Wpływ składu chemicznego na spawalność stali
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