Műszaki Alapozó és Gépészmérnöki szak Gépgyártástechnológiai Tanszék (hegesztés) 10.előadás: Fémek és ötvözetek hegeszthetősége előadó: Dr. Szigeti Ferenc főiskolai tanár

Hegeszthetőség (fémek és ötvözetek) Fizikai (elvi) hegeszthetőség: ha a fém komplex tulajdonságai lehetővé teszik olyan megfelelő fizikai és kémiai változások lefolyását hegesztés közben (diffúzió, folyékony és szilárd oldat keletkezése, stb.), melyek oldhatatlan kötést eredményeznek. Szerkezeti anyagok többsége fizikailag (elvileg) hegeszthető, kivéve, amelyek folyékony állapotban nem oldják egymást (pl. Fe-Mg, Fe-Pb; stb.). Ezek a fémpárok csak olyan harmadik fém alkalmazásával válnak egyesíthetővé, amely mindkét alapfémben oldódnak → forrasztás. Technológiai hegeszthetőség: az alapanyag azon komplex tulajdonságai, amely meghatározzák a hegesztés hatására végbemenő fizikai, kémiai, szövetszerkezeti változásokat, megmutatva, hogy a választott hegesztési eljárással létrehozható-e az üzemi és gazdaságossági követelményeket kielégítő hegesztett kötés.

Hegeszthetőség az alapanyagon kívül függ: - hegesztési eljárástól (pl. Cu – Al dörzshegesztés, UH hegesztés), - hegesztés technikai paramétereitől (Al-oxid bevonat, AWI, fordított polaritás), - hegesztő anyagoktól (huzal, bevonat, fedőpor, védőgáz stb.), - szerkezet hegesztés közbeni és üzemi körülményeitől. Ötvözetlen és gyengén ötvözött acél jól hegeszthető, ha: - általánosan használt hegesztési technológia alapanyaggal egyező minőségű kötést biztosít; - a varrat repedésmentes; - a kötés környezete plasztikus; - a varrat és hőhatásövezet ridegtörési hőmérséklete a hegesztett szerkezet üzemi hőmérséklete alatt van (→ KV megfelelő, az előírt értéket eléri adott hőmérsékleten); Hegeszthetőség megítélése: alap- és hegesztőanyagok tulajdonságaihoz való viszonyítás: az anyag a választott technológiával hegeszthető, ha a hegesztett kötés vizsgálatának eredményei kielégítik a szerkezeti anyagra meghatározott követelményeket.

Hegeszthetőségi vizsgálatokat (>160 féle) 4 fő csoportra osztjuk: 1. Varrat melegrepedési hajlamának vizsgálata ( a varratban a kristályosodás közben ható húzófeszültségek veszélyes kristályosodási -vagy meleg- repedést okozhatnak); 2. Varrat hidegrepedési hajlamának vizsgálata ( a hegesztés hőciklusa az alapanyag varrat melletti részében (hőhatásövezet) szövetszerkezeti változásokat okoz, s ha az acél edződésre hajlamos – hidegrepedés keletkezhet). A választott alapanyag és hegesztési technológiával hideg és melegrepedés nélkül előállítható-e a hegesztett szerkezet 3. Elridegedés vizsgálata (koncentrált hőforrás egyenlőtlen hőmérséklet eloszlás következtében többtengelyű (térbeli) feszültség állapot alakul ki, mely növeli a kötés elridegedését – ennek mértékét az alapanyagból, varratból, hőhatásövezetből kivett próbatesteken mért kritikus átmeneti hőmérséklettel jellemzik) 4. Egyéb üzemi vizsgálatok a hegesztett szerkezeten (szilárdsági, élettartam, fárasztó vizsgálat stb.)

Kristályosodási (meleg) repedések A varratfém dermedése közben keletkeznek – hülés közben vagy külső terhelés hatására tovább terjedhetnek – töréshez vezetnek – nem engedhető meg. Keletkezése: a varratra kristályosodás közben a gátolt zsugorodás miatt jelentős húzófeszültség hat. E feszültség által kiváltott rugalmas-plasztikus deformáció nagysága és növekedési sebessége ↑ T ↓-vel. Ha a húzófeszültség okozta deformáció növekedés nagyobb, meghaladja a varrat deformáció képességét → melegrepedés. A varrat melegrepedési hajlama függ: 1. A varrat kristályosodása közben ható húzófeszültség nagyságától, növekedésének mértékétől; 2. A varrat kémiai összetételétől; 3. A varrat alakjától; 4. Az elsődleges krisztallitok méretétől;

1.A húzófeszültségek hatása: Kiküszöbölni nem lehet, csökkentésükre, késleltetésükre kell törekedni Tervezésnél: - szerkezeti elemek racionális kapcsolása, - kedvező varratleélezés, - szerkezet fölösleges merevségének csökkentése. A hegesztés-technológia előírásánál: - megfelelő hegesztési sorrend, - megfelelő hegesztési eljárás, - megfelelő hegesztési paraméterek, - előmelegítés: késlelteti a húzófeszültségek keletkezésének időpontját. Te=150-500oC, Az előmelegítés hőmérséklete függ: - a varrat kémiai összetételétől, - tárgy keresztmetszetétől, formájától: - vastagságtól → Te ↑ - bonyolult alakú: lassú hevítés Húzófeszültségek csökkenthetők

2. A varrat kémiai összetételének hatása a melegrepedési hajlamra ↑ C: erősen növeli, kritikus érték: amely felett melegrepedés keletkezik - Ckrit. függ: - a szerkezet kiképzésétől, merevségétől, - az előmelegítés hőmérsékletétől, - a varrat egyéb szennyezőitől és ötvözőitől. S ↓ meg. Ctart ↑; Mn ↑ S nőhet; Mn megköti S-t Melegrepedési hajlam csökkentésére: C < 0,12% elektróda, oxidáló atmoszféra; bázikus bevonat, kéntelenítő salak. ↑Si: - növeli a varratszilárdságot, Si > 0,6 csökkenti a szívósságot, C-vel együtt növeli a melegrepedési hajlamot; - úgy kell beállítani a varrat Si- tartalmát(0,15-0,6% szerkezeti acélnál), hogy elegendő legyen a dezoxidációhoz, a gázzárvány képződést akadályozza, megfelelő a szilárdság eléréséhez, repedést nem okoz. ↑S: - erősen növeli, 986oC-on olvadó Fe-FeS eutektikumot képez, laza hálós lemezes szerkezetű. ,,S” hatása ,,C” jelenlétében erősödik, ,,Mn”-nál csökken; - S < 0,03; repedésveszély esetén S, C ↓; Mn ↑ eljárást kell alkalmazni. H: - rozsdából, bevonatból kerül a varratba, mindig káros, képlékenységet ↓; ridegedést ↑; káros hatása Cr, Ni mellett nő.

2. Varrat kémiai összetételének hatása a melegrepedési hajlamra P: - ridegítő hatása miatt káros, P < 0,05% előnyös. ↓Mn: - szilárdságnövelő, ,,S” megkötésével repedési hajlam ↓ → hegesztő huzalok, pálcák növelt Mn tartalommal: dezoxidál, szilárdság növelő, repedési hajlamot ↓ - melegrepedési hajlam ↓ hatás függ C-tartalomtól: C = 0,1 -0,12% Mn < 2,5% C↑ Mn↓ pl. C=0,2; Mn=1,8 lehet (MnC repedési hajlam ↑) - általában 1-2% Mn hatásos: S-t MnS-alakban (Top=1620oC) megköti, kizárja Fe-FeS eutektikum keletkezését. ↑Ni: - szilárdságot, szívósságot, képlékenységet növel, de drága - ha Ni >2,5% melegrepedést növel! Cr: - szilárdságnövelő, nem befolyásolja a melegrepedési hajlamot. nincs melegrepedés

3. A hegfürdő formájának hatása A hegfürdő formája, mérete függ a hegesztési eljárástól, technológiai jellemzőitől → hegfürdővel változik a beolvadás formája, mérete, a dendrites krisztallitok növekedésének iránya, jellege, a krisztallitok összenövése A varratalakot jellemzi: - h1, b, h2, h= h1 + h2 - belső forma tényező: Ψ = b/h1 - külső forma tényező: φ = b/h2 Ψ = 0,5 – 10; φ = 5 – 20 Keskeny mély beolvadás: ψ = 0,8 – 1,2: krisztallit növekedése az oldalfelületeken indul, középen közel 180o-ban nőnek össze; szennyező dúsulás középen → repedési hajlam nő, gyenge. együttesen jellemzi

Csésze alakú varratok: ψ = 1,3 – 7, krisztallitok növekedése hegyesszög alatt, összenövésük homlok vagy oldalfelületen, szennyező dúsulások részben kimennek a felületre. Széles, kis h1-ű varrat: ψ > 7: krisztallitok a felszín felé egymással párhuzamosan növekednek (felrakó hegesztés, többrétegű varrat utolsó rétege).

Ψ= f (C-tartalom) ötvözetlen acél fedettívű hegesztésénél; - más ötvöző elemeknél is, más eljárásokra is alkalmazható. - Ψmin=3! - a Ψ megváltoztatásával szabályozható a varrat melegrepedési hajlama

erősen hajlamos melegrepedésre Kedvezőtlen a Ψ: - gyökvarratnál, - leélezett lemezek sarokvarratánál. Formatényező kedvező megválasztásával, - előmelegítéssel, - alapanyagrész csökkentésével erősen hajlamos melegrepedésre BKI, védőgázas eljárásnál kisebb repedési hajlam érhető el BKI: Ψ=2,5-5; (UP: Ψ= 0,8-2,5)

4. Elsődleges krisztallitok hatása Repedési hajlam csökkenthető: az elsődleges szövetszerkezet finomításával, kristályosodás jellegének változtatásával, finomszemcsés szerkezet létrehozásával Finomítható a szemcseszerkezet: - a kristályosodási képesség, sebesség ↑ - a hőelvezetés intenzitás ↑ (hegfürdő ↓) → gyors hűlés → edződés a, az alapanyag szemcseméretének ↓ (előzetes szemcsefinomítása), (ausztenites, ferrites acélok) → kis szemcsékből kiinduló krisztallitok, dendridek keresztmetszete ↓ b, magas Tolv idegen kristálycsírák bevitele a fürdőbe (Al2O3, Al-nitrid, Ti, V, Zr, W nitridjei és karbidjai), kristályosodási középpontok számát növelik.

Melegrepedési próbák a, adott szerkezethez előkészített anyagból T-próba, a szerkezethez tervezett hegesztő anyaggal előírt Imax-al hegesztés (alapanyagrész növelésére), 1, szemrevételezés: lupé: melegrepedés 2, eltörik, töreten futtatási szín alapján keresik a melegrepedést

Melegrepedési próbák b, Paton intézet: T-próba: hegesztés után (3, 5, 8, 10, 15 sec.) 100 Nm energiájú ütés hatására milyen és mekkora repedés keletkezik. Minél nagyobb kitartási idő szükséges a repedés elkerüléséhez, annál hajlamosabb a varrat a melegrepedésre.

Hidegrepedés 200°C alatt keletkezik, amikor a varrat már elérte a szobahőmérsékleten jellemző mechanikai tulajdonságait; Közepesen és erősen ötvözött perlites és martenzites acélok hegesztett kötéseiknek jellemző hibái (edzhető acélokban keletkeznek → ezért edzési repedésnek nevezzük); Főleg a hőhatásövezetben lép fel, varratban ritkán, mert a varrat széntartalmát a melegrepedési hajlam csökkentésére korlátozzuk, ezért a hidegrepedés veszélye is csökken; Keletkezésük: a hegesztés befejezése után kb. 10-20 perccel kezdődik, és igen lassan folytatódik (nagyobb repedések csak több nap elteltével). Gyakran a repedések keletkezése csak kezdeti szakaszban lassú, meghatározott méretet elérve a törés robbanásszerűen bekövetkezik (alkatrészként beépítve üzemeltetve törik); Megállapíthatók: szemrevételezés, makro-, mikro-vizsgálat, töretvizsgálat, legpontosabb: ultrahang vizsgálat; Hidegrepedések oka: 1, durva martenzites szövetszerkezetnek és a hegesztési övezetben kialakuló bonyolult, többtengelyű feszültségi állapotnak tulajdonítják; 2, a varratból a hegesztési övezetbe diffundáló H2 – másodlagos szerepe van.

A hidegrepedés veszélye csökkenthető: 1, Az alapanyag és varrat kémiai összetételének célszerű megválasztásával - az edződést növelő C, Mn, Cr, Ni, Mo ötvözők csökkentésével, - az alapanyag és a varratösszetétel közti különbség csökkentésével. 2, A hegesztés hőciklusának megváltoztatásával (1) csökkenti a túlhevítés idejét (pl. vheg ↑) , és a martenzit keletkezés hőközében lassú lehülést (pl. előmelegítéssel) eredményez: a martenzit kilágyulását, a képlékenység növelését teszi lehetővé. Megvalósítása: többrétegű hegesztés, utóhőkezelés, AWI ív, nagyobb hőbevitel,stb. (2) Normál ciklus: szemcsedurvulás csökkenés. 3, Hidegrepedésre hajlamos közepesen ötvözött acéloknál kerülni kell a merev befogást; 4, Időben alkalmazott helyi vagy a teljes szerkezet feszültség mentesítés hőkezeléssel (hidegrepedés a hegesztést követően keletkezik!).

Hidegrepedési vizsgálatok 1., Egyenértékű széntartalom meghatározása - a hidegrepedési hajlamot elsősorban az alapanyag kémiai összetétele, edzhetősége határozza meg; - az edződési hajlam pontos megítélése: az acél folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramjából(C-görbe), a hőhatásövezet lehűlési görbéjével → a legtöbb acélra ezek hiányoznak → a gyakorlatban elfogadott: egyenértékű széntartalom, Ce alapján. - figyelembe kell venni: a hőhatásövezet hűlési sebessége: fgv (s)

Egyenértékű széntartalom meghatározása Ötvözetlen acéloknál: C ≤ 0,22, ha nagyobb: kemény, edzett övezet keletkezik; és a varrat melegrepedési hajlama is nő; Ötvözött acéloknál: IIW (International Institut of Welding): ötvözetlen, finomszemcsés és gyengén ötvözött acélokra érvényes. C = 0,05 – 0,25 % Cu ≤ 1% CE = 0,3…0,7 %-nál érvényes Si ≤ 0,8% Ni ≤ 2,5% Mn ≤ 1,7 % Mo ≤ 0,75 % Cr ≤ 0,9 % V ≤ 0,2 %

Egyenértékű széntartalom meghatározása MSZ EN 1011-2 szerint: C = 0,05 – 0,32 % Cu ≤ 0,7 % Ti ≤ 0,12 % Si ≤ 0,8 % Mo ≤ 0,75 % V ≤ 0,18 % CET = 0,2 – 0,5 % Mn = 0,5 – 1,9 % Nb ≤ 0,06 % B ≤ 0,005 % Cr ≤ 1,5 % Ni ≤ 2,5 % CE % Te °C elő kell melegíteni: ≤ 0,45 ≤ 100 - külső hőm. < 5°C 0,45…0,6 100…250 - Lv > 20 mm (100…300°C) > 0,6 250…350 - fűzőhegesztés: 80…250°C (1 % 400…450) fesz.csök. hőkezelés: 530…580°C hőntartás ideje: 30 perc lassú lehűtés: 5..7°C/perc

A hegeszthetőség feltétele Hegeszthetőség feltétele: Ce ≤ Ce meg = 0,45% - ez meghatározott martenzit tartalomnak ( ≤ 30%), ill. keménységnek ( HV10 ≤ 300) felel meg. - Ezek az acélok előmelegítés és utólagos hőkezelés nélkül, feltétel nélkül hegeszthetők. Kis széntartalmú és gyengén ötvözött szerkezeti acéloknál általában Ce < 0,45%; Közepesen és erősen ötvözött acéloknál a repedés elkerülésére előmelegítés szükséges!

Edződési hajlam vizsgálat Jominy – véglapedző próbával, Jominy görbéből; A hegesztett kötésen mért keménységmérés és szövetszerkezeti vizsgálat alapján ( HV10 ≤ 300) ; Nagyszilárdságú ötvözött szerkezeti acéloknál, pl. előmelegítéssel hegesztett, nemesített acéloknál (ReH=800 N/mm2 ) : HV10 ≤ 385 megengedett.

Technológiai próbák A repedési hajlam megállapítására: mereven befogott lemezre hegesztett varrat vizsgálatával. Kirovi próba: - s > 12; s1 ≤ 0,5s - fenéklapra min., max. és közepes q/v –vel varratokat hegesztenek, közben alulról vízzel hűtik; - merev befogás! - jól hegeszthető: ha vízhűtés mellett nem reped; - közepesen: ha levegő hűtés mellett nem reped; - rosszul: ha előmelegítést igényel; - megállapítás: szemrevételezéssel, ultrahang vizsgálattal vagy befűrészelés után varrattöreten; - hegesztés utáni töretvizsgálat: melegrepedést mutatja, 10-20 napi pihenés után hideg és melegrepedés is vizsgálható.

H2 hatása a melegrepedési hajlamra H2 levegőből, elektróda bevonatból, fedőporból, rozsdából kerülhet be a varratba; A folyékony vas (főleg erős túlhevítésnél, magas hőmérsékleten, atomos állapotban) nagy mennyiségű H2-t képes elnyelni; A hegfürdő dermedésekor az oldóképesség ugrásszerűen csökken, így a H2 egy része a varrat kristályosodása közben kiválik:

A varrat H2 tartalma függ hegesztési eljárástól eljáráson belül is a hegesztő anyagok nedvességtartalmától ötvözők befolyása a vas H2-oldó képességére: - csökkentik: C, Si, Al - növelik: Ni, Ti, Nb

H2 hatása az acél tulajdonságaira Gázzárványok keletkeznek: kristályosodási hőmérsékleten a hegfürdő H2-ben túltelített, atomos állapotban kiválik, molekulává alakul, így nem oldódik a fémben, összegyűlik → gázzárvány Mikrorepedések a varratban és a hegesztési övezetben: - H2 kiválás a varrat lehűlése közben is folytatódik; - atomos H → molekulává alakul, H2: mikrolunkerekben →103-104 bar nyomást hoz létre → varratban és hegesztési övezetben mikrorepedéshez vezet. Makrorepedés a varratban: - ötvözetlen szerkezeti acélok varratai nagy képlékenységgel bírnak, mikrorepedések nem terjednek, kivéve, ha a többtengelyű feszültségállapot miatt rideggé válik. - H2 kiválás miatti mikrorepedés terjedés: ötvözött perlites acélok, martenzites, bainites szerkezetű acélok: gyors hűtésnél kis képlékenységűek! Pelyhesedés (halszem-képződés): a varrat töretében kis átmérőjű, fényes körök. A fényes felület arra utal, hogy a törés jellege rideg, nagy belső nyomás eredménye, melyet a vékony rétegben elhelyezkedő molekuláris hidrogén okoz. Melegrepedés: elsősorban ausztenites acéloknál. H2 képes kidiffundálni: hegesztett szerkezet 250-300°C-on való huzamosabb hőntartásával.

A varrat H2 tartalmának csökkentése Az elektróda szárításával, Felület tisztítással, Rövid, leszorított ív alkalmazásával, Védőgázas eljárások alkalmazásával, A hegfürdő H2 tartalmának csökkentésével: A varratban nem oldódó H2 vegyületek képzésével: 1.A hegfürdő oxidálásával: 2 [H] + [O] = H2O 2. Fluorvegyületekkel (elektróda-bevonat, fedőpor): ( szilícium-tetrafluorid ) SiF4 elpárolog és a gázatmoszférába kerülve reakcióba lép hidrogénnel és vízgőzzel: A képződő HF (hidrogén-fluorid) stabil, szilárd, a vasban nem oldódik.