PS 5 2016 WWW.pdf 107PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 Wpływ podgrzewania wstępnego na właściwości   mechaniczne złączy spawanych ze stali X10CrAlSi13 Influence of preheat temperature on mechanical properties of steel X10CrAlSi13 welded joints Mgr inż. Maciej Woszek  – Doosan Babcock Energy Polska Sp. z o.o.; dr hab. inż. Jacek Słania, Prof. PCz; dr hab. inż.  Grzegorz Golański, Prof. PCz – Politechnika Częstochowska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: maciejwoszek@gmail.com Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu podgrzewa- nia wstępnego na właściwości mechaniczne złącza spawane- go stali X10CrAlSi13. Badaniu poddano dwa złącza oznaczone jako: P1 i P2, gdzie odpowiednio: nie zastosowano i zastoso- wano podgrzewanie wstępne. Analiza porównawcza złączy obejmowała badania właściwości mechanicznych, które obej- mowały: statyczną próbę rozciągania, pomiar twardości, próbę udarności oraz próbę gięcia. Badania właściwości mechanicz- nych uzupełniono badaniami makroskopowymi. Dodatkowo została oceniona zasadność stosowania spoiw austenitycz- nych do spawania tej klasy stali. Wskazano również dalsze kierunki badań nad chromowymi stalami ferrytycznymi. Słowa  kluczowe: podgrzewanie wstępne; chromowa stal ferrytyczne; właściwości mechaniczne Abstract The paper presents influence of preheat temperature on mechanical properties of steel X10CrAlSi13 welded jo- ints. Research also includes macrography with evaluation of grain growth and an angle bend test along with assessment of plasticity properties. Additionally austenitic welding con- sumables were validated in terms of forming weld joint with appropriate properties. Finally study provides guidance for further research on X10CrAlSi13 welded joints. Keywords: preheat; chromium ferritic steel; mechanical pro- perties Wstęp W przemyśle energetycznym stale ferrytyczne odporne na korozję stanowią konkurencję dla stali austenitycznych, ze względu na ich niższą cenę. Główną wadą stali ferry- tycznych jest wysoka temperatura przejścia w stan kruchy, ze względu na dużą ilość chromu zawierającego się w prze- dziale od 10,5% do 30% oraz mniejsza odporność na korozję równomierną w porównaniu do stali austenitycznych. Cechą charakterystyczną tej grupy stali jest mała zawartość węgla oraz brak przemian fazowych, co czyni je stalami niehartują- cymi się. Warunkiem koniecznym uzyskania zadawalających Maciej Woszek, Jacek Słania, Grzegorz Golański właściwości mechanicznych i plastycznych stali ferrytycz- nych jest uzyskanie drobnoziarnistej struktury [1÷4]. Ogra- niczeniem w zastosowaniu chromowych stali ferrytycznych jest niespełnienie wymagań dyrektywy ciśnieniowej 97/23/ WE PED dotyczących stali. Dyrektywa ta narzuca energię ła- mania na poziomie co najmniej 27 J i wydłużenia wynoszące- go minimalnie 14 % w każdej strefie złącza spawanego. Chromowa stal ferrytyczna X10CrAlSi13 należy do grupy stali żaroodopornych i jest przeznaczona na żaroodporne czę- ści kotłów (m.in. brodawki pomiarowe, elementy mocujące przeglad Welding Technology Review Zawartość pierwiastków, % masy X10CrAlSi13 C Si Mn P S Cr Al Skład chemiczny badanej stali 0,065 0,94 0,84 0,021 0,001 12,56 0,93 Wymagana zawar- tość pierwiastków według PN-EN 10095 max 0,12 0,50÷1,0 max 1,00 max 0,040 max 0,015 12,00÷14,00 0,70÷1,20 Tablica I. Skład chemiczny stali X10CrAlSi13 Table I. Chemical composition of X10CrAlSi13 steel 108 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 i szeregujące przegrzewacze) oraz pieców przemysłowych, komór próżniowych itp. Maksymalna temperatura pracy – żaroodporność tej stali wynosi 850 °C. Stal ta jest odporna na działanie gazów zawierających związki siarki i gazy redu- kujące, słabo odporna na działanie atmosfery nawęglającej, azotującej i węgloazotującej [5]. Spawalność stali X10CrAlSi13 jest kompleksowym pro- blemem, ze względu na skład chemiczny z dużą ilością ferrytotwórczych pierwiastków stopowych (Cr, Al, Si), małą plastyczność stali i wrażliwość na przegrzanie powodu- jąca uzyskanie struktury gruboziarnistej [1,3,4]. Prawidło- wy dobór techniki, parametrów spawania oraz materiałów dodatkowych do spawania jest bardzo istotny ze względu na uzyskanie właściwości mechanicznych i plastycznych spełniających wymagania stawianym konstrukcjom wyko- nanym ze stali X10CrAlSi13. Materiał do badań Materiałem do były płyty o wymiarach 10 x 200 x 125 mm wykonane ze stali X10CrAlSi13. Badany materiał dostarczo- ny był w stanie wyżarzonym. Skład chemiczny oraz właści- wości mechaniczne materiału rodzimego w stanie dostawy zestawiono w tablicy I i II. Technologia spawania Ze względu na dane literaturowe [1,3,4] zalecające stoso- wanie podgrzewania wstępnego na poziomie temperatury 200 ÷ 300 °C oraz wyżarzania odprężającego w temperatu- rze 700 ÷ 750 °C opracowane zostały dwa pWPS-y. W pierw- szym wykonano złącze doczołowe blach w pozycji PF z pod- grzewaniem wstępnym na poziomie 200 °C i temperaturą międzyściegową wynoszącą 250 °C (złącze oznaczono jako P2). W drugim również wykonano złącze doczołowe blach w pozycji PF, ale bez podgrzewania wstępnego z temperatu- rą międzyściegową na poziomie 150 °C (złącze oznaczono jako P1). Zarówno złącze P1, jak i P2 nie zostały poddane obróbce cieplnej po spawaniu. Technologia spawania zosta- ła zaplanowana w celu zbadania zasadności podgrzewania wstępnego stali X10CrAlSi13. Charakterystyka stali ferry- tycznych wrażliwych na przegrzanie i doprowadzane ciepło Rp0,2,  MPa Rm,  MPa Twardość, HV10 Wydłużenie A,  % Właściwości stali w stanie dostawy 437 591 192 15 Wymagane właściwości według PN-EN 10095 min. 250 450÷650 max 250 min. 15 Tablica II. Właściwości mechaniczne stali X10CrAlSi13 Table II. Mechanical properties of X10CrAlSi13 steel Zawartość pierwiastków, % masy C Si Mn Cr Ni 0,1 0,7 6,5 18,8 8,8 Właściwości mechaniczne Parametry pracy Re, MPa Rm, MPa A, % KV, J Temperatura pracy 480 660 38 90 do 850 °C Tablica III. Skład chemiczny, właściwości mechaniczne oraz parametry pracy elektrody FOX A7 Table III. Chemical composition and welding parameters of FOX A7 electrode do złącza oraz jednofazowa struktura ferrytyczną nie wska- zuje na słuszność zaleceń obróbki cieplnej i podgrzewania wstępnego stali tej klasy. Złącza wykonano metodą 111 ze względu na dużą wszechstronność metody oraz częste wykonywanie złączy tego typu w warunkach montażowych, gdzie wykorzystanie gazu osłonowego może być problematyczne. Warto zauwa- żyć, że w przypadku spawania metodą 111 tej klasy złą- czy musi być zapewniony dostęp do złącza z dwóch stron ze względu na konieczności wycięcia/wyszlifowania gra- ni i wykonaniu drugiego lica lub zastosowanie spawania na podkładce z osłoną grani gazem obojętnym. Materiałem dodatkowym wykorzystanym w obu techno- logiach była elektroda E 18 8 Mn B 2 2 (Böhler FOX A7). Spo- iwa austenityczne są zalecane do spawania chromowych stali ferrytycznych ze względu na bardzo dobre właściwości plastyczne, udarność stopiwa oraz podwyższenie odporno- ści na korozję spoiny. Elektroda FOX A7 w pełni spełnia wy- magania stawiane materiałowi rodzimemu. Skład chemicz- ny oraz właściwości mechaniczne elektrody FOX A7 zostały przedstawione w tablicy III. Badania właściwości mechanicznych Badania właściwości mechanicznych obejmowały: po- miar twardości metodą Vickers’a, statyczną próbę rozciąga- nia, próbę udarności oraz próbę gięcia. Badania właściwości mechanicznych zostały przeprowadzone zgodnie z obowią- zującymi normami. Uzyskane wyniki badań przedstawiono na rysunkach 1÷6 oraz tablicy IV. Pomiar twardości Dla złącza P1 maksymalna twardość nie przekracza war- tości 225 HV10 dla pomiaru od strony grani. Twardość ma- teriału rodzimego (MR) i strefy wpływu ciepła (SWC) była na poziomie nie przekraczającym 190 HV10. Według normy ma- teriałowej PN-EN 10095 materiał rodzimy X10CrAlSi13 powi- nien wykazywać twardość poniżej 250 HV10. Ten warunek został spełniony dla SWC i spoiny złącza P1. Warto jednak zauważyć, iż norma dotycząca kwalifikacji technologii spa- wania 15614-1 nie stawia wymagań twardości chromowym 109PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 stalom ferrytycznym (grupa materiałowa 7 według ISO TR 15608). W związku z powyższym złącze P1 spełnia wszelkie wymagania stawiane twardości przez normy dotyczące stali X10CrAlSi13. Złącze P2 w którym zostało zastosowane podgrzewa- nie wstępne na poziomie 200 °C wykazuje bardzo podobny rozkład twardości do złącza P1. Maksymalna twardość w spo- inie, podobnie jak w złączu P1, nie przekracza 225 HV10. Twar- dość materiału rodzimego i strefy wpływu ciepła nie przekra- cza wartości 190 HV10. Porównywalna twardość na przekroju złącza P1 i P2 wskazuje, że podgrzewanie wstępne nie miało wpływu na twardość. Rys. 1. Rozkład twardości od strony lica i grani w złączu niepodgrze- wanym wstępnie (P1) Fig. 1. Hardness distribution from toe and root side in weld join without preheat (P1) Rys. 2. Rozkład twardości od strony lica i grani w złączu podgrze- wanym wstępnie (P2) Fig. 2. Hardness distribution from toe and root side in preheated weld joint (P1) Statyczna próba rozciągania Właściwości wytrzymałościowe obu złączy spełniają wy- magania normy PN-EN 10095 (tablica II) dla stali X10CrAl- Si13. Wytrzymałośc na rozciąganie Rm dla złącza P1 wyno- siła 495 MPa, natomiast dla złącza P2: 517 MPa (tablica IV). Uzyskane wartości wytrzymałości na rozciąganie dla złą- czą P1 i P2 są do siebie zbliżone (różnica jest poniżej 5%), co wskazuje że zastosowane podgrzewanie wstępne, po- dobnie jak w przypadku pomiaru twardości, nie miało istot- nego wpływu na właściwości wytrzymałościowe złącza ze stali X10CrAlSi13. Zarówno złącze P1, jak i złącze P2 Złącze Rm,  MPa A, % P1 495 10,95 P2 517 13,4 Tablica III. Wytrzymałość na rozciąganie badanych złączy Table III. Ultimate tensile strength of both welded joints nie spełnia warunków dyrektywy ciśnieniowej 97/23/WE PED wymagającej wydłużenia A na poziomie ≥ 14 %. Próba udarności Energia łamania próbek złączy P1 i P2 w analizowanych obszarach są również porównywalne. Strefa wpływu ciepła dla złącza bez podgrzewania wstępnego P1 charakteryzowa- ła się energią łamania na poziomie 16 J, natomiast energia ła- mania SWC złącza z podgrzewaniem wstępnym P2 wynosiła 18 J. Najwyższą wartością energii łamania charakteryzowała się natomiast spoina, dla której zmierzona wartość energii łamania KV wynosiła ponad 90 J (rys. 3). Wysoka energia ła- mania spoiny wynika z zastosowania jako materiału dodat- kowego spoiwa austenitycznego, gwarantującego uzyskanie wysokiej ciągliwości. Złącze P2 odznacza się energią łama- nia nieznacznie większą od złącza niepodgrzewanego P1. Norma PN – EN 15614-1 oraz PN – EN 10095 nie stawiają określonych wymagań energii łamania stali X10CrAlSi13. Porównywalna wartość energii łamania SWC i MR oraz wy- soka energia łamania spoiny świadczy o poprawnie wykona- nych złączach. Wyniki potwierdzają również znikomy wpływ podgrzewania wstępnego na uzyskaną wartość energii łama- nia złącza wykonanego ze stali X10CrAlSi13. Rys. 3. Średnia wartość energii łamania w różnych strefach złączy P1 i P2 Fig. 3. Impact energy of melt 1 and 2 Rys. 4. Wyniki próby gięcia z rozciąganiem lica (TFBB) i grani (TRBB) dla złączy P1 i P2 Fig. 4. Results of angle bend test from toe side (TFBB) and root side (TRBB) for welded joints P1 and P2 110 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 5/2016 Próba gięcia Próba technologiczna gięcia zakończyła się wynikiem ne- gatywnym zarówno w przypadku złącza P1, jak i dla złącza P2 (rys. 4). Próba gięcia z rozciąganiem lica (TFBB) uzyskała wymagany kąt 180° zarówno dla złącza P1, jak i P2. Próba gięcia z rozciąganiem grani (TRBB) ujawnia widoczne pęk- nięcia przez cały przekrój złącza już przy 20° dla złącza P1 i przy 28° dla złącza P2. Analizowane złącza otrzymały wy- nik negatywny podczas próby, lecz warto podkreślić, że pró- ba gięcia nie jest wymagana dla złączy ze stali X10CrAlSi13. Rys. 5. Makrostruktura złącza bez podgrzewania wstępnego ze stali X10CrAlSi13 (P1). Trawiono chlorek żelaza Fig. 5. Macrography of X10CrAlSi13 welded join (P1) without preheat Badania makroskopowe Badania makroskopowe przeprowadzone na złączu P1 (Rys. 5) i P2 (Rys. 6) potwierdziły brak niezgodności spawalniczych po badaniach wizualnych VT. Złącza P1 i P2 spełniają kryteria jakości B według PN-EN 5817. Na zdjęciach makrostruktury można zauważyć rozrost zia- ren struktury w strefie wpływu ciepła w obydwu złączach, szczególnie w obszarze CGHAZ, czyli strefie struktury przegrzanej. Rys. 6.  Makrostruktura złącza ze stali X10CrAlSi13 z podgrzewa- niem wstępnym (P2). Trawiono chlorek żelaza Fig. 6. Macrography of X10CrAlSi13 welded join (P2) with preheat Podsumowanie Złącze P1 tj. złącze wykonane bez podgrzewania wstępnego charakteryzowało się właściwościami bardzo zbliżonymi do właściwości złącza P2, które wykonano z podgrzewaniem wstępnym. Wskazuje to na znikomy wpływ podgrzewania wstępnego na właściwości mechaniczne złączy wykonanych ze stali X10CrAlSi13. Uzyskane wyniki pomiaru twardości dla badanych złączy były na podobnym poziomie ze względu na jednofazową struk- turę ferrytyczną stali X10CrAlSi13. Spoiwo austenityczne jest zalecane dla spawania tej klasy stali ze względu na gwarantowaną wysoką energię łamania (90 J) oraz spełnienie wymaganych właściwości wytrzymałościowych. Dalsze badania nad złączami spawanymi stali X10CrAlSi13 powinny obejmować zastosowanie obróbki cieplnej według zaleceń norm, na złączach bez podgrzewania i z zastosowanym podgrzewanym wstępnym. Ponadto istotnym byłoby określenie wpływu zmniejszenia energii liniowej na poziomie 0,5÷1 kJ na właściwości złącza wykonanego ze stali X10CrAlSi13. Literatura [1] Tasak E., Ziewiec A.: Spawalność materiałów konstrukcyjnych Tom 1: Spawalność stali. Wydawnictwo JAK, Kraków 2009. [2] Blicharski M.: Inżynieria Materiałowa stal. WNT wydanie drugie, Warsza- wa 2012. [3] Poradnik Inżyniera: Tom 1 Spawalnictwo, pod redakcja prof. dr. hab. Inż. Jana Pilarczyka. Wydawnictwo WNT, Warszawa 2014. [4] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1993. [5] Ferenc K.: Spawalnictwo. WNT, Warszawa 2013.