Investigation of metal cored arc welded FCA (fatigue crack arrester) steel in terms of microstructure, toughness and tensile properties

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στη μελέτη συγκολλήσεων ελασμάτων χάλυβα τύπου ΑΗ-40 FCA (Fatigue Crack Arrester), πάχους 13 mm, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο τόξου κοίλου ηλεκτροδίου με πυρήνα μεταλλικής σκόνης (Μetal Cored Arc Welding technique-MCAW). Η συγκεκριμένη μέθοδος συγκόλλησης επιλέχθηκε επειδή συνίσταται σε αυτοματοποιημένες διαδικασίες συγκόλλησης και ιδιαίτερα με πολλαπλά περάσματα καθώς δεν απαιτεί ενδιάμεσο καθαρισμό σκωρίας (σε αντίθεση με την FCAW). Κατά συνέπεια, οι συγκολλήσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση ρομποτικού μηχανισμού προκειμένου να εξασφαλιστεί η επαναληψιμότητα και η ακρίβεια των πειραματικών δοκιμών.Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη μελέτη των συγκολλήσεων του χάλυβα AH-40 FCA περιλαμβάνει την εκτέλεση προπαρασκευαστικών-διερευνητικών πειραμάτων, τη διαδικασία βελτιστοποίησης ως προς τη μικροδομή και των ιδιοτήτων ένταντι εφελκυστικής φόρτισης, τη μελέτη της δυσθραυστότητας καθώς και την κατασκευή αναλυτικού μοντέλου. Πιο συγκεκριμένα: Aρχικά καθορίστηκε το εύρος των συνθηκών συγκόλλησης. Η σχετική μελέτη πραγματοποιήθηκε μέσω της διεξαγωγής μεμονωμένων στρώσεων μετάλλου στην επιφάνεια των χαλύβδινων ελασμάτων. Τα πειραματικά αποτελέσματα σε συνδυασμό με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση, καθόρισαν το εύρος των εντέλει χρησιμοποιηθησών ρυθμών εισαγωγής θερμότητας (0.5-2.5 kJ/mm με βήμα 0.5 kJ/mm). Στη συνέχεια, η βελτιστοποίηση της συγκόλλησης πραγματοποιήθηκε βάσει των αποτελεσμάτων του μικροδομικού χαρακτηρισμού και των δοκιμών εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης. Σε αυτό το στάδιο τα παρακάτω κριτήρια καθορίστηκαν ως κρίσιμα για την επίτευξη της βέλτιστης συγκολλητής δομής:- Έκταση θερμικά επηρεασμένης ζώνης (η ελαχιστοποίηση του πλάτους της είναι επιθυμητή). Χρήση στερεοσκοπίου.- Ομοιογένεια των μικροδομικών συστατικών μεταξύ της θερμικά επηρεασμένης ζώνης, της ζώνης τήξης και του μετάλλου βάσης (η μέγιστη ομοιογένεια είναι επιθυμητή). Χρήση οπτικής μικροσκοπίας, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης.- Κατανομή μικροσκληρομετρήσεων (ομαλή κατανομή είναι επιθυμητή, πλησιέστερη στη τιμή αναφοράς, δηλαδή στη μικροσκληρότητα του μετάλλου βάσης). Χρήση της μεθόδου Vickers.- Όριο διαρροής της συγκόλλησης (επιθυμητή η μεγιστοποίηση του ορίου διαρροής). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης- Αντοχή σε εφελκυσμό (επιθυμητή η μεγιστοποίηση της αντοχής). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης.-Επιμήκυνση θραύσης ως δείκτης της ολκιμότητας (επιθυμητή η μεγιστοποίησης της επιμήκυνσης). Δοκιμή εφελκυσμού εγκαρσίως της διεύθυνσης συγκόλλησης. Έπειτα, η μελέτη επικεντρώθηκε στη διερεύνηση της βέλτιστης συγκόλλησης και πιο συγκεκριμένα στην περιοχή που παρουσιάζει τη μέγιστη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων. Σε αυτήν πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με χρήση προρωγματωμένων δοκιμίων για τη μέτρηση της δυσθραυστότητας με τις μεθόδους Charpy V-notch και CTOD (Crack tip opening displacement).Παράλληλα με την πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη ενός αιτιοκρατικού αναλυτικού μοντέλου το οποίο χρησιμοποιεί ρητές-μαθηματικές εξισώσεις με διττό στόχο: την πρόβλεψη του εμβαδού της περιοχής ενίσχυσης ενός κορδονιού ευθείας ραφής, καθώς και του απαιτούμενου αριθμού κορδονιών σε μία συγκόλληση με πολλαπλά περάσματα. Η αξιοπιστία των προβλεπόμενων αποτελεσμάτων και η επαναληψιμότητα του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν πειραματικά.