Risker och möjligheter vid svetsning av stål för låga temperaturer
TEMA ENERGI Industrigaser som acetylen, oxygen och nitrogen används dygnet runt över hela världen för till exempel svetsning, frysning, uppvärmning och förvaring. För att dessa gaser ska bli både säkrare och enklare att hantera kyls de ofta till flytande form, vilket gör att de tar hela 600–900 gånger mindre plats. Risker och möjligheter vid svetsning av stål för låga temperaturer Beroende på gas sker kondensering vid mellan minus 33,4 och minus 268,9 grader Celcius. Tankar och ledningar som används för att förvara och transportera ämnen med så låga tempera turer ställer givetvis stora krav på konstruktion och material. Vanligen används nickelinnehåll ande men för övrigt låglegerade stål för dessa applikationer. De vanligaste nickellegerade stålen avsedda för låga temperaturer innehåller nickel i omfattningen 0,5–9 %. Nickel påverkar materialets omslagstemperatur, den materialtemperatur där brottmekanismen vid slagprovning växlar från segt till sprött brott på så vis att omslagstempera turen sänks med ökande nickelhalt. Dessutom påverkar nickel materialens mikrostruktur, härd barhet och svetsbarhet. ”De vanligaste nickellegerade stålen avsedda för låga temperaturer innehåller nickel i omfattningen 0,5–9%.” STÅL MED 0,5–1% NICKEL Artikeln var införd i Esabnytt nr 1/2010. Uppdaterad 15 oktober 2015 26 svetsen #4 2015 Nickelhalter runt 0,5–1 % används tillsammans med finkornkontrollerande tillsatser av alumi nium. Nickel löser sig bland järnatomerna i stålet utan att bilda vare sig karbider eller nitrider, vilket har en gynnsam effekt på slagsegheten vid låga temperaturer. Nickel sänker också temperaturen för omvandling från austenit till ferrit i stålet (se faktaruta), vilket ger mindre kornstorlek och med för sänkning av omslagstemperaturen. Svetsning av stål i den här gruppen är relativt okomplicerat och ett stort urval av artegna (kemiskt matchande eller nära matchande) tillsatsmaterial finns att tillgå. STÅL MED 1–3,5% NICKEL Även stål med medelhög nickelhalt, 3,5 %, svetsas vanligen med arteget eller när arteget tillsatsma terial. Eftersom härdbarheten hos stål med 3,5% Ni är ännu högre än hos stålen i den föregående gruppen, är förvärmning och tillsatsmaterial med låg hydrogenhalt viktigt. Den metod att beräkna förvärmningstemperatur som används i EN 1011-2, bygger på en kolekvivalentformel. Den formeln gäller bara för nickelhalter uppt ill 2,5 % och kan alltså inte användas för 3,5 %-iga nickelstål. I stället ger EN 1011-2 stöd i form av en tabell (EN 1011-2, del C.4, tabell C.6). Enligt denna fordrar ett 3,5 %-igt nickelstål med tjocklek över 10 mm en förvärmningstemperatur på 150°C om tillsatsmaterialet har en hydrogenhalt mellan 5 och 10 ml per 100 g svetsgods. Om man istället väljer ett tillsatsmaterial med hydrogenhalt under 5 ml per 100 g svetsgods, räcker det med 100°C förhöjd arbetstemperatur. STÅL MED 5% NICKEL Nästa grupp bland de nickellegerade stålen innehåller ca 5 % nickel. Nicklets effekt på härd barheten är då högst påtaglig. För att få önskade egenskaper vid tillverkning av grundmaterialen genomgår de noggrant avvägda värmebehand lingar i flera steg. Vid svetsning utsätts som bekant materialet för en snabb uppvärmning till mycket hög temperatur följt av en snabb svalning. Detta ger en tydlig påverkan av den noggrant framvärmebehandlade materialstrukturen i om rådet närmast smältgränsen. Materialets omslags temperatur i området kan då försämras kraftigt. Det gäller därför att hålla den värmepåverkade zonen så tunn som möjligt genom att begränsa värmetillförseln och förvärmningstemperaturen. TEMA ENERGI TEMA ENERGI Fråga oss först! ”Temperaturen och den kemiska sammansättningen påverkar vilken av dessa kristallstrukturer som stålet antar.” En positiv följd av nickelhalter på 5 % och däröver är att materialets omvandlings temperatur från austenit till ferrit sänks till så låga nivåer att fullständig omvandling inte sker vid kylning till normal rumstem peratur. Insprängt i martensiten kommer då områden av restaustenit att finnas. Austenitisk kristalluppbyggnad har högre löslighet för hydrogen än ferritisk kristalluppbyggnad och därmed minskar risken för hydrogensprickor och också behovet av förvärmning. För att garantera att svetsgodset får samma goda lågtem peraturegenskaper som grundmaterialet, svetsas de 5 %-iga nickelstålen med ett till satsmaterial av typen austenitiskt rostfritt stål, eller ett nickelbaserat tillsatsmaterial. Som en bonus ökar detta säkerheten mot hydrogensprickor ytterligare. Det hydrogen som eventuellt tillförs vid svetsningen kommer att lösas in i svetsgod sets helt austenitiska struktur, samtidigt som den goda duktiliteten hos dessa mate rialtyper medverkar till att minska graden av restspänningar. En nackdel med att välja rostfritt tillsatsmaterial är att det har en utvidgningskoefficient som avviker ganska mycket från grundmaterialets, vilket kan leda till större deformationer. STÅL MED 9% NICKEL Slutligen några ord om stål innhållande 9 % nickel. Risken för hydrogensprickor i de 9 %-iga nickelstålen brukar betraktas som ännu något lägre än i de 5 %-iga nickelstål en. Detta på grund av att inslaget av auste nit i strukturen är ytterligare något högre. För övrigt gäller samma rekommen dationer för svetsning som för de 5 %-iga nickelstålen – att hålla nere temperaturen i den värmepåverkade zonen så mycket som möjligt för att inte påverka segheten i för hög grad, samt att välja tillsatsmaterial i en austenitisk rostfri kvalitet eller ett nickel baserat tillsatsmaterial beroende på vilka krav på hållfasthet som finns. Fotnot: I Europa beskrivs kraven på nickellegerade tryckkärlsstål avsedda för låga temperaturer i EN 100028-4:2009. Eva-Lena Bergquist [email protected] Esab AB Fasomvandling Alla metalliska material är uppbyggda i strikt ordnade kristallstrukturer där atomerna är placerade på specifika platser i förhållande till varandra. När det gäller järn och stål finns det två olika typer av kristallstrukturer som är möjliga. Den ena kallas BCC (body centred cubic) eller i mera dagligt tal ferrit, och den andra kallas FCC (face centred cubic) eller austenit. Temperaturen och den kemiska sammansättningen påverkar vilken av dessa kristallstrukturer som stålet antar. Olegerade stål stelnar som ferrit för att sedan kort efter stelnandet omvandlas till austenit för att när temperaturen sjunkit ytterligare, återigen omvandlas till ferrit. Dessa så kallade fasomvandlingar kan manipuleras på olika sätt genom förändringar Er kompletta leverantör inom: - Svetsning - Lödning - Termisk Sprutning Gå in på vår hemsida eller ring oss idag så berättar vi mer! i den kemiska sammansättningen hos stålen och genom variationer i avsvalningshastigheten vilket påverkar stålens egenskaper på en mängd olika sätt och ger upphov till alla de olika typer av stål vi använder oss av. Castolin Scandinavia AB tel: 031 - 57 04 70 www.castolin.se Järn och stål finns som två olika kristallstrukturer – BCC (ferrit) och FCC (austenit). svetsen #4 2015 27 TEMA ENERGI Härdbarhet Om stål snabbkyls från en temperatur där det befinner sig i austenitiskt tillstånd till en temperatur där dess jämviktstillstånd är ferritiskt innebär det en mycket hastig förändring av utrymmet mellan järnatomerna. I austenitiskt tillstånd är utrymmet lite större och en främmande atom med liten storlek som t.ex. kol kan lätt rymmas mellan järnatomerna. I ferrit finns betydligt mindre utrymme. Om stålet får genomgå sin fasomvandling långsamt kommer kolet att stötas ut från ferriten och samlas i egna områden, men om temperatursänkningen är snabb hinner inte detta ske. Kolet blir då tvångsinlöst i ferrit strukturen. Det medför spänningar och deformation i ferriten vilket ger upphov till omvandling till en tredje strukturbeståndsdel som kallas martensit. Martensiten är hård och spröd och processen när martensit bildas brukar kallas härdning. Hur snabbt temperatursänkningen måste gå för att martensit ska bildas påverkas av stålets legeringshalt. Som regel medför ökad legeringshalt att långsammare kylning kan tillåtas men ändå resultera i martensit. Det är denna tillåtna tid som betecknar ett materials härdbarhet. Gas Kokpunkt [°C] Grundmaterial Ammoniak -33,4 Propan -42,1–45,5 Finkornkontrollerat kolstål eventuellt med 0,5–1% nickel Propylen -47,7 2,5 % Ni stål Koldioxid -78,5 3,5 % Ni stål Acetylen -84 Etan -88,4 Etylen -103,8 Metan -163 Oxygen -182,9 Nitrogen -195,8 Hydrogen -252,8 Helium -268,9 5-9 % Ni stål Austenitiskt rostfritt stål Kokpunkten hos några vanliga gaser. I austenitiskt tillstånd är utrymmet lite större och en främmande atom med liten storlek som t.ex. kol kan lätt rymmas mellan järnatomerna (till vänster). I ferrit finns betydligt mindre utrymme. Vi har vad du behöver Svetsmaskiner, tillsatsmaterial, slipmaterial, gassvetsutrustning, skyddsutrustning etc. Vi är din kompletta svetsleverantör Din kompletta svetsleverantör Koppargatan 19, Ystad · 0411-55 36 00 · [email protected] · www.svetsochtillbehor.se 28 svetsen #4 2015 MSF 3D Fiberlaser med rör- och profilskärning från MicroStep PNP Teknik AB Sasser Laurens väg 4 - 241 35 Eslöv www.pnpteknik.se - [email protected] - 072-55 66 900
© Copyright 2024