη περιεκτικότητα άνθρακα και κραματικών στοιχείων και πάνω. Η πιο αποτελεσματική λύση σε τέτοια προβλήματα συγκολλησιμότητας είναι η μείωση της ταχύτητας ψύξης με την χρήση προθέρμανσης. Η ταχύτητα ψύξης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από την μάζα διάχυσης θερμότητας στην περιοχή της συγκόλλησης. Ένα παχύ έλασμα για παράδειγμα απομακρύνει την εισαγόμενη θερμότητα στην μεταβατική περιοχή τόσο γρήγορα ώστε να μπορεί να αποκτηθεί η κρίσιμή ταχύτητα ψύξης και να σχηματιστεί ο μαρτενσίτης και άλλες σκληρές δομές ακόμα και σε χάλυβες με σχετικά μικρή περιεκτικότητα σε άνθρακα και άλλα κραματικά στοιχεία. Άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα ψύξης είναι επίσης η επιλογή του τύπου του ηλεκτροδίου, η διάμετρος του ηλεκτροδίου και η ταχύτητα της συγκόλλησης.

Σε αυτή τη σκληρή ζώνη εμφανίζονται υψηλές μηχανικές παραμένουσες τάσεις, καθώς το υλικό παρεμποδίζεται να τις μειώσει μέσω πλαστικής παραμόρφωσης. Επιπρόσθετα, και ιδιαίτερα σε διατομές μεγαλύτερου πάχους, δημιουργείται ένα πολυαξονικό σύστημα τάσεων εφελκυσμού που είναι ακόμα πιο αυξημένο από το γεγονός ότι ο όγκος αυξάνεται κατά τη διάρκεια του σχηματισμού του μαρτενσίτη. Αν οι τάσεις φτάσουν τη συνεκτική αντοχή, σχηματίζονται ρωγμές στη μεταβατική περιοχή. Το υδρογόνο είναι ένας επιπλέον παράγοντας που μπορεί να έχει επίδραση στην παραγωγή αυτών των ρωγμών στην ΘΕΖ. Ο πίνακας 1 δείχνει την σχέση μεταξύ της ρωγμάτωσης στην ΘΕΖ, της μέγιστης σκληρότητας και της περιεκτικότητας σε μαρτενσίτη σε μη κραματωμένους και κραματωμένους χάλυβες

Πίνακας 1. Σχέση μεταξύ ρωγμάτωσης στην ΘΕΖ, της μέγιστης σκληρότητας και της περιεκτικότητας σε μαρτενσίτη

C μέχρι 0.50 % Mn μέχρι 1.6 % V μέχρι 0.2 % Προκειμένου να αποφευχθεί η δημιουργία σκληρών φάσεων, μπορεί να γίνει χρήση του ισοδυνάμου άνθρακα και του πίνακα 2 και να επιλεχθεί η κατάλληλη θερμοκρασία προθέρμανσης για την εφαρμογή μας. Το ισοδύναμο άνθρακα για χρήση με τον πίνακα 2 μπορεί να υπολογιστεί από την σχέση: Κ = C + Mo/5 + Cr/5 + Mn/6 + Ni/15 + V/5 + Cu/15 Η παραπάνω εξίσωση είναι κατάλληλη για τον υπολογισμό του ισοδύναμου άνθρακα για χάλυβες που ικανοποιούν τις παρακάτω απαιτήσεις χημικής σύστασης: C μέχρι 0.50 % Mn μέχρι 1.6 % V μέχρι 0.2 % Cr μέχρι 1.00 % Ni μέχρι 3.5 % Mo μέχρι 0.60 % Cu μέχρι 1.0 %

Πίνακας 2. Η θερμοκρασία προθέρμανσης, ανάλογα με την τιμή Κ, το πάχος του ελάσματος και τη διαμέτρου του ηλεκτροδίου

Πίνακας 2 (συνέχεια). Η θερμοκρασία προθέρμανσης, ανάλογα με την τιμή Κ, το πάχος του ελάσματος και τη διαμέτρου του ηλεκτροδίου

Παράδειγμα:Ένα έλασμα πρόκειται να συγκολληθεί χρησιμοποιώντας μετωπική σύνδεση. Το πάχος του ελάσματος είναι 25mm. Οι ακόλουθες τιμές περιεκτικότητας κραματικών στοιχείων έχουν καθοριστεί: C = 0.2 % Mn = 1.2 % Cr = 0.5 % καθορισμός της θερμοκρασίας προθέρμανσης που θα απαιτηθεί όταν χρησιμοποιείται ένα ηλεκτρόδιο με διάμετρο 4mm. Λύση: Το ισοδύναμο άνθρακα υπολογίζεται Κ = 0.2 + Mo/5 + 0.5/5 + 1.2/6 + Ni/15 + V/5 + Cu/15 = 0.5 Για Κ = 0.5, διάμετρο ηλεκτροδίου = 4mm, πάχος ελάσματος = 25mm, η μετωπική συγκόλληση σύμφωνα με τον πίνακα 2 απαιτεί μία προθέρμανση 150°C.

3. ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ Το ΕΝ 1011-2 περιέχει μία σειρά κατευθυντήριων οδηγιών για την συγκόλληση των φερριτικών χαλύβων, και τον υπολογισμό της θερμοκρασίας προθέρμανσης όπου αυτή απαιτείται. Οι κατευθύνσεις της σειράς του ΕΝ 1011 θα καλυφτούν σε επόμενα κεφάλαια όταν εξετάζεται η ικανότητα συγκόλλησης ειδικών κατηγοριών κραμάτων του χάλυβα. Θα αναφέρουμε όμως την μεθοδολογία που χρησιμοποιείται στην κατευθυντήρια οδηγία SEW088 "Guidelines for the Welding of Fine Grained Structural Steels".

Αυτή η κατευθυντήρια οδηγία είναι έγκυρη για: Ομαλοποιημένους ή θερμοδυναμικά ελασμένους λεπτόκοκκους δομικούς χάλυβες σύμφωνα με ΕΝ 10025-3, ΕΝ 10025-4, Χάλυβες επαναφοράς με υψηλό όριο ελαστικότητας σύμφωνα με ΕΝ 10025-1. Πλήρως καθησυχασμένους χάλυβες (τύπος αποξείδωσης FF), π.χ. S355J2 σύμφωνα με ΕΝ 10025-2. Μη κραματωμένους χάλυβες υψηλής θερμοκρασίας με ελάχιστη περιεκτικότητα σε Al 0.020% π.χ. P355GH σύμφωνα με ΕΝ 10028-2 με ελάχιστο σημείο ελαστικότητας ισοδύναμο με ή μεγαλύτερο από 355 355 N/mm². Για χάλυβες με ελάχιστο όριο διαρροής μικρότερο από 355 N/mm² συνίσταται η εφαρμογή αυτών των κατευθυντήριων οδηγιών.

Χρόνος Ψύξης t8/5 Αυτός είναι ο χρόνος που χρειάζεται η θερμοκρασία για να πέσει από τους 800 στους 500°C κατά την διάρκεια μιας συγκόλλησης. Ο χρόνος αυτός ψύξης είναι καθοριστικής σημασίας για τις μηχανικές ιδιότητες μιας συγκόλλησης και επηρεάζεται σημαντικά από το πάχος του δομικού μέρους, το σχήμα της ραφής, την ενέργεια ανά μονάδα μήκους και τη θερμοκρασία προθέρμανσης καθώς και από τη δομή των στρώσεων. Για τους χάλυβες που εξετάζονται εδώ έχει αποδειχθεί ότι τιμές για το χρόνο ψύξης t8/5 μεταξύ 10 και 25 sec δίνουν συγκολλήσεις που καλύπτουν τις απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες. Σε ειδικές περιπτώσεις βέβαια μπορεί να απαιτηθεί η συγκόλληση αυτών των χαλύβων με διαφορετικές τιμές για τον χρόνο t8/5.

Σε γενικές γραμμές οι μέγιστες τιμές σκληρότητας στη θερμοεπηρεαζόμενη ζώνη μειώνονται με ένα αυξανόμενο χρόνο ψύξης t8/5 Αν μία καθορισμένη μέγιστη τιμή σκληρότητας στη θερμοεπηρεαζόμενη ζώνη δεν πρέπει να ξεπεραστεί, οι συνθήκες συγκόλλησης πρέπει να επιλεχθούν με τέτοιο τρόπο ώστε ο χρόνος ψύξης t8/5 να μην πέσει κάτω από μία καθορισμένη τιμή. Από την άλλη πλευρά, η αύξηση τιμών του χρόνου ψύξης t8/5 οδηγούν σε μία μείωση του έργου κρούσης της θερμοεπηρεαζόμενης ζώνης. Αν η καθορισμένη τιμή του έργου κρούσης για ένα συγκεκριμένο χάλυβα δεν πρέπει να πέσει κάτω από μία δοθείσα ελάχιστη τιμή, οι συνθήκες συγκόλλησης πρέπει να επιλεχθούν με τέτοιο τρόπο ώστε μία καθορισμένη τιμή ψύξης t8/5 να μην ξεπερνιέται. Ο χρόνος ψύξης t8/5 που πρόκειται να εφαρμοστεί στο σε κάθε περίπτωση βασίζεται στις συνολικές απαιτήσεις των μηχανικών ιδιοτήτων συμπεριλαμβανομένων των απαιτήσεων στις τιμές αντοχής της συγκόλλησης μετά την τελική θερμική κατεργασία. Ένας συνδυασμός της τάσης του τόξου, της έντασης του ρεύματος συγκολλήσης, της ταχύτητας συγκόλλησης, και της θερμοκρασίας προθέρμανσης κατάλληλη για το χρόνο ψύξης t8/5 θα καθοριστούν λαμβάνοντας υπόψη τις κατασκευαστικές και οικονομικές απαιτήσεις του έργου.

3.1 Καθορισμός του χρόνου ψύξης t8/5 Το παράρτημα 1 στο SEW 088 παρουσιάζει τη σχέση για τον υπολογισμό του χρόνου ψύξης, για μία τρισδιάστατη διάχυση της θερμότητας ψύξης, δηλ. κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης σε παχιά ελάσματα μετάλλων Για την δυσδιάστατη διάχυση της θερμότητας σε λεπτότερα ελάσματα ισχύουν τα ακόλουθα:

όπου: Πίνακας 3. Συντομογραφίες και όροι που χρησιμοποιούνται στις εξισώσεις για τον υπολογισμό του t8/5.

Σε αυτό τον υπολογισμό το πάχος του ελάσματος έχει ιδιαίτερη επιρροή Σε αυτό τον υπολογισμό το πάχος του ελάσματος έχει ιδιαίτερη επιρροή. Με ισοδυναμία των δύο εξισώσεων και λύνοντας ως προς το πάχος του ελάσματος, ένα πάχος μετάβασης du μπορεί να υπολογιστεί, που αντιπροσωπεύει τη μετάβαση από την δυσδιάστατη στην τρισδιάστατη διάχυση θερμότητας. Αν το πάχος του φύλλου είναι d > du, χρησιμοποιείται η σχέση για τον τρισδιάστατο διασκορπισμό θερμότητας, αν d < du εφαρμόζεται η σχέση για το δισδιάστατο διασκορπισμό θερμότητας . Εναλλακτικά, ο χρόνος ψύξης μπορεί να καθοριστεί από τις δύο εξισώσεις. Το μεγαλύτερο από τα δύο αποτελέσματα είναι το σωστό.

Υπολογισμός του Χρόνου Ψύξης με την χρηση διαγραμμάτων Εναλλακτικά σύμφωνα με την οδηγία ο χρόνος ψύξης μπορεί να υπολογιστεί με την χρήση διαγραμμάτων ως εξής: Αρχικά υπολογίζεται η θερμική παροχή σύμφωνα με τον τύπο Q = E∙k όπου =k είναι ο συντελεστής θερμικής απόδοσης (thermal efficiency) που φαίνεται στον πίνακα 4.

Πίνακας 4. Συντελεστής k για τον υπολογισμό του Q

Μετά τον υπολογισμό του Q και προκειμένου να αποσαφηνιστεί το αν οι παρούσες συνθήκες είναι σε δυσδιάστατο ή τρισδιάστατο υπολογισμό θερμότητας γίνεται χρήση του διαγράμματος στο σχήμα 7. Στο σχήμα 7 υπολογίζεται η μετάβαση από το δισδιάστατο στο τρισδιάστατο διασκορπισμό θερμότητας ως μία λειτουργία της εισροής θερμότητας και της θερμοκρασίας προθέρμανσης. Για το γραφικό καθορισμό του διασκορπισμού θερμότητας η εισροή θερμότητας πρέπει να γραφτεί κάτω στη τετμημένη και το μεταβατικό πάχος ελάσματος μπορεί να ληφθεί από την τεταγμένη. Αν το πάχος του υλικού είναι μεγαλύτερο από το υπολογισμένο πάχος τότε ο διασκορπισμός θερμότητας είναι τρισδιάστατος. Π.χ.: εισροή θερμότητας 15 kJ/cm σε 20°C οδηγεί σε μετάβαση του πάχους ελάσματος περίπου 18 mm.

Σχήμα 7. Υπολογισμός του τρόπου διάχυσης της θερμότητας λαμβάνοντας υπόψη το Q, την θερμοκρασία προθέρμανσης και το πάχος του ελάσματος.

Σε δισδιάστατο διασκορπισμό θερμότητας, η εισροή θερμότητας μπορεί να υπολογιστεί από Qtwo-dim. = Q • √F2, ενώ για ένα τρισδιάστατο διασκορπισμό θερμότητας είναι Qτρισδιαστ. = Q • F3 Οι συντελεστές F2 και F3 δίνονται στον πίνακα 5. Ο χρόνος t8/5 υπολογίζεται από το διάγραμμα του σχήματος 8 (για χοντρό έλασμα) κάνοντας χρήση των νέων τιμών Q και της θερμοκρασίας προθέρμανσης.

Πίνακας 5. Επίδραση του τύπου ραφής στο χρόνο ψύξης t8/5

Σχήμα 8. Υπολογισμός του χρόνου ψύξης t8/5 για συνθήκες τρισδιάστατου διασκορπισμού θερμότητας ως μια λειτουργία της εισροής θερμότητας Q και της θερμοκρασίας προθέρμανσης.

3.2 Καθορισμός της Θερμοκρασίας Προθέρμανσης Το SEW 088 δίνει πληροφορίες για τη θερμοκρασία προθέρμανσης που πρέπει να επιλεγεί. Εδώ, συνιστάται η προθέρμανση σε κάθε περίπτωση, αν η θερμοκρασία του συστατικού είναι χαμηλότερη από +5 °C. Σε θερμοκρασίες > +5°0, το οριακό πάχος του τοιχώματος πάνω από το οποίο απαιτείται προθέρμανση σε σχέση με την χημική σύσταση του χάλυβα (ισοδύναμο άνθρακα CΕΤ) δίνεται στον πίνακα 6.

Πίνακας 6. Οριακό πάχος για την πραγματοποίηση προθέρμανσης σύμφωνα με το SEW 088

Αφού διαπιστωθεί η απαίτηση για την πραγματοποίηση προθέρμανσης, η τιμή αυτής δίνεται από πίνακες που περιέχονται στο παράρτημα 1 της οδηγίας όπως ο παρακάτω για χάλυβες πάχους 30 mm (Σχήμα 9. Ελάχιστες τιμές της θερμοκρασίας προθέρμανσης Tp εξαρτώμενες από το ισοδύναμο άνθρακα CΕΤ).