HI, HII, 17 Mn 4 ve 19 Mn 5 kazan çeliklerinin kaynağında ITAB`nin tokluğuna ısı girdisinin ve gerilme giderme tavlamasının etkileri

Abstract

- II - ÖZET Kaynak teknolojisi, günümüzde güçlü yöntemlerin ge liştirilmesiyle endüstri de çok büyük bir yere sahip olmuş tur- Geliştirilen yeni yöntemler sayesinde kaynak hızı yük selmiş erime gücü büyümüş ve kaynak ile birleştirilen mal zemenin kalınlığı da artmıştır. Bunun sonucu olarak da kay nak işlemi sırasındaki enerji girdi-çıktısı erime ve kris- talizasyon oranları erime sıcaklığında ortaya çıkan reak siyonlar fazlar arasındaki bağıntılar ve esas metale biti şik bölgedeki kaynak metalinin katılaşması gibi olaylar kaynak kabiliyetinin daha çok önem kazanmasına neden ol muştur- Birkaç istisna dışında tüm kaynak yöntemlerinde, kaynak bölgesinin erime veya erime sıcaklığına yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılması, artan sıcaklığın meydana gele bilecek bir çok reaksiyonun hızını çabuklaştırmasının yanı sıra kaynak bölgesine hemen bitişik bulunan ısının tesiri altında kalan bölgede (ITAB), bir takım iç yapı değişiklik lerinin ortaya çıkmasına neden olmaktadır- Yüksek/bir sıcak lık derecesine kadar süratli bir ısınma ve bundan sonra ol dukça şiddetli bir soğuma, malzemede iç gerilmelerin oluş masından başka, kaynak bölgesinde tane büyümesine, difüzyon reaksiyonlarına ve katıhal faz dönüşümlerine sebep olmak tadır -.ITÂB'nin, ostenitleşme sıcaklığına kadar ısınmiş kı sımları, kaynakdan sonra, soğuma sırasında kritik soğuma hızıni aştıklarında, martenzitik yapı oluşur. Martenzit genellikle, erime çizgisi boyunca ince bir şerit halinde bulunur ve burada, martenzitin varlığı, soğuk çatlakların oluşumunu teşvik eder. Erime bölgesi sınırında, martenzit oluşumu olasılığı esas metalin bileşimi ile kaynağın soğu ma hızına bağlıdır. Bu bakımdan bir çok memleketlerde, çe şitli standart ve nizamnamelerde, kaynaklı konstrüksiyon- larda kullanılacak çeliklerin içerebileceği karbon ve man ganez miktarı sınırlandırılmıştır. Milletlerarası kaynak enstitüsünün kaynak kabiliye ti komisyonu, çatlamaya2karşı bir emniyet olarak ITAB' de sertliğin 350 HV (kp/mm ) yi aşmamasını önemle tavsiye et mektedir. ITÂB'nin sertliğini düşürmek için uygulanan en klasik yöntem parçaya kaynaktan önce bir ön tav uygulamak ve bu sıcaklık derecesinde kaynak yapmakdır. Uygulanacak ön tav sıcaklığı malzemenin karbon eşdeğeri yardımı ile belirlenir. ITAB' de oluşan çatlaklara, esas malzemenin kimyasal bileşimi ve homojenliği, parçanın ve kaynak ağzının geomet risi, kaynak için kullanılan enerjinin şiddeti, erişilen en yüksek sıcaklık derecesi ve uygulanan ısıl işlemler se- bep~ölur; kullanılan kaynak metalinin ITAB'inde oluşan çat laklara ve gevrekleşmeye hiç bir1 etkisi yoktur.- Ill - Endüstri- çağının başlarında metal kullanma sahaları nın genişlemesi ani kırılma olayları dolayısı ile ortaya çıkan kazaların artmasına yol açmıştır- Bu kazaların büyük bir kısmı dizayn hataları sonucunda ortaya çıkmakta ise de tecrübeler ve gözlemler bu kazalardan bir kısmına malzeme deki çatlakların zamanla büyüyerek kırılmaya yol açmasının neden olduğunu ortaya koymuştur. Kırılma sünek ve gevrek olmak üzere iki çeşittir. Sünek kırılma, parçanın kırılma dan önce veya çatlağın ilerlemesi sırasında göstermiş oldu ğu deformasyon ve çatlak ilerleme hızının yavaş olması ile gevrek kırılma ise,7 çatlağın büyük bir hızla büyümesi ile karakterize edilir. Yapılarda, gevrek kırılma ne pahasına olursa olsun önlenmesi gereken bir olaydır^, zira hiç bir ikazda bulunmadan aniden gelir ve tamiri imkansız olaylara neden olur. Kaynaklı yapılarda karşılaşılan kırılma olaylarında kırılmanın ; kaynak bölgesinde, daima ITAB'de mevcut bir ha tadan veya oluşmuş bir çatlaktan başlıyarak geliştiği gö rülmektedir. Bazı metal ve alaşımlar normal sıcaklıklarda sünek bir davranış göstermelerine rağmen, belirli sıcaklık derecelerinin altında, aniden gevrek bir davranış gösterir ler. Bu halin meydana geldiği sıcaklığa geçiş sıcaklığı adı verilir. İşletme.: yükünün etkisi ile oluşan veya mevcut olan bir çatlağın gelişerek gevrek kırılma olayını meydana ge tirmesi konusu, malzemenin çentik darbe tokluğu ile yakın-' dan ilgilidir. IIW, kaynakla birleştirilecek yapı çelikle rinin asgari Charpy V çentik darbe enerjilerinin 0 C'de 47 J değerinde olmasını gevrek kırılmaya karşı alınması gere ken tedbirlerin en önemlisi olarak tavsiye etmektedir. Bu çalışmada günümüz endüstrisinde buhar kazanları ve diğer basınçlı kapların imalinde kullanılan ve bileşim leri', karbon eşdeğeri yöntemine göre öntav uygulanmadan kaynak edilebilecek türde olan HI, HII, 17 Mn 4 ve 19 Mn 5 çeliklerinin kaynak kabiliyeti incelenmiş ve kaynak yön temi ile gerilme giderme tavının etkileri : saptanmıştır.IV - Çalışmada bu 4 grup çelik; elektrik ark, gazaltı (MAG) ve tozaltı kaynak yöntemleri kullanılarak çok pasolu kaynakla birleştirildi ve kaynaktan sonra gerilme giderme tavı uy gulanmamış, 550 C de ye 650 C de 2 saat gerilme giderme tavlaması uygulanmış deney parçalarını metallografik iç yapı sertlik, çentik darbe muayenelerine tabi tutuldu. Öl çülen sertlik değerlerinin uygulanan kaynak yöntemine göre değiştiği görüldü; aynı şekilde çentiği ITAB' ne gelecek şe kilde hazırlanmış çentik darbe sonuçlarının da uygulanan kaynak yöntemine göre değiştiği saptandı. ITAB, kaynak sı rasında, erimemekte ve kaynak metali ile karışmamaktadır. Bu bakımdan farklı kaynak, yöntemi sadece ısı girdisini de ğiştirmekte ve dolayısı ile de İTAB'e uygulanan ısıl çev rimi değiştirmektedir. Uygulanan ısı enerjisinin yoğunluğu arttıkça soğuma süresi (Atg/e)' artmaktadır. Bu da soğuma hızının yavaşla masına dolayısı ile ITAB `de sertliğin azalmasına ve toklu ğun artmasına neden olmaktadır'. Bu sonuçta kırılma türünü de etkilemektedir. iki boyutlu ısı dağılımında At`,- soğuma süresi: Ata/5=^-..-9- (- `* )..(?sn) ' 4,a k if C 'v 500-TQ 800-1^ Üç boyutlu ısı dağılımında Atg,5 soğuma süresi: At-.*- -i-.-3- (-3' (sn) f ' 2'sk v 500-T 800-.T o o Kaynak enerjisi arttıkça, ayrılma kırılması gösteren kı sımlar' azalmakta ve farklı sıcaklıklarda yapılan çentik darbe deneyi değerlerinde de bir yükselme izlenmektedir. Kaynağa uygulanan enerjinin artması geçiş bölgesini daha düşük sıcaklıklara götürmektedir. Deney sonuçları gerilme giderme tavlaması uygulanmış deney parçalarının çentik darbe mukavemetinde her sıcaklık ta bir artış olduğunu göstermektedir ve en büyük artış 650°C lik gerilme giderme tavı uygulanmış parçalarda görülmektedir. Deneylerde kullandığımız bütün çeliklerde eh iyi ITAB özeliklerine en yüksek ısı girdisiyle kaynak edilmiş ve 650°C gerilme giderme tavına tabi tutulmuş parçalarda rastlanılmaktadır. Bu bakımdan basınçlı kapların imalinde kullanılan bu çeliklerin kaynağında azami güvenilirliği sağlamak için en yüksek ısı girdisini sağlıyan yöntemler kullanılmalı ve nizamnameler Ön cjörmese dahi 650°C lik bir gerilme giderme tavlaması, uygulanmalıdır.

THE EFFECTS OF HEAT INPUT AND STRESS-RELIEF TEMPERING ON THE TOUGHNESS OF THE HAZ. IN THE WELDING OF BOILER. STEELS OF TYPE HI, HII, 17 Mn4 and 19 Mn5 SUMMARY Nowadays welding technology bears a respectable status in industy due to the effective methods developed recently. By means of newly developed methods, welding speed has been raised, the melting rate has been increased and the thickness of material which is joint with the weld has been advanced. As a result of these effects such as input-output of energy during the welding process, the melting rate and crystallization, reactions occuring at the melti-ng temperature, relations between phase and so lidification of the welding metal next to the base metal make the weldability more important. Nearly in all the - methods of welding, heating the weldirfg region over or near the liquidus temperature, not only provokes several micro structural changes in the Heat Affected Zone (HAZ) which is next to the welding, region; but also causes the increasing temperature to 'accelerate the rate of many reac tions that may possibly take place. Being heated to a high temperature and then being cooled in â extremely intense way give rise to the grain growth, reactions of diffusion and solid state phase transformations in the welding zone as. well as the occurance of residual stresses in the ma terial. After the welding, in the regions of HAZ which were heated till the austenitization temperature, a martensitic structure occurs if these regions excess the critical cooling rate during the cooling period. Martensite usually lies in a narrow band along the fusion line, and the existance of martensite provokes the cold cracks take- VI place in this area- In the boundary of melting zone, the possibility of the occurance of martensite depends on the composition of the base metal and the cooling rate of the weld. For this reason, many countries bring limitations to the carbon and manganese content of the steels which has to be used in welded constructions by several regulations and standards. Weldabllxty Commission of the International Insitute of Welding (IXW^Com IX) recommend the hardness at the HAZ 2 '?'??`-?' not to exceed 350 HV (kp/mm ) as, -a precaution to cracking. ^Phe most classical method which is used to reduce the hard ness of the HAZ, is to apply a preheat to the pieces before welding and to weld them at this temperature. The temperatu re of the preheating which will be applied is determined by the help of carbon equivalent of the material. The crackings in the HAZ I are caused by the chemical composition and the.degree of homogeneity of the base metal, the' applied heat treatment, the geometry of the pieces and the welding edges, the intensity of the energy used and the highest temperature reached in the welding. The weld metal which is used has no influence on the crackings and the brittleness of the HAZ. ^ At the beginning of the industrial age, the widening of the metal using fields caused an increase in the acci dents of sudden fracturing* Although most of these accidents occured as a result of design defections, observations and experiences showed that this sudden fracturing were initiat ing from the microcracks and defects which were already in the material. Geheraly fractures are classified into 2 types as ductile and brittle fractures. Ductile fracturing is characterized by the slow rate of crack growth and defor mation; whereas brittle fracturing is characterized by` the rapid progress of the crack extension. In constructions, brittle fracturing is a phenomenon which should be preventedVII - in any case since it happens without any warning and causes many irreparable events to occur. It is seen that fractures found in the welded cons tructions always develop from a defect or a crack in the HAZ. Although some metals or alloys behave as ductile ma terials at normal temperatures, they- suddenly behave like brittle materials/under certain. temperature. The temperature at which this phenomenon occurs is called as transition tem perature. The existence of a crack which is occured by the effect of the service load or by the development of an al ready existing crack into a brittle fracture is closely related with the Charpy V Notch Impact toughness of the ma terial. International Institute of Welding for the steels used in welded constructions recommends the minimum Charpy V notch impact energy to be 47 J at 0°C, as the most impor tant precaution to prevent the brittle fracturing. In this research, :the weldability of HI, HII, 17 Mrr 4 and`. 19 Mn 5 types of steel are studied and the influences of stress-relief heat treatment and the rate of energy in put are determined. These types öf steel are used in the production of boilers and other kind of pressure vessels; their composition according to the carbon equivalent met hod enables welding without preheating.- VIII - In this work 3 group of specimens were prepared from this for types of steel by using Aire Welding with coated electrod, C02 shielded arc welding and submerged arc welding methods. The first group of specimens was keep as in welded condition, second and third group was subjec ted for 2 hours a stress-relief, heat treatment at 550°C and 650 C« Metallographyic microstructur e examination hardness and Charpy impact test were carried out to the specimens take in from the HAZ of the weldiiients. It is seen that the values of hardness differ due to the welding methods which were applied. It is also observed that the Charpy impact results differ according to the method of welding which is used. During the welding, HAZ does not melt and also, does not mix with the welding metal. For this reason different methods of welding cause only a change in the heat input hence the heat distribution at the HAZ. The cooling rate of the welding zone in 2 and 3 dimensional heat distribu- tion can be calculated according to the equations 1 and 2 which are derived from the Rosenthal heat distribution equations. *? Atfty,-=:.. ` (: - -) (2 dimensional) ' 4skYC v 500-T 800-T ' o o 2: Atfi,_= - -. -3_ (1L_) (3 dimensional) 1 2sk v 500-T 800-T o o ^. An increase in intensity of the applied heat energy causes a delay in the cooling rate and as a result a reduc tion of hardness and a increase of toughness in the HAZ oc cur; an increase in the welding energy input decrease the brittle fracture tendence of the HAZ.' CONCLUSIONS. 1- By changing the net heat input it is possible ef fect the toughness and the hardness of the' HAZ in the steel- IX without applying :a preheat determined according to the con ventional carbon equivalent method. 2- Increasing the net heat input causes an increase in the toughness but a decrease in hardness of HAZ., 3- Increasing in the net heat input causes the Charpy impact transition temperature to decrease. 4- Cleavage fracture zones in the fracture surface of Charpy notch impact specimens at lower temperatures dec rease by the increase in the net heat input. 5- Stress-Relief heat treatment causes an increase of the toughness in all the specimens which are welded at various net heat input and at different temperatures. 6- Increase in; the stress-relief temperature inten sifies this effect. ? 7- Stress-Relief heat treatment lowers the transition temperature. 8- Cleavage fracture zones in the fracture surface of Charpy notch impact specimens at lower temperatures dec rease by the increase in the stress-relief temperature. 9- Among all the kinds of steel used in the experi ment, the best HAZ characteristics are seen in the specimen which was welded with the highest heat input and was subjec ted to 650 C stress-relief treatment- So to obtain the utmost safety in the welding of these kinds of steel which are used in the production of pressure vessels, methods which acquire the highest heat input should be used. And even though it is not pointed out in regulations, a 650°C stress-relief heat treatment should be applied.