201506_PSpaw.pdf 9PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 6/2015 Badanie własności złączy ze stali S690QL spawanej metodą MAG Testing of properties of GMA welded S690QL steel Dr inż. Artur Lange, dr inż. Piotr Białucki, dr inż. Wiesław Derlukiewicz, prof. dr hab. inż. Andrzej Ambroziak, mgr inż. Tomasz Mach, dr inż. Maciej Zwierzchowski – Politechnika Wrocławska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: artur.lange@pwr.edu.pl Streszczenie Przedmiotem badań były złącza doczołowe ze sta- li S690QL o grubości 10 mm, spawane metodą MAG. Wykonano analizę metalograficzną złączy, określono rozkłady twardości w obszarze spoiny, przeprowadzono statyczna próbę rozciągania złączy poprzecznych i zba- dano ich udarność. Uzyskane spoiny posiadały niezgod- ności spawalnicze których wymiary graniczne odpowia- dały poziomowi jakości D. Maksymalna twardość złącza w strefie SWC wyniosła 317 HV10, minimalny kąt gięcia próbki wyniósł 90°. Wytrzymałość na rozciąganie wynio- sła 853 MPa. Słowa kluczowe: stal S690QL, badania wytrzymałościowe, spawanie MAG Abstract The subject of the research were GMA welded butt joints made of 10 mm thick S690QL steel. The metallo- graphic analysis of joints was made, hardness in the joint area was measured, the static tensile test and impact test of transverse joints conducted. Joints contained imperfections with size at the D quality level. Maximum hardness of the joint in the HAZ was 317 HV10, minimum angle of specimen bending was 90 deg. The measured tensile strength was 853 MPa. Keywords: steel S690QL, strength tests, welding GMA Wstęp Spawanie było wykonane drutem litym niskostopowy gat. G 65 4M Mn3 Ni1CrMo według EN ISO 16834, firmy Lincoln Electric w osłonie gazu Ar + 18% CO2, według ISO 14175 – M21 – ArC-18%. Energia liniowa dla warstw wypełniających wynosiła 0,50 kJ/mm, a dla warstwy podpawania 0,24 kJ/mm. Spa- wanie przeprowadzono na zrobotyzowanym stanowisku MOTOMAN EA1900. Spoinę wykonano w trzech ściegach z podpawaniem po szlifowaniu grani spoiny. Płytę próbną pokazano na rysunku 1. Pomiary twardości Pomiary twardości wykonano na mikro twardościomie- rzu „Fritz Heckert” Karl – Marx-Stadt, przy obciążeniach 98 N. Układ linii pomiarowych na przekroju spoiny pokazano na rysunku 2, a wyniki pomiarów twardości przedstawiono na rysunkach 3÷5. Twardość materiału rodzimego wyniosła ok. 260 HV10. W strefie wpływu ciepła twardość nieco wzrosła do ok. 320 HV10. Można też zauważyć, że twardość spoiny (ok. 240 HV10) jest nieco mniejsza niż twardość materiału spawanej stali. Artur Lange, Piotr Białucki, Wiesław Derlukiewicz, Andrzej Ambroziak, Tomasz Mach, Maciej Zwierzchowski Rys. 1. Złącze próbne wykonane na elementach blachy ze stali S690QL Fig. 1. Test joint made of S690QL steel plate 10 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 6/2015 Według PN-EN ISO 15614-1 dopuszczalne maksymalne twardości w złączach spawanych ze stali 690QL, która należy do 3-tej grupy, podgrupy 3.1, stali sklasyfikowanej wg CR ISO 15608, wynoszą 450 HV10 w stanie nieobrobio- nym cieplnie po spawaniu, a po obróbce cieplnej twardość ta nie powinna być większa niż 380 HV10. W badanym złą- czu bez obróbki cieplnej po spawaniu, maksymalna twar- dość wyniosła 318 HV10. Statyczna próba rozciągania złączy, udarność i próba zginania Badania wytrzymałości na rozciąganie wykonano we- dług PN-EN ISO 4136 na próbkach poprzecznych pobranych ze złącza próbnego. Rozciąganie przeprowadzono na ma- szynie wytrzymałościowej MTS 810 na zakresie pomiaro- wym 0÷250 kN. Przykładowy wykres z próby rozciągania oraz wygląd zerwanej próbki pokazano na rysunkach 6 i 7. Porównanie własności stali i złączy spawanych metodą MAG przedstawiono w tablicy I. Jak można zauważyć na ry- sunku 7 przełom próbki nastąpił w materiale rodzimym stali. Wytrzymałość złącza wyniosła 853 MPa. Rys. 2. Próbka do pomiaru twardości z naniesionymi liniami pomia- rowymi Fig. 2. A specimen for hardness measurement with measurement lines Rys. 3. Zależność twardości złącza od umiejscowienia odcisku względem osi spoiny dla pierwszej linii pomiarowej Fig. 3. Dependence of the hardness and the distance of the indenta- tion from the joint axis for the first line Rys. 4. Zależność twardości złącza od umiejscowienia odcisku względem osi spoiny dla drugiej linii pomiarowej Fig. 4. Dependence of the hardness and the distance of the indenta- tion from the joint axis for the second line Rys. 5. Zależność twardości złącza od umiejscowienia odcisku względem osi spoiny dla trzeciej linii pomiarowej Fig. 5. Dependence of the hardness and the distance of the indenta- tion from the joint axis for the third line Rys. 6. Wykres rozciągania doczołowego złącza poprzecznego ze stali S690QL spawanego metodą MAG Fig. 6. Curve of elongation of the GMA welded S690QL transverse butt joints 11PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 6/2015 Przełom próbki rozciąganej został zainicjowany na brze- gu spoiny, w miejscu niewielkiego podtopienia (0,17 mm), widocznego na rysunku 2. Próbę udarności wykonano na młocie Charpy’ego o ener- gii początkowej mota 100 J. Zbadana udarność wyniosła 91KCV100 J/cm. Wygląd próbki po próbie udarności przed- stawiono na rysunku 8. Przełom próbki jest matowy o cechach materiału pla- stycznego. Na powierzchni przełomu nie są widoczne nie- zgodności spawalnicze. w zależności od wydłużenia względne A5. Stale mające A5 < 20% zgina się do 180° na trzpieniu o średnicy wylicza- nej ze wzoru: d = t*100/A – t W przypadku stali S690QL, której wydłużenie wynosi 14% trzpień powinien mieć średnicę 62 mm. Z uwagi na brak ta- kiego trzpienia próbę zginania przeprowadzono na trzpie- niu o średnicy 30 mm. Próba była bardzo ostra dla tej stali, a pomimo tego kąt gięcia wyniósł ponad 90° (rys. 9). Badania metalograficzne Badania metalograficzne wykonano na mikroskopie me- talograficznym OLYMPUS K40M. Struktury obserwowano w świetle widzialnym przy powiększeniach 500x na zgładach trawionych odczynnikiem Nital 3%. Mikrofotografie struktur występujących w badanych złączach spawanych pokazano na rysunkach 10÷13. Materiał rodzimy wykazuje drobnoziar- nistą strukturę ferrytyczno-perlityczną z przewagą ferrytu charakterystyczną dla niskowęglowej stali ulepszonej ciepl- nie (rys. 10). W strefie wpływu ciepła występują dwa obszary struktur, bliższa linii wtopienia wykazuje duży rozrost ziaren od przegrzania stali (rys. 12), natomiast dalej występuje obszar normalizacji stali z wyraźnie widocznym rozdrob- nieniem ziaren (rys. 11). Spoina krystalizuje w układzie den- drytycznym o strukturze ferrytyczno-perlitycznej (rys. 13). Nie stwierdzono natomiast występowania twardych struktur martenzytycznych czy bainitycznych. Tablica I. Własności wytrzymałościowe ze stali 690QL oraz złączy spawanych metodą MAG Table I. Strength properties of steel S690QL and joints welded by MAG method Próbka R0,2 min, [MPa] Rm, [MPa] Norma Stal 690 770÷910 PN-EN ISO Złącze spawane – 853 – Rys. 7. Złącze ze stali S690QL po próbie rozciągania Fig. 7. S690QL steel joint after tensile test Rys. 8. Widok próbki złącza ze stali S690QL spawanej metodą MAG po próbie udarności Fig. 8. GMA welded S690QL steel joint after impact test Rys. 9. Próbka przed i po przeprowadzeniu próby zginania Fig. 9. Specimen before and after bending test Rys. 10. Mikrostruktura materiału rodzimego stali S690QL Fig. 10. Microstructure of the S690QL steel as base material Rys. 11. Mikrostruktura strefy normalizacji pod ściegiem licowym spoiny Fig. 11. Microstructure of the normalization zone under the face bead Wg PN-EN ISO 5173:2010 Spawalnictwo – Badania nisz- czące spawanych złączy metali – Próby zginania, ważny jest dobór średnicy trzpienia gnącego, którą dobiera się 12 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 6/2015 Wnioski 1. Badania wytrzymałości na rozciąganie wykazały poprawny dobór spoiwa (G 65 4M Mn3 Ni1CrMo) do spawania metodą MAG badanej stali S690QL. Wytrzymałość złącza poprzecznego wyniosła 853 MPa. 2. Zaostrzona próba zginania złącza poprzecznego (na trzpieniu o średnicy 30 mm, zamiast na 62 mm) wykazała kat gięcia ok. 90° co może świadczyć o jego dobrej plastyczności. Udarność złącza wyniosła 91 KCV100 J/cm2. 3. Pomiary twardości wykazały, że spawanie z odpowiednio dobraną energią liniową badanej stali pozwala na zapew- nienie twardości w strefie wpływu ciepła niższej niż 350 HV10 bez obróbki cieplnej przed i po spawaniu pomimo wysokiego równoważnika węgla CEV. 4. Badania makroskopowe ujawniły niewielkie przesunięcia osiowe poszczególnych ściegów. Badania mikroskopowe nie wykazały obecności twardych struktur martenzytu lub bainitu w złączu spawanym. Literatura [1] PN-EN ISO 4136 – Badania niszczące złączy spawanych me- tali – Próba rozciągania próbek poprzecznych. [2] PN-EN ISO 9015-1 – Badania niszczące złączy spawanych metali – Badanie twardości – Część 1: Badanie twardości złączy spawanych łukowo. [3] PN-EN ISO 9016 – Badania niszczące złączy spawanych metali – Badanie udarności – Usytuowanie próbek, kierunek karbu i badanie [4] PN-EN ISO 5173 – Badania niszczące spoin w materiałach metalowych – Badanie na zginanie. [5] Mach T.: Spawalność stali ulepszanych cieplnie i własności złączy spawanych. Praca dyplomowa. PWr 2014r. Rys. 12. Mikrostruktura strefy przegrzania SWC spoiny pod ście- giem licowym Fig. 12. Microstructure of the overheating zone of HAZ under the face bead Rys. 13. Mikrostruktura spoiny ściegu licowego Fig. 13. Microstructure of the face bead of the joint