Wpływ składu chemicznego na spawalność stali

21:38 Artur Mydlarz 0 Comments

Wpływ składu chemicznego na spawalność stali wg prof dr hab. inż. Edmund Tasak



Węgiel występuje w stali w postaci węglików. Zawartość węgla w zasadniczy sposób wpływa na własności mechaniczne stali i jej strukturę, zwiększając wytrzymałość na rozciąganie, granice plastyczności i twardość a zmniejszając udarność przewężenie i wydłużenie. Należy sobie jednak zdawać sprawę, w jakiej stali występuje węgiel, aby właściwie określić jego dopuszczalne granice. Stal węglowa zawierająca 0,25%C jest dobrze spawalna, gdy nie zawiera innych składników stopowych w znaczących ilościach. Natomiast stal kwasoodporna 18%Cr i 8% Ni przy tej samej zawartości węgla jest trudno spawalna. W wypadku stali węglowych spawalność ich pogarsza się gwałtownie przy zwiększeniu zawartości węgla powyżej 0,25%, gdyż wskutek skłonności stali do hartowania się w spoinie i SWC występują struktury skłonne do pęknięć.


Mangan w małych ilościach poprawia spawalność stali, natomiast w ilościach większych jego wpływ zależy od zawartości innych pierwiastków, a przede wszystkim węgla. W związku z tym w spawalnych stalach konstrukcyjnych o wyższej wytrzymałości ograniczono zawartość manganu do około 2% przy zawartości węgla maksimum 0,15%. W celu zahamowania wzrostu ziarna i zmniejszenia wrażliwości spawalnych stali manganowych na przegrzanie wprowadza się do nich pierwiastki węglikotwórcze (Ti, V, Nb) które tworzą trwałe węgliki lub azotki o wyższej temperaturze rozpuszczania. W wyniku tego zmniejsza się możliwość przegrzania stali i powstania kruchych struktur w strefie przejściowej złącza spawanego.



Krzem w ilościach spotykanych w stalach konstrukcyjnych (do 0,5%) nie wpływa na spawalność . Pogorszenie spawalności następuje przy zawartości krzemu powyżej 0,7%-0,8%. Krzem utrudnia przeróbkę plastyczną na gorąco i może powodować rozwarstwianie się blach walcowanych, co przy silnym nagrzaniu czasie spawania i następnym skurczu doprowadza do całkowitego oddzielenia się poszczególnych warstw i zniszczenia konstrukcji.


Chrom należy do podstawowych składników stali stopowych, ponieważ wpływa w zasadniczy sposób na ich własności, a przede wszystkim na hartowność. Już przy niewielkiej zawartości (0,3-0,4%), następuje znaczne utwardzenie się strefy przejściowej spawanej stali, a spawanie  stali o podwyższonej zawartości chromu jest możliwe tylko przy stosowaniu podgrzewania wstępnego.


Nikiel podobnie jak chrom zwiększa hartowność, sprzyjając równocześnie powstawaniu drobnoziarnistej struktury i zmniejszając w ten sposób wrażliwość stali na przegrzanie. W miarę wzrostu zawartości niklu w stalach niklowych nawet przy powolnym chłodzeniu powstaje struktura bainitu. W miarę wzrostu zawartości Ni w stalach niskowęglowych pogarsza się zatem ich spawalność. Stale niklowe martenzytyczne mają wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności, są twarde i kruche i praktycznie niespawalne. Stale chromowo-niklowe austenityczne mają dobrą spawalność z uwagi na to, że maja strukturę austenityczną, ale tylko pod warunkiem małej zawartości węgla.



Molibden zwiększa hartowność stali i z tego powodu w większości stali węglowych zawartość jego jest ograniczona do 0,35%. Wpływa na zwiększenie odporności na pełzanie i żaroodporność. Ze względu na hartowanie się SWC stali z molibdenem niezbędne jest stosowanie podgrzewania przed spawaniem i obróbki cieplnej złącz po spawaniu. Dodatek 2-5% Mo do stali austenitycznych chromowo niklowych nie pogarsza ich spawalności. Powoduje natomiast powstawanie w strukturze stali austenitycznej niedużych ilości ferrytu, przez co poprawia odporność na pękanie gorące.



Aluminium stosowane jako odtleniacz. Małe zawartości Al. Nie wpływają na zmianę własności mechanicznych stali. Jednak 2-3% dodatek wywołuje spadek udarności i przewężenia oraz w pewnym stopniu zwiększa kruchość stali na gorąco. Wprowadzone do stali w małych ilościach zmniejsza jej skłonność do hartowania się i hamuje rozrost ziaren w SWC, poprawiając w ten sposób spawalność stali. Stale o większej ilości AL. Są trudno spawalne. AL. Zwęża zakres krzepnięcia stali wskutek czego stal szybko przechodzi ze stanu stałego w ciekly, co uniemożliwia w ogóle spawanie łukowe blach cienkich.


Tytan, niobu i wanad tworzą z węglem i azotem trwałe węgliki , azotki lub węglikoazotki. Węgliki azotki i węglikoazotki tych pierwiastków czasie nagrzewania w SWC poniżej 1250oC nie ulegają całkowitemu rozpuszczeniu, a zatem stają się zarodkami nowopowstających ziaren przy chłodzeniu, dzięki czemu stal ma strukturę drobnoziarnistą. Całkowite rozpuszczenie ich następuje w wysokiej temperaturze, dlatego strefa gruboziarnista jest bardzo wąska. Nawet  nieduży dodatek tych pierwiastków do stali przyczynia się do otrzymania struktury drobnoziarnistej w SWC. Mikrododatki Nb W i Ti w SWC podnoszą hartowność tego obszaru, a tym samym zwiększają twardość po ochłodzeniu. Jest to wpływ niekorzystny. Mimo, że obszar gruboziarnisty SWC ma wyższą twardość, to zawężenie tego obszaru powoduje , że wprowadzenie do stali mikrododatków wywołuje podwyższenie udarności SWC, a przez to jej  spawalności. Mikrododatków nie należy stosować do elektrod i drutów spawalniczych. W procesie krzepnięcia tworzą one dendrytyczne węgliki lub węglikoazotki rozmieszczone po granicach ziaren. Powoduje to znaczne zmniejszenie kruchości spoiny.  Przy wprowadzaniu mikrododatków , zwłaszcza Nb i Ti należy ograniczać w stali zawartość siarki. Siarka tworzy z Ti i NB i C dendrytyczne węgliko-siarczki które zwiększają skłonność do pękania na gorąco.


Wolfram w stalach węglowych zwiększa twardość, wytrzymałość i granice plastyczności. Nadaje stali strukturę drobnoziarnistą, co jest wynikiem zdolności do tworzenia trudno rozpuszczalnych węglików. Hartowność stali pierwiastek ten podwyższa w niewielkim stopniu. Wolfram pogarsza spawalność stali, podnosząc znacznie twardość SWC, szczególnie przy zwiększonej zawartości węgla. W stalach austenitycznych zawierających niewielka ilość węgla dodatek wolframu sięgający ok. 3% nie pogarsza ich spawalności.


Miedź  zwiększa wytrzymałość i granicę plastyczności stali, nie pogarszając zbytnio jej własności plastycznych, a równocześnie uodparnia stal na działanie korozji atmosferycznej i niektórych rozcieńczonych kwasów. W ilościach spotykanych zwykle w stalach nie pogarsza spawalności. Jednak większa zawartość miedzi, na przykład w stalach nierdzewnych martenzytycznych utwardzanych wydzieleniowo miedzą, wywołuje w SWC pękanie na gorąco. Niebezpieczne jest również zanieczyszczenie powierzchni stali miedzią, między innymi wskutek elektrochemicznego osadzenia i potarcia mosiężną końcówką palnika. Miedź topi  się w 1083° C i w obecności naprężeń bardzo dobrze zwilża stal, rozpływając się po granicach ziaren. Obecność cieczy na granicach ziaren i odkształcenia wywołane skurczem po krzepnięciu i chłodzeniu powodują powstanie pęknięć gorących w SWC i spoinie.


Fosfor zwiększa wytrzymałość, granicę plastyczności, twardość i wytrzymałość na zmęczenie, zmniejsza natomiast wydłużenie i udarność. W ilościach spotykanych w stalach konstrukcyjnych nie zwiększa hartowności strefy przejściowej spawanego złącza. Powyżej 0,05% powoduje gruboziarnistość stali i znacznie zwiększa jej kruchość. Fosfor wykazuje skłonność do segregacji przez  co w obszarach o większej koncentracji może powodować powstawanie pęknięć gorących lub zimnych.


Siarka  podobnie jak fosfor wykazuje dużą skłonność do segregacji w związku z tym pogarsza spawalność stali. Z żelazem tworzy siarczek FeS, który z austenitem daje niskotopliwe eutektyki będące przyczyną powstawania pęknięć gorących w spoinie lub SWC. W stalach o podwyższonej wytrzymałości , zwłaszcza po regulowanym walcowaniu, rozwalcowane siarczki manganu są przyczyną pęknięć lamelarnych. Ogólnie przyjmuje się że ze spadkiem zawartości siarki spawalność stali polepsza się