ΥΛΙΚΑ 1 L11 2.10 ΛΕΠΤΟΚΟΚΚΟΙ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΙΜΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ Δρ. Στέργιος Μαρόπουλος Καθηγητής

Οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες –fine grain weldable steels – (High Strength Low Alloy Steels –HSLA ή microalloyed) --είναι σχεδιασμένοι ώστε να προσφέρουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες από τους συμβατικούς κατασκευαστικούς χάλυβες χωρίς σημαντική αύξηση της περιεκτικότητας τους σε κραματικά στοιχεία, --είναι κατασκευασμένοι ώστε να χαρακτηρίζονται κυρίως από συγκεκριμένες μηχανικές ιδιότητες αντί από την χημική τους σύσταση. Σύμφωνα με τα ευρωπαϊκά πρότυπα κατασκευής τους οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες ξεκινάνε από όρια διαρροής μεγαλύτερα των 275 ΜΡa. Οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες είναι κατά κύριο λόγο σχεδιασμένοι για τη χρήση σε συγκολλητά μέρη που υπόκεινται σε υψηλά φορτία όπως γέφυρες, αντιπλημμυρικά θυροφράγματα, δεξαμενές αποθήκευσης, δεξαμενές νερού, κινητοί γερανοί κλπ. σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Στην Ευρώπη αυτοί οι χάλυβες παρασκευάζονται κυρίως σύμφωνα με τα παρακάτω πρότυπα ΕΝ 10025-3 "Hot rolled products of structural steels. Part 3: Technical delivery conditions for normalized/normalized rolled weldable fine grain structural steels" EN 10025-,4 "Hot rolled products of structural steels. Part 4: Technical delivery conditions for thermomechanical rolled weldable fine grain structural steels" EN 10028-3 "Flat products made of steels for pressure purposes. Part 3: Weldable fine grain steels, normalized" ΕΝ 10028-5 "Flat products made of steels for pressure purposes. Part 5: Weldable fine grain steels, thermomechanically rolled"

ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ Ονομασία (i.e. S 355NL) Πρώτο γράμμα “S", “P" or “L": “structural”, “pressure vessel” ή “piping” steel τρία νούμερα XXX: ελάχιστο εγγυημένο όριο διαρροής σε N/mm2 δεύτερο γράμμα "Μ“ ή "Ν“ : κατάσταση παράδοσης thermomechanically treated ή normalized τρίτο γράμμα: “L”, “L1”, “L2”, “H”: όπου: L έχει εφαρμογή στους κατασκευαστικούς χάλυβες και καθορίζει την ελάχιστη απαίτηση της ενέργειας σε κρούση σε θερμοκρασίες όχι χαμηλότερες των -50°C L1 έχει εφαρμογή στους χάλυβες για εφαρμογές εξοπλισμού υπό πίεση και καθορίζει την ποιότητα χαλύβων με εγγυημένες μέχρι τους -40°C L2 έχει εφαρμογή στους χάλυβες για εφαρμογές εξοπλισμού υπό πίεση και καθορίζει την ποιότητα χαλύβων με εγγυημένες μέχρι τους -50°C Η έχει εφαρμογή στους χάλυβες για εφαρμογές εξοπλισμού υπό πίεση και καθορίζει την ποιότητα χαλύβων με ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες

Οι πίνακες 1-16 δείχνουν τις απαιτήσεις χημικής σύστασης και μηχανικών ιδιοτήτων των λεπτόκοκκων συγκολλήσιμων χαλύβων που αναφέρονται στο ΕΝ 10025-3, 4 και ΕΝ 10028­3

Πίνακας 1. Χημική ανάλυση (προϊόντος) για τους χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10025-3

Πίνακας 2. Μέγιστο CEV για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο EN 10025-3.

Πίνακας 3. Μηχανικές ιδιότητες για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10025-3.

Πίνακας4. Μηχανικές ιδιότητες κρούσης στην επιμήκη διεύθυνση για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10025-3

Πίνακας 5.Χημική ανάλυση (προϊόντος) για τους χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10025-4

Πίνακας 6. Μέγιστο CEV για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης που περιέχονται στο ΕΝ 10025-4 (thermomechanically rolled)

Πίνακας 7.Μηχανικές ιδιότητες για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης

Πίνακας 8.Μηχανικές ιδιότητες κρούσης στην επιμήκη διεύθυνση για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης (thermomechanically rolled) που περιέχονται στο ΕΝ 10025-4

Πίνακας 9.Χημική ανάλυση (χύτευσης) για τους χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10028-3

Πίνακας 10. Μέγιστο CEV για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο EN 10028-3

Πίνακας 11 . Μηχανικές ιδιότητες για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10028-3.

Πίνακας 12.Μηχανικές ιδιότητες κρούσης για τους εξομαλυμένους (normalized) χάλυβες που περιέχονται στο EN 10028-3.

Πίνακας 13.Χημική ανάλυση (χύτευσης) για τους χάλυβες που περιέχονται στο ΕΝ 10028-5

Πίνακας 14.ΜέγιστοCEV για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης (thermomechanically rolled) που περιέχονται στο ΕΝ 10028-5

Πίνακας 15. Μηχανικές ιδιότητες για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης (thermomechanically rolled) που περιέχονται στο ΕΝ 10028-5

Πίνακας 16.Μηχανικές ιδιότητες κρούσης για τους χάλυβες θερμομηχανικής έλασης (thermomechanically rolled) που περιέχονται στο ΕΝ 10028-5

ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΛΕΠΤΟΚΚΟΚΩΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΙΜΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ Οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Σε αυτούς που επιτυγχάνουν τις ιδιότητες τους μέσω μίας διαδικασίας έλασης εξομάλυνσης (normalising rolling) και σε αυτούς που επιτυγχάνουν τις μηχανικές τους ιδιότητες μέσω μιας διαδικασίας θερμομηχανικής (thermomechanical rolling). Κατά την έλαση εξομάλυνσης η τελική παραμόρφωση πραγματοποιείται σε ένα ορισμένο εύρος θερμοκρασίας οδηγώντας σε μία κατάσταση υλικού ισοδύναμη με αυτή που έχει αποκτηθεί μετά την εξομάλυνση. Ο συμβολισμός για αυτό το στάδιο επεξεργασίας είναι Ν. Αντίθετα κατά την διαδικασία της θερμομηχανικής έλασης το τελικό στάδιο της έλασης γίνεται σε σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες (συνήθως κάτω από 900°C) με αποτέλεσμα να αποφεύγεται η ανακρυστάλλωση των κόκκων του ωστενίτη και σε συνδυασμό με την δράση των νιτριδίων που αναφέρθηκε παραπάνω να επιτυγχάνεται ένα πολύ μικρό μέγεθος κόκκου

Tα κύρια χαρακτηριστικά της θερμομηχανικής έλασης είναι Οι θερμοκρασίες των διαφόρων σταδίων της έλασης κρατούνται χαμηλές, με αποτέλεσμα, σε συνδυασμό με την δράση των μη διαλυτών νιτριδίων, να αποφεύγεται η μη επιθυμητή διαπλάτυνση του κόκκου του ωστενίτη. Τα αρχικά στάδια της έλασης πραγματοποιούνται αρκετά πάνω από τους 900°C, με αποτέλεσμα να πραγματοποιείται ανακρυστάλλωση για το σχηματισμό μιας πιο λεπτόκοκκης ωστενιτικής δομής. Η χαμηλή θερμοκρασία του τελικού σταδίου της έλασης εμποδίζει την ανακρυστάλλωση των κόκκων του ωστενίτη Η καταστολή της ανακρυστάλλωσης υποστηρίζεται και από την κατακρήμνιση ενδομεταλλικών ενώσεων του νιόβιου το οποίο υπάρχει στην βέλτιστη περιεκρικότητα του 0.04% σε όλους τους χάλυβες που έχουν υποστεί θερμομηχανική έλαση.

Σχήμα Ι. Θερμομηχανική έλαση συγκρινόμενη με την ομαλοποιημένη έλαση.

Οι χάλυβες που προορίζονται για θερμοδυναμική έλαση έχουν σημαντικά μειωμένο ποσοστό άνθρακα σε σχέση με αυτούς που προορίζονται για έλαση εξομάλυνσης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η δομή τους να παρουσιάζει πολύ μικρό ποσοστό περλίτη και να αποτελείται κυρίως από μια φερριτική δομή με πολύ μικρό μέγεθος κόκκου που έχει διάσπαρτα καρβίδια και άλλες ενδομεταλλικές ενώσεις. Το μικρό μέγεθος κόκκου και η σκλήρυνση λόγω κατακρήμνισης που προσφέρουν οι ενδομεταλλικές ενώσεις υποκαθιστούν την αντοχή που χάνει ο χάλυβας λόγω του μικρού ποσοστού περλίτη, ενώ παράλληλα η έλλειψη του περλίτη βελτιώνει την ολκιμότητα και την αντοχή σε κρούση του υλικού και μειώνει επίσης σημαντικά τα προβλήματα ρηγμάτωσης που μπορεί να παρουσιαστούν κατά την συγκόλληση. Ο πίνακας 17 δείχνει τις τυπικές χημικές συστάσεις χαλύβων που χρησιμοποιούνται σε θερμομηχανική έλαση.

Πίνακας 17. Τυπικές χημικές συστάσεις χαλύβων που χρησιμοποιούνται για θερμομηχανική έλαση.

ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣΤΩΝ ΛΕΠΤΟΚΚΟΚΩΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΙΜΩΝ ΧΑΛΥΒΩΝ Οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες, δεν περιέχουν σημαντικές ποσότητες κραματικών στοιχείων και ως εκ τούτου η ευαισθησία τους στην θερμή και την ψυχρή ρηγμάτωση είναι παρόμοια με αυτή των μη κραματωμένων χαλύβων. Όλοι οι χάλυβες θερμομηχανικής έλασης με μειωμένη περιεκτικότητα περλίτη έχουν πολύ καλή συγκολλησιμότητα. Η πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα μειώνει τη αύξηση της σκληρότητας στη θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη μιας συγκόλλησης ακόμα και σε χαμηλές θερμικές παροχές. Συνεπώς, ο κίνδυνος μιας ρηγμάτωσης στην ΘΕΖ που συνδέεται με αυτό το πρόβλημα είναι επίσης πολύ χαμηλός. Εξαιτίας του γεγονότος ότι η διάχυση του υδρογόνου στον φερρίτη είναι πολύ πιο γρήγορη από ότι σε σκληρές φάσεις όπως ο μαρτενσίτης, το υδρογόνο που ενισχύει την ψυχρή ρηγμάτωση, μπορεί να διαχυθεί τόσο γρήγορα που ηλεκτρόδια με επικάλυψη κυτταρίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συγκόλληση. Συγκολλημένοι με τέτοιο τρόπο, αυτοί οι χάλυβες έχουν αποδειχθεί κατάλληλοι σε μεγάλης κλίμακα κατασκευή δικτύων αγωγών μεταφοράς φυσικού αερίου και άλλων καυσίμων.

Το σχήμα 2 δείχνει μία σύγκριση της ευαισθησίας στην αύξηση της σκληρότητας και της τάσης σε ψυχρή ρηγμάτωση στην ΘΕΖ ενός χάλυβα S355J2G3 και ενός χάλυβα χαμηλού περλίτη.

Με δεδομένο ότι οι μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων που έχουν υποστεί θερμομηχανική έλαση οφείλονται στο μικρό μέγεθος των κόκκων, γίνεται φανερό ότι οποιαδήποτε θερμική παροχή κατά την συγκόλληση που θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεγέθυνση των κόκκων του υλικού μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων. Αυτό ουσιαστικά είναι και το σημαντικότερο πρόβλημα κατά την συγκόλληση των λεπτόκοκκων συγκολλήσιμων χαλύβων.

Αλλαγές της Μικροδομής στην Θερμικά Επηρεασμένη Ζώνη Γενικά καμία συγκόλληση δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς την δημιουργία μίας θερμικής διαβάθμισης στο μητρικό μέταλλο. Η διάχυση της θερμότητας στο μητρικό μέταλλο, επηρεάζεται σημαντικά από την θερμοκρασία του λουτρού της συγκόλλησης και την ταχύτητα της συγκόλλησης. Τα σημεία της ΘΕΖ που βρίσκονται ακριβώς έξω από την γραμμή τήξης μιας συγκόλλησης θερμαίνονται πολύ γρήγορα σε μία θερμοκρασία κοντά σε αυτή του σημείου τήξης και στην συνέχεια ψύχονται γρήγορα. Η δομή του υλικού σε αυτή την περιοχή γίνεται ωστενιτική και κατά την ψύξη μπορεί να περιέχει σκληρές μαρτενσιτικές δομές ενώ παράλληλα η θέρμανση σε τόσο υψηλή θερμοκρασία οδηγεί και σε αύξηση του μεγέθους του κόκκου.

Αντίθετα οι περιοχές της ΘΕΖ που θερμαίνονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, κοντά στην θερμοκρασία εξομάλυνσης χαρακτηρίζονται από σμίκρυνση του μεγέθους του κόκκου. Σε ακόμα μεγαλύτερες αποστάσεις δεν υπάρχει καμία μεταβολή στην αρχική δομή του υλικού. Αν και αυτές οι αλλαγές στην ΘΕΖ έχουν μελετηθεί εκτεταμένα για τους ανθρακούχους χάλυβες η παρουσία των μικροκραματικών στοιχείων κάνουν πιο περίπλοκους τους μηχανισμούς που δρουν στην δομή των λεπτόκοκκων χαλύβων και δημιουργούν διαφορετικά θέματα.

Στις περιοχές κοντά στην γραμμή τήξης (>1100°C) οι ενδομεταλλικές ενώσεις (ειδικά αυτές που σχηματίζονται από το Νb και το V) διαλυτοποιούνται στην φάση του ωστενίτη και κατακρημνίζονται ξανά μετά την ψύξη. Αυτός ο μηχανισμός οδηγεί σε σημαντική αύξηση του κόκκου και οδηγεί σε απώλεια μηχανικών ιδιοτήτων και ιδιαίτερα σε μείωση των ιδιοτήτων κρούσης οι οποίες οφείλονται στο μικρό μέγεθος του κόκκου αυτών των υλικών. Η μόνη ενδομεταλλική ένωση που δεν διαλυτοποιείται σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες είναι τα ΤiΝ και ως εκτούτου είναι τα μόνα που είναι διαθέσιμα για να εμποδίσουν την ανάπτυξη των κόκκων. H παρουσία Τi σε περιεκτικότητα τουλάχιστον 0.04% είναι απαραίτητη για την συγκολλησιμότητα αυτών των χαλύβων. Σε λίγο χαμηλότερες θερμοκρασίες, γύρω στους 1000°C, η ενοποίηση και μεγέθυνση των υπαρχόντων ενδομεταλλικών ενώσεων οδηγεί επίσης στην μείωση των ιδιοτήτων κρούσης της ΘΕΖ.

Τα προβλήματα που περιγράφονται παραπάνω είναι πολύ πιο έντονα σε ψηλές τιμές θερμικής παροχής και για αυτό τον λόγο η εφαρμογή αυτόματων μεθόδων υψηλής θερμικής παροχής όπως η μέθοδος βυθισμένου τόξου και electroslag welding δεν προτείνονται για χρήση στις συγκολλήσεις των λεπτόκοκκων χαλύβων. Σε γενικές γραμμές οι μέθοδοι συγκόλλησης με μία θερμική παροχή πάνω από 4kJ/mm θεωρούνται ότι μειώνουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες στην ΘΕΖ των λεπτόκοκκων χαλύβων και ως εκ τούτου πρέπει να αποφεύγονται.

Σχήμα 3. Αλλαγές της μικροδομής στην ΘΕΖ ενός λεπτόκοκκου χάλυβα

Θερμή Ρηγμάτωση (solidification cracking) Οι λεπτόκοκκοι συγκολήσιμοι χάλυβες έχουν την ίδια ευαισθησία στην θερμή ρηγμάτωση όσο και οι μη κραματωμένοι κατασκευαστικοί χάλυβες. Η παρουσία των μικροκραματικών στοιχείων δεν παίζει κάποιο ρόλο στον μηχανισμό της θερμής ρηγμάτωσης στο μέταλλο της της συγκόλλησης Oι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες έχουν γενικά μικρότερες ποσότητες ανεπιθύμητων μετάλλων όπως το θείο άρα ο κύριος λόγος για την εμφάνιση θερμής ρηγμάτωσης στο μέταλλο της συγκόλλησης σε αυτούς τους χάλυβες, είναι παρουσία υψηλών τάσεων και η χρήση ακατάλληλων παραμέτρων συγκόλλησης.

Ειδικά για τους λεπτόκοκκους συγκολλήσιμους χάλυβες η μικροδομή του μετάλλου της συγκόλλησης και ακολούθως οι μηχανικές ιδιότητες εξαρτώνται από τα εγκλείσματα που βρίσκονται στο μέταλλο της συγκόλλησης. Έρευνες έχουν δείξει ότι προκειμένου τα εγκλείσματα στο μέταλλο της συγκόλλησης να έχουν το απαιτούμενο μέγεθος και κατανομή ώστε να σχηματιστεί η επιθυμητή μικροδομή βελονοειδούς φερρίτη (acicular ferrite) ο λόγος του Mn/Si και το περιεχόμενο του ΑΙ πρέπει να ελέγχονται με ακρίβεια ώστε να επιτυγχάνονται οι απαιτούμενες αποξειδώσεις.

Εκτός από το θέμα με την μικροδομή του μετάλλου της συγκόλλησης και τις μηχανικές ιδιότητες αυτού η μείωση του ρίσκου για θερμή ρηγμάτωση εξαρτάται από παράγοντες παρόμοιους με αυτούς που ισχύουν για τους μη κραματωμένους χάλυβες όπως ο σωστός σχεδιασμός των συγκολλητών συνδέσεων ώστε να κρατιέται η ακαμψία στο ελάχιστο, απόθεση των κορδονιών της συγκόλλησης με σωστό λόγο πλάτους προς βάθος και χρήση μετάλλου πλήρωσης με το μικρότερο δυνατό θερμοκρασιακό εύρος στερεοποίησης.

Ψυχρή Ρηγμάτωση Υδρογόνου Αυτού του είδους οι ρηγματώσεις συμβαίνουν σε χαμηλές θερμοκρασίες και μπορεί να επηρεάσουν είτε την ΘΕΖ είτε το μέταλλο της συγκόλλησης. Οι ρωγμές αυτές εμφανίζονται ώρες ή ακόμα και μέρες μετά την ολοκλήρωση της συγκόλλησης και σε συνδυασμό με το γεγονός ότι πολλές φόρες η μορφολογία τους κάνει δύσκολο τον εντοπισμό τους είναι ένα πολύ σημαντικό πρόβλημα για την ακεραιότητα μιας συγκολλητής κατασκευής. Η δημιουργία ρωγμών υδρογόνου είναι αποτέλεσμα της ύπαρξης : διαλυτοποιημένου ατομικού υδρογόνου σε επαρκή συγκέντρωση σκληρών φάσεων στην μικροδομή του υλικού τάσεων στη περιοχή της συγκόλλησης. Αυτοί οι παράγοντες πρέπει να είναι παρόντες ταυτόχρονα αλλά η επιρροή τους είναι αθροιστική, δηλαδή η παρουσία μιας δομής με πολύ μεγάλη σκληρότητα και μία μικρή συγκέντρωση υδρογόνου μπορεί να έχουν τον ίδιο κίνδυνο ρηγμάτωσης υδρογόνου με μία λιγότερο σκληρή δομή με μεγαλύτερη συγκέντρωση υδρογόνου.

Σχήμα 4. Παράμετροι που επηρεάζουν την τάση για δημιουργία ψυχρών ρωγμών υδρογόνου

Οι λεπτόκοκκοι συγκολλήσιμοι χάλυβες αν και πολλές φορές έχουν πολύ μικρές τιμές ισοδυνάμου άνθρακα, και σαν αποτέλεσμα όχι μεγάλη τάση στην δημιουργία σκληρών φάσεων, έχουν πολύ περισσότερα σημεία στην μικροδομή τους στα οποία το ατομικό υδρογόνο το οποίο διαλυτοποιείται κατά την διάρκεια της συγκόλλησης μπορεί να επανενωθεί σχηματίζοντας θερμοδυναμικά σταθερά μόρια του αερίου. Τα σημεία αυτά περιλαμβάνουν όρια κόκκων και κατακρημνίσεις (καρβίδια, νιτρίδια, καρβονιτρίδια) και σαν αποτέλεσμα οι χάλυβες αυτοί μπορούν να παρουσιάσουν ψυχρές ρηγματώσεις υδρογόνου από το εσωτερικό τους.

Ένας από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους προκειμένου να εμποδιστεί η εμφάνιση αυτών των ρωγμών είναι να εφαρμοστεί μία προθέρμανση πριν την συγκόλληση προκειμένου να καθυστερήσει η ψύξη του μετάλλου της συγκόλλησης. Με αυτό τον τρόπο δίνεται περισσότερος χρόνος για την διάχυση του ατομικού οξυγόνου μακριά από την περιοχή της συγκόλλησης. Σε περιπτώσεις συγκολλήσεων πολλαπλών πάσων είναι δυνατόν να μην χρησιμοποιηθεί προθέρμανση εάν με την χρήση μίας κατάλληλης αλληλουχίας συγκόλλησης μπορεί να επιτευχθεί μία αρκετά υψηλή θερμοκρασία ανάμεσα στα πάσα της συγκόλλησης (interpass temperature).

Η αποφυγή ψυχρών ρηγματώσεων αυτού του τύπου μπορεί να γίνει με τον υπολογισμό του χρόνου t8/5 όπως αυτό περιγράφεται στην οδηγία SEW 088- Συμπεριφορά κατασκευαστικών χαλύβων κατά την συγκόλληση. Το ΕΝ 1011-2 δίνει δύο τρόπους υπολογισμού της θερμοκρασίας προθέρμανσης όπου για την περίπτωση των λεπτόκοκκων συγκολλήσιμων χαλύβων προτείνει την χρήση της παρακάτω εξίσωσης

όπου Τp= Θερμοκρασία προθέρμανσης σε °C CET = Ισοδύναμο άνθρακα d= Συνδυαστικό Πάχος Υλικών προς συγκόλληση Q= Θερμική παροχή σε kJ/mm

Η επιλογή των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται για την συγκόλληση των λεπτόκοκκων συγκολλήσιμων χαλύβων γίνεται με κριτήριο την ικανότητα τους να δώσουν ένα μέταλλο συγκόλλησης με παρόμοιες μηχανικές ιδιότητες με αυτές του μετάλλου βάσης. Με δεδομένο ότι στο μέταλλο της συγκόλλησης δεν υπάρχει η δυνατότητα πραγματοποίησης των μεταλλουργικών διεργασιών της θερμομηχανικής έλασης, το μέταλλο της συγκόλλησης έχει πολύ μεγαλύτερο κραματικό περιεχόμενο με στοιχεία όπως Νi, Cr, και Μο. Αυτή η αυξημένη τάση για σκλήρυνση των μετάλλων συγκόλλησης που χρησιμοποιούνται σε αυτούς τους χάλυβες κάνει την εμφάνιση ρωγμών υδρογόνου στο μέταλλο της συγκόλλησης πιο πιθανή σε αυτούς τους χάλυβες σε σύγκριση με τους μη κραματωμένους κατασκευαστικούς.

Για αυτό τον λόγο πέρα από τα μέτρα αποφυγής των ρηγματώσεων υδρογόνου που επιβάλλονται από το βασικό μέταλλο πρέπει να γίνεται προσπάθεια συνολικής μείωσης των παραγόντων που μπορούν να προκαλέσουν ρηγματώσεις υδρογόνου συμπεριλαμβανομένου της χρήσης μεθόδων συγκόλλησης με χαμηλά επίπεδα υδρογόνου και την μείωση των τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης.

2.10-1 ΧΑΛΥΒΕΣ ΒΑΦΗΣ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑΣ Οι κραματωμένοι χάλυβες βαφής και επαναφοράς (Quenched and Tempered - Q&T) χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο τα τελευταία χρόνια σε δομικές εφαρμογές και εφαρμογές που απαιτούν αντοχή σε τριβή. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης αυτών των χαλύβων είναι η μείωση του βάρους της κατασκευής, η μεγαλύτερη ικανότητα φορτίου και η αύξηση της διάρκειας ζωής μιας κατασκευής. Αυτοί οι χάλυβες χρησιμοποιούνται σε πολλές σύγχρονες εφαρμογές υπάρχουν μεγάλα φορτία και η μείωση του βάρους είναι σημαντική, όπως γέφυρες, κτίρια, δεξαμενές αποθήκευσης, γερανούς, εμπορικά πλοία, υποβρύχια κτλ. Όλοι αυτοί οι χάλυβες, απαιτούν συγκολλήσεις υψηλής ποιότητας οι οποίες διατηρούν τις ιδιότητες του αρχικού μετάλλου προκειμένου να μπορούν χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στις κατασκευές Στην Ευρώπη αυτοί οι χάλυβες παρασκευάζονται κυρίως σύμφωνα με τα παρακάτω πρότυπα:

ΚΑΤΗΓΟΡΟΙΟΠΟΙΗΣΗ Η ονομασία των χαλύβων στο ΕΝ 10025-3, 4 σύμφωνα με όσα έχουν ήδη αναφερθεί για το ΕΝ 10027-1 αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: Ονομασία (i.e. S 355QL1) Πρώτο γράμμα «S“ η "Ρ": χάλυβας “structural”ή “pressure vessel” τρία νούμερα ΧΧΧ: ελάχιστο εγγυημένο όριο διαρροής σε N/mm2 δεύτερο γράμμα “Q": κατάσταση παράδοσης Quenched and Tempered τρίτο γράμμαγράμμα:“L”, “L1”, “L2”, “H” όπου: L καθορίζει την ελάχιστη απαίτηση της ενέργειας σε κρούση σε θερμοκρασίες όχι χαμηλότερες των -40°C L1 καθορίζει την ελάχιστη απαίτηση της ενέργειας σε κρούση σε θερμοκρασίες όχι χαμηλότερες των -60°C L2 έχει εφαρμογή στους χάλυβες για εφαρμογές εξοπλισμού υπό πίεση και καθορίζει την ποιότητα χαλύβων με εγγυημένες μέχρι τους -50°C Η έχει εφαρμογή στους χάλυβες για εφαρμογές εξοπλισμού υπό πίεση και καθορίζει την ποιότητα χαλύβων με ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες.

Οι πίνακες 1-10 δείχνουν τις απαιτήσεις χημικής σύστασης και μηχανικών ιδιοτήτων των χαλύβων βαφής και επαναφοράς που αναφέρονται στο ΕΝ 10025- 6, ΕΝ 10137- 2 και ΕΝ 10028- 3, 5. Πίνακας 1. Χημική ανάλυση (προϊόντος) για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο EN 10025-6.

Πίνακας 2. Μέγιστες τιμές CΕV για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10025-6

Πίνακας 3. Μηχανικές ιδιότητες για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10025-6.

Πίνακας 4. Ελάχιστες Απαιτήσεις κρούσης για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο EN 10025-6.

Πίνακας 5. Χημική ανάλυση (προϊόντος) για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10137-2

Πίνακας 6. Μηχανικές ιδιότητες για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο EN 10137-2

Πίνακας 7. Ελάχιστες Απαιτήσεις κρούσης για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10137-2.

Πίνακας 8. Χημική ανάλυση (προϊόντος) για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10028-6

Πίνακας 9. Μηχανικές ιδιότητες για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται στο ΕΝ 10028-6

Πίνακας10. Ιδιότητες κρούσης για τους χάλυβες βαφής και επαναφοράς που περιέχονται

ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΙΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΒΑΦΗΣ ΚΑΙ ΕΠΑΝΑΦΟΡΑΣ Όπως έχει αναφερθεί η χημική σύσταση των χαλύβων βαφής και επαναφοράς είναι τέτοια ώστε κατά την βαφή και την γρήγορη ψύξη που την συνοδεύει η ΘΕΖ αποτελείται από φάσεις μαρτενσίτη χαμηλού άνθρακα και μπαινίτη. Αυτού του τύπου η δομή στην ΘΕΖ έχει τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες που ταιριάζουν με αυτές του μητρικού μετάλλου. Σαν αποτέλεσμα σε γενικές γραμμές αυτά τα υλικά δεν απαιτούν μία θερμική κατεργασία μετά την συγκόλληση εκτός ειδικών περιπτώσεων. Σε αντίθεση με άλλους κραματωμένους χάλυβες που απαιτούν την χρήση υψηλής θερμικής παροχής προκειμένου να αποφευχθεί η δημιουργία μαρτενσίτη στην ΘΕΖ, κατά την συγκόλληση των χαλύβων βαφής και επαναφοράς απαιτείται η χρήση παραμέτρων συγκόλλησης, κατάλληλων ώστε η ταχύτητα ψύξης στην ΘΕΖ να οδηγεί στον σχηματισμό μαρτενσίτη και μπαινίτη.

Αυτό είναι απαραίτητο γιατί σε αυτούς τους χάλυβες ένας αργός ρυθμός ψύξης στην ΘΕΖ θα δημιουργήσει μία μεικτή δομή από προευτηκτοειδή φερρίτη, μπαινίτη και μαρτενσίτη με αποτέλεσμα την σημαντική ευθραυστοποίηση της περιοχής της ΘΕΖ με αυξημένο μέγεθος κόκκου (coarsed grain HAZ). Όσο πιο αργός είναι ο ρυθμός ψύξης τόσο μεγαλύτερη είναι η ευθραυστότητα που παρατηρείται στην ΘΕΖ. Κατά την συγκόλληση υλικών με μικρότερη ευαισθησία στην σκλήρυνση ή μικρότερου πάχους, ακόμα γρηγορότερες ταχύτητες ψύξης είναι απαραίτητες στην ΘΕΖ και άρα γίνεται χρήση πολύ μικρής θερμικής παροχής

Άλλο ένα σημείο που χρήζει προσοχής κατά την συγκόλληση των χαλύβων βαφής και επαναφοράς είναι η εφαρμογή πολύ αυστηρών πρακτικών μείωσης του υδρογόνου στην περιοχή της συγκόλλησης προκειμένου να αποφευχθεί η ψυχρή ρηγμάτωση υδρογόνου. Η χρήση προθέρμανσης είναι ένας από τους πιο αποτελεσματικούς τρόπους ώστε να μειωθεί η εμφάνιση ψυχρών ρωγμών υδρογόνου. Από την άλλη, η χρήση προθέρμανσης επίσης μειώνει τον ρυθμό ψύξης στην ΘΕΖ. Επομένως η προθέρμανση σε αυτούς του χάλυβες πρέπει να εφαρμόζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτρέπει αρκετά γρήγορη ψύξη και σχηματισμό μαρτενσίτη στην ΘΕΖ.

Κατά την συγκόλληση χαλύβων βαφής και επαναφοράς με πιο υψηλά όρια εφελκυσμού, η τάση για την εμφάνιση ρωγμών υδρογόνου στο μέταλλο της συγκόλλησης αυξάνει σημαντικά. Σαν αποτέλεσμα, η περιεχόμενη υγρασία στην επικάλυψη του ηλεκτροδίου και τα άλλα αναλώσιμα καθώς και ο χειρισμός τους γίνονται κρίσιμοι παράγοντες για την επιτυχία της συγκόλλησης. Για παράδειγμα, για χάλυβες Q&T με ένα όριο διαρροής μικρότερο από 483 ΜΡa ένα ποσοστό υγρασίας 0,4 wt% στην επικάλυψη του ηλεκτροδίου είναι αποδεκτό, ενώ σε αντιδιαστολή για χάλυβες Q&Τ με όριο διαρροής πάνω από 690 ΜΡa, το αποδεκτό όριο είναι 0,1 wt%. Η χρήση μίας τεχνικής κορδονιών ανόπτησης (temper bead welding) όπως φαίνεται στα σχήματα 1 και 2 μπορεί επίσης να βοηθήσει στην αποφυγή περιοχών με υψηλή σκληρότητα και μειωμένη ολκιμότητα στην ΘΕΖ.

Σχήμα 1. Τεχνική κορδονιών ανόπτησης για μία συγκόλληση πολλαπλών πάσσων μίας μετωπικής συγκόλλησης σε χάλυβα βαφής και επαναφοράς. Η κατανομή της σκληρότητας είναι σχεδόν παρόμοια σε όλη την εγκάρσια τομή εκτός από το σημείο ϋ το οποίο δεν ανοπτήθηκε από τα επόμενα κορδόνια.

Σχήμα 2. Τα κόκκινα βέλη υποδεικνύουν σημεία όπου υπάρχει η πιθανότητα να έχουν μείνει περιοχές υψηλής σκληρότητας. Το σκίτσο στο πάνω μέρος δείχνει τα προτεινόμενα κορδόνια ανόπτησης ώστε να εξαλείφει η υψηλή σκληρότητα

Όπως έχει ήδη αναφερθεί, κατά την συγκόλληση των χαλύβων βαφής και επαναφοράς πρέπει να αποφεύγεται η πραγματοποίηση θερμικής κατεργασίας μετά την συγκόλληση εκτός ειδικών περιπτώσεων. Η πραγματοποίηση μιας θερμικής κατεργασίας μετά την συγκόλληση μπορεί να είναι επιθυμητή για μερικές εφαρμογές που απαιτούν διαστασιακή σταθερότητα ή όταν η συγκόλληση είναι επιρρεπής σε ρηγματώσεις εργοδιάβρωσης (stress corrosion cracking) μετά την συγκόλληση ή παραμόρφωση εν ψυχρώ. Η πραγματοποίηση θερμικής κατεργασίας μετά την συγκόλληση σε χάλυβες βαφής και επαναφοράς μπορεί να οδηγήσει σε μείωση της ολκιμότητας στην ΘΕΖ ή ακόμα και στον σχηματισμό ρηγματώσεων αναθέρμανσης. Οι ρηγματώσεις αναθέρμανσης είναι το αποτέλεσμα της ευθραυστοποίησης της ΘΕΖ λόγω της συνδυαστικής δράσης κατακρήμνισης φάσεων και παραμόρφωσης κατά την απόταση των τάσεων.

Ο μηχανισμός απλά μπορεί να περιγράφει ως εξής: Σε υψηλές θερμοκρασίες κατά την θερμική κατεργασία αποτατικής ανόπτησης πραγματοποιείται κατακρήμνιση καρβιδίων στο εσωτερικό των κόκκων αλλά όχι στα όρια αυτών, ενώ ακόμα δεν έχει ολοκληρωθεί η ανακούφιση των παραμενουσών τάσεων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, το εσωτερικό των κόκκων να έχει υψηλότερη σκληρότητα σε σχέση με τα όρια των κόκκων και όταν συμβαίνει η ανακούφιση των παραμενουσών τάσεων η παραμόρφωση συγκεντρώνεται στα όρια των κόκκων τα οποία ρηγματώνονται μόλις ξεπεραστείτο όριο της ολκιμότητας τους Οι ρωγμές αναθέρμανσης είναι περικρυσταλλικές. Μπορεί να ξεκινήσουν σε περιοχές συγκέντρωσης τάσεων ή μπορεί να μην εμφανίζονται στην εξωτερική επιφάνεια. Η ρηγμάτωση μπορεί επίσης να εμφανιστεί σε συγκολλήσεις με μεγάλη ακαμψία .

Παράγοντες που συνεισφέρουν στις ρηγματώσεις αναθέρμανσης είναι: Επιρρεπής χημική σύσταση του κράματος Επιρρεπής μικροδομή της ΘΕΖ Υψηλά επίπεδα παραμενουσών τάσεων Θερμοκρασία στην περιοχή της ανακούφισης των τάσεων Πολλοί κραματωμένοι χάλυβες παρουσιάζουν κάποια μορφή ευθραυστοποίησης στη περιοχή της μεγέθυνσης των κόκκων στην ΘΕΖ όταν θερμανθούν σε υψηλές θερμοκρασίες (π.χ. 600°(Ι). Τα κραματικά στοιχεία που βοηθούν την εμφάνιση του φαινομένου είναι Cr,Cu, Mo, B, V, Nb, and Ti. Οι χάλυβες Mo-V και Mo-B είναι ιδιαίτερα επιρρεπής ειδικά εάν το βανάδιο βρίσκεται σε περιεκτικότητες πάνω από 0.1%. Εάν για κάποιο λόγο πραγματοποιηθεί αποτατική ανόπτηση μετά την συγκόλληση σε χάλυβες βαφής και επαναφοράς η θερμοκρασία δεν πρέπει να υπερβεί αυτή που χρησιμοποιήθηκε κατά την επαναφορά του χάλυβα. Μία θερμοκρασία 30 με 60°C χαμηλότερη από την θερμοκρασία επαναφοράς είναι επιθυμητή προκειμένου να αποφευχθεί η μείωση της αντοχής του χάλυβα.