4. Toplinska Obrada Materijala Prije i Nakon Zavarivanja

6. SEMINAR Novine u tehnologiji zavarivanja i srodnim tehnikama Pula, 28.10.2010.

TOPLINSKA OBRADA MATERIJALA PRIJE I NAKON ZAVARIVANJA Tehnologija, oprema, primjena

Marinko Grbin ing., Josip Vuki Metalvar d.o.o., 10000 Zagreb,Radnika cesta 27 Tel: 01/606 2291 Fax: 01/ 606 2290 E-mail: [email protected]

Saetak:

Pregled materijala i objekata kod kojih je potrebna toplinska obrada. Oprema za toplinsku obradu; elektrootporno zagrijavanje i indukcijsko zagrijavanje. Prikaz primjera grijanja s naglaskom kada koja vrsta grijanja i snaga ure aja.

Kljune rijei: predgrijavanje, odarivanje, zavarivanje

Marinko Grbin ing.stroj. , Josip Vuki

1/13

Toplinska obrada materijala prije i nakon zavarivanja


GRIJANJE1. UVODPostupak zavarivanja sloenih konstrukcija, konstrukcija izra enih iz debelih limova iznad 30 mm ili konstrukcija izra enih iz elika povienih vrstoa ili nisko legiranih elika zahtjeva toplinsku obradu prije zavarivanja ili nakon zavarivanja a najee prije i poslije.Reim toplinske obrade uglavnom su precizirani tehnikim propisima i ovim referatom nee biti obuhvaena ta problematika. Obraditi e se vrste toplinske obrade, emu slue i kako se izvode.

2. PREDGRIJAVANJE Predgrijavanje je toplinska obrada prije zavarivanja a primjenjuje se radi smanjenja brzine hla enja zavarenog spoja. Time smanjujemo opasnost nastajanja tvrdih martezitnih struktura u zoni uticaja topline odnosno zoni izme u zavara i osnovnog materijala. Smanjenjem tvrdih struktura smanjujemo opasnost nastajanja pukotina. Temperatura predgrijavanja ovisi o debljini materijala i kemijskom sastavu. Ima nekoliko autora koji daju formulu za izraunavanje temperature predgrijavanja ali se nekako najee koristi metoda Seferijan kao najjednostavnija.


2/13



Metoda SeferianaZa izraunavanje temperature predgrijavanja Seferian je predloio jednostavan obrazac, koji je dobijen kao rezultat ispitivanja raspodjele tvrdoe u zoni ispod navara razliitih niskolegiranih elika. Temperatura predgrijavanja Tp se obra uje iz obrasca:

gdje[C]- predstavlja ukupni ekvivalentni ugljika. Ukupni ekvivalent ugljika jednak je zbroju kemijski ekvivalentnog ugljika [C]h, dobijenog na bazi kemijskog sastava elika, i ekvivalenta ugljika debljine [C]d, koji ovisi od dimenzija zavarivanih komada: [C]= [C]h+[C]d Broj 0,25 u izrazu odgovara gornjoj granici ugljika u obinim zavarljivim elicima. Kemijski ekvivalent ugljika se odre uje iz izraza: 360 [C]h= 360 C+40(Mn+Cr) +20 Ni+28 Mo Ekvivalent ugljika debljine [C]d, s jedne strane, ovisi od debljine lima, a s druge, od stupnja zakaljivosti elika i shodno tome, od kemijski ekvivalenta ugljika: [C]d = 0,005 x d x [C]h Gdje je d- debljina zavarivanih limova u mm; 0,005- koeficjent debljine odre en je eksperimentalno. Na taj nain, ukupni ekvivalent ugljika [C] se moe odrediti iz formule: [C]= [C]h (1+0,005d) Uzmimo primjer elika debljine 12 mm i kemijskog sastava C=0,25%; Mn=0,8%; Cr=1,0%; Mo=0,25% na imo kemijski ekvivalent ugljika prema obrascu: 360[C]h0 (360x0,25)+ 40(0,8+1)+(28x0,25) Odakle je [C]h= 0,46; i [C]= 0,46 (1+0,005x12)=0,48. Tada temperatura predgrijavanja iznosi


3/13



Greke koje mogu nastati nedovoljnim predgrijavanjem ne mogu se popraviti naknadnom toplinskom obradom. Predgrijava se u zoni uz pripremljeni spoj. irina zone predgrijavanja iznosi oko 10 debljina materijala sa svake strane ali ne treba vie od 250 mm kod debljih stijenki. Predgrijavati se moe plinski, elektrotporno i indukcijski.. Kod plinskog predgrijavanja temperatura se mjeri termokredama ili raznim tipovima termometara, ali ne ostaje trajan zapis. Kod plinskog predgrijavanja vrlo je teko, a i nemogue postii jednoliko grijanje po povrini i po presjeku. Mjesto ispod plamena se pregriju dok udaljena mjesta ostaju hladna, a i nema prigrijenosti po presjeku pa se razlike u temperaturi strane koja se grije od suprotne znaajne. Zbog navedenog kod odgovornih objekata gdje se trai jednoliko zagrijavanje po itavoj povrini i pregrijanosti po itavoj debljini te potrebi dokumentiranje o predgrijavanju obvezno je elektrootporno ili indukcijsko zagrijavanje.


4/13



3. ODARIVANJEOdarivanje je toplinska obrada koja se provodi radi smanjivanja zaostalih napetosti u zavarenom spoju: - kod nelegiranih elika veih debljina (>30 mm i vie); - kod niskolegiranih elika i kod manjih debljina(>6 mm i vie); - kod visokolegioranih elika. Osim smanjivanja zaostalih napetosti u zavarenom spoju, ta toplinska obrada koristi se i za poputanje napetosti hladno obra ivanih elika, npr.hladno savinutih plateva ili nekih drugi profila. Propisima i standardima odre uje se kad valja provoditi toplinsku obradu odarivanjem. Odarivanje elika se izvodi na temperaturi ispod temperature poetka strukturnih promjena, odnosno ispod toke pretvorbe (A1). Zaostale napetosti nastale zavarivanjem, odarivanjem praktiki gotovo nestaju.

Dijagram odarivanja Tsp = temperatura odarivanja tH = vrijeme dranja na temperaturi odarivanja tA = vrijeme hla enja


5/13



Proces odarivanja moe se podjeliti u tri faze: - postupno zagrijavanje do temperature odarivanja; - zadravanje na temperaturi odarivanja; - postupno hla enje. Vrijeme zagrijavanja, odarivanja i hla enja ovisi o vrsti elika i debljini radnog komada. Brzina zagrijavanja kod nelegiranih elika u praksi se kree 80-100C na sat. Isto tolika je i brzina hla enja. Kod niskolegiranih elika brzina zagrijavanja je znatno nia,oko 50C na sat pa ak i nia. Zadravanje na temperaturi odarivanja kree se 2-3 minute po mm debljine stijenke radnog komada, ali najmanje 30 minuta. Kontrolirano hla enje odvija se do 200C Odstupanje od zadane temperature u procesu odarivanja ne bi smijelo biti vee od 10C. Podatke za odarivanje pojedinih vrsta elika preporuuju proizvo ai elika, standardi i smjernice. Orjentacijski, nelegirani elici odaruju se na temperaturi 600-650C. Niskolegirani elici, s povienim sadrajem legiranih elemenata, odaruju se na temperaturi 660-690C pa i vioj. Temperatura odarivanja sitnozrnatih elika ne bi smijela biti via od 620C. Kod visokolegiranih vatrotpornih elika temperatura odarivanja je znatno via, 750-800C. Me utim, kod ovih temperatura odarivanja postoji opasnost razliitih izluivanja npr.kromovih karbida na granici zrna, a time i pojava sklonosti interkristalnoj koroziji.Stoga se izbjegava toplinska obrada odarivanjem, naroito ako su elici izloeni visokim temperaturama u eksplotaciji. isti austenitni elici odaruju se na temperaturi 900-950C i odmah hlade na zraku, tako da se kritina temperatura izluivanja kromovih karbida (izme u 450 i 800C) brzo prelazi. I kod tih elika se izbjegava odarivanje. U praksi se malo susreu zavareni austenitni elici velikih debljina. Odarivanjem se osim smanjenja zaostalih napetosti postie smanjenje tvrdoe u ZUT-u zavarenog spoja. To djelovanje odarivanja je za zavarenu konstrukciju u pojedinim sluajevima vanije od smanjenja zaostalih napetosti, a naroito je vano kod elika sklonih otvrdnjavanju(u ZUT-u) kod zavarivanja. Taj uinak toplinske obrade (smanjuje tvrdoe u ZUT-u) naziva se poputanje.

4. POBOLJANJEOva vrsta toplinske obrade primjenjuje se nakon zavarivanja elika za poboljanje. Svrha je poveanje ilavosti uz zadravanje visoke vrstoe. Proces je sljedei: najprije se obavlja zagrijavanje na temperaturi neto iznad linije A3; potom se provodi naglo hla enje do linije A1 i dalje, odre enom brzinom(kao kod otvrdnjavanja); nakon toga ponovno se provodi zagrijavanje na temperaturi iznad 400C a ispod toke A1 potom se postupno hladi.

Takvom toplinskom obradom specijalnih elika za poboljanje dobiva se otvrdnjavanjem vrlo visoka vrstoa, a naknadnim poputanjem dobra ilavost i granica razvlaenja. Stoga su elici otporni na velika i sloena dinamika naprezanja. Vrijednost temperature i vremena kod ove toplinske obrade ovise o sastavu elika za poboljanje. Preporuke o tome daju proizvo ai elika, a odre ene su i standardima.


6/13



5. NORMALIZACIJAToplinska obrada normalizacijom provodi se radi dovo enja grubozrnate, otvrdnute ili nejednolike strukture u normalnu strukturu elika. Kod zavarivanja elika sklonih otvrdnjavanju struktura u ZUT-u moe otvrdnuti toliko da postane sklona pukotinama. Odarivanjem se takva tvrdoa neto smanji, ali ne znaajno. Normalizacijom se prekomjerno otvrdnjavanje moe potpuno otkloniti i dovesti u podruje normalnih tvrdoa osnovnog materijala. Normalizacijom se takva struktura dovodi u normalno prvobitno stanje. Kod zavarivanja postupcima koji proizvode veliku koliinu taline, npr. zavarivanje pod troskom(EPT) ili u nekim sluajevima i kod EPP zavarivanja, dobiva se grubozrnata dendritna ljevaka struktura. Normalizacijom se ta struktura usitnjava. Da bi se izvrila kvalitetna normalizacija potrebno je: prekoraiti temperaturu iznad linije Ac3 za to manji iznos; drati radni komad na toj temperaturi to krae vrijeme, toliko da se jednoliko progrije; brzina grijanja u podruju pretvorbe treba biti to vea; hladiti na mirnom zraku, odnosno vrstu i brzinu hla enja prilagoditi radnom komadu

Postupak toplinske obrade normalizacijom je vrlo sloen i skup proces pa se izbjegava gdje god je to mogue. Kod temperature normalizacije vrstoa materijala smanji se do te mjere da radni komad usljed vlastite teine moe promjeniti svoj oblik tako da vie ne odgovara namjeni.

TN= temperatura normalizacije tH = vrijeme dranja na temperaturi normalizacije tA = vrijeme hla enja do 20C


7/13



6. OPREMA ZA TOPLINSKU OBRADUOsnovni zahtjevi koji se postavljaju na opremu za toplinsku obradu zavarenih konstrukcija su: mogunost vrlo fine regulacije zagrijavanja i hla enja; mogunost stalne kontrole temperature radnog komada; mogunost snimanja (ispisivanja) reima grijanja i hla enja radnog komada; odgovarajue veliine i oblici opreme u odnosu na radne komade; ekonominost opreme.

Kao oprema za toplinsku obradu mogu se koristiti stabilne pei, uglavnom dimenzionirane prema tipskim objektima koji se griju. Za pojedinane objekte raznih dimenzija projektiraju se i montane pei takvih dimenzija. Na moguim objektima esto se koristi parcijalna toplinska obrada samo zavarenog spoja i okoline. 6.1 Stabilne pei To su zidne stabilne pei dimenzija prilago enih tipskom objektu. Kod npr. rezervoari i kotlovi kao izvor energije koristi se elektrina energija plin ili tekue gorivo. Pe se posluuje kranskom dizalicom ili transportnim trakama.


8/13



6.2 Parcijalno grijanjeVrlo se esto doga a da se neki objekt izradi i toplinski obradi u radionici, ali se na terenu mora zavariti za postojee postrojenje. To je tipian primjer za naftnu i procesnu industriju. Tada se ovisno o poloaju, temperaturi, debljini itd.odabire potrebna oprema i na licu mjesta obavlja predgrijavanje i odarivanje, a ponekad i normalizacija. Postoje zahtjevni objekti kada je potrebno samo predgrijavanje. Tipian primjer su kuglasti spremnici za ukapljene plinove. To su veliki objekti promjera oko 20 metara koji se zbog svoje veliine ne mogu odarivati ali zbog debljine osnovnog materijala i kvalitete moraju predgrijavati. Tu je idealna primjena indukcijskog grijanja. Kablovi se protegnu i privrste uz zavareni spoj. Temperatura se postigne za 15 minuta, jednoliko raspore ena i registrirana dijagramom. Tako se moe zagrijati cca 20 metara spoja za cca 15 minuta na 150C uz utroak 10 KW elektrine energije to je neznatan troak ne uzimajui troak cijene opreme i ljudi. Slian je primjer predgrijavanja nogu naftnih platformi i nogu mostova i slino. Predgrijavanja spojeva jaruara u brodogradnji je vrlo zahtjevan zahvat. Ovisno o poziciji primjenjuje se indukcijsko zagrijavanje ili elektrotporno. Svugdje gdje je mogue primjenjuje se indukcijsko grijanje jer ima znatnih prednosti u odnosu na elektrotporno. Jednostavniji postupak postavljanja grijaa. Manji utroak elektrine energije, hladni grijai kablovi koji se hlade vodom omoguuju zavarivau micanje grijaa i naslanjanje tijekom zavarivanja. Kod kabastih konstrukcija s pregradama nuno je elektrotporno grijanje bez obzira na nedostatke u odnosu na indukciono. Za odarivanje u cilju oputanja zaostalih naprezanja elektrootporno zagrijavanje je u znatnoj prednosti. Ovisno o kvaliteti osnovnog materijala i debljini temperature odarivanja kreu se izme u 600C do 660C. Max temperatura indukcionim grijanjem je do 700C i trebalo bi idealno izolirati bez gubitka topline da se postigne traena temperatura. Zbog toga se za odarivanje primjenjuje elektrotporno grijanje. Traeno mjesto odarivanja obloi se grijaima, izolira vunom radi manjih gubitaka topline i vodi proces automatski prema traenom dijagramu. Interesantno je napomenuti da je kod parcijalnog odarivanja mogua i kombinacija indukcijskog i elektrotpornog grijanja. Zona zavarivanja zagrijava se elektrotporno, registrira temperatura i vodi proces. Da bi sprijeili veliko odvo enje topline, plat objekta omota se kablovima ure aja za indukcijono grijanje i odraava temperatura oko 200C. Na slikama se vidi parcijalno elektrotporno odarivanje zavarenog spoja na reaktoru i indukciono zagrijavanje plata.


9/13



7. OPREMA ZA TOPLINSKU OBRADU 7.1 Indukcijsko grijanjeIndukcijsko grijanje je proces u kojem ure aj proizvodi AC elektrinu struje do elektromagneta (zavojnica ili grijai kabel) i zatim elektrina struje u zavojnici stvara promjenjivo magnetsko polje. Promjenjivo magnetno polje prolazi kroz vodi i uzrokuje elektrinu struju (Fizika - Faradejev 'Zakon indukcije). Na povrini se stvara struja, koje se jo naziva"vrtlona struja". Kada vrtlone struje teku kroz radni komad, prirodni otpor u metal uzrokuje zagrijavanje . Dubina grijanja je ovisna o frekvenciji. Visoke frekvencije, (50 kHz) grije povrinski do 3mm, a niske frekvencije (60 Hz), prodiru dublje od 3 mm.

Prikaz ure aja za indukcijsko grijanje niske frekvencije: Miller ProHeat 35kW


10/13



Ure aj visoke frekvencije : EFD Minac 25 kW


11/13



7.2 Elektrootporno grijanjeElektrootporno grijanja je proces u kojem se grijai elementi(grijai) koji su montirani na predmet grijanja zagrijavaju na odre enu temperaturu i zatim dolazi do prenosa toplina s grijaa izravno na predmet grijanja.Toplina se ne proizvodi u grijanom materijalu kao kod indukcijskog grijanja. Termalni proces je pod kontrolom pomou sustava termoelemenata. Temperature se biljee na digitalnom ili analognom pisau.

Ure aj za elektrootporno grijanje: ElectroHeat TF 8036


12/13



8. ZAKLJUAK

Toplinska obrada prije i poslje zavarivanja je nuno zlo. Treba je izbjegavati gdje je to mogue, ali ako se mora izvesti onda se mora izvesti po pravilima struke sa obuenim i kvalificiranim operaterima te ispravnom opremom.

LITERATURA: D.Safarin: Metalurgija zavarivanja I.Juraga, M.ivi, M.Grbin: Reparaturno zavarivanje Grbin, Kovaevi, ivi: Elektroluno zavarivanje u zatiti plinova Prospektni material: Miller; ElectroHeat;EFD


13/13


Documents

4. Toplinska Obrada Materijala Prije i Nakon Zavarivanja