Mszaki Alapoz s Gpgyrtstechnolgiai Tanszk Gpszmrnki szak Gyrtstechnolgia

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

Hegeszthetőség (fémek és ötvözetek) Ø 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. Ø 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. Ø Technológiai hegeszthetőség: az alapanyag azon komplex tulajdonságai, amely meghatározzák a hegesztés hatására végbemenő fizikai, kémiai, szövetszerkezeti változásokat, megmutatva, hogy a választott hegesztési eljárással létrehozhatóe az üzemi és gazdaságossági követelményeket kielégítő hegesztett kötés.

Ø 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. Ø 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); Ø 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.

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

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 Ø 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, 986 o. C-on olvadó Fe-Fe. S 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% nincs melegrepedés Mn < 2, 5% C↑ Mn↓ pl. C=0, 2; Mn=1, 8 lehet (Mn. C repedési hajlam ↑) - általában 1 -2% Mn hatásos: S-t Mn. S-alakban (Top=1620 o. C) megköti, kizárja Fe-Fe. S eutektikum keletkezését. ↑Ni: - szilárdságot, szívósságot, képlékenységet növel, de drága - ha Ni >2, 5% melegrepedést növel! Cr: - szilárdságnövelő, nem befolyásolja a melegrepedési hajlamot.

3. A hegfürdő formájának hatása Ø 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 Ø A varratalakot jellemzi: - h 1, b, h 2, h= h 1 + h 2 együttesen - belső forma tényező: Ψ = b/h 1 jellemzi - külső forma tényező: φ = b/h 2 Ø Ψ = 0, 5 – 10; φ = 5 – 20 Ø Keskeny mély beolvadás: ψ = 0, 8 – 1, 2: krisztallit növekedése az oldalfelületeken indul, középen közel 180 o-ban nőnek össze; szennyező dúsulás középen → repedési hajlam nő, gyenge.

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

Ø 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

Ø Kedvezőtlen a Ψ: - gyökvarratnál, - leélezett lemezek sarokvarratánál. Ø 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 Ø Repedési hajlam csökkenthető: az elsődleges szövetszerkezet finomításával, kristályosodás jellegének változtatásával, finomszemcsés szerkezet létrehozásával Ø 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 (Al 2 O 3, Alnitrid, 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 Ø 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 Ø 200°C alatt keletkezik, amikor a varrat már elérte a szobahőmérsékleten jellemző mechanikai tulajdonságait; Ø Közepesen és erősen ötvözött perlites és martenzites acélok hegesztett kötéseiknek jellemző hibái (edzhető acélokban keletkeznek → ezért edzési repedésnek nevezzük); Ø Főleg a hőhatásövezetben lép fel, varratban ritkán, mert a varrat széntartalmát a melegrepedési hajlam csökkentésére korlátozzuk, ezért a hidegrepedés veszélye is csökken; Ø 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); Ø Megállapíthatók: szemrevételezés, makro-, mikro-vizsgálat, töretvizsgálat, legpontosabb: ultrahang vizsgálat; Ø Hidegrepedések oka: 1, durva martenzites szövetszerkezetnek és a hegesztési övezetben kialakuló bonyolult, többtengelyű feszültségi állapotnak tulajdonítják; 2, a varratból a hegesztési övezetbe diffundáló H 2 – másodlagos szerepe van.

ØA 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 Ø (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. Ø (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 % Si ≤ 0, 8% Mn ≤ 1, 7 % Cr ≤ 0, 9 % Cu ≤ 1% Ni ≤ 2, 5% Mo ≤ 0, 75 % V ≤ 0, 2 % CE = 0, 3… 0, 7 %-nál érvényes

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

A hegeszthetőség feltétele - Hegeszthetőség feltétele: Ce ≤ Ce meg = 0, 45% - ez meghatározott martenzit tartalomnak ( ≤ 30%), ill. keménységnek ( HV 10 ≤ 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 ( HV 10 ≤ 300) ; - Nagyszilárdságú ötvözött szerkezeti acéloknál, pl. előmelegítéssel hegesztett, nemesített acéloknál (Re. H=800 N/mm 2 ) : HV 10 ≤ 385 megengedett.

Technológiai próbák - A repedési hajlam megállapítására: mereven befogott lemezre hegesztett varrat vizsgálatával. - Kirovi próba: - s > 12; s 1 ≤ 0, 5 s - 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.

H 2 hatása a melegrepedési hajlamra Ø H 2 levegőből, elektróda bevonatból, fedőporból, rozsdából kerülhet be a varratba; Ø A folyékony vas (főleg erős túlhevítésnél, magas hőmérsékleten, atomos állapotban) nagy mennyiségű H 2 -t képes elnyelni; Ø A hegfürdő dermedésekor az oldóképesség ugrásszerűen csökken, így a H 2 egy része a varrat kristályosodása közben kiválik:

A varrat H 2 tartalma függ Ø hegesztési eljárástól Ø eljáráson belül is a hegesztő anyagok nedvességtartalmától Ø ötvözők befolyása a vas H 2 -oldó képességére: - csökkentik: C, Si, Al - növelik: Ni, Ti, Nb

H 2 hatása az acél tulajdonságaira Ø Gázzárványok keletkeznek: kristályosodási hőmérsékleten a hegfürdő H 2 -ben túltelített, atomos állapotban kiválik, molekulává alakul, így nem oldódik a fémben, összegyűlik → gázzárvány Ø Mikrorepedések a varratban és a hegesztési övezetben: - H 2 kiválás a varrat lehűlése közben is folytatódik; - atomos H → molekulává alakul, H 2: mikrolunkerekben → 103 -104 bar nyomást hoz létre → varratban és hegesztési övezetben mikrorepedéshez vezet. Ø Makrorepedés a varratban: - ötvözetlen szerkezeti acélok varratai nagy képlékenységgel bírnak, mikrorepedések nem terjednek, kivéve, ha a többtengelyű feszültségállapot miatt rideggé válik. - H 2 kiválás miatti mikrorepedés terjedés: ötvözött perlites acélok, martenzites, bainites szerkezetű acélok: gyors hűtésnél kis képlékenységűek! Ø 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. Ø Melegrepedés: elsősorban ausztenites acéloknál. H 2 képes kidiffundálni: hegesztett szerkezet 250 -300°C-on való huzamosabb hőntartásával.

A varrat H 2 tartalmának csökkentése Ø Az elektróda szárításával, Felület tisztítással, Rövid, leszorított ív alkalmazásával, Védőgázas eljárások alkalmazásával, A hegfürdő H 2 tartalmának csökkentésével: A varratban nem oldódó H 2 vegyületek képzésével: 1. A hegfürdő oxidálásával: 2 [H] + [O] = H 2 O 2. Fluorvegyületekkel (elektróda-bevonat, fedőpor): ( szilícium-tetrafluorid ) Si. F 4 elpárolog és a gázatmoszférába kerülve reakcióba lép hidrogénnel és vízgőzzel: A képződő HF (hidrogén-fluorid) stabil, szilárd, a vasban nem oldódik.