Uhlíkový ekvivalent

Při posuzování svařitelnosti uhlíkových ocelí (nízkolegovaných ocelí) je nutné znát tzv. uhlíkový ekvivalent Cekv. Uhlíkových ekvivalentů existuje více. Jedním z nejčastěji využívaných je vzorec stanovený mezinárodním svářečským institutem IIW.[12,15]

Výpočet uhlíkového ekvivalentu Cekv:[12]

𝐶_𝑒𝑘𝑣= 𝐶 +𝑀𝑛 s ≤ 25 mm, nejsou nutné při svařování žádná zvláštní opatření. Není-li splněna některá z podmínek, je nutné použít zvláštní opatření - předehřev. V nejzazším případě může být upravena konstrukce svařence.[12,15]

Stanovení hodnot předehřevu je závislé na přesném chemickém složení základního materiálu, uvedeného v ČSN EN 10204, uhlíkovém ekvivalentu a na chemickém složení svarového kovu, které by se při sníženém obsahu uhlíku mělo blížit chemickému složení svařovaného základnímu materiálu.[12,15]

Pokud jsou svařovány oceli s rozdílnými uhlíkovými ekvivalenty uhlíku, má být použita technologie svařování podle vyšší hodnoty uhlíkového ekvivalentu.[12,15]

28 2.3.2 Tepelně ovlivněná oblast

Hlavní vliv na mechanické vlastnosti oceli mají prvky: uhlík, mangan a křemík.

Konstrukční oceli obsahují uhlík maximálně do 2,0 hm. %, pro běžné ocelové konstrukce kolem 0,2 hm. %. Při rovnovážném chladnutí austenitu ocel přechází na směs feritu a cementitu. Struktura střídavých vrstev feritu a cementitu v jednom zrnu se nazývá perlit. Tloušťka jednotlivých vrstev je závislá na rychlosti ochlazování.

Rychlé ochlazení vede k vytvoření tenkých vrstev, které jsou blízko u sebe, zatímco pomalé ochlazení vytvoří mnohem hrubší strukturu s malou houževnatostí.[22]

Pokud je ochlazení velmi rychlé, nestihne se vytvořit jemná struktura perlitu, ale vznikne velmi tvrdá nepravidelná struktura martenzitu v podobě různě směrovaných tenkých jehliček. Na obr. 6 je schematicky naznačeno, jak vypadá velikost zrn v TOO.[22]

Obrázek 6 - Tepelně ovlivněná oblast (TOO) [22]

2.3.3 Kinetika růstu austenitického zrna v tepelně ovlivněné oblasti

Velikost zrna je významným materiálovým parametrem ovlivňujícím nejen křehkolomové a pevnostní vlastnosti, ale také průběh transformačních pochodů,

29

creepovou a únavovou odolnost, nebo elektrické a magnetické vlastnosti. Například vliv velikosti zrna na mez kluzu Re je dán Hall-Petchovou rovnicí (2).[19]

Termodynamickou hnací silou růstu zrn je snížení Gibsovy volné povrchové energie na hranicích zrn. Při zvýšených teplotách jsou menší zrna postupně pohlcována zrny rostoucími, proto celkový počet zrn klesá. Postupným snižováním plochy pohlcovaných zrn se zároveň snižuje i celková povrchová energie, což přispívá k dalšímu růstu zrn. Při růstu zrna se uplatňují následující základní pravidla:[19]

 K růstu zrn dochází pohybem hranic zrn a ne srůstáním.

 Pohyb hranice zrna je přerušovaný a směr pohybu se může náhle změnit.

 Zrno může růst do jiného na úkor jeho objemu.

 Míra spotřeby zrn na úkor jiných se často zvyšuje, když jsou zrna téměř spotřebována.

 Zakřivená hranice obvykle migruje ke svému středu křivosti.

 Pokud se hranice zrn jedné fáze setkávají v úhlech jiných než 120 stupňů, zrna s hranicí s ostrým úhlem se spotřebují tak, aby se úhel blížil 120 stupňům.

Růstem vybraných zrn, při němž dochází k pohlcení menších zrn, se v průběhu času zvětšuje průměrná velikost zrna. Proto je střední průměr, nebo středí plocha zrna používána jako míra velikosti zrna u slitin. Základní výpočty predikující velikost zrna vycházejí z rovnice (5) ideálního růstu zrna.[19]

Rovnice ideálního růstu zrna:[19]

𝐷²− 𝐷₀²= 𝐾 · 𝑡 (5)

Kde:

D - je aktuální velikost zrna [μm]

D0 - je počáteční velikost zrna [μm]

K - je konstanta úměrnosti (kinetická konstanta) závislá na teplotě

ohřevu a aktivační energii [m²·s^-1]

t - je čas výdrže na dané teplotě [s]

Tato rovnice je využívána především při výpočtech, kdy je předpoklad že systém nemá žádné vady a neobsahuje precipitáty a růst zrn je řízen pouze difúzí. V případech, kdy se v materiálech objevují mechanismy zpomalující kinetiku růstu austenitického

30

zrna, se rovnice ideálního růstu zrna zobecňuje nahrazením exponentu rovného dvěma variabilním exponentem m, tak jak je ukázáno v rovnici (6). Rovnice (7) definuje vztah mezi konstantou úměrnosti K a teplotou T, při níž dochází k růstu zrna.[19]

𝐷^𝑚− 𝐷₀^𝑚 = 𝐾 · 𝑡 (6)

Kde:

m - je proměnný exponent závislý na kinetice růstu zrna [-]

𝐾 = 𝐾₀· 𝑒^{𝑅·𝑇−𝑄} (7)

Kde:

K0 - je celková exponenciální konstanta, která je získaná

experimentálně společně s aktivační energií [m²·s^-1] Q - je aktivační energie potřebná k růstu zrna [J· mol^-1]

R - je plynová konstanta [J·K^-1·mol^-1]

T- je teplota výdrže [°C]

Bylo experimentálně prokázáno, že hodnoty exponentu m leží v rozmezí hodnot 2 až 5. V ideálním případě je růst zrn řízen pouze difúzí. V takovém případě je exponent m = 2 a pro výpočet je použita rovnice ideálního růstu zrna (5). Dále může být růst zrn řízen například difúzí společně s precipitační fází v rostoucích zrnech, potom je exponent m = 3. Pokud se projevuje společný účinek precipitace a difúze podél hranic zrn, pak je exponent m = 4. V případě, že je růst zrn ovlivněn především precipitací, exponent se blíží k hodnotě m = 5.[19]

Experimentálně bylo zjištěno, že k částečnému růstu zrn dochází již po dosažení transformační teploty. Zřetelný růst je však zřejmý až při teplotách převyšujících 900 °C. Velikost austenitického zrna je přímo závislá na teplotě expozice a době výdrže na dané teplotě, přičemž s rostoucí teplotou se zároveň zvyšuje kinetika růstu zrna.

Přitom ale existuje řada faktorů omezujících růst zrna a zpomalujících kinetiku jeho růstu. Nejčastěji se jedná o zpomalení růstu z důvodu přítomnost dalších částic bránících pohybu hranic zrn. Jedná se především o velmi malé oxidy, sulfidy, nitridy, karbidy nebo silikátové částice.[19]

Tyto částice již mohou být v materiálu přítomny, nebo se vylučují podél hranic zrn při expoziční teplotě. Díky nim vznikají na hranicích tzv. zadržovací (Zenerovy)

31

síly, působící proti směru růstu zrna. Díky tomu lze stanovit mezní rozměr zrna, pro nějž platí, že hnací síla růstu zrna je zde v rovnováze se Zenerovými silami.

Tento rozměr je definován Zennerovou rovnicí (8).[19]

Zenerova rovnice:[19]

𝑅_{𝑘𝑟𝑖𝑡} = 𝐸 · 𝑟 · 𝑓⁻¹ (8)

Kde:

Rkrit - je mezní rozměr zrna vyjádřený kritickým poloměrem zrna [-]

E- je konstanta pro daný typ materiálu [kg·m·s^-2] r - je střední poloměr částic bránících pohybu hranic zrn [μm]

f - je objemový podíl těchto částic [-]

Vliv Zenerových sil na fixaci hranic zrn lze pozorovat především při nižších teplotách, kdy jsou přítomny všechny částice bránící pohybu hranic zrn. Při vyšších teplotách dochází k postupnému rozpouštění těchto částic a Zenerovysíly se snižují.[19]

2.3.4 Oblouková metoda svařování MAG

Obloukové svařování tavící se elektrodou v ochraně aktivního plynu - MAG (metoda 135 dle ISO 4063) patří vedle svařování obalenou elektrodou a svařování trubičkovou elektrodou v celosvětovém měřítku k nejrozšířenějším metodám pro svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí. Hlavními výhodami této metody jsou: efektivita odtavení, široký výběr přídavných materiálů a ochranných plynů, snadná možnost mechanizace a robotizace, velký sortiment vyráběných svařovacích zařízení.[2]

32

Obrázek 7 - Princip svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu – MAG 1 - základní materiál; 2 - elektrický oblouk; 3 - svarová housenka; 4 - plynová hubice;

5 - ochranný plyn; 6 - kontaktní průvlak; 7 - přídavný materiál (drát);

8 - podávací kladky; 9 - zdroj proudu [2]

Svařování metodou MAG je založeno na hoření oblouku mezi tavící se elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře aktivního plynu. Napájení drátu elektrickým proudem je zajištěno třecím kontaktem (kontaktním průvlakem) v ústí hořáku tak, aby elektricky zatížená délka drátu byla co nejkratší. Drát je podáván podávacími kladkami umístěnými v podavači z cívky o běžné hmotnosti 15 kg. Proudová hustota je u svařování metodou MAG nejvyšší ze všech obloukových metod a dosahuje až 600 A·mm^-2 a svařovací proudy se pohybují od 60 A u svařování tenkých plechů drátem o průměru 0,6 - 0,8 mm, až do 800 A u vysokovýkonných mechanizovaných metod svařování. Charakter přenosu kovu obloukem závisí na parametrech svařování a ochranném plynu, přičemž běžný přenos kovu je zkratový pro tenké plechy a bezzkratový pro větší tloušťky plechů. U velmi vysokých proudů se mění charakter přenosu kovu obloukem a vlivem elektromagnetických sil se dosahuje rotujícího oblouku. Teplota kapek se při metodě svařování MAG pohybuje v rozmezí 1700 až 2500 °C a teplota tavné lázně se v závislosti na technologii, parametrech svařování, chemickém složení a vlastnostech materiálu pohybuje mezi 1600 až 2100 °C.

Díky vysokým proudům se svařovací rychlosti blíží hranici 150 cm·min^-1 a rychlost kapek přenášených obloukem přesahuje 130 m·s^-1. Ochranný plyn se volí podle druhu

33

svařovaného materiálu, ovlivňuje však také přenos kapek v oblouku, rozstřik, rozsah chemických reakcí a teplotní poměry v oblouku.[2]

Typické pro metodu MAG je plochá voltampérová charakteristika svařovacího zdroje viz obr. 8. Při malé změně napětí, je výrazná změna svařovacího proudu.

Z Ohmova zákona je patrné, že vnitřní odpor zdroje je malý.

Obrázek 8 - Voltampérová charakteristika zdroje MIG/MAG

Nejširší uplatnění je v současnosti při ručním a mechanizovaném svařování nelegovaných, nízkouhlíkových a nízkolegovaných ocelí, při použití směsného plynu argonu s oxidem uhličitým.

2.4 Vliv svařovacích parametrů na svarovou lázeň

Tavné svařování obloukovými metodami je charakteristické velkým množstvím proměnných více či méně ovlivňujících výslednou geometrii svarové lázně.

Tyto vstupní parametry je možné rozdělit do třech základních skupin na:[3]

 Procesní.

 Technologické.

 Fyzikálně-chemické.

Kromě svařovacích parametrů a chemického složení je hlavním kritériem svařitelnosti uhlíkových ocelí obsah samotného uhlíku v základní matrici oceli.

Se zvyšujícím se obsahem uhlíku se sice zvyšuje mez pevnosti, mez kluzu a tvrdost, ale plastické vlastnosti se snižují. S rostoucím obsahem uhlíku se také zvyšuje

34

náchylnost uhlíkových ocelí k zakalení při svařování. Tvrdost vznikajícího martenzitu se zvyšuje s rostoucím obsahem uhlíku v oceli.[3]

Ustanovením z praxe bylo odvozeno kritérium maximální přípustné tvrdosti v TOO a svarovém kovu 350 HV. Tato hodnota tvrdosti odpovídá 50 % obsahu martenzitu ve struktuře, při obsahu uhlíku v oceli 0,25 hm. %. Proto je obsah uhlíku ve svařitelných ocelích omezován hodnotou C ≤ 0,25 %.[3]

2.4.1 Vliv velikosti svařovacího proudu na geometrii svarové lázně

Svařovací proud I [A] má ze všech procesních parametrů největší vliv na geometrii svarové lázně. Svařovací proud má značný vliv na způsob přenosu kovu, růst proudové hustoty, tekutost svarové lázně a součinitel tavení. Se vzrůstající hodnotou svařovacího proudu se zvyšuje rychlost odtavování (odtavný výkon), roste gradient teploty a mění se způsob přenosu tepla ve svarové lázni. Díky tomu se zvyšuje rychlost proudění ve svarové lázni, mění se jeho směr a v závislosti na tom roste hloubka protavení. Zároveň se zvyšuje dynamický účinek elektrického oblouku. Mimo zvýšení hloubky protavení, také dochází k mírnému nárůstu převýšení svaru ha a malému zvětšení šířky housenky b. Na obr. 9 je schematicky znázorněn vliv rostoucího proudu na geometrii svarové lázně.[3]

Obrázek 9 - Vliv velikosti svařovacího proudu na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]

Z hlediska kvality svaru je výhodnější menší průměr drátu, protože dává větší počet drobných kapek a kvalita povrchu svarové housenky je velmi dobrá. Co se týče směrové stability výletu drátu a ekonomických nákladů je naopak výhodnější větší průměr drátu, protože vychází levněji. Velikost kapek lze eliminovat využitím impulzního svařování, kde je rozměr kapek řízen vlastním procesem svařování.

35

Při nadměrném zvyšování proudu vzrůstá rozstřik kovu a také možnost nebezpečí protavení svařovaného materiálu.[3]

2.4.2 Vliv svařovacího napětí na geometrii svarové lázně

Svařovací napětí představuje rozdíl potenciálnů mezi drátem elektrody a povrchem svarové lázně. Mění se podle délky oblouku a je závislé na stupni ionizace sloupce oblouku. Na odtavovací výkon má pouze malý vliv. Jak je ukázáno na schematickém obr. 10, s rostoucím napětím se zvětšuje šířka svarové lázně b, klesá hloubka protavení materiálu he a klesá velikost převýšení ha.[3]

Obrázek 10 - Vliv velikosti svařovacího napětí na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]

Napětí na oblouku má také důležitý vliv na dosažení optimálních podmínek samoregulace délky oblouku a dosažení ustáleného pracovního bodu. U metod svařování tavící se elektrodou v ochranném plynu jsou z důvodu samoregulace délky oblouky používány svařovací zdroje s plochou "volt-ampérovou" charakteristikou.

Díky ploché statické charakteristice, zdroje automaticky reagují na změnu délky oblouku. Při zvětšení délky oblouku, resp. při zvýšení napětí na oblouku vyvolaném změnou délky oblouku, se automaticky sníží velikost svařovacího proudu a tím dochází ke snížení rychlosti odtavení a k následnému návratu délky oblouku do optimální napětí zpravidla po zapálení oblouku klesne na hodnotu odpovídající velikosti proudu při daném odporu obvodu.[3]

36

Nadměrně vysoké napětí zvyšuje délku oblouku a propal prvků ve svarové lázni.

Čas styku kapky s obloukem se prodlužuje. Důsledkem toho, je zintenzivnění metalurgických reakcí, které ovlivňují složení svarového kovu. Tím dochází ke změnám mechanických vlastností svarového spoje. Svary jsou více náchylné na pórovitost a zvyšuje se i rozstřik kovu.[3]

Při vysokých hodnotách napětí je svarová lázeň široká, mělká a vzniká nebezpečí předbíhání svarové lázně před oblouk. Naopak příliš nízké hodnoty napětí mají za následek nestabilitu svařovacího procesu, vzniká úzká svarová lázeň s velkým převýšením (především při vysokých rychlostech svařování). Při nízkém napětí dochází k nedokonalému natavení svarových hran a při vícevrstvém svařování dochází

2.4.3 Vliv rychlosti svařování na geometrii svarové lázně

Rychlost svařování je dalším ze základních parametrů svařování elektrickým obloukem. Působí opačně než svařovací proud a napětí na oblouku. Zvyšováním rychlosti svařování se snižuje tepelný příkon svařování na jednotku délky svaru, rychleji se odevzdává teplo a zmenšuje se teplo potřebné pro předhřev svarových ploch.

Toto má vliv nejen na tvar a rozměry tavné lázně, ale i na podmínky jejího ochlazování (zvyšuje se rychlost ochlazování svaru).[3]

37

Obrázek 11 - Vliv rychlosti svařování na tvar svarové lázně he - hloubka závaru; ha - převýšení svaru; b - šířka svarové housenky [3]

S rostoucí rychlostí svařování se snižuje šířka svarové lázně b a zároveň roste převýšení svaru ha viz obr. 11. S rostoucí rychlostí svařování se mírně zvětšuje hloubka závaru he, a to až do takové hodnoty svařovací rychlosti, při které se ještě svarové plochy stačí natavovat. Po překročení této hodnoty velikost závaru naopak klesá.

Maximální hloubka protavení lze v závislosti na ostatních veličinách určit pouze experimentálně, pro konkrétní případ v systému základní materiál, přídavný materiál, ochranný plyn. S dalším růstem rychlosti svařování se šířka svarové lázně b dále výrazně zmenšuje velikost převýšení svaru ha roste. Při vysokých rychlostech svařování pak dochází ke vzniku vrubů mezi svarem a základním materiálem. Rychlost svařování má také značný vliv na rozložení napětí a deformací ve svařenci. Při ručním svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře, se rychlost svařování pohybuje v rozmezí od 0,1 do 0,6 m·min^-1. Při strojním svařování může rychlost svařování dosáhnout až hodnoty 1,2 m·min^-1. Při rychlostech svařování větších než 0,9 m·min^-1 je však již proces na hranici stability a pro tyto rychlosti svařování je třeba provést úpravu nastavení procesních parametrů a nastavení geometrie svařovacího hořáku.

Hodnoty svařovacího proudu jsou zde vyšší než 360 A a rychlost podávání drátu větší než 12 m·min^-1 (průměr drátu 1,2 mm).[3]

Hlavní procesní veličiny svařovací proud, napětí a rychlost svařování společně definují jednu z nejdůležitějších veličin využívaných při svařování a tou je hodnota měrného vneseného tepla Qv dle rovnice (10).[3]

38 Výpočet měrného vneseného tepla:[3]

𝑄_𝑣= 𝜂₀·𝑈 · 𝐼

𝑣_𝑠 (10)

Kde:

Qv - je měrné vnesené teplo [J·m]

η0 - je účinnost přenosu tepla v oblouku [-]

I - je svařovací proud [A]

U - je svařovací napětí [V]

vs - je rychlost svařování [ m·s^-1]

2.4.4 Vliv druhu a polarity svařovacího proudu

Při svařování tavící se elektrodou v ochranné atmosféře plynu se nejčastěji používá stejnosměrný proud s nepřímou polaritou (elektroda na kladném, základní materiál na záporném pólu zdroje). Při tomto typu zapojení se tvar průřezu svarové lázně vyznačuje zvýšenou hloubkou protavení materiálu, nízkou hodnotou převýšení svaru a relativně širokou svarovou lázní. Teplo vznikající ve sloupci oblouku se z jedné poloviny spotřebovává k natavení základního materiálu a z druhé poloviny k odtavení přídavného materiálu (tavící se elektrody).[28]

Naopak při zapojení přímou polaritou (elektroda na záporném pólu, základní materiál na kladném pólu zdroje) se hloubka protavení snižuje, převýšení svaru roste a dochází ke snížení šířky svarové lázně viz obr. 12.[28]

Obrázek 12 – Druh polarity svařovacího proudu [28]

39

Teplo vznikající ve sloupci oblouku se přibližně ze dvou třetin spotřebuje k natavení základního materiálu a z jedné třetiny k natavení přídavného materiálu.

Při tomto typu polarity se u plného průřezu drátu tvoří na jeho konci rozměrná a stabilní kapka, což se při přenosu kovu projeví zvýšeným rozstřikem. Přímou polaritu je možné využít například při navařování.[28]

2.5 Systém WeldMonitor

Systém WeldMonitor slouží pro monitorování a dokumentaci procesu svařování pomocí snímací techniky. Cílem tohoto systému je zajistit reprodukovatelnost svarových spojů v odpovídající kvalitě. Výsledkem je zefektivnění a optimalizace výroby v oblasti svařování. Systém je složen ze softwarového a hardwarového vybavení.[3,25]

Hardware vybavení systému WeldMonitor

Řídící počítač je přes datové kabely a moduly (obr. 13) propojen k libovolnému svařovacímu zařízení určenému pro obloukové metody svařování.[3,25]

Obrázek 13 - Moduly systému WeldMonitor [25]

40

V základní verzi je systém WeldMonitor vybaven moduly pro monitorizaci aktuálních průběhů svařovacích napětí a proudů. Je možnost jej rozšířit i o další moduly. Těmito moduly je schopnost měřit např. rychlost posuvu a spotřebu svařovaného drátu, rychlost průtoku a spotřebu plynu, který vytváří ochrannou atmosféru, dále pak atmosférické podmínky při svařování - teplota a vlhkost vzduchu, teplotu svařovaného materiálu během svařování pomocí termočlánkových teploměrů apod. Snímané veličiny je možné zaznamenávat u komerčních verzí s frekvencí až 12,5 kHz, v případě univerzitní verze TUL až s frekvencí 25 kHz, což je více než dostačující pro spolehlivou diagnostiku zkratových, impulsních a bezzkratových svařovacích procesů.[3,25]

Softwarové vybavení systému WeldMonitor

Pomocí programu WeldMonitor lze zobrazovat výsledky reálně nasnímaných dat jak v datové, tak i grafické podobě. U nasnímaných dat je možné zjišťovat jejich aktuální i průměrné hodnoty, nebo s využitím tzv. UI laboratoře (obr. 14) lze v grafické podobě sledovat průběh libovolné veličiny.[3,25]

Obrázek 14 - Ukázka grafického znázornění záznamu průběhu svařovacího proudu a svařovacího napětí ze systému WeldMonitor

Mezi největší výhody systému WeldMonitorpatří ověřitelnost metrologických parametrů v akreditované zkušebně ČR. Důsledkem je možnost rozšiřovat interní databáze softwaru o knihovny, ve kterých lze vybírat mezi konstrukčními firmami, svářeči a jejich dosaženými kvalifikacemi, ale také např. informacemi o základních a přídavných materiálech, ochranných plynech apod. S těmito informacemi je posléze proškolená obsluha schopna vystavovat a tisknout svářečské protokoly typu WPS.

41 zejména mechanickými vlastnostmi materiálu, ale i tvarem a velikostí součásti.[1]

Vnější zatížení vytváří v součásti vnitřní silové účinky, které způsobují v jejích průřezech skutečné napětí stejného druhu a charakteru. V procesu dimenzování je rozhodující tzv. kritický nebo také nosný průřez. Vnější zatížení může v nosném průřezu součásti způsobit jeden nebo více vnitřních silových účinků. V prvním případě vzniká prosté a ve druhém případě kombinované napětí.[1]

Mezi prostá napětí obvykle řadíme pět základních druhů. Napětí tahové, tlakové a ohybové, která představuji napětí normálová. Zbylá dvě napětí jsou tečná a jsou jimi

Mezi prostá napětí obvykle řadíme pět základních druhů. Napětí tahové, tlakové a ohybové, která představuji napětí normálová. Zbylá dvě napětí jsou tečná a jsou jimi

In document 2.1 Podstata zpevnění jemnozrnných ocelí (Page 27-0)