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