Pred. 03. Metalurgija Zavarivanja

METALURGIJA ZAVARIVANJAPre nego što krenemo sa izučavanjem Metalurgija

zavarivanja potrebno je znati.Definicije:Zavarivanje – proces izrade nerazdvojivog spoja

uspostavljanjem međuatomskih veza između delova koji se zavaruju, pri čemu se pojedinačno ili kombinovano koristi toplotna ili mehanička energija, i po potrebi dodatni materijal.

Zavarivač - osposobljen i proveren radnik za određeni opseg zavarivačkih radova: postupak, materijal (OM,DM), položaj zavarivanja, geometrijske oblike radnog predmeta.

Zavareni spoj – konstruktivna celina koju čine osnovni metal i metal šava

Osnovni materijal (OM) – materijal koji se zavarujeDodatni materijal (metal) (DM) – materijal koji se

dodaje u procesu zavarivanjaZona uticaja toplote (ZUT) – deo osnovnog

metala, koji je pod uticajem zagrevanja i hlađenja pretrpeo strukturne promene

Metalna kupka – rastopljeni dodatni i osnovni materijal

Šav (metal šava) – očvrsla metalna kupkaZavar – deo šava nastao u jednom prolazu ili slojuŽleb – pripremljeni prostor za obrazovanje šavaTehnologija zavarivanja – skup operacija potrebnih

da bi se napravio zavareni spojTehnika zavarivanja – načini izvođenja pojedinih

operacija tokom zavarivanja.

OSOBENOST ZAVARIVANJAZavarivanje kao tehnološki postupak spajanja

ima svojih specifičnosti prema ostalim načinima spajanja materijala. Mogučnost da se oblikovanjem zavarivanje zadovoljava oblik koje traži teorija konstrukcija, a posebno otpornost materijala ili teorija elastičnosti.

Zbog primene toplote za ostvarivanje spajanja, imamo posebne specifičnosi koje se javljaju pri zavarivanju i to:

1. Topljenje u kojime učestvuju ivice delova koji se spajaju,

2. Lokalizacija pojave topljenja koja izaziva veliku termičku heterogenost u metalnoj masi.

Usled topljenja, zavarivanje se može posmatrati kao:

* Topionička operacija * Operacija toplotne obrade * Metaluška operacijaPotrebno je da zavareni spoj bude što ravnomerniji

, i da bi se taj uslov ispunio potrebno je pre početka zavarivanja poznavati osobine materijala koje ćemo zavariti, i onda u zavisnosti od toga odrediti uslove pod kojima se zavarivanje može izvršiti.

Činioci koji određuju ponašanje metala pod uticajem zavarivanja su:

* Osnovni hemijski sastav * Struktura * Fizičko-hemijska struktura

OSNOVNI HEMIJSKI SASTAV METALA Legure se stvaraju sa željom da se postignu

određene mehaničke ili hemijske osobine - obično se vrši legiranje. Legirani elementi se obično svrstavaju u dve grupe i to:

1. Alfageni (α) elementi koji stvaraju feritnu strukturu i to su elementi: Cr, Al, Si, P, Ti, V, Mo i W.

2. Gamageni (γ) elementi koji stvaraju austenitnu strukturu i to su elementi: C, Mn, Ni, Co, i N.

Pored osnovnog hemijskog sastava konstrukcionih čelika, poznato je da i veoma male količine gasova, naročito kiseonika, azota i vodonika, imaju veliku ulogu u ponašanju zavarenih metalnih konstrukcija.

Kiseonik u čeliku nalazi se u obliku oksida ili u obliku čvrstog rastvora. Kiseonik utiče na smanjenje jačine kidanja, tvrdoće, izduženja i kontrakcije.

Azot u hemijskom jedinjenju sa železom povećava jačinu kidanja i granicu razvlačenja, a smanjuje izduženje i kontrakciju i udarnu žilavost. Pri zavarivanju količina azota je različita pri zavarivanju različitim elektrodama.

Vodonik se unosi u zavareni metal bilo preko prljave korodirane površine žljeba ili preko obloge elektroda.

Pod strukturom nazivamo arhitekturu legure onako kako nam pokazuje mikrografska (makrografska) slika. Pored osnovnih struktura čelika (ferit, perlit, austenit), u zavisnosti od toplotnog ciklusa zavarivanja možemo naići i na tzv. intermedijalne strukture: trustit, sorbit, bejnit (gornji, donji), martenzit.

Svaka od ovih struktura ima svoje karakteristike. Dalji uticaj strukture, sa svojim specifičnim osobinama na ponašanje zavarenog spoja pod opterećenjem, zavisi i od fizičko-hemijske konstrukcije u kojoj se u zavarenom spoju javljaju.

STRUKTURA

ZONA UTICAJA TEMPERATURE

Osobina materijala se menja u zonama oko šava, i da su u šavu i oko šava različite od onih u osnovnom materijalu koji nije pretrpeo uticaj toplote zavarivanja.

Makrografijom sučeonog zavarenog spoja, prikazuje strukture materijala u označenim mestima za čelik sa 0,20% C.

Na slici je prikazan uticaj zavarivanja na strukturu osnovnog materijala u zoni uticaja toplote i materijala šava.

Zona 1 i 2 su pri zavarivanju rastopljene, u zoni 1 žljeb je ispunjen dodatnim materijalom, a u zoni 2 je osnovni materijal rastopljen prilikom zavarivanja.

Zona 3 je uz samu zonu topljenja ima tipičnu Vidmanštetenovu strukturu, gde su zrna porasla usled dužeg zadržavanja u blizini solidusa, i naglog hlađenja posle toga, pa su nastale karakteristične izlučevine ferita.

Zona 4 je jako zagrejana, pa su stoga zrna velika i ovde je došlo do potpune trasformacije perlita i ferita u austenit. Od uslova hlađenja zavisi hoćemo li dobiti perlitno-feritnu strukturu.

Zona 5, temperatura je izazvala prekristalizaciju ali je pri hlađenju struktura ostala sitnozrnasta.

Zona 6 je zagrejana samo toliko da je počelo pretvaranje perlita u austenit.

Zona 7 nije pretrpela nikakve toplotne uticaje (feritno-perlitna građa).

Materijal šava usled dodatnog legiranja ima bolje mehaničke osobine nego osnovni materijal. Iz toga proizilazi da su zona 3 i zona 4 najosetljivije zone za ponašanje zavarenog spoja.

Na slici je prikazana detaljna strukturna promena feritno-perlitnog čelika u toplotnom ciklusu zagrevanja i hlađenja

Na slici (a) je dat isečak sa ostrvcima perlita (P) u feritnoj osnovi (F).

Pri zagrevanju iznad 723 °C perlitna zrna se pretvaraju u austenitna označena sa (A) prikazano na slici (b).

Daljim povišenjem temperature nastaje rast austenitnih zrna na račun feritnih, a koncentracija ugljenika u austenitu se smanjuje. Isprekidane linije prikazuju kako austenitna zrna rastu na račun feritnih.

Na slici (c) prikazano je kako dolazi prilikom hlađenja do stvaranja klice ferita u austenitnim zrnima.

Pri hlađenju i rastu ovih feritnih ostrva, koncentracija ugljenika u preostalom austenitu raste i kad temperatura padne na 723 °C (peostali austenit prelazi u perlit), prikazano na slici (d).

Ovde vidimo da se feritna zrna posle zagrevanja i hlađenja smanjuju, a ostrva perlita postaju veća na taj način što se sastoje iz malih zrnaca ferita i perlita.

Heterogenost zavarenog metala može se ostraniti zagrevanjem celog komada na temperaturi između (800 – 900) °C, ali to se retko čini zbog glomaznosti zavarenih konstrukcija.

Stepen heterogenosti, odnosno nepovoljnost zavarenog spoja, zavisi pored unete količine toplote (vrste zavarivanja i režima zavarivanja), u velikoj meri i od hemijskog sastava osnovnog materijala. Najveću ulogu tu ima ugljenik, zato se sadržaj ugljenika konstrukcionih čelika ograničava na 0,2 do 0,25%.

Kao merilo pojave kaljenih struktura uzima se ekvivalent ugljenika i to:

Po engleskim autorima: CE = C + Mo/4 + Cr/5 + Mn/8 + Cu/13 + Ni/15 (%)

Po ruskim autorima: CE = C + Cr/2,5 + Si+Mo/3,3 + V/5 + Mn/6 + Cu+Ni/25 (%).

Na levoj strani prikazan je dijagram uticaja toplote od zavara na osnovni materijal i zone uticaja toplote.

Na desnoj strani je prikazan dijagram promene strukture pri zavarivanu u zavisnosti od temperature i % ugljenika u metal.

Od 0-723°C je feritno-perlitna građaNa temperaturi 723°C (tačka A1) vrši se pretvaranje perlita u

austenit.Između temperature A1 i A3 struktura je feritno-martenzitnaIznad temperature A3 pa sve do solidus temperature struktura

je austenitna.Daljim zagrevanjem temperatura raste iznad solidus

temperature kada legura počinje da se topi i pri dostizanju likvidus temperature prelazi u rastop.

Likvidus linija je linija koja povezuje temperature početka očvršćivanja legura različitog sastava.

Solidus linija je linija koja povezuje temperature završetka kristalizacije (očvršćivanja) legura različitog sastava

Vidmanštetenova struktura:struktura igličastog ferita sa vrhovima iglica usmerenim prema središtu perlitnih zrna.