background image

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych

podczas spawania

2.5

opracował:

dr hab. inż. Mirosław Łomozik, prof. nadzw. IS

Nowelizacja materiału: 04. 2012 r.

background image

 

background image

2.5 ZACHOWANIE STALI KONSTRUKCYJNYCH PODCZAS 
      SPAWANIA 

 

1. Cieplne procesy spawalnicze 

1.1 Pole temperatury 

Źródło ciepła przyłożone w określonym punkcie elementu (np. na powierzchni 

stalowej blachy) nagrzewa go w wyniku przewodzenia ciepła. Rozkład temperatury  
w danym obszarze masy nagrzewanego ciała nazywa się polem temperatury

Przykład pola temperatury przedstawiono na rysunku 1/2.5. 

 

Rys. 1/2.5. Schematyczne przedstawienie pola temperatury. 

W przypadku przyłożenia źródła ciepła do bardzo cienkiej blachy (teoretycznie 

ciała dwuwymiarowego, czyli płaszczyzny) pole temperatury jest płaskie - model 
spawania blachy cienkiej. Natomiast pole temperatury w ciele masywnym 
(trójwymiarowym i teoretycznie nieskończenie dużym) jest przestrzenne - model 
spawania blachy grubej. Źródło ciepła (np. spawalniczy łuk elektryczny) przesuwając 
się po powierzchni elementu tworzy pole temperatury określone izotermami T

1

, T

2

, T

3

 

itd. (patrz rysunek 1/2.5). Pole to po ustabilizowaniu się warunków cieplnych 
przesuwa się wraz ze źródłem ciepła jako niezmienne. Każdy punkt elementu leżący 
w zasięgu pola temperatury jest poddany oddziaływaniu identycznego cyklu 
cieplnego, który polega na nagrzaniu do określonej temperatury i następnie 
chłodzeniu. Punkty położone na osi, wzdłuż której przemieszcza się źródło ciepła są 
nagrzewane do najwyższej temperatury. W miarę oddalania się punktów od źródła 
ciepła osiągane w nich temperatury są coraz niższe. 

Ciepło doprowadzone do strefy spawania jest wykorzystywane do: 

 stopienia metalu (materiał spawany i spoiwo), 

 stopienia otuliny elektrody lub stopienia topnika, 

 nagrzania spawanego metalu, 

 pokrycia strat ciepła wynikających z zachodzących reakcji endotermicznych  

      (pochłaniających ciepło), 

 pokrycia strat na skutek uchodzenia ciepła do otoczenia. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 1

background image

Powyższy podział ciepła jest zależny przede wszystkim od przewodnictwa cieplnego 
oraz masy spawanego metalu. 
 
1.2 Przepływ ciepła przy spawaniu 

Podczas spawania wykorzystuje się różne  źródła ciepła, a procesy cieplne 

mogą mieć formę przewodzenia, konwekcji (unoszenia) lub promieniowania. 

 

W procesach łączenia ciał stałych istotne znaczenie ma przewodzenie, które jest 
opisane równaniem Fouriera w postaci: 

 

 

 

 

 

t

T

λ

q

 

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie: q - strumień ciepła przewodzenia, J/(m

2

 x s), λ - współczynnik przewodzenia 

ciepła, J/(m x s x K), T - temperatura, 

o

C, t - czas, s. 

W analizie przepływu ciepła w ciekłym jeziorku metalicznym stosuje się 

równanie konwekcji Newtona: 

 

 

 

 

 

o

k

k

T

T

α

q

 

 

 

 

 

(2)  

gdzie: q

k

 - strumień ciepła konwekcji, J/(m

2

 x s), α

k

 - współczynnik konwekcji,  

J/(m

2

 x s x K), T - temperatura, 

o

C, T

o

 - temperatura otoczenia, 

o

C. 

Z kolei przepływ ciepła poprzez promieniowanie (np. źródło promieniowania 

jakim jest łuk elektryczny) jest opisany za pomocą równania Stephana-Boltzmanna: 

 

 

 

 

 

4

r

r

100

273

T

α

q

 

    

 

 

 

(3) 

gdzie: q

r

 - strumień ciepła promieniowania, J/(m

2

 x s), α

r

 - współczynnik wymiany  

          ciepła przez promieniowanie, J/(m

2

 x s x K

4

), T - temperatura, 

o

C. 

W modelach obliczeniowych przepływu ciepła w elementach spawanych 

przyjmuje się rozprzestrzenianie się ciepła zgodnie z równaniem różniczkowym  
w następującej postaci: 





2

2

2

2

2

2

z

T

y

T

x

T

λ

t

T

  

 

 

 

(4) 

gdzie: T - temperatura, 

o

C,  λ - współczynnik przewodzenia ciepła, J/(m x s x K),  

c - ciepło właściwe, J/(kg x K), ρ - gęstość, kg/m

3

, cρ - objętościowe ciepło 

właściwe, J/(m

3

 x K), λ/cρ = a - współczynnik przewodzenia temperatury, m

2

/s. 

Do klasycznych rozwiązań równania różniczkowego przewodzenia ciepła 

należy określenie pola temperatur w elemencie nieskończenie dużym, dla przypadku 
punktowego nieruchomego źródła ciepła. Temperatura danego punktu znajdującego 
się w odległości R od źródła ciepła po upływie czasu t jest określona równaniem: 

 

4at

R

exp

at

4

Q

t

R,

T

2

3/2

    

 

 

(5) 

gdzie: T(R, t) - temperatura badanego punktu, 

o

C, Q - ilość wprowadzonego ciepła, J, 

cρ - objętościowe ciepło właściwe, J/(m

3

 x K), a - współczynnik przewodzenia 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 2

background image

temperatury, m

2

/s, t - czas, s, 

2

2

2

z

y

x

R

- odległość analizowanego 

punktu od źródła ciepła, m. 

Równanie (5) podlega pewnej modyfikacji w zależności od rodzaju modelu 

obliczeniowego tzn. dla ciała masywnego (w praktyce inżynierskiej jest to element  
o grubości powyżej 25 mm), dla blachy grubej (elementy w zakresie grubości od 3 do 
25 mm) oraz dla blachy cienkiej (elementy o grubości do 3 mm). 

Najczęściej stosowanym źródłem ciepła w procesach spawalniczych jest łuk 

elektryczny, którego moc cieplną można wyliczyć z zależności: 

ηUI

q

  

 

 

 

 

(6) 

gdzie: q - moc cieplna, W, η - sprawność nagrzewania, U - napięcie  łuku, V,  

I - natężenie prądu spawania, A. 

Różne metody spawania charakteryzują się różnymi wartościami sprawności 

nagrzewania i wynoszą: 
- spawanie elektrodami otulonymi: η = 0,70÷0,85 
- spawanie łukiem krytym:  

  η = 0,80÷0,95 

- spawanie MIG / MAG: 

 

  η = 0,45÷0,65 

spawanie 

TIG: 

   

 

η = 0,45÷0,60 

Ilość ciepła wprowadzonego do złącza podczas spawania można wyliczyć  

z następującego równania: 

v

ηUIt

Q

  

 

 

 

 

(7) 

gdzie: Q - ilość wprowadzonego ciepła, kJ/cm, η - sprawność nagrzewania,  

U, I - parametry prądowe procesu, V i A, t - czas oddziaływania źródła ciepła, 
s, v - prędkość spawania, cm/min. 

Kolejnym istotnym pojęciem jest efektywność (wydajność) cieplna procesu 

spawania, którą można określić jako stosunek ciepła potrzebnego do przetopienia 
materiału rodzimego do całkowitej ilości wprowadzonego ciepła. 
 
1.3 Pojęcie cyklu cieplnego spawania 

Pod wpływem fali ciepła, która rozprzestrzenia się podczas spawania w masie 

metalowego elementu, każdy z punktów tego elementu podlega określonym 
zmianom temperatury w czasie nagrzewania, a następnie chłodzenia (stygnięcia).  
DEFINICJA:  Charakterystyczne zmiany temperatury w funkcji czasu w każdym  
z punktów ciała znajdujących się w zasięgu oddziaływania spawalniczego pola 
temperatury nazywa się cyklem cieplnym spawania.
 
Schematyczny przebieg cykli cieplnych spawania w różnych punktach pomiarowych 
spawanego elementu przedstawiono na rysunku 2/2.5. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 3

background image

 

Rys. 2/2.5. Graficzne przedstawienie przebiegu cykli cieplnych spawania. 

Pojedyncze cykle cieplne (patrz rysunek 2/2.5) obrazują zmiany temperatury 

podczas procesu spawania w poszczególnych punktach złącza spawanego w funkcji 
czasu. 

Zwiększenie lub zmniejszenie energii źródła ciepła spawania (np. łuku 

elektrycznego) powoduje wyraźną zmianę warunków cieplnych spawania, które są 
reprezentowane przez cykl cieplny. 

Cykl cieplny w danym punkcie SWC jest określany prędkością jego 

nagrzewania i stygnięcia oraz najwyższą osiągniętą temperaturą. W miarę oddalania 
się od spoiny poszczególne punkty w obszarze SWC osiągają coraz to niższe 
wartości temperatur maksymalnych i po dłuższym okresie czasu.  
Znajomość przebiegu cykli cieplnych w różnych punktach SWC pozwala 

 

z dużym prawdopodobieństwem przewidywać rodzaje mikrostruktur w obszarach 
tych punktów, a w dalszej kolejności jest podstawą do sporządzania wykresów 
przemian fazowych austenitu typu CTP

c

-S dla warunków spawalniczych. 

Rozróżnia się następujące rodzaje cykli cieplnych spawania: 

a) cykl cieplny prosty - występuje przy spawaniu jednowarstwowym, w przypadku  
kiedy dany punkt SWC złącza jest tylko raz nagrzewany źródłem ciepła (rysunek 
3a/2.5), 
b) cykl cieplny złożony -  występuje w danym punkcie SWC złącza przy spawaniu 
wielowarstwowym i wówczas punkt ten może być kilkakrotnie nagrzewany 

 

i chłodzony w zależności od ilości wykonywanych warstw lub ściegów w spoinie 
(rysunek 3b/2.5). 

a)

 

b) 

 

Rys. 3/2.5. Rodzaje cykli cieplnych spawania: a) cykl prosty, b) cykl złożony. 
Spawanie wielowarstwowe (cykle złożone) może być realizowane w dwojaki sposób. 
Pierwszy to spawanie długimi odcinkami i wtedy kolejne ściegi są układane na 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 4

background image

ostygłe  ściegi poprzednie. W tym przypadku cykl złożony stanowi sumę cykli 
prostych. Drugi sposób to spawanie krótkimi ściegami, kiedy kolejne ściegi są 
układane na ściegi poprzednie o wysokiej temperaturze. W tym przypadku następuje 
ciągłe nagrzewanie się obszaru strefy wpływu ciepła, które może być porównane do 
procesu podgrzewania wstępnego. 

Jedną z wielkości charakterystycznych spawalniczego cyklu cieplnego jest 

temperatura maksymalna. Przykładowo, dla spawania płyty wartość temperatury 
maksymalnej cyklu oblicza się z następującego równania: 





2a

by

1

gy

c

E

0,242

(y)

T

2

m

  

 

 

 

(8) 

gdzie: E - energia liniowa łuku elektrycznego, c - ciepło właściwe,  ρ - gęstość,  

g - grubość płyty, b - współczynnik wymiany ciepła na powierzchniach płyty. 

Znajomość temperatur maksymalnych cykli cieplnych spawania umożliwia przede 
wszystkim ocenę wielkości SWC. 

Bardzo duże znaczenie praktyczne ma szybkość chłodzenia w tzw. 

temperaturze najmniejszej trwałości austenitu T

k

, która decyduje o strukturze SWC  

a szczególnie w przypadku napawania i spawania stali węglowych i niskostopowych. 
 
1.4 Czynniki wpływające na kształt cykli cieplnych spawania 

Czynnikami, które wpływają na kształt cykli cieplnych spawania są: 

• metoda spawania, 
• parametry spawania, 
• temperatura początkowa spawanego elementu (temperatura otoczenia,  
  temperatura wstępnego podgrzania przed spawaniem), 
• pojemność cieplna i przewodnictwo cieplne spawanego materiału, 
• masa i grubość spawanych elementów oraz wzajemne usytuowanie tych  
  elementów względem siebie (rodzaj złącza spawanego). 
 
1.5 Parametry cyklu cieplnego spawania 

Każdy cykl cieplny spawania charakteryzują dwa parametry: 

 temperatura maksymalna cyklu T

max

o

C, 

 czas chłodzenia złącza w zakresie temperatur pomiędzy 800 a 500

o

C,  oznaczony  

    symbolem t

8/5

, s. 

O ile temperatura maksymalna cyklu cieplnego jest czynnikiem zrozumiałym  

i oczywistym, o tyle drugi parametr czyli czas chłodzenia t

8/5

 wymaga kilku zdań 

wyjaśnienia. 
 
 
 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 5

background image

Koncepcja czasu chłodzenia t

8/5

 

Dla większości stali konstrukcyjnych najbardziej krytycznym obszarem strefy 

wpływu ciepła (SWC) z punktu widzenia własności złącza spawanego jest obszar  
o mikrostrukturze gruboziarnistej nagrzany do temperatur powyżej 1150

o

C. Na rodzaj 

mikrostruktury tego obszaru, a przede wszystkim na charakter przemian fazowych 
zachodzących w tym obszarze decydujący wpływ wywierają warunki chłodzenia, 
które są uzależnione od parametrów i warunków spawania oraz od rodzaju  
i wymiarów złącza spawanego. Ze względu na to, że chwilowa szybkość chłodzenia  
w różnych punktach cyklu cieplnego jest różna i maleje wraz z obniżaniem się 
temperatury to jako parametr charakteryzujący warunki chłodzenia obszaru SWC 
przyjmuje się  czas chłodzenia złącza w zakresie temperatur 800÷500

o

oznaczany symbolem t

8/5

. Parametr w postaci czasu chłodzenia t

8/5

 jest praktycznie 

stały dla wszystkich cykli cieplnych na całej szerokości SWC i dlatego jednoznacznie 
charakteryzuje proces spawania. 

Wartość czasu chłodzenia t

8/5

 można wyznaczyć w sposób analityczny.  

W zależności od przyjętego modelu rozprzestrzeniania się ciepła w spawanym 
elemencie do obliczania czasu t

8/5

 służą następujące wzory: 

 dla trójwymiarowego (przestrzennego) ruchu ciepła - model spawania blachy  

    grubej: 





o

o

2

o

8/5

T

800

1

T

500

1

E

F

K

T

5

6700

t

 

 dla dwuwymiarowego (płaskiego) ruchu ciepła - model spawania blachy cienkiej: 











2

o

2

o

2

2

2
2

5

o

8/5

T

800

1

T

500

1

t

E

F

K

10

T

4,3

4300

t

 

gdzie: 
To - temperatura początkowa spawanego elementu, 

o

E - energia liniowa spawania, kJ/mm  
E = (U×I)/v - dla spawania prądem stałym 
E = (U×I×cosφ)/v - dla spawania prądem przemiennym 
U - napięcie łuku, V 
I - natężenie prądu spawania, A 
v - prędkość spawania, cm/s 
K

2

 - współczynnik względnej sprawności procesu spawania 

F - współczynnik kształtu złącza 
t - grubość elementu spawanego, mm 
Wartości współczynnika K

2

 zamieszczono w tablicy 1 a współczynnika F w tablicy 2. 

 
 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 6

background image

Tablica 1 Wartości współczynnika względnej sprawności procesu spawania K

2

 dla   

                różnych metod spawania. 

Metoda spawania: 

K

2

Łuk kryty 

1,0 

Elektroda otulona 

0,8 

MIG, MAG 

0,8 

TIG 0,6 

Spawanie plazmowe 

0,6 

 
Tablica 2 Wartości współczynnika kształtu złącza F dla różnych rodzajów złączy  
                 spawanych. 

Rodzaj złącza: 

Współczynnik kształtu złącza F: 

dla płaskiego ruchu ciepła:

dla przestrzennego ruchu 

ciepła: 

Napoina 1 

Ściegi wypełniające spoiny 
doczołowej 

0,9 0,9 

Jednowarstwowa spoina 
pachwinowa w złączu 
narożnym 

0,67÷0,9 0,67 

Jednowarstwowa spoina 
pachwinowa w złączu 
teowym 

0,45÷0,67 0,67 

 

2. Spawalność metali 

Problem spawalności metali pojawił się w latach dwudziestych XX wieku 

prawie równocześnie z przemysłowym opanowaniem spawania metodą gazową 
acetylenowo - tlenową i metodą  łukową elektrodą  węglową. W miarę rozwoju 
dziedziny spawalnictwa pojawiły się nowe problemy, a wraz z nimi coraz to nowsze 
definicje spawalności będące odzwierciedleniem aktualnego stanu wiedzy, np. 
definicja spawalności opracowana w latach 60-tych ubiegłego wieku przez 
Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa (MIS) i przyjęta przez Międzynarodową 
Organizację Normalizacyjną (ISO). Definicja ta miała następujące brzmienie: „Uważa 
się, że materiał metaliczny jest spawalny w danym stopniu, przy użyciu danej metody 
spawania i w danym przypadku zastosowania, gdy pozwala, przy uwzględnieniu 
odpowiednich dla danego przypadku środków ostrożności, na wykonanie złącza 
pomiędzy elementami łączonymi z zachowaniem ciągłości metalicznej oraz 
utworzenie złącza spawanego, które poprzez swe właściwości lokalne 

 

i konsekwencje ogólne zadość uczyni wymogom żądanym i przyjętym za warunki 
odbioru.”
 Z uwagi na ogólnikową treść i zawiłą formę definicja ta nie znalazła 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 7

background image

praktycznego zastosowania. Również w kraju podejmowano próby sformułowania 
definicji spawalności.  

Z kolei w normie PN-84/M-69005 „Spawalnictwo. Spajalność metali. 

Terminologia” została podana definicja spajalności metali, która jest pojęciem 
ogólnym obejmującym takie terminy jak: wrażliwość na spajanie, warunki spajania, 
użyteczność, spawalność, zgrzewalność, lutowalność. 
SPAJALNOŚĆ - przydatność metalu o danej wrażliwości na spajanie, do utworzenia 
w określonych warunkach spajania złącza metalicznie ciągłego o wymaganej 
użyteczności. 
WRAŻLIWOŚĆ NA SPAJANIE - reakcja metalu na procesy wywołane określonymi 
warunkami spajania. 
WARUNKI SPAJANIA - zespół czynników technologicznych i konstrukcyjnych 
oddziałujących na spajane złącze w czasie jego wykonywania. 
UŻYTECZNOŚĆ  - zespół  własności złącza określających możliwość jego 
wykorzystania w danych warunkach pracy. 
SPAWALNOŚĆ, ZGRZEWALNOŚĆ, LUTOWALNOŚĆ - szczególne przypadki 
spajalności odnoszące się do określonych procesów spawalniczych (spawania, 
zgrzewania i lutowania). 

Z ogólnej definicji spajalności, która została podana powyżej, wynika że 

spawalność danego metalu należy rozpatrywać w ścisłym powiązaniu z rodzajem 
konstrukcji oraz z wymaganiami stawianymi konstrukcji spawanej. 
 
Wrażliwość na spajanie 

W okresie poprzedzającym wprowadzenie pojęcia wrażliwości na spajanie 

posługiwano się określeniem spawalność metalurgiczna (lokalna)

Wrażliwość na spajanie jest czynnikiem ściśle związanym ze spajanym 

materiałem. W przypadku stali jest ona wynikiem procesu metalurgicznego 

 

i przetwórstwa hutniczego oraz ewentualnych procesów technologicznych 
poprzedzających proces spajania. W uproszczeniu można przyjąć,  że wrażliwość 
stali na spajanie zależy przede wszystkim od jej składu chemicznego oraz od 
struktury stali przed spawaniem. 

Skład chemiczny i struktura spajanego metalu decydują o charakterze 

przemian fazowych zachodzących w obrębie SWC pod wpływem cyklu cieplnego 
spajania i odpowiadających im zmian właściwości metalu zarówno podczas procesu 
spajania jak i po jego zakończeniu. Skład chemiczny stali wpływa na przemiany 
austenitu podczas spawania, a tym samym wpływa na twardość obszaru SWC oraz 
na skłonność do tworzenia różnego rodzaju pęknięć np. pęknięć zimnych. Skład 
chemiczny stali może również wpływać na strukturę i właściwości metalu spoiny 
złącza. W wyniku wymieszania metalu spoiwa z nadtopionym materiałem rodzimym, 
który może zawierać podwyższoną ilość siarki, w spoinie mogą powstawać pęknięcia 
gorące. Z kolei w stalach, które zawierają dodatki stopowe takich pierwiastków jak 
niob i wanad, ich przejście w nadmiernej ilości do spoiny złącza może zwiększyć 
skłonność do pęknięć oraz może obniżyć udarność metalu spoiny. 

Jednym z podstawowych wskaźników charakteryzujących wrażliwość stali na 

spajanie jest równoważnik węgla. Od wartości równoważnika węgla zależy stopień 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 8

background image

utwardzenia obszaru SWC złącza spawanego oraz skłonność do tworzenia pęknięć 
zimnych. 

Równoważnik węgla można wyznaczyć z następujących zależności: 

 wg MIS dla stali o zawartości 0,05÷0,25% C (Dok. MIS IX-535-67 z 1967 r.) 

 

%

  

15

Cu

Ni

5

V

Mo

Cr

6

Mn

C

C

e

 

 

 

(9) 

 wg Ito-Bessyo dla stali o zawartości 0,07÷0,22% C (Dok. MIS IX-631-69 z 1969 r.) 

 

%

  

4

Mo

5

Cr

40

Ni

24

Si

6

Mn

C

C

e

   

 

 

(10) 

gdzie: C, Mn, Si, Ni, Cu, Cr, Mo, V - zawartości pierwiastków w %. 
Generalnie obowiązuje zasada, która podaje, że im wyższa wartość równoważnika 
węgla C

e

 tym wyższa twardość obszaru SWC w złączu spawanym i tym gorsza 

spawalność stali. 
Czynniki wpływające na wrażliwość na spajanie stali to: 
• skład chemiczny stali (zwłaszcza zawartość węgla), 
• sposób prowadzenia wytopu stali, 
• stopień zanieczyszczenia stali wtrąceniami niemetalicznymi, 
• rodzaj wtrąceń i ich rozmieszczenie w strukturze stali, 
• struktura stali wynikająca z przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej. 
 
Warunki spajania 

Zanim zostało wprowadzone pojęcie warunków spajania posługiwano się 

takimi określeniami jak: spawalność operatywna (technologiczna) oraz spawalność 
konstrukcyjna

Warunki spajania to inaczej zespół czynników technologicznych 

 

i konstrukcyjnych, które oddziałują na spajane złącze w czasie jego wykonywania. 

Warunki spajania zależą od takich czynników jak: 

- metoda spawania, 
- parametry spawania, 
- rodzaj spoiwa, 
- kolejność i grubość układanych ściegów, 
- technika spawania, 
- temperatura spawanego elementu (temperatura wstępnego podgrzania), 
- temperatura otoczenia, 
- poziom i rozkład naprężeń. 

W zależności od zastosowanej metody i parametrów spawania zmienia się 

wartość energii liniowej, a tym samym zmienia się ilość ciepła wprowadzonego do 
złącza. W rezultacie zmienia się charakter cyklu cieplnego, który z kolei warunkuje 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 9

background image

przebieg procesu spawania i wpływa na charakter przemian strukturalnych w obrębie 
SWC. Jednocześnie ciepło wprowadzone do złącza reguluje ilość przetopionego 
materiału i wynikające z tego naprężenia skurczowe. Metoda spawania, a zwłaszcza 
rodzaj użytego spoiwa nie tylko decydują o rodzaju struktury i właściwościach spoiny, 
ale bardzo silnie mogą wpływać na obszar SWC poprzez tworzenie mniej lub bardziej 
sprzyjających warunków do przebiegu procesu dyfuzji w tej strefie podczas spawania 
lub po jego zakończeniu np. w czasie obróbki cieplnej złącza po spawaniu lub 
podczas jego eksploatacji. Na przykład, od metody spawania i rodzaju użytego 
materiału dodatkowego zależy ilość wodoru wprowadzonego do metalu spoiny,  
z którego wodór może przedyfundować do obszaru SWC złącza i w konsekwencji 
wywołać pęknięcia zimne. Z kolei użycie spoiwa o składzie chemicznym odmiennym 
od składu spawanego materiału, różniącego się zwłaszcza zawartością pierwiastków 
węglikotwórczych, może stwarzać korzystne warunki do wystąpienia dyfuzji 
reaktywnej, w wyniku której mogą powstać w złączu obszary o znacznie obniżonych 
właściwościach plastycznych (zwłaszcza obniżona udarność). Od kolejności  
i grubości kolejnych ściegów, od techniki spawania oraz od zastosowania lub braku 
podgrzewania wstępnego elementu przed spawaniem zależą warunki stygnięcia 
złącza oraz poziom i rozkład naprężeń. 

Do warunków spajania należy zaliczyć również wszystkie czynniki 

konstrukcyjne, które wpływają na stan naprężeń w złączu spawanym, a tym samym 
mogące wpływać na zachowanie się  złącza w czasie spawania (np. tworzenie się 
pęknięć), jak i na jego użyteczność podczas eksploatacji. Do takich czynników 
konstrukcyjnych należy zaliczyć przede wszystkim: grubość, kształt i stopień 
utwierdzenia elementów spawanych oraz rodzaj złącza. 

Przykład wpływu czynników konstrukcyjnych na spawalność przedstawiono na 

rysunku 4/2.5. 

 

 

Rys. 4/2.5. Wpływ czynników konstrukcyjnych na spawalność. 
Z rysunku 4/2.5 wynika, że element konstrukcyjny „B” jest trudniej spawalny zarówno 
od elementu „A” (pomimo tych samych grubości) jak i od elementu „C” (pomimo 
takiego samego kształtu). Gorsza spawalność elementu „B” wynika z większego 
stopnia usztywnienia będącego rezultatem kształtu złącza (spoina pachwinowa 
obwodowa) oraz większej grubości ścianek i spoiny. 
 
Użyteczność 

Możliwości wykorzystania złącza spawanego w danych warunkach 

eksploatacyjnych stwarzają kryteria dla oceny spawalności. Jeżeli dla danej stali 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 10

background image

można uzyskać  złącze o żądanej użyteczności bez szczególnych ograniczeń 
warunków spajania, np. wieloma różnymi metodami w szerokim zakresie zmian 
parametrów, bez konieczności stosowania specjalnych zabiegów technologicznych 
(np. stosowanie podgrzewania wstępnego przed spawaniem) to taką stal można 
uznać za mało wrażliwą na proces spajania, czyli za stal łatwo spajalną. 
 

3. Złącze spawane 

3.1 Charakterystyczne obszary złącza spawanego 

W złączu spawanym wyróżnia się trzy podstawowe obszary: spoinę, strefę 

wpływu ciepła (SWC), materiał podstawowy (materiał rodzimy) (MR). Schematyczne 
przedstawienie poszczególnych obszarów złącza spawanego zamieszczono na 
rysunku 5/2.5. 

 

Rys. 5/2.5. Obszary strukturalne w złączu spawanym. 

Proces spawania wywiera wpływ na właściwości poszczególnych obszarów 

złącza spawanego. Zachodzące w czasie spawania reakcje i przemiany pociągają za 
sobą szereg następstw, mniej lub bardziej korzystnych, takich jak: 
- zmiana właściwości mechanicznych (wytrzymałościowych i plastycznych), 
- wzrost kruchości w temperaturze otoczenia i w temperaturach obniżonych, 
- wzrost skłonności do tworzenia różnego rodzaju pęknięć, 
- tworzenie niezgodności i wad spawalniczych np. porów i pęcherzy, 
- obniżenie odporności na korozję (np. na korozję międzykrystaliczną). 
 
3.2 Materiały dodatkowe do spawania - informacje ogólne 
 Materiały dodatkowe do spawania obejmują te wszystkie materiały, które 
stosuje się w celu uzyskania złączy spawanych o określonych właściwościach  
i jakości. 
Materiały dodatkowe obejmują: spoiwa, gazy techniczne, topniki spawalnicze i inne 
materiały, które są stosowane w procesie spawania, napawania oraz cięcia 
termicznego. 
Spoiwa spawalnicze to materiały, które w procesach spawalniczych ulegają 
stopieniu, a po zakrzepnięciu tworzą spoinę lub napoinę. Materiał, który jest 
otrzymywany w wyniku stopienia spoiwa i nie ulega wymieszaniu z materiałem 
podstawowym nazywa się stopiwem. Ze względu na procesy metalurgiczne, które 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 11

background image

zachodzą podczas spawania lub napawania, skład chemiczny stopiwa różni się od 
składu chemicznego spoiwa w stanie wyjściowym. 
Gazy techniczne stosowane w procesach spawalniczych dzielą się na dwie grupy: 
a) gazy osłonowe do łukowego spawania, napawania i cięcia, 
b)  gazy palne i gazy podtrzymujące palenie do gazowego spawania, napawania, 
natryskiwania i cięcia termicznego. 
Gazy osłonowe (ochronne) są stosowane do osłony jeziorka spawalniczego, 
elektrody nietopliwej, stapiającego się spoiwa, grani spoiny itp. przed dostępem 
powietrza. 
Gazy palne i gazy podtrzymujące palenie służą do zasilania palników, w których 
spalają się i tworzą płomień, który stanowi źródło ciepła do spawania, natryskiwania  
i cięcia termicznego. 
Topniki spawalnicze są to substancje niemetaliczne zawierające składniki mineralne  
i inne, które podczas spawalnia lub napawania ulegają stopienia i zapewniają osłonę 
jeziorka spawalniczego przed dostępem powietrza. Ponadto topniki zapewniają 
prawidłowy przebieg procesów metalurgicznych w jeziorku spawalniczym. 
Inne materiały dodatkowe obejmują pozostałe materiały, które biorą udział  
w procesach spawalniczych, jak: elektrody nietopliwe, elektrody topliwe do cięcia  
i żłobienia, podkładki formujące, pierścienie ceramiczne i mieszanki termitowe. 
 
3.3 Kształtowanie się i krystalizacja spoiny 

Łuk  elektryczny stanowi rodzaj wyładowania elektrycznego w gazie, przy 

normalnym lub podwyższonym ciśnieniu gazu i przy dostatecznej mocy źródła 
zasilania. Ciepło, które wydziela się w strefie spawalniczego łuku elektrycznego, jest 
wykorzystywane do roztopienia spoiwa (materiału dodatkowego do spawania) oraz 
do miejscowego stopienia brzegów spawanego materiału podstawowego. W wyniku 
wymieszania obu wymienionych ciekłych składników tworzy się metaliczna kąpiel 
zwana  jeziorkiem spawalniczym. W zależności od właściwości cieplnych 
spawanego materiału, charakterystyki łuku traktowanego jako źródło ciepła oraz od 
warunków technologicznych spawania (natężenie prądu spawania, napięcie  łuku, 
prędkość spawania, kształt złącza, pozycja spawania itp.) jeziorko spawalnicze może 
zmieniać swój kształt i objętość. 

W czasie spawania w jeziorku spawalniczym jednocześnie zachodzą dwa 

przeciwstawne procesy, a mianowicie: topienie się materiału podstawowego oraz 
krzepnięcie (krystalizacja) ciekłego metalu jeziorka. 

Proces krystalizacji metalu spoiny przebiega w specyficznych warunkach, 

które znacznie odbiegają od warunków w jakich zachodzi krzepnięcie typowych 
odlewów w warunkach hutniczych. Objętość jeziorka spawalniczego jest bardzo 
mała, a w jego wnętrzu zachodzi nieustanne mieszanie się ciekłego metalu.  
W jeziorku występuje znaczne zróżnicowanie temperatur, które wywołuje duże 
gradienty temperatur w kierunku prostopadłym do powierzchni styku cieczy 
metalicznej z otaczającym ją metalem w stanie stałym. Przemieszczanie się jeziorka, 
podążającego za łukiem spawalniczym, powoduje dodatkowe zróżnicowanie pola 
temperatury i zwiększenie się gradientów temperatury wraz z odległością brzegu 
jeziorka od osi łuku. W związku z powyższym najbardziej intensywne odprowadzanie 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 12

background image

ciepła występuje w tylnej części jeziorka. Powierzchnie częściowo roztopionych ziarn 
stanowią zarodki krystalizacji ciekłego metalu. Do zapoczątkowania procesu 
krystalizacji cieczy wystarczy przechłodzenie tej cieczy jedynie o kilka stopni 
Celsjusza. Narastanie kryształów nosi nazwę  wzrostu epitaksjalnego. Dalszy 
wzrost kryształów metalu spoiny jest uzależniony od chwilowych wartości gradientu 
temperatury na czole rosnącego kryształu oraz od składu chemicznego krzepnącego 
stopu. 

Kierunek narastania kryształów, a zarazem ich kształt zewnętrzny, jest 

związany z kształtem jeziorka spawalniczego i jego przemieszczaniem się. Przykład 
wpływu kształtu ciekłego jeziorka spawalniczego na sposób krystalizacji spoiny 
przedstawiono na rysunku 6/2.5. 

a) 

 

b) 

 

Rys. 6/2.5. Wpływ kształtu oczka ciekłego jeziorka spawalniczego na sposób  
                     krystalizacji  metalu  spoiny:  a)  przy  małej prędkości spawania, b) przy  
                     dużej prędkości spawania. 

Przy małych prędkościach spawania (rysunek 6a/2.5) ciekłe jeziorko 

spawalnicze ma kształt zbliżony do elipsy, w którym zmieniający się kierunek 
krystalizacji (na rysunku zaznaczony strzałkami) zmniejsza skłonność do tworzenia 
pęknięć gorących w spoinie. Przy dużych prędkościach spawania płynne jeziorko 
wydłuża się przyjmując kształt taki jak pokazano na rysunku 6b/2.5). W przypadku 
takiej geometrii jeziorka spawalniczego kierunek maksymalnego gradientu 
temperatury (zaznaczony strzałkami) na powierzchni rozdziału: ciecz-zakrzepnięty 
metal nie zmienia się prawie od jej naroża do środka, a kryształy dendrytyczne 
stykają się wzdłuż podłużnej osi spoiny. Sprzyja to wydzielaniu się niskotopliwych 
błonek eutektycznych w powstałej w ten sposób strefie transkrystalizacji. 

Podczas spawania z użyciem materiału dodatkowego (spoiwa) skład 

chemiczny, właściwości i jednorodność zakrzepniętego metalu spoiny lokalnie, 
zwłaszcza w obszarach zbliżonych do linii wtopienia, mogą ulegać zmianie. Jest to 
spowodowane efektem wymieszania (rozcieńczenia) stopiwa przez stopiony materiał 
podstawowy (nadtopione brzegi rowka spawalniczego). Stopień wymieszania 
(rozcieńczenia) metalu spoiny będzie uzależniony przede wszystkim od 
równomierności i głębokości wtopienia w materiał podstawowy podczas spawania, co 
z kolei zależy od rodzaju spawania (spawanie ręczne, automatyczne), metody  
i techniki spawania, rodzaju złącza oraz rodzaju spawanego materiału. 

W spoinach czystych metali lub zawierających niewielką ilość domieszek 

składników stopowych tworzą się wyłącznie kryształy kolumnowe, które nie wykazują 
wyraźnej wewnętrznej niejednorodności chemicznej. Natomiast w stopach metali 
dominującą formę stanowią kryształy kolumnowo-dendrytyczne, które mają wyraźną 
wewnątrzkrystaliczną segregację chemiczną. Przykłady struktury dendrytycznej 
przedstawiono na rysunku 7/2.5. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 13

background image

a) 

 

b) 

 

c) 

 

Rys. 7/2.5. Kryształy dendrytyczne (prof. H. K. D. H. Bhadeshia): a) rozwój 
                     kryształów kolumnowo-dendrytycznych w stopie na bazie niklu 

 

                     (zdjęcie z mikroskopu skaningowego), b) rozwój kryształów kolumnowo  
                     -dendrytycznych  w  kierunku od linii wtopienia w głąb spoiny. 

 

                     FZ  -  Fusion Zone = strefa przejściowa, HAZ - Heat Affected Zone =  
                     SWC  (zdjęcie z mikroskopu świetlnego), c) wlewek hutniczy stopu  
                     aluminium  -  widoczna orientacja kryształów zgodna z kierunkiem  
                     krystalizacji. 

Proces krystalizacji metalu spoiny przebiega bardzo szybko i dlatego często 

dochodzi do zróżnicowania składu chemicznego poszczególnych kryształów czyli 
występuje segregacja dendrytyczna. W przypadku stworzenia dogodnych warunków 
do powolnego stygnięcia zakrzepniętej spoiny następuje częściowe wyrównanie 
(ujednorodnienie) jej składu chemicznego w wyniku procesów dyfuzji. 

Procesowi krzepnięcia i krystalizacji metalu spoiny towarzyszą dodatkowe 

procesy. Następuje wydzielanie gazów co pociąga za sobą tworzenie się porów  
i pęcherzy w spoinie. Zachodzą procesy wydzielania wtrąceń niemetalicznych. 
Ponadto, w wyniku działających naprężeń oraz zmniejszonej spoistości metalu mogą 
się tworzyć w spoinie różnego rodzaju pęknięcia. 

Struktura, która powstaje w wyniku krzepnięcia metalu nosi nazwę struktury 

pierwotnej. Struktura pierwotna spoiny różni się od struktur tworzących się w wyniku 
przemian w stanie stałym na przykład na skutek przemian alotropowych. 

 

W przypadku metali nie przechodzących przemian alotropowych, struktura pierwotna 
w spoinie zostaje zachowana aż do temperatury otoczenia. Z kolei struktura tworząca 
się w metalu spoiny w rezultacie przemian fazowych w stanie stałym nazywa się 
strukturą wtórną. Przykład różnych rodzajów struktur w spoinie złącza spawanego 
przedstawiono na rysunku 8/2.5. 

a) 

 

              Traw. FeCl

3

  pow. 200× 

b) 

 

              Traw. Nital    pow. 200× 

Rys. 8/2.5. Rodzaje struktur w metalu spoiny (fot. IS): a) Struktura pierwotna. Spoina  
                  typu 00H18N9T. Austenit, b) Struktura wtórna. Złącze spawane ze stali  
                  konstrukcyjnej  niestopowej.  Bainit + ferryt ziarnisty na granicach ziarn  
                  byłego austenitu. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 14

background image

Struktura pierwotna ma istotne znaczenie przy wyjaśnianiu przebiegu procesu 

krzepnięcia metalu oraz powstawaniu pęknięć gorących. Struktura wtórna 

 

w znaczący sposób wpływa na właściwości wytrzymałościowe spoiny. 

Spoina w złączu spawanym wykazuje typową strukturę metalu lanego, która 

ma gorsze właściwości mechaniczne od struktury metalu poddanego przeróbce 
plastycznej. Spoiny o jednakowym składzie chemicznym, lecz o różnej strukturze 
pierwotnej mogą posiadać różne właściwości wytrzymałościowe i plastyczne, 
odmienną wrażliwość na powstawanie pęknięć i różną odporność na korozję. 

Mikrostruktura spoin wielościegowych jest zróżnicowana i zależy od stopnia 

wyżarzenia i przekrystalizowania obszarów uprzednio wykonanych ściegów przez 
ciepło kolejnego cyklu spawania. Ciepło kolejnego spawanego ściegu powoduje 
rozdrobnienie ziarn ściegu ułożonego poprzednio. Od udziału w metalu spoiny 
obszarów wyżarzonych o drobnoziarnistej mikrostrukturze zależy wartość pracy 
łamania złącza spawanego. W celu zwiększenia udziału w spoinie obszarów 
wyżarzonych o korzystnej mikrostrukturze a tym samym w celu zapewnienia 
wymaganej udarności złączu spawanemu, spoiny należy wykonywać przy użyciu 
większej liczby ściegów przy mniejszej ilości wprowadzanego ciepła. 

Struktura metalu spoiny w znacznym stopniu wpływa na jej właściwości 

mechaniczne, a zwłaszcza na plastyczność. Utworzenie drobnych, równoosiowych 
ziarn w metalu spoiny powoduje następujące korzyści: 
a) drobnoziarnista struktura obniża skłonność spoiny do tworzenia pęknięć podczas 
procesu krzepnięcia i krystalizacji (mniejsze ryzyko pękania gorącego), 
b) drobnoziarnista struktura wpływa na poprawę ciągliwości i udarności metalu 
spoiny, zwłaszcza w złączach stali niestopowych (węglowych) oraz stali stopowych 
odpornych na korozję. 
Wpływ wielkości ziarna w strukturze spoiny stali austenitycznej Cr-Ni przedstawiono 
na rysunku 9/2.5. 

 

Rys. 9/2.5. Wpływ wielkości ziarna w strukturze spoiny austenitycznej stali Cr-Ni na  
                  ciągliwość w temperaturze 925

o

C (wg prof. E. Tasaka). 

Drobnoziarnistą mikrostrukturę metalu spoiny można otrzymać takimi sposobami, jak: 
a) zwiększenie szybkości chłodzenia jeziorka spawalniczego, 
b) modyfikowanie jeziorka spawalniczego poprzez wprowadzanie bardzo drobnych 
nierozpuszczalnych cząstek albo poprzez wprowadzanie do metalu spoiny substancji 
powierzchniowo aktywnych. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 15

background image

Zwiększenie szybkości chłodzenia jeziorka spawalniczego można uzyskać przez 
zmniejszenie energii liniowej spawania. Im mniejsza energia liniowa spawania tym 
mniejsza jest objętość ciekłego metalu w jeziorku spawalniczym. Podczas 
krystalizacji małych objętości ciekłego metalu wzrost kryształów kolumnowo-
dendrytycznych jest ograniczony i nie osiągają one dużych rozmiarów. Z drugiej 
jednak strony, krystalizacja małych objętości metalu jeziorka spawalniczego, 
zwłaszcza w warunkach intensywnego odprowadzania ciepła, może powodować 
hartowanie spoiny co w konsekwencji pogarsza jej właściwości plastyczne. Dlatego, 
w praktyce, nadmierne ograniczanie energii liniowej spawania nie jest zalecane. 
Istotnym zagadnieniem związanym z szybkością chłodzenia złączy spawanych jest 
proces wydzielania ferrytu δ (ferryt delta) w spoinach stali stopowych odpornych na 
korozję, zwłaszcza stali Cr-Ni o strukturze austenitycznej. Okazuje się,  że duże 
znaczenie w tym przypadku ma stosunek zawartości chromu do niklu. Dla małego 
stosunku Cr/Ni wzrost szybkości chłodzenia powoduje zmniejszenie zawartości 
ferrytu  δ. Natomiast dla dużego stosunku Cr/Ni wraz ze wzrostem szybkości 
chłodzenia złącza spawanego wzrasta również zawartość ferrytu w spoinie. 
Efekt rozdrobnienia mikrostruktury metalu spoiny poprzez modyfikowanie jeziorka 
spawalniczego osiągnięto już kilkadziesiąt lat temu podczas spawania łukowego 
złączy ze stali niskowęglowej. Jako modyfikatorów użyto węglika tytanu w postaci 
proszku oraz mieszaniny żelazotytanu i węglika tytanu. Doświadczenia różnych 
badaczy wykazały,  że jest możliwe również rozdrobnienie struktury metalu spoiny  
w złączach stali konstrukcyjnych C-Mn i stali nierdzewnych o strukturze 
austenitycznej. Bardzo dobry rezultat rozdrobnienia ziarn na drodze modyfikacji 
ciekłego jeziorka spawalniczego uzyskuje się przy spawaniu technicznych stopów 
aluminium z zastosowaniem jako modyfikatorów tytanu lub cyrkonu. Pierwiastki 
spełniające rolę modyfikatorów wpływają na rozdrobnienie struktury w dwojaki 
sposób. Albo zwiększają podczas procesu krzepnięcia i krystalizacji liczbę ośrodków 
krystalizacji (zarodków) albo działają jak substancje powierzchniowo czynne tj. 
segregują na froncie krystalizacji i obniżają energię powierzchniową granic ziarn co 
ogranicza ich rozrost. 
Dla spawanych elementów konstrukcyjnych, które są przeznaczone do pracy przy 
dużych obciążeniach i od których wymaga się wysokich właściwości mechanicznych 
stosuje się również spawanie z użyciem tzw. ściegów rozdrabniających ziarno - 
rysunek 10/2.5. 

 

Rys. 10/2.5. Rozmieszczenie ściegów rozdrabniających ziarno w spoinie przy  
                       spawaniu wielowarstwowym. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 16

background image

3.4 Podstawowe wiadomości o przemianach austenitu zachodzących w stalach  
      podczas nagrzewania
 

Przemiany zachodzące w stali w czasie nagrzewania prowadzą do stanu 

strukturalnego, który jest bliski warunkom równowagi. Zjawiska zachodzące podczas 
nagrzewania i wygrzewania są zjawiskami ważnymi ponieważ przygotowują stan 
wyjściowy do zmian występujących w czasie chłodzenia. 

W czasie procesu nagrzewania stali mogą w niej zachodzić takie zmiany 

strukturalne jak: 

 przemiana perlitu i ferrytu w austenit, 

 wydzielanie z roztworów przesyconych, 

 sferoidyzacja, 

 rekrystalizacja. 

Warunkiem koniecznym do rozpoczęcia procesu tworzenia się austenitu  

z perlitu, czyli procesu tworzenia się mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzanie 
stali do temperatury wyższej od A

C1

. Szybkość procesu tworzenia się austenitu  

z perlitu rośnie przede wszystkim wraz ze zwiększeniem szybkości nagrzewania. 

Ogólnie w procesie przemiany perlitu w austenit można wyróżnić trzy kolejno 

następujące po sobie fazy: tworzenie austenitu niejednorodnego, rozpuszczanie 
węglików i ujednorodnienie austenitu. 

Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziarn. Średnia 

wielkość ziarn nowo utworzonego austenitu jest mniejsza od wielkości ziarn perlitu,  
z którego ten austenit powstał. Proces ten schematycznie przedstawiono na rysunku 
11/2.5. 

 

Rys. 11/2.5. Schemat rozrostu ziarn austenitu powstałego podczas nagrzewania stali  
                    eutektoidalnej 

(0,8% 

węgla) o strukturze gruboziarnistej 

 

                    i drobnoziarnistej. 
Podwyższenie temperatury powyżej A

C1

 lub wydłużenie czasu wygrzewania 

powoduje rozrost ziarn austenitu w stalach gruboziarnistych. W niektórych grupach 
stali, zwłaszcza w stalach uspokojonych za pomocą aluminium, które są traktowane 
jako stale drobnoziarniste wielkość ziarn nie ulega praktycznie zmianie. W przypadku 
powolnego chłodzenia wielkość nowo utworzonego ziarna perlitu jest zbliżona do 
wielkości pierwotnego ziarna austenitu (rysunek 12/2.5). 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 17

background image

 

Rys. 12/2.5. Schemat zmian wielkości ziarna stali podczas nagrzewania do  
                       temperatury powyżej A

C1

 i następującego po nim chłodzenia. 

W różnorodnych zabiegach i operacjach obróbki cieplnej stali bardzo istotną 

rolę odgrywa wielkość ziarn austenitu pierwotnego, czyli austenitu, który występował 
w strukturze stali po zakończeniu wygrzewania bezpośrednio przed rozpoczęciem 
procesu chłodzenia i przed przemianą alotropową. 

Stale o strukturze drobnoziarnistej umożliwiają stosowanie wyższej 

temperatury końca obróbki plastycznej na gorąco oraz szerszego zakresu temperatur 
austenityzowania w czasie operacji hartowania. Drobnoziarnista struktura austenitu 
pierwotnego korzystnie wpływa na poprawę  właściwości wytrzymałościowych, 
plastycznych oraz eksploatacyjnych stali po takich operacjach jak wyżarzanie 
normalizujące, hartowanie czy też ulepszanie cieplne. 

Kontrolowanie wielkości ziarn austenitu pierwotnego umożliwia przewidywanie 

niektórych właściwości stali po przemianie alotropowej oraz ułatwia ocenę 
prawidłowości przeprowadzonej obróbki cieplnej. 

Określanie wielkości ziarn austenitu pierwotnego w stalach o strukturze 

nieaustenitycznej (np. konstrukcyjne stale niestopowe, stale konstrukcyjne 

 

o podwyższonej wytrzymałości) może się odbywać za pomocą następujących metod: 
- metoda nawęglania, 
- metoda utleniania, 
- metoda siatki ferrytu lub cementytu, 
- metoda trawienia. 
Metoda nawęglania stali w ośrodku stałym z następnym kontrolowanym chłodzeniem 
umożliwia metalograficzną obserwację wydzieleń cementytu (w postaci siatki) na 
granicach ziarn austenitu pierwotnego w warstwie nawęglonej, wytrawionej np. 
nitalem. 
Metoda utleniania polega na obserwacji siatki ferrytu utworzonej na granicach ziarn 
austenitu pierwotnego w wyniku odwęglenia przygranicznych obszarów ziarn 
podczas austenityzowania stali w atmosferze utleniającej, po następnym ochłodzeniu 
w wodzie lub powietrzu. 
Metodę siatki ferrytu lub cementytu stosuje się do obserwacji ziarna austenitu 
pierwotnego w stalach, ponieważ na granicach ziarn austenitu podczas chłodzenia 
wydziela się - w zależności od zawartości węgla - ferryt lub cementyt w postaci siatki. 
Metoda trawienia roztworem kwasu pikrynowego i kwasu solnego w alkoholu 
etylowym umożliwia obserwację ziarn austenitu pierwotnego w stalach, głównie 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 18

background image

stopowych zahartowanych na martenzyt. W celu wyraźniejszego wytrawienia granic 
ziarn austenitu pierwotnego w niektórych stalach korzystne jest zastosowanie 
dodatkowego odpuszczania w temperaturze około 450

o

C. 

 
3.5 Strefa wpływu ciepła (SWC = HAZ) 

Obszar materiału spawanego, w którym cykle cieplne spawania powodują 

zmiany struktury i właściwości tego materiału nazywa się  strefą wpływu ciepła 
(SWC)
 lub 

HAZ (z ang. Heat Affected Zone). Zmiany struktury oraz zmiany 

właściwości obszaru SWC są wynikiem zachodzenia w spawanym materiale 
przemian alotropowych, przemian strukturalnych (fazowych) a także odkształcenia 
sieci krystalograficznej, przy czym procesy te mogą zachodzić pojedynczo lub 
jednocześnie. Zależy to od właściwości fizyko-chemicznych spawanego materiału. 

W metalach, w których przemiany alotropowe nie zachodzą (np. miedź, nikiel) 

jak również w stopach metali nie podlegających przemianom fazowym w stanie 
stałym, zmiany struktury w obszarze SWC ograniczają się jedynie do zmian wielkości 
ziarna. W każdym metalu, ogrzanym powyżej pewnej charakterystycznej dla niego 
temperatury krytycznej, następuje rozrost ziarn, który jest tym większy im bardziej ta 
temperatura została przekroczona. W związku z tym w obszarze SWC metali 
jednofazowych w miarę zbliżania się do linii wtopienia spoiny następuje stopniowy 
wzrost wielkości ziarna, które osiąga maksymalne wymiary w najbliższym 
sąsiedztwie spoiny, w miejscach gdzie panowały najwyższe temperatury. Ze względu 
na brak przemian alotropowych ziarno w obszarze SWC nie ulega rozdrobnieniu  
w czasie fazy chłodzenia. Taki typ budowy strukturalnej obszaru SWC jest 
charakterystyczny dla złączy spawanych ze stali niskowęglowych, austenitycznych 
stali chromowo-niklowych (np. 00H18N9), wysokochromowych stali ferrytycznych 
oraz wysokostopowych stali o strukturze martenzytycznej. Nadmiernego rozrostu 
ziarn w obszarze SWC stali jednofazowych nie można usunąć za pomocą obróbki 
cieplnej, w związku z czym bardzo często złącza spawane z tych stali mogą 
wykazywać niskie właściwości plastyczne. Przykład obszaru SWC w złączu 
spawanym ze stali jednofazowej przedstawiono na rysunku 13/2.5. 

 

                                          Traw. elektrolityczne  pow. 200× 
Rys. 13/2.5. Złącze spawane metodą TIG. Strefa przejściowa. Lewa strona: SWC,  
                    stal  X6CrNiMoTi17-12-2, austenit + wydzielenia węglików.  Widoczny   
                    rozrost  ziarn.  Prawa strona: spoina, austenit, struktura pierwotna  
                    (fot. IS). 

W metalach, w których zachodzą przemiany alotropowe lub które podlegają 

przemianom fazowym w stanie stałym obszar SWC ma złożoną budowę, która 
charakteryzuje się obecnością kilku obszarów o zróżnicowanej mikrostrukturze  
i właściwościach. Taki typ SWC występuje w złączach spawanych z konstrukcyjnych  
stali niskowęglowych (np. St3S czyli S235JR) lub konstrukcyjnych stali 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 19

background image

niskostopowych o podwyższonej wytrzymałości (np. 18G2A czyli S355JR). Przykład 
rozłożenia poszczególnych obszarów w SWC stali niskowęglowej przedstawiono na 
rysunku 14/2.5. 

 

Rys. 14/2.5. Rozkład obszarów strukturalnych w SWC złącza spawanego stali  
                       niestopowej  niskowęglowej w funkcji temperatury w nawiązaniu do  
                       fragmentu układu równowagi żelazo-węgiel. 
Obszar CGHAZ (z ang. Coarse Grain HAZ) - obszar SWC o strukturze 

 

gruboziarnistej (Tmax1150

o

C). Obszar ten obejmuje strefę częściowego roztopienia 

oraz obszar struktury przegrzanej. Obszar częściowego roztopienia stanowi granicę 
pomiędzy materiałem podstawowym, który podczas spawania uległ nadtopieniu,  
a ciekłym metalem spoiny. Obszar częściowego roztopienia charakteryzuje się 
strukturą gruboziarnistą o niekorzystnych właściwościach plastycznych. Przy dużych 
szybkościach chłodzenia w tym obszarze tworzą się struktury hartownicze: martenzyt 
i/lub bainit. Wysokie temperatury w obszarze przegrzania powodują rozrost ziarn 
austenitu, które nie ulegają rozdrobnieniu podczas chłodzenia. Struktura, która 
powstaje w wyniku przegrzania austenitu a następnie przyspieszonego chłodzenia 
nazywa się strukturą  Widmanstättena, i stanowi ona najczęściej mieszaninę 
martenzytu, bainitu i ferrytu. Struktura ta charakteryzuje się tym, że ferryt wydziela 
się nie tylko na granicach pierwotnych ziarn austenitu, ale również wewnątrz ziaren, 
w postaci płytek. Obszar przegrzania charakteryzuje się niskimi właściwościami 
plastycznymi (wysoka twardość i kruchość) i jest szczególnie podatny na różnego 
rodzaju pęknięcia. Właściwości użytkowe obszaru CGHAZ decydują  
o właściwościach użytkowych całego złącza spawanego. 
Obszar FGHAZ (z ang. Fine Grain HAZ) - obszar SWC o strukturze drobnoziarnistej, 
temperatura powyżej A

C3

 (1150>Tmax900

o

C). Obszar FGHAZ charakteryzuje się 

strukturą jaką otrzymuje się w wyniku wyżarzania normalizującego. Podczas 
spawania obszar ten zostaje nagrzany do temperatur powyżej A

3

 w wyniku czego 

zachodzi całkowita austenityzacja i następuje rozdrobnienie wielkości ziarn. 

 

W zależności od zawartości węgla w stali oraz od szybkości chłodzenia obszar ten 
może mieć różne struktury. Przy niewielkich zawartościach węgla i wolnym 
chłodzeniu tworzy się dwufazowa struktura ferrytyczno-perlityczna o dobrych 
właściwościach plastycznych. Przy wyższych zawartościach węgla i dużych 
szybkościach chłodzenia (krótkie czasy chłodzenia t

8/5

) mogą tworzyć się struktury 

hartownicze. 
Obszar ICHAZ (z ang. Intercritical HAZ) - obszar SWC o strukturze odpowiadającej 
zakresowi temperatur  A

C3

÷A

C1

 (900>Tmax700

o

C). Obszar ICHAZ odpowiada 

obszarowi niepełnej normalizacji. Podczas spawania obszar ten jest nagrzewany do 
temperatur w zakresie A

1

÷A

3

 co prowadzi do austenityzacji perlitu obecnego  

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 20

background image

w strukturze materiału podstawowego. Ferryt ulega przemianie tylko częściowo  
i praktycznie jego forma pozostaje taka sama jak w materiale podstawowym.  
W czasie chłodzenia austenit, który powstał z perlitu, ulega rozpadowi na 
drobnoziarnistą mieszaninę ferrytu i perlitu. W rezultacie w strukturze obszaru 
niepełnej normalizacji występuje ferryt o wyraźnie zróżnicowanej wielkości ziarna. 
Obszar SCHAZ (z ang. Subcritical HAZ) - obszar materiału spawanego o strukturze 
odpowiadającej temperaturom niższym od A

C1

 (700>Tmax600

o

C). 

Przykłady zmian mikrostruktury w różnych obszarach rzeczywistego złącza 
spawanego stali niestopowej, która podlega przemianom strukturalnym 
zamieszczono na rysunku 15/2.5. 

a) 

  b) 

c) 

 

d) 

 e) 

f) 

 

Rys. 15/2.5. Przykład zmian mikrostruktur w różnych obszarach złącza spawanego  
                     stali niestopowej:  
                     a) materiał rodzimy, ferryt + perlit,  
                     b)  obszar  ICHAZ,  drobnoziarnista struktura ferrytyczno-perlityczna ze  
                     zróżnicowaną wielkością ziarna ferrytu,  
                     c)  obszar  FGHAZ, jednorodna i drobnoziarnista struktura ferrytyczno- 
                     perlityczna,  
                     d) obszar CGHAZ, struktura Widmanstättena,  
                     e) strefa przejściowa pomiędzy obszarem SWC a spoiną,  
                     f) spoina, bainit + ferryt ziarnisty rozlokowany po granicach ziarn byłego  
                     austenitu. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 21

background image

Oprócz opisanych powyżej obszarów w SWC złączy ze stali niskowęglowych 

mogą ponadto występować: 
- podczas spawania stali uprzednio poddanej zgniotowi na zimno, w strefie objętej 
temperaturami 400÷500

o

C może pojawić się obszar rekrystalizacji charakteryzujący 

się rozrostem ziarna, 
- w czasie spawania stali nieuspokojonych (zwłaszcza stali nie zawierających 
aluminium) w obrębie metalu nagrzanego do temperatury około 300

o

C może nastąpić 

proces starzenia związany z utratą plastyczności. 

W stalach o większej zawartości węgla (powyżej 0,25%) oraz w stalach, które 

zawierają niewielkie ilości dodatków stopowych budowa strukturalna obszaru SWC 
jest zbliżona do morfologii SWC w złączach spawanych stali niskowęglowych. Cechą 
charakterystyczną obszaru SWC w złączach stali o większej zawartości węgla  
i w stalach niskostopowych jest występowanie struktur hartowniczych takich jak: 
martenzyt i bainit. Wynika to ze zwiększonej hartowności tych grup stali 

 

w porównaniu ze stalami niskowęglowymi. W przypadku tych stali struktury 
hartownicze występują  głównie w obszarze SWC o strukturze gruboziarnistej 
CGHAZ. 
 

Podczas spawania wielowarstwowego, przy układaniu kolejnych ściegów nie 

tylko w metalu spoiny, ale również w obszarze SWC zachodzi oddziaływanie 
kolejnych cykli cieplnych i w efekcie powstają struktury metalograficzne o różnych 
właściwościach plastycznych - rysunek 16/2.5. Ponadto tworzą się obszary 

 

o mikrostrukturze odpuszczonej. 

 

Rys. 16/2.5. Schematyczne przedstawienie obszarów mikrostrukturalnych SWC:  
                       a) 

przy 

spawaniu 

jednowarstwowym, b) przy spawaniu 

 

                       dwuwarstwowym, c) przy spawaniu wielowarstwowym. 
Zróżnicowanie mikrostruktur w obszarze SWC przy spawaniu wielowarstwowym  
w zależności od kolejnych cykli cieplnych przedstawiono na rysunku 17/2.5. 
 
 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 22

background image

 

Rys. 17/2.5. Schematyczne przedstawienie obszarów mikrostrukturalnych SWC przy  
                    spawaniu  wielowarstwowym  w  funkcji temperatur maksymalnych 

 

                    kolejnych cykli cieplnych spawania. 
Na rysunku 17/2.5 widać,  że różne temperatury maksymalne drugiego cyklu 
cieplnego, pozwalają wyróżnić kilka stref w obrębie obszaru CGHAZ: A, B, C i D  
o różnej budowie strukturalnej: 

 Obszar A - strefa powtórnie nagrzana cyklem cieplnym o temperaturze 

maksymalnej niższej od temperatury A

C1

. W stalach konstrukcyjnych niestopowych 

oraz stalach z mikrododatkami mikrostruktura obszaru A jest uzależniona od składu 
chemicznego stali oraz długości czasu chłodzenia t

8/5

. W przypadku, gdy po 

pierwszym cyklu cieplnym występowały struktury hartownicze (martenzyt i/lub górny 
bainit), to po kolejnym cyklu cieplnym w obszarze A będą występowały struktury 
odpuszczone. 

 Obszar B - to tzw. „lokalna krucha strefa” LBZ (Local Brittle Zone), która powstaje  

w wyniku ponownego nagrzewania do temperatur w zakresie A

C1

-A

C3

 i częściowo, na 

skutek procesu dyfuzji, uległa powtórnej austenityzacji. Powtórna austenityzacja 
sprzyja lokalnemu wzbogaceniu austenitu w węgiel. W razultacie w SWC powstają 
kruche fazy martenzytyczno-austenityczne tzw. składnik M-A. 

 Obszar C - obszar SWC o strukturze drobnoziarnistej oznaczany symbolem 

FGHAZ. Podczas spawania obszar FGHAZ jest powtórnie nagrzewany cyklem 
cieplnym o temperaturze maksymalnej wyższej od temperatury A

C3

. W efekcie tego 

następuje całkowita, ponowna austenityzacja tego obszaru. Ponieważ temperatura 
maksymalna drugiego cyklu cieplnego jest niewystarczająca, aby spowodować 
rozrost ziarn, dlatego obszar C zachowuje drobnoziarnistą mikrostrukturę 
ferrytyczno-perlityczną. W złączach spawanych stali konstrukcyjnych niestopowych  
i z mikrododatkami obszar C jest typową strukturą po wyżarzaniu normalizującym. 

 Obszar D - obszar SWC o strukturze gruboziarnistej, dla którego podczas 

spawania każdy kolejny cykl cieplny ma temperaturę maksymalną w zakresie od 
1150

o

C do temperatury topliwości. W złączach spawanych konstrukcyjnych stali 

niestopowych i z mikrododatkami w obszarze D występuje struktura Widmanstättena. 
 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

2.5

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

AW 23

background image

Literatura 
[1] 

Brózda J. i inni: Spawanie i obróbka cieplna stali do pracy w podwyższonych   
temperaturach. Wytyczne Nr W-90/IS-46, Instytut Spawalnictwa, Gliwice 1990. 

[2] Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały  

inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego. Wydawnictwa 
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002. 

[3] 

High strength steels for welded structures (Technical report). Dokument  
MIS IX-535-67. 

[4] 

Ito Y., Bessyo K.: A prediction of welding procedure to avoid heat affected 
zone cracking. Dokument MIS IX-631-69. 

[5] 

Pilarczyk J., Pilarczyk J.: Spawanie i napawanie elektryczne metali. Wydanie 
drugie uzupełnione. Wydawnictwo „Śląsk” Sp. z o.o., Katowice 1996. 

[6] 

Pilarczyk J. i inni: Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. Tom 1. Wydawnictwa 
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2003. 

[7] 

PN-84/M-69005 Spawalnictwo. Spajalność metali. Terminologia 

[8] 

Brózda J.: Stale konstrukcyjne i ich spawalność. Instytut Spawalnictwa, 
Gliwice, 2007. 

[9] 

Tasak E.: Metalurgia spawania. Wydawnictwo JAK, Kraków, 2008. 

[10]  Toyoda M., Minami F., Yamaguchi Y., Amano K., Kawabata F.: Tempering 

Effect on HAZ Toughness of Multi-layered Welds. IIW Doc. X-1193-89. 

[11]  Guide to Weldability and Metallurgy of Welding od Steels Processed by 

Thermo-mechanical Rolling or by Accelerated Cooling. IIW Doc. IX-1649-91. 

Opracowanie Instytut Spawalnictwa - Gliwice.

Wszelkie prawa zastrze

żone. Powielanie lub rozpowszechnianie ca

ło

ści wzgl

ędnie

fragmentu w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób jest zabronione.

KURS MIĘDZYNARODOWEGO

INŻYNIERA / TECHNOLOGA / MISTRZA / INSTRUKTORA SPAWALNIKA

(IWE/IWT/IWS/IWP)

Zachowanie stali konstrukcyjnych podczas spawania

Instytut

Spawalnictwa

w Gliwicach

2.5

AW 24