Wysokowydajne metody spawania stali P460NL2

Stal P460NL2 jest zaliczana do stali konstrukcyjnych niskostopowych. Jest ona przeznaczona na wyroby pracujące pod ciśnieniem, również w obniżonych temperaturach. Wytwarza się z niej zbiorniki, cysterny czy rurociągi o dużych średnicach. Stal ta charakteryzuje się dość dobrą spawalnością, lecz w celu uniknięcia zjawiska pękania na gorąco profilaktycznie stosuje się podgrzewanie wstępne do temperatury min. 100°C.

Celem badań było porównanie dwóch metod spawania na przykładzie wykonania złączy doczołowych blach ze stali P460NL2. Pierwszą z nich była metoda MAG, drugą zaś było spawanie łukiem krytym drutem elektrodowym litym (metoda SAW).

Jako materiał podstawowy do badań wykorzystano blachy ze stali P460NL2 o grubości 13,4 mm i wymiarach 140 × 600 mm. Do spawania metodą MAG wykorzystano drut spawalniczy Ultra Mag G4Si1 firmy Lincoln Electric. Jako gaz osłonowy zastosowana została standardowa mieszanka M21 82% Ar + 18% CO2. Do spawania metodą SAW wykorzystano drut spawalniczy OE SD3 1Ni 0.5 Mo prod. OERLIKON. Osłonę metalurgiczną zapewniał topnik OP 121TT prod. OERLIKON.

Złącza wykonano przy użyciu źródła prądu marki Lincoln Electric POWER WAVE 455M/STT o maksymalnym natężeniu prądu spawania 500 A. Do wykonania złączy metodą SAW wykorzystano stanowisko do spawania łukiem krytym, składające się z traktora spawalniczego A2 Multitrac produkcji firmy ESAB, a także cyfrowego układu sterowania ESAB A2-A6 PEK. Urządzenie spawalnicze zasilane jest źródłem prądowym ESAB LAF 1001.

Wykonane złącza poddano badaniom wizualnym, metalograficznym makroskopowym, wytrzymałościowym, tj. próbie statycznego rozciągania, badaniu na zginanie, badaniu udarności i pomiarowi twardości.

Przeprowadzone badania wizualne złączy doczołowych blach nie ujawniły niezgodności powierzchniowych i oba złącza zostały zakwalifikowane w poziomie jakości B wg PN-EN ISO 5817:2014.

Badania metalograficzne makroskopowe nie wykazały żadnych niezgodności. Zarówno złącze spawane łukiem krytym, jak i metodą MAG, charakteryzowało się pełnym przetopem, a także bardzo wąską strefą wpływu ciepła. Oceny jakości złącza, na podstawie badań metalograficznych makroskopowych, dokonano biorąc pod uwagę kryteria wg normy PN-EN ISO 5817.

Widok makrostruktury złącza doczołowego ze stali P460NL2 – metoda SAW		Widok makrostruktury złącza doczołowego ze stali P460NL2 – metoda MAG

Próbę statycznego rozciągania złączy spawanych wykonano zgodnie z normą PN-EN ISO 4136:2013 w temperaturze otoczenia, badając próbki płaskie o przekroju prostokątnym. Do badania zastosowano maszynę wytrzymałościową MTS 810 o zakresie siły ±1000 kN. Badania przeprowadzono w temperaturze 23°C, przy wilgotności powietrza na poziomie 42%. Próba statycznego rozciągania wykazała, że dla obu metod spawania własności wytrzymałościowe oraz plastyczne odpowiadają deklarowanym przez normę PN-89/H-84023/05 własnościom stali P460NL2.

Próba statycznego zginania złączy, zgodnie z normą PN-EN ISO 5173:2010, nie wykazała żadnych nieprawidłowości próbki zgiętej do kąta 180°, bez wystąpienia pęknięcia czy naderwania. Wyniki takie otrzymano podczas rozciągania złączy spawanych zarówno metodą MAG, jak i łukiem krytym. W celu przeprowadzenia badań odporności złączy na kruche pękanie przeprowadzono analizę udarności. Badanie przeprowadzono za pomocą młota udarowego Amsler RKP 300.

Badanie twardości złączy zostało wykonane metodą Vickersa, zgodnie z normą PN-EN ISO 6507-1. Pomiary twardości przeprowadzono na doczołowych złączach próbnych, zgodnie z normą PN-EN ISO 9015 i PN-EN ISO 6507, przy obciążeniu wgłębnika siłą 98,1 N (HV10). Pomiar prowadzono przy użyciu twardościomierza automatycznego typu KB50BYZ-FA. Temperatura podczas badania wynosiła 21°C, a wilgotność była na poziomie 39%. Wartości twardości w analizowanych przekrojach złącza spawanego pozostawały na niskim poziomie, co nie budzi żadnych uwag odnośnie do maksymalnej, dopuszczalnej twardości złącza na poziomie 380 HV (wg PN-EN ISO 15614-1:2017).

Na podstawie zmierzonych parametrów procesu spawania dla obu metod wyliczono czas wykonania jednego metra bieżącego spoiny. Dla metody MAG zrobienie jednego metra bieżącego spoiny wynosiło 13 minut i 24 sekundy, nie uwzględniając czasów pomocniczych, a dla metody SAW – 3 minuty i 20 sekund, nie uwzględniając czasów pomocniczych.

Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy wyników stwierdzono, że:

1. Złącza wykonane metodami MAG i SAW spełniają wymagania normy PN-EN 10269:2014-02 dla stali P460NL2 pod względem wytrzymałości na rozciąganie oraz odporności na kruche pękanie.
2. Własności wytrzymałościowe i plastyczne złączy, wykonane tymi metodami, są zbliżone, mimo znacznie większej ilości wprowadzonego ciepła w metodzie SAW (metoda SAW – 1,32 kJ/mm, metoda MAG – 0,63 kJ/mm).
3. Spawanie łukiem krytym, w porównaniu z metodą MAG, pozwala znacząco zwiększyć wydajność procesu, przy zachowaniu zbliżonych własności złączy. Czas wykonania 1 metra bieżącego spoiny łukiem krytym wynosi – 3 minuty i 20 sekund, a metodą MAG – 13 minut i 24 sekundy.
4. W zależności od potrzeb i możliwości technologicznych można stosować spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego albo spawanie łukiem krytym do spawania odpowiedzialnych konstrukcji ze stali P460NL2.

Wyniki badań przedstawiono w artykule:
Wysokowydajne metody spawania stali P460NL2 - Marcin Kempa - Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 3/2021