T III - 009 - Greske - Pukotine - VU-Varazdin

Katedra za zavarivanje i površinsku zaštitu1

Greške u zavarenim spojevima u izradi i u eksploataciji

Postoje različite klasifikacije grešaka u zavarenim spojevima, a jedna od njih je sljedeća (EN 26520):

A.greške u zavarenim spojevima koje mogu nastati u izradi

B. greške u zavarenim spojevima koje mogu nastati u eksploataciji.


Greške u zavarenim spojevima koje nastaju u izradi mogu se podijeliti s obzirom na:

1. Uzrok nastajanja

- plinski uključci,- uključci u čvrstom stanju,- naljepljivanje,- nedostatak provara,- pukotine i- greške oblika i dimenzija.

- unutrašnje greške,- površinske i podpovršinske greške i- greške po cijelom presjeku.- kompaktne greške,- izdužene greške,- oštre greške,- zaobljene greške,- ravninske greške i- prostorne greške.

- male greške,- greške srednje veličine i- velike greške.- pojedinačne greške,

- učestale greške i- gnijezdo grešaka.

- konstrukcijske greške,- metalurške greške i- tehnološke greške.2. Vrstu

3. Položaj

4. Po obliku

5. Po veličini

6. Po brojnosti


Podjela grešaka s obzirom na uzrok nastajanja:

Konstrukcijske greške nastaju zbog lošeg konstrukcijskog oblikovanja zavarene konstrukcije.

Metalurške greške vezane su uz metalurške, termodinamičke i hidrodinamičke pojave koji prate proces taljenja materijala, kristalizacije i hlađenja zavarenog spoja.

Tehnološke greške posljedica su loše propisane tehnologije zavarivanja ili se kvalitetno propisana tehnologija zavarivanja ne provodi u potpunosti pri zavarivanju konstrukcije.


PUKOTINEDaleko najopasnije greške u izradi zavarenih konstrukcija su pukotine, a one mogu biti:

- hladne,- Tople (vruće),- uslijed naknadne toplinske obrade ili naknadnog zagrijavanja- uslijed slojastog ili lamelarnog odvajanja- ostale


Hladne pukotine (Cold cracking)nastaju pri hlađenju zavarenog spoja na temperaturi ispod 200 C, a čak mogu nastati i nekoliko dana nakon zavarivanja, pa su tako u tom slučaju dobile naziv "zakašnjele" hladne pukotine.

S obzirom na smjer rasprostiranja postoje longitudinalne (L) i transferzalne (T) pukotine.

Zona taljenja ili metal zavara (ZT)

Zona utjecaja topline (ZUT)

Osnovni materijal

Osnovni materijal

ZTT

ZTLZUTL

ZUTT

ZUTL

ZUTL

ZTT

ZTL

Lokacije i orjentacije hladnih pukotina prema IIW (international Institute of Welding).


Tri su osnovna uzroka nastajanja hladnih pukotina, a to su:

- sklonost materijala prema zakaljivanju,- postojanje zaostalih napetosti i- količina difuzijskog vodika.

Sklonost hladnim pukotinama procjenjuje se analitički na osnovi različitih formula za ekvivalent ugljika, a za eksperimentalno istraživanje postoji čitav niz laboratorijskih i pogonskih metoda.


Za nastajanje hladnih pukotina nužna su sva tri navedena uzroka, a vjerojatnost nastajanja je tim veća što je veći njihov utjecaj.

MIKROSTRUKTURA

VODIK

ZAOSTALE NAPETOSTI

KEMIJSKI SASTAV

DEBLJINA LIMA

UNOS TOPLINE

UTJECAJ OKOLINE

DODATNI MATERIJAL

PROCES ZAVARIVANJA

OBLIK ZAVARENOG SPOJA

UKLJUČCI


Ponekad vodik ostaje zarobljen u zavarenom spoju, ne izazove pukotine, ali se na površini loma mogu uočiti tzv. ”riblje oči” i “pahuljice”.

“Riblje oči” na površini loma uzorka zavara.

http://www.lincolnelectric.com/knowledge/articles/content/fillermetals.asp


Rastvorljivost vodika i dušika u čistom željezu


Eksperimentalne laboratorijske i pogonske probe zavarljivosti za procjenu sklonosti materijala prema

hladnim pukotinama.

Trajanje opterećenja (min)

Sila (N)

Utezi

ZavarIspitna ploča

Ispitna epruveta(Implant)

Poluga

Kolotura

Oslonac

Registriranje trajanja opterećenja(maksimalno do 16 sati)

Implant metoda (daje kvantitativne pokazatelje, tzv. kritična implantacijska naprezanja).


250

80 30 30 30 80

8

20

200

8,1

Izgled ispitne ploče za ispitivanje po Implant metodi


0 10 100 10000

2

4

6

8

10Implanti koji su pukli Materijal zavara

Implant

Vrijeme do loma, min

Opterećenje, KN

implantacijskoKritično

naprezanje

Implanti koji nisu pukli

16 sati x 60 min = 960 min

Dijagram opterećenja implant – epruveta tijekom vremena do loma

Kada se opterećenje podijeli sa površinom poprečnog presjeka implanta – epruvete, dobiju se vrijednosti implantacijskog naprezanja. Ono naprezanje kod kojega dolazi do loma implanta – epruvete naziva se kritično implantacijsko naprezanje (poželjno je da je ono što više, jer je tada bolja zavarljivost materijala. Kako se povećava sadržaj difuzijskog vodika, razina zaostalih napetosti i zakaljivost materijala, do loma epruvete dolazi ranije i kod nižih naprezanja. U tim je slučajevima kritično implantacijsko naprezanje niže, što je nepovoljno jer znači slabiju zavarljivost.


Tekken metoda (daje kvalitativne pokazatelje, tj. ima ili nema pukotina uz određenu tehnologiju i uvjete zavarivanja).

Shematski prikaz ispitivanja sklonosti hladnim pukotinama po Tekken metodi


Shematski prikaz ispitivanja sklonosti hladnim pukotinama po Tekken metodi


CTS (Control Thermal Severity – BS 709-1964) je metoda praktična za pogonska ispitivanja sklonosti kutnih zavarenih spojeva prema hladnim pukotinama. Ovo je također kvalitativna metoda ispitivanja zavarljivosti.

Ova metoda simulira različite modele vođenja topline (zavar uz rub ploče se brže hladi od onog koji je više udaljen od ruba ploče).

Prvo se izvode zavari za ukrućenje (bočni zavari) koji su nešto deblji od ispitnih. Ispitni su debljine 4 – 6 mm, duljine 75 mm. Nakon zavarivanja i hlađenja (uvažavajući inkubacijski period od 48 sati nakon zavarivanja), vrši se odgovarajuće isjecanje uzoraka i mikroskopska analiza zavarenih spojeva.

7676

188

100

Ispitni zavar

Ispitni zavar

Zavar za ukrućivanje

Zavar za ukrućivanje


Lehigh metoda je još jedna od metoda koje daju kvalitativnu ocjenu zavarljivosti.

300

38 25

x

12,5

1,6 - 2

20°

R19

R6

6,3

200

12,5

Linija rezanja

Katedra za zavarivanje i površinsku zaštitu17Juraga I; Ljubić, K; Živčić, M: Pogreške u zavarenim spojevima, HDTZ Zagreb 1998.



nastaju pri kristalizaciji i hlađenju zavarenog spoja na relativno visokim temperaturama (npr. kod čelika od temperature kristalizacije do približno 900 C).

http://www.twi.co.uk/professional/protected/band_3/jk44.html

Tople pukotine (Hot cracks)


Postoje dva osnovna tipa toplih pukotina:kristalizacijske ipodsolidusne ili likvacijske.Kristalizacijske tople pukotine nastaju pri kristalizaciji u zoni taljenja.

DJELOMIČNO RASTALJENA ZONA

SMJER SKRUĆIVANJA

VLAČNO NAPREZANJE

Shematski prikaz nastajanja kristalizacijski segregacijskih pukotina


Rast kristala – dendrita u zoni taljenja


Posljedica su postojanja strukturnih nehomogenosti.

Podsolidusne ili likvacijske pukotine najčešće nastaju u zoni utjecaja topline, poprečno ili okomito na uzdužnu os zavara, ili u smjeru debljine osnovnog materijala.

Djelovanjem naprezanja pri hlađenju zavarenog spoja, dolazi do nastajanja toplih pukotina podsolidusnog ili likvacijskog tipa, na mjestima gdje su prisutne te nečistoće koje zbog utjecaja topline pri zavarivanju djelomično ili potpuno rastaljene.


Mehanizam nastajanja likvacijskog tipa pukotine

Djelimična kristalizacija

Luk

T -Temperatura kristalizacijezrna

1

2T -Temperatura kristalizacijenečistoća

Talina

Tekući film

TALJENJE NEČISTOĆA

Pritisak

Područje tekućeg filmaDjelimičnakristalizacija

Očvrsnuti šav

TalinaZatezanjeVruća

pukotina

Luk

VRUĆA PUKOTINA U OSNOVNOM MATERIJALU

TalinaZatezanje

Djelimična kristalizacijaPodručje tekućegfilma

Očvrsnutišav

VRUĆA PUKOTINA U ŠAVU


0,6

1,0

1,4

1,8

2,2

2,6

b/h

0,08 0,1 0,14 0,18%, C

0,22

Bez pukotina Pukotine

b

p

b

p

Pojavljivanje toplih pukotina obzirom na odnos penetracije i širina zavara prema sadržaju ugljika u zavaru.

b/p


Fisco metoda za ispitivanje sklonosti toplim pukotinama

60°

30 MPa 30 MPa

6 MPa6 MPa

13080 ~~ 13080 ~~

a) b)

Shematski prikaz izvođenja Fisco testa a - izgled alata ; b - izgled probe

200180 ~~


Varestraint metoda za ispitivanje sklonosti prema poprečnim toplim pukotinama


Transvarestraint metoda za ispitivanje sklonosti prema uzdužnim toplim pukotinama


Likvacijska pukotina (zavarivanje legure aluminija)http://files.aws.org/wj/supplement/02-2004-HUANG-s.pdf

Juraga I; Ljubić, K; Živčić, M: Pogreške u zavarenim spojevima, HDTZ Zagreb 1998.


Lamelarno odvajanje ili slojasto trganje (Lamellar tearing )

http://www.aws.org/wj/jan04/still_feature.html

nastaje u zoni utjecaja topline i obično se dalje širi na osnovni materijal, a posljedica je postojanja nehomogenosti u osnovnom materijalu i djelovanja naprezanja zbog topline unesene zavarivanjem.

Izgled lomne površine kod lamelarnog odvajanja

www.twi.co.uk/j32k/ getFile/jk47.html


Lamelarno odvajanje može nastati i kod debljih, ali isto tako i kod tanjih limova koji imaju strukturne nehomogenosti.

Materijal koji se ispituje

Karakteristično područjelamelarnog cijepanja

Lokaciaj lamelarne pukotine u zavarenom spoju


Očekivane pukotine trganje u slojevima

ZUT

ZUT

182190

193

206

214216

216 214 216

210221219

212206

192199183

193

221225234

183205199

b

c

de

f

Primjer pukotine nastale pri zavarivanju čelika Č0563, EPP postupkom zavarivanja. Na skici su označene lokacije mjerenja tvrdoće i pripadajuće vrijednosti tvrdoće HV10.


Window metoda – metoda za ispitivanje sklonosti prema lamelarnom odvajanju

a )

Shematski prikaz ispitivanja Window testom ( a ) i presjeka uzorka ( b )

300350

75

75

150

1

23

4

l30

10

b )

30Pukotina

Anker šavovi

Ispitni šavovi45o


Det Norske Veritas metoda (preporuke prema IIW)

Ispitivani lim

Presjeci

Priprema epruveta prema Det Norske Veritas

Kod ove se metode za veće debljine limova izrađuju epruvete za vlačno kidanje iz čistog osnovnog materijala. Za manje debljine limova zavaruju se probne ploče (elektrolučnim postupkom ili elektrootporno), nakon čega se izrađuju epruvete za vlačno kidanje.


Pomoćni

lim

Lamelarno cijepanje

Lim koji se ispituje

120

60°

Shematski prikaz ispitivanja Cranfieldovim testom

7 do 12slojeva

100

34

7

zavar od

smjer deformacije pomoćnog lima

Cranfieldov test

Katedra za zavarivanje i površinsku zaštitu35Juraga I; Ljubić, K; Živčić, M: Pogreške u zavarenim spojevima, HDTZ Zagreb 1998.


Pukotine zbog naknadnog zagrijavanja ili naknadne toplinske obrade zavarenog spoja

www.twi.co.uk/j32k/ getFile/jk48.html

najčešće nastaju u tzv. niskotemperaturnom području zbog prevelike brzine zagrijavanja.

1. Niskotemperaturne pukotine (nastaju do temperature 300 °C)2. Pukotine ispod platiranog sloja3. Pukotine koje nastaju na temperaturi toplinske obrade

(precipitacijski tip pukotina)


1. Niskotemperaturne pukotine (nastaju do temperature 300 °C)

Najčešći tip pukotina. Nastaju kao posljedica prevelikog gradijenta temperature (prevelika brzina zagrijavanja do temperature 300 °C).


Ovaj je tip pukotina sasvim slučajno otkriven kod čelika koji su platirani navarivanjem EP postupkom.

2. Pukotine ispod platiranog sloja

Prvi sloj Drugi sloj Treći sloj

Zona utjecaja topline (ZUT)

Zona taljenja (ZT)

Lokacija pukotina ispod platiranog slojaOsnovni materijal (OM)

smjerzavarivanja

Pukotine ispod platiranog sloja (npr. navarivanje austenitnih čelika EP postupkom, trakom)

Drugim slojem se postiže negativni efekt pregrijavanja u zoni utjecaja prvog navarenog sloja – efekt dvostrukog toplinskog ciklusa.


3. Pukotine koje nastaju na temperaturi toplinske obrade (precipitacijski tip pukotina)

Za vrijeme toplinskog ciklusa kod čelika koji su očvrsnuti dodavanjem precipitata (različiti tipovi karbida) dolazi do rastvaranja precipitata i smanjenja mehaničkih svojstava materijala.


BWRA metoda Ispitivanje sklonosti pukotinama zbog naknadnog zagrijavanja

U kružnoj rupi provodi se zavarivanje cijevi prema gornjoj slici. Svakim se zavarivanjem naknadno zagrijava prethodni zavar, a nakon svega se provodi toplinska obrada na temperaturi 600 do 690°C. Pri tome se koriste različite brzine zagrijavanja i hlađenja proba.

Nakon toplinskog tretiranja, uzorak se na odgovarajući način reže, te se metalografski ispituje homogenost zavarenog spoja. Metoda je pogodna za CrMo i CrMoV čelike.


Reakcije plinova s rastaljenim metalima

Rastaljeni metal (kapi metala, kupka) otapa u sebi veće količine O, H, N, pa dolazi do međusobnih reakcija plin – metal.

Kao izvori plinova pri zavarivanju mogu se navesti nečistoće osnovnog i dodatnog materijala.

Također, iz atmosfere, koja okružuje rastaljene kapi i kupku metala utječu prisutni plinovi (O, H, N, CO2, H2O).


Zbog disocijacije i ionizacije molekula plinova, atmosfera u električnom luku je vrlo aktivna.

Najčešće korišteni načini zavarivanja REL i MAG zahtijevaju posebno dobro poznavanje reakcija plin - metal.

U električnom luku temperatura plinova doseže lokalno 5000-15000 °C, pa se molekularni plinovi disociraju u atome, a djelomično i u ione. Takovo stanje plinova zovemo plazmom.

Npr. vodik se potpuno disocira na atome pri 5000 °C, a dušik pri 10000 °C.


DezoksidacijaKisik je uvijek, u većoj ili manjoj količini, prisutan u rastaljenom metalu. Mora se spriječiti njegova reakcija sa ugljikom iz Fe3C, jer može uzrokovati poroznost i razugljičenje: C + O CO (plinski mjehurići, poroznost). Dodajući u oblogu elektrode ili u žicu za zavarivanje elemente, koji imaju veliki afinitet prema kisiku: Al, Si, Mn, Ti i Zr dolazi do reakcija:

Si + 2O → SiO2

2Al + 3O → Al2O3

Mn + O → MnO

Produkti dezoksidacije su troska ili nemetalni mikrouključci u strukturi ZT.


Veći sadržaj dezoksidanata u dodatnom materijalu bit će potreban, ako:

Izvori kisika su: atmosfera u luku (O2, CO2, H2O), okujina (FeO,Fe2O3,Fe3O4) na metalu, hrđa (OH skupina) i rezidualni kisik iz OM i DM.

• osnovni materijal sadrži više kisika,• ako je jakost struje zavarivanja i/ili toplinski input veći,• ako je veličina zone taljenja veća,• ako je količina cundera i hrđe veća,• ako je zaštitni plin jače oksidirajući; 100% CO2 plin je jače

oksidirajući od Ar + 2% O2 ili čisti Ar.


Poroznost

Poroznost nastaje zbog reakcija plin - metal i zbog otapanja velike količine raznih plinova u talini, koji pri skrućivanju moraju napustiti talinu zbog velikog pada rastvorljivosti - topivosti plinova u talini.

Rastvorljivost vodika je veoma različita pri raznim temperaturama.


Velike količine vodika, se mogu apsorbirati u talini, a kasnije izlaze u obliku mjehurića ili ostaju u krutnini kao difuzijski vodik i u rešeci tvori visoki tlak, koji uzrokuje hladne pukotine.

Da bi bilo što manje prisutnog vodika u zavarenom spoju potrebno je elektrode sušiti ili peći neposredno prije upotrebe.

Tako odstranjujemo higroskopnu i vezanu vlagu.


Kod zavarivanja u zaštitnim plinovima (TIG, MIG/MAG) poroznost može biti uzrokovana nedovoljnom zaštitom plina zbog:

• premale količine,• propuha ili vjetra - predaleko se nalazi sapnica,• turbulencija,• injektorsko djelovanje struje zaštitnog plina, koji uvlači druge

plinove, • nedovoljna sekundarna zaštita (korijena)

U rastaljenom metalu prisutni

Najčešći plinski mjehurići

U z r o k

H + H H2 pad rastvornosti

N + N N2 pad rastvornosti

C + O CO reakcija plin - metal


Utjecaj Mn i Si na oblikovanje zone taljenja

Veći sadržaj Mn i Si povećava fluidnost kupke zavara te se postiže povoljniji oblik zavara za pozicionirano zavarivanje i manja osjetljivost rđavih i oksidiranih površina rubova, koje se zavaruje.


Sadržaj dezoksidanata utječe na oblik i svojstva zavara

a) Manji sadržaj Si i Mn b) Veći sadržaj Si i Mn

Veliko nadvišenje i konveksan oblik zavara

Malo nadvišenje zavara

Slabo vlaženje rubova Dobro vlaženje rubova i glatka površina lica zavara

Oštar prijelaz ZT - ZUT Blagi prijelaz ZT - ZUT

Veća količina kapljica uz zavar zbog prskanja

Malo prskanje kapljica u okolinu



Documents

T III - 009 - Greske - Pukotine - VU-Varazdin