GÁZKEVERÉKEK HATÁSAI DUPLEX KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK HEGESZTETT KÖTÉSEIRE EFFECTS OF GAS MIXTURES ON DUPLEX STAINLESS STEEL WELDS

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros

GÁZKEVERÉKEK HATÁSAI DUPLEX KORRÓZIÓÁLLÓ ACÉLOK HEGESZTETT KÖTÉSEIRE EFFECTS OF GAS MIXTURES ON DUPLEX STAINLESS STEEL WELDS Varbai Balázs

Májlinger Kornél

BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék 1111, Budapest, Bertalan Lajos utca 7. [email protected]

BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék 1111, Budapest, Bertalan Lajos utca 7. [email protected]

Különböző gázkeverékek hatásait vizsgáltuk – fogyóelektródás védőgázas ívhegesztési eljárás esetén – duplex korrózióálló acélok hegesztési varrataira. Vizsgáltuk a gázkeverékek varratgeometriára, szövetszerkezetre, keménységre gyakorolt hatásait, valamint a varratokon korróziós vizsgálatokat is végeztünk. Az elvégzett vizsgálatok alapján a gázkeverékek összetételének jelentős hatása volt a vizsgált paraméterekre. Hidrogén hozzáadásával a gázkeverékbe nőtt a varrat külső és belső alaktényezője, a varrat keménysége valamint a ferrittartalom és javult a korrózióállóság.

Experiments were done on the effects of different shielding gas mixtures – in case of gas metal arc welding – on duplex stainless steel welds. The effects of gas mixtures on the weld geometry, microstructure and hardness were investigated and corrosion tests were also done. Based on the results the composition of the gas mixtures had a significant effect on the inspected parameters. By adding hydrogen to the shielding gas the external and internal shape factors of the weld seam, the hardness and the ferrite content increased and the corrosion resistance improved.

1. Bevezetés Duplex korrózióálló acélok fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztésekor (MIG: semleges védőgázas, MAG: aktív védőgázas) használt védőgázok, az argon mellett, általában valamilyen aktív komponenst (oxigén, szén-dioxid) kismértékben tartalmazó gázkeverékek. Egyéb hegesztési eljárások esetén a beolvadási mélység növelése, az ömledék viszkozitásának csökkentése és a kedvezőbb ausztenit-ferrit arány érdekében a tiszta argon védőgázhoz hélium (akár 30%-os mennyiségben), valamint néhány százalék (1-2%) nitrogén keverése is használatos [1-3]. Duplex acélok volfrámelektródás, védőgázas ívhegesztése esetén Ar-H2 gázkeverék használatával csökkenthető az ömledék viszkozitása, valamint a hidrogén tartalom a védőgázban növeli az ívfeszültséget és így a leolvasztási teljesítményt [4]. A hidrogén ívfeszültségre gyakorolt hatásának egyik magyarázata, hogy az ívhegesztéseknél előforduló hőmérséklet tartományban (30004500 K) a hidrogén hővezetési tényezője, az argonhoz képest, egy nagyságrenddel

173

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros nagyobb [5]. Ennek ellenére a hidrogén és keverékei hegesztési védőgázként való alkalmazása erősen korlátozott, ugyanis egy bizonyos mennyiség felett (körülbelül 10%) a diffúzióképes hidrogén rideggé teszi a varratot, hidegrepedést okozhat [4, 6]. Kutatások irányultak ausztenites szövetszerkezetű korrózióálló acélok MAG hegesztésénél Ar-H2 gázkeverékek használatára, itt a hidrogén hatására az ömledék állapotba került anyagtérfogat 30%-kal, valamint a hegesztési eljárás leolvadási teljesítménye 30-50%-kal növekedett [5], ezen kívül növekedett a beolvadási mélység, és a varratszélesség is [7]. Kutatásaink során a védőgázkeverékek hatásait vizsgáltuk.

2. Kísérleti módszerek és berendezések A fogyóelektródás, védőgázas ívhegesztési kísérleteinkhez egyedi építésű, Yamaha típusú szervomotorral hajtott, lineáris hegesztő automatát alkalmaztunk, REHM MegaPuls 300 típusú hegesztőgéppel, gépi pisztollyal. A kísérletek során a varratsorokat 150 mm-es hosszban készítettük. Az alkalmazott huzalelektróda duplex acélokhoz ajánlott, S 22 9 3 N szabványos jelű, AVESTA MIG Wire 2205, 1,2 mm-es átmérővel. A hegesztett alapanyag egy japán acélgyártó (Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation, továbbiakban: NSSC) 2120-as jelű, úgynevezett „sovány” (kis nikkeltartalmú) duplex acél terméke, 10 mm-es lemezvastagságban. Az alapanyag és huzalelektróda vegyi összetételét az 1. táblázat tartalmazza az alapanyag szövetképét pedig az 1. ábra. A hegesztési áramerősség 215 A, a feszültség 23,8 V, a hegesztési sebesség 31 cm/perc, így a hőbevitel 0,787 kJ/mm volt. Védőgázként 4.6-os tisztaságú (99,996%) argont, valamint két különböző 82% Ar + 18% CO2 és 90% Ar + 10% H2 gázkeveréket használtunk. Az Ar-ba kevert hidrogén 5.0 tisztaságú (99,999%) volt. A védőgáz mennyiség 14 l/perc, a fúvóka távolsága az alapanyagtól 10 mm, a hegesztés egyenárammal, egyenes polaritással történt.

1. ábra Szövetszerkezeti felvétel az NSSC 2120 maratott alapanyagról. Sötét területek: ferrit, világos: ausztenit.

Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu N

Alapanyag Elektróda tömeg% 73,91 63,28 0,03 0,02 0,75 0,50 2,00-4,00 1,60 0,04 0,02 1,50-2,50 8,50 20,50-21,50 23,00 0,60 3,10 0,50-1,50 0,15-0,20 0,17

1. táblázat Az alapanyag [8] és a huzalelektróda [9] névleges vegyi összetétele.

A hegesztési kísérleteket védőgázonként, egy-egy varratsorban végeztük. A beolvadási mélység, a keménységmérés, a korróziós és a szövetszerkezeti vizsgálatok

174

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros keresztmetszeti csiszolatokon történtek. A lemez feldarabolása keretes fűrészen, a varratra merőlegesen síkban történt, folyamatos hűtés mellett. A szövetszerkezeti vizsgálatokhoz hagyományos metallográfiai csiszolat készült, ami Beraha (100 ml H2O, 18 ml HCl, 1 g K2S2O5) marószerrel került maratásra (~20 s időtartamig). A beolvadási mélység értékek ezeken a csiszolatokon, a lemez felső síkjától kerültek meghatározása Olympus SZX16 típusú sztereomikroszkóppal. A varratszélesség és -magasság értékek tolómérővel, 10-10 pontban kerültek meghatározásra, a varrat stabilizálódott hossza mentén. A minták szövetszerkezetét Olympus PMG 3 típusú fémmikroszkóppal vizsgáltuk. A ferrittartalom meghatározása JMicroVision 1.2.7 képelemző szoftver segítségével, a maratott csiszolatokon történt. A HV10 keménységmérés KB Prüftechnik KB750 típusú berendezésen történt. A keménységeloszlást a varrat középvonalától ±8 mm-es tartományban mértük, a lemez felső síkjától 1,0 mm-es mélységben. A 72 órás korróziós vizsgálatok két féle közegben, a tengervízhez hasonló sótartalmú vízben (3,5 tömeg%-os NaCl oldat), valamint 6 tömeg%-os vas(III)-klorid tartalmú vízben történtek, 30°C-os hőmérsékleten.

3. Eredmények és kiértékelésük 3.1 Varratkülalak és varratgeometria Hegesztés során nagymértékű fröcskölés volt tapasztalható a hidrogénnel kevert védőgáz esetében (lásd 2. ábra, A).

2. ábra Fotó a hegesztési varratokról A: 100% Ar, B: 82% Ar + 18% CO2, C: 90% Ar + 10% H2

A varratgeometria értékeket minden esetben a tiszta argon védőgázzal hegesztett varrathoz fajlagosítva értékeljük. Az átlagos varratszélesség a kevert védőgázok esetében növekedett, ez a növekedés a hidrogéntartalmú védőgáz esetében több, mint kétszeres. Az átlagos varratkorona magasság a kevert védőgázok esetében csökkent, a hidrogén tartalmú védőgáz esetében több, mint 40%-kal. A beolvadási mélység a hidrogén tartalmú védőgáz esetében a felére csökkent. Az ömledék területe a szén-dioxiddal kevert védőgáz esetében 13%-kal nőtt, hidrogén esetében 8%-kal csökkent. A fajlagos varratgeometria változásokat összefoglalóan tartalmazza a 3. ábra, a valós értékekkel feltüntetve. A varratszélességből és korona magasságból számítható külső alaktényező átlagos értéke szén-dioxid tartalmú védőgáz esetében 1,91-szeresére, hidrogén tartalmú védőgáz esetében 3,57-szeresére nőtt. Az átlagos varratszélességből és beolvadási mélységből számítható belső alaktényező értéke a szén-dioxid tartalmú védőgáz esetében 2,01 szeresére, hidrogén tartalmú védőgáz esetében 4,33-szeresére nőtt. Az alaktényezők fajlagos változását összefoglalóan tartalmazza a 4. ábra.

175

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros

3. ábra Varratgeometria változása az alkalmazott védőgáz függvényében

4. ábra Alaktényezők változása az alkalmazott védőgáz függvényében

3.2 Keménységeloszlás A kötés keménységértékei a hidrogén tartalmú védőgáz használata esetén voltak a legnagyobbak, a tiszta argon védőgázzal hegesztett varrat esetében a legkisebbek. 10% hidrogén keverése tiszta argonhoz átlagban kb. 50 HV10-zel növelte a varrat keménységét, azaz a ridegítő hatású diffúzióképes hidrogén bejutott a varrat szövetszerkezetébe. A szén-dioxiddal kevert védőgáz esetében kismértékű keménység növekedés volt

176

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros tapasztalható. Az alapanyag keménysége 248±9 HV10-re adódott. A keménységeloszlás értékeit tartalmazza a 6. ábra, pirossal jelölve az ömledék határát.

5. ábra Makrofotó a hegesztési varratokról. Sárgával jelölve a keménységmérés vonala.

6. ábra Keménységeloszlás az alkalmazott védőgáz függvényében

3.3 A kialakult szövetszerkezetek A kötések szövetszerkezeti képeiből (7. ábra) látszik, hogy a varratfémben az ausztenit (világosabb tartományok) a ferrit (sötétebb tartományok) szemcsehatárain, valamint a szemcsék belsejében alakult ki. A varratfémben az ausztenit szemcsék Widmanstättenmintázatúak. A ferritből szilárd fázisban kialakuló ausztenit nagy hőmérsékleten a szemcsehatárokon képződik, kisebb hőmérsékleten pedig a ferritszemcséken belül is megindul az ausztenitképződés, ahol diszperz eloszlással van jelen [2]. Az megszilárdult varratfém ferrittartalma (8. ábra) a szén-dioxiddal kevert védőgáz esetében (átlagosan 41%) van a legközelebb az alapanyag ferrittartalmához (átlagosan 43%). A hidrogénnel kevert védőgázzal hegesztett varrat esetében a legnagyobb az ömledék átlagos ferrittartalma (66%). Hidrogén használata mellett az ömledék határán a ferrit szemcsehatárain kialakult ausztenites szövetszerkezetű tartományokon kívül a ferrit szemcsék belsejében ausztenit kisebb előfordulással található meg. Az ömledék határon kialakult ferritszemcsék a hidrogénes védőgázzal hegesztett varrat esetében a

177

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros legnagyobbak, jellemző méretük átlagosan 60-80 μm. A hegesztés során alkalmazott kis hőbevitel miatt a hőhatás övezet keskeny, nagymértékű szemcsedurvulás nem tapasztalható. A szövetszerkezeti felvételeken, kisebb nagyításban, a hidrogénes védőgáz esetében az ömledék határon fekete színű sávok láthatóak. Ezek a tartományok a hegesztés során a ferrit szemcsékbe került összefüggő gázporozitások sávjai (9. ábra).

7. ábra Mikroszkópi szövetszerkezet felvételek az elkészül varratokról és környezetükről

8. ábra A védőgázok hatása a megszilárdult varratfém ferrittartalmára és az alapanyag ferrittartalma

178

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros

9. ábra Gázporozitások a hidrogén tartalmú (90% Ar + 10% H2) védőgázzal hegesztett varrat ömledék határán különböző nagyításoknál, a hidrogénporozitások nyilakkal jelölve

3.4 A kötések korrózióállósága A korróziós vizsgálatok során a sótartalmú közegben a vizsgált időszak alatt lyukkorroziós területek nem alakultak ki. A vas(III)-klorid tartalmú közegben a tiszta argonnal és a szédioxiddal kevert védőgázzal hegesztett varratok esetében lyukkorróziós területek láthatóak az ömledék-alapanyag határán (10. ábra). A lyukkorróziós helyek átlagosan 100-300 μm átmérőjűek. A szén-dioxidos védőgázzal hegesztett varrat esetében az ömledék alsó szakaszán, ahol a legkisebb volt a hőbevitel (itt a legkeskenyebb a hőhatás övezet) lyukkorróziós helyek nem alakultak ki (11. ábra). A legnagyobb ferrittartalmú, hidrogénes védőgázzal hegesztett varrat esetében korróziós helyek nem alakultak ki az ömledék határán, azonban lyukkorróziós helyek láthatóak az ömledékben, jellemző méretük 1050 μm (10. ábra).

10. ábra Felvételek vas(III)-kloridban végzett korróziós vizsgálatok után

179

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros

11. ábra Felvételek a szén-dioxiddal kevert védőgáz hegesztési varratának korróziós károsodásáról

4. Következtetések A kapott eredményeim jó korrelációban vannak más kutatások [10] eredményeivel. A tiszta argon védőgázzal hegesztett varrathoz képest a védőgáz keverékeknek jelentős hatásuk volt a varratgeometriára. Szén-dioxid és hidrogén hatására nőtt a varratszélesség, és csökkent a koronamagasság. Szén-dioxid esetén a varratszélesség 1,73-szeresére, hidrogén esetén 2,13-szeresére nőtt. A varratszélesség és koronamagasság hányadosából számolható külső alaktényező a hidrogénnel kevert védőgáz esetében 3,57-szeresére, szén-dioxid hatására 1,91-szeresére nőtt. A 10% hidrogén a varrat és környezet keménységét átlagosan 50HV10-zel növelte. A ferrittartalom a szén-dioxiddal kevert védőgáz esetében (41%) lett legjobban az alapanyagéhoz hasonló (43%). Hidrogén hatására a ferritartalom a varratban 66%-ra növekedett. Hidrogén hatására az ömledék határán összefüggő, gázporozitásból álló sávok alakultak ki. A tiszta argonnal és széndioxidos védőgázzal hegesztett varrat esetében vas(III)-klorid tartalmú közegben a vizsgált időszakban és hőmérsékleten lyukkorróziós helyek alakultak ki az ömledék határán. A nagyobb ferrittartalomnak köszönhetően lyukkoróziós helyek a hidrogén tartalmú keverékkel hegesztett varrat esetében elszórtan az ömledékben és a többi varrathoz képest sokkal kisebb méretben alakultak ki.

5. Hivatkozások [1] [2] [3] [4]

M.A. Valiente Bermejo, et. al.: Effect of shielding gas on welding performance and properties of duplex and superduplex stainless steel welds Welding in the World, 2015, 59 (2), pp.239-249. Lőrinc Zsuzsanna, Dobránszky János: LDX2101 és 2205 típusú duplex acél lézersugaras és volfrámelektródás hegesztése Konferencia kiadvány, 27. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2014, pp. 85-90. Balázs János, Nagy Hinst Adrián, Dobránszky János: Duplex acélok hegesztett kötéseinek szövetszerkezeti vizsgálata Konferencia kiadvány, 25. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2010, pp. 211-218. L. Shinozaki, et al: Hydrogen cracking in duplex stainless steel weld metal Welding Journal, 1992, 71 (11), pp. 387-396.

180

28. Nemzetközi Hegesztési Konferencia 2016. május 26 – 28. Dunaújváros [5] [6] [7] [8] [9] [10]

J. Tušek, M. Suban: Experimental research of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel International Journal of Hydrogen Energy, 2000, 25 (4), pp. 369-376. Dr. Baránszky-Jób Imre, Dr. Rittinger János: Hegesztési kézikönyv Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1985, pp. 85-93. Behçet Gülenç, et al.: Experimental study of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in MIG welding of austenitic stainless steel International Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30 (13-14), pp. 1475-1481. http://nssc.nssmc.com/en/campaigns/nssc2120_main/specification.php Utoljára megtekintve: 2016.03.21. http://www.midwaymetals.com.au/wp-content/uploads/2012/02/WELDINGWIRE.pdf Utoljára megtekintve: 2016.03.21. J. D. Kordatos, G. Fourlaris, G. Papadimitriou: The effect of hydrogen and cooling rate on the mechanial and corrosion properties of SAF 2507 duplex stainless steel welds Materials Science Forum, 1999, 318-320, pp. 615-620

181