3.10 Svetsrekommendationer

Transkript

1 3.9.7 Korrosion och spänningskorrosion För kolmangan- och mikrolegerade stål är fall av allmän korrosion i atmosfären ovanlig om ytbehandling och liknade åtgärder är riktigt gjorda. Svetsgods och grundmaterial har olika mikrostrukturer och den kemiska sammansättningen är ofta olika. Detta kan i vissa fall leda till galvanisk korrosion. Detta kan uppkomma när svetsfogen har förlorat sitt ytskydd på grund av till exempel slitage (ett exempel är isbrytare i arktiska farvatten). Detta kan ge svåra korrosionsangrepp på det oskyddade svetsgodset. Galvanisk korrosionen kan i detta fall undvikas genom rätt val av tillsatsmaterial. Mera ovanligt är liknande angrepp i den värmepåverkade zonen på grund av olämplig mikrostruktur. Valshud som finns kvar kan öka risken för galvanisk korrosion i till exempel havsvatten. Spänningskorrosion uppträder då materialet utsätts för en dragspänning samtidigt som det utsätts för en miljö som är skadlig för materialet. Spänningskorrosion i den värmepåverkade zonen kan t.ex. uppkomma i en vatten- och oljeblandning. Vätskeblanding ger upphov till små mängder av H 2 S, som är skadligt för materialet. Ett flertal brott på rörledningar har uppkommit på detta sätt. Det som händer är att väte upptas av metall som sedan diffunderar till platser där dragspänningen är som störst. Väte försprödar stålet. Detta kan jämföras med vätesprickor vid svetsning, se kaptitel 17. Risken ökar med ökad sträckgräns. Genom avspänningsglödgning minskar man dragrestspänningarna och även hårdheten i den värmepåverkade zonen Svetsrekommendationer Allmänt I kapitel 17 ges en bakgrund till den Europeiska standarden EN Standarden ger riktlinjer för manuell-, automatisk-, semi och mekaniserad bågsvetsning av ferritiska material, förutom ferritiska rostfria stål. I stål avsedda för svetsning har man generellt begränsat kolhalten till max 0,20 %, i vissa fall ännu lägre, främst p.g.a. risken för försprödning i den värmepåverkade zonen. Det är inte enbart kolhalten som påverkar stålets härdbenägenhet utan även övriga legeringselement samt den kylhastighet som uppnås i svetsen. Flera kriterier på ett ståls lämplighet för svetsning har lagts fram i olika sammanhang. Ofta bedöms härdbarheten eller risken för kallsprickor av en sammanvägning av ingående legeringselement, vilken uttrycks som en kolekvivalent. I EN Annex C, ges riktlinjer för hur vätesprickor kan undvikas. Där återges två metoder för bestämning av vätespricksrisken. Metod A är baserad på den tidigare IIW-formeln, vilken är tillämpbar för mikrolegerade stål med en kolhalt av max 0,25 %. Att uppskatta vätesprickrisken med metod A är möjlig för stål med en kolekvivalent (CE) i intervallet 0,30 till 0,70. Svetsning av stål 73

2 CE = C + Mn/6 + [Cr + Mo + V ]/5 + [Ni + Cu]/15 % Metod B täcker svetsning av stål inom grupperna 1 4, specifierad i EN Den kolekvivalent som används enligt denna metod utgörs av den tyska CET-formeln. CET = C + [Mn + Mo]/10 + [Cr + Cu]/20 + Ni/40 % Övriga begränsningar för de båda metoderna ges i EN Stål S185, E295,E335,E360 enligt SS-EN På grund av att dessa stål inte har någon begränsning med avseende på kolhalten bedöms de som ej lämpade för svetsning Stål S235JR, S275JR, S355J0, S355JR enligt SS-EN samt P235GH, P265GH, P295GH enligt SS-EN Svetsning med normal inträngning Stål enligt ovan givna standarder är så avpassade att de under normalt svetsförfarande inte ska medverka till att utveckla varmsprickor i samband med svetsens stelnande. Varmsprickor kan likväl uppkomma vid ogynnsamma inspänningsförhållanden. S235JR och S275JR kan normalt svetsas utan förhöjd arbetstemperatur vid relativt grova godstjocklekar, utan risk för vätesprickor. För S355J0 och S355J2, vilka är något högre legerade, måste behovet av förhöjd arbetstemperatur ses över om svetsning utförs i grövre tjocklekar. Behovet av förhöjd arbetstemperatur beror förutom av stålets kolekvivalent även av plåttjocklek, sträckenergi, väteinnehåll i flux, fogtyp, inspänningsgrad samt rådande miljöfaktorer vid svetsningen. Svetsning med stor inträngning Värmetillförseln vid svetsning med stor inträngning är i regel så hög att behovet av förhöjd arbetstemperatur i många fall helt kan undvikas. Utöver vad som sagt ovan bör hänsyn tas för svetsmetoder som ger en betydande uppsmältningsgrad av grundmaterialet vilket kan ge en ökad risk för varmsprickor, som exempelvis vid pulverbågsvetsning Tätade stål med slagseghetskrav vid -20 C eller lägre Svetsrekommendationerna avser de allmänna konstruktionsstålen S275J2, S355N, S355NL EN del 2 och 3 samt tryckkärlsstålen P355GH EN , P355NL1, P355NL2 EN Svetsning av stål

3 Svetsning med normal inträngning Stålen kan under normala svetsbetingelser svetsas utan förhöjd arbetstemperatur. Vid svetsning av grova dimensioner bör dock behovet av förhöjd arbetstemperatur beaktas. Genom den moderna processteknik som idag används för tillverkning av dessa stål ligger normalt föroreningshalterna av svavel och fosfor på så låga nivåer att varmsprickor sällan uppkommer. Man kan dock inte vara helt säker mot varmsprickor eftersom innhållet av dessa element kan variera beroende på tillverkare. Svetsning med stor inträngning Värmetillförseln vid svetsning med stor inträngning är så pass hög att man i många fall helt kan undvika behovet av förhöjd arbetstemperatur, även vid svetsning av grövre tjocklekar. Trots den högre uppsmältningen som uppnås vid svetsning med stor inträngning bedöms varmsprickrisken som relativt låg. Då stålet har krav på en given slagseghet vid en viss temperatur är det viktigt att beakta att slagsegheten i såväl svetsgod som värmepåverkad zon ej får underskrida den som anges för det aktuella stålet. Såväl valet av tillsatsmaterial som valet av svetsparametrar bör därför baktas vid svetsning av dessa stål Seghärdade konstruktionsstål enligt SS-EN De seghärdade stålens svetsbarhet och slagseghet är helt i klass med de mikrolegerade och finkornbehandlade stålen. Standarden sträcker sig idag till att gälla stål med en sträckgräns upp till 960 MPa, men seghärade stål tillverkas numera upp till en sträckgräns av 1100 MPa. Seghärdade konstruktionsstål kan svetsas med alla konventionella smältsvetsmetoder. Elektroslaggsvetsning och andra högenerimetoder, där risk föreligger att temperaturen i stora delar av grundmaterialet blir mycket hög, bör undvikas för att inte påverka hållfastheten och segheten i den värmepåverkade zonen. Behovet av förhöjd arbetstemperatur vid svetsning kan beräknas utgående från någon av metoderna A och B i SS-EN , där metod B (CET) är att föredra framför IIW s formel då den ej är avsedd för seghärdade stål. Liksom tidigare avgörs behovet av förhöjd arbetstemperatur av kemiska sammansättning, tjocklek, vätehalt, sträckenergi samt inspänningsgrad. Dessvärre tar inte någon av metoderna i SS-EN hänsyn till inspänningsgraden i svetsen. Eftersom restspänningsnivån i svetsen beror av grundmaterialets sträckgräns kan, om konstruktionsutformningen utförts på olämpligt sätt, i vissa fall en högre arbetstemperatur krävas än beräknad. I de allra flesta fall ger det beräknade behovet av förhöjd arbetstemperatur en alldeles för konservativ uppskattning av det verkliga behovet. Den bästa kunskapen om behovet av förhöjd arbetstemperatur för ett specifikt seghärdat stål och för en given applikation kan i regel ges av ståltillverkaren själv. Det bästa är därför att rådfråga ståltillverkaren först innan man tillgriper beräkningsformler för bestämning av behovet av förhöjd arbetstemperatur. Svetsning av stål 75

4 Rent generellt kan sägas att ju högre hållfasthet materialet har ju högre blir kravet på att svetsning utförs vid förhöjd arbetstemperatur. Tillverkning av 690-stål görs idag så att man i de allra flesta fall kan utföra svetsning utan krav på förhöjd arbetstemperatur för tjocklekar mindre än 20 mm. Viktigt att beakta vid svetsning av seghärdade stål är att använda tillsatsmaterial med ett lågt väteinnehåll samt att den kombinerade värmemängden från valet av sträckenergi och förhöjd arbetstemperatur inte ger upphov till en allt för stort seghetsförlust eller mjuknande i den värmepåverkade zonen Kallformningsstål Svetsrekommendationerna avser kallformningsstålen S355MC, S420MC, S500MC EN samt S355NC, S420NC, S500NC EN Kallformningsstålens låga halter av kol och svavel ger förutom bra bockbarhet en mycket god svetsbarhet. Att tjockleken är begränsad till tunna tjocklekar (< 20 mm) bidrar också till att svetsproblem sällan förekommer hos dessa stål. Ej heller föreligger någon risk för varmsprickor. Kallformningsstålen kan svetsas utan förhöjd arbetstemperatur i alla tjocklekar utan risk för sprickbildning Seghärdade slitstål Seghärade slistål tillverkas med en hårdhet från 300 Brinell (HBW) upp till och med 600 Brinell i tjocklekar 3 mm och upp till 150 mm. Någon stålstandard som reglerar dessa stål finns inte och kommer troligen inte att tas fram under en överskådlig framtid. De seghärdade slitstålens svetsbarhet beror mycket av hur stålet tillverkats (val av härdprocess). Lufthärdade slitstål har för en given hårdhet alltid en högre kolekvivalent än ett slitstål som olje- eller vattenhärdats. För de vattenhärdade stålen, och då främst de rullhärdade stålen, bedöms svetsbarheten som mycket god i förhållande till stålets hårdhet. För vattenhärdade slitstål, av en hårdhet på 400 Brinell, kan i många fall behovet av förhöjd arbetstemperatur undvikas helt om svetsning utförs i klenare dimensioner. Det man i första hand bör se upp med vid svetsning av seghärdade slitstål är risken för vätesprickor. Behovet av förhöjd arbetstemperatur kan beräknas med utgångspunkt från SS-EN Liksom för de seghärdade konstruktionsstålen rekommenderas även här att konsultera den aktuella ståltillverkaren beträffande valet av förhöjd arbetstemperatur. Förutom att beakta valet av förhöjd arbetstemperatur är det viktigt att svetsning utförs på ett sådant sätt att väteupptaget vid svetsningen kan minimeras. Vid svetsning bör därför tillsatsmaterial med lågt väteinnehåll (< 5 ml/100 g) alltid användas. Då svetsar som utförs i slitstål i regel inte är lastbärande är det lämpligt att använda sig av tillsatsmaterial av låg hållfasthet. Den betydligt lägre hållfastheten i svetsgodset medger därmed en sänkning av svetsrestspänningarna samtidigt som segheten förbättras vilket höjer sprickmotståndet i svetsförbandet. 76 Svetsning av stål

5 Ett komplement till svetsning vid förhöjd arbetstemperatur, vid svetsning i tjocka dimensioner, är att tillgripa eftervärmning. Eftervärmning utförs i direkt anslutning till avslutat svetsning och utförs vid en temperatur motsvarande den rekommenderade förhöjda arbetstemperaturen. Eftervärmning av svetsen är en metod som brukar tillgripas vid svåra inspänningsförhållanden där risken för vätesprickor bedöms som hög Tillsatsmaterial För svetsning av allmänna icke härdade konstruktionsstål, där eventuellt risk föreligger för varmsprickor, finns ett stort utbud av tillsatsmaterial. Om svetsning utförs med belagda elektroder kan såväl sura, rutila som basiska elektroder användas. Vid val tillsatsmaterial är grundregeln att välja ett som ger en svetsgodskvalitet som är lika bra eller bättre än det grundmaterial som ska svetsas. Svetsläge och fogtyp är andra faktorer som påverkar valet av tillsatsmaterial. Rutila elektroder kännetecknas som mycket lättsvetsade. De ger dock i förhållande till basiska elektroder ett orenare svetsgods vilket ger lägre slagseghet och brottförlängning. Svetsgodsets högre halt av väte kan leda till problem med vätesprickor. Av denna anledning bör inte stål med en nominell hållfasthet över 420 MPa svetsas med rutila elektroder. Om den svetsade konstruktionen ska avspänningsglödgas ska heller inte rutila elektroder användas. Basiska elektroder ger ett svetsgods med låg vätehalt och låga halter av föroreningar. Detta har gjort att basiska elektroder ofta används vid svetsning av högt påkända konstruktioner där det finns krav på slagseghet vid låga temperaturer. Basiska elektroder är mindre benägna att ge upphov till såväl varmsprickor som kallsprickor än andra elektrodtyper. Fördelarna med basiska elektroder i det avseende har inte minst visat sig vid svetsning av stål i tryckkärl och fartygsplåt. Ju högre härdbarhet det svetsade stålet har desto större är behovet av att använda basiska elektroder. Gasbågssvetsning med solida- eller fluxfyllda rörtrådar har blivit allt vanligare med åren. De fördelar som kan uppnås med någon av dessa metoder är förutom en ökad produktivitet ökad inträngning, förbättrad svetskvalitet, lägre väteabsorbtion i svetsgodset samt ökad flexibilitet vid svetsning. Vid svetsning av stål med högre hållfastheter måste risken för vätesprickor noga beaktas. Välj därför ett tillsatsmaterial som ger ett lågt hydrogenupptag och följ de anvisningar elektrodtillverkaren ger beträffande hanteringen av elektroderna innan svetsning. För att nå en hållfasthetsnivå matchande till stål med en sträckgräns > 700 MPa kan i en del fall kolekvivalenten i svetsgodset överstiga kolekvivalenten hos grundmaterialet. I dessa fall kan det bli tillsatsmaterialet som blir styrande för valet av förhöjd arbetstemperatur för att undvika vätesprickor. Svetsning av stål 77

6 Det är inte bara vätesprickrisken som bör beaktas då man väljer sitt tillsatsmaterial vid svetsning av härdade konstruktionsstål. Såväl den statiska hållfastheten tvärs svetsförbandet som slagsegheten i svetsgodset är viktiga faktorer, vilka förutom tillsatsmaterialets kemiska sammansättning kan påverkas av valda svetsparametrar och svetsprocedur. Svetsning av seghärdade slitstål bör ske med basiska elektroder av en hållfasthetsnivå som understiger 500 MPa i sträckgräns. Detta ger ett rent svetsgods med låg vätehalt och med en seghet och hållfasthetsnivå som kan medge viss relaxation av svetsrestspänningar. I de fall svetsen är utsatt för slitage kan täcksträngar svetsas av ett tillsatsmaterial som ger ett hårdare svetsgods Jämförelse med tidigare svensk standard Beteckning enligt SS-EN 10025:2004 Beteckning enligt Tidigare SS-stål tidigare Europastandard S185 S235JR S235JR S235JRG S235JO S235JO S235J2+N S235J2G3 S235J2 S235J2G4 S275JR S275JR 1412 S275JO S275JO S275J2+N S75J2G3 S275J2 S275J2G4 S355JR S355JR 2172 S355JO S355JO S355J2+N S355J2G3 S355J2 S355J2G S355J2+N S355K2G3 S355J2 S355K2G4 E295 E E335 E E360 E S275NL S275NL S355N S355N 2134 S355NL S355NL 2135 S420N S420N S420NL S420NL 78 Svetsning av stål