SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT
NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ
T. Vuherer, D. Rojko, V. Gliha
UTICAJ REPARATURE NA NIVO I RASPODELU ZAOSTALIH NAPONA U SUČEONOM ZAVARENOM SPOJU MIKROLEGIRANOG ČELIKA* THE EFFECT OF REPAIR WELDING ON THE LEVEL AND THE DISTRIBUTION OF RESIDUAL STRESSES IN A MICROALLOYED STEEL BUTT-WELD Originalni naučni / Original scientific paper UDK/UDC: 621.791.75.052:539.319 Rad primljen / Paper received: Avgust 2003.
Adresa autora / Author's addres: Tomaž Vuherer, Danilo Rojko, Vladimir Gliha Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Laboratorij za varjenje Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija
Ključne reči: Zaostali naponi, MAG zavarivanje, naponsko stanje, krti lom
Keywords: Residual stresses, MAG welding, stressstate, brittle fracture
Izvod
Abstract
Kod izrade zavarenih spojeva pojavljuju se zaostali naponi koji mogu dostići napon tečenja materijala. Oni su posledica termičkog uticaja zavarivanja topljenjem materijala. Šav pri reparaturi je uklješten, jer se obično radi o kratkim zavarima, koji obuhvataju samo jedan deo debljine. Zbog toga su zaostali naponi na reparaturama viši od napona u normalnim šavovima. U radu su eksprimentalno odredjivani zaostali naponi na površini sučeonih višeprolaznih šavova pre i posle reparaturnog zavarivanja. Najveće uzdužne komponente napona su u metalu šava. Ti naponi su blizu napona tečenja materijala. Poprečne komponete napona su manje od uzdužnih. Posle reparature izmereni su veći zaostali naponi od onih pre reparature.
High residual stresses arise during welding. These stresses can attain yield strength of the material. They are caused by thermal cycles always present in joints made by fusion of materials. When a weld needs to be repaired, it is very rigid because repair welds are usually short and only a part of thickness should be replaced. Residual stresses in the repaired welds are higher than those in normal welds. Residual stresses were experimentally determined on surface of the multi-pass butt-welds before and after reparation. Longitudinal residual stresses are the highest in the weld metal. They approach the yield strength of the material. Transversal residual stresses are lover than longitudinal ones. The residual stresses are higher after reparation than before reparation.
*izlagano na Međunarodnoj konferenciji "Zavarivanje 2003", Beograd septembra 2003
UVOD U zavarenim spojevima uvek su prisutni zaostali naponi, kao posledica neravnotežnog hladjenja metala šava i osnovnog metala. Nakon prolaza izvora toplote i brzog hladjenja, metal šava je uklješten, usled očvršćavanja i skupljanja metala i kao posledica dolazi do pojave zaostalih napona. Pošto se radi o velikim temperaturnim razlikama, zaostali naponi mogu biti veoma visoki, blizu napona tečenja materijala [1,2]. Još veći zaostali naponi se javljaju kad je konstrukcija prilikom zavarivanja ukrućena (uklještena). Takva je situacija kod reparaturnih šavova. Ukrućenje je povećano, jer su reparature obično ograničene po dužini i debljini [3,4]. Posledica su visoki zaostali naponi, mnogo veći od onih na normalnim šavovima. EKSPERIMENTALNI DEO Eksperimentalni rad je obavljen na pločama od mikrolegiranog čelika visoke čvrstoće (Niomol 490 K), koji se koristi za posude pod pritiskom. Deblji osnovni
materijal (25 mm) korišćen je za zavarivanje velike ploče (400 x 1200 mm), a tanji (12 mm) za zavarivanje male ploče (200 x 200 mm). Hemijski sastavi čelika i dodatnih materijala su prikazani u tabeli 1 i 2. Nakon termičke obrade ploča, za smanjenje zaostalih napona od izrade otpuštanjem na 580°C/2 h, odredjeni su granica tečenja i zatezna čvrstoća tanje ploče koje su bile 380 MPa i 482 MPa, respektivno, odnosno 545 MPa i 651 MPa za deblju ploču. Za zavarivanje debljeg materijala primenjen je elektrolučni postupak MAG sa žicom NiMo1 φ1,2 mm, a kod tanjeg, sa žicom Filtub 128. Shema prolaza za oba šava pokazana je na slici 1a) i 1c). Na velikoj ploči (sl. 1a) izrađen je sučeoni Kšav sa deset prolaza, a na maloj ploči (sl. 1c) sučeoni V- šav sa tri prolaza. Nakon zavarivanja mereni su zaostali naponi. Na izvedenim šavovima prišlo se reparaturnom zavarivanju (sl.1b i 1d). Za reparaturno zavarivanje primenjeno je ručno elektrolučno zavarivanje obloženom elektrodom EVB NiMo, prečnika φ 3,25 mm.
ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2004), str. 61-65
61
SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT
NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ
Tabela 1 Hemijski sastav osnovnog metala - mikrolegiranog čelika (mas.%) Debljina
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
Fe
12 mm
0,06
0,34
0,41
0,010
0,004
0,73
0,27
0,36
ost.
25 mm
0,07
0,54
0,56
0,008
0,002
0,67
–
0,35
ost.
Tabela 2 Hemijski sastav čistog metala šava dodatnih materijala (mas.%) Materijal
C
Si
Mn
P
S
Ni
Mo
Fe
NiMo1
0,09
0,62
1,77
0,011
0,003
0,95
0,31
ost.
Filtub 128
0,05
0,20
1,40
–
–
1,20
0,40
ost.
EVB NiMo
0,06
0,40
0,90
–
–
1,10
0,35
ost.
6
3 10
5
25
9
d)
2
a)
2 1
3
8 10
c)
13
4
2
2 1
12
7
b)
Slika 1 Shema prolaza kod sučeonog šava i lokacija reparature: a) i b) velika ploča, c) i d) mala ploča
Reparaturni šav na velikoj ploči je izrađen sa 13 prolaza, dužine 180 mm. Reparaturni šav na maloj ploči je izrađen sa 7 prolaza, dužine 100 mm.
ploči (sl. 3) zaostali naponi su određeni u tačkama od 1 do 11, 13 i 15 pre reparature, a u tačkama od 12, 15 i 16 posle reparature.
Zaostali naponi na površini su mereni pre i posle reparature. Primenjena je standardizovana polurazarajuća metoda bušenja rupice, prema ASTM E837 [2, 5].
Zaostali naponi na velikoj i maloj ploči izmereni su poprečno (tačke od 1 do 9) i uzdužno na osu šava (sve ostale tačke merenja). Određene su uzdužne i poprečne komponente napona.
Na slici 2 prikazane su lokacije merenja zaostalih napona pre i posle reparature na velikoj ploči. Na maloj y 1
400
2
10 11
4 6
3 5 7 8
12
x
9 180 (reparatura) 1200
13
Merno mesto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
x
y
Lokacija
0 0 0 -15 0 15 0 0 0 -80 -50 50 80
140 30 15 11 0 -11 -30 -75 -140 0 0 0 0
OM OM OM ZUT ŠAV, REP. ZUT OM OM OM ŠAV, REP. ŠAV, REP. ŠAV, REP. ŠAV, REP.
Slika 2 Lokacija merenja zaostalih napona na velikoj ploči
62
ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2004), str. 61-65
SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT
NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ
y Merno mesto 1 2 3 4 5 6 7 8
1
200
12
13 10
2 16 3 15 5 11 7 8
4 6
x
x
y
0 0 0 -10 0 -10 0 0
75 30 15 8 0 -8 -15 -30
Lokacija Merno mesto OM 9 OM 10 OM 11 ZUT 12 ŠAV 13 ZUT 14 OM 15 OM 16
x
y
0 -20 20 -50 -30 10 30 50
Lokacija
-75 OM 0 ŠAV VAR 0 ŠAV VAR 8 REPAR. 8 ZUT 8 REPAR. 8 ZUT 8 REPAR.
9 100 (reparatura)
Slika 3 Lokacija merenja zaostalih napona na maloj ploči
200 500
300 Na po n [M 100 Pa]
500 Prije reparature
Metal šava ZUT OM Reparatura
Posle reparature
300
a)
Posle reparature
Na po n [M 100 pa]
-100
-100
-300 -200
Prije reparature
Metal šava ZUT OM Reparatura
-100
0
100
Udaljenost od ose šava [mm]
200
-300 -200
b)
-100
0
100
200
Udaljenost od ose šava [mm]
Slika 4 Zaostali naponi na velikoj ploči mereni poprečno na osu šava pre i posle reparature a) uzdužne komponente, b) poprečne komponente
REZULTATI Na slikama 4. i 5. prikazana je raspodela zaostalih napona na velikoj ploči pre i posle reparature. Na slici 4a) su prikazane uzdužne, a na slici 4b) poprečne komponente napona. Određivanje je vršeno na sredini ploče poprečno na osu šava. Na slici 5. su prikazane uzdužne i poprečne komponente zaostalih napona merene u metalu šava uzdužno na osu šava. Na slikama 6. i 7. prikazani su zaostali naponi na maloj ploči. Na slici 6. su uzdužne i poprečne komponente napona, izmerene poprečno na osu šava pre reparature. Uzdužno po osi šava mereni su zaostali naponi u metalu šava, kao i u onom delu ZUT gde je lociran reparaturni šav. Posle reparature mereni su zaostali naponi uzdužno na osu šava samo u metalu šava reparaturnog šava. Na slici 7a) prikazane su uzdužne komponete, a slici 7b) poprečne komponete tih napona. DISKUSIJA Kod zavarivanja topljenjem materijala svakim prolazom unosi se toplota potpuno neravnomerno. Posledica je, da se pojedini delovi materijala brže zagreju i nakon toga brže ohlade. Metal šava i ZUT, zbog hladnog
osnovnog materijala u okolini, ne mogu da se slobodno termički šire i skupljaju, što uzrokuje pojavu visokih napona, koji su posle zavarivanja prisutni u šavu i najbližoj okolini. Na velikoj i maloj ploči pre reparature najveće su uzdužne komponente zaostalih napona u metalu šava i u ZUT, one su zatezne i blizu su napona tečenja materijala. Posle reparature na velikoj ploči izmereni su još veći zatezni zaostali naponi. Na maloj ploči, gde je reparatura vršena u ZUT, izražene su uzdužne komponente zateznih zaostalih napona, koji se mogu uporediti sa naponima pre reparature u metalu šava. U metalu šava i u ZUT na velikoj i maloj ploči pre reparature postoje poprečni zaostali naponi na sabijanje, a u osnovnom materijalu blizu ZUT visoki zatezni zaostali naponi. U metalu šava i u ZUT posle reparature oni menjaju pravac delovanja, i postaju naponi na razvlačenje. To je za zavarenu konstrukciju mnogo nepovoljnije, jer takvi naponi favorizuju pojavu loma. Kod izvođenja reparaturnog zavarivanja na mestu reparature menjaju se i mehaničke osobine materijala. Posebno su problematični počeci i krajevi reparaturnih zavara, zbog moguće pojave grešaka i zbog nepovoljnijih mehaničkih osobina materijala, npr. povećanja tvrdoće, itd.
ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2004), str. 61-65
63
SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT
NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ
500
500
300
300
Na po n [M 100 Pa ]
Na po n [M 100 Pa ] Metal šava ZUT OM Reparatura
-100
-300 -200
a)
-100
Metal šava ZUT OM Reparatura
Prije reparature Posle reparature
-100
Prije reparature Posle reparature
0 100 Udaljenost od sredine ploče [mm]
200
-300 -200
b)
-100
0 100 Udaljenost od sredine ploče [mm]
200
Slika 5 Zaostali naponi na velikoj ploči mereni uzdužno na osu šava pre i posle reparature; a) uzdužne komponente, b) poprečne komponent 500 Uzdužne komponete ZN
Metal šava ZUT OM
Poprečne koponente ZN
300 Na po n [M Pa] 100
Slika 6 Zaostali naponi pre reparature na maloj ploči
-100
-300 -100
-50
0
50
100
Udaljenost od ose šava [mm]
300
500
Prije reparature (metal šava) Prije reparature (ZUT)
300 Na 100 po n [M Pa ] -100
Na po n [M 100 Pa ] -100
Metal šava ZUT OM Reparatura
Prije reparature (metal šava) Prije reparature (ZUT)
Posle reparature (metal šava reparature)
Metal šava ZUT OM Reparatura
Posle reparature (metal šava reparature)
-300 -100
a)
-50
0 50 Udaljenost od sredine ploče [mm]
100
-300 -100
b)
-50
0 50 Udaljenost od sredine ploče [mm]
100
Slika 7 Zaostali naponi na maloj ploči uzdužno na osu šava posle reparature a) uzdužne komponente, b) poprečne komponente
Ako uz to u metalu šava ili u ZUT postoji ravanski tip grešaka, orijentisan poprečno na zatezne zaostale napone, što znači da je opterećenje na otvaranje, takvo stanje promoviše razvoj prsline. Zbog toga ovi šavovi imaju manju nosivost. Kod većih debljina šava treba računati i na troosno naponsko stanje zateznih zaostalih napona. To može dodatno uticati na otpornost konstrukcije na lom, jer se materijal u tom slučaju ponaša krtije [6], a time je lakša inicijacija prsline, koja se zbog karaktera loma brže širi. Za širenje takve prsline ne treba mnogo energije.
64
Dovoljna je energija koja postoji u obliku deformacione energije opterećene konstrukcije i to dok je deformacija isključivo elastična. Iz tih razloga, reparature treba obavljati veoma pažjivo i ako je moguće na kritičnim delovima posle zavarivanja smanjiti nivo zaostalih napona. ZAKLJUČCI Zatezne uzdužne komponente zaostalih napona u metalu šava i u ZUT su pre reparaturnog zavarivanja dosta visoke, a posle obavljenih reparatura su i
ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2004), str. 61-65
SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT
NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ povećane. Poprečne komponente zaostalih napona su pre reparaturnog zavarivanja u ZUT manje od uzdužnih komponenata. One deluju na sabijanje u metalu šava i u ZUT. Posle obavljenih reparatura komponente napona su zatezne. Posle reparature dobija se nepovoljnija raspodela zaostalih napona koja, ne samo da smanjuje nosivost zavarenog spoja, već može u kombinaciji sa drugim nedostacima repariranog šava, da utiče na pojavu loma. Zbog toga prilikom planiranja reparaturnog zavarivanja treba svakako voditi računa o novim zaostalim naponima, koji nisu isti kao pre.
[2]
[3] [4]
[5]
LITERATURA [1]
Vuherer T.: Analiza zaostalih notranjih napetosti s posebnim poudarkom na ponovnem vnosu toplote in njih meritev na sočelnih zvarnih spojih, magistarski rad, Univerza u Mariboru, Mašinski fakultet, Maribor, 1999
[6]
Weng C.C., Lo S.C.: Measurement of residual stresses in welded steel joints using hole drilling gauge method, Material Science and Technology, Vol. 8, March 1992, pp 213-218 Vuherer T.: Rojko D., Gliha V., Vpliv reparaturnih zvarov na lastnosti zvarnega spoja, Materiali in zlitine 2001, broj 1/2 str. 61-64, Ljubljana 2001 Leggatt R.: Residual Stress Measurement at Repair Welds in Pressure Vessel Steels in the As-Welded Condition, The welding institute, Cambridge, 1986 Annual book of ASTM standards: Standard Test Method for Determination Residual Stress by the Hole-Drilling strain Gage Method, ASTM E 837, Section 3 volume 03.01 Vuherer T.: Acceptance level for planar flaws in fusion welds depends on the condition of welds due to residual stresses, International conference MATEST '99, proceedings, pp. 95103, Cavcat 1999.
ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (2/2004), str. 61-65
65
