Možnosti využití přístroje Gleeble pro difúzní svařování homogenních a heterogenních svarů

Možnosti využití přístroje Gleeble pro difúzní svařování homogenních a

heterogenních svarů

Bakalářská práce

Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství

Autor práce: Vít Bednář

Vedoucí práce: Ing. Jaromír Moravec, Ph.D.

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta-huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto pří-padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna-ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek-tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

Název bakalářské práce:

Možnosti využití přístroje Gleeble pro difuzní svařování homogenních a heterogenních svarů

Bachelor thesis title:

Possibilities of using the Gleeble device for diffusion welding of homogeneous and heterogeneous welds

Anotace

Cílem předložené bakalářské práce, bylo nalézt a popsat způsob optimalizace procesních parametrů při difúzním svařování zaměřených na vytvoření dostatečně pevných heterogenních spojů. Práce je rozdělěna na dvě části – teoretickou a experimentální. V teoretické části, je popsán fyzikální princip a problematika difúzního svařování a možnosti a využitelnost přístroje Gleeble. Experimentální část, obsahuje informace o použitých materiálech, návrh vstupních parametrů a následné vyhodnocení experimentů pomocí statické zkoušky tahem, zkoušek tvrdosti i metalografického vyhodnocení.

Klíčová slova

Gleeble 3500, difuzní svařování, homogenní a heterogenní svary, S355J2, 316L,

Annotation

The aim of the thesis was to find a way to describe the optimization of process parameters during the diffusion welding aimed on creating a sufficient strength of dissimilar joints. The work is divided into two parts: theoretical and experimental. The physical principles and problems of diffusion welding and the possibilities and usability of the Gleeble are described in the theoretical part. The experimental part contains information about the used materials, the design input parameters and subsequent evaluation experiments using static tensile testing, hardness test and metallographic evaluation.

Key Words

Gleeble 3500, diffusion welding, homogeneous and heterogeneous welds, S355J2, 316L,

Poděkování

Rád bych poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce Ing. Jaromíru Moravcovi, Ph.D. za účinnou metodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady v průběhu zpracování mé bakalářské práce.

Obsah

Seznam použitých zkratek a symbolů ... 8

1 Úvod ... 10

1.1 Cíl bakalářské práce ... 11

2 Teoretická část ... 12

2.1 Difuzní svařování a jeho charakteristika ... 12

2.2 Historie difuzního svařování ... 13

2.3 Fyzikální princip a teoretické základy difuzního svařování ... 13

2.4 Mechanizmus vzniku spoje ... 17

2.5 Technologické parametry difuzního svařování ... 18

2.6 Svařovací zařízení pro difuzní svařování ... 20

2.7 Rozdělení zařízení pro difuzní svařování ... 20

2.8 Možnosti a využití systému Gleeble... 22

2.9 Systém Gleeble ... 23

2.10Dílčí systémy přístroje Gleeble 3500 ... 26

2.11Faktory ovlivňující teplotní gradient vzorku ... 27

2.12Další využití systému Gleeble 3500 ... 30

2.13Materiály vhodné pro difuzní svařování a jejich svařitelnost ... 31

2.14Difuzní svařování ocelí... 32

2.15Využití difuzního svařování v průmyslu ... 34

2.16Rešerše o aktuálním stavu ... 36

3 Experimentální část ... 38

3.1 Konstrukční ocel S355J2 (1.0577) a nerezová ocel 316L (1.4404) ... 38

3.2 Realizace první fáze experimentů - homogenní svary ... 39

3.3 Vzorky a jejich příprava ... 41

3.4 Příprava zařízení a upnutí vzorků ... 42

3.5 Průběh testu ... 44

3.6 Vyhodnocení experimentů... 48

3.7 Realizace druhé fáze experimentů ... 50

3.8 Realizace třetí fáze experimentů - heterogenní svary ... 52

3.9 Měření tvrdosti, mikrotvrdosti vzorků a jejich vyhodnocení ... 54

4 Závěr... 59

Použitá literatura ... 61 Seznam příloh ... 63

Seznam použitých zkratek a symbolů

A20,50 Tažnost [%]

Ag Tažnost na mezi pevnosti [%]

AISI American Iron and Steel Institut Al Aluminium

ARA Anizotermický rozpad austenitu C Uhlík

CO2 Oxid uhličitý Cr Chrom F Síla

FSW Friction stir welding HV Tvrdost podle Vickerse IRA Izotermický rozpad austenitu KV Minimální nárazová práce [J]

MMP Moskevský fyzikálně – technický institut Mn Mangan

Mo Molybden

N Dusík

Nb Niob Ni Nikl P Fosfor

Ra Drsnost povrchu [µm]

Rm Mez pevnosti v tahu [MPa]

Rp0,2 Mez kluzu [MPa]

S Síra Si Křemík

SSSR Svaz sovětských socialistických republik t čas [s]

T Teplota [K]

Ta Tantal Ti Titan

TiC Karbid titanu

TOO Teplotně ovlivněná oblast USA United States of America

V Vanad

W Wolfram

Zrc Karbid zirkonia

1 Úvod

Svařování je významnou součástí strojírenských technologií. Svařováním za pomocí působení tepla a tlaku je docíleno trvalého, neboli nerozebíratelného spojení dvou a více součástí z různých materiálů. Při svařování je třeba vynaložit takové množství energie, které zvoleným fyzikálním principem umožní přiblížení atomů na styčných plochách spojovaných materiálů na meziatomové vzdálenosti. Tímto přiblížením se vyvolá vzájemná soudržnost působení meziatomových sil. Materiály vhodné pro svařování mohou být železné i neželezné, v některých případech i nekovového charakteru.[1,2]

Typ energie vynaložené pro svařování určuje, o jaký druh svařování se jedná. Tam, kde je pro vytvoření svarového spojení nutná přítomnost taveniny, je využitá energie tepelná, v takovém případě se jedná o svařování tavné. V druhém případě je podmínkou, pro vznik svarového spojení, výskyt plastických deformací. Ty zajistí energie mechanická a jedná se pak o svařování tlakové. O tlakové svařování se jedná i v případě, že je využito působení obou energií zároveň. [2]

Duležitými faktory pro výběr vhodné metody pro svařování je vzájemná kombinace materiálů a použitý konstrukční typ spoje. V úvahu se také musí brát děje, k nimž v materiálu při svařování dochází, jako jsou např. difúze, překrystalizace, rekrystalizace, precipitace, rozpouštění a vznik nových fázi atd. Tyto vlivy závisí na zvolené metodě svařování. Technologie svařování se vyskytovala již ve středověku, v podobě kovářského svařování. V této podobě vydrželo po dlouhá staletí až do doby, kdy bylo možné docílit tavení materiálu pomocí elektrického oblouku. První uhlíková elektroda při svařování byla použita Augustem De Meritens v roce 1881 ve Francii.

Koncem 19. století pokračoval vývoj svařování pomocí uhlíkových elektrod. [2,3,4,5]

První obalovanou kovovou elektrodu vynalezl a vyzkoušel Strohmenger v roce 1900 ve Velké Británii. Svařování v ochranné atmosféře hélia a argonu se vyskytlo v roce 1926 díky dvojíci H. M. Hobard a P. K. Devers. O několik let později byla tato metoda vylepšena. K prvnímu svařování za pomoci ocelových elektrod v ochranné atmosféře CO2 došlo v roce 1953 za pomocí ruských výzkumníků Ljubavskija a Novošilova.

Jedná se o velmi výhodnou metodu, jak z ekonomického, tak také z kvalitativního

hlediska. Z tohoto důvodu se uvedená metoda velmi rychle ujala a dále vyvíjela.

Postupem času se objevili další metody svařování např. svařování plazmou, elektronovým paprskem, třením, ultrazvukem a nejnověji také metodou FSW.[4,1]

Se svařováním se můžeme setkat téměř ve všech průmyslových odvětvích, jak při výrobě, tak při opravách a kompletaci nových strojů a velkých konstrukčních celků, jako jsou např. karosérie automobilů, ocelové konstrukce, letadla, lodě, tlakové nádoby, kotle, generátory, reaktory, mosty, budovy, atd. Rychlý rozvoj svařování, zapříčiněný v minulém století světovými válkami, umožnil zrealizovat spoustu významných technických projektů, od kosmických lodí až po jaderné reaktory. [1]

K největším výhodám svařování patří spojení jednoduchých tvarových součástí z hutních polotovarů nebo odlitků a výkovků do složitějších konstrukčních celků. To přispěje ke zjednodušení výroby a snížení hmotnosti a umožňí použít nové ekonomicky příznivé koncepce konstrukce. Při použití mechanizace a automatizace svařovacích procesů dojde i ke zvýšení produktivity a snížení výrobních nákladů. [6,2]

Jako každá technologie má i svařování své nevýhody. Nevýhodou je samozřejmě nerozebíratelnost svarových spojů. V materiálu během svařování dochází k různým mechanickým a strukturním změnám a nežadoucí je také výskyt vnitřních napětí a deformací. Svarový spoj je potenciálním místem vzniku vnitřních vad, které způsobují zeslabení nosného průřezu svaru a jsou příčinou vrubového účinku. [2]

1.1 Cíl bakalářské práce

Cíle bakalářské práce:

 Sepsat základní poznatky o difuzním svařování a o přístroji Gleeble 3500

 Navrhnout optimální technologické parametry pro difuzní svařování homogenních a heterogenních svarů

 Experimentálně ověřit technologické parametry na přístroji Gleeble 3500

2 Teoretická část

2.1 Difuzní svařování a jeho charakteristika

Definice difuzního svařování podle Kazakova [7], zní “Difuzní svařování materiálu v tuhém skupenství je metoda získávání monolitního spojení, jež je vytvořeno na základě vzniku atomových vazeb, které jsou výsledkem maximálního přiblížení spojovaných povrchů a lokální plastické deformace při zvýšené teplotě. Ta zabezpečuje difúzi v povrchových vrstvách spojovaných materiálu. ” Jinými slovy se jedná o proces, při kterém jsou svařované součásti ohřáty na danou teplotu, po dostatečně dlouhou dobu za kontrolovaného tlaku. Při těchto podmínkách, a při maximálním přiblížení povrchů součástí, dojde vlivem plastické deformace, k difůzi atomů mezi materiály a k jejich následnému spojení.

Difuzní svařování přináší spoustu výhod. Nevytvářejí se okuje, přetoky ani struska takže nedochází ke ztrátě materiálu a odpáda tak potřeba ochrany a případného čištění povrchu. Vlastnosti materiálu v oblasti spoje se nemění, nebo jsou změny méně intenzivní než při tavném svařování. Není potřeba kupovat různé pájky, tavidla, elektrody případně ochranné plyny, které jsou velmi nákladné. Využití vakuového prostředí nám umožňuje získat kvalitní spoj, který neobsahuje škodlivé příměsy a to i u kovů, s afinitou ke kyslíku. Je jedním z několika prostředí, která umožňují vytvořit spojení různých materiálů např. keramiky, mědi, titanu, skla, safíru, oceli i dílů práškové metalurgie atd. Vytvoření vakua je o dost jednoduší než zajištění kompletní ochrany pomocí atmosféry u inertních plynů, je lépe kontrovatelné a odpadají náklady spojené s dopravou a skladováním inertních plynů. Nevýhodou této metody, je omezení rozměrů svařence velikostí komory, drahé zařízení, relativně dlouhé svařovácí časy a náročná příprava svarových ploch. [7,5]

Spoje vzniklé metodou difuzního svařování splňují, při správně zvolených technologických parametrech, nároky jak z fyzikálně mechanických vlastností, tak i z hlediska strukturních požadavků. Nechybí ani šetrnost k ekologii a zdraví člověka.

Difuzní svařování umožňuje tvořit složité sestavy z velikého množství kovaných, valcovaných nebo lisovaných dílů při velmi vysokém využití materiálů.

2.2 Historie difuzního svařování

V roce 1953 navrhl profesor N. F. Kazakov z Moskevského technologického institutu MMP metodu difuzního svařování. Poté v roce 1956 bylo difuzní svařování poprvé patentované v SSSR. V dalších zemích jako např. v USA, Německu, Velké Británii, Japonsku, Švédsku, Francii a Belgii byla tato metoda svařování patentována mezi lety 1961 až 1966. Všechny patenty byly přiděleny profesoru Kazakovi. Moskevský kombinát tvrdých slitin nechal v roce 1957 zhotovit první zařízení pro difuzní svařování ve vakuu. Jednalo se o zařízení s názvem SDVU-1 a SDVU-2. O několik let později v roce 1965 v Saratově a v Tbilisi započala sériová výroba těchto zařízení.

V roce 1990 bylo v SSSR v průmyslu a výzkumu aktivně zapojeno okolo 1100 těchto zařízení. Zařízení se lišili různou konstrukcí, odlišnými zdroji ohřevu nebo dosahovali nízkého, středního, případně vysokého vakua. Některá zařízení využívala i různých ochraných atmosfér pro svařování. [8]

2.3 Fyzikální princip a teoretické základy difuzního svařování

Při difuzním svařování, je svarový spoj vytvořen působením tlaku na součásti, při působení zvýšené teploty, která je nižší než teplota solidu. Pro popis principu vzniku takového svarového spojení se vyskytuje mnoho hypotéz. Mezi nejrozšířenější hypotézy se řadí vrstvová, rekrystalizační, energetická, dislokační a difuzní hypotéza.

První hypotézou je tzv. vrstvová hypotéza, která vychází ze schopnosti spojení všech kovů a slitin. Podmínkou je přiblížení čistých povrchů součástí na takovou vzdálenost, která je menší než poloměr působení meziatomových sil v krystalických mřížkách materiálů.

Rekrystalizační hypotéza nám říká, že zakládním činitelem pro vznik spojení v pevném skupenství je rekrystalizace. Přemisťování atomů v krystalických mřížkách spojovaných materiálů, za působení poměrně vysoké teploty, vytváří na hranici přechodu vrstev deformace a zpevnění materiálů. Vznikají tak společná krystalická zrna v místě dotyku. Tato zrna patří zároveň oběma součástem a spojují dotýkající se kovy. Propracovanost této hypotézy není ještě dostatečná a nelze za jejího příspění svařovat materiály při velmi nízkých teplotách.

Další hypotézou je hypotéza energetická. Její podstatou je přítomnost jakési energetické úrovně atomů a iontů v místě dotyku daných kovů, která představuje energetickou hranici vzniku. Při dosažení této energetické hranice, se ztrací určitý význam orientace atomových vazeb a dojde ke vzniku kovové vazby mezi povrchovými atomy. Různorodost dvou povrchů v místě dotyku se začne ztrácet.

Tento způsob spojení zařazuje A. P. Semenov do bezdifuzních dějů. Ovšem při vysokých teplotách během bezdifuzního spojení se v místě styku objeví i přítomnost difúze. Tato hypotéza neobjasňuje fyzikálně chemické vlastnosti spojovaných materiálů, na kterých závisí jejich kompaktnost.

Následuje dislokační hypotéza, která pojednává o vzniku dislokací na dotykových plochách kovů. Důsledek dislokací je porušení vrstev oxidů a vznik stupínků se shodnou výškou, ta odpovídá vzdálenosti mezi atomy. To nám vytváří vhodné podmínky pro docílení velkých plastických deformací v místě dotyku. Vzniklé dislokace na dotykových plochách kovů snižují odpor proti plastické deformaci a dovolují vznik spojení, které je výsledkem plastické deformace kovů v místě dotyku.

Poslední hypotézou je difuzní hypotéza. Předpoklad této hypotézy je ve vzájemném přemístění atomů kovů v místě dotyku do hloubky spojovaných součástí. Nenasycené a volné vazby povrchových atomů kovů zadrží každy atom, případně molekulu, která se přiblíží na dosah meziatomových sil. Volný atom kompaktního systému má nadbytečné množství energie, určitá část této energie se při spojení uvolní. Takto se samovolně slučují stejnorodé kapaliny, naopak sloučení tuhých látek probíhá podstatně hůře. Je potřeba vynaložit veliké množství energie a využít složité technické metody pro dostatečné přiblížení spojovaných atomů.

Základem procesů difúze jsou změny, které jsou sledovány na kovech a jejich slitinách, např. růst zrna, zotavení a rekrystalizace, polymorfní změny atd. Difúze se dělí na samodifúzi a heterodifúzi. Samovolné ukládání atomů do základní mřížky se nazývá samodifúze. Zmenšení chemického potenciálu vyvolá základní difuzní sílu.

Znamená to, že difúze se vykoná při vzniku gradientů napětí, gradientů teploty,

případně gradientů koncentrace. V případě gradientů teploty, se může jednat o neizotermickou nebo pouze termickou změnu.[7]

Vznik gradientů koncentrace udávájí Fickovy zákony. První Fickův zákon (1.1) určuje změnu koncentrace prvku A ve směru osy x za jednotku času při překročení ze vzorku 1 do vzorku 2. Koncentrační gradient je úměrný difuznímu toku 𝐽 _𝐴 atomů prvku A za jednotku času ve směru osy a přes jednotku plochy. Záporné znaménko na pravé straně rovnice znamená, že difuzní tok postupuje od míst s velkou koncentrací látkového množství do míst s menší koncentrací.

𝐽

= −𝐷.

𝜕𝑥 (1.1)

Matematická formulace druhého Fickova zákona (1.2) zvažující rychlost změny koncentrace, vyjadřuje případ nestacionární difúze v závislosti na čase.

𝜕𝐶 _𝐴

𝜕𝑡

=

(𝐷.

)

kde

𝐽 _𝐴 – Difuzní tok. [ kg.m^-2.s^-1 ] 𝐷 – Koeficient difúze. [ m².s^-1 ] 𝐶 _𝐴 – Koncentrace prvku A. [ kg.m^-3 ] 𝑥 – Směr změny koncentrace difúze. [ m ] 𝑡 – Čas změny koncentrace. [ s ] [8]

Heterodifúze probíhá skrz hranici dvou fází. Jedná se o složitější případ difúze, pro svoji existenci vyžaduje koeficient rozdělení složek mezi dvěma fázemi. Difúze atomů probíhá pod podmínkou, že difundující atom bude mít dostatečné množství energie pro migraci v krystalické mřížce. Velikost energetické bariéry, závislé na velikosti meziatiomových sil, stanovuje aktivační energii difúze atomů. Vzdálení atomů od svých sousedů, vytvoří na původním místě díry neboli vakance v krystalické mřížce.

Difúze se koná postupně, dráha elementárního přemístění atomů v mřížce je řádově 10^-

11µm. Přemístění atomů probíhá skokem z jedné polohy do druhé.

Obr. 1 - Mechanizmy přesunu atomů v krystalové mřížce kovu [7]

Na obrázku 1, jsou znázorněny způsoby mechanizmů přesunů atomů v krystalové mřížce kovu. První způsob, je na obrázku 1a, jedná se o vzájemnou výměnu pozic mezi dvěma sousedními atomy. Pro dosažení mechanizmu, je nutná přítomnost velikých lokálních deformací krystalizační mřížky, které eliminují možnost jeho využití. Druhý způsob, je na obrázku 1b a jedná se o přemístění vakancí. O tento případ se jedná, pokud dochází k vzájemné výměně vakancí se sousedními atomy.

Směr přemisťování atomů, je opačný, vůči směru přemistování vakancí. Atom 2, se dostal do místa vakance a uvolnil tak místo atomu 3, jeho místo zabral atom 4 a na jeho původním místě vznikla vakance. Třetí způsob, je vnikání atomů (viz obrázek 1c).

V poloze 1, se v uzlu mřížky nachází atom, který se přemístí do polohy 2 mezi uzly.

Následuje přemístění do poloh mezi uzly 2-3-4-5-6 atd. Pro toto přemístění, je třeba dodávat veliké množství energie, to je možné při heterodifúzi v tuhých roztocích, protože migrující atom má podstatně menší velikost než atom základního kovu.

Poslední způsob, je výměna čtyř atomů na obr. 1d, dochází k přemístění současně čtyř atomů po kružnici. Jedná se o nejreálnější způsob difúze u kovů, které mají soudržnou krystalickou mřížku. [7]

2.4 Mechanizmus vzniku spoje

Pro spojení dvou součástí, je nutný vznik atomových vazeb při příblížení dotykových ploch na dostatečnou vzdálenost. Získání kvalitního, pevného a spolehlivého spojení, vyžaduje odstranění vody a ostatních látek z povrchů součástí. Kvalita a spolehlivost spojení, je omezena velikostí styčné plochy pro samodifuzí, případně vzájemnou difuzí atomů spojovaných součástí.

Obr. 2 - Stádia difuzního svařování [8]

(∆x – rozdíl nerovností povrchů [mm])

Na obrázku 2a, je první stádium, kde se vytváří prvotní kontakt mezi povrchy součástí.

Následují deformace nerovností povrchu a povrchových vrstev. To vše je důležité, pro vytvoření mechanického kontaktu. Ve druhém stádiu, které je na obrázku 2b, se vyskytuje vzájemna difúze atomů spojená s přesunem vakancí a dislokací. Výsledkem je zánik počáteční hranice mezi povrchy. Pro vytvoření kvalitního spojení, hraje velikou roli čas, který musí být dostatečný pro uskutečnění difúze.

Převládající jev ovlivňuje výsledky difuzního svařování, které probíhá ve specifických podmínkách. Při vysoké hodnotě tlaku, nebo teploty, vynaložené pro spojení součástí, dochází k deformacím nerovností povrchu. Docílí se celkem pevného spojení vlivem vzniku atomových vazeb na povrchu. Spojení o takové pevnosti, lze získat i při nízkém počátečním tlaku, ovšem při vetších časových intervalech.

Pokud chceme svařovat materiály, které mají různé mechanické a fyzikálně- mechanické vlastnosti, je technologicky výhodné, pro vytvoření kvalitního spoje, vložit mezi stykové plochy mezivrstvu z jiného materiálu. Při svařování různých materiálu s různými součiniteli tepelné roztažnosti, docházi při chladnutí ke vzniku

zbytkového nápětí v místě styku. Velikost zbytkového napětí, roste spolu s rozdílem tepelných součinitelů svařovaných materiálů. Pro vyrovnání zbytkového napětí je dobré, aby mezivrstva byla z materiálu, který má hodnotu tepelného součinitele přibližně mezi hodnotami součinitelů spojovaných součástí a s dobrými plastickými vlastnostmi.

2.5 Technologické parametry difuzního svařování

Technologické parametry difuzního svařování, mají velký vliv na samotný průběh svařování a na výslednou kvalitu spoje. Pro vytvoření kvalitního spoje, je nutné dostačující očištění spojovaných povrchů kvůli jejich oxidaci. Hodnota vakua má také vliv na kvalitu spoje a spadá spolu s drsností a čistotou povrchu do vedlějších parametrů svařování. Mezi hlavní parametry svařování patří teplota, tlak a čas.

Teplota při svařování je závislá na teplotě tavení svařovaných materiálů, v případě svařování dvou různých materiálů, se odvíjí od nižší teploty tavení. Rychlost difúze, je ovlivněna teplotou při svařování, její velikost se pohybuje v rozmezí 55 až 90% tavící teploty materiálu. Optimální hodnota je cca 0,7 Ttav.

Tlak při svařování přibližuje spojované plochy materiálů na vzdálenost, která umožňuje proces difúze v celé ploše dotyku. Mechanické vlastnosti, velikost svařovací teploty, druh mezivrstvy a chemické složení materiálů definuje jak velký tlak použít.

Pro svařování ocelí je použitelný tlak v oblasti 10 až 20 MPa.

Pro zajištění dostatečné difúze, vzhledem k velikosti svařovaných ploch, závisí čas při svařování na předchozích parametrech, jako je tlak a teplota. Čas se pohybuje řádově od 3 do 60 minut.

Tab. 1 - Příklady svařovaných materiálů a jejich technologických parametrů pro difuzní svařování [8]

Svařované materiály Tsv (K) psv (MPa) tsv (min)

Nízkouhlíková ocel 1223 16 6

Středněuhlíková ocel 1273 12 5

Ocel 12060 + 19858 1273 20 3

Cr-Al ocel 1273 20 5

Austenitická ocel + Cu 923 18 40

Al-Si 12 + ocel 643 2 10

Cu + ocel (0,5%C) 1123 5 10

Ni (pórovitý) + austenitická ocel 1223 5 25

Austenitická ocel 1423 14 15

Cu 1158 5,6 8

Al + Cu 723 3 8

Mo 1873 10 20

Cu + Mo 1173 5 15

Nb 1573 15 10

Mo + Nb 1673 10 20

W 2273 10 20

Grafit + Ti 1223 7 20

TiC + Mo 1700 5 10

ZrC + Nb 1673 15 10

ZrC + Ta 2273 5 10

Vliv vedlejších parametrů jako je drsnost a čistota povrchů (viz obrázek 3), se ukáže na výsledné kvalitě a pevnosti svarového spoje. Je žadoucí, aby spojované povrchy, byly odmaštěné a kovově čisté s požadovanou drsností povrchu. Čím lepší tato opatření budou, tím se zvyšuje kvalita svarových spojů. Mezi vhodné způsoby těchto opatření, patří opracování svarových ploch řeznými nástroji a odmaštění povrchů pomocí acetonu. [8]

Obr. 3 - Vliv drsnoti a způsobu čištění na pevnost svarových spojů [8]

2.6 Svařovací zařízení pro difuzní svařování

Zařízení pro difuzní svařování, mají různé zdroje ohřevu např. ohřev odporový nebo indukční, ohřev elektronovým paprskem, radiační ohřev, sluneční ohřev atd. V praxi se vyskytuje nejčastěji odporový a indukční ohřev. Svařovací prostředí ve svařovací komoře je buď ve vakuu, v ochranném plynu nebo i ve volné atmosféře. V některých případech svařování probíhá v kapalném prostředí.

Důležitou součástí zařízení, jsou přístroje pro měření teploty a velikosti vakua, včetně jejich řízení a regulace. Duležitý je také hydraulický systém s hydraulickým válcem pro vytvoření dostatečného tlaku na svařované součásti při svařování. Nesmí chybět ani chladicí systém a celkový řídící systém.

2.7 Rozdělení zařízení pro difuzní svařování

V současné době existuje více než 60 druhů svařovacích zařízení s rozdílnou konstrukcí. To zapříčinilo rozdělení těchto zařízení podle určitých hledisek. Vedle konstrukčních uzlů a systému řízení je třídícím hlediskem i charakter jejich činnosti.

Difuzní svařování může probíhat jak ve vakuu, tak i v ochranném plynovém prostředí.

Hodnota vakua se pohybuje v rozmezí tlaků 1,3 až 1,3.10^-4 Pa. Jelikož je vakuum promněnlivý technologický faktor, dělí se zařízení podle jeho velikosti do několika

skupin na:

1. Stroje s nízkým vakuem – řádově 1,3 Pa,

2. Stroje se středním vakuem – 0,13 až 1,3 . 10^-3 Pa, 3. Stroje s vysokým vakuem – pod 1,3 . 10^-3 Pa, 4. Stroje s přetlakovou atmosférou ochranným plynů.

Způsob vákuování dělí zařízení dále na zařízení s úplným vakuováním a s částečným, případně místním vakuováním, které umožňuje svařování rozměrných součástí např.

tyče, trubky a jiné. Charakter tepelného zdroje pro ohřev součástí rozděluje zařízení do dalších skupin a to na zařízení s indukčním ohřevem, s kontaktním ohřevem, s radiačním (sálavým) ohřevem, s ohřevem elektronovým paprskem, s ohřevem v poli doutnavého výboje, s odporovým ohřevem, s laserovým ohřevem, s ohřevem elektrickým obloukem, s kombinovaným ohřevem atd.

Pro vytvoření dostatečné přítlačné síly působící na svařované součásti, vzniklo několik zařízení rozdělených do skupin na hydraulické, pneumatické, mechanické, tepelné, kombinované, s impulsnímy kmity, s využitím ultrazvuku a s využitím elektrických kmitů. V praxi se nejčastěji vyskytují zařízení s hydraulickým a mechanickým ústrojím.[7]

Obr. 4 - Schéma zařízení na difuzní svařování ve vakuu

1 – vakuová komora, 2 – hydraulický válec, 3 – zdvih dna komory, 4 – tlakoměr [8]

2.8 Možnosti a využití systému Gleeble

V současné době, je snaha o mechanizaci, automatizaci a vylepšení všech fází výroby v průmyslu zcela běžné. Je také snaha o využití nových progresivních materiálů.

Použitím těchto materiálů, dojde ke snížení hmotnosti, při zachování pevnostních a tuhostních podmínek, dojde také ke zvýšení účinnosti výsledných produktů. Aby bylo vybráné materiály možné použít, je potřeba veliké množství ověřovacích experimentů, které potvrdí vhodnost technologie a správnost nastavení technologických parametrů. Takové testování, je velmi zdlouhávý proces, jeho urychlení umožňuje využití fyzické simulace. Fyzická simulace, simuluje teplotně mechanické podmínky při technologickém zpracování materiálu, svým charakterem odpovídá realným podmínkám výrobních procesů. Pro použití fyzické simulace, je potřeba správné testovací zařízení. Mezi nejpoužívanější testovací systém, patří systém Gleeble od americké firmy Dynamic Systems Inc.

2.9 Systém Gleeble

Zařízení Gleeble je dynamické testovací zařízení pomocí kterého je možné testovat veliký rozsah teplotně mechanických a metalurgických stavů materiálů. Gleeble lze uplatnit pro simulace objemového tváření a válcování za tepla, simulace svařování a tepelného zpracování, simulace kontinuálního lití, k výzkumu náchylnosti materiálů k trhlinám za tepla. Využití nachází i při studijích např. studium dějů které probíhají při tuhnutí, rekrystalizaci, nebo zotavení. Velikou předností a výhodou systému Gleeble je možnost simulace téměř kterékoliv teplotně mechanického zatížení které se může vyskytnout jak během zpracování, tak i při provozních podmínkách. Při testování jsou všechny potřebné a uživatelsky specifikované veličiny zaznamenány a některé z těchto veličin jsou využity pro zpětné řízení testů. Na Technickou univerzitu v Liberci bylo v roce 2013 nainstalováno zařízení Gleeble 3500, toto zařízení, jeho

konstrukci, možnosti testování a využití pro průmysl bude věnována pozornost v následujících kapitolách.

2.9.1 Popis systému Gleeble 3500

Gleeble 3500, je teplotně-napětový simulátor, který má velmi časté využití při studiu většiny dějů, které probíhají v kovových materiálech za vyšších teplot. Je schopný vyvinout tahovou nebo tlakovou sílu až 10 kN a umožňuje testovat vzorky s různou geometrií. Do zařízení lze upnout vzorky s maximálním průměrem 20 mm, nebo s maximální plochou průřezu do 400 mm². Kompletní zařízení, je tvořeno třemi hlavnímy jednotkami, první jednotkou je ovládací panel, další součástí je hlavní jednotka a její součásti je hydraulika a transformátor pro ohřev. Poslední jednotkou je vlastní testovací zařízení. (viz obrázek 5)

Obr. 5- Zařízení Gleeble 3500, 1-ovládací panel, 2-hlavní jednotka, 3-testovací zařízení [9]

Maximální hodnota zdvihu je 100 mm, rychlost posuvu je maximálně 1 m.s^-1. Systém Gleeble má široké využití, stručný souhrn průmyslových aplikací které jsou nejčastěji používány, jsou uvedeny v tabulce 2.

Tab. 2 - Hlavní průmyslové aplikace systému Gleeble 3500 [9]

Oblasti aplikace Zaměření testu

Simulace svařovaných procesů

Tepelně ovlivněná oblast

Test maximální teploty, při níž se pevnost blíží k nulové hodnotě

Test na zjištění náchylnosti k trhlinám Simulace laserového svařování

Zjištění porušení tupých svarů

Únavové testy

Teplotní únava materiálu Tepelně mechanická únava materiálu

Simulace tepelných procesů

Analýza pevnosti v tahu za vyšších teplot Analýza pevnosti v tlaku za vyšších teplot

Testování a simulace plošných zatížení Simulace válcování za tepla

Simulace kontinuálního lití Simulace tání a tuhnutí

Systém lze použít i ke studiu jevů, které se týkají chování materiálů při vyšších teplotách a jejich cyklech, jako je např. difúze, tání a tuhnutí, rekrystalizace, relaxace, růst zrna, precipitace nebo jakékoliv způsoby tepelného zpracování.

2.9.2 Součásti systému Gleeble

Systém Gleeble je tvořen následujicími částmi: hlavní jednotkou, ovládacím panelem, hydraulickým čerpadlem, mobilní jednotkou, vákuovým systémem, kompresorem pro stlačený vzduch a kondenzátorovou svářečkou pro přivaření termočlánků. V hlavní jednotce se vyskytuje velká část hydraulického systému, tento systém je potřebný pro dostatečný pohon a ovládání zařízení. Mobilní jednotka je připojená k hlavní jednotce.

Počítač, pro snadné řízení a ovládání systému, je s potřebným hardwarem a softwarem zabudovaný v ovládacím panelu. Důležitou součástí, pro vytvoření dostatečného tlaku hlavní jednotce, která vytváří tahové a tlakové síly, je hydraulické čerpadlo. Velmi důležitý, je i vákuový systém, pro odčerpání vzduchu z testovací komory. Jeho součástí je čerpadlo, pro vytvoření hrubého vakua a difuzní čerpadlo, pro vytvoření ještě vyššího vakua. Kvůli přítomnosti vysokých teplot nesmí chybět výkonné chladicí zařízení.

Obr. 6 - Rozmístění jednotlivých komponent systému Gleeble [9]

2.10 Dílčí systémy přístroje Gleeble 3500

Systém Gleeble je složen z několika podsystémů, které ve vzájémném uspořádání a propojení vytvářejí systémový komplex. Setkáme se tu s řídícím systémem pro získávání dat, velmi důležitý je také systém ohřevu a ochlazování, a nesmí samozřejmě chybět mechanický systém přístroje.

2.10.1 Řídíci systém a způsob získávání dat

Systém počítačového řízení systému Gleeble, se skládá z pracovní stanice s vykonnými procesory pro rychlou komunikaci mezi snímači a řídicím systémem.

Pracovní stanice pracuje se systémem Windows, její výkon umožňuje využítí pro simulační programy, analýzy nebo vyhodnocování dat a to i během právě probíhajícím testu nebo simulaci. Pro vytvoření řídících programů pro testování je k dispozici uživatelské rozhraní zahrnuté do programu QuikSim2. Ke zpracování získáných dat slouží program Origin který umožňuje tvorbu analýz, prezentací, matematických funkcí a tiskových publikací. Automaticky nahrává data po ukončení testu, a disponuje vysokým výkonem a flexibilitou.

2.10.2 Systém ohřevu a ochlazování

Systém pro splnění důležitých podmínek, pro úspěšné tepelně-mechanické testy a fyzické simulace, disponuje vysokou rychlostí ohřevu a ochlazování. Rychlost je závislá, na velikosti vzorku, způsobu jeho namáhání a na volné délce. U vzorku, s průměrem 6 mm, který je zatížen v tahu, je možné docílit rychlosti ohřevu až 10000°C.s^-1, pokud se stejný vzorek zatíží tahovým napětím, bude rychlost ohřevu 50°C.s^-1. To samé platí, i u vzorku s průměrem 10 mm zatíženém v tahu, v tomto případě bude rychlost ohřevu 3000°C.s^-1, v tlaku pak bude rychlost ohřevu pouze 5°C.s^-1. Způsob ohřevu, je přímý odporový se zpětnou vazbou na řízení. K ochlazování vzorku, dochází dvěma způsoby, buď neřízeným, nebo řízeným ochlazováním.

U neřízeného ochlazování, musí být vždy vypnutý transformátor a k odvodu tepla dochází pomocí stlačeného vzduchu, vody a inertního plynu. Maximální rychlost ochlazování, při neřízeném ochlazování, je při kombinaci stlačeného vzduchu s vodou a je závislá na tvaru a materiálu použitých čelistí a na výsledném vedení tepla přes tyto čelisti.

2.10.3 Mechanický systém

Přístroj Gleeble, disponuje velmi výkoným mechanickým systémem, který dokáže dosáhnout vysokých rychlostí posuvu. U systému Gleeble 3500 je možné dosáhnout rychlosti až 1000 mm.s^-1 v nezatíženém stavu, v zatíženém stavu může být rychlost až 0,001 mm.s^-1. Maximální síla statického zatížení v tahu i tlaku, je 10000 kg (98 kN).

Připojením mobilní jednotky Hydrawedge II je zajištěno nezávislé programování a ovládání deformace a její rychlosti. Maximální rychlosti, lze dosáhnout při hydraulickém tlaku 20 MPa a při teplotě oleje 40°C. Nikdy nemůže být k dispozici maximální síla, při maximální rychlosti posuvu, hydraulický systém je schopný dodat maximální sílu při nulové rychlosti posuvu a maximální rychlost posuvu při nulové síle.

2.10.4 Teplotní systém

Teplotní systém přístroje Gleeble, ohřeje přímým ohřevem, za pomocí elektrického odporu, vzorek na požadovanou teplotu. Tento systém, umožňuje dosáhnout vysokých rychlostí ohřevu, které můžou být až 10000°C.s^-1. Odchylka, při výdrži na dané teplotě je (1°C). Testovaný vzorek, je upnutý vysokoteplotními čelistmi, čelisti mají vysokou tepelnou vodivost, používájí se jak k ohřevu, tak i k ochlazování testovaného vzorku.

Rychlost ochlazování, pomocí čelistí, u vzorku s průměrem 10 mm, může překročit hranici až 320°C.s^-1. Pokud jsou přidány i další ochlazovací systémy přístroje Gleeble, je možné docílit rychlosti ochlazování až 6000°C.s^-1 na povrchu vzorku. Pro možnost řízení rychlosti ohřevu, v průběhu pracovního cyklu, je nutné, mít okamžitou zpětnou vazbu o aktuální teplotě vzorku. Zpětná vazba je získána pomocí různých typů termočlánků, případně pomocí pyrometru, který pracuje v infračerveném spektru.

Tento řídící způsob je mnohonásobně rychlejší, než u běžných zařízení.

2.11 Faktory ovlivňující teplotní gradient vzorku

Teplotní gradient je závislý na několika faktorech, mezi které patří, druh testovaného materiálu, teplotní a elektrický odpor vzorku, poměr porvrchu a objemu, celkový průřez, tvar a material upínacích čelistí, celková délka a volná délka vzorku. Volná délka, je definována, jako vzdálenost, mezi okraji kontaktních ploch vysokoteplotních čelístí se vzorkem. Vysokoteplotní čelisti jsou chlazené vodou, z toho důvodu, je

teplota v dotykovém místě čelistí a vzorku o něco menší, než uprostřed volné délky. Je to zapříčiněno intenzivním odvodem tepla.

Obr. 7 - Grafické znázornění volné délky vzorku

Když se bude volná délka zvětšovat, dosáhne se rovnoměrnějšího teplotního pole na vzorku. Volná délka vzorku má výrazný vliv na výsledný tvar a strmost teplotního gradientu. Tvar a materiál vysokoteplotních čelistí, výrázně ovlivňuje teplotní gradient ve vzorku, obzvlášť v jeho volné délce. Pokud bude kontakt mezi upínacími čelistmi a vzorkem kratší, bude teplotní gradient ve vzorku rovnoměrnější. Na druhé straně se při zmenšení dotyku mezi vzorkem a čelistmi snižuje maximální rychlost ohřevu a ochlazení vzorku. Proto existují čelisti s plným, nebo částečným kontaktem.

Obr. 8 - a) Čelisti s plným kontaktem, b) Čelisti s částečným kontaktem [9]

Vyskytuje se řada ruzných tvarů čelistí s úplným i částečným kontaktem, v případě potřeby, je možná výroba vlastního tvaru čelistí. Pro výrobů čelistí, je nutné zvolit vhodný materiál čelistí, který značně ovlivňuje teplotní gradient. Při volbě vhodného

materiálu čelistí, je dobré brát v úvahu následující faktory: maximální teplota působící na čelisti, tvar testovaného vzorku, maximální rychlost ohřevu, maximální rychlost volného chladnutí, maximální zatěžující síla, výsledný teplotní gradient ve vzorku atd.

Mezi nejpoužívanější materiály patří měď ( Cu 99% ) a austenitická vysokolegovaná ocel ( X5CrNi18-8). Tyto materiály, mají velmi rozdílnou tepelnou vodivost, a jsou vhodným nástrojem pro vytvoření různých teplotních gradientů ve stejném vzorku. Pro nejstrmější teplotní gradient, je nejvhodnější použít měděné čelisti s plným kontaktem a s velmi krátkou volnou délkou která může být i méně než 10 mm. Chceme-li získat gradient s co největší rovnoměrností, je dobré použítí čelistí z austenitické vysokolegované oceli s částečným kontaktem a s velkou volnou délkou vzorku která může překračovat hodnotu 50 mm. Následujicí obrázky ukazují porovnání teplotních

gradientů pro oceli S355J2 a X5CrNi18-8, za použití měděných čelistí a čelistí z austenitické oceli s plným kontaktem (viz obrázek 9) a pro měděné a vysokolegované

čelisti s částečným kontaktem (viz obrázek 10).

Obr. 9 - Srovnání tep. gradientů pro oceli S355J2 a X5CrNi18-8 za použití měděných čelistí s plným a částečným kontaktem při teplotě 1200°C [9]

Obr. 10 - Srovnání tep. gradientů pro oceli S355J2 a X5CrNi18-8 za použití čelistí s plným a částečným kontaktem z vysokolegované austenitické oceli při teplotě 1200°C

[9]

2.12 Další využití systému Gleeble 3500

Kromě difuzního svařovaní, je možné na přístroji Gleeble 3500 provádět různé simulace a zkoušky. Zařízení Gleeble 3500, lze použít pro statické zkoušky tahem za vysokých a velmi vysokých teplot. Měření dat a průběh zkoušky může probíhat až do tavící teploty testovaného vzorku. Pomocí zařízení Gleeble, lze stanovit teplotní závislosti koeficientu linearní roztažnosti α. Jedná se o jednoduchý test, při kterém se vzorek, s definovanou délkou pozvolna ohřeje na maximální požadovanou teplotu, a pomocí délkových snímačů se snímá roztažnost vzorku. Další využití přístroje Gleeble, může být na creepové testovaní, ale pro tento druh testu nebyl přístroj primárně konstruován a je to neefektivní a neekonomické. Systém Gleeble, také umožňuje stanovit teplotní a teplotně mechanické únavy materiálu. V případě teplotně mechanického testování, je nutné počítat s určitými limity přístroje Gleeble jako např.

rychlost ochlazování vzorku. Další měření, které lze na přístroji Gleeble uskutečnit, je dilametrické měření. Jedná se o jeden ze způsobů studií dějů fázových transformací

materiálů s alotropickou přemenou. Měření probíhá, za pomocí velice citlivých měřidel (dilatometrů), které zaznamenají změnu rozměrů vzorků při jeho ohřevu i následném ochlazování. Získané údaje z měření, slouží k sestavení anizotermických ARA a izotermických IRA diagramů. [9]

2.13 Materiály vhodné pro difuzní svařování a jejich svařitelnost

Metoda difuzního svařování se využívá zejména tam, kde je vzájemné spojení dvou materiálu velmi náročné, nebo nelze svar vytvořit klasickými technologiemi tavného svařování. Jedná se např. o materiály super tvrdé, obtížně tavitelné, žáropevné, s vysokou afinitou ke kyslíku atd. Je možné svařovat různé kombinace materiálů a to jak kovových, tak i kovových s nekovovými např. keramika + neželezné a lehké kovy, keramika + ocel, sklo + kovy, Al + ocel, W + ocel, rychlořezná ocel + konstrukční uklíkové ocel atd. [10]

2.13.1 Svařitelnost materiálů

Pojem svařitelnost není jednoduché stručně definovat a jednoznačně určit. Jedná se o vlastnost materiálu, která je velmi důležitá pro vytvoření svarového spoje.

Z konstrukčního hlediska by bylo nejlepší zvolit takový materiál, který by vyhovoval z hlediska provozních podmínek a zátěže. Z technologického hlediska by bylo ideální, kdyby se daný materiál mohl svařovat jakoukoliv metodou svařování bez zvláštních opatření a bez omezení svařovacích parametrů. Velmi výhodné, a to z obou hledisek

by bylo, aby během svařovacích procesů nedocházelo ke změnám struktury a vlastností materiálů. Takový materiál však neexistuje a proto definice svařitelnost

zavísí na několika faktorech: [11]

- Vlastnosti základního svařovaného materiálu a svarového kovu (chemické složení, mechanické vlastnosti, mikrostruktura, transformace struktury atd.) - použitá metoda svařování a výrobní podmínky (tavné nebo tlakové

svařování, parametry svařování, poloha svaru, tepelné zpracování atd.)

- konstrukce svařence (počet svarů na konstrukci, typy svarů, tloušťka svarových spojů, zbytková napětí atd.) [12]

2.14 Difuzní svařování ocelí

2.14.1 Homogenní svary

Při svařování ocelí, má velký vliv na svařitelnost, a výslednou kvalitu spoje obsah uhlíku v oceli. Oceli s nízkým obsahem uhlíku mají poměrně dobrou svařitelnost.

Mechanické vlastnosti svarového spoje závisí na struktuře svaru, která je určena chemickým složením, podmínkami při svařování a tepelným zpracováním a také na změnách v tepelně ovlivněné oblasti svarů.

Oceli s nízkým obsahem uhlíku zpravidla nepotřebují žádná zvláštní opatření při svařování. S rostoucím obsahem uhlíku se svařitelnost zhoršuje. Při obsahu uhlíku větším než 0,3 % je v oblasti svaru i TOO dosaženo vysokých hodnot tvrdosti a svar je křehký.

Oceli, které mají střední obsah uhlíku (od 0,25 do 0,6 %) se využívají pro součásti, které jsou méně namáháne a zpravidla se zušlechťují na pevnost od 700 do 900 MPa.

Technologické vlastnosti svarového spoje (tvařitelnost, obrobitelnost, odolnost proti vzniku trhlin při svařování atd.) a mechanické vlastnosti materiálu, jsou důležité při výběru typu materiálu, i volbě způsobu svařování. Využití difuzního svařování, pro svařování uhlíkových a nízkolegovaných ocelí, zaručuje vysokou pevnost spoje a zachování výchozích vlastností materiálu.

Teploty při svařování jsou nižší, než je teplota tavení a nedochází tak ke vzniku defektů a dalších změn spojených s licí strukturou. Při difúzním svařování legovaných konstrukčních ocelí např. 30ChGSA a 12Ch2N4A, se při optimálních podmínkách vytvořilo spojení, které mělo stejnou pevnost jako základní material. Dynamická

houževnatost je závislá na velikosti svařovacího tlaku a je vetšinou nižší než u základního materiálu. Vzniklou křehkost, vytvořenou vlivem přehřátí lze odstranit

následným tepelným zpracováním. Například při tavném svařování rychlořezných ocelí elektrickým obloukem, dochází v blízkosti hranice tavení ke vzniku ledeburitické struktury. Navíc dochází k oduhličování a vypalování legovacích prvků. Difuzním svařováním bylo získáno kvalitní spojení rychlořezné oceli (typ R18). V oblasti spoje nedošlo k žádnému natavení kovů, ani k výskytu ledeburitické struktury.

2.14.2 Heterogenní svary

Při tavném svařování ocelí různého typu, je nutné přihlížet na ovlivňující faktory, např.

rozdílné změny v TOO, rozdílná struktura svarového kovu závisející na použitém přídavném materiálu a stupni promíšení atd. Dalším faktorem je výskyt zbytkového napětí, které se obtížně odstraňuje tepelným zpracováním. Tyto faktory vyvolávají strukturní, chemickou a mechanickou různorodost svarového spoje.

Při tavném svařování, např. austenitické oceli s perlitickou ocelí, vznikají při ochlazení po popouštění v austenitické oceli tahová napětí a v perlitické oceli napětí tlaková.

V případě svařování perlitické a chromové oceli je efekt opačný. Omezení, případně uplné odstranění mechanické strukturní a chemické nestejnorodosti svarových spojení různorodých ocelí, umožňuje difuzní svařování.

2.14.3 Difuzní svařování dalších materiálů

Difuzním svařováním je umožněno svařovat homogenní a heterogenní svary s větším množstvím materiálů, než u jiných metod tavného a tlakového svařování. Je možné svařovat litinu, která se řadí do skupiny materiálů s omezenou svařitelností kvůli malé plastičnosti a náchylnosti ke zkřehnutí při rychlém ochlazení. Je možné svařovat nikl a jeho slitiny, který je náchylný k tvorbě horkých trhlin. Je možné svařovat hliník a jeho slitiny s ocelí, i když rozdílnost fyzikálně chemických vlastností obou materiálů, přináší určité komplikace při svařování, např. vznik intermetalických sloučenin.

Svařování mědi a jejich slitin s ostatními kovy je také možné. Existují další a další materiály, které je možné aplikovat pro difuzní svařování např:

- svařování těžce tavitelných kovů a jejich slitin,

- svařování titanu, zirkonu, niobu, tantalum, molybden, wolframu, feritu, grafitu - svařování magnetických slitin

- svařování slinutých karbidů a kovokeramických materiálů s kovy - svařování porézních materiálů

- svařování nekovových, kovových a polovodičových materiálů - svařování skla, keramiky a optických keramických materiálů

2.15 Využití difuzního svařování v průmyslu

V průmyslu, se difuzní svařování vyskytuje tam, kde je potřeba spojit součásti, které se bežnými způsoby svařování spojují obtížně. Jedná se o součásti, které se skládájí z několika materiálů, s často odlišnými vlastnostmi a složením. Difúzní svařování je aplikováno při výrobě komplikovaných součásti z různorodých materiálů, jako např.

kovy s keramickými materiály, cermety, sklem, křemenem, grafitem atd. Difuzní svařování, je také vhodné tam, kde je potřeba dosáhnout vysoké přesnosti rozměrů, a to bez použití mechanického obrábění. Vyskytuje se i při vytvoření nových kombinací různorodých materiálů a složitých kompozic, které používají vlastnosti různých materiálů, jako jsou kovy, slitiny nebo nekovy. Na difuzní svařování lze narazit i u slinování, nebo válcování za tepla v difuzní metalurgii. Také tam, kde je při výrobě součástí skládájících se z několika komponent, braná v úvahu úspora deficitních materiálů. Technologie difuzního svařování je využito např. při výrobě

pórovitých částí kovových filtrů pro analýzu plynů a kapalin. V chemickém a petrochemickém průmyslu při čištění kapalin a plynů atd. V elektrotechnice se

difuzní svařování využívá např. pro výrobu jader elektromagnetických cívek (viz obrázek 11). Došlo ke snížení hmotnosti polotovarů, počtu zmetků a pracnosti výroby.

Obr. 11 - Jádra elektromag. cívek, a – kombinace z ocelí; b – kombinace oceli a bronzu [7]

V automobilovém průmyslu, se pro rozválcování pouzder táhel zavěšení zadní nápravy

automobilu používali původní pájené razníky lisovacích forem z oceli a části ze slinutého karbidu (viz obrázek 12). Provozní nasazení však ukázalo, značné nedostatky v oblasti spoje v podobě oxidace slinutého karbidu, trhlin a poruch. Pomocí využití

difuzního svařování, pro spojení razníku, se docílilo úspory slinutého karbidu a několikanásobně se prodloužila životnost.

Obr. 12 – Razníky forem armované slinutým karbidem, 1 - slinutý karbid; 2 – ocel [7]

Ve strojírenství se technologie difuzního svařování využívá např. při výrobě řezných nástrojů (viz obrázek 13). Nároky na spojení řezné části s tělem (stopkou) nástroje jsou tak vysoké, že nelze použít jiné způsoby svařování nebo pájení. Aplikování difuzního svařování pomohlo řešit složité technologické problémy a značně zvýšilo kvalitu spoje a úsporu materiálů. [7]

Obr. 13 - Řezné nástroje [7]

2.16 Rešerše o aktuálním stavu

Na základě řešerše o heterogenních a homogenních svarech při difuzním svařování bylo nalezeno několik zahraničních studií, tyto studie se zabývají problematikou difuzního spojení různých materiálů, jejich cílem je také stanovit optimální parametry pro vytvoření difuzního spojení.

Na univerzitě Ehime v Japonsku, byla v roce 2003 provedena studie s cílem pochopit a analyzovat mechanismy, které mají vliv na vytvoření pevného spojení při nizkých tlacích na základě aktivační energie. Byl použit heterogenní spoj vysokolegované austeniticko-feritické oceli X8CrNiMo275 s uhlíkovou ocelí S45C (12050).

Tab. 3 - Chemické složení materiálů SUS329J1 a S45C [13]

Materiál C Si Mn P S Ni Cr Mo N

SUS329J1 0,02 0,36 0,08 0,027 0,007 5,43 23,8 1,23 0,03 S45C 0,43 0,20 0,67 0,019 0,014 0,20 0,14 - - Vytvoření pevného spojení vzniklo v relativně krátkém čase, ale tlak použitý při svařování dosahoval 19,6 MPa a docházelo při něm ke značné deformaci svařovaných materiálů. Z toho důvodu se studie zabývá stanovením mechanismů, které mají vliv na vytvoření pevného spoje při nízkém tlaku. Při pokusech, se kombinací několika parametrů (svařovací teplota, tlak a čas, drsnost povrchu), hledali optimální podmínky pro vytvoření pevného spoje. Kvalita spoje byla hodnocena na základě pevnosti v tahu.

Optimálních parametrů, při kterých měl spoj stejné vlastnosti jako základní materiál bylo dosaženo při svařovací teplotě 1100°C, tlaku 3 MPa a svařovací čase 220 s, při drsnosti Rmax=0,32 µm. [13]

Cílem další studie bylo využití výhod difuzního svařování (minimální plastické deformace v místě svaru, spojení různých materiálů, kvalita spoje atd.) pro výrobu komponent pro urychlovače částic a dalších zařízení. Vzorky byly testovány za různých podmínek, aby bylo možné posoudit vliv svařovacích parametrů na kvalitu difůze, svařovací časy byly 30, 45 a 60 minut, svařovací teplota byla v rozmezí 700 – 1100°C a zatížení se pohybovalo v rozmezí od 20 do 60 kN. Mezi zvolené materiály patřila nerezová ocel AISI 316 L, bezkyslíkatá měd a vytvrditelná slitina hliníku AW

6061. Svařování probíhalo několikrát s různou kombinací materiálů, Al + Al, 316L + Al, 316L + Cu. Vzorky 316L + Cu byly podrobeny dalším testům např. metalografická analýza, tahová zkouška atd. Testy ukázaly, že k porušení materiálu došlo vždy v měděné části vzorku, nikoliv ve spoji, což dokazuje, že mechanická pevnost spoje byla vyšší, než pevnost základního kovu. Doposud byly testy provedeny pouze se vzorky s kombinací materiálů 316L + Cu. V nejbližší době budou testy provedeny i na dalších vzorcích. [14]

Na univerzitě Firat v Turecku, byla v roce 2006 uskutečněna studie, která zkoumala difuzní spojení dvou ocelí s vysokým obsahem uhlíku v superplastickém teplotním rozmezí. Vzorky prošly tepelným zpracováním, za účelem zjemnění struktury zrn pro lepší spojení v daném teplotním rozmezí. Oceli s vysokým obsahem uhlíku, se používájí v automobilovém průmyslu. Jejich křehkost a náchylnost k tvorbě trhlin, v průběhu tuhnutí při spojení konvenčními metodami, dala impuls k aplikování difuzního svařování. Chemické složení použitých vzorků ukazuje tabulka 4.

Tab. 4 - Chemické složení vzorků použitých při studii [15]

Vzorek

č. C Si Mn P S Cr Ni Al Cu Nb Ti V

1 0,67 0,28 0,50 0,02 0,02 0,06 0,07 0,17 0,13 - - -

2 0,67 0,30 0,48 0,02 0,02 0,07 0,07 0,16 0,14 0,14 0,10 0,20

Difuzní svařování probíhalo pomocí indukčního ohřevu, hodnota vakua byla 10^-4 torr.

Povrchy vzorků byly vyleštěny smirkovým papírem se zrnitostí 1200 a poté vyčištěny ultrazvukem v acetonu. Svařovací tlak byl 2,5 Mpa při svařovacích teplotách 650, 735 a 850°C po dobu 30 minut. Výsledky ukázaly úspěšné spojení ocelí při teplotách 650 a 735°C, naopak při teplotě 850°C bylo difuzní spojení nedostačující, bylo to způsobeno nárůstem velikosti zrna, které zhoršuje a zpomaluje difuzní mechanismy při spojení. [15]

3 Experimentální část

Cíl experimentální části práce byl zaměřen na nalezení vhodných technologických parametrů pro difuzní svařování homogenních a heterogenních svarů u konstrukční oceli S355J2 a nerezové oceli 316L. V první fázi experimentů, bylo nutné najít vhodné technologické parametry pro svařování jednotlivých homogenních svarů. Ve druhé fázi experimentů pak na základě optimalizovaných procesních veličin pro homogenní svary najít vhodné technologické parametry pro heterogenní svary. Nalezení správných technologických parametrů, může zaručit získání lepších mechanickch vlastností spoje než je tomu například u tavných metod svařování a umožní tak větší spektrum využití materiálů v praxi.

3.1 Konstrukční ocel S355J2 (1.0577) a nerezová ocel 316L (1.4404)

Nelegovaná konstrukční jakostní ocel s označením S355J2 je dobře tvářitelná jak za

tepla, tak i za studena. Je vhodná pro svařované konstrukce se statistickým i dynamickým namáháním, pro součástky v energetickém průmyslu, pro výrobu

ohýbaných profilů a trubek. Zaručuje dobrou svařitelnost při nízkých teplotách až do 50°C. Její chemické složení je uvedeno v Tab. 5, mechanické vlastnosti jsou uvedeny v Tab. 6. [16]

Vysokolegovaná nízkouhlíková ocel 316L, je jednou z nejpouživanějších nerezových ocelí. Kvůli vysokému obsahu Ni se řadí mezi austenitické oceli. Celkově má dobrou odolnost proti korozi v průmyslovém a slanném prostředí, svojí odolnost proti mezikrystalické korozi si zachovává i v oblastech tepelného ovlivnění. Je vhodná k tváření za studena a má dobrou třískovou obrobitelnost. Používá se pro svařované

konstrukce v agresivním průmyslovém i přímořském prostředí. Vyskytuje se v potravinářském, zdravotním a chemickém průmyslu. Je vhodná pro výrobu šperků.

Její chemické složení a mechanické vlastnosti jsou uvedeny v Tab.7 a Tab. 8. [17]

Tab. 5 - Chemické složení materiálu S355J2 v % hmot. [18]

Materiál C

max.

Mn max.

Si max.

P max.

S max.

Cu max.

N max.

S355J2 0,24 1,70 0,60 0,035 0,035 0,60 -

Tab. 6 - Mechanické vlastnosti materiálu S355J2 [18]

Materiál Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A50 [%] KV [%]

S355J2 355 450-630 22 27

Tab. 7 - Chemické složení materiálu 316L v % hmot. [19]

Materiál C max.

Mn max.

Si max.

P max.

S max.

Cr max.

Mo max.

Ni max.

Cu max.

316L 0,03 2,00 0,75 0,045 0,03 18 3 14 0,1

Tab. 8 - Mechanické vlastnosti materiálu 316L [19]

Materiál Rp0,2min

[MPa] Rm [MPa] A50 [%] KV [%]

316L 240 530-680 40 -

3.2 Realizace první fáze experimentů - homogenní svary

Pro návrh vstupních technologických parametrů difuzního svařování pro první fázi experimentů, byly čerpány informace z rešerše o aktuálním stavu (viz kapitola 2.16) a ze zkušeností s difuzním svařováním ocelí. Teplota při svařování by měla být v rozmezí 55 až 90% teploty tavení, proto byla pro začátek zvolena hodnota odpovídající 0,7 Ttav, tedy 1050°C (viz kapitola 2.5). Při návrhu dalších vstupních parametrů jako jsou přítlačná síla (tlak) a čas, bylo nutné provést pro jejich navržení a posouzení řadu testů. Pro zjištění vhodné velikosti přítlačné síly byl použit tzv.

kaskádovitý test. Tento test probíhal při teplotě 1050°C a velikost přítlačné síly se pohybovala od 0,5 do 2 kN. Síla se vždy po době výdrže na 1 minutě zvýšila o 0,5 kN, tak jak je to ukázáno na obrázku 14. Cílem bylo najít hranici, kdy se materiál při teplotě 1050°C začne intenzivněji plasticky deformovat.

Obr. 14 - Průběh přítlačné síly (1050°C,0,5-2kN, 10 minut)

Na základě kaskádovitého testu bylo zjištěno, že rychlost deformací je přijatelná až do velikosti síly 1,5 kN, nad tuto hodnotu je rychlost deformací příliš vysoká, z toho důvodu byla zvolena přítlačná síla 1,5 kN pro všechny experimenty první fáze testování. Uvedená síla odpovídá pro vzorky průměru 12 mm přibližně tlaku 13,3 MPa. Pro zjištění vlivu svařovacího času byly pro homogenní svary navrženy časy 20 a 40 minut, tak jak je zřejmé z Tab. 9.

Tab. 9 - Souhr vstupních parametrů první fáze experimentů

Expoziční teplota 1050 [°C] Přítlačná síla 1,5 [kN]

Materiály

Doba svařování [min]

20 [min] 40 [min]

S355J2 / S355J2 X X

316L / 316L X X

3.3 Vzorky a jejich příprava

Pro experimenty byly použity vzorky ve formě válečků o délce l = 50 mm a průměru

∅d=12 mm. Čelní stykové plochy všech válečků byly obrobeny jemným soustružením.

Z důvodu řízení a kontroly teploty v místě spoje je nutné na jeden ze vzorků, připevnit termočlánek (viz Obr.15).

Obr. 15 - Ukázka připevnění řídícího termočlánku na vzorek

Obr. 16 - Ukázka připevnění více termočlánku na vzorek

Protože se ve spojovaných dílech tvoří během experimentu nerovnoměrná teplotní pole s určitým teplotním gradientem, je dobré pro mapování celého procesu umístit řídící termočlánek co nejblíže k místu dotyku spojovaných součástí (cca 0,5 mm od kraje) a pomocí dalších termočlánků mapovat teplotní pole ve směru délky vzorku (viz obrázek 16).

Pro experimenty byly použity termočlánky typu K, patřící mezi nejpoužívanejší termočlánky při testování ve vakuu pro teploty nepřesahující 1250°C. Pro dostatečné připevnění termočlánku na vzorek je nutné, aby místo připevnění bylo dostatečně očištěno smirkovým papírem. Pro samotné připevnění termočlánku na vzorek, bylo využito zařízení Thermocouple Welder určené pro kondenzátorové připojení termočlánků.

3.4 Příprava zařízení a upnutí vzorků

Před upnutím válečků (vzorků) do čelistí, byly vizuálně zkontrolovány samotné válečky a i připevnění řídícího termočlánku na jednom z válečků. Poté byly vzorky upnuty do měděných čelistí s plným kontaktem a vloženy do vakuové komory přístroje Gleeble tak jak je ukázáno na obrázku 17.

Obr. 17 - Pohled na upnuté čelisti se vzorky ve vakuové komoře přístroje Gleeble