NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 09-13 9

D. Bajić, G.M. Меlničuk, А.F. Lupan, М.М. Savickij, Ž. Blečić

ZAVARIVANJE ČELIKA TIPA 18.10 ATIG-POSTUPKOM

A TIG WELDING OF STEEL TYPE 18.10

Originalni naučni rad / Original scientific paper UDK / UDC: 621.791. 754′29:669.15′26′24-194.3 Rad primljen: 22.04.2003.

Adresa autora / Author's addres: Mr Darko Bajić, Mašinski fakultet, Podgorica; Inž. G.М. Меlničuk, inž. А.F. Lupan, dr М.М. Savickij, Institut elektrozavarivanja E.O.Paton NAN Ukraina, Kiev; Prof. dr Žarko Blečić, Metalurško-tehnološki fakultet, Podgorica.

Ključne reči: elektrolučno zavarivanje, topitelj, slobodna kontrakcija, hemijski sastav, mehaničke osobine, postupak TIG, postupak A TIG, zamor materijala

Keywords: Arc Welding, Fluxes, Free Contraction, Chemical Composition, Mechanical Properties, TIG Welding, ATIG Welding, Fatigue

Izvod

Primjena konvencionalnog TIG-postupka zavarivanja ne može u potpunosti da odgovori potrebama savremenog tržišta sa aspekta proizvodnosti i ekonomičnosti. Koristeći aktivaciju oksidaciono-redukcionih procesa u zoni zavarivanja, pomoću površinski aktivnih i elektronegativnih elemenata (ATIG-postupak), poboljšavaju se tehnološke karakteristike električnog luka. Poboljšanjem karakteristika električnog luka, u kombinaciji sa metodom slobodne kontrakcije, moguće je ostvariti visokokvalitetan i pouzdan zavareni spoj. Cilj rada je prikaz i uporedna analiza rezultata ispitivanja mehaničkih i radnih karakteristika zavarenih spojeva čelika tipa 18.10, izvedenih ATIG i TIG-postupkom zavarivanja.

Abstract

The application of conventional TIG-welding process in protection of inert gases is not able to fullfil needs of modern market from the aspect of productivity and economy. Using the activation behavior of oxidation-reduction processes in zone of welding by surface – active and electronegative elements (ATIG-process) the technological characterisctics of electric arc become better. By improvement of the characteristics of electric arc in combination with a method of free contraction we are able to achieve the high – quality and reliable welded joint. The aim of work is a description and comparative analysis of testing results of mechanical and working characteristics of welded joints of steel type 18.10 ATIG and TIG-welded.

UVOD Visokolegirani koroziono postojani čelici tipa 18.10 imaju široku primjenu u različitim oblastima privrede: od prehrambene industrije do atomske energetike. Za njihovo spajanje zavarivanjem tradicionalno se koristi tehnologija zavarivanja netopljivom elektrodom u zaštiti inertnih gasova (TIG-postupak).

Sa aspekta proizvodnosti i ekonomičnosti TIG-postupak ima svojih nedostataka. Naime, sa povećanjem debljine čelika (>3 mm) naglo se umanjuje sposobnost penetracije električnog luka. Primjenom zazora između ivica žljeba i primjenom dodatnog materijala povećava se cijena zavarenog spoja, smanjuje proizvodnost, a takođe, povećava se vjerovatnoća nastajanja neprovara, oksidnih međuslojeva, pora i drugih grešaka.

Moguće rješenje ovih problema je primjenom aktivirajućih topitelja (ATIG-postupak) koji je razrađen u Institutu elektrozavarivanja E.O. Paton iz Kieva, Ukraina [1]. Specifičnost ovog postupka je poboljšanje tehnoloških karakteristika električnog luka, koristeći

pojavu aktivacije oksidaciono-redukcionih procesa u zoni zavarivanja [2].

AKTIVACIJA ELEKTRIČNOG LUKA Pod dejstvom aktivatora smanjuje se površinski napon tečnog metala, stub električnog luka se sažima, što doprinosi povećanju gustine struje i koncentraciji toplotnog i mehaničkog dejstva električnog luka. Električni luk se duboko potapa u rastop, gdje je, vjerovatno, podvrgnut dopunskom sažimanju pod dejstvom hidrostatičkog potiska rastopa metala. U ovim uslovima raste pritisak i temperatura plazme, što dovodi do prodiranja dna kratera i provarivanja metala elemenata debljine do 12 mm. Osnovno sredstvo za uvođenje aktivatora u zonu zavarivanja su aktivirajući topitelji. Njihovo nanošenje na površine spajanja može se izvršiti na nekoliko načina. Za postizanje opisanog efekta potrošnja aktivirajućeg topitelja je 1÷2 gr/m dužine šava.

Početak intenzivne primjene ATIG-postupka pri zavarivanju nerđajućih austenitnih čelika je 80-a godina prošlog vijeka, kada se u bivšem Sovjetskom Savezu naglo razvija primjena atomske energetike. Pri izradi

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

10 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 09-13

reaktora atomskih centrala bilo je neophodno realizovati stotine hiljada spojeva cijevi različitih prečnika, čija je debljina zida do 12 mm. Primjera radi, pri izradi samo jednog energetskog bloka atomske centrale sa reaktorom РБМК 1000, zavareno je više od 250.000 cijevnih spojeva, od kojih je polovina izrađena od nerđajućeg čelika X18H10T (Cr18 Ni10 Ti). Izvodeći zavarivanje bez zazora ostvarena je velika finansijska ušteda, smanjeno vrijeme zavarivanja i ogromna ušteda visokolegirane žice kao dodatnog materijala. Efekat uštede visokolegirane žice posebno dolazi do izražaja korišćenjem metode slobodne kontrakcije ili "autopresovanja", u cilju formiranja ojačanog šava.

Primjenom ATIG-postupka zavarivanja bez zazora žljeba, u kombinaciji s metodom slobodne kontrakcije, omogućava se postizanje željenog ojačanja šava, bez dodatnog materijala. Osnovu ove metode čini efekat plastične deformacije visoko zagrijanog metala šava, (MŠ), okruženog hladnijim metalom [3].

Primjena ove tehnologije zahtijevala je izradu specijalizovane opreme koju čine jednomotorni malogabaritni automati male težine, koji omogućuju realizaciju orbitalnog zavarivanja cjevovoda u radioničkim i montažnim uslovima. Primjenom ovih automata, u kombinaciji sa ATIG-postupkom, omogućeno je veliko smanjenje obima radova, u odnosu na primjenu konvencionalnog ručnog TIG-postupka, i smanjenje obima grešaka zavarenih spojeva cijevi od 30 % na 3 %. Visoka sposobnost penetracije električnog luka omogućila je ponovnim pretapanjem šava otklanjanje nastalih unutrašnjih grešaka, bez razdvajanja elemenata spoja sa greškama.

Paralelno sa ovim radovima u Institutu elektrozavarivanja E.O. Paton intenzivirana su istraživanja u oblasti razrade i primjene tehnologije i opreme za rad u ekstremnim uslovima.

EKSPERIMENTALNA ISPITIVANJA I ANALIZA REZULTATA

Ispitivanja su izvršena na spojevima cijevi prečnika Ø32÷Ø325 mm i debljine zida 2÷12 mm, kao i na

spojevima ploča debljine do 14 mm, od čelika 08X18H10T. Spojevi su izvedeni bez zazora i primjenom aktivirajućeg topitelja BC-31. Kao kontrolni uzorci korišćeni su spojevi izvedeni konvencionalnom tehnologijom sa zazorom i zakošenjem ivica žljeba, i primjenom dodatnog materijala CB-04X18H11M3.

Utvrđeno je da se zavarivanjem pod istim uslovima, primjenom aktivirajućeg topitelja formira uži šav sa dubljim protapanjem, nego pri zavarivanju ugljeničnih i niskolegiranih čelika. Vjerovatno objašnjenje je u činjenici da austenitni čelik ima nizak koeficijent toplotne provodnosti. Koristeći ovu osobinu, a takođe i visoki koeficijent toplotnog širenja visokolegiranih čelika, stvoreni su uslovi za formiranje termičkog ciklusa u zavarenom spoju, pri kome su vremenska naprezanja prevazišla granicu tečenja MŠ, izazivajući njegovu značajnu plastičnu deformaciju. Kako MŠ ima dvije slobodne površine, korijen i lice šava, to se plastična deformacija odvija u pravcu ovih površina. Na ovaj način dio metala ("višak metala") koji se zagrijava do visokih temperatura formira dimenziono ojačanje lica i korijenske strane šava.

Ovim tehnološkim postupkom, koji se naziva postupak slobodne kontrakcije ili ”autopresovanje”, primjenom aktivirajućeg topitelja može se postići ojačanje šava bez dodatnog metala kod čelika debljine do 12 mm pri jednostranom, i do 20 mm pri dvostranom zavarivanju (sl. 1 a, b, c), ne izlažući zavareni spoj pregrijavanju.

Hemijskom analizom je utvrđeno da se hemijski sastav MŠ praktično ne razlikuje od sastava osnovnog metala (tab.1). Može se primijetiti samo tendencija smanjenja sadržaja ugljenika, silicijuma i mangana i povećanje sadržaja hroma, nikla, titana i kiseonika.

Na taj način, zahvaljujući povoljnim režimima ATIG-postupka (isključuje mogućnost pregrijavanja metala) i postizanju ujednačenosti hemijskog sastava osnovnog metala (OM) i MŠ, spojevi imaju visoku korozionu postojanost.

Slika 1. Makroizbrusak poprečnog presjeka zavarenog spoja čelika 08X18H10T: a) d = 8 mm posle prvog prolaza (ATIG-postupak) b) d = 8 mm posle drugog prolaza (postupak slobodne kontrakcije) c) d = 16 mm dvostrano zavarivanje ATIG-postupkom

Tabela 1. Hemijski sastav OM i MŠ čelika 08X18H10T (ATIG-postupak)

a) b) c)

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 09-13 11

Maseno učešće (%) Ispitivani metal C Si Mn Cr Ni Ti S P O N

OM 0.088 0.058 1.78 17.8 9.7 0.39 0.0070 0.015 0.0020 0.0069

MŠ 0.086 0.050 1.75 18.0 9.9 0.5 0.0069 0.015 0.0023 0.0067

Ispitivanja otpornosti zavarenog spoja na međukristalnu koroziju (MKK) po metodi AM pokazala su da pri savijanju od 90 ºC i od 180 ºC ne postoje korozione prsline (sl.2 a, b).

Slika 2. Izgled spoljašnje površine šava epruveta posle

ispitivanja na MKK (ГОСТ 6032-84):

a) zavarivanje primjenom ATIG-postupka b) zavarivanje primjenom TIG-postupka

Takođe, ispitivanja su pokazala da se sadržaj feritne faze u šavu zavarenih spojeva realizovanih ATIG-postupkom nalazi u granicama od 3.9 % do 4.5 %.

U cilju određivanja mehaničkih karakteristika, epruvete su uzorkovane duž i poprečno na šav. Rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 2.

Tabela 2. Mehaničke osobine MŠ i zavarenog spoja čelika 08X18H10T

Mehaničke osobine Ispitivani Re

(Mpa) Rm

(Mpa) A5 (%)

Z5 (%)

MŠ TIG-postupak 346 543 44.5 68.5

Zavareni spoj TIG-postupak 349 572 46.2 63.8

MŠ ATIG-postupak 347 565 49.3 69

Zavareni spoj ATIG-postupak 347 571 48.2 65.4

Na osnovu rentgenskih i metalografskih ispitivanja, utvrđeno je da šavovi realizovani ATIG-postupkom nemaju greške tipa pora, oksidnih međuslojeva, prslina, a strukture MŠ i ZUT se veoma malo razlikuju od strukture višeslojnog šava pri konvencionalnom TIG-postupku zavarivanja (sl.3 a, b, c, d), iako se uslovi dobijanja šava suštinski razlikuju. Ovim se objašnjava zašto se, prema količini rastopljenog metala, zavarivanje sa dubokim provarivanjem može da smatra najekonomičnijim postupkom. Na osnovu dobijenih rezultata ispitivanja može se izvesti zaključak da su po strukturi, hemijskom sastavu i mehaničkim osobinama, zavareni spojevi izvedeni ATIG- postupkom veoma bliski OM i najbolje realizovanim varijantama višeslojnog zavarivanja sa povoljnim režimima zavarivanja. Postojanje razlike u vrijednostima njihovih osobina može se smatrati da je posledica tačnosti mjerne tehnike.

a) b) c) d)

Slika 3. Mikrostruktura zavarenog spoja: a) MŠ – ATIG-postupak, b) linija stapanja – ATIG-postupak, c) MŠ – TIG-postupak, d) linija stapanja – TIG- postupak.

Ispitivanja čvrstoće na zamor zavarenih spojeva čelika 08X12H10T, u uslovima visoko- i niskocikličnog

zamornog opterećenja, izvršena su na temperaturama 20 ºC i 300 ºC.

a)

b)

SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ

12 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 09-13

Ispitivanja su izvođena korišćenjem epruveta prikazanih na slici 4. Prije početka ovog ispitivanja izvršeno je određivanje mehaničkih katakteristika zavarenih spojeva izvedenih ATIG i TIG-postupkom, pri statičkom dejstvu sile zatezanja na uređaju P-0 (kidalica) sa brzinom opterećenja ε = 2.5·10-3.

100 120 100

5020

R25

t

320

Slika 4. Epruveta za zamorna ispitivanja zavarenih spojeva čelika 08X18H10T

Rezultati statičkih ispitivanja i granice izdržljivosti zavarenih spojeva prikazani su u tabeli 3.

Tabela 3. Mehaničke osobine i granica izdržljivosti zavarenih spojeva čelika 08X18H10T

Postupak Ispit.T (ºC)

Re (MPa)

Rm (MPa) εax10-3 σ-1

(MPa)

+20 245 585 1.70 210 TIG

+300 210 430 1.50 155

+20 230 580 1.80 200 ATIG

+300 195 415 1.55 150

Ispitivanja na zamor su izvođena sa velikim opterećenjem pri simetričnom ciklusu srednje deformacije, u saglasnosti sa literaturom [4, 5]. U trenutku postavljanja epruveta u zahvat, srednja deformacija je zadavana koristeći uređaj za mjerenje ugiba do vrijednosti 85 mm [6]. Pri visokocikličnom ispitivanju opterećenje epruveta je vršeno sa N=2·106 ciklusa. Krive zamora su konstruisane u koordinatnom sistemu "εa-lgN". Srednja deformacija εa određivana je iz izraza:

2a lhw6

=ε (1)

gdje je:

h – debljina epruvete;

w – ugib

l – početno izmjereni ugib – 85 mm.

Visokociklična ispitivanja su izvršena pri nekoliko različitih vrijednosti konstantne srednje deformacije, počev od εa = 2.4·103 do εa = 1.4·10-3 "odozgo-na dolje". Kao granica nosivosti usvojen je nivo deformacije εa-1, pri kojoj je vjerovatnoća loma epruveta iznosila 50 %. Rezultati ispitivanja su prikazani u tabeli 3 i na slici 5. Na osnovu dobijenih rezuItata može se zaključiti da se pri ispitivanju na +300 ºC, krive zamora zavarenih uzoraka, pripremljenih sa zazorom ivica (TIG) i

korišćenjem aktivirajućeg topitelja (ATIG), praktično poklapaju, sve do vrijednosti srednje deformacije εa = 1.55·10-3. Pri manjim vrijednostima srednje deformacije (εa < 1.50·10-3) kod 50 % epruveta iz uzoraka zavarenih TIG-postupkom javlja se lom, dok kod uzoraka zavarenih ATIG-postupkom do loma uopšte ne dolazi.

Pri sobnoj temperaturi ispitivanja +20 ºC, a pri istim vrijednostima srednje deformacije, epruvete iz uzoraka zavarenih ATIG-postupkom do loma izdržavaju veći broj ciklusa opterećenja. Razlika vrijednosti granice nosivosti je izraženija nego što je to pri ispitivanju na +300 ºC, εa-1 = 1.80·10-3 (TIG) i εa-1 = 1.70·10-3 (ATIG) (sl. 5). Njihov lom po pravilu se javlja na rastojanju 10÷15 mm od granice stapanja, tj. po OM. Mjerenjem tvrdoće MŠ i ZUT, potvrđena je ciklična stabilnost ove dvije oblasti zavarenog spoja.

Rezultati ispitivanih epruveta iz uzoraka zavarenih konvencionalnim TIG-postupkom (sa zazorom ivica i dodatnim materijalom), imaju veće rasipanje rezultata, a lom epruveta se dešava kako po šavu, tako i po osnovnom metalu. Analizom preloma ovih uzoraka uočeno je prisustvo pora. Ispitivanja pri niskocikličnom opterećenju, frekvencijom f = 11/c, izvršena su pri vrijednosti elastoplastičnih deformacija od 0.2 % do 0.6 % i trajne čvrstoće od 2·103 do 5·104. Pri najvišim vrijednostima deformacija uočeno je zagrijavanje epruveta. Ciklus promjene elastoplastičnih deformacija bio je simetričan, a ispitivanja su započinjata s maksimalnom vrijednosti deformacija, koja je kod svake sledeće epruvete smanjivana za istu vrijednost, za postizanje ravnomjerne raspodjele eksperimentalno dobijenih tačaka na dijagramu "εa-lgN".

Krive niskocikličnog zamora (sl. 6) pri +20 ºC i +300 ºC ispitivanih varijanti zavarenih spojeva pokazuju, da sa povećanjem temperature u oba slučaja otpor na zamor metala opada. Pri niskocikličnom, kao i pri visokocikličnom zamoru, kod spojeva zavarenih ATIG-postupkom lom se dešava po OM i sa veoma velikim otporom.

Za konstrukciju potpunog dijagrama "εa-lgN" u dijapazonu 1·103 ÷ 2·106 ciklusa iskorišćeni su istovremeno rezultati sa slike 5 i 6, koji su nakon statističke obrade predstavljeni na slici 7.

U poređenju sa konvencionalnim TIG-postupkom zavarivanja, pri ATIG-postupku obim pretopljenog metala je manji čak do dva puta, što značajno smanjuje napone i deformacije koje se pojavljuju u zavarenom spoju. Mjerenja poprečnih deformacija, kod epruveta iste debljine, kod primjene ATIG i TIG-postupka su pokazala, da pri debljini uzoraka od 6÷10 mm poprečne deformacije su kod prve grupe uzoraka dva puta manje, a pravougaona forma šava praktično isključuje pojavu ugaonih deformacija.

Sve napred rečeno govori o visokom kvalitetu i pouzdanosti ovakvih šavova i zavarenih spojeva.

NAUKA∗ISTRAŽIVANJE∗RAZVOJ SCIENCE∗RESEARCH∗DEVELOPMENT

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (1/2003), str. 09-13 13

2 4105 6 8 2 ·106 106

N, ciklusa

2,42,32,22,12,01,91,81,71,61,51,4

Slika 5. Ciklične krive zavarenih spojeva

○, ● - epruvete sa TIG-postupkom zavarivanja □, ■ - epruvete sa ATIG-postupkom zavarivanja (○,□ – T = +20ºC ; ●,■ – T = +300ºC)

Slika 6. Otpor niskocikličnom zamoru zavarenih spojeva AT - zavarivanje ATIG postupkom; KP – zavarivanje TIG postupkom

Slika 7. Uopšteni dijagram otpora opterećenju na zamor

AT - zavarivanje ATIG-postupkom; KP - zavarivanje TIG-postupkom Upoređujući rezultate statičkih ispitivanja, može se zaključiti da zavareni spojevi čelika 18.10 izvedeni ATIG-postupkom imaju istu čvrstoću kao osnovni metal i mogu se primjenjivati u uslovima statičkih i cikličnih opterećenja pri sobnoj i povišenim temperaturama.

ATIG-postupak zavarivanja posjeduje niz tehnoloških i ekonomskih prednosti.

ZAKLJUČAK Primjenom ATIG-postupka zavarivanja povećava se proizvodnost zavarivačkih radova uz istovremeno smanjenje troškova za mehaničku obradu spojeva, za dodatni materijal - žicu i pripremu ivica, isključuje se mogućnost formiranja oksidnih međuslojeva, a pri registrovanju pora i neprovara iste možemo odstraniti, bez mehaničkog razdvajanja defektnih elemenata, putem ponovnog pretapanja sa aktivirajućim topiteljem.

Treba takođe naglasiti da se ATIG-postupak zavarivanja može primijeniti na standardnoj opremi za zavarivanje volframovom elektrodom u zaštiti inertnog gasa. Izvođenje šava potrebne geometrije, bez korišćenja dodatnog materijala – žice, omogućuje korišćenje malogabaritnih automata, što je veoma važno za orbitalno zavarivanje tankozidnih cijevi. Eksperiment je pokazao da se pri korišćenju ATIG-postupka zavarivanja u montažnim uslovima postižu zavareni spojevi visokog kvaliteta u prvom prolazu, bez grešaka u do 97 % slučajeva.

LITERATURA

[1] Макара, А.М., Кушнеренка, Б.Н., Савицкий M.М. и др.: Флюс для сварки в среде инертных газов, Автоматическая сварка СССР, 1970., № 272026.

[2] Савицкий; М.М., Лесков Г.И.: Механизм влияния электроотрицательных элементов на проплавляющую способность дуги с вольфрамовым катодом, Автоматическая сварка, 1980., № 9, Стр. 17-22.

[3] Савицкий, М.М., Лупан, А.Ф., Мельничук, Г.М., Олейник О.И.: Способ применения активаторов для сварки в инертном газе, Автоматическая сварка, 2000., № 3, Стр. 48-49.

[4] ГОСТ 2860-65 - Испитание металов на усталость

[5] ГОСТ 25.504-82 – Расчеты и испитания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости.

[6] Добровольский, В.И., Прехин В.В.: Способ измерения деформаций при изгибе, В.И. 1982, № 9, Стр. 167.