METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE … · 2017-11-28 · IV METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE KOMPONENTE Ključne besede: metalografija, X-večvarkovni zvar, toplotno

I

METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE

KOMPONENTE

diplomsko delo

Študent: Uroš Colarič

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika

Mentor: doc. dr. Zdravko Praunseis

Lektorica: Simona Žmauc, prof. slovenščine

Krško, september 2016

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Zdravku Praunseisu za pomoč in usmerjanje pri pisanju

diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem Inštitutu za energetiko za uporabo

laboratorijske opreme.

Posebna zahvala velja tudi staršem za vso podporo, razumevanje ter omogočanje študija.

IV

METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE KOMPONENTE

Ključne besede: metalografija, X-večvarkovni zvar, toplotno vplivano področje, optični

pregled

UDK: 621.791.053:54.06(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo obravnava optični pregled večvarkovnega zvarnega spoja in določitev

karakterističnih mikrostruktur v korenu, temenu in toplotno vplivanem področju zvarnega

spoja izdelanega iz visokotrdnostnega mikrolegiranega jekla, ki se največkrat uporablja za

gradnjo energetskih sistemov.

Opisani so postopki odvzemanja vzorcev iz zvarnih spojev in priprava metalografskih

obrusov za kvalitetno izdelavo metalografskih slik.

Ugotovljeno je, da je najbolj kritična mikrostruktura z najnižjo lomno žilavostjo toplotno

vplivano področje večvarkovnega zvarnega spoja.

V

METALLOGRAPHICAL ANALYSIS OF WELDED ENERGY COMPONENTS

Key words: metallography, multi-pass double v weld, heat affected zone, optical

inspection

UDK: 621.791.053:54.06(043.2)

Abstract

Thesis deals with an optical inspection of the multi-pass double v weld joint and the

determination of characteristic microstructures in the root, crown and the heat affected

zone of welded joint made from high-strength microalloyed steel, which is mainly used for

the construction of energy systems.

It describes the procedures for taking samples of welded joints and the preparation of

metallographic samples for quality production of metallographic images.

It was found that the most critical microstructure with the lowest fracture toughness is the

heat affected zone of multi-pass double v weld joint.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ................................................................................................................................ 1

2 METALOGRAFSKA PREISKAVA ZVAROV ......................................................... 2

2.1 POSEBNOSTI METALOGRAFSKE PREISKAVE ZVAROV .................................................................2

2.1.1 Splošno....................................................................................................................................................2

2.1.2 Tehnike odvzemanja in priprave vzorcev .............................................................................................3

2.2 MOŽNOSTI, KI JIH PONUJA MAKROSKOPSKA PREISKAVA ..........................................................4

2.2.1 Makroskopska predstavitev zvara; Definicije ......................................................................................4

2.2.2 Razlaga makroskopskih preiskav zvarov na jeklu ...............................................................................7

2.2.3 Pripombe k različnim rabam metalografske preiskave .....................................................................11

2.3 DOPOLNILA GLEDE MIKROSKOPSKE PREISKAVE ........................................................................12

3 STRJEVANJE TALILNEGA PODROČJA.............................................................. 14

3.1 POSEBNOSTI STRJEVANJA....................................................................................................................14

3.2 OBRAVNAVA TALILNE KOPELI ..........................................................................................................15

3.2.1 Splošni primer ......................................................................................................................................15

3.2.2 Posebni primeri: varjenje z elektronskim snopom, točkovno varjenje .............................................17

3.3 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA .......................................................................................................19

3.3.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija.....................................................................19

3.3.2 Trajektorja strjevanja - hitrost strjevanja ..........................................................................................21

3.3.3 Uporabnost makrografskih podob talilnega področja ......................................................................24

3.3.4 Vloga premen v trdnem stanju ............................................................................................................27

3.4 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA.......................................................................................................29

3.4.1 Izcejanje ( segregacija) .......................................................................................................................29

3.4.2 Drugi vzroki heterogenosti ..................................................................................................................32

3.5 PRAKTIČNE POSLEDICE ........................................................................................................................34

3.5.1 Delovanje plinov: pore ........................................................................................................................34

3.5.2 Pokljivost vara v toplem ......................................................................................................................37

3.5.3 Mehanske lastnosti vara ......................................................................................................................38

4 EKSPERIMENTALNI DEL ........................................................................................ 41

4.1 OPIS UPORABLJENIH NAPRAV-APARATUR ....................................................................................41

4.1.1 Rezalnik BUEHLER AbrasiMet 250 ...................................................................................................41

4.1.2 Ročni Brusilni polirni stroj BUEHLER MetaServ 250......................................................................44

VII

4.1.3 Avtomatski brusilni - polirni stroj BUEHLER EcoMet 250 Pro.......................................................46

4.1.4 Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m .................................................................................................49

4.1.5 Prenosni rentgenski fluorescenčni (XRF) analizator Thermo NITON XL3t ....................................51

4.2 IZDELAVA IN PRIPRAVA METALOGRAFSKEGA OBRUSA ..........................................................52

4.2.1 Izrez metalografskega obrusa .............................................................................................................52

4.2.2 Vlivanje (pritrjevanje) vzorca .............................................................................................................53

4.2.3 Brušenje vzorca ....................................................................................................................................54

4.2.4 Poliranje vzorca ...................................................................................................................................55

4.2.5 Jedkanje vzorca ....................................................................................................................................57

5 DOLOČITEV MIKROSTRUKTUR V ZVARNEM SPOJU ................................. 59

5.1 MIKROSKOPIRANJE (METALOGRAFSKA ANALIZA) VZORCA ..................................................59

5.2 IZSLEDKI (SLIKE MIKROSTRUKTUR ZVARNEGA SPOJA IN NJIHOVA DOLOČITEV)...........60

6 DISKUSIJA REZULTATOV ...................................................................................... 65

7 SKLEP ............................................................................................................................. 66

8 VIRI IN LITERATURA ............................................................................................... 68

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA

DELA IN OBJAVO OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV..................................................................69

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA ..............................................................70

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) za makrografijo prerezov zvarov,

zvarjenih s pomičnim izvorom toplote. [2] .............................................................................. 2

Slika 2.2: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) makro prerezov uporovno

varjenih zvarnih točk. [2] ........................................................................................................... 3

Slika 2.3: Polporušni odvzem preizkušanca v obliki ˝čolnička˝s sferičnim rezkarjem. [2] .. 4

Slika 2.4: Sestava področja sočelnega talilnega zvara v enem zvaru. [2] .............................. 5

Slika 2.5: Makroskopski videz zvara, varjenega pod pritiskom na toplo (primer jekla):

deformacija vlaken v prehodnem področju. [2] ....................................................................... 7

Slika 2.6: Makroskopski prikaz vrstnega reda in razporeditve zvarkov (primer zvara v treh

zvarkih na jeklu).[2] ................................................................................................................... 8

Slika 2.7: Planimetrična ocenitev mešanja na makroskopski sliki ob upoštevanju znane

začetne priprave.......................................................................................................................... 9

Slika 2.8: Razpoznavanje morebitnih toplotnih obdelav pred varjenjem in med varjenjem

ter po njem po njihovem učinku na talilno področje in toplotno vplivano področje. [2] .... 10

Slika 3.1: Shematski prikaz talilne kopeli v primeru I zvara. [2].......................................... 15

Slika 3.2: Tloris in vzdolžni prerez talilne kopeli in gibanje taline v kopeli. Vidne raze na

površini kažejo napredovanje talilne kopeli. [2] .................................................................... 16

Slika 3.3: Pogled v vzdolžnem prerezu na učinek napredovanja d l podaljšane talilne kopeli:

debelina dn ustrezne strnjene plasti je toliko manjša, kolikor je talilna kopel daljša. [2] .... 16

Slika 3.4: Varjenje z elektronskim snopom: talilno področje (sočelni I zvar) nastaja z

napredovanjem votlinice s tekočo oblogo, ki jo povzroča snop (črno polje na vzdolžnem

prerezu in v tlorisu). [2] ........................................................................................................... 17

Slika 3.5: Varjenje z elektronskim snopom: prikaz nepopolne homogenizacije talilne

kopeli z rezultati meritev trdot v heterogenem zvaru (A – avstenitno jeklo, M –

martenzitno jeklo). [2] ............................................................................................................. 18

Slika 3.6: Tvorba in usmeritev talilnega področja uporovnega točkovnega zvara. [2] ....... 18

Slika 3.7: Epitaksalno strjevanje v prehodnem področju. To področje, ki je prikazano na

sliki v prekinjeni črti, ni vidno v primeru čiste kovine. [2] ................................................... 20

IX

Slika 3.8: Epitaksalno strjevanje sledečih si zvarkov pri večvarkovnem varjenju iste kovine

ali zlitine brez fazne premene: strjena struktura se zadrži preko sledečih si prehodnih

področij.[2] ............................................................................................................................... 21

Slika 3.9: Trajektorija (smerna črta) strjevanja, ki jo povzroča pomik talilne kopeli: ........ 21

Slika 3.10: . Mehanizem selektivne rasti kristalnih zrn v prehodnem področju. Zrna vara,

katerih prednostna smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja, se razvijajo na račun drugih

zrn. [2] ....................................................................................................................................... 23

Slika 3.11: Zrna strjevanja, ki izhajajo iz selektivne rasti (pokončna slika v tlorisu). ........ 23

Slika 3.12: . Glavni videzi struktur strjevanja na prečnih prerezih in tlorisih [2] ............. 24

Slika 3.13: Struktura zvarov, varjenih navpično pod žlindro, ki se pojavi na prečnih

vzdolžnih prerezih: ................................................................................................................... 26

Slika 3.14: Struktura strjevanja uporovnih točkovnih zvarov: .............................................. 26

Slika 3.15: Prehod strukture strjevanja v strukturo premene v prehodnem področju

(jeklo). Proevtektoidni ferit, ki se izloča na mejah in v notranjosti zrn na obeh straneh

prehodnega področja, obdrži epitaksalni videz. [2] ............................................................... 28

Slika 3.16: Vloga fazne premene pri segrevanju v času varjenja v več zvarkih .................. 29

Slika 3.17: Uporaba primera večvarkovnega zvara na debeli pločevini [2] ......................... 29

Slika 3.18: Shematski prikaz rasti zrna pri strjevanju od začetnega kubičnega kristala: osi

rasti zrna, ki so usmerjene pravokotno na stranice kubičnega kristala. [2] .......................... 30

Slika 3.19: Mikroskopski videz ravninske strukture na začetku strjevanja v prehodnem

področju; dendritski videz se pokaže šele na določeni oddaljenosti od stične površine

"trdno/tekoče". [2] .................................................................................................................... 31

Slika 3.20: Makroskopski videz periodične heterogenosti na vzdolžnem in prečnem

prerezu, ki izvira iz prehoda v kapljicah v primeru heterogenega zvara. [2] ................... 33

Slika 3.21: Nastanek netopnih delcev v talilni kopeli in njihovo izločanje vzdolž robov

zvara. [2] ................................................................................................................................... 33

Slika 3.22: Sheme Chalmersa (na levi) v zvezi z okoliščinami nastajanja in oblike por;

uporaba (shem) za razlago poroznosti (na desni) v talilnem področju: (S - trdno, L -

tekoče):...................................................................................................................................... 35

Slika 3.23: Radiografski videz črvičastih por. Razporeditev, imenovana tudi "ribja kost".

[2] .............................................................................................................................................. 36

X

Slika 3.24: Makroskopski videz (v tlorisu in v prečnem prerezu) vzdolžnega in prečnega

interdendritnega razpokanja v toplem. [2] ............................................................................. 37

Slika 3.25: Posledica anizotropije vara v enem ali več varkih na izdelku, ki nima fazne

premene (glej sliko 3.8). Natezni preizkušanec zvara, ki je izrezan vzdolž vara, se bolj

deformira med preizkusom v smeri rasti zrn kot v prečni smeri: preizkušanec postane

ovalen [2] .................................................................................................................................. 39

Slika 3.26: Možne lege žilavostnega preizkušanca in njegove zareze glede na smer rasti

strjevanih zrn (primer zvara pri varjenju pod žlindro). [2] .................................................... 39

Slika 4.1: AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik. ................................................................ 42

Slika 4.2: MetaServ 250 brusilni-polirni stroj. ....................................................................... 45

Slika 4.3: EcoMet 250 brusilni-polirni stroj. [7] .................................................................... 47

Slika 4.4: Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m. ................................................................. 50

Slika 4.5: analizator Thermo NITON XL3t. [8]..................................................................... 51

Slika 4.6: vzorec izrezan (prečno) iz zvarnega mesta. ........................................................... 53

Slika 4.7: priprava mase za vlivanje vzorca za izdelavo metalografskega obrusa............... 54

Slika 4.8: primer ročnega brušenja metalografskega obrusa. ................................................ 55

Slika 4.9: polikristalno abrazivno sredstvo 3 mikrone. ......................................................... 56

Slika 4.10: polikristalno abrazivno sredstvo 9 mikronov. ..................................................... 56

Slika 4.11: Al2O3 - prah, k ga uporabljamo za končno poliranje metalografskih obrusov. [9]

................................................................................................................................................... 57

Slika 5.1: Pregled metalografskega obrusa s svetlobnim mikroskopom Zeiss, Axio Imager

A2m. .......................................................................................................................................... 59

Slika 5.2: prikaz računalniške obdelave s programom AxioVision. ..................................... 60

Slika 5.3: Osnovna slika X-večvarkovnega zvara.................................................................. 60

Slika 5.4: Bainit v osnovnem materialu – NIOMOL 490K(320 x). ..................................... 61

Slika 5.5: Drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v korenu zvara s sledovi

primarnega ferita po mejah avstenitnih zrn (200 x). .............................................................. 61

Slika 5.6: Drobnozrnata feritno-bainitna mikrostruktura v korenu zvara (1000 x). ............ 62

Slika 5.7: Bainit v korenskih varkih zvara. ............................................................................ 62

Slika 5.8: Drobnozrnata bainitna mikrostruktura v korenskem delu zvara. ......................... 63

Slika 5.9: Bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja. ............. 63

Slika 5.10 Feritno – bainitna mikrostruktura v korenu zvara. ............................................... 64

XI

UPORABLJENI SIMBOLI

A(mm2) - površina prereza zvara

a(mm2) - površina prereza osnovnega materiala

L(likvidus) - tekoče stanje

S(solidus) - trdno stanje

Q(26 KJ/ cm) - vnos toplote pri varjenju

A1,A2,A3 - izoterme premen

Vs(mm) - hitrost varjenja

P(kW/Hp) - moč

d% - procentualna stopnja mešanja materiala v varu

I1,I2,I3 - lege izotermne površine

T - trajektorija strjevanja

γ - avstenit(gama)

δ - delta ferit

Mg - magnezij

P(bar) - tlak

Ni - nikelj

Cr - krom

S - žveplo

U - uran

C - ogljik

CO2 - ogljikov dioksid

Ar - argon

U(V) - napetost

f(Hz) - frekvenca

I(A) - tok

Al2O3 - aluminijev oksid

SiC - silicijev karbid

Si - silicij

Mn - mangan

P - fosfor

XII

Mo - molibden

V - vanadij

Al - aluminij

Ti - titan

XIII

UPORABLJENE KRATICE

TVP - toplotno vplivano področje

TEM - transmisijski elektronski mikroskop

TIG - postopek varjenja (tungsten inert gas)

MIG - postopek varjenja (metal inert gas)

MAG - postopek varjenja (metal active gas)

LED - vrsta žarnice (light-emitting diode)

CE - spričevalo skladnosti ("Conformité Européene" ("evropska skladnost") )

EC - certifikat o preizkusu

USB - povezava z osebnim računalnikom (Universal Serial Bus)

GPS - navigacija (global positioning system)

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Varjeni jekleni deli so pomemben in kritičen del vsakega energetskega postrojenja. Zaradi

navedenega je poznavanje mikrostruktur po varjenju ključnega pomena za pravilno

ocenitev varnega obratovanja konstrukcije.

Postopek po katerem prepoznavamo mikrostrukture v zvaru in njegovi okolici imenujemo

metalografska preiskava zvarnega spoja. V ta namen moramo odvzeti vzorec zvarnega

spoja in ga pripraviti za nadaljno obdelavo.

Metalografska preiskava v povezavi s preiskovalnimi tehnikami, ki jo informacijsko

dopolnjujejo, je osnova metalurškega študija zvarov. Kar zadeva makroskopijo in

mikroskopijo, moramo pregledati posebnosti teh dveh tehnik, kadar jih uporabljamo za

preiskavo zvarov za raziskovalne cilje, pri izdelavi, kontroli in tudi pouku. Metalografska

preiskava zvarov predstavlja eno najvažnejših tehnik metalurškega študija zvarov, kajti

njeni rezultati omogočajo zbrati in razložiti delne rezultate, ki jih dobimo pri drugih

tehnikah preiskave.

Pregled in določitev vseh mikrostruktur v zvarnem spoju opravimo z optičnim stereo

mikroskopom .

Praktični del naloge je bil izveden na Inštitutu za energetiko in zajema izdelavo X-

večvarkovnega zvarnega spoja, odvzem in pripravo vzorca zvarnega spoja ter

eksperimentalno delo na Zeiss mikroskopu.


2

2 METALOGRAFSKA PREISKAVA ZVAROV

2.1 POSEBNOSTI METALOGRAFSKE PREISKAVE ZVAROV

2.1.1 Splošno

Najbolj pogosto izvajamo metalografsko preiskavo na odvzetih preizkušancih (iz

varjencev); torej s porušitvijo. Neporušni postopek ali postopek z delno porušitvijo replik

uporabljamo redkeje v makrografiji in češče v mikrografiji. Vedno, kadar je mogoče,

dajemo prednost odvzetim vzorcem, ki imajo vsa zanimiva področja preiskovanega zvara;

edina resna ovira, predvsem v mikrografiji, sta teža in velikost vzorcev (primer velikih

debelin). V primeru izdelave zvarov s pomikom izvora toplote najbolj pogosto odvzamemo

vzorce prečno na linijo zvara (slika 2.1-a). Tako odvzet vzorec je reprezentativen za ves

Slika 2.1: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) za makrografijo prerezov zvarov,

zvarjenih s pomičnim izvorom toplote. [2]


3

zvar, kjer je bilo med varjenjem doseženo kvazistacionarno stanje. Odvzeti vzorec v drugih

legah ali smereh ni pri tem izključen; posebno zanimive informacije dobimo na vzdolžnih

prerezih (slika 2.1-b), predvsem, kar zadeva morfologijo morebitnih razpok, o katerih se ne

moremo izjaviti, preden nismo preiskali obeh vrst prerezov, prečnega in vzdolžnega.[2]

V primeru varjenja z nepomičnim izvorom toplote v splošnem izrežemo vzorec po

simetrijski ravnini; to je primer za zvarno točko pri uporovnem varjenju, ki jo preiskujemo

po sredi (slika 2.2-a), toda tudi tu je mogoče potrebno preiskovati drug prerez, npr. skozi

ekvatorialno ravnino. [2]

Slika 2.2: Mesto odvzema in priprava površin (poliranje) makro prerezov uporovno varjenih zvarnih točk. [2]

a - prerez preko debeline po sredi točke, b - ekvatorialni prerez, vzporedno površini varjenca

2.1.2 Tehnike odvzemanja in priprave vzorcev

Le v okviru izdelave ekspertiz uporabljamo odvzete vzorce, sicer pa v makrografski

preiskavi zvarov uporabljamo preizkušance, ki so posebej pripravljeni, ali pa celo

preizkušance, pripravljene sicer za druge preiskave (preizkus trdote, mehanski preizkusi ali

tudi preizkus varivosti). Včasih smo uporabljali makrografsko preiskavo tudi za kontrolo –

z rezervami, toda upoštevanje, da pri tem poškodujemo konstrukcijo, ker bi iz nje izrezali

preizkušance in razvoj ustreznejših možnosti kontrole, sta narekovali opustitev te prakse.

Toda še vedno imamo v praksi nek način odvzema vzorcev s sferinim rezkalom z vzorcem

v obliki ˝čolnička ̋ (slika 2.3); oblika tako poškodovanega področja je ustreznejša za

neizogibno kasnejše popravilo z varjenjem kot v primeru valjasto izvrtanih preizkušancev.

Ta način odvzema vzorcev uporabljamo za dopolnitev neporušne kontrole (radiografije ali


4

Slika 2.3: Polporušni odvzem preizkušanca v obliki ˝čolnička˝s sferičnim rezkarjem. [2]

ultrazvoka), kadar moramo natančno določiti vrsto in lego odkritih napak in, če napake so,

oceniti možnost njihovega popravila. [2]

Ne glede na namen preiskave je važno, da s tehniko odvzema vzorcev in pripravo ne

povzročimo segretja, s katerim bi lahko spremenili makrografski ali mikrografski videz

področij, ki nas zanimajo. Če pri tem uporabljamo toplotno rezanje, da bi prišli do vzorca

preizkušanca, mora biti velikost tega vzorca zadostna, da brez težav mehansko odstranimo

zaradi toplotnega rezanja spremenjeno strukturo. [2]

Prav tako moramo biti previdni ne glede na marko ali mikrografijo pri izdelavi in poliranju

obrusov, predvsem pri mehanskem poliranju; razlika med obema je samo v stopnji

predvidenega poliranja glede na jakost potrebnega jedkanja, da pridemo do vpogleda v

spremembe preiskane sestave in strukture. Elektrolitsko poliranje praktično v mikrografiji

omogoča doseči zelo visoko stopnjo poliranja, ne da bi pri tem prišli do kakšne spremembe

ali deformacije v hladnem na preiskovani površini kot pri mehanskem poliranju. [2]

2.2 MOŽNOSTI, KI JIH PONUJA MAKROSKOPSKA PREISKAVA

2.2.1 Makroskopska predstavitev zvara; Definicije

Jedkanje makro obrusa omogoča med drugim prikaz sestavnih področij zvara, ki se

razlikujejo drugo od drugega v odvisnosti od jakosti jedkanja ali po različnih barvah. Te


5

razlike predstavljajo spremembe sestave in strukture, ki jih povzroči varjenje. Če je

jedkanje zadostno, so razlike vidne na oko ali pri rahlem povečanju. Na primer, v splošnem

prerezu sočelnega taljenega zvara v enem zvarku, bomo opazili naslednja področja, ki so

prikazana na sliki 2.4-a. Talilno področje je področje, v katerem je bila kovina med

varjenjem

Slika 2.4: Sestava področja sočelnega talilnega zvara v enem zvaru. [2]

Legenda slike:

a) Splošni primer

1) Talilno področje

2) Prehodno področje

3) Toplotno vplivano področje (TVP)

4) Osnovni material

b) Posebni primer za jeklo

staljena; do njega smo prišli s taljenjem osnovnega materiala z večjim ali manjšim

mešanjem s staljenim dodajnim materialom. Takoj po varjenju so zrna, ki rastejo iz

strjevanja, v splošnem razvidna brez povečave. Kovino, ki jo sestavlja talilno področje,

imenujemo var. Staljeni dodajni material, to je pred mešanjem, imenujem čisti var.[2]

Prehodno področje ustreza meji, do katere je bil osnovni material raztaljen in omejuje

taljeno področje; razvidno je zaradi razlike v strukturi, ki jo ugotovimo z ene in druge

strani zvara. Naj spomnimo, da je za neko zlitino (v širokem smislu besede: kovina-kovina

ali kovina-nečistoča) značilno področje temperature, imenovano interval strjevanja, v

katerem sta v ravnotežju dve fazi, tekoča in trdna. Prehodno področje je zanimivo po tem,

da je mesto začetka strjevanja zvara. [2]


6

Toplotno vplivano področje (TVP) je tisto področje, v katerem toplotni cikel varjenja pri

segrevanju povzroča od začetne temperature navzgor eno ali več strukturnih premen v

trdnem stanju. Transformacije pri ohlajanju so težje določljive z mikrografijo, kajti

potrebnemu pogoju dosežene temperature ne dodajamo v splošnem pogoj za čas ohladitve .

Z vsako strukturno premeno je značilna nižja temperatura, ki je obenem zunanja meja

ustreznega vplivanega področja in sovpada z značilno izotermo te temperature. Ta

izoterma se pojavi bolj ali manj jasno glede na to, če pojav napreduje v odvisnosti od

temperature ali ne napreduje. Tako na sliki 2.4-b na jeklu razlikujemo po napredujoči

spremembi obarvanosti vstop v področje, kjer je temperautra A1 (pospešen prehod perlita v

avstenit). Temu sledi oster prehod v popolnoma avstenitizirano področje nad temperaturno

premeno. Bliže talilnemu področju je področje rasti avstenitnega zrna. Zrno je tem večje,

čim višja je bila dosežena temperatura. Pregreto področje je bolj ali manj vidno, vendar ni

jasno omejeno z izotermo. [2]

Osnovni material je del varilnega preizkušanca za makrografijo in mikrografijo. Najprej je

osnovni material osnova za oceno sprememb, do katerih pride pri varjenju. Na drugi strani

pa določene spremembe niso vidne pri makroskopski obdelavi, ker ustvarjajo sestavne dele

in strukture, ki so preveč fine ali preveč disperzirane, da bi nastala heterogenost vidna pri

makroskopski obdelavi; te strukture so v velikosti optične ali celo elektronske

mikroskopije. Zato ne smemo sklepati, da osnovni material ni prizadet, če makroskopska

preiskava ni ničesar odkrila. Tak primer je morebitno staranje jekla, ki ga povzroči varjenje

v bližini hladno deformiranega področja. [2]

Pri načinih varjenja, kjer ne pride do taljenja, in tistih, kjer je talina iztisnjena, ni talilnega

področja; tam opazimo samo z ene in druge strani prehodno področje, kjer ostane trdna

kovina med varjenjem, toda morebitno ostaja na njej sled deformacije, ki jo je doživela, v

hladnem ali v toplem, glede na način varjenja. S tem je tako, na primer, pri obžigalnem ali

varjenju s trenjem (slika 2.5), kjer makrografska obdelava istočasno odkrije toplotno

vplivano področje in deformacijo kovine, zaznamovano z odklonom vlaken. Lahko bi

navajali tudi makrografske posebnosti v zvezi z drugimi načini kot so spajkanje ali varilno

spajkanje, difuzijsko varjenje itd. [1-5]


7

Slika 2.5: Makroskopski videz zvara, varjenega pod pritiskom na toplo (primer jekla): deformacija vlaken v

prehodnem področju. [2]

2.2.2 Razlaga makroskopskih preiskav zvarov na jeklu

Če se omejimo na talilne zvare v enem ali več zvarkih, lahko razpravljamo o podatkih, ki

jih da makroskopska preiskava na eni strani o geometrijskih ali fizikalnih nepravilnostih na

zvarih, na drugi strani pa o njihovih pogojih izdelave. [2]

Kar zadeva geometrijske in fizikalne nepravilnosti, je jasno, da so samo tiste vidne, ki so

na preiskovanih površinah. Le-te so vidne na prerezih brez jedkanja tudi kot rezultat

neporušne kontrole in so tako z makrografijo potrjene in dopolnjene.

Pri geometrijskih nepravilnostih naj navedemo:

- zamik robov

- kotno deformacijo (učinek strehe)

- zamaknitev zvarov zgoraj in spodaj

- zajede

- pretirano teme ali pomanjkljivo teme

- pomanjkljiva spojitev (zlep) (napaka uvara)

Med fizikalne nepravilnosti (ali nepravilnosti homogenosti) štejemo:

- pore


8

- nekovinske vključke (žlindra)

- pomanjkljiva zlitja (lepljenje)

- razpoke

S tem, da je viden samo tisti del nepravilnosti, ki leži na površini obrusa, preiskava samo

na enem prerezu ne omogoča točno določiti oblike preiskovane napake. Ta pripomba v

bistvu velja za vključke, pore in predvsem razpoke, katerih natančna določitev je lahko

rezultat preiskave v več prerezih. [2]

Pogoje izdelave zvarov lahko natančno določimo vsekakor z makroskopsko preiskavo, kar

zadeva naslednje elemente, ki veljajo za talilne zvare na jeklu:

- Določitev načina varjenja: To je vprašanje samo v primeru ekspertize, toda dobro je

vedeti, da je način varjenja v bistvu ugotovljiv po obliki talilnega področja (če tam sploh

je) na prečnih prerezih in po bolj ali manj širokem toplotno vplivanem področju .

- Število, razporeditev in vrstni red zvarkov: Mikrografija daje podatke o tem z

opazovanjem naslednjih posebnosti zvara v treh zvarkih, od katerih je eden izdelan z druge

(korenske) strani (slika 2.6).

Slika 2.6: Makroskopski prikaz vrstnega reda in razporeditve zvarkov (primer zvara v treh zvarkih na

jeklu).[2]

- V zvaru so vidna prehodna področja in kažejo svojo konkavnost iz tiste strani, kjer

so bili varki varjeni. Pri prekrivanju varkov ločimo vrstni red in njihovo število .

- Področja zvara, kjer so medsebojno toplotno vplivani zvarki, se kažejo s svojo

konkavnostjo in z njihovo različno strukturo (ki je fina), kar potrjuje prejšnjo diagnozo .


9

- Meje toplotno vplivanih področij osnovnega materiala, ki izvirajo iz vsakega

zvarka, potrjujejo s svojimi usmeritvami in s svojimi medsebojnimi sečišči ugotovitve, ki

smo jih naredili o zvaru, vsaj na meji talilnega področja

- Varki v zvaru takoj po varjenju (označeni so z dve ali tri, oziroma tri ali dve) se

razlikujejo po strukturi, ki ni transformirana z učinkom prejšnjih zvarkov

- Glede na vrstni red zvarkov, pa lahko pride do dvomov. Tako z makrografijo na

sliki 2.6 ne moremo ugotoviti, če je bil varek s korenske strani zavarjen preje ali kasneje

kot zadnji varek s temenske strani. [2-4]

Ocena procentualne stopnje mešanj: Po že dani definiciji procentualne stopnje mešanja

zadošča izmeriti za oceno te procentualne stopnje v primeru istega varka ali navarka (slika

2.7-a) ploskev ˝a˝ (staljeni osnovni material) in ploskev A (celotno staljeni material), da b i

izračunali to procentualno stopnjo za:

d% = (a / (a + A)) . 100 [%];

od tod sledi ocena kemijske sestave vara iz osnovnega materiala in čistega vara. Ta

Slika 2.7: Planimetrična ocenitev mešanja na makroskopski sliki ob upoštevanju znane začetne priprave .

a - na navaru, b - na zvarjenem spoju;

A - celotna površina zvara, a – površina osnovnega materiala, ki ga je zajelo taljenje. [2]


10

postopek zelo koristi v primeru heterogenih navarjanj (npr. nerjavečega jekla na malo

legirano jeklo) in omogoča, da so pogoji izvedbe in nato uvar konstantni po vsej dolžini

navara. [2]

Isti postopek je mogoč v primeru zvara pod pogojem, da poznamo začetni profil in žlebno

režo, ki jo imamo na makroskopski sliki (slika 2.7-b). [2]

Toplotna obdelava pred varjenjem, med varjenjem in po varjenju; makroskopija omogoča

za zvare na jeklu, da določimo ali preverimo, če smo take postopke uporabili:

- Varjenje na predmetu, ki je bil pred varjenjem normaliziran, povzroči toplotno

vplivano področje; tega jasno omejujejo izoterme premen A1 in A3 (slika 2.8-a). Če je bilo

Slika 2.8: Razpoznavanje morebitnih toplotnih obdelav pred varjenjem in med varjenjem ter po njem po

njihovem učinku na talilno področje in toplotno vplivano področje. [2]

jeklo pred varjenjem kaljeno in popuščeno, toplotni cikel učinkuje preko meja teh izoterm

s tem, da povzroči visoko popustitev na področju, ki je bilo ponovno segreto preko

temperature začetnega popuščanja. Metalografsko jedkanje zaznamuje to področje z

avreolo, ki je manj kontrastna in ki obkroža avstenitizirano področje (slika 2.8-b).

Predgretje povzroči zmanjšanje temperaturnega gradienta, torej povečanje toplotno

vplivanega področja. Primerjava makroskopske slike varka, ki ni bil predgret (slika 2.8-c),


11

z makroskopsko sliko predgretega varka in izdelanega z enako energijo (slika 2.8-d) jasno

kaže povečanje toplotno vplivanega področja in manjši kontrast.

- V praksi normaliziramo na temperaturo, ki je višja od A3, da bi dobili popolno

avstenitizacijo. Če tako normaliziramo cel varjenec ali zadostno širino okrog zvara, izgine

toplotno vplivano področje, ki je reavstenitizirano z osnovnim materialom in ki povzroči

pomanjšanje zrn v talilnem področju (kar je eden od ciljev normalizacije). To je vzrok zelo

različnih makroskopskih slik varka takoj po varjenju (slika 2.8-c) in normaliziranega varka

(slika 2.8-f). Podobno velja tudi za postopek kaljenja in popuščanja varjencev.

- Če toplotno obdelujemo na temperaturi, kjer ne pride do avstenitizacije, kot v

primeru postopkov sproščanja napetosti, vplivano področje ni niti odpravljeno niti

dimenzijsko spremenjeno, toda učinek popuščanja pri tej izvedbi se kaže z manjšim

kontrastom obarvanosti TVP, ki je primerljiva s tisto v primeru d nasliki 2.8. [2-4]

2.2.3 Pripombe k različnim rabam metalografske preiskave

Makroskopska preiskava zvarov z ozirom na podatke, ki jih nudi, je uporabna za različne

primere, h katerim naj naredimo nekaj pripomb.

Najprej: makroskopska preiskava je pred mikroskopsko, ki jo vpeljuje, ne glede na namen

mikroskopije (raziskava, ekpertiza, kontrola, pouk); tudi če kasnejše izvedbe dopoln jujejo

makroskopsko preiskavo, je ta preiskava neizogibna, da bi s tem lokalizirali mikroskopske

preiskave in nato iz njih izvajali zaključke. Pogosto zato rezultate mikroskopske raziskave

zvarov predstavimo istočasno z makroskopijo, kjer so prikazane lege preiskovanih mest.

[2]

Prav tako je makroskopija nepogrešljiva za določitev mest odvzema preizkušancev za

preiskave. To velja za preizkuse trdote pod zvarkom ali na zvarih in za različne mehanske

preizkuse, vključno s preizkusi žilavosti, za katere je makroskopsko jedkanje samih

vzorcev neizogibno, da bi natančno določili lego zareze. To velja tudi za kemijske

mikroanalize, posebno s pomočjo elektronske mikrosonde. Rezultate teh različnih

preizkusov pogosto prikažemo na makroskopski shemi preiskovanega zvara. [1-5]


12

Kadar uporabljamo za kontrolo makroskopsko preiskavo, moramo upoštevati, že prej

izražene pomisleke, da lahko pride do poškodbe pri odvzemu potrebnih preizkušancev.

Zaradi tega sklepamo, da drugih nepravilnosti kot večine že preje naštetih, ne moremo

zanesljivo odkriti. Obliko in naravo teh napak natančno ugotovimo na lokaliziran ih

prerezih s predhodno neporušno kontrolo. Nasprotno pa lahko odkrijemo značilnosti

izdelave, ki se stalno ponavljajo vzdolž zvara zaradi kvazistacionarnega stanja z

makroskopsko preiskavo, in sicer na katerem koli prerezu. Zato je makroskopska preiskava

pomembna za določitev in odobritev izvedbenih predpisov ali za njihovo pravilno uporabo.

V prvem primeru v praksi opravljamo preizkuse na reprezentativnih spojih; v drugem pa

preiskujemo spoje na dodanem materialu (talonu), varjenem istočasno z zvari na

konstrukciji. V tem primeru moramo posvetiti največjo pozornost resnično

reprezentativnemu značaju talonov glede toplotnega cikla, ki so mu podvrženi (varjenje in

toplotna obdelava). [2-3]

2.3 DOPOLNILA GLEDE MIKROSKOPSKE PREISKAVE

Mikroskopska preiskava, optična ali elektronska, ki jo tako vpeljemo z makroskopsko

preiskavo, ne predstavlja posebnega problema za zvare, kar zadeva preiskovalno tehniko.

Navedli bomo le nekaj praktičnih podatkov.

Kar zadeva izdelavo preizkušancev, ki jo izvajamo na enak način za optično in

elektronsko mikroskopijo, poliranje in elektrolitsko jedkanje predstavljata nekaj težav, če

želimo dobiti enakomerno polirano površino prereza celotnega zvarjenega spoja, ki ima

različne hitrosti raztapljanja (jedkanja). Najčešče se zadovoljimo z več lokalnimi poliranji

(vsak na premeru nekaj milimetrov) na mestih, ki jih želimo preiskovati in smo jih

predhodno določili z makrografsko preiskavo. [2-3]

Za preiskavo na transmisijskem elektronskem mikroskopu (TEM) delamo z replikami, v

splošnem ogljičnimi, ki jih pripravimo z naparevanjem ogljika na plastične odtise s

poliranih in jedkanih preizkušancev. Lahko pa uporabimo tudi zelo tanke preizkušance

(stanjšane z elektrolitskim raztapljanjem), katerih priprava je bolj občutljiva kot tudi


13

njihova lokalizacija. V tem oziru je elektronska rasterska (vrstična) mikroskopija

ustreznejša za preiskavo zvarov kot transmisijska (presevna) elektronska mikroskopija,

kar zadeva možnost opazovanja na vsej polirani površini. [2]

Mikroskopska preiskava je lahko včasih kvantitativna, tako da uporabimo dodatno

opremo. Ocenimo lahko vsebnost delta ferita v strukturi avstenitnih zvarov, delež

martenzita v TVP zvarov na jeklu ali tudi vključkov v talilnem področju. [2]

Končno je za raziskovalne in učne potrebe mikroskopska preiskava, lahko združena z

kinematografijo, kot je bil primer na francoskem Institutu za varjenje pri študiju vloge

vodika za pokljivost v hladnem in za uhajanje tega plina iz talilnega področja. [2]


14

3 STRJEVANJE TALILNEGA PODROČJA

3.1 POSEBNOSTI STRJEVANJA

Poskušali bomo ugotoviti razlike in podobnost med strjevanjem vara zvarov in strjevanjem

odlitkov.

V ingotu ali odlitku je v začetku mirujoča talina (razen pri centrifugalnem vlivanju) segreta

na enakomerno temperaturo. V sredini taline ne pride do temperaturnega gradienta.

Ohlajanje se začne s toplotno izmenjavo med zunanjostjo "kokile" ali kalupa in obdajajočo

okolico. Strjevanje se začenja na stenah "kokile", ne da bi prišlo do zlivanja z materialom

"kokile". Nadaljuje se z izotermami proti notranjosti odlitka. Pri talilnem varjenju pa se

talina, ki jo predstavlja talilna kopel, pomika; natali tudi osnovni material; strjevanje taline

poteka postopoma. Njegov potek uravnava hitrost varjenja. Na stičišču likvidus-solidus

pride med parnikom do močnega gradienta temperature, tako v smeri taline kot v smeri

trdne faze. [2]

Najbližji primer vlivanja je, v približnem merilu, uporovno točkovno varjenje. Prav tako je

treba spomniti, da opazujemo strjevanje in ohlajanje makroskopsko negibne taline pod

pritiskom.[2]

Potem ko smo opisali talilno kopel, bomo v naslednjem obravnavali kristalografijo in

fizikalno kemijo strjevanja, da bi v praksi lažje razumeli njegove posledice.


15

3.2 OBRAVNAVA TALILNE KOPELI

3.2.1 Splošni primer

Če pustimo ob strani posebne primere varjenja z elektronskim snopom in točkovnega

varjenja, lahko definiramo talilno kopel (slika 3.1), kot bi bila v določenem trenutku

Slika 3.1: Shematski prikaz talilne kopeli v primeru I zvara. [2]

sestavljena iz določene prostornine taline v gibanju, ki je nastala s taljenjem osnovnega

materiala in z morebitnim staljenim dodajnim materialom. Spredaj jo omejuje izotermna

površina taljenja osnovnega materiala in zadaj stičišče taline in trdnega kot rezultat pomika

izvora toplote. Površino talilne kopeli prekriva, glede na način varjenja, zaščitni plin ali

talina žlindre, ki nastane iz praškov ali oplaščenja. Ta površina ni ravna; na njej je mesto

vpada izvora toplote (plamen, oblok, plazma, laser), katerega dinamični učinek ni

neznaten; temperaturni gradient povzroči konvekcijska gibanja v talilni kopeli.

Elektromagnetne sile, ki jih povzroča oblok, tudi igrajo svojo vlogo v kopeli. Povsem

razumljivo je, da je pomik izvora toplote naprej vezan na talilno kopel, ki ohranja svojo

obliko, če je kvazistacionarno stanje temperatur ohranjeno kot tudi morebitno dodajanje

staljenega dodajnega materiala. [2-4]


16

Pomik izvora toplote naprej in z njim talilne kopeli povzroča gibanje staljene kovine od

čela, kjer se tvori, in nazaj, kjer se strjuje, in sicer ob straneh in v globino (slika 3.2). Še

več, bolj ali manj podolgovata oblika talilne kopeli, ki je odvisna od hitrosti pomika in

Slika 3.2: Tloris in vzdolžni prerez talilne kopeli in gibanje taline v kopeli. Vidne raze na površini kažejo

napredovanje talilne kopeli. [2]

načina varjenja, ima za posledico dejstvo, da vsakemu pomiku dl izvora toplote (slika 3.3)

pripada taljenje določene prostornine dV kovine, kar pomeni za izvornim enak volumen

taline, ki se strdi.

Slika 3.3: Pogled v vzdolžnem prerezu na učinek napredovanja dl podaljšane talilne kopeli: debelina dn

ustrezne strnjene plasti je toliko manjša, kolikor je talilna kopel daljša. [2]

Ta prostornina ima širino dh, ki je manjša od dl, tako, da lahko opazimo na vzdolžnem

prerezu zvara ali na njegovi površini poudarjeno sled vsake nepravilnosti, do katere pride

na čelu talilne kopeli, povezane s spremembo hitrosti varjenja ali kemične sestave. Na


17

vzdolžnem prerezu in na površini zvara opazimo tudi sledove spremembe hitrosti

strjevanja, ki ga povzroči pretirano taljenje, ali celo sled periodičnega varilnega toka. Na ta

način pojasnjujemo zaradi vseh teh razlogov bolj ali manj podolgovate "brazde", ki jih

opazimo na površinah zvarov glede na hitrost in način varjenja. [2]

3.2.2 Posebni primeri: varjenje z elektronskim snopom, točkovno varjenje

Že preje smo imeli priliko omeniti, da pri varjenju z elektronskim snopom talilna kopel ni

primerljiva glede oblike in učinka s tisto, ki je značilna za druge načine talilnega varjenja

bodisi, da je sočelni spoj v vodoravni legi (in snop navpičen) bodisi v navpični legi (in

snop vodoraven). V vsakem trenutku je talilna kopel sestavljena iz valjaste votlinice, ki jo

izkopljejo elektroni, in je obdana z varom, ki obliva stene prehodnega področja; pomik

votlinice naprej povzroči, v splošnem, taljenje kovine na čelu in zlivanje taline zadaj (slika

3.4) z "vlečko", ki izvira iz hitrega pomika snopa in njegove izgube energije v debelini

varjenca. Obliko in pomik talilne kopeli lahko vidimo s pomočjo radiokinematografije pri

Slika 3.4: Varjenje z elektronskim snopom: talilno področje (sočelni I zvar) nastaja z napredovanjem

votlinice s tekočo oblogo, ki jo povzroča snop (črno polje na vzdolžnem prerezu in v tlorisu). [2]

veliki hitrosti, kot jo je izvedel Arata z uporabo metode kontaminiranja. Zaradi tega poteka

je mešanje taline manj močno kot pri klasičnih načinih talilnega varjenja; o tem moramo


18

voditi računa v primeru heterogenih zvarov, kajti po strditvi zvara ugotavljamo jasno

desimetrijo spoja; vsaka polovica talilnega področja ima kemično sestavo sorodno

osnovnemu materialu, iz katerega je nastala; npr. pri zvaru med avstenitnim Cr-Ni jeklom

in martenzitnim Cr jeklom (slika 3.5). Rezultati meritve trdot odkrivajo makroskopsko

heterogenost talilnega področja. [2]

Slika 3.5: Varjenje z elektronskim snopom: prikaz nepopolne homogenizacije talilne kopeli z rezultati

meritev trdot v heterogenem zvaru (A – avstenitno jeklo, M – martenzitno jeklo). [2]

Talilna kopel pri točkovnem uporovnem varjenju se ne pomika; (slika 3.6) predstavlja

neko posebnost glede na ingot ali odlitek. Segrevanje se začenja zaradi upornosti stika med

Slika 3.6: Tvorba in usmeritev talilnega področja uporovnega točkovnega zvara. [2]

Legenda slike:

a) tlak

b) taljenje

c) strjevanje


19

deloma varjenca. Kakor hitro se vzpostavi kovinski most (pri varjenju pod pritiskom), v tej

točki deluje Joulov učinek in v njej povzroči lokalizirano talilno področje, ki se povečuje s

podaljševanjem prehoda varilnega toka. Talilno področje je torej zaprto z radialno

usmeritvijo izoterm iz zvarne točke. Kakor hitro je varilni tok prekinjen, ohlajanje zaradi

prevodnosti v varjencu in elektrodah, ki ostaneta v stiku, preokrene smer izoterm in

strjevanje se širi od zunaj v notranjost kot pri odlitkih, toda razumljivo, veliko hitreje (faze

a, b in c nasliki 3.6). [2]

3.3 KRISTALOGRAFIJA STRJEVANJA

3.3.1 Usmeritev kristalov v prehodnem področju: epitaksija

Strjevanje talilne kopeli se pri upoštevanju njene oblike in pomika začne na stičišču vara in

osnovnega materiala na mestu, kjer je prečni prerez največji (xy na sliki 3.2); ta prerez bo

tudi na makrografskem posnetku končanega zvara.

Na tem stičišču, katerega pomik bo povzročil prehodno področje, poteka kristalizacija

kovine med strjevanjem na epitaksini način (glej sliko 3.7, ki je kopija slike 3.6). Pri tem

načinu si kristalna zrna, ki nastajajo pri strjevanju talilne kopeli, prisvojijo usmeritev

kristalnih zrn osnovnega materiala, iz katerih rastejo. Mikrografska preiskava zadošča za

ugotovitev te posebnosti, kajti vsako zrno je zgradba iz enako usmerjene kristalne mreže;

spoji med zrni predstavljajo meje med različno usmerjeno kristalno mrežo. Če torej var

prevzame v vsaki točki svojega strjevanja usmeritev kristalnega zvara spodaj ležečega

osnovnega materiala, moramo videti mesta, kjer so kristalna zrna vara priraščena na

kristalna zrna osnovnega materiala in kako prehajajo preko prehodnega področja, tako da

zasledimo njihovo podaljšanje brez prekinitve kristalnega zrna strjenega vara. To je

izhodiščna lega zrn pri strjevanju, toda kasneje bomo videli, da "selektivna rast" hitro

spremeni izhodiščno lego. [2]


20

Slika 3.7: Epitaksalno strjevanje v prehodnem področju. To področje, ki je prikazano na sliki v prekinjeni

črti, ni vidno v primeru čiste kovine. [2]

Važna posledica epitaksije v prehodnem področju je v dejstvu, da je velikost zrn pri

strjevanju določena z velikostjo zrn osnovnega materiala v soseščini tega področja. Torej

je tu mesto pregretja, ki je spremenljivo glede višine in načina varjenja, tako da so

pregretje osnovnega materiala in bolj ali manj groba zrna pri strjevanju povezana. Zato

ima, posebno v primeru jekel, vsak ukrep, ki poskuša omejiti rast zrn v osnovnem

materialu (izvedba, kemična sestava), ugoden učinek na manjšo rast zrn pri strjevanju v

talilnem področju. Razumljivo pa je, da ima epitaksijski značaj strjevanja vara, ki smo ga

pravkar opisali v zvezi z osnovnim materialom, tudi na stičnih površinah med dvema

zaporednima zvarkoma pri pogoju, da ponovno segretje prvega varka zaradi varjenja

naslednjega ne povzroči v njem strukturne spremembe. Zato je epitaksija zelo prisotna,

npr. na večvarkovnih zvarih na aluminiju in njegovih zlitinah ali tudi na avstenitnem jeklu

(slika 3.8), kajti ti materiali nimajo faznih premen v trdnem stanju. [2-5]


21

Slika 3.8: Epitaksalno strjevanje sledečih si zvarkov pri večvarkovnem varjenju iste kovine ali zlitine brez

fazne premene: strjena struktura se zadrži preko sledečih si prehodnih področij.[2]

3.3.2 Trajektorja strjevanja - hitrost strjevanja

Od prehodnega področja naprej, kjer se določa usmeritev vsakega kristalnega zrna, poteka

strjevanje v odvisnosti od pomika talilne kopeli, tako da zrna poskušajo rasti vzdolž

ortogonalnih trajektorij na izoterme v skladu z zakoni strjevanja. Tako lahko določimo

(slika 3.9) za zaporedne lege I1, I2, I3 itd. izotermne površine, ki omejujejo zadaj talilno

kopel in

Slika 3.9: Trajektorija (smerna črta) strjevanja, ki jo povzroča pomik talilne kopeli:

v - hitrost varjenja (konstantna), vS - hitrost, ki jo narekuje strjevanje (rastoča vzdolž trajektorije (smerne

črte) po vS = vcos α). [2]

"trajektorijo strjevanja" A1, A2, A3 itd., ki začenja v A1 in se ukrivi v smeri pomika talilne

kopeli, dokler ne doseže osi zvara. Tako se vzdolž celote teh trajektorij, ki so krivulje,

vzpostavlja struktura v pogojih strjevanja, kar bomo obravnavali kasneje. [2]

Toda še pred tem moramo ugotoviti, da je hitrost strjevanja vS v varu spremenljiva vzdolž

te trajektorije od zelo majhne vrednosti ali ničelne na začetku (A1) do največje vrednosti v

osi zvara, kjer je vS enaka hitrosti v varjenja. Zato je pri strjevanju, ki skuša napredovati


22

pravokotno na izoterme, njegova hitrost vS določena v vsaki točki s projekcijo vektorja

hitrosti varjenja pravokotna na izotermo. Tako vidimo, da vektor vS = v . cos α preide od

vrednosti nič v A1 na začetku na največjo vrednost v, enako v osi zvara, kjer je kot α enak

nič, kajti strjevanje napreduje v isti smeri kot talilna kopel. [2]

Na drugi strani poleg te stalne spremembe hitrosti strjevanja, ki je rezultat oblike in

napredovanja talilne kopeli, lahko opazimo ponavljajoče ali psevdo ponavljajoče

spremembe, povezane z izvorom toplote (vključno s periodičnostjo izmeničnega toka) z

načinom prehoda dodajnega materiala in morebitno tudi z prevelikim taljenjem na čelu

strjevanja ali celo, preprosto, z nepravilnim parnikom talilne kopeli, sicer čisto mehanskem

pri avtomatskem varjenju. Te spremembe se kažejo vzdolž zvara glede na njihove

posledice v zvezi s kristalizacijo. To so brazde, ki jih zasledimo na površini kot tudi na

vzdolžnih prerezih zvarkov zvara. [2]

Za dobro razumevanje poteka strjevanja vzdolž trajektorij, ki jih povzroča pomik talilne

kopeli, moramo uporabiti zakone strjevanja za razlago pojava "selektivna rast", ki

povzroči, da pri tehničnih kovinah ali zlitinah nekatera zrna rastejo na račun drugih ali pa

na njihovem mestu. V primeru iste kovine kristalno zrno raste iz tekoče kovine z enako

hitrostjo vseh smereh, ki jih dovoli njegova kristalna mreža. Na ta način usmeritev, ki jo

povzroči epitaksija na stičišču "tekoče-trdno" ne vpliva na rast zrn; ta se razvijajo od

njihovih kali v prehodnem področju naprej (slika 3.7) brez ovire po vsej dolžini trajektorije

strjevanja. Nasprotno pa je za kristalna zrna pri strjevanju tehničnih kovin ali zlitin

značilna "prednostna smer rasti", pri kateri je hitrost rasti zrn največja. Iz tega izvira, da

imajo zrna, katerih prednostna smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja T (slika 3.10),

prednostno rast na račun sosednjih zrn, katerih možnosti rasti so manjše, ker so drugače

usmerjena. Ta rast, imenovana selektivna, se kaže v izginjanju manj ugodno usmerjenih


23

Slika 3.10: . Mehanizem selektivne rasti kristalnih zrn v prehodnem področju. Zrna vara, katerih prednostna

smer rasti sovpada s trajektorijo strjevanja, se razvijajo na račun drugih zrn. [2]

zrn. Zato se zmanjša preostalo število zrn, torej se zrna zvečajo glede na začetno velikost

(slika 3.11-a). Če se trajektorija strjevanja sama zadostno ukrivi, ta zrna izgubijo prednost

razraščanja; zato jih nadomestijo druga, katerih kali imajo prednostno usmeritev bliže

smeri močneje ukrivljene trajektorije (slika 3.11-b). Za tehnične kovine in zlitine obstaja za

Slika 3.11: Zrna strjevanja, ki izhajajo iz selektivne rasti (pokončna slika v tlorisu).

a) smerna črta (trajektorija), ki je rahlo ukrivljena (podaljšana talilna kopel); zrna pri strjevanju

poskušajo doseči os zvarka

b) trajektorija (smerna črta) strjevanja, rahlo ukrivljena (zaokrožena talilna kopel); nadomestilo zrn z

zrni, ki so bolje usmerjena vzdolž trajektorije (smerne črte) [2]


24

vsako od njih mejna hitrost usmerjenega strjevanja. Skladnost strjevanja s hitrostjo pomika

talilne kopeli, ki zavisi od načinov in postopkov varjenja, ustvarja različne oblike strjene

strukture. [2-3]

3.3.3 Uporabnost makrografskih podob talilnega področja

Slika 3.12 združuje različne makroskopske podobe talilnih zvarov, varjenih s pomikom

izvora toplote . Prikazani so prerezi, vzporedni s površinami varjencev (kar je enakovredno

pogledu v ravnini) in prečni prerezi. Te podobe so odvisne delno od toplotnih značilnosti

izbranega načina varjenja in obravnavanega materiala, delno pa od hitrosti strjevanja

zvarne taline glede na hitrost vS, ki vlada vzdolž trajektorije strjevanja.

Slika 3.12: . Glavni videzi struktur strjevanja na prečnih prerezih in tlorisih [2]

Omeniti moramo, da pri jeklu makroskopija ne odkrije samo strukture strjevanja, ampak

tudi strukturo, ki izvira iz transformacije pri ohlajanju po strditvi. Na te transformacije

delno vpliva primarna kristalizacija. [2]

V primeru a, to je relativno počasnega varjenja, talilna kopel skoraj ni podolgovata, kar

daje obliko trajektorijam strjevanja, ki so na začetku pravokotne na prehodno področje in

ki se postopno ukrivijo v smeri pomika talilne kopeli. Če je hitrost strjevanja vzdolž teh


25

trajektorij manjša od mejne hitrosti strjevanja obravnavane kovine, se zrna (ali venci zrn)

razvijajo ne glede na centralni del. Iz tega sledi, da vidimo na prečnem prerezu povsod

okoli prehodnega področja območja zrn podolgovate oblike, ker trajektorija strjevanja

opisuje majhen kot z ravnino prereza. V središčnem delu zvara pa najdemo kakršnokoli

obliko zrn, kajti tu je ravnina prereza pravokotna na trajektorijo strjevanja. [2]

Primer b upošteva nekoliko drugačne okoliščine, v katerih gre podolgovata oblika talilne

kopeli, pri hitrem varjenju vsporedno s kvazi prečno razporeditvijo trajektorij strjevanja.

Če se zaradi hitrosti strjevanja lahko na obravnavanem materialu njegova zrna zgrajujejo

do središčnega dela, dobimo pogled na ravnino in prečni prerez, ki sta prikazana na sliki

3.12-b. Zrna, ki rastejo iz prehodnega področja, se simetrično razvijajo do združitve v

središčnem delu; na tem mestu ni več področja, kjer bi se zrna razvila pravokotno na

ravnino prereza, kot smo videli v prejšnjem primeru; zaradi tega dobimo značilni

makroskopski videz prečnega prereza zvara. [2]

Slika 3.12-c ustreza primeru hitrega varjenja, katerega talilna kopel je podolgovata kot

preje, tokrat na materialu, katerega mejna hitrost strjevanja na nekem mestu onemogoča

nadaljnje strjevanje, usmerjeno po trajektoriji strjevanja. Zato poteka kristalizacija drugače

in tvori se na enoosni način, t.j. brez prednostne usmeritve iz kakršnekoli usmeritve

kristalnih kali, ki se pojavijo v zvarni talini; ta pa kasni s strjevanjem zaradi prevelikega

taljenja. Tako dobimo makroskopske podobe v ravnmi in prečnem prerezu, prikazane na

sliki 3.12-c, ki jih ne smemo zamenjavati s temi v primeru a, kajti tu gre v središčnem

delu za enakoosno strukturo in ne pravokotno usmerjeno na ravnino prečnega prereza. [2]

Jasno je, da je pojav ene od teh treh vrst makrostrukture po strjevanju odvisen od načina

in postopka varjenja ter od materiala varjenca. Npr. pri navpičnem varjenju pod žlindro

lahko dobimo glede na vrednosti varilne napetosti in toka talilno kopel in nato izotermne

površine, ki so skoraj ravne in dajejo prednost navpični usmeritvi rasti zrna (slika 3.13-a),

ali pa talilno kopel in nato vdolbene izotermne površine, ki imajo trajektorije strjevanja

toliko bolj prečne, kolikor bolj je talilna kopel vdolbena (slika 3.13-b). Zato dobimo

različne makroskopske podobe pri vsakem od teh dveh primerov. Kar zadeva prečno

makroskopijo v primeru slike a, gre za jasno razliko v obliki zrna ob prehodnem


26

področju in središču zvara zaradi razlike v usmeritvi trajektorije strjevanja in zaradi

vpliva, ki smo ga že omenili, velikosti zrna osnovnega materiala v prehodnem področju.

Slika 3.13: Struktura zvarov, varjenih navpično pod žlindro, ki se pojavi na prečnih vzdolžnih prerezih:

a - ploska talilna kopel: navpična rast zrn, b - ugreznjena talilna kopel: prečna rast zrn. [2]

Kar zadeva zvarne točke uporovnega varjenja, povzročajo trajektorije strjevanja

centripetalni pomik izotermnih površin od periferije zvarne taline proti notranjosti pod

vplivom močnega ohlajanja zaradi prevodnosti v varjencu in zaradi močnega odvoda

toplote preko konic elektrod, ki sta vodno hlajeni. Če se zaradi lastne hitrosti

strjevanja material temu prilagodi, dobimo radialno strukturo, katere zrna se razvijajo

tako, da se stikajo na ekvatorialni ravnini (slika 3.14-a); v nasprotnem primeru pa strukturo

usmerjenega strjevanja sčasoma nadomesti enakoosna struktura v sredini zvarne točke

(slika 3.14-b). [2]

Slika 3.14: Struktura strjevanja uporovnih točkovnih zvarov:

a - radialna rast zrn, ki se nadaljuje skozi ekvatorialno ravnino, b - prekinitev radialne rasti zrn s pojavom

enakoosne strukture p - obrobno (perifeno) področje, ki je varjeno s pritiskom na toplo. [2]


27

3.3.4 Vloga premen v trdnem stanju

V primeru materiala, ki ima v trdnem stanju fazne premene, npr. jeklo, je prav, da

pregledamo časovno zaporedje pojavov med ohlajanjem, ki sledi strditvi in ponovnim

segretjem vara po strditvi in ohlajanju, posebno pri večvarkovnem varjenju. [2]

Kakor smo že rekli, z metalografsko preiskavo zvara na jeklu v talilnem področju

ugotavljamo strukturo, ki bi jo lahko imenovali "strukturo strjevanja - transformacije",

ker je rezultat prekrivanja začetnih učinkov strjevanja (v obliki delta ferita (δ) ali

avstenita "gama" (γ) odvisno od kemične sestave) in kasnejše transformacije v trdnem

stanju, do katere pride zaradi zakonitosti ohlajanja in kemične sestave. [2]

Tako pridemo do tega, da ima struktura zvara po transformaciji sestavo in obliko, ki je

posledica dednosti začetne strukture strjevanja; na drugi strani pa je oblika

transformacijskih izoterm, čeprav različna, dovolj blizu tiste, ki jo imajo strjevalne

izoterme. [2]

Iz teh dveh razlogov so strukture pri strjevanju zelo blizu druga drugi, kar zadeva njihovo

usmeritev in morfologijo, čeprav poglobljena preiskava kaže, da ne sovpadajo. Posebno

epitaksija je v prehodnem področju taka kot pri strjevanju. To vidimo npr. na sliki 3.15:

intragranularna mreža ferita, imenovanega "proevtektoidni", ostane na prehodu med

osnovnim materialom in varom, ki se je strdil in transformiral, ostane pa tudi usmeritev

intragranularnega ferita. Praktična posledica tega pojava dednosti je, da vsak dejavnik, ki

vpliva na nastanek drobne strukture po strjevanju (kemična sestava, toplotni cikel), vpliva

tudi na nastanek drobnejše strukture po transformacijah. Kasneje bomo videli, da lahko

tudi zmanjšamo učinke strukturne dednosti, če vplivamo na naravo transformacij, da bi

dosegli bolj fine in bolj dispergirane dele v strukturi. [2-3]


28

Slika 3.15: Prehod strukture strjevanja v strukturo premene v prehodnem področju (jeklo). Proevtektoidni

ferit, ki se izloča na mejah in v notranjosti zrn na obeh straneh prehodnega področja, obdrži epitaksalni

videz. [2]

Transformacija pri segrevanju zvara na jeklu omogoča v talilnem področju zvarov

nastanek bolj finega zrna, primerljivega s tistim, ki ga dobimo po normalizaciji odlitka. Do

tega učinka ne pride samo med toplotno obdelavo po varjenju (npr. da bi dobili bolj fino,

sicer grobo strukturo zvara, varjenega z veliko energijo), ampak tudi in predvsem pri

večvarkovnem varjenju. Pri študiju toplotnega cikla smo videli, da naknadni varek

ponovno segreje okolico in predhodno izvedeni varek. Vsak delček varka, v katerem je

temperatura premene A3 presežena, doživi pojav, imenovan strukturna regeneracija: pri

segrevanju preide v avstenitno strukturo, nato pa pri ohlajanju z novo transformacijo

izbriše in nadomesti prejšnjo strukturo. Večvarkovni zvar na kovini, ki nima faznih

premen, ali na monofazni zlitini (Al, Ni, avstenitno jeklo) vsebuje po strditvi samo

nespremenjeno kovino med posameznimi varki (slika 3.16-a). Enak zvar, varjen na

nelegiranem ali nizko legiranem jeklu v istih pogojih, vsebuje področja normaliziranega

vara, ki loči področja lite in transformirane strukture zvara (slika 3.16-b). Če to razlago

prenesemo na praktičen primer večvarkovnega zvara na debeli pločevini, lahko razumemo,

npr. kako vsebuje talilno področje zvara pod praškom, zvarjenega v dveh zvarkih (enega s

temenske, drugega s korenske strani), majhen delež tako regenerirane kovine (slika 3.17-

a), medtem ko je večvarkovni zvar MIG ali MAG ali večvarkovni zvar pod praškom v ozki

reži skoro v celoti regeneriran (slika 3.17-b). [2]


29

Slika 3.16: Vloga fazne premene pri segrevanju v času varjenja v več zvarkih

a - nelegirana kovina ali monofazna zlitina: obdrži strjeno strukturo med posameznimi varki, b - jeklo:

posredovanje premene pri segrevanju: strukturna regeneracija na delu vsakega varka, kjer je temperatura A3

prekoračena med varjenjem varka. [2]

Slika 3.17: Uporaba primera večvarkovnega zvara na debeli pločevini [2]

3.4 FIZIKALNA KEMIJA STRJEVANJA

3.4.1 Izcejanje ( segregacija)

Pojav izcejanja (segregacije), to je lokalne heterogenosti kemične sestave obravnavanega

izdelka, spremlja strjevanje na treh stopnjah:

- na stopnji kristalizacije: dendritne izceje (segregacije)

- na stopnji zrna: intragranularne izceje (segregacija)

- na makroskopski stopnji: izceje v ingotu.


30

Dendritne izceje so rezultat načina rasti kristalnih zrn tehničnih zlitin kot nečistih

proizvodov in pa pojava "konstitucijskega pretiranega taljenja". način rasti kristalnih zrn,

ki smo ga že preje omenili, je dendritičen, to je, da raste kristalno zrno iz kristalne kali v

eni prednostni smeri, ki jo določa kristalna mreža (npr. pravokotno na stranico kocke pri

kubični kristalni mreži) in ki je istočasno najbližja trajektoriji strjevanja (slika 3.18).

Razumljivo je, da v primeru iste kovine ta način strjevanja ne spremlja nobena kemična

heterogenost. V posameznem usmerjeno zgrajenem zrnu je težko ugotoviti dendritno

kristalizacijo. Pri zlitinah in nečistih tehničnih kovinah prve kali pri strjevanju spremenijo

kemično sestavo taline, ki jih obdaja in tako upočasnijo strjevanje. Tako pride do pojava

prevelikega taljenja, imenovanega konstitucijsko. Ta pojav postopnega strjevanja ima za

posledico rast dendritov neenake sestave: njihova sredina je bogatejša na komponenti z

višjim tališčem, medtem ko je njihova zunanjost bogatejša na komponenti z nižjim

tališčem. Zaradi hitrega ohlajanja ostaja homogenizacija preko difuzije zelo nepopolna in

zato se kemična heterogenost obdrži tudi po ohladitvi. Pri metalografski preiskavi zato

dendrite vidimo. Njihovo kemično heterogenost lahko kvantitativno dopolnimo npr. z

elektronsko mikroanalizo (Castaingova mikrosonda). [2-5]

Slika 3.18: Shematski prikaz rasti zrna pri strjevanju od začetnega kubičnega kristala: osi rasti zrna, ki so

usmerjene pravokotno na stranice kubičnega kristala. [2]

Ta mehanizem pri varjenju pa ne deluje od začetka trajektorije strjevanja naprej, to je na

prehodnem področju, kajti dana hitrost ohlajanja je na trenutke zelo majhna in gradient

temperature zelo velik. Na tem mestu se stvori ozek sloj strukture, imenovan "ravninski"

(slika 3.19); zrna se tvorijo na trajnem čelu, pojav dendritov vpliva kasneje, ko začne

naraščati hitrost, ki jo pogojuje strjevanje. Intergranularno izcejanje se pojavi tako pri


31

Slika 3.19: Mikroskopski videz ravninske strukture na začetku strjevanja v prehodnem področju; dendritski

videz se pokaže šele na določeni oddaljenosti od stične površine "trdno/tekoče". [2]

zlitinskih elementih kot pri nečistočah v končni fazi strjevanja kristalnih zrn, kajti

mehanizem odrinjanja (repulzije) niže taljive taline se proti zunanjosti kristalnega zrna

nadaljuje do meje sosednjega zrna. S točkovno kemično analizo lahko odkrijemo lokalno

heterogenost; ta zadeva bodisi povišano koncentracijo zlitinskega elementa bodisi

predvsem nizko taljiv del, v katerem prevladuje neka nečistoča. Ta oblika izcejanja

prizadene tudi področje z ravninsko strukturo, kjer se meje zrn osnovnega materiala

podaljšujejo v meje dendritnih zrn, kar je zelo pomembno v zvezi s tveganjem pokljivosti v

toplem. [2-5]

Kar zadeva izcejanje v ingotu poglejmo, v kakšni obliki se lahko ta pojav pokaže pri

varjenju. Ta vrsta izcejanja, se pojavlja pri strjevanju mirujočih talin (kokila ali kalup).

Heterogenost kemične sestave je v merilu odlitka, katerega sredina vsebuje več elementov

zlitinskih dodatkov (ali nečistoč), ki znižajo točko taljenja in so med strjevanjem odrinjeni

proti notranjosti, če je strjevanje potekalo od stene kokile ali kalupa proti notranjosti

odlitka. [2]

Tako definirano izcejanje v ingotu se na noben način ne more pojaviti pri varjenju, razen

pri točkovnem uporovnem, kajti to je edini način, pri katerem talilna kopel miruje.

Mehanizem strjevanja, ki smo ga že opisali in prikazali na sliki 3.14, daje možnost

koncentracije niže taljivih elementov v sredini talilnega področja, to je področja, kjer se


32

stikajo usmerjena zrna (razporeditev a na sliki 3.14) ali v obliki intergranularne izceje v

enakoosnem zrnu (razporeditev b na sliki 3.14). Za razporeditev a bi bila lahko ta izceja

škodljiva, ker je povezana z lunkerjem (povečana nagnjenost k pokljivosti v toplem). Toda,

če med strjevanjem deluje pritisk ali celo kovanje po strjenju, je učinek zmanjšan. [2]

Kar zadeva načine talilnega varjenja, zadostuje, da se spomnimo razporeditev, prikazanih

na sliki 3.12: čim več je prečnih trajektorij strjevanja, toliko več zrn se pri strjevanju steka

proti osi zvara (razporeditev b) in tem večja je možnosti heterogenosti kemične sestave. Na

tem mestu se strjevanje končuje za vsako lego talilne kopeli. V primeru razporeditve c je

izceja okoli enakoosnih zrn intergranularna. Pri tej razporeditvi izcej ni in je v tem pogledu

ugodnejša. Videz izcej v ingotu, ki jih lahko imenujemo progresivne, ponovno srečamo pri

nekaterih navpičnih zvarih, varjenih pod žlindro, kjer je pri tem razporeditev najugodnejša

(slika 3.13), kajti nečistoče, ki so pri strjevanju izrinjene, se spet dvignejo proti talini

žlindre. [2-4]

3.4.2 Drugi vzroki heterogenosti

Vsakokrat, ko je dodajni material različen od osnovnega materiala, je homogenizacija vara,

ki izvira iz mešanice enega in drugega materiala, bolj ali manj dobro izvedena glede na

pogoje varjenja in posebej glede na načine prehoda dodajnega materiala pri obločnem

varjenju. Tako najdemo na vzdolžnem prerezu talilnega področja bolj ali manj

ponavljajoče se spremembe v sestavi. Posebno pri obločnem varjenju nelegiranega ali

nizko legiranega jekla z oplaščenimi elektrodami iz Cr-Ni nerjavnega jekla pride pri

prenosu dodajnega materiala v kapljicah (slika 3.20) do pojava izmeničnih pasov mešanja

na vzdolžnih in prečnih prerezih, kjer se zaporedno izmenjujeta z električnim oblokom

"izpodkopani" osnovni material (martenzitni pasovi) in dodajni material, ki ga obdajajo

zaporedne kapljice (avstenitni pasovi), bogatejše v zlitinskih elementih. [2]


33

Slika 3.20: Makroskopski videz periodične heterogenosti na vzdolžnem in prečnem prerezu, ki izvira iz

prehoda v kapljicah v primeru heterogenega zvara. [2]

Druga vrsta heterogenosti, ki jo lahko opazimo, izvira iz dejstva, da vzdolž svojega pomika

talilna kopel zbira na svojih robovih nečistoče in nekovinske vključke, ki jih lahko vsebuje

osnovni material. Če so te nečistoče taljive in topljive, jih najdemo v sloju izcej v strjeni

kovini, kot je to v primeru nečistoč v jeklu, ki zato lahko povzročijo pokljivost vara. Če so

nečistoče netopne in predvsem obstojne, se zberejo v talilni kopeli, od tam se prebijejo na

robove zvara, ki mu lahko s svojim učinkom na površinske napetosti vara ali na ionizacijo

oblaka spremenijo obliko. Tak pojav zasledimo pri avtomatskih zvarih TIG in MIG na

nerjavnih jeklih (slika 3.21), ki vsebujejo okside redkih zemelj, ki so dodani pri izdelavi

teh jekel. [2-3]

Slika 3.21: Nastanek netopnih delcev v talilni kopeli in njihovo izločanje vzdolž robov zvara. [2]


34

3.5 PRAKTIČNE POSLEDICE

3.5.1 Delovanje plinov: pore

Potek strjevanja vara zvarov vpliva na delovanje plinov (par) v varu; če ti plini nimajo

možnosti, da bi zapustili talilno kopel, preden jih strjena kovina ne ujame vase, se

pojavijo pore. Plini in pare, o katerih govorimo, lahko nastanejo tako zaradi zunanjih

vplivov pri samem varjenju ali zaradi ponašanja talilne kopeli. Med zunanje vplive

lahko štejemo razpad ali sežig premazov, barv ali različnih zaščit, redukcijo nečistoč

valjanih proizvodov, vpliv vlage ali popolnoma enostavno ujetje zraka pri varjenju slabo

pripravljenih in slabo varjenih zvarov (npr. pomanjkljiv uvar pri popravnem varjenju

korenskega zvarka). Kot vpliva v drugi skupini lahko navedemo vplive izparevanja

elementov v talini (npr. cink v medeninah), vlago, ki jo vsebujejo ali adsorbirajo

dodajni materiali (nastanek vodika) ali reakcije nepomirjenja (nastanek ogljikovega

monoksida). Glede na njihov izvor in pogoje strjevanja dobijo pore različne oblike;

opisane so z ustrezno terminologijo v francoskem standardu: NF A 89-230*. [1-5]

Torej so to predvsem pore v drugi skupini, ki smo jih omenili, ki zahtevajo razlago

njihove morfologije v odvisnosti od pogojev strjevanja vara. To lahko naredimo (slika

3.22), če uporabimo navedbe iz Chalmersa o oblikah, ki jih ima odtok plina, pri prehodu

čela strjevanja (slika 3.22), ki se pomika tako, da pred seboj izriva talino. Chalmers

razlaga, da se v takšnih okoliščinah zaradi površinske napetosti tvorijo plinski mehurčki

na samem čelu in da ti mehurčki rastejo in izhajajo iz taline zaradi težnosti, če

strjevanje ne poteka zelo hitro (primer a); če čelo strjevanja mehurčke prehiti, je

napredovanje zelo hitro (primer b); ali pa se mehurčki, ki so stalno napajani s plinom,

razvijejo tako, da se zdaljšajo v smeri pomika čela strjevanja (primer c). [2]


35

Slika 3.22: Sheme Chalmersa (na levi) v zvezi z okoliščinami nastajanja in oblike por; uporaba (shem) za

razlago poroznosti (na desni) v talilnem področju: (S - trdno, L - tekoče). [2]

Legenda slike 3.22:

a - počasno napredovanje čela strjevanja: nastanek plinskih mehurčkov, ki uhajajo ujetju

zaradi strjevanja

b - hitro napredovanje čela strjevanja glede na razmere rasti plinskih mehurčkov, ki so

pri strjevanju ujeti: sferoidalne pore, razporejene po sledečih si legah čela strjevanja

c - trajni dotok plina, sorazmerno napredovanju čela strjevanja: črvičaste pore, (ki se

razvijajo vzdolž

smernih črt (trajektorij) strjevanja

Na vse tri okoliščine naletimo tudi pri varjenju; odvisne so od načinov in izvedb varjenja

in tudi od izvora plina, ki povzroča poroznost. Okoliščine a so tiste, ki dovoljujejo

morebitnim mehurčkom plina, da zapustijo talilno kopel, preden bi jih zajelo pomikajoče

čelo strjevanja: v tem primeru ni por. Najbolj očiten primer je prikazan na sliki 3.22; to

je navpično varjenje pod žlindro, kjer razplinjenje zagotavljata počasen pomik čela

strjevanja in navpična usmeritev kristalnih zrn, ki olajšuje odtok plina zaradi težnosti.

Toda strjevanje mora potekati po shemi a (slika 3.13) in ne po shemi b. [2-4]


36

Okoliščine b, na sliki 3.22, ustrezajo poram, ki jih že navedeni standard kvalificira za

"sferoidne" in opisuje kot pravilno razdeljene po varu. Gre za plinske mehurčke, ki jih

je čelo strjevanja prehitelo, potem ko so se oblikovali ob njem. Zares lahko vidimo take

pore, kadar preiskujemo vzdolžne in prečne prereze zvarov; razporejene so po odsekih

zaporedno sledečih si leg talilne kopeli. To razporeditev je možno videti v zvarih MIG

zlitin Al-Mg, v katerih so pore zaradi adsorbirane vlage na površini dodajnih žic. Pri

varjenju pride do polperiodičnega cikla, ki izvira iz faze večanja vsebnosti vodika v

talilni kopeli, ki ji sledi nastanek in ujetje mehurčkov; nato se potek ponavlja. [2-4]

Kar zadeva okoliščine c na sliki 3.22, omogočajo pore, imenovane "črvičaste". Njihov

nastanek predstavlja stalni pritok plina bodisi zaradi prekinjene topnosti plina pri

strjevanju (vodik) bodisi zaradi reakcije, ki povzroči uhajanje plina (ogljikov monoksid).

Ustrezna shema na sliki upošteva, da se črvičaste pore razvijajo po trajektorijah

strjevanja. Zelo dobro jih vidimo na vzdolžnih razpokah, ki nastanejo v varu; vidimo

tudi, da so črvičaste pore sestavljene z zaporedjem sferoidnih in med sabo povezanih por,

pri jeklih pa ugotavljamo, da so stene por svetleče zaradi redukcijskega značaja plinov,

ki so povzročili pojav (vodik ali ogljikov monoksid). Pri makrografski preiskavi

črvičaste pore zelo jasno vidimo in njihova povezava s strjeno strukturo je očigledna

(primerjaj sliko 3.23 s sliko 3.12-b); prikazano razporeditev imenujemo tudi "ribje kosti".

[2]

Slika 3.23: Radiografski videz črvičastih por. Razporeditev, imenovana tudi "ribja kost". [2]


37

3.5.2 Pokljivost vara v toplem

Vsako strjevanje kovine ali zlitine spremlja krčenje; talilno področje zvarov mu ne uide.

Neposredno za talilno kopeljo se kovina, ki se je pravkar strdila, skrči najprej pri

strjevanju, nato pa se še dodatno krči zaradi zniževanja temperature. Pomik osnovnega

materiala v okolici, ki naj bi to krčenje nadomestil, ni nikdar popoln (vpetje); zato pride do

postopne plastične deformacije vara na visoki temperaturi tako v prečni kot tudi vzdolžni

smeri varjenja. Zaradi strjene strukture in njene kemične heterogenosti sklepamo, da lahko

obstajata v zvarku zvara dve šibki področji, kjer lahko pride do razpokanja v toplem zaradi

nezmožnosti kovine, da prenese deformacijo, ki ji je vsiljena: gre za središčni del zvarka

(vzdolžne razpoke) in po mejah dendritnih zrn (prečne intergranularne razpoke). V obeh

primerih je razpokanje, če do njega pride, (slika 3.24) povezano z izcejami ingota in

intergranularnimi izcejami po mejah kristalnih zrn v zvarkih zvarov. [2-4]

Slika 3.24: Makroskopski videz (v tlorisu in v prečnem prerezu) vzdolžnega in prečnega interdendritnega

razpokanja v toplem. [2]

Vzdolžne razpoke so dobro vidne na prečnem prerezu zvara in jih lahko odkrijemo z ultra

zvokom; manj uspešno s sistematično radiografijo. Te razpoke se lahko ali ne začenjajo na

površini zvarkov glede na dejstvo, da imajo bolj ali manj videz votlinice pri strjevanju

(lunkerja). V istem materialu so vzdolžne razpoke predvsem povezane z razporeditvijo b

na sliki 3.12, kajti izceje so tam največje, medtem ko so majhne ali nične za razporeditev a.

Drugače povedano, vzdolžne razpoke se pogosteje pojavijo v hitro varjenih zvarih s

podolgovato talino zvara. Medtem pa razporeditev po sliki 3.12-c ustreza sicer veliki


38

hitrosti varjenja, vendar je zaradi enakoosnih zrn sredi zvara manj nagnjena k pojavu

razpok v toplem; če pa se razpoke kljub temu pojavijo, potekajo po mejah zrn

(intergranularno ). [2]

Tudi prečno intergranularno razpokanje pospešujejo pogoji varjenja, ki omogočajo

razporeditev b na sliki 3.12. Zaradi epitaksine rasti zrn v prehodnem področju se

intergranularne razpoke pogosto podaljšujejo v razpoke v osnovnem materialu, ki jih je

povzročila likvacija, to je izločanje tekoče faze na mejah zrn, in ki škodi razteznosti v

toplem. [2]

Končno, če gre za pore ali razpoke v toplem, vidimo, da je njihova prisotnost raje vezana

na določene vrste strjene strukture kot na druge strukture, to je v končni posledici na

določeni postopek varjenja. Zaradi tega je važna ustrezna izbira pogojev varjenja, ki

dopolnjuje varnost, dano z izbiro ustreznih materialov in ustreznih dodajnih materialov. [2]

3.5.3 Mehanske lastnosti vara

Glede na posebne pogoje strjevanja vara in nastalih struktur si lahko predstavljamo, kakšne

mehanske lastnosti ima talilno področje zvarov v primerjavi z osnovnim materialom. Za

pojasnjevanje posebnosti moramo ločeno upoštevati na eni strani varjence, ki imajo fazne

premene, na drugi strani pa enopotezne ali večvarkovne zvare. [2-5]

Če zaradi kemične sestave var nima točke premene, smatramo, da je zvar v prvem

približku istočasno primer enopoteznega ali večvarkovnega zvara; ker so zrna teh zadnjih

(slika 3.8) zaradi epitaksije usmerjena ena na drugo. Ta usmeritev zrn, ki je skupna

zaporednim varkom, ustvari neko anizotropijo mehanskih lastnosti, ki se kaže v razliki

ponašanja zrn, če so obremenjena v smeri svoje rasti ali v pravokotni smeri nanjo. To

anizotropijo lahko ugotovimo na prerezu valjastega preizkušanca na nateg, odvzetega

vzdolžno (z ozirom na smer varjenja) v varu; presek se splošči v vsem plastificiranem

področju in predvsem v področju zožitve (slika 3.25), medtem ko površina preizkušanca

postane hrapava, ker se tam začenjajo drsne ploskve usmerjenih strjenih zrn. To je znak


39

večje razteznosti v smeri rasti zrn kot v prečni smeri. Podobno je pri žilavosti zvara,

varjenega navpično pod žlindro v odvisnosti od lege zareze glede na smer rasti zrn (slika

3.26). Žilavost je večja za preizkušance, ki so izrezani v rasti vrste zrn. [2-5]

Slika 3.25: Posledica anizotropije vara v enem ali več varkih na izdelku, ki nima fazne premene (glej sliko

3.8). Natezni preizkušanec zvara, ki je izrezan vzdolž vara, se bolj deformira med preizkusom v smeri rasti

zrn kot v prečni smeri: preizkušanec postane ovalen [2]

Slika 3.26: Možne lege žilavostnega preizkušanca in njegove zareze glede na smer rasti strjevanih zrn

(primer zvara pri varjenju pod žlindro). [2]

Ta anizotropija nima škodljivih posledic za mehanske lastnosti, vsaj ne za večino kovin in

njihovih trdnih raztopin, katerih kristalna struktura je kubična ploskovno centrirana, kar

pomeni znatno raztegljivost celo na nizki temperaturi zaradi možnosti drsenja po več

drsnih ploskvah, ki jih nudi ta struktura. Nasprotno pa je za kubično prostorsko centriran

sistem, torej za jeklo, kjer prevladuje na nizki temperaturi razkolni lom; od tod nizka

žilavost, če ima var grobo in usmerjeno strukturo. To je, žal, primer za jekla, imenovana

feritna s kromom (17% Cr in več glede na vsebnost ogljika), in razlog, zaradi katerega jih

varimo talilno z avstenitnim dodajnim materialom. V nadaljevanju bomo videli, da


40

nagnjenost ferita k razkolnemu lomu pojasnjuje tudi problem mehanskega ponašanja

zvarov na nizko legiranih ali nelegiranih jeklih. V tem primeru nelegiranega ali nizko

legiranega jekla karakterizira zvar v enem zvarku po strditvi in ohladitvi struktura, ki izvira

iz fazne premene v trdnem stanju kovine, ki se je pravkar strdila. Kot smo že rekli, ta

struktura predstavlja v širšem smislu značilnosti, ki delno izvirajo iz strukture strjevanja,

posebno kar zadeva velikost strukturnih delov, vključno s feritom. Zato so žilavostne

lastnosti pri enaki kemični sestavi toliko slabše, kolikor je talilna kopel večja in zato

ohlajanje počasnejše. Tako je s tem pri zvarih pod praškom pri velikem vnosu energije kot

tudi pri navpičnih zvarih, varjenih pod žlindro. Za izboljšanje žilavosti pri istem toplotnem

režimu vplivamo na kemično sestavo, da bi dobili bolj drobnozrnato strukturo po

strjevanju in po faznih premenah (dodatki Ti, Mo, V). Z menjavo narave premene se

izognemo nastanku večjih delcev ferita (plažam). Kar zadeva večvarkovne zvare, zlahka

razumemo, da bo strukturna regeneracija zaradi neposrednih toplotnih ciklov varjenja

naknadnih zvarov ugodna glede žilavosti. Da se o tem prepričamo, lahko primerjamo dve

shematizirani področji na sliki 3.17: če zahtevamo veliko vrednost žilavosti v zvaru, jo

bomo lahko dosegli v celoti pri razporeditvi b. Pri tej razporeditvi je prišlo do toplotne

obdelave normalizacije, po varjenju. [2-5]

Pri obločnem varjenju z oplaščeno elektrodo ali v plinski zaščiti s taljivo žico ali še pri

varjenju pod praškom predpisi za žilavost zahtevajo večvarkovne zvare. Zato ustrezni

standardi natančno določajo potek varjenja, vključno z vmesno temperaturo, da bi dobili

ponovljive rezultate preizkusov. [2-4]


41

4 EKSPERIMENTALNI DEL

Pri eksperimentalnem delu naloge je bil zvarjen x-večvarkovni zvarni spoj. Uporabljen je

bil MAG postopek varjenja z zaščitnim plinom mešanice CO2 in Ar.

Metalografski obrus je bil izdelan s pomočjo aparatur za izdelavo metalografskih obrusov

znamke BUEHLER.

Kemijska sestava materiala je bila ugotovljena z uporabo THERMO NITION XL3T

analizatorjem.

Pregled zvarnega spoja je bil izveden z mikroskopom ZEISS AXIO Imager A2m.

4.1 OPIS UPORABLJENIH NAPRAV-APARATUR

4.1.1 Rezalnik BUEHLER AbrasiMet 250

AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik (slika 4.1) omogoča ročno vodeno rezanje in je z

osvetlitvijo delovnega prostora, preglednostjo nad obdelovancem in rezalni zmogljivosti,

vodilni v svojem razredu. S svojo veliko delovno površino in vsestranskimi možnostmi

vpenjanja ta rezalnik omogoča enostavno in hitro pozicioniranje vzorcev za rezanje in

odrezovanje.


42

Slika 4.1: AbrasiMet 250 ročni brusilnik/rezalnik.

1 ENOSTAVNO ROKOVANJE

- Stikalo za vklop / izklop

- Stikalo za izklop v sili

2 DELOVNA ROČICA

- Delovna ročica zagotavlja občutek pri rezanju ter hitre in lahke reze

3 ZANESLJIVOST

- Komora, ki ščiti uporabnika in elektroniko od delovnega okolja

4 ZUNANJA ŠOBA ZA ČIŠČENJE

- Zagotavlja nam lahko in enostavno čiščenje

- Zaradi zunanje montaže ostane med obratovanjem suha in čista

5 IZPIRANJE

- Stikalo pretoka za splakovalne šobe omogoča enostavno izpiranje

6 VELIKA DELOVNA PLOŠČA

- S pomočjo različnih primežev omogoča enostavno pritrjevanje obdelovancev

- Omogoča enostaven nadzor nad obdelovancem

7 VARNOST

- Zaklep komore preprečuje obratovanje medtem ko je le ta odprta


43

- Med obratovanjem je komora avtomatsko zaklenjena

8 REZANJE

- Na razpolago imamo rezilna kolesa (premera 254 mm)

9 FLEKSIBILNA LED LUČ

- Omogoča enostavno pozicioniranje za maksimalno osvetlitev delovnega prostora

10 OSVETLITEV

- Deset visoko učinkovitih LED luči zagotavlja dobro osvetljenost komore

11 PREGLED

- Veliko pregledno okno omogoča neoviran pogled na obdelovanec

Tehnični podatki:

Napetost:

200-240VAC, 50 Hz, 3-fazni

Motor:

4Hp [3kW]

Tok:

13A / 230VAC,

Število obratov:

2800 vrt./min

Razsvetljava:

10 svetlih LED luči z visokim izkoristkom,

ena 457mm prilagodljiva LED luč

Hrup:

≤76 db brez obremenitve na razdalji [1m]

Kapaciteta rezervoarja hladilne tekočine :

27l

Premer rezilke:

254 mm

Maksimalna dolžina reza:

95mm

Dimenzije:

572 x 711 x 737mm


44

Dimenzije delovne plošče:

76 x 76mm

Vodila za primeže:

12mm T-reže

Teža:

136kg

Odobritve:

CE

4.1.2 Ročni Brusilni polirni stroj BUEHLER MetaServ 250

V MetaServ 250 brusilni-polirni stroj (slika 4.2) ponuja kombinacijo učinkovitosti,

varčnosti in zanesljivosti za večino mikrostrukturnih analiz. Zasnovan je za ročno ali

polavtomatsko brušenje in poliranje, saj se lahko uporablja z eno od dveh polirnih

pogonskih glav. Ulito zaščitno ohišje zagotavlja dolgotrajno korozijsko in odpornost ter

odpornost na udarce. Vsaka posoda ima snemljiv ščitnik , da zmanjša prekomerno pršenje,

in omogoča enostaven dostop do plošče. Vgrajena splakovalna posoda z drenažo omogoča

izpiranje delcev in s tem zagotavlja kakovostnejše poliranje metalografskih vzorcev .

Nastavljivo šobo za pretok vode je mogoče namestiti kjerkoli nad ploščo, ki zagotavlja

hlajenje natanko tam, kjer je to potrebno.


45

Slika 4.2: MetaServ 250 brusilni-polirni stroj.

1 DELOVNA PLOŠČA

- Omogoča enostavno zamenjavo brusnega papirja različnih granulacij

2 MOŽNOST ČIŠČENJA

- Šoba z nastavljivim pretokom vode omogoča čiščenje in hlajenje po potrebi

- Vgrajena posoda z izpustom zmanjša nabiranje smeti (opilkov)

3 KONTROLNA PLOŠČA

- Omogoča enostavno uporabo in nastavljanje parametrov

4 MOŽNOST NADGRADNJE

- Nosilec za polavtomatsko pogonsko glavo nam nudi možnost nadgradnje

5 TRAJNO OHIŠJE

- Ohišje izdelano (ulito) iz enega kosa zagotavlja trajno odpornost na korozijo in druge

vplive

Tehnični podatki:

Velikost delovne plošče:

254 mm


46

Način obdelave:

Ročni/polavtomatski

Možnost nadgradnje s pogonsko glavo:

Vector LC 250

Motor:

300W

Napetost:

85-264VAC, 50Hz, 1-fazni

Hitrost rotacije delovne plošče:

50-500rpm

Napetost:

85-264VAC, 50/60Hz, 1-fazni

Maksimalni tlak vode vode:

6.8bar

Pretok vode skozi šobo za hlajenje:

2 l/min

Dimenzije:

452 x 735 x 242mm

Teža:

20kg

Odobritve:

CE in EC

4.1.3 Avtomatski brusilni - polirni stroj BUEHLER EcoMet 250 Pro

EcoMet 250 brusilni - polirni stroj (slika 4.3) je bil zasnovan za zadovoljevanje potreb pri

analizah materialov, saj analitiki zahtevajo vsestranskost pri pripravi vzorcev.

EcoMet 250 Pro je nadgrajen z nadzorno ploščo, z barvnim zaslonom na dotik, za nadzor

odstranjevanja materiala po globini na Z-osi. Ima možnost programiranja poteka dela ter

programiranja avtomatskega razpršilca (šobe).


47

Delo na tem stroju je podobno kot na MetaServ 250, vendar poteka občutno hitreje saj ta

naprava med delovanjem ne zahteva nobenega ročnega dela.

Slika 4.3: EcoMet 250 brusilni-polirni stroj. [7]

1 AVTOMATSKA POGONSKA GLAVA

- Omogoča obdelovanje kar 6-ih vzorcev istočasno

- znatno skrajša čas priprave (obdelave) vzorca

2 KONTROLNA PLOŠČA

- Pregleden zaslon na dotik

- Enostavna uporaba in nastavljanje parametrov

- Nadzor odstranjevanja materiala po globini na Z-osi

- Možnost programiranja poteka dela ter programiranja avtomatskega razpršilca (šobe)

3 DELOVNA PLOŠČA

- Omogoča enostavno zamenjavo brusnega papirja različnih granulacij

4 TRAJNO OHIŠJE

- Ohišje izdelano (ulito) iz enega kosa zagotavlja trajno odpornost na korozijo in druge

vplive

5 MOŽNOST ČIŠČENJA

- Šoba z nastavljivim pretokom vode omogoča čiščenje in hlajenje po potrebi


48

- Vgrajena posoda z izpustom zmanjša nabiranje smeti (opilkov)

Tehnični podatki:

Velikost delovne plošče:

254 mm

Način obdelave:

Avtomatski

Motor:

750W

Napetost:

85-264VAC, 50Hz, 1-fazni

Hitrost rotacije delovne plošče:

10-500rpm (v presledkih po 10rpm)

Smer vrtenja delovne plošče:

Po želji (v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca)

Maksimalni tlak vode vode:

25-60bar

Poraba baze(delovne plošče):

1.1kW, 4.8A, 230VAC

Poraba baze in automatske pogonske glave skupaj:

1.73kW, 7.5A, 230VAC

Kontrolna plošča:

Barvni LCD ekran (175mm)

Hrup baze:

59.5dB / 100rpm

Hrup baze in automatske pogonske glave skupaj:

61.5dB / 100rpm baza, 30rpm glava

Teža:

45kg

Odobritve:

CE in EC


49

Tehnični podatki automatske pogonske glave (AutoMet 250):

Moč:

116W

Hitrost:

10-60rpm (v presledkih po 10rpm)

Sila glave na vzorce:

20-260N

Velikost vzorcev:

25mm, 30mm, 40mm

Cev za dovod zraka:

6mm

Tlak zraka:

2.4bar

Poraba:

630W, 2.7A, 230VAC

Teža:

32kg

Odobritve:

CE in EC

4.1.4 Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m

Svetlobni mikroskop Zeiss, Axio Imager A2m (slika 4.4), digitalna kamera AxioCam ICc

3 in programska oprema AxioVision:

Zmogljiv svetlobni mikroskop omogoča opazovanje površine metalolografskih vzorcev v

svetlem polju, temnem polju, diferenčno-interferenčnem kontrastu in polarizirani svetlobi.

Opremljen je z digitalno kamero za zajemanje slike AxioCam ICc 3 (3,3 milijone točk) in

programsko opremo AxioVision za obdelavo in analizo slike (npr. omogoča merjene

velikosti zrna, deleža faz ....).


50

Slika 4.4: Mikroskop ZEISS AXIO Imager A2m.

1 OKULAR

- Omogoča direkten pogled na vzorec ter fino izostritev slike

2 OBJEKTIV

- Revolverska glava omogoča hitro in enostavno izbiro željene povečave na objektivu

3 DIGITALNA KAMERA

- Ponuja možnost digitalnega zajema slike ter povezave z osebnim računalnikom

- Za lažjo in boljšo obdelavo slike

4 MIZICA

- Prostor za vpenjanje preiskovanega vzorca

5 KOLO ZA POMIK MIZICE

- Omogoča nastavitev pravilne oddaljenosti mizice (vzorca) od objektiva

6 ZASLONKI IN FILTER

- S pravilno izbiro zaslonk in filtra dobimo najkvalitetnejšo sliko vzorca

7 VIJAK ZA NASTAVITEV

- Fina nastavitev - pomik mizice

8 VIJAK ZA PRITRDITEV MIZICE NA POMIČNI NOSILEC


51

4.1.5 Prenosni rentgenski fluorescenčni (XRF) analizator Thermo NITON XL3t

Analizator Thermo NITON XL3t (slika 4.5) zagotavlja zanesljive podatke za

prepoznavanje vzorcev in pozitivno indetifikacijo materiala. V realnem času prepozna celo

lažje elemente, ki jih je težje analizirati.

Slika 4.5: analizator Thermo NITON XL3t. [8]

Opis:

Niton XL3t XRF ročni analizator ponuja funkcije, razvite z namenom, da bi povečali

produktivnost in dobičkonosnost. Odlikuje ga:

- visoka občutljivost in natančnost meritev

- nižja meja zaznavanja za elemente z višjim atomskim številom ter Mg, Al, Si in P

- standardno zaznavanje: 25 elementov od S do U

- opcija: CCD kamera za vizualno identifikacijo in shranjevanje slik vzorcev

- uporabnik lahko za iskanje izbere do 3mm majhno točko

- barvni zaslon na dotik

- ergonomska oblika

- 50 kV rentgenska cev zagotavlja približno dvakratni rentgenski tok 40 kV rentgenske

cevi

-Hotfoot adapter omogoča testiranje vročih površin v petrokemičnih rafinerijah (do

450°C).


52

Povezovanje:

- programska oprema omogoča nastavitev dovoljenj operaterjem, ustvarjanje poročila po

meri, tiskanje potrdil o analizi, ali oddaljen nadzor in upravljanje instrumenta prostoročno

preko računalnika

- vgrajen USB in Bluetooth komunikacija omogoča neposreden prenos podatkov v

računalnik ali mrežno shranjevalno napravo

- dodatna oprema vključuje Bluetooth bralnik črtne kode, tiskalnik Bluetooth in Bluetooth

GPS.

4.2 IZDELAVA IN PRIPRAVA METALOGRAFSKEGA OBRUSA

Pogoj za natančno in zanesljivo oceno mikrostrukture zvarnega spoja, je kakovostno

izdelan metalografski obrus. Njegova površina mora biti zrcalnega videza, povsem gladka,

brez raz in napak.

Metalografski obrus je bil izdelan v naslednjih korakih:

- izrez obrusa

- ulivanje (pritrjevanje) vzorca

- brušenje vzorca

- poliranje vzorca

- jedkanje vzorca

4.2.1 Izrez metalografskega obrusa

Iz varjenca je bil s posebnim rezalnikom AbrasiMet 250 (slika 4.1) izrezan obrus velikosti

približno 30 mm x 40 mm. Vzorec (slika 4.6) mora ohraniti vse lastnosti preizkušanca, kar

pomeni, da se med odrezovanjem pod nobenim pogojem ne sme spremeniti njegova

mikrostruktura. To je bilo dosežemo :

- s hlajenjem vzorca med odrezovanjem (s povišano temperaturo se spremeni

mikrostruktura)


53

- s pravilno nastavljeno vrtilno hitrostjo rezilke

- z zagotavljanjem zmerne sile rezilke na obdelovanec (varjenec)

Slika 4.6: vzorec izrezan (prečno) iz zvarnega mesta.

4.2.2 Vlivanje (pritrjevanje) vzorca

Za nadaljno obdelavo je bil izrezan vzorec vlit v umetno maso. S tem ukrepom so bili

doseženi 3-je pomembni pogoji:

- enostavno rokovanje z obrusom

- zagotovljena je zaščita robov obrusa

- zapolnitev praznin v poroznih materialih

Za vlivanje vzorca je bil uporabljen Vari Dur akrilni sistem za vlivanje metalografskih

vzorcev (slika 4.7). Sistem vsebuje 3 komponente (2 x tekočina in moder prah). Masa

zmešana iz teh komponent se med strjevanjem ne krči in se strdi v približno 20-ih minutah.


54

Slika 4.7: priprava mase za vlivanje vzorca za izdelavo metalografskega obrusa

4.2.3 Brušenje vzorca

Po vlivanju vzorca, je sledila priprava le tega na poliranje. Groba površina, ki je nastala z

odrezovanjem, je bila najprej obrušena na brusilno/polirnem stroju MetaServ 250. Vzorec

je bil brušen postopoma (v več korakih) z brusnim papirjem od najbolj grobega do

najfinejšega. Izbran je bil brusni papir, na katerem je kot abrazivno sredstvo silicijev

karbid (SiC),saj je to najbolj primeren in učinkovit brusni papir za brušenje kovin.

Za prvo brušenje je bil uporabljen brusni papir z granulacijo 120, ki je bila postopoma

povečana do 600 ter na koncu do 1200.

Po vsaki menjavi brusnega papirja je bil brušeni vzorec obrnjen tako, da je bila smer

brušenja med vsako fazo zamaknjena za 900. Brusili smo toliko časa, da se raze

predhodnega brušenja niso več opazile. To ponavljamo toliko časa, dokler ne dosežemo

zadovoljive gladkosti površine vzorca.


55

Ves čas brušenja je bilo zagotovljeno tudi istočasno izpiranje površine brusnega papirja. S

tem so bili odstranjeni odbrušeni delci, kateri bi nam lahko poškodovali površino vzorca,

ob enem pa je bilo tako doseženo tudi hlajenje vzorca.

Če se nam iz kakršnega koli razloga površina vzorca poškoduje, ali pa se na njej pojavijo

raze, moramo celoten postopek ponoviti. Slika 4.8 prikazuje primer ročnega brušenja

metalografskega obrusa.

Slika 4.8: primer ročnega brušenja metalografskega obrusa.

4.2.4 Poliranje vzorca

Po uspešno zaključenem brušenju je sledilo poliranje vzorca. Delo je potekalo na istem

stroju kakor brušenje, le da smo tu namesto brusnega papirja uporabili poli-kristalna

diamantna abrazivna sredstva. Ta imajo veliko število ostrih robov in proizvedejo veliko

število zarez z minimalno poškodbo površine.


56

Poliranje je bilo izvedeno v dveh korakih:

Prvi korak - grobo poliranje:

- uporabljena so bila poli-kristalna abrazivna sredstva s premerom zrnc od 9mikronov do 1

mikron(slika 4.9 in slika 4.10)

- kot emulzija je bila uporabljena destilirana voda

Slika 4.9: polikristalno abrazivno sredstvo 3 mikrone.

Slika 4.10: polikristalno abrazivno sredstvo 9 mikronov.

Drugi korak - fino poliranje:

- zadnje poliranje je bilo namenjeno odpravljanju samo manjših površinskih napak

- visoko kosmato polirno kolo je bilo posuto z alumino (Al2O3) (slika 4.11)

- polirni čas je bil krajši od 30 sekund


57

Slika 4.11: Al2O3 - prah, k ga uporabljamo za končno poliranje metalografskih obrusov. [9]

4.2.5 Jedkanje vzorca

Po poliranju je bila površina vzorca zrcalnega videza ter popolnoma gladka. Pri

mikroskopiranju nam takšna površina vzorca ne bi podala zadovoljivih rezultatov, zato je

bil izveden naslednji ukrep - jedkanje vzorca. Ta postopek nam omogoči, da postane

struktura materiala (kristalna zrna) vidna.

Za jedkanje je bil uporabljen 7% NITAL (93ml etanola + 7ml dušikove kisline), ki se

uporablja za jedkanje ogljikovih jekel in nikljevih zlitin.

Postopek jedkanja je potekal po naslednjem redosledu:

- razmastitev površine vzorca z alkoholom

- izpiranje vzorca pod tekočo vodo

- jedkanje z NITAL-om ( vata + NITAL; 5-10 sekund)

- izpiranje vzorca z alkoholom


58

- ponovno izpiranje vzorca pod tekočo vodo

- ponovno izpiranje vzorca z alkoholom

- sušenje vzorca s fenom


59

5 DOLOČITEV MIKROSTRUKTUR V ZVARNEM SPOJU

5.1 MIKROSKOPIRANJE (METALOGRAFSKA ANALIZA) VZORCA

Po končani obdelavi je bil metalografski obrus pregledan s svetlobnin mikroskopom Zeiss,

Axio Imager A2m (slika 5.1). Opremljen je z digitalno kamero AxioCam ICc 3, ki nam

omogoča prenos podatkov (slike) na osebni računalnik. Naknadno računalniško obdelavo

(slika 5.2) (merjenje velikosti zrn, deleža faz, velikosti razpok in napak,...) nam omogoča

programska oprema AxioVision.

Slika 5.1: Pregled metalografskega obrusa s svetlobnim mikroskopom Zeiss, Axio Imager A2m.


60

Slika 5.2: prikaz računalniške obdelave s programom AxioVision.

5.2 IZSLEDKI (SLIKE MIKROSTRUKTUR ZVARNEGA SPOJA IN NJIHOVA

DOLOČITEV)

Makro obrus (slika 5.3) je bil izdelan po opisanem postopku in sicer na ročnem polirnem

stroju z uporabo različne zrnatosti polirnih papirjev in past. Jedkanje vzorca je potekalo z

Nitalom (7%), površino smo potem obrisali z alkoholom in posušili s fenom.

Slika 5.3: Osnovna slika X-večvarkovnega zvara.


61

Osnovni material Niomol 490K je sestavljen iz bainitne mikrostrukture (slika 5.4).

Slika 5.4: Bainit v osnovnem materialu – NIOMOL 490K(320 x).

V korenu zvarnega spoja je nastala drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v

korenu zvara s sledovi primarnega ferita po mejah avstenitnih zrn, ponekod se je pojavil

čisti bainit v korenskih varkih zvara (slika 5.5, slika 5.6 in slika 5.7)

Slika 5.5: Drobnozrnata mikrostruktura iz zgornjega bainita v korenu zvara s sledovi primarnega ferita po

mejah avstenitnih zrn (200 x).


62

Slika 5.6: Drobnozrnata feritno-bainitna mikrostruktura v korenu zvara (1000 x).

Slika 5.7: Bainit v korenskih varkih zvara.


63

Slika 5.8: Drobnozrnata bainitna mikrostruktura v korenskem delu zvara.

Na sliki 5.9 je dobro vidno toplotno vplivano področje z grobozrnato mikrostrukturo in

bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja.

Slika 5.9: Bainit s sledovi primarnega ferita v korenu zvara tik ob liniji spajanja.


64

V korenu zvara je nastala tudi t.i. feritno - bainitna mikrostruktura (slika 5.10)

Slika 5.10 Feritno – bainitna mikrostruktura v korenu zvara.


65

6 DISKUSIJA REZULTATOV

Pri praktičnem delu naloge je bil zavarjen X-večvarkovni zvarni spoj, na debelini

visokotrdnostnega mikrolegiranega jekla - osnovnega materiala 30 mm. Za gradnjo

zvarnega spoja je bil uporabljen postopek varjenja MAG v mešanici plina CO2 in Ar.

Povprečen vnos toplote je bil približno 26 KJ/ cm in s časom hlajenja zvara iz temperature

800 stopinj na 500, to je 15-20s. Tehnologija varjenja se je zato izvajala z večjim številom

varkov in manjšim vnosom energije. Na ta način je bila dosežena optimalna širina toplotno

vplivanega področja, katerega mikrostruktura kvarno vpliva na žilavost celotnega zvarnega

spoja. Na slikah (slika 5.4, slika 5.5, slika 5.6, slika 5.7, slika 5.8, slika 5.9 in slika 5.10) so

predstavljene vse osnovne mikrostrukture, ki v večvarkovnem zvarnem spoju lahko

nastopijo in s pomočjo katerih lahko določimo in ocenimo najbolj krirično mikrostrukturo

z najmanjšo lomno žilavostjo zvarnega spoja.


66

7 SKLEP

Zvarni spoj vsake konstrukcije oziroma energetske komponente predstavlja mehansko

motnjo v materialu. V varjeni konstrukciji to opazimo kot različno trdnostno elasto-

plastično in lomno obnašanje od osnovnega materiala. Morebitne napake, ki so med

varjenjem nastale v zvarnem spoju (pore, zlepljena mesta, ostanki žlindre in podobno), se

lahko kasneje med obremenjevanjem razvijejo v razpoke. Omenjene razpoke se potem

širijo v trdnostno nižja področja, kar lahko privede po porušitve konstrukcije. Zaradi

navedenega metalografska preiskava zvarov predstavlja eno najvažnejših tehnik

metalurškega študija zvarov, kajti njeni rezultati omogočajo zbrati in razložiti delne

rezultate, ki jih dobimo pri drugih tehnikah preiskave.

Metalografija je veda o kristalni zgradbi kovin s katero kvalitativno in kvantitativno

opišemo ter ovrednotimo kovinsko strukturo. Pri tem s pomočjo različnih mikroskopskih

metod iščemo napake v materialih, poškodbe ter vzroke za njihov nastanek, vrsto toplotne

obdelave in podobno. Trdimo, da je metalografija porušna metoda, s katero preiščemo le

del celotnega materiala. Vedno moramo odvzeti najbolj reprezentativen vzorec, med

pripravo pa se njegova mikrostruktura nikakor ne sme spremeniti. Vzorec mora ohraniti

vse lastnosti preizkušanca, razen njegovih dimenzij. Te vzorce imenujemo metalografski

obrusi. Po obdelavi metalografske obruse najprej preverimo z optičnim mikroskopom

(LOM - Light Optical Microscope), šele kasneje, če so napake nerazločne oziroma niso

vidne, uporabimo močnejše in dražje priprave, kot so elektronski mikroskopi in rentgen.

Za kakovostno in zanesljivo oceno mikrostrukture materiala, je treba tudi vzorce pripraviti

zanesljivo in kakovostno, da so brez najmanjših napak, ki bi lahko vplivale na slabo oceno.

Kar zadeva izdelavo preizkušancev, ki jo izvajamo na enak način za optično in elektronsko

mikroskopijo, poliranje in elektrolitsko jedkanje predstavljata nekaj težav, če želimo dobiti


67

enakomerno polirano površino prereza celotnega zvarjenega spoja, ki ima različne hitrosti

raztapljanja (jedkanja).


68

8 VIRI IN LITERATURA

1 Praunseis Z. Avsec J Gradniki v energetiki, Univerzitetni učbenik, Fakulteta za

energetiko. Krško: 2010.

2 Granjon, H.; slovenski prevod Štular, P. Metalurške osnove varjenja: 1. izdaja.

Ljubljana: Zveza društev za varilno tehniko Slovenije, 1994.

3 Zdravko Praunseis; Mikrostrukture v jeklenih zvarnih spojih, študija za projekt.

4Zdravko Praunseis: Vpliv znižane trdnosti zvara na lomnomehanske lastnosti zvarnega

spoja, doktorska disertacija, Univerza v Mariboru, 1997

5 Zdravko Praunseis: Zapiski predavanj; Gradniki v energetiki, 2012, Krško

[6] Katalog Buehler, GmBh, Hamburg, 2015

[7] Spletni naslov; https://shop.buehler.com [15.9.2016]

[8] Spletni naslov; http://portableas.com [15.9.2016]

[9] Spletni naslov; http://alice785.en.ec21.com [15.9.2016]


69

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVO OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV


70

PRILOGA B: IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

Documents

METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE … · 2017-11-28 · IV METALOGRAFSKA ANALIZA VARJENE ENERGETSKE KOMPONENTE Ključne besede: metalografija, X-večvarkovni zvar, toplotno