Svařování konstrukcí z korozivzdorných ocelí ve shodě s ČSN EN 1011-3

• Foto

V evropské skupině je podle prCEN ISO/TR 15608:2003 ČSN (Welding-Grouping systém) uvedeno 42 korozivzdorných ocelí feritické báze (7 skupina), 99 korozivzdorných ocelí austenitické báze (8 skupina) a 11 korozivzdorných ocelí austeniticko-feritické báze – duplexní oceli (10 skupina). Z amerických ocelí je uvedeno 72 typů feritických korozivzdorných ocelí, 452 austenitických ocelí a 34 korozivzdorných austeniticko-feritických ocelí. Výběr je dostatečný, je však nutné oceli určovat ve shodě s ukazatelem provozu konstrukce, tj. ve shodě s pracovními podmínkami, jmenovitě volbu určuje provozní zatížení (způsob namáhání), teplota a prostředí, ve kterém konstrukce nebo zařízení pracují a doba provozu. Je nutné konstrukci počítat za respektování napěťově-deformačních charakteristik použitých ocelí v návaznosti na strukturní stavy základních materiálů a svarových spojů což je zvláště důležité u korozivzdorných ocelí. Přitom svařitelnost korozivzdorných ocelí musí být natolik zajištěna s tím, že jakost svarového spoje musí být shodná s jakostí nesvařovaného materiálu (výjimky určují normy i předpisy vyráběných zařízení a dále zákazník).

Chemické složení feritických korozivzdorných ocelí je uvedeno v EN 10088-1 Korozivzdorné oceli – Část 1: Přehled korozivzdorných ocelí. Česká technická norma ČSN EN 1011-3 uvádí všeobecná doporučení pro tavné svařování korozivzdorných ocelí, jmenovitě austenitických, austeniticko-feritických, feritických a martenzitických korozivzdorných ocelí. Postupy svařování respektují důsledky ukazatelů provozu svarových spojů z hlediska chemického složení oceli a přídavných materiálů, jejich makro a mikrostruktury a použité technologie svařování. Je pojednáno o možném vzniku trhlin (prasklin) o mechanických vlastnostech, korozní odolnosti, deformacích při svařování a o tepelném zpracování po svařování včetně konečné úpravy povrchu svarových spojů.

DOPORUČENÉ POSTUPY SVAŘOVÁNÍ KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ VE SHODĚ S ČSN EN 1011-3
Doporučení uvedená v ČSN EN 1011-3 vytvářejí podmínky pro úspěšné vypracování postupů svařování ocelí podle ČSN EN ISO 15607: Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů – Všeobecná pravidla. Podle zkušeností SDP-KOVO s.r.o. velmi průkazný postup svařování lze získat zkouškami podle ČSN EN 15614-1: Stanovení postupu svařování kovových materiálů – Zkouška postupu svařování – Část 1: Obloukové svařování ocelí a obloukové svařování niklu a slitin niklu, kam lze spolehlivě zařadit korozivzdorné oceli a získat věrohodné postupy svařování na základě zkoušky postupu svařování. Kvalifikace postupu svařování probíhá vypracováním postupu (pWPS) s následnou kvalifikací (WPQR) s rozsahem platnosti podle normy kvalifikace výrobcem a pokud je zadavatelem požadováno zkušebním orgánem nebo organizací. Vyhovuje-li postup svařování požadavkům kvalifikace (WPQR) výrobce dokončí proces vypracováním předpisu svařování pro konkrétní svarový spoj (WPS) podle ČSN EN ISO 15609:2005: Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů – Stanovení postupu svařování – Část 1: Obloukové svařování, – s následným uvolněním do výroby s možností dalších pracovních instrukcí nebo svaření pracovní zkoušky (ověření parametrů svařování). V případě svařování konstrukcí pro SRN je nutné zkoušky kvalifikace výrobce v rámci DIN 18 800 – 7 podle Z30.1-1 DIBt doplnit křížovou zkouškou (tahem).

V rámci ČSN EN 287-1 Zkoušky svářečů – Tavné svařování – Část 1: Oceli, v návaznosti na ČSN 050323 došlo k rozdělení ocelí do 11 skupin s následným detailním dělením do 33 podskupin. Jak již bylo uvedeno, korozivzdorné oceli jsou uvedeny ve skupinách 7, 8 a 10 s tím, že korozivzdorné oceli feritické báze jsou rozděleny do 3 podskupin, austenitické oceli rovněž do 3 podskupin a austeniticko‑feritické (duplexní) oceli do 2 podskupin.

Informace, uvedené v předkládané práci, navazují na poznatky, které uvádí ve své publikaci E. Folkhard [1]. Dále jsou uvedeny zkušenosti autora získané svařováním korozivzdorných ocelí ve Škoda Plzeň, v SDP KOVO s. r. o. a v ZČU ve shodě s doporučeními, uvedenými v ČSN EN 1011-3. Je pojednáno o svařitelností klasických feritických (martenzitických) 13 hm. % chrómových ocelí s obsahem uhlíku 0,15 hm. %, feritických ocelí s vyšším obsahem chrómu, austenitických chrom-niklových a chromniklmolybdenových ocelí s různým obsahem uhlíku a stabilizujících prvků včetně důsledku sigma fáze na vlastnosti ocelí a duplexních austeniticko-feritických ocelí. Získané postupy svařování v porovnání s výsledky, uvedenými v práci [1], se v mnoha případech liší. Rozdíly lze zdůvodnit při stejném složení ocelí jejich výrobní metalurgií, čistotou (nečistotami a stopovými prvky), sekundární technologií (tepelným zpracováním) a vlastními postupy svařování včetně přídavných materiálů. Čistota korozivzdorných ocelí má rozhodující roli na jejich korozní odolnost tj. zařazení rafinačních pánvových procesů při jejich výrobě je nutným předpokladem v rámci dosažení jejich předpokládané kvality [2].

ODOLNOST KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ VŮČI KOROZNÍM ČINIDLŮM 
Korozní odolnost vysokolegovaných ocelí je dána pasivní povrchovou téměř průhlednou vrstvou o tloušťce v řádu 10–6 až 10–5 mm, závislé na druhu, teplotě a době působení korozního činidla, která chrání ocel proti vlivům koroze. Chemické složení činidla určuje jeho redukční nebo oxidační schopnost (redox), podle čehož může být ocel v redukčním nebo oxidačním stavu. Podle toho lze určit pasivní nebo aktivní stav korozivzdorné oceli. Pasivita vede ke zpomalení, případně k úplnému zastavení korozního děje. Při přechodu do pasivního stavu rozhoduje pasivační potenciál. Mezi pasivním a transpasivním potenciálem dochází k velkému zpomalení koroze.

Austenitické CrNi (Mo) oceli vzdorují korozním činidlům kupř. kyselině sírové, solné a dusičné především v oblasti mezi oběma potenciály, nejlépe však v pasivním stavu. Druhy korozního napadení lze rozdělit na důlkovou, bodovou, štěrbinovou, selektivní, mezikrystalovou a transkrystalovou korozi. Druhem mezikrystalové koroze je nožová koroze, která se vyskytuje u nestabilizovaných austenitických ocelí v ovlivněných pásmech na teplotu 400 °C (až 800 °C) a dále ponechaných v korozivním činidlu. Zvláštní skupinu tvoří koroze pod napětím, jmenovitě u austenitických ocelí zpevněných za studena a dále koroze v důsledku kavitačních účinků (kupř. u kol vodních turbin, chráněných austenitickými návary).

Vliv teploty a doby setrvání na teplotě z hlediska stanovení náchylnosti klasické austenitické oceli o složení (hmot. %) 10 % Cr a 8 % Ni s rozdílným obsahem uhlíku k mezikrystalové korozi názorně určují Rollasonovy křivky vlivu uhlíku na MKK. Z diagramu je zřejmé, že odolnost proti MKK je u oceli s obsahem uhlíku 0,02 %, tj. s obsahem dokonale rozpustným v tuhém roztoku, je téměř vyhovující. S přibývajícím obsahem uhlíku (0,01 % C) se odolnost podstatně snižuje, doby odolnosti se zkracují a rozsah teplot se zvyšuje. Z Rollasonova diagramu vyplývá, že austenitická ocel musí mít velmi nízký obsah uhlíku (0,03 % a nižší) nebo musí být stabilizována.

Feritické korozivzdorné oceli a jejich svařitelnost (skupina 7)

Skupina 7. Feritické, martenzitické a precipitačně vytvrzené korozivzdorné oceli:

C ≤ 0,35 hmot. % a 10,5 hmot. % Cr ≤ 30,0 hmot. % Cr

Podskupina 7.1 Feritické korozivzdorné oceli (výběr)

Podskupina 7.2 Martenzitické korozivzdorné oceli (výběr)

Podskupina 7.3 Feritické, martenzitické a precipitačně vytvrzené korozivzdorné oceli (výběr)

Podskupina 7.4 Feritické, martenziticko-austenitické korozivzdorné oceli COR (výběr)

Chromové korozivzdorné ocelí (13 – 15 hmot. % Cr) mohou být použity pouze v pasivním stavu tj. v oblasti meze pasivním a transpasivním stavem, jinak silně korodují v teplé kyselině solné nebo sírové. Do skupiny feritických korozivzdorných ocelí určených pro svařování jsou podle ČSN EN 1011-3 zařazeny feritické, martenzitické a martenziticko-austenitické chrómové oceli.

Feritické korozivzdorné oceli obsahují (hmot. %) 10,5 až 30 Cr a do 0,08 C. Mohou dále mít až 4,5 Mo, 1,6 Ni, 2,1 Al a Si (žáruvzdornost). Dále mohou obsahovat z hlediska stabilizace a jemnozrnnosti do 0,15 Nb, Ti, Ta, Zr. Kritické teploty z hlediska křehkosti jsou teploty 550 až 850 °C (vznik křehké sigma fáze) a klasické zkřehnutí v oblasti teplot 475 °C. U ocelí s obsahem 17 hm. % Cr může být zkřehnutí odstraněno následným ohřevem na teplotu 540 °C (2 hod. – zrychlené ochlazení).

Feritické korozivzdorné oceli
jsou při svařování náchylné k nadměrnému růstu zrn. Svařují se s nízkým teplotním příkonem do 1 J.cm^–1 s předehřevem do 300 °C a interpass teplotou do 320 °C při zachování minimálního stavu tahové napjatosti. Volba přídavných materiálů a tepelného zpracování po svařování je dána ukazateli provozu svarového spoje. Je-li provozní teplota vyšší než 400 °C, tj. probíhají intenzivní tepelně aktivované difúzní procesy, je nutné svařovat přídavnými materiály shodného chemického složení, nebo využít pro svařování niklem vysokolegované přídavné materiály, vytvářející bariéru proti difúzi uhlíku. Jinak je možné svařovat duplexními nebo austenitickými přídavnými materiály. Vhodné tepelné zpracování svarových spojů je žíhání za teplot 750 až 800 °C.

Martenzitické korozivzdorné oceli
(určené pro svařování) obsahují podle EN 10088 13 až 17 hm. % Cr a 0,15 až 0,25 hm. % C. Oceli jsou podle obsahu niklu a uhlíku za teploty 20°C martenzitické a jejich vlastnosti jsou spojeny s výší popouštěcí teploty. Se zvyšujícím obsahem austenitu ve struktuře (13 hm. % Cr oceli s 1 až 6 hm. % Ni) se náchylnost ke vzniku trhlin (prasklin) za studena indukovaných vodíkem podstatně snižuje. Předehřevem a svařováním s tepelným příkonem 0,5 až 1,5 kJ / mm (metoda 111) lze náchylnost ke vzniku trhlin za studena podstatně snížit. Svařuje se přídavnými materiály stejného chemického složení se sníženým obsahem uhlíku. Oceli s obsahem 0,1 hm. % C se svařují v závislosti na tloušťce s předehřevem 100 až 200 °C. Oceli s obsahem 0,2 hm. % C se svařují s teplotou předehřevu 200 až 250 °C (využití atermie austenitu – martenzitu) a po svařování se dohřívají na teplotě předehřevu, s pomalým ochlazením na teplotu 100 °C a s následným popouštěním na teplotu o 30 °C nižší než je popouštěcí teplota nesvařovaného materiálu. Pokud konstrukční provedení dovolí je možné pro svařování použít elektrody austenitické báze, kterými lze vznik trhlin za studena ve svarovém kovu podstatně potlačit.

Martenziticko-austenitické
(kvaziduplexní) korozivzdorné oceli mají shodné složení slitinových prvků jako martenzitické oceli (13 hm. % Cr) obsahují však méně než 0,1 (0,03) hm. % C a 4 (6) hm. % Ni. Základní struktura ocelí je martenzitická (nízkouhlíkový martenzit) s vyšším absahem austenitu. Příkladem ocelí tohoto typu jsou korozivzdorné oceli typu COR se 13 hm. % Cr a 4 nebo 6 hm. % Ni (1.4313 –X5CrNi13-4), v jejichž struktuře je až 35 hm. %. austenitické fáze. Martenzitic ko‑austenitické korozivzdorné oceli s nízkým obsahem uhlíku typu COR lze do tloušťky 8 mm svařovat bez předehřevu. Pro větší tloušťky lze doporučit předehřev podle tloušťky 100 až 200 °C s následným tepelným zpracováním pod teplotou A1 (680 °C). 

V práci [1], pojednávající o množství austenitu v ovlivněných oblastech svarových spojů ocelí X4CrNi13-6, je uvedeno, že obsah stabilního austenitu (Au1) se pohybuje po svařování okolo 9 obj.% a s teplotou žíhání do 560 °C se téměř nemění. Se stoupající popouštěcí teplotou (620 °C) se dostáváme do oblasti vyššího obsahu ještě stabilního austenitu (28 – 30 obj. %), který se skládá z 8 obj. % z původního stabilního (zbytkového) austenitu (Au1) a z 20 obj. % po ochlazení ještě stabilního disperzního austenitu (Au2), nově zniklého při popouštění. Po ohřevu na vyšší popouštěcí teploty se obsah austenitu prudce zvyšuje (650 °C – 50 obj. % austenitu) s tím, že se skládá z původního zbytkového austenitu (Au1), z nově vzniklého stabilního disperzního austenitu (Au2) a nestabilního austenitu (Au3). Nestabilní austenit po ochlazení svarového spoje na teplotu 20 °C spoje transformuje na martenzit s možnosti vzniku trhlin (prasklin) za studena indukovaných vodíkem. Při popuštění oceli X4CrNi13-6 na teplotu 650 °C je struktura oceli tvořena z 50 obj. % původním nízkouhlíkovým popuštěným martenzitem, z 8 obj. % původním stabilním disperzním austenitem (Au1), ze 12 obj. % nově vzniklým stabilním disperzním austenitem (Au2) a z 30 obj. % nově vzniklým martenzitem z nestabilního austenitu s tím, že se zvyšující se popouštěcí teplotou se obsah martenzitu, vzniklého v průběhu popouštění, prudce zvyšuje. Nově vzniklý martenzit transformací z nestabilního austenitu není již dále tepelně zpracován. Doporučení pro svařování ocelí G-X5CrNi13-6 s přídavnými materiály shodné báze vycházejí z postupů svařování a oprav klasických ocelí G-X5CrNi13 s tím, že postupy jsou modifikovány z hlediska přítomnosti stabilního austenitu v TOO základních materiálů a ve svarovém kovu. Teploty předehřevu se u oceli G-X5Cr-Ni13-6 pohybují okolo 100 až 150 °C, interpass teploty okolo 180 °C, meziochlazení na teploty 80 až 120 °C, s následným tepelným zpracováním za teploty 425 °C (s prodloužením popouštěcí doby na 10 h) nebo 590 °C (6 h), lze dosáhnout spolehlivých výsledků. Zpracováním za snížených popouštěcích teplot, uveřejněných v předložené studii, tj. za teploty 425 °C (s prodloužením popouštěcí doby na 10 h) nebo 590 °C (6 h).

V krajním případě při opravách ve vodních elektrárnách se svařuje s teplotou předehřevu 150 °C, s meziochlazením na teplotu 80 až 100 °C s následným dlouhodobým ohřevem (16 h) za teploty 150 °C. Lze konstatovat, že uvedené technologické postupy jsou ve shodě s předpisem, vyplývajícím z ČSN EN 1011-3. 

Vytvrditelné martenzitické korozivzdorné oceli 
(13-17 hm.%Cr, max. 0,1hm.% C) obsahují dále Cu,Ti, Nb, Al, Mo a N s cílem dosažení zvýšené tvrdosti po vytvrzujícím žíhání (475°C). Vytvrditelné martenzitické korozivzdorné oceli se svařují podle obsahu uhlíku a tloušťky s předehřevem 100 až 250 °C, s dohřevem po svařování, s pomalým ochlazením na 20 °C, s následným ohřevem na teplotu vytvrzení (350 °C). Struktura oceli je popuštěný martenzit s precipitáty (vyloučenými fázemi) s cílem dosažení zvýšené tvrdosti a pevnosti po vytvrzovacím procesu.

POSTUP SVAŘOVÁNÍ FERITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ
Všeobecně vyžadují korozivzdorné oceli všech typů feritické báze podrobný rozbor chemického složení a stavu oceli. Podle EN 10088-1 může být struktura oceli čistě feritická, martenzitická, martenziticko-austenitická nebo martenzitická s karbidickými a karbonitridickými precipitáty. Při svařování ocelí feritické báze v ochranných plynech se doporučuje směs Ar M13-EN 439 s vyloučením CO₂. Z hlediska svařování je v důsledku nízké houževnatosti kalitelných feritických nerezavějících ocelí nebezpečí vzniku trhlin za studena indukovaných vodíkem, kterým lze předejít použitím přídavných materiálů s nízkým obsahem difúzního vodíku ve svarovém kovu. Příznivý účinek žíhání svarových spojů za teploty 30 °C pod teplotou A1, jinak u šlechtěných ocelí 30 °C pod teplotou popouštění svařované oceli.

Austenitické korozivzdorné oceli a jejich svařitelnost (skupina 8)

Skupina 8. Austenitické korozivzdorné oceli

Podskupina 8.1 Austenitické korozivzdorné oceli s Cr ≤ 19 hmot.% (výběr)

Podskupina 8.2 Austenitické korozivzdorné oceli s Cr > 19 hmot. % (výběr)

Podskupina 8.3 Manganové austenitické korozivzdorné oceli se 4,0 hmot. % < Mn ≤ 12,0 hmot. % (výběr)
Označení:

Korozivzdorné oceli svařují malým tepelným příkonem přídavnými materiály pokud možno shodného chemického složení. V případech, kdy svarový spoj pracuje za nižších teplot než 400 °C, je pro svařování možno použít austenitické elektrody s vyšší plasticitou ve svarovém kovu. Zmenší se tak možnosti vzniku trhlin (prasklin) za studena.

Austenitické korozivzdorné chrómové oceli obsahují min. 16,5 hm. % Cr s dostatečným množstvím Ni a Mn a dále C (N) k dosažení austenitické struktury. Další prvky k získání požadovaných vlastností mohou být Mo, Ti, Nb, Cu, Si. Předběžně lze strukturu austenitických ocelí určit s využitím výpočtu ekvivalentů Cr a Ni s následným znázorněním v Schaefflerově, Delongově, W.R.C. nebo v implant diagramech [1, 2].

Oceli jsou dodávány z hlediska potlačení vzniku trhlin za horka s různým obsahem feritu delta. Množství feritu delta se vyjadřuje feritovým číslem (FN), které označuje magnetickou přitažlivostí feromagnetické fáze přibližně obsah feritu delta v tuhém roztoku austenitu. V rozsahu 0 až 10 % se stanovuje podle EN ISO 8249.

Optimální tepelné zpracování je rozpouštěcí žíhání za teploty 1 050 °C s následným ochlazením ve vodě [1,2].

Další možností stabilizace austenitické oceli je snížit obsah uhlíku na méně než 0,03 hmot. %, tj. na množství uhlíku ještě rozpustné v austenitu. Potom není volný uhlík k tvorbě karbidů chromu. Nevýhodou může být heterogenita v chemickém složení uhlíku po průřezu a délce a tudíž se ve většině případů používá kombinace sníženého obsahu uhlíku se stabilizací oceli (Ti, Nb, Ta).

Stabilizované austenitické oceli
jsou před odlitím legovány, nejlépe v rafinační pánvi, silně karbidotvornými a nitridotvornými prvky, jmenovitě titanem, niobem, nebo oběma prvky, které přednostně, v důsledku jejich vysoké afinity k uhlíku a k dusíku, omezují tvorbu karbidů (nitridů) chromu v oblasti hranic zrn a zachovají tak korozní odolnost oceli. Množství titanu nebo niobu se určuje s reservou podle poměru jejich atomové hmotnosti ke hmotnosti uhlíku kupř. Ti = 5 x (C-0,03), Nb 10 x (C-0,03).

Standardní korozivzdorné austenitické
oceli mohou obsahovat malý podíl feritu delta (3 až 10 %) s tím, že obsah uhlíku by měl být max. 0,06 hm. %. S cílem potlačení tvorby karbidů po hranicích zrn při svařování jsou vyráběny austenitické oceli s obsahem uhlíku max. 0,03 hm. %. Odolnost proti korozi je zvyšována stabilizováním austenitických ocelí Ti, Nb, kombinací Ti–Nb, případně Ta.

Plně austenitické korozivzdorné oceli
zaručují požadované vlastnosti, jmenovitě nízkou permeabilitu, zvýšenou korozní odolnost, odolnost proti tečení a oxidaci při vyšších a vysokých teplotách a jsou vhodné též pro použití za hlubokých teplot. Ocel 1.4335 (X2CrNiMo18-14-3 – ocel 17350) je paramagnetická, má zvýšenou korozní odolnost, vyšší žárupevnost a žáruvzdornost.

Superaustenitické korozivzdorné oceli
jsou řazeny do skupiny plně austenitických ocelí a mají zvýšený obsah chrómu a niklu. Ke zvýšení odolnosti proti důlkové a štěrbinové korozi obsahují molybden a dusík. Austenitické oceli se zvýšeným obsahem Cr, Ni, Mo, N a Cu mají zvýšenou odolnost proti kyselinám (kupř. ocel 1.4539 -X1NiCrMoCuN25-20-5).

Jiné druhy austenitických ocelí se zdokonalenými vlastnostmi
Austenitické korozivzdorné austenitické oceli s vysokou mezí kluzu, s obsahem dusíku a s nízkým obsahem uhlíku (0,03 hm. %) jsou legovány až 0,45 hm. % dusíku. Dusík silně stabilizuje austenitickou strukturu a potlačuje výskyt feritu delta.

POSTUP SVAŘOVÁNÍ AUSTENITICKÝCH KOROZIVZDORNÝCH OCELÍ
Pro svařování jsou voleny oceli tepelně zpracované rozpouštěcím žíháním (1 050 °C – s následným prudkým ochlazením) nebo u stabilizovaných austenitických ocelí (kupř. 1.4550) stabilizačním žíháním za teploty 850 °C. Austenitické korozivzdorné oceli se svařují v zásadě bez předehřevu s cílem vyloučit vznik trhlin za horka  TOO (tepelně ovlivněné oblasti) a ve svarovém kovu. Trhliny vznikají v důsledku tahové napjatosti při výskytu nízkotavitelných eutektických směsí fází v dendritických oblastech svarového kovu a po hranicích zrn v TOO. Z uvedeného důvodu se doporučuje u normálních korozivzdorných austenitických ocelí a svarových kovů 3 max. 15 obj. % feritu delta. Svařuje se velmi malým vneseným teplem – minimálním tepelným příkonem, tj do hodnoty 1,5 kJ.mm^–1. Pro svařování zcela austenitických ocelí lze použít elektrody se zvýšeným obsahem Mn a s velmi nízkým obsahem nečistot (S a P). Interpass teplota nemá přesáhnout 150 °C a poměr mezi šířkou a hloubkou svarové lázně má být nejvýše 1,5. U ocelí s vyšším obsahem Cr, Mo a Si je nutné upozornit na možný výskyt intermetalických fází, jmenovitě fáze sigma. Náchylnost k tvorbě karbidů po hranicích zrn lze snížit redukcí obsahu uhlíku (max. 0,03 hm. %) a stabilizací struktury (Ti, Nb, Ta). Z důvodu potlačení nauhličení lze doporučit používat ochranné plyny s obsahem CO₂ do 2,5 obj. %. Je nutné upozornit na vyšší teplotní roztažnost austenitických ocelí v porovnání s feritickými ocelemi. Doporučuje se svařovat metodou TIG (metoda 141) stejnosměrným proudem s mínus pólem na W elektrodě pulzním proudem s dostatečným odvodem tepla z místa spoje. Z důvodu propalu prvků se používají chrómem a molybdenem výše legované přídavné materiály v porovnání se svařovanou korozivzdornou ocelí.

Austenitické korozivzdorné oceli mohou krystalizovat v závislosti na chemickém složení jako směs fází feritu a austenitu. Následkem feritické krystalizace je nižší citlivost na vznik trhlin za horka [1, 2]. Standardní austenitické oceli mají proto k potlačení vzniku trhlin za horka obsah feritu ≥ 3 FN (měřeno podle EN ISO 8249). Pro svařování standardních korozivzdorných ocelí je vhodné použít svařovací materiály s obsahem feritu ve svarovém kovu mezi 3 a 15 FN a zajistit minimální tuhost upnutí spoje. Austenitické korozivzdorné oceli se po svařování tepelně nezpracovávají.

Náchylnost k trhlinám za horka korozivzdorných austenitických ocelí lze kontrolovat podle vzorce ΔH = –700.C + 17.Cr – 37.Ni + 29.Mo + 188. Je-li ΔH ≤ 100 je ocel náchylná k tvorbě trhlin za horka [5, 6]. Vzorec zviditelňuje nepříznivý účinek uhlíku.

Zvláštnosti při svařování austenitických ocelí
Jak již bylo uvedeno závažným problémem nestabilizovaných austenitických ocelí a svarových spojů je jejich snížená odolnost proti mezikrystalové korozi, jmenovitě za vyšších teplot. Za teplot 450 až 850 °C dochází u nestabilizovaných austenitických ocelí k intenzivní tvorbě (precipitaci) karbidů chrómu Cr23C6 po hranicích zrn za současného ochuzování (denudaci) oblastí přilehlých ke karbidům o chróm. Následným účinkem korozního činidla dochází v ochuzených místech o chróm k intenzivní mezikrystalové korozi. Obdobný je při svařování u nestabilizovaných austenitických ocelí vznik ochuzených pásem v oblastech svarového spoje ohřátých na teploty 450 až 850 °C a dále vystavených účinkům korozního činidla.

Dalším problémem při svařování austenitických ocelí je jejich náchylnost ke vzniku karbidických a intermetalických fází v TOO, kde může rovněž dojít v procesu svařování k mikrosegregaci fosforu a síry podél dendritů a hranic zrn.

Mikroanalyzátorem [3] bylo zjištěno, že rozdíl v obsahu chrómu mezi dendrity a výplní se pohybuje rozdíl mezi 2 a 3 hm. % Cr, přičemž nejvyšší odmíšení je ve středu návaru. Ze Schaefflerova diagramu [2] vyplývá, že pro uvedené chemické složení návaru je jeho struktura čistě austenitická. Přesto v návaru dochází ke značnému odmíšení, což se projeví především v odolnosti proti korozi v porovnání s homogenní ocelí po rozpouštěcím žíhání. Obdobně je tomu v TOO svarového spoje austenitické korozivzdorné oceli.

Ke stanovení náchylnosti austenitických ocelí důsledkem svařování v oblastech ohřátých na teploty 500 až 800 °C se používají eklektrochemické potenciokinetické reaktivní testy, které umožňují dokonale vyhodnotit vzorek cestou kvantitativního rozvoje procesů, vedoucích k precipitaci částic podél hranic zrn a vyvolávajících chemickou heterogenitu. V porovnání s testem leptatelnosti vzorků v kyselině šťavelové, kde dochází k rozpouštění sekundárních fází bohatých na chróm vyloučených na hranicích zrn, se u reaktivních testů detekují ochuzené části o chróm okolo vyprecipitovaných částicích na hranicích zrn, okolo karbidů chrómu [3]. V případě reaktivního testu lze po hranicích zrn, popřípadě dvojčat, pozorovat v okolí karbidů a σ fáze brázdy, neboť testem nejsou napadeny karbidy a fáze bohaté na chróm, ale anodicky reaktivovaná zóna ochuzená o chróm. Efektivní hranice chrómu Cr_eff = 13 hm. % (Cr_eff = % Cr – 0,18 % Ni – 100 % C + 1,42 % Mo) – je normálem a je podle ní posuzována hloubka brázd v okolí karbidů za stejných podmínek naleptání. Morfologické znaky míst ochuzených o chróm lze dobře pozorovat optickou a skenovací mikroskopií nebo moderním 3 D obrysovým způsobem a stanovit tak strukturní stabilitu austenitických korozivzdorných ocelí. Z porovnávacích zkoušek náchylnosti svarových spojů nestabilizovaných austenitických ocelí ke strukturnímu zcitlivění vyplynulo, že kritické jsou v ovlivněných zónách teploty 480 až 650 °C a je nutné při svařování volit postupy a metody, zaručující nejmenší dobu setrvaní v uvedeném rozsahu teplot (příkon Q ≤ 1,5 kJ.mm^–1).

Korozi pod napětím vzdorují superaustenitické korozivzdorné oceli s vysokým obsahem niklu, s těsnou austenitickou mřížkou. Lépe je však použít duplexní nebo feritické oceli.

Klasické austeniticko-feritické korozivzdorné (duplexní) oceli
mají z důvodu fyzikálních, chemických a mechanických (vyšší hodnota meze kluzu) vlastností dvoufázovou strukturu skládající se z austenitu a z feritu delta. Podle EN 10088-1 duplexní oceli obsahují (hm. %) 21 – 28 Cr, 3,5 – 8 Ni, 0,1 – 4,5 Mo a 0,05 – 0,35 N (Cu, W). Mikrostruktura je tvořena feritickým základem se 45 – 60 % austenitu s tím, že strukturního stavu lze dosáhnout v závislosti na složení oceli žíháním za teplot 1 020 – 1 100 °C s následným rychlým ochlazením na teplotu 20 °C. Duplexní oceli jsou vyráběny podle EN 10088-1:1995 jako nízkolegované oceli 1.4362 X2Cr-NiN23 4 0,1 (OK16.86) s velmi nízkým obsahem Mo jako náhrada za čistě austenitické oceli, u kterých je vyžadována odolnost vůči napěťové korozi. Dále jako střednělegované 1.4460 (I. generace), X2CrNiMo25 5 1,5. Vysokolegované oceli 1.4410 (Super duplexní), X2CrNiMoN25 7 4 0,27 (OK16.88) mají vyšší obsah Cr, Mo, a N a jsou určeny pro velmi silně korozní prostředí. Míru legování korozivzdorných ocelí lze vyjádřit indexem odolnosti k bodové korozi (PRE) počítaným ze vztahu PRE = Cr + 3,3 Mo + N (hm. %). Odolnost proti účinkům mořské vody je vyhovující (za předpokladu dusíku v tuhém roztoku), je-li index PRE min 25 hm. %.

Austeniticko – feritické (duplexní) korozivzdorné oceli (skupina 10)

Skupina 10. Austeniticko-feritické korozivzdorné oceli (duplexní)

Podskupina 10.1 Austeniticko-feritické korozivzdorné oceli s Cr ≤ 24 hmot.%Cr (výběr)

Podskupina 10.2 Austeniticko-feritické korozivzdorné oceli s Cr > 24 hmot.% (výběr)

Postup svařování duplexních ocelí
Svařování duplexních ocelí je závislé na strukturním stavu oceli, který může být zlepšen zvýšením obsahu dusíku s tím, že náchylnost k růstu zrn v TOO se podstatně sníží. Oceli lze svařovat s teplotou předehřevu 100 až 150 °C. Oceli se svařují s nízkým tepelným příkonem. Nízkolegované a střednělegované duplexní oceli se svařují s interpass teplotou do 250 °C. Vysokolegované se svařují se sníženým tepelným příkonem 0,2 – 1,5 kJ/mm s interpass teplotou 150 °C. Přídavné materiály mohou být voleny pro všechny způsoby svařování podle vysokolegované duplexní oceli s ochranným plynem podle EN 439, nejlépe Ar-He se 3 obj. % N2. Svar ze strany kořene může být chráněn dusíkem. Po svařování se spoje tepelně nezpracovávají, v krajním případě se doporučuje žíhání za teploty 750 °C s následným zrychleným ochlazením na teplotu 20 °C.

SVAROVÉ SPOJE TYPU FERIT/AUSTENIT
Ve stati pojednávající o postupu svařování feritických korozivzdorných ocelí je uvedeno, že feritické oceli lze svařovat v případech, kdy svarový spoj pracuje za nižších teplot než 400 °C (lépe 350 °C) s austenitickými ocelemi klasickým austenitickými elektrodami jakosti 18Cr8Ni. Z tab. 1, která uvádí směrné hodnoty meze kluzu, pevnosti, tažnosti, vrubové houževnatosti, tepelné roztažnosti a tepelné vodivosti za teploty 20 °C klasických austenitických, feritických, feriticko-martenzitických, austeniticko-feritických a svařitelných feriticko-perlitických ocelí je zřejmé, že vlastnosti ocelí (svarových kovů) jsou značně rozdílné. Zvláště podstatný je při 20 °C více než 1,5 násobný rozdíl v koeficientech tepelné roztažnosti austenitické a ferritické ocel, což vede při ohřevu k vysokým stavům napjatosti v přechodu mezi feritickou (feriticko-martenzitickou) ocelí. I když se napěťový stav snižuje vysokou plasticitou austenitické oceli (svarového kovu), dochází při setrvání za vyšších teplot (nad 350 °C) k tepelně aktivovaným procesům, vedoucím k tvorbě oduhličeného pásma na straně feritické oceli a k tvorbě nauhličeného pásma na straně austenitické oceli [2].

Z kvalifikovaného odhadu redistribuce uhlíku ve svarovém spoji feritické oceli X15Cr17 s austenitickým svarovým kovem X6CrNi18-10 během žíhání ke snížení pnutí (stavu napjatosti) 700 °C/6 h/vzduch (popouštění – tloušťka plechu 60 mm) vyplývá, že šířka oduhličené zóny (x) stanovená pro normované obsahy uhlíku v ocelích spoje je v rozmezí (2 až 3).10^–2 cm [2, 4]. Dosazením do vzorce pro výpočet efektivního koeficientu difúze D_Cef = x²/4 t, kde x je šířka pásma (cm), ve kterém se uskutečnila difúze uhlíku, t je čas (sec) vypočteme, že efektivní koeficient difúze uhlíku má hodnotu:

D_Cef ≈ 1.10^-8 cm². s^–1,

která, při mezní hodnotě koeficientu difúze D = 10^-10 cm².s^–1 (4), je nevyhovující.

Příklad dokumentuje nepříznivé důsledky žíhání, používaného k popouštění a ke snížení napětí (stavu napjatosti), na vlastnosti konstrukcí, které obsahují svarové spoje feritických a austenitických korozivzdorných ocelí, kupř. při výrobě dílů pro vodní turbiny a jiná energetická zařízení pracující v korozivním prostředí.

ZÁVĚR
V práci jsou uvedeny postupy svařování moderních korozivzdorných ocelí ve shodě s normami ČSN EN 1011-3. Jmenovitě jsou uvedeny postupy svařování korozivzdorných ocelí feritické, austenitické, a austeniticko-feritické strukturní báze včetně postupu svařování korozivzdorné martenziticko austenitické oceli typu COR. Doporučení uvedená v ČSN EN 1011-3 vytvářejí podmínky pro úspěšné vypracování postupů svařování. Podle zkušeností SDP-KOVO s. r. o. velmi průkazný postup svařování lze získat zkouškami podle ČSN EN 15614-1: Stanovení postupu svařování kovových materiálů – Zkouška postupu svařování – Část 1: Obloukové svařování ocelí a obloukové svařování niklu a slitin niklu, kam lze spolehlivě zařadit korozivzdorné oceli a získat věrohodné postupy svařování na základě zkoušky postupu svařování. Kvalifikace postupu svařování probíhá vypracováním postupu (pWPS) některým ze vhodných uvedených způsobů výrobcem s následnou kvalifikací (WPQR) s rozsahem platnosti podle normy kvalifikace výrobcem a pokud je zadavatelem požadováno zkušebním orgánem nebo organizací.

Autor děkuje prof. Ing. Karlovi Stránskému, DrSc., za velmi cenné podklady, které použil při zpracování pojednání. Dále Mgr. Janu Krotkému při vyhodnocení zkoušek svařitelnosti.

LITERATURA: 
[1] Folkhard, E.: Welding Metallurgy of Stainless Steels, Springer Verlag, Wien, 1988, 279s. 
[2] Pilous, V. – Stránský, K: Strukturní stálost návarů a svarových spojů v energetickém strojírenství, Academia Praha, ČSAV studie, 1989, 206s.
[3] Číhal, V.: Mezikrystalová koroze oceli a slitin, 3 vyd., Praha, SNTL, 1984, 406s
[4] Pilous, V.: Sborník přednášek, Zvyšování životnosti komponent energetických zařízení v tepelných elektrárnách, ŠKODA VÝZKUM 2007, ISBN: 80-239-7878-0
[5] ČSN EN 1011: 1-2-3, prCEN ISO/TR 15608:2003 (ČSN 050323) a další normy v oblasti svařování

Welding of Structures Made of Corrosion-resistant Steel in line with ČSN EN 1011-3
Welding processes of modern corrosion-resistant steel in line with the standards ČSN EN 1011-3 are discussed in the text. Namely ferritic, austenitic and austenitic-ferritic welding processes of corrosion-resistant steel together with welding processes of corrosion-resistant martensitic-austenitic steel of COR type are introduced. Recommendations stipulated in ČSN EN 1011-3 create conditions for successful carrying out of welding processes.

Autor

• Prof. Ing. Pilous Václav DrSc.