PS 2 2016 WWW.pdf 8 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 2/2016 Wpływ technologii spawania rur ożebrowanych ze stali austenitycznej na strukturę połączenia rura – płaskownik Impact of the technology of laser welding of finned tubes made of austenitic steel on the structure of the tube – flat bar joint Dr hab. inż. Janusz Adamiec, prof. PŚl; dr inż. Agnieszka Tomaszewska – Politechnika Śląska, Katowice Autor korespondencyjny/Corresponding author: janusz.adamiec@polsl.pl Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki prób technologicznych spawania laserowego rur ożebrowanych wykonanych ze stali austenitycznych w gatunku 304 (X5CrNi18-10) oraz 304H (X2CrNi19-10), ze szczególnym uwzględ- nieniem wpływu zmiennych parametrów spawania la- serowego na strukturę połączenia rura - płaskownik. Stwierdzono, że technologia spawania laserowego rur ożebrowanych spełnia wymagania towarzystw kwalifi- kacyjnych, a struktura złączy zapewnia prawidłową wy- mianę ciepła w wymiennikach, przeznaczonych do pracy kotłów przy parametrach nadkrytycznych i ultranadkry- tycznych. Słowa kluczowe: stal austenityczna 304 i 304H, spawa- nie laserowe, rury ożebrowane Abstract This article presents the results of technological te- sts of laser welding of finned tubes made of austenitic steels in the 304 (X5CrNi18-10) and 304H (X2CrNi19-10) grades, with particular attention given to the impact of the laser welding parameters on the geometry and structure of the tube – flat bar joint. It has been found that the laser welding technology applied in the finned tu- bes meets the requirements set by the licensing authori- ties, whereas the structure of the joint with a full penetra- tion ensures a better durability of the joint and a correct heat exchange in heat exchangers intended for use in bo- ilers with supercritical and ultra supercritical parameters. Keywords: 304 and 304H austenitic steels, laser welding, finned tubes Wstęp Rozwój energetyki, głównego odbiorcy materiałów żaro- wytrzymałych, uzależniony jest w dużej mierze od materia- łów i technologii spełniających coraz wyższe wymagania jakościowe. Dodatkowym bodźcem rozwoju tej gałęzi prze- mysłu są stale rosnące wymagania dotyczące ograniczenia emisji zanieczyszczeń, zwiększenie wydajności i niezawod- ności bloków energetycznych oraz obniżenia zużycia pa- liwa. Rozwój nowych materiałów i technologii energetycz- nych stał się podstawą badań prowadzonych na stalach austenitycznych stosowanych na rury ożebrowane w wy- miennikach ciepła do pracy w warunkach nadkrytycznych i ultranadkrytycznych [1-3]. W zależności od parametrów termicznych, czynnika roboczego oraz spalin, konstrukcje te mogą być podgrzewaczami, ekonomizerami względnie prze- grzewaczami. Zastosowanie spawanych rur ożebrowanych wyraźnie zwiększa sprawność termiczną kotłów, jest ona 2,5 razy większa w porównaniu ze sprawnością rur gładkich i 1,5 razy większa w stosunku do rur Faviera [4, 5]. Właściwości Janusz Adamiec, Agnieszka Tomaszewska które czynią stale austenityczne tak popularnymi to, wyso- ka odporność na korozję, dobra zdolność do odkształceń plastycznych, ciągliwość czy też – będąca tematem badań – spawalność. Materiał do badań Materiał do badań stanowiły rury ożebrowane spawane laserowo (φ 48,3 mm, grubość ścianki odpowiednio: stal 304 – 2,77 mm, stal 304H – 3,66 mm, taśma 15x1,0 mm) wykonane ze stali austenitycznych w gatunkach 304 (X5Cr- Ni18-10) oraz 304H (X2CrNi19-10), których skład chemicz- ny przedstawiono w tabeli I. Próby technologiczne spawania laserowego przeprowa- dzono na automatycznej linii w Centrum Innowacyjnych Technologii Laserowych Energoinstal SA. Do spawania wy- korzystano stanowisko z laserem dyskowym TruDisk 8002 9PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88  2/2016 Typ stali Skład chemiczny, % wag. C Cr Ni Mn Si N P S 304 max. 0,08 18-20 8-10,5 max. 2 max. 0,75 max. 0,10 max. 0,045 max. 0,03 304H 0,04-0,1 18-20 8-10,5 max. 2 max. 0,75 - max. 0,045 max. 0,03 Tablica I. Skład chemiczny badanych stali Table I. Chemical composition of the steels Nr próbki Moc wiązki laserowej kW Prędkość spawania m/min Kąt 1° Kąt 2° 304_1 2,5 20 16 12 304_2 2,4 20 16 16 304H_1 2,3 20 16 12 304H_2 2,4 20 16 12 Tablica II. Parametry spawania laserowego dla wybranych złączy Table II. Laser welding parameters for the selected joints firmy TRUMPF, wyposażone w światłowodowy system transmisji promieniowania laserowego rezonatora do głowi- cy roboczej oraz laserową głowicę spawalniczą z podwójną soczewką skupiającą o odległości ogniskowej f = 300 mm i kolimator 300 mm. Parametrami regulowanymi podczas spawania była moc wiązki laserowej, która zmieniała się w zakresie od 2,0 do 2,6 kW, prędkość spawania, która wyno- siła od 12 do 36 m/min oraz kąt. Przetop złącza wykonany został w pozycji nabocznej PB. Szczegółowe parametry spa- wania przedstawiono w tabeli II. Obserwacje struktury złączy przeprowadzono na zgładach metalograficznych trawionych elektrolitycznie w odczynniku Lucas Reagent (50 ml kwasu mlekowego + 150 ml kwasu HCl + 3g kwasu szczawiowego). Do tego celu użyto mikroskopu stereoskopowego firmy Nikon SMZ 745T oraz mikroskopu świetlnego Nikon Eclipse E200. W celu określenia rozkładu liniowego pierwiastków w spoinie i materiale rodzimym uży- to elektronowego mikroskopu skaningowego Hitachi S-3400 wyposażonego w detektor EDS marki Thermo-Noran. Wyniki badań Badania wizualne wykonane zgodnie z wymaganiami nor- my PN-EN ISO 13919-1:2002 oraz EN ISO 6520-1 wykazały, że tylko niektóre z parametrów spawania laserowego speł- niają wymagane kryteria. Część złączy wykazuje bowiem powierzchniowe niezgodności spawalnicze, w postaci, np.: podtopień i przyklejeń (rys. 1a) oraz przyklejeń brzegowych i braku przetopu (wtopienia) (rys. 1b). W dalszej części badań skupiono się na analizie złą- czy które pozytywnie przeszły etap badań wizualnych. Obserwacje mikrostruktury tych złączy nie wykazały żad- nych mikropęknięć i potwierdziły prawidłową strukturę we wszystkich strefach połączeń dla obu badanych gatunków stali (rys. 2a i d). Spoiny charakteryzowały się budową den- drytyczną natomiast materiał rodzimy żebra i rury, miał strukturę austenityczną z widocznymi ziarnami bliźniaczy- mi. W obu przypadkach struktura żebra była bardziej drob- noziarnista w porównaniu do struktury rury. Oprócz tego a) Rys. 1. Makrostruktura złączy, ocenione negatywnie, a) 304_2, b) 304H_2 Fig. 1. Macrostructure of joints, negatively evaluated, a) 304_2, b) 304H_2 b) w strukturze rury i taśmy ujawniono wydzielenia węglików, zarówno w środku ziaren (rys. 2f), jak i na granicach. W spo- inie od linii wtopienia widoczne były kryształy kolumnowe, które wzrastały w kierunku odprowadzania ciepła (rys. 2b, c, e i f). Przeprowadzono również analizę składu chemiczne- go z wykorzystaniem systemu EDS, określając liniowy roz- kład głównych pierwiastków stopowych na przekroju spoiny (rys. 3). Stwierdzono równomierny rozkład pierwiastków na przekroju poprzecznym złącza dla obu badanych stali. Porównując udziały masowe pierwiastków w poszczegól- nych spoinach, nie wykazano znaczących różnic pomiędzy stalą 304 i 304H. a) d) b) e) c) f) Rys. 2. Mikrostruktura złączy, ocenione pozytywnie, (a, b, c) 304_1; (d, e, f) - 304H_1 Fig. 2. Microstructure of joints, positively evaluated, (a, b, c) - 304_1; (d, e, f) - 304H_1 10 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 2/2016 a) b) Rys. 3. Liniowy rozkład pierwiastków na przekroju spoiny, a) 304_1, b) 304H_1 Fig. 3. Linear distribution of the elements in the cross section joints, a) 304_1, b) 304H_1 Literatura [1] A. Hernas, J. Pasternak, J. Brózda, G. Moskal, „Stale austenityczne i nadstopy niklu stosowane do budowy kotłów nadkrytycznych i ultra- nadkrytycznych”, Wyd. SITPH, Katowice 2009, s.111-134. [2] A. Hernas, „Żarowytrzymałość stali i stopów, cz.1”, Wyd. Pol. Śl., Gli- wice 1999. [3] J. Pasternak, S. Fudali, A. Hernas, M. Staszewski, „Stale austenitycz- ne do zastosowań w kotłach o parametrach nadkrytycznych”, Energe- tyka, Zeszyt tematyczny nr XVIII, 2008. [4] J. Adamiec, M. Stopyra, M. Więcek, “Technologies of manufactu- ring finned tubes”, Proceedings of 10th Liege Conference: Materials for Advanced Power Engineering, s.411-418, 2014. [5] J. Adamiec, M. Więcek, G. Kokot, „Technologia spawania laserowego rur ożebrowanych” Przegląd Spawalnictwa, vol.86 (5), s.3-9, 2014. Podsumowanie W artykule przedstawiono analizę wpływu zmiennych parametrów spawania laserowego na strukturę połączenia rura – płaskownik dla rur ożebrowanych wykonanych ze stali austenitycznych w gatunku 304 oraz 304H. Przeprowa- dzone na złączach badania wizualne wykonane zgodnie z wymaganiami norm (PN-EN ISO 13919-1 i EN ISO 6520-1) wykazały w części złączy powierzchniowe niezgodności spawalnicze. Określono optymalne parametry spawania, od- powiednio: dla stali 304 – (moc 2500 W, prędkość 20 cm/min, kąty 16° i 12°) natomiast, dla stali 304H – (moc 2300 W, prędkość 20 cm/min, kąty 16° i 16°), które pozwoliły uzyskać pełny przetop oraz łagodne przejście lica od żebra do rury. Badania mikrostruktury obu badanych stali potwierdziły strukturę austenityczną w materiale żebra i rury, natomiast spoiny charakteryzowały się budową dendrytyczną. Stwierdzono również równomierny rozkład głównych pierwiastków stopowych na przekroju poprzecznym spoiny dla obu badanych stali. Wykazano, że technologia spawania laserowego rur ożebrowanych spełnia wymagania towarzystw kwalifikacyjnych, a struktura złączy zapewnia prawidłową wymianę ciepła w wymiennikach, przeznaczonych do pracy kotłów przy parametrach nadkrytycznych i ultranadkrytycznych. Praca sfinansowana w ramach projektu PBS1/A5/13/2012, pt .: „Technologia spawania laserem rur ożebrowanych ze stali austenitycznych i stopów niklu przeznaczonych do pracy w kotłach o parametrach nadkrytycznych i ultranadkry- tycznych” przez NCBiR . Fe Cr Ni Mn Fe Cr Ni Mn