PS 4 2018 WWW.pdf 66 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Stosowanie i wytwarzanie układów trójwarstwowych  do budowy elementów aparatury procesowej  Application and manufacture of three-layer systems for the construction of process equipment components Dr inż. Anna Pocica – Politechnika Opolska, inż. Tomasz Groński – Zakład Technologii Wysokoenergetycznych EXPLOMET. Autor korespondencyjny/Corresponding author: tomasz.gronski@gmail.com Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki badań makroskopowych, mikrotwardości, określono własności mechaniczne dwóch układów trójwarstwowych składających się z cyrkonu-ty- tanu-stali i tytanu-stali-stali po platerowaniu wybuchowym zginania oraz odrywanie, a także analizę równoważnej gru- bości przetopień RGP. Słowa  kluczowe: zgrzewanie wybuchowe; obserwacje ma- kroskopowe; badania mechaniczne; badania mikrotwardości; analiza RGP Abstract The work presents the results of the research of mac- roscopic, microhardness tests, RGP penetration thickness analysis and mechanical properties of two three-layer sys- tems consisting of zirconium-titanium-steel and titanium- -steel-steel after explosion cladding. Keywords: explosive welding; macroscopic observation; me- chanical testing; hardness testing; analysis of RGP Wstęp Współczesna praktyka zna wiele metod zgrzewania. Zaliczamy do nich m.in. zgrzewanie elektryczne, gazowe, oporowe, czy wybuchowe. Zasadniczą cechą trzech pierw- szych sposobów jest wykorzystanie ciepła do uzyskania połączenia materiałów. W przypadku zgrzewania wybucho- wego ciepło odgrywa drugorzędną rolę a bywa, że jest wręcz szkodliwe dla uzyskania poprawnych właściwości złącza. Zasadnicze znaczenie ma ciśnienie w punkcie kontaktu zderzających się materiałów. Taki mechanizm umożliwia uzyskanie połączeń materiałów, których nie da się połączyć pozostałymi wymienionymi metodami [1,2]. Platery są wykorzystywane do budowy elementów aparatu- ry chemicznej i procesowej. Technologia pozwala na wytwa- rzanie ścian sitowych wymienników ciepła, dennic i zbiorni- ków, zwijanych na walcach płaszczy aparatów. Platerowanie wybuchowe służy również do wytwarzania złączy i styków prądowych oraz łączników spawalniczych [3]. Koszt produkcji sprawia, że technologia ta w dużej mie- rze jest opłacalna. Dzięki niej można oszczędzać materiały deficytowe, które są stosunkowo drogie. Elementy platero- wane wybuchowo w głównej mierze znajdują zastosowanie w środowiskach agresywnych. Materiał podstawowy z regu- ły ma większą grubość niż materiał nakładany oraz lepsze własności wytrzymałościowe. Z kolei materiał nakładany cechuje się znaczną odpornością na korozję czy przewod- nością elektryczną [4]. Anna Pocica, Tomasz Groński przeglad Welding Technology Review Badania własne Badaniom poddano plater trójwarstwowy składający się z cyrkonu, tytanu oraz stali. Materiałem nakładanym był cyr- kon (Zr 700) o grubości 10 mm. Warstwę pośrednią stanowił tytan (Ti Gr.1) o grubości 5 mm. Materiałem podstawowym była stal ferrytyczno-austenityczna (LDX) o grubości 150 mm. Kolejnym badanym trimetalem był układ składający się z tytanu, stali austenitycznej i stali duplex (LDX). Materiałem nakładanym był tytan (Ti Gr.1) o grubości 10 mm. Warstwę pośrednią stanowiła stal 304L o grubości 4 mm. Materiałem podstawowym była stal ferrytyczno-austenityczna (LDX) o grubości 220 mm. Skład chemiczny oraz własności mechaniczne stali po- dano w tablicach I i II, a własności tytanu i cyrkony w ta- blicy III. Platery, wykonane w Zakładzie Technologii Wysokoener- getycznych EXPLOMET w Opolu, zostały poddane badaniom wytrzymałości na ścinanie, zginanie oraz odrywanie. Ponad- to wykonano badania metalograficzne makroskopowe, ba- dania mikrotwardości i dokonano analizy równoważnej gru- bości przetopień RGP. Badania mechaniczne zostały przeprowadzone na maszy- nie wytrzymałościowej z napędem hydraulicznym oraz zapi- sem cyfrowym. Kształt, wymiary oraz schemat wykonania próby przedstawiono w pracy [5]. Badania wytrzymałości na ścinanie można uznać za po- zytywne, jeżeli ścięcie próbki będzie miało miejsce w złączu. DOI:.http://dx .doi .org/10 .26628/ps .v90i4 .886 67PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Rys. 1. Złącze faliste Zr-Ti-LDX, pow. 50x Fig. 1. Corrugated joint of Zr-Ti-LDX, 50x mag. Rys. 2. Złącze faliste Ti-304L-LDX, pow.50x Fig. 2. Corrugated joint of Ti-304L-LDX, 50x mag. Tablica III. Własności mechaniczne tytanu (TiGr1) i cyrkonu (Zr700) Table III. Mechanical properties of titanium (TiGe1) and zirconium (Zr700) W przypadku układów trójwarstwowych próbki do badań ści- nania można stosować trzy rodzaje próbek: z materiału na- kładanego, warstwy pośredniej lub warstwy pośredniej – ma- teriału podstawowego. Próbę przeprowadza się do momentu maksymalnego rozdzielenia materiału rejestrując najwięk- szą wartość siły, przy której to nastąpiło. Dla złącza Zr-Ti- LDX wytrzymałość na ścinanie Rs wynosiła 471 MPa, a ścina- nie miało miejsce w złączu Ti-LDX. Plater Ti-304L-LDX miał bardzo zróżnicowaną wytrzymałość na ścinanie. Minimal- na wartość Rs wynosiła 112 MPa, a ścinanie miało miejsce w złączu Ti-304L, maksymalna Rs wynosiła 814 MPa, a ścina- nie nastąpiło w warstwie stali 304L. Badanie wytrzymałości na zginanie jest kolejną próbą przewidzianą w normach, mającą na celu ocenę jakości gra- nicy połączenia. W przypadku materiałów platerowanych przepisy nie dopuszczają powstania rozwarstwienia w stre- fie połączenia. Próbę przeprowadza się do momentu zgięcia próbki o kąt 180° lub do momentu wystąpienia rozwarstwień w strefie złącza. W przypadku plateru Zr-Ti-LDX nie stwier- dzono wystąpienia wad, a kąt gięcia wynosił 180°. Złącze Ti-304L-LDX tylko w dwóch przypadkach nie wykazało wad, przy kącie gięcia 180°. Pozostałe próbki rozwarstwiały się w złączu Ti-304L, przy kącie 20÷25°. Próba wytrzymałości na odrywanie jest dodatkową me- todą sprawdzenia wytrzymałości złącza na rozciąganie obok próby zginania. Dzięki tej próbie można wyznaczyć Tablica I. Skład chemiczny i własności mechaniczne stali ferrytycz- no-austenitycznej (LDX) Table I. Chemical composition and machanical properties of ferritic- austenitic steel (LDX) Tablica  II. Skład chemiczny i własności mechaniczne stali 304L Table II. Chemical composition and mechanical properties of 304L steel Skład chemiczny stali [%] C Cr Ni Mo N Mn 0,03 21,5 1,5 0,3 0,20÷0,25 5 Właściwości mechaniczne Rm, MPa Re, MPa A, % Twardość, HV 450 650÷850 30 227 Skład chemiczny stali [%] C Si Mn P S Cr Ni N Inne 0,03 1 2 0,045 0,03 18÷20 10÷12 0,11 – Właściwości mechaniczne Rm, MPa Re, MPa A,% Twardość, HV 220 520÷670 45 200 Materiał Rp0,2, MPa Rm, MPa A, % HV TiGr1 346 467 25,6 122 Zr 700 150 308 38 170 obciążenie, które w stanie jest przenieść złącze. Próbki wykorzystywane w próbie odrywania nie są objęte normą. W przypadku układów trójwarstwowych stosuje się dwa ro- dzaje prób: wykorzystujące materiał nakładany – warstwę pośrednią oraz warstwę pośrednią – materiał podstawowy. W przypadku badania makroskopowego obserwuje się miej- sce oderwania oraz mierzy się maksymalną siłę, przy której następuje zniszczenie próbki. Wytrzymałość na odrywanie Ro złącza Zr-Ti-LDX wynosiła 419 MPa, a oderwanie nastą- piło w połączeniu Ti-LDX. W drugim platerze minimalna wy- trzymałość była równa 57 MPa, a maksymalna 327 MPa. Oderwanie miało miejsce w połączeniu Ti-304L. Badania makroskopowe platerów powstałych w wyniku zgrzewania wybuchowego mają na celu obserwację fali po- wstałej w wyniku połączenia. Do badań wykorzystano mi- kroskop optyczny, a zarejestrowane makrostruktury przed- stawiono na rysunkach 1 i 2. W obu przypadkach przedstawione złącza faliste wskazu- ją na poprawny dobór parametrów przy zgrzewaniu, a pewna ilość warstwy przetopionej jest dozwolona. Badanie mikrotwardości wykonano na twardościomie- rzu Innovatest, przy obciążeniu 5N. Pomiary prowadzono na przekroju prostopadłym do powierzchni połączenia co 0,2 mm. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunkach 3 i 4. Analizę równoważnej grubości przetopień RGP wykona- no zgodnie z metodyką przedstawioną w pracy [3]. Stwier- dzono, że we wszystkich złączach wartość RGP wahała się od 0,19 do 0,29 μm, czyli w badanych układach występuje mała ilości warstwy przetopionej. 68 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 90 4/2018 Rys. 3. Rozkład twardości w przekroju poprzecznym złącza Zr-Ti-LDX Fig. 3. Hardness distribution in cross-section of Zt-Ti-LDX joint Rys. 4. Rozkład twardości w przekroju poprzecznym złącza Ti-304L-LDX Fig. 4. Hardness distribution in cross-section of Ti-304L-LDX joint Analiza wyników badań     Przeprowadzone badania wykazały, że w wyniku zgrze- wania wybuchowego uzyskano układy trójwarstwowe o fa- listym charakterze połączenia, z małą ilością warstwy przetopionej. Wytrzymałość trimetalu Zr-Ti-LDX na ścina- nie wynosiła RS = 471 MPa i ponad trzykrotnie przekracza wymaganą przez normę ASTM B898 [6] wartość 140 MPa. Drugi z badanych trimetali tylko w jednym przypadku nie spełniał warunków normy, a w pozostałych badanych prób- kach wartość RS była zdecydowanie wyższa i wynosiła 217÷814 MPa. Również przy badaniach wytrzymałości na odrywanie złącza Zr-Ti-LDX zanotowano zbliżone wartości, Ro = 410MPa. W przypadku drugiego plateru wytrzymałość wahała się od 57 MPa do 327 MPa. Niskie wartości wy- trzymałości sugerują, że źle został przeprowadzony proces zgrzewania wybuchowego lub nieprawidłowo dobrano pa- rametry zgrzewania. Literatura [1] Groński T.: Stosowanie i wytwarzanie układów trójwarstwowych do bu- dowy elementów aparatury procesowej, Praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Opolska, 2018. [2] Prażmowski M., Rozumek D., Paul H.: Static and fatigue tests of bimetal Zr-steel made by explosive welding, Engineering Failure Analysis vol. 75, pp. 71-81, 2017. [3] Walczak W.: Zgrzewanie wybuchowe metali i jego zastosowanie, WNT, Warszawa, 1989. Wnioski  Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski: 1. W procesie zgrzewania wybuchowego uzyskano złącza o falistym charakterze, z małą ilością warstwy przetopionej, co wpływa pozytywnie na jakość połączenia. 2. Wszystkie złącza wykazują maksymalne umocnienie w odległości 0,2 mm od linii złącza. 3. Trimetal Zr-Ti-LDX w porównaniu z trimetalem Ti-304L-LDX cechują lepsze własności mechaniczne i mniejsze umocnienie złączy. [4] Prażmowski M. Rozumek D.: Rozwój pęknięć przy cyklicznym zginaniu w złączu cyrkon-stal powstałych w wyniku zgrzewania wybuchowego, Przegląd Spawalnictwa, nr 4, s. 45-50, 2014. [5] Prażmowski M.: Mechanical properties of zirconium/steel bimetal fa- bricated by means of explosive welding at varied detonation velocities, Archives of Metallurgy and Materials, vol. 59, pp.1137-1142, 2014. [6] ASTM B898: Standard Specification for Reactive and Refractory Metal Clad Plate Wyniki badania wytrzymałości na zginanie wykazały, że dla układu Ti-304L-LDX głównym miejscem rozwarstwienia było złącze 304L-LDX. Pojedyncze przypadki ujawniły roz- warstwienie w materiale podstawowym. Kąt, przy którym nastąpiło rozwarstwienie materiału wahał się od 15° do 25°. Dla układu Zr-Ti-LDX nie stwierdzono występowania rozwar- stwienia w złączach oraz w materiałach tworzących plater. Platerowanie wybuchowe spowodowało umocnienie mate- riałów. W obu przypadkach zaobserwowano wzrost twardości w kierunku granicy połączenia, przy czym maksymalną twar- dość zanotowano w odległości 0,2 mm od linii złącza, zarów- no w materiale bazowym, jak i w międzywarstwie i materiale nakładanym. Większe umocnienie obserwuje się w złączach trimetalu Ti-304L-LDX, co może tłumaczyć gorsze wyniki prób zginania i odrywania tego połączenia. Może to tłumaczyć gor- sze wyniki prób zginania i odrywania tego połączenia. Rozkład mikrotwardości (Złącze Zr-Ti-LDX) Odległość od granicy złącza [mm] Zr Ti LDX Tw ar do ść  H V Odległość od granicy złącza [mm] Tw ar do ść  H V Rozkład mikrotwardości (Złącze Ti-304L-LDX) Ti 304L LDX