Abstrakt
Hlavním cílem této diplomové práce byla optimalizace a návrh tvaru úkosu a procesních parametrů při svařování vysokopevnostních, otěruvzdorných ocelí Hardox 400 při použití metody MAG takovým způsobem, aby byla splněna minimální hodnota průvaru v kořeni o hodnotě 2,5 mm. V teoretické části této diplomové práce je rozebrána problematika svařování metodou MAG včetně vlivu vstupních parametrů na geometrii svaru. Dále jsou zde představeny materiály od švédské společnosti SSAB Hardox, speciálně pak Hardox 400. Poslední část teorie se skládá z informací o problematice svařování těchto materiálů včetně obecných doporučení výrobce SSAB. V experimentální části této diplomové práce je analýza a návrh řešení problému, dále realizace celého experimentu optimalizace tvaru úkosu a procesních parametrů. Na závěr je pak celá problematika graficky vyhodnocena.
Abstract
The main aim of this master thesis was to optimize the shape and design of the weld bevel and process parameters when welding the high strength and wear resistant steels Hardox 400 by using the MAG method so as to satisfy the minimum value of penetration in the root of weld of value 2.5 mm. In the theoretical part, there is analyzed the principal of the MAG welding, including the effects of the input parameters on the geometry of the weld bath. Furthermore there are presented the materials of the Swedish company SSAB the Hardox, especially the Hardox 400.
The last part of theory consists of the information about the problems of welding these materials, including the general recommendations of the manufacturer SSAB.
In the experimental part of this master thesis there is analysing and design the problem solving, furthermore the realization of the full experiment of the optimizing the shape of the bevel and the process parameters. Finally there is whole of the main problem graphically evaluated.
25. 5. 2015
Poděkování:
Rád bych touto cestou poděkoval vedoucímu mé diplomové práce Ing.
Jaromírovi Moravcovi, Ph.D., IWE za cenné rady a připomínky při tvorbě této práce.
Dále bych touto cestou rád poděkoval mému mentorovi Zdeňku Petrovi, IWT za cenné rady při plánování experimentu a při prvních mých krocích v oblasti technologie svařování.
V neposlední řadě obrovské poděkování patří mé rodině, která mě jak psychicky, tak finančně po celé studium podporovala.
Nakonec bych rád poděkoval své přítelkyni, kolegyni, která mi poskytla nemalé množství cenných připomínek při tvorbě této práci.
Bc. Petr Meixner
Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže /SGS21005/ ze strany Technické univerzity v Liberci v rámci podpory specifického vysokoškolského výzkumu.
6
OBSAH
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK ... 8
1. ÚVOD ... 10
2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE ... 11
2.1. Teorie tavného svařování metodou 135 - MAG ... 11
2.1.1. Charakteristika a rozsah použití metody MAG ... 11
2.1.2. Přenosy kovu v oblouku ... 12
2.1.3. Vliv vybraných procesních parametrů na geometrii svaru ... 15
2.1.4. Vliv technologických parametru na geometrii svaru ... 17
2.2. Vysokopevnostní otěruvzdorné oceli Hardox ... 18
2.2.1. Hardox 400 ... 19
2.2.2. Hardox 450 ... 22
2.2.3. Hardox 500 ... 23
2.2.4. Hardox 600 ... 24
2.2.5. Hardox HiTuf ... 25
2.3. Svařování ocelí Hardox ... 27
2.3.1. Přídavný materiál pro svařování ocelí Hardox... 28
2.3.2. Ochranné plyny pro svařování Hardoxu ... 29
2.3.3. Vnesené teplo při svařování ... 30
2.3.4. Základní kritéria svařování a velikost svarové mezery ... 32
2.3.5. Teplota předehřevu a interpass teploty při svařování ocelí Hardoxu ... 33
2.3.6. Ohřev materiálu a kontrola teploty předehřevu ... 36
2.3.7. Doporučení za účelem minimalizace deformací ... 37
2.3.8. Specifikace postupu svařování - WPS ... 38
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST PRÁCE ... 39
3.1. Cíle experimentální části ... 39
3.1.1. Rozdělení experimentální části ... 41
7
3.2. Návrh a realizace experimentální části ... 41
3.2.1. Analýza problematiky a návrh jednotlivých tvarů úkosů ... 42
3.2.2. Příprava vzorků ... 45
3.2.3. Návrh svařovacích parametrů a postupů ... 47
3.2.4. Zařízení a používané procesy při realizaci svařování ... 48
3.2.5. Svařování vzorků ... 49
3.3.6. Monitorování svařovacích parametrů ... 56
2.3.7. Příprava svařenců na metalografické zpracování ... 61
2.3.8 Metalografické zpracování vzorků ... 62
3.3. Vyhodnocení experimentu ... 63
3.3.1. Vyhodnocení svařovaných vzorků ... 63
3.3.2. Vyhodnocení tvrdosti u vybraných vzorků ... 68
3.3.3. Ukázka vyhodnocení vzorku K2P1-50° ... 70
3.4. Grafické vyhodnocení experimentů ... 72
4. ZÁVĚR ... 84
5. SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ... 87
PŘÍLOHA ... 89
SEZNAM PŘÍLOH ... 90
8
SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK
A5, A50 - značení tažnosti [%]
Ar - chemická značka argonu
AWS - zkratka American Welding Society B - chemická značka bóru
C - chemická značka uhlíku
C1 - zkratka pro ochrannou atmosféru čistého CO2
CO2 - sumární vzorec oxidu uhličitého CET, CEV - uhlíkový ekvivalent
CNC - zkratka číslicové řízení pomocí počítače Cr - chemická značka chrómu
ČSN - zkratka Česká technická norma EN - zkratka Evropská norma FCAW - svařování plněným drátem
HB - zkratka tvrdosti dle Brinella [HB]
HD - zkratka difúzní vodík [ml·g-1]
HNO3 - sumární vzorec kyseliny dusičné
ISO - zkratka mezinárodní organizace pro normalizaci
I - svařovací proud [A]
M12 - metrický závit s průměrem 12 mm M21 - zkratka pro směsnou atmosféru Ar + CO2
MAG - svařování tavící se elektrodou v aktivní atmosféře MCAW - svařování plněným drátem
MIG - svařování tavící se elektrodou v inertní atmosféře MMA - svařování obalenou elektrodou
Mn - chemická značka manganu Mo - chemická značka molybdenu
9 Nb - chemická značka niobu
Ni - chemická značka niklu
η - koeficient tepelné účinnosti [-]
O2 - chemická značka atomárního kyslíku
OK - zkratka jména Oscar Kjellberg u produktů ESAB P - chemická značka fosforu
PA - poloha svařování dle ČSN EN ISO 6947 pWPS - předběžná specifikace postupu svařování
P K min - minimální průvar v kořeni [mm]
P D min - minimální průvar do dolní plochy úkosu [mm]
P H min - minimální průvar do horní plochy úkosu [mm]
Q - vnesené teplo [kJ·mm-1]
RP0,2 - smluvní mez kluzu [MPa]
Rm - mez pevnosti [MPa]
S - chemická značka síry
SAW - svařování pod tavidlem
s - tloušťka materiálu [mm]
Si - chemická značka křemíku
SiO2 - sumární vzorec pro oxid křemičitý SSAB - zkratka výrobce švédské oceli Ti - chemická značka titanu
TIG - svařování netavící se elektrodou v inertním plynu tgh - funkce hyperbolický tangens
TOO - zkratka tepelně ovlivněná oblast
TP - teplota předehřevu [°C]
U - svařovací napětí [V]
WPS -Specifikace postupu --svařování
10
1. ÚVOD
Trendem dnešní doby je neustálé zvyšování efektivity a jakosti ve strojírenské výrobě. Zákazníci požadují produkty v co nejvyšší možné kvalitě.
To s sebou nese stále se zvyšující požadavky na kovové materiály, které musí vyhovovat náročným průmyslovým aplikacím. Proto je kladen důraz na výrobu takových ocelí, které v sobě snoubí pevnostní vlastnosti s dostatečnou houževnatostí a dalšími požadovanými technologickými aspekty. Jedním z odvětví strojírenství, kde jsou neustále zvyšující se požadavky na kvalitu ocelí, je výroba stavebních a zemědělských strojů a k nim určených přídavných zařízení. Tyto stroje jsou velmi často aplikovány v takovém prostředí, ve kterém nemohou běžně užívané konstrukční materiály dlouho odolávat. Naštěstí pro zmíněné odvětví vyvinuli materiáloví inženýři ze Švédského království ve společnosti SSAB materiály Hardox, Weldox a další. Hardox je materiál s vynikajícími mechanickými vlastnostmi a podmíněně dobrou svařitelností, který je vhodný pro aplikace do vysoce abrazivního prostředí kombinovaného s dynamickými rázy. Pro svařování skupiny těchto materiálu je nejhojněji používaná metoda dle normy ČSN EN ISO 6947 135 - MAG. Velmi často se stává, že je nutné svařovat materiály Hardox s velkou tloušťkou. V takovém případě je třeba upravovat svarové plochy a tomu uzpůsobovat technologické postupy takovým způsobem, aby byly splněny požadavky na jakost, pevnost a tuhost konstrukce. Avšak svařování s sebou někdy nese riziko možného vzniku problémů, jakými jsou například nedostatečné průvary v úzkých úkosech.
V teoretické části této diplomové práce je popsána problematika svařování metodou 135 – MAG, dále je zde představena skupina materiálů Hardox a to především Hardox 400. V poslední části teorie je podrobně popsána problematika svařování materiálů Hardox.
11
2. TEORETICKÁ ČÁST PRÁCE
2.1. Teorie tavného svařování metodou 135 - MAG
Svařování metodou MAG se řadí mezi technologie, kde se elektroda aktivně podílí na vlastním svařovacím procesu. Navíc je tato metoda součástí skupiny svařovacích technologií v ochranných atmosférách, kde svařovací oblouk vzniká mezi nekonečným svařovacím drátem (anodou) a svařencem (katodou). Oblouk a svarová lázeň jsou chráněny proudem aktivní ochranné atmosféry. Tato metoda je dnes využitelná pro velice širokou škálu materiálů, proto jsou dodávané přídavné materiály k dispozici pro široký sortiment kovů. Obrovskou výhodou této metody tavného svařování je její vysoká produktivita. Proto je v dnešní době velice rozšířená jak v automobilovém, tak i těžkém průmyslu a tam, kde je vyžadován velký podíl ručního svařování.
V dnešní době je hlavním trendem automatizace a robotizace svařování v automobilovém průmyslu, z druhé strany optimalizace a svařování vysokými výkony v těžším průmyslu. Proto je pro tuto metodu vyráběn široký sortiment zařízení. Svařovací zařízení určené pro metodu MAG mohou být monofunkční (zahrnuta i metoda MIG), nebo multifunkční, kdy zařízení umožňuje použít i metody svařování jakou jsou TIG a metoda svařování obalenou elektrodou - MMA.
Tato metoda s sebou nese také negativa, mezi které se řadí riziko vzniku studených spojů, poměrně velký rozstřik svarového kovu či možnost vypálení legur ze základního materiálu. Dále se tato metoda vyznačuje relativně velkou intenzitou UV záření, které je zdraví škodlivé. [16]
2.1.1. Charakteristika a rozsah použití metody MAG
Metoda tavného svařování 135 MAG je použitelná pro všechny polohy svařování dle normy ČSN EN ISO 6947. Je vhodná především pro svařování nelegovaných, nízkolegovaných a vysokolegovaných ocelí s tloušťkou 0,8 až 40, ale i více mm. Svařuje se stejnosměrným proudem, přičemž elektroda – přídavný materiál je připojen na kladný pól. Zdroje mají plochou V-A charakteristiku. Pro tuto metodu jsou charakteristické vysoké proudové hustoty v rozmezí 100 – 600 A·mm-2 při hodnotách proudu dosahujících až 800 A. To je hlavní příčina toho, že je při aplikaci této metody dosahováno vysokých svařovacích rychlostí a výkonů odtavení, velké produktivity a hlubokých závarů. Obvykle se do hodnoty
12
svařovacího proudu 380 A svařuje manuálně a nad 400 A v plně automatizovaných procesech, kde se v praxi používají dráty o průměrech 1,2 a 1,4 mm. Proto dost často nebývá problém dosahovat k tavným výkonům i více než 20 kg·h-1. [16]
2.1.2. Přenosy kovu v oblouku
Přenosové jevy v oblouku jsou jedním z mnoha vstupních procesních parametrů svařování a jsou řízeny elektromagnetickými silami, přičemž kapky kovu jsou přenášeny obloukem rychlostí kolem 100 m·s-1 za teploty v rozmezí 1700 – 2500°C. Teplota svarové lázně se pohybuje v oblasti 1600 – 2100°C. Přenos kovu obloukem je rozdělen na několik typů a je ovlivňován ve značné míře zvolenou ochrannou atmosférou, která je volena dle druhu a doporučení výrobců základních materiálů. Dále je charakter přenosu kovu závislý na druhu přídavného materiálu a v neposlední řadě na technice svařování. Na obr. 2.1.-1 jsou oblasti různých charakterů přenosu kovu v závislosti na velikosti svařovacího napětí a proudu. [16]
Obr. 2.1.-1 Charaktery přenosu kovu v závislosti na svařovacím napětí a proudu [16]
Krátký oblouk se zkratovým přenosem kovu se uplatňuje u svařovacího proudu v rozmezí 60 – 180 A a hodnota napětí se pohybuje mezi 14 – 22 V.
Odtavovací výkon se pohybuje při tomto charakteru přenosu v rozmezí 1 – 3 kg·h-1. Dochází zde k přerušování oblouku zkratem, přičemž se odděluje část kovu elektrody. Zkratový přenos je uskutečnitelný ve všech ochranných atmosférách a podmínkou tohoto procesu jsou dynamické vlastnosti zdroje, které umožňují proudovou špičku vhodné velikosti. Při použití čistého CO2
13
je třeba nastavovat na zdroji napětí o 2 – 3 V vyšší než při použití směsi Ar + CO2, naopak u směsi kde je obsažen O2 je nutné nastavit napětí o 1 – 2 V nižší. Zkratový přenos je využíván především v oblastech svařování tenkých plechů, kořenových vrstev tupých svarů, k překlenutí širších meze a v neposlední řadě při svařování ve všech polohách. [16]
Krátký oblouk se zrychleným zkratovým přenosem kovu je charakteristický tvorbou malých kapek svarového kovu. Je uskutečnitelný pouze u směsí Ar, zpravidla s 8% CO2. Dále se tento charakter projevuje neobvyklými parametry, které u napětí odpovídají zkratovému přenosu (14 – 25 V) a u proudu se pohybují v oblasti nad 200 A. Rychlost podávání drátu odpovídá již oblasti sprchového přenosu. Tento proces bývá označován jako Rapid Arc, který je charakteristický větším výletem drátu – hodnoty v rozmezí 25 – 30 mm. Tento typ přenosu je opět vhodný pro všechny polohy, umožňuje svařovat s vysokým odtavovacím výkonem a velkou svařovací rychlostí. [16]
Přechodový dlouhý oblouk s nepravidelnými zkraty – kapkový vzniká při proudových hodnotách v rozmezí 190 – 300 A a napětí 22 – 28 V.
Projevuje se výrazně v ochranné atmosféře čistého CO2, jež způsobuje velké povrchové napětí a velký rozstřik svarového kovu, který vzniká při nepravidelných zkratech a mimoosém vymrštění kapky kovu. Tento charakter přenosu kovu se nedoporučuje v praxi vůbec používat. [16]
Dlouhý oblouk se sprchovým bezzkratovým přenosem se vyznačuje typickými hodnotami svařovacího proudu v rozsahu 200 – 500 A a napětí 28 – 40 V. Tento přenos nelze realizovat v čistém CO2 z důvodů vysokých hodnot povrchového napětí. Proto jsou používány směsi Ar s CO2 či O2 s minimálním 80 % podílem Ar, nebo čistého Ar při svařování neželezných kovů. Charakteristické pro tento přenos je, že díky snadné ionizaci plynu obklopuje plazma i konec tavící se elektrody, což způsobuje rychlý ohřev drátu tvořící následně ostrý hrot. Další atributem je dlouhý výlet svařovacího drátu, který činí 15x násobek průměru drátu, to přispívá předehřevu drátu vlivem odporového tepla. Díky tomu jsou účinkem magnetického pole ustřiženy vytvořené drobné kapky, jež jsou zároveň osově urychleny ve vysoké frekvenci 130 - 350 Hz směrem k tavné lázni. Průběh proudu je během celé periody oddělování kapek vcelku konstantní, nicméně
14
v okamžiku přerušení můstku mírně narůstá. Oblouk během hoření nezhasíná a do základního materiálu se vnáší velké množství tepla. Proto je tento přenos kovu charakteristický velkou hloubkou závaru, která roste lineárně se vzrůstající hodnotou proudu. Výkon odtavení se pohybuje mezi 3 – 12 kg·h-1, cože je 4x vyšší hodnota než u zkratového přenosu. Mezi další přednosti tohoto přenosu kovu patří hladký povrch svarové housenky s čistým přechodem do základního materiálu, a to vše bez rozstřiku.
Nevýhoda je omezené využití při svařování v polohách. [16]
Impulsní bezzkratový přenos je zvláštní modifikace bezzkratového přenosu kovu. Parametry svařování zde překrývají oblast zkratového a sprchového přenosu. Průběh přenosu je řízen elektronickou cestou, má pravidelný cyklus daný frekvencí amplitudy impulsního proudu, která se pohybuje mezi 25 - 500 Hz, výjimečně až 1 kHz. Základní proud je nízký od 20 - 50 A, jeho hlavní funkcí je udržení ionizovaného prostředí ve sloupci oblouku a tím tedy i vedení proudu. Naproti tomu impulsní proud je libovolně stavitelný, je tvarově i časově řízený. Výhodou tohoto procesu je vnesení menšího množství tepla do základního materiálu, čehož je s výhodou využíváno při svařování materiálů náchylných na tepelnou degradaci. Mezi další výhody se řadí možnost svařování s dráty větších průměru, které jsou levnější, výkon odtavení se pohybuje mezi 2 - 5 kg·h-1. Svarová housenka má pravidelnou a jemnou kresbu. Nevýhodou tohoto procesu je omezení použití při svařování v polohách. [16]
Moderovaný bezzkratový přenos se řadí mezi vysokovýkonné metody svařování, někdy také označované jako RAPID MELT. Je charakteristický výrazně zvýšeným napětím v rozmezí 40 - 50 V a svařovacím proudem 450 - 750 A. Odpovídá tomu také vysoká rychlosti posuvu drátu pohybující se v rozmezí 20 - 45 m·min-1, a tím je zvýšen také výkon odtavení až na 25 kg·h-1. Hlavní výhodou této metody je možnost vysokých rychlostí svařování i velkých tlouštěk svařovaného materiálu. [16]
Dlouhý oblouk s rotujícím přenosem kovu je téměř shodný s moderovaným, odlišný je jen ve zvýšeném napětí na oblouku a to až na 65 V a dále větším výletu drátu nad 20 mm. Drát je vlivem odporového tepla předehříván téměř na teplotu tavení a jeho vysoce plastický konec je vlivem intenzivního magnetického pole roztáčen a odtavující kapky
15
vytvářejí kuželovou plochu. Výhodou rotujícího oblouku je velmi dobrý závar do boků svarových ploch a je vytvářen hluboký a široký svar miskovitého tvaru. [16]
2.1.3. Vliv vybraných procesních parametrů na geometrii svaru
Procesní parametry se řadí mezi největší skupinu proměnných, pro něž je charakteristické to, že se nastavují a volí před svařovacím procesem a dále je možné tyto parametry korigovat i během vlastního procesu. Tyto parametry jsou z velké části závislé na parametrech a možnostech zdroje. Mezi základní procesní parametry se řadí svařovací napětí a proud a dále rychlost svařování. Pomocí těchto parametrů lze vyjádřit celkové množství vneseného tepla do svaru, nebo množství vneseného tepla vztažené na jednotku délky, tak jak je uvedeno ve vzorci (2. 3.-1).
Dalšími parametry, které ovlivňují geometrii svaru, jsou rychlost podávání drátu, proudění a vedení ve svarové lázni, proudová hustota, druh polarity, výlet drátu, sklon a způsob vedení hořáku, množství a složení ochranné atmosféry, poloha svařování a v neposlední řadě charakter přenosu kovu v oblouku. [16]
Svařovací proud a proudová hustota jsou parametry, které spolu úzce souvisí. Na tvar průřezu svaru a na charakter přenosu kovu při svařování má největší vliv velikost svařovacího proudu, přičemž s růstem proudu roste také proudová hustota, velikost a tekutost svarové lázně, odtavovací výkon a součinitel tavení. Dále se při současném zvyšování proudu a konstantním napětí zvětšuje výrazný růst hloubky závaru s relativně malým růstem šíře housenky a převýšení. Svařovací proud výrazně ovlivňuje charakter přenosu kovu v oblouku. Proudová hustota je udávaná v jednotkách A·mm-2, z čehož vyplývá, že při konstantní hodnotě proudu a zmenšujícím se průměru drátu hodnota proudové hustoty roste. Na obr. 2.1.-2 je vliv velikosti proudu na tvar průřezu svaru. [16]
16
Obr. 2.1.-2 Vliv velikosti proudu na tvar průřezu svaru [16]
Svařovací napětí na oblouku je rozdíl potenciálů mezi elektrodou a povrchem svarové lázně. Velikost tohoto parametru je závislá na délce oblouku a na odtavovací výkon má jen minimální vliv. Napětí výrazně ovlivňuje šíři svarové lázně avšak hloubku závaru jen málo. Napětí na oblouku má výrazný vliv na dosažení optimálních podmínek samoregulace oblouku a jeho ustáleného hoření a dále má vliv na charakter přenosu kovu.
Nízká hodnota napětí může vést k destabilizaci procesu a ke vzniku úzkých svarových lázní s velkým převýšením hlavně při velkých rychlostech svařování. Může taktéž způsobit nedokonalé natavení svarových hran a vznik studených spojů. Naopak vysoká hodnota může vést ke vzniku pórovitosti a propalování základního materiálu. Na obr. 2.1.-3 je vliv velikosti napětí na tvar průřezu svaru. [16]
Obr. 2.1.-3 Vliv velikosti napětí na tvar průřezu svaru [16]
Rychlost svařování se řadí mezi další parametry, které ovlivňují tvar průřezu svaru. Se zvyšující se hodnotou rychlosti se snižuje tepelný příkon svařování na jednotku délky svaru. To má za následek ovlivňování tvaru a rozměru svarové lázně a zvyšující se rychlost ochlazování svarů. Se zvyšující se hodnotou postupové rychlosti se snižuje šířka svarové lázně a současně roste převýšení svaru. Dále se mírně zvětšuje průvar, a to až do hodnoty takové svařovací rychlosti, kdy je ještě možné natavovat svarové plochy.
Když se však překročí tato mezní hodnota, velikost průvaru klesá.
17
U procesního parametru, jakým je rychlost svařování, je nutné mít vždy na vědomí, že tento parametr úzce souvisí s nastaveným tavným výkonem.
Proto je vždy nutné pro zaručení dostatečného protavení korigovat hodnoty tavného výkonu dle hodnot svařovací rychlosti. [17]
2.1.4. Vliv technologických parametru na geometrii svaru
Technologické parametry tvoří další velkou skupinu proměnných, které vstupují do vlastního procesu svařování. Pro tuto skupinu parametrů je typické, že jsou předepisovány na základě vlastností základního materiálu, předepsaných konstrukčních řešení svarových spojů a dále podmínek provozu budoucího produktu.
Mezi základní technologické parametry patří:
o Druh a průměr drátu
o Druh a množství ochranného plynu
o Tvar a rozměry svarových ploch (typy svarů) o Předehřev, interpass teplota a dohřev
o Tepelné zpracování svařence
V předešlé kapitole zmíněné procesní parametry jsou právě do značné míry ovlivňovány parametry technologickými. Proto tyto parametry výrazně ovlivňují výslednou geometrii a jakost svaru. [18]
Druh a průměr přídavného materiálu – tavící se elektrody je jeden ze základních důležitých technologických parametrů. Obecně je známo, že větší průměr drátu vyžaduje větší svařovací proud. Pokud se u drátu s větším průměrem požaduje, aby bylo dosaženo stejné proudové hustoty jako u drátu s menším průměrem, musí být ekvivalentně k tomu navýšen svařovací proud. Například při zachování stejných hodnot proudu dojde při změně průměru drátu z 0,8 na 1 mm k poklesu proudové hustoty o 36% a u průměru 1,2 mm dokonce o 56%. U drátů menších průměru je větší součinitel tavení a při konstantním proudu je jak při krátkém, tak i dlouhém oblouku přenášen větší počet kapek do oblouku. Tyto aspekty se příznivě projevují u kořenových a vícevrstvých svarů, kdy je možné dosáhnout díky zvýšenému počtu kapek větší hladkosti povrchu svarů při menším svařovacím proudu.
Při volbě druhu přídavného materiálu je vždy nutné zohledňovat požadavky výrobců základních materiálů a při výběru průměru drátu lze vycházet z tloušťky základního materiálu, druhu spoje, polohy svařování a typu
18
ochranné atmosféry. V těžší strojírenské výrobě jsou zpravidla používány dráty následujících průměrů: 0,8; 1; 1,2; a 1,4 mm. Dráty s průměrem 0,6 a 1,6 mm jsou používány zřídka. [18]
2.2. Vysokopevnostní otěruvzdorné oceli Hardox
Dnešní doba s sebou nese stále se zvyšující požadavky na kovové materiály, které musí vyhovovat náročným průmyslovým aplikacím. Proto je kladen důraz na výrobu takových ocelí, které v sobě snoubí pevnostní vlastnosti s dostatečnou houževnatostí a dalšími požadovanými technologickými aspekty. Mezi takovéto materiály jistě patří vysokopevnostní otěruvzdorné oceli. Tyto materiály jsou charakteristické vlastnostmi, jako je odolnost vůči mechanickým abrazivním vlivům, vysoká houževnatost při nízkých teplotách, svařitelnost a v neposlední řadě také únavová pevnost. Významnými představiteli ocelí patřících do této kategorie jsou především vysokopevnostní otěruvzdorné oceli s obchodním názvem Hardox, dále vysokopevné oceli s obchodním názvem Weldox, Armox, Domex a Toolox. První dvě zmíněné oceli jsou na trhu již několik let a jsou si svým chemickým složením a obdobným tepelným zpracováním velice blízké. Hardox je materiálem odolávajícím otěru, naopak Weldox je vysokopevný materiál s výbornou svařitelností. V obou případech se jedná o tepelně zpracované materiály s nízkým obsahem uhlíku a legujících prvků, aby při vysokých hodnotách pevnosti respektive tvrdosti byla zajištěna jejich zpracovatelnost a to zejména svařitelnost a tvářitelnost.
Největší rozdíl mezi těmito dvěma materiály je v tepelném zpracování, které následuje po kalení. Hardox se zpravidla po kalení nepopouští nebo se popouští na nízké teploty kolem 200°C pro zachování tvrdosti. Naproti tomu oceli Weldox se popouštějí na teploty kolem 600°C. Vyšší popouštěcí teplota je nevýhodná, protože u těchto ocelí vzniká jiný poměr mezi pevností a houževnatostí. Úroveň houževnatosti se zvyšuje na úkor pevnosti, respektive tvrdosti. [1]
Hardox je jedinečný druh ocelí vyráběný švédskou firmou SSAB Oxelösund.
Jedná se o legované vysokopevnostní otěruvzdorné oceli pro široké spektrum uplatnění ve strojírenské výrobě. Tyto oceli jsou dodávány v mnoha modifikacích, které se liší zejména množstvím legur, dále jsou odlišeny třímístným číselným kódem, který udává střední zaručenou hodnotu tvrdosti oceli podle Brinella.
Základní řada obsahuje typy ocelí s označením 400, 450, 500 a 600. Čím vyšší je toto trojčíslí, tím je vyšší zaručená tvrdost a otěruvzdornost oceli i její pevnost
19
v tahu. Se zvyšující se hodnotou číselného označení naopak klesá tažnost a houževnatost daného materiálu a zhoršuje se (z důvodu chemického složení) také svařitelnost oceli. Dalším materiálem této skupiny je Hardox HiTuf pro náročné aplikace.[2]
Hutní zpracování tohoto typu ocelí probíhá ve více fázích. Nejprve je Hardox válcován za tepla při teplotě 1250°C, přičemž na materiál působí válce silou až 100 000 kN. Poté je válcovaný polotovar schlazen a řezán, případně stříhán na přesné rozměry. Dalším krokem je ohřev materiálu na teplotu cca 900°C a po výdrži následuje přímé ochlazení ve vodě na kalící lince. Materiály Hardox nachází široké uplatnění jako otěruvzdorný i konstrukční materiál současně.
Výhodou těchto materiálů je výroba velké škály tlouštěk plechů, které se vyrábějí v rozmezích od 3 do 130 mm. V neposlední řadě je důležitou vlastností vysoká houževnatost při nízkých teplotách. [3, 9]
Oceli typu Hardox jsou využívány především při stavbě přídavných zařízení zemědělských a stavebních strojů a zařízení, korečků rýpadel, drtičů a dále při výrobě koreb nákladních automobilů. Příklad využití těchto materiálů je na obrázku 2.2.-1. [1]
Obr. 2.2.-1 Příklad aplikace materiálu Hardox [20]
2.2.1. Hardox 400
Hardox 400 je otěruvzdorný materiál s tvrdostí v rozmezí 370 - 430 HB a je předurčen pro aplikace, které kladou nároky na odolnost proti oděru s dobrou vrubovou houževnatostí při nižších teplotách. Patří mezi dobře svařitelné materiály s dobrou tvářitelností za studena. Aplikuje se zejména při výrobě lžic bagrů, drtičů,
20
sít, podavačů, dopravníků, břitů, výsypných kontejnerů, nákladních vozidel, rypadel a v neposlední řadě potrubních systémů a lisů. Často se tato ocel kombinuje s dalšími konstrukčními materiály, jako jsou S355J2, S690QL či dalšími typy Hardoxu. Tento materiál se vyrábí v rozsahu tlouštěk 4-130 mm.[3]
Chemické složení Hardoxu 400 není konstantní, mění se v závislosti na tloušťce plechu. Je to dáno zaručením prokalitelnosti i ve větších tloušťkách a úsporou legujících prvků u tlouštěk menších. Při výpočtech teplot počátku MS a konce MF martenzitické transformace by nemělo být nikdy užito maximálních obsahů legujících prvků uvedených v materiálových listech. Jsou to většinou jen teoretické hodnoty vzdálené realitě. Chemické složení Hardoxu 400 je uvedeno v následující tab. 2.2.-1. [4]
Tab.2.2.-1 Chemické složení Hardox 400 [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
C max
[%]
Si max [%]
Mn max [%]
P max [%]
S max [%]
Cr max [%]
Ni max
[%]
Mo max
[%]
B max [%]
4-10 0,14 0,7 1,6 0,025 0,01 0,3 0,25 0,25 0,004 10-20 0,14 0,7 1,6 0,025 0,01 0,5 0,25 0,25 0,004 20-32 0,18 0,7 1,6 0,025 0,01 1 0,25 0,25 0,004 32-51 0,22 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 0,5 0,6 0,004 51-80 0,27 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1 0,6 0,004 80-130 0,32 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1,5 0,6 0,004
S chemickým složením dané oceli souvisí samozřejmě i svařitelnost. Tato problematika bude podrobněji uvedena v následující kapitole. Je však nutno se zmínit o teplotě předehřevu, kterou určují dva důležité faktory. Jsou to ekvivalentní obsahy uhlíku a legujících prvků v základním materiálu vyjádřené tzv. uhlíkovým ekvivalentem a pak tloušťka svařovaného materiálu. Aby bylo možné vypočíst teploty předehřevu, je nejprve nutno stanovit uhlíkový ekvivalent dané oceli. Způsobů stanovení uhlíkového ekvivalentu a následné teploty předehřevu existuje celá řada a jsou podrobně popsány v kapitole 2.3.6. V materiálových listech Hardoxu jsou uvedeny ekvivalenty CEV a CET, vypočítané v souladu se vzorci 2.3.-2 a 2.3.-3 z kapitoly 2.3.6. V tabulce 2.2.-2 jsou uvedeny hodnoty uhlíkových ekvivalentů vypočtených dle uvedených rovnic.
21
Tab. 2.2.-2 Uhlíkové ekvivalenty dle chemického složení [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
CEV CET 4-10 0,33 0,23 10-20 0,37 0,26 20-32 0,48 0,29 32-51 0,58 0,35 51-80 0,62 0,41 80-130 0,7 0,48
Jak je zřejmé z tabulky 2.2.-2, uhlíkové ekvivalenty CEV a CET dávají rozdílné výsledky. Je proto nutné srovnávat mezi sebou vždy pouze stejný typ uhlíkového ekvivalentu. Bohužel není jednoduché specifikovat jejich doporučené hodnoty a to právě kvůli rozdílnému chemickému složení při různých tloušťkách materiálu. Podrobnější informace o svařování budou uvedeny v kapitole 2.3.
Mezi další důležité údaje specifikující daný materiál patří mechanické vlastnosti.
Ty jsou pro ocel Hardox 400 tloušťky 20 mm uvedeny v následující tab. 2.2.-3..
Dalším kritériem, které tento materiál musí splňovat, jsou hodnoty vrubové houževnatosti. Hodnoty testu Scharpyho kladivem naleznete níže v tab. 2.2.-4. Tvar testovacího vrubu je ve tvaru písmena V.
Tab. 2.2.-3 Mechanické vlastnosti Hardox 400 pro plech tl. 20 mm [4]
Mez kluzu Rp0,2
[MPa]
Mez pevnosti Rm
[MPa]
Prodloužení A5 [%] A50 [%]
1000 1250 10 16
Tab. 2.2.-4 Vrubová houževnatost Hardox 400 pro plech tl. 20 mm [4]
Typická hodnota pro tloušťku plechu 20 mm
Testovací teplota [°C]
Rázová energie [J]
-40 45
Tvrdost plechů z Hardoxu se provádí zkouškou dle Brinella dle ČSN EN ISO 6506-1.
22
Jak bylo již zmíněno, mechanických vlastností Hardoxu 400 je dosaženo kalením. To má však za následek limitované využití tohoto materiálu při vyšších teplotách, které by neměli být vyšší než 250°C. Nad hranicí této teploty ztrácí materiál své dobré vlastnosti. [4,5] Příklad aplikace Hardox 400 je na obr. 2.2.-2.
V následujících kapitolách budou krátce představeny další typy ocelí nesoucí označení Hardox.
Obr. 2.2.-2 Příklad aplikace Hardox 400 - podkopová lžíce bagru [21]
2.2.2. Hardox 450
Hardox 450 jeden nejmladších členů z této skupiny konstrukčních materiálů s tvrdostí v rozmezí 425-475 HB. Je vyráběn nejčastěji ve formě plechů v tloušťkách 0,7-2,1 mm a 3-130 mm. Od typu 400 se tento materiál liší zejména zvýšenou tvrdosti, která s sebou nese také zvýšenou otěruvzdornost. Zvýšení tohoto parametru je dosaženo zvýšením obsahu uhlíku v dané tloušťce. Hardox 450 je vhodný pro tváření za studena a disponuje velmi dobrou svařitelností. Hardox 450 v dnešní době postupně nahrazuje v mnoha aplikacích řadu 400 a to hlavně díky zvýšené otěruvzdornosti. [3, 4, 6]
U tenkých plechů v rozmezí 0,7-2,1 mm je dodán malý podíl Ti a to maximálně do 0,05 %. [4] V tab. 2.2.-5 je chemické složení Hardoxu 450.
23 Tab. 2.2.-5 Chemické složení Hardox 450 [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
C max [%]
Si max [%]
Mn max [%]
P max
[%]
S max [%]
Cr max
[%]
Ni max
[%]
Mo max [%]
B max
[%]
0,7-2,1 0,18 0,25 1,3 0,015 0,004 0,1 0,1 0,04 0,003 3-8 0,19 0,7 1,6 0,025 0,01 0,25 0,25 0,25 0,004 8-20 0,21 0,7 1,6 0,025 0,01 0,5 0,25 0,25 0,004 20-40 0,23 0,7 1,6 0,025 0,01 1 0,25 0,25 0,004 40-50 0,23 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 0,25 0,6 0,004 50-80 0,26 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1 0,6 0,004
V tab. 2.2.-6 jsou uhlíkové ekvivalenty Hardox 450 a dále v tab. 2.2.-7 jsou uvedeny mechanické vlastnosti Hardoxu 450 a v tabulce 2.2.-8 jsou hodnoty vrubové houževnatosti.
Tab. 2.2.-6 Uhlíkové ekvivalenty Hardox 450 dle chemického složení [4]
Tab. 2.2.-7 Mechanické vlastnosti Hardox 450 pro plech tl. 20 mm [4]
Mez kluzu Rp0,2 [MPa]
Mez pevnosti Rm [MPa]
Prodloužení A5 [%]
1200 1400 10
Tab. 2.2.-8 Vrubová houževnatost Hardox 450 pro plech tl. 20 mm [4]
Typická hodnota pro tloušťku plechu 20 mm
Testovací teplota [°C]
Rázová energie [J]
-40 40
2.2.3. Hardox 500
Hardox 500 je materiál, který umožňuje výrobu prvků, po kterých je vyžadována velmi vysoká životnost a budou aplikovány na velmi tvrdé horniny a minerály. Tato ocel je vyráběná v rozsahu tlouštěk 4-80 mm. Tvrdost tohoto
Tloušťka materiálu
[mm]
CEV CET 3-8 0,41 0,30 8-20 0,47 0,34 20-40 0,57 0,37 40-50 0,59 0,36 50-80 0,72 0,41
24
materiálu se pohybuje v rozmezí 470-530 HB pro tloušťky 4-26 mm a 450-540 HB pro 26-80 mm silné plechy. [3,4] V tabulce 2. 2.-9 je chemické složení Hardox 500, v tab. 2.2.-10 jsou uvedeny uhlíkové ekvivalenty Hardox 500. V dalších tabulkách 2.2.-11 a 12 jsou mechanické vlastnosti a vrubová houževnatost Hardox 500.
Tab. 2.2.-9 Chemické složení Hardox 500 [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
C max
[%]
Si max [%]
Mn max [%]
P max [%]
S max [%]
Cr max [%]
Ni max
[%]
Mo max
[%]
B max [%]
4-13 0,27 0,7 1,6 0,025 0,01 1 0,25 0,25 0,004 13-26 0,29 0,7 1,6 0,025 0,01 1 0,50 0,3 0,004 26-40 0,29 0,7 1,6 0,025 0,01 1 1 0,6 0,004 40-80 0,30 0,7 1,6 0,025 0,01 1,4 1,5 0,6 0,004
Tab.2.2.-10 Uhlíkové ekvivalenty Hardoxu 500 dle chemického složení [4]
Tab. 2.2.-11 Mechanické vlastnosti Hardox 500 pro plech tl. 20 mm [4]
Mez kluzu Rp0,2
[MPa]
Mez pevnosti Rm
[MPa]
Prodloužení A5
[%]
1300 1550 8
Tab. 2.2-12 Vrubová houževnatost Hardox 500 pro plech tl. 20 mm [4]
Typická hodnota pro tloušťku plechu 20 mm
Testovací teplota [°C]
Rázová energie [J]
-40 30
2.2.4. Hardox 600
Hardox 600 je jeden z mála vyráběných materiálů, který dosahuje úctyhodné tvrdosti 560-640 HB. Předností této oceli je, že nabízí extrémní tvrdost při vysoké úrovni houževnatosti ve srovnání s dalšími tvrdými materiály, jako jsou bílá litina
Tloušťka materiálu
[mm]
CEV CET 4-13 0,58 0,40 13-26 0,60 0,42 26-40 0,65 0,43 40-80 0,73 0,46
25
či keramika. Tento materiál se řadí mezi jeden z nejnovějších od výrobce SSAB Oxelösund AB a mezi první komerčně vyráběnou ocel v oblasti tlustých plechů zaručující tvrdost v blízkém okolí 600 HB. Tato ocel je schopna řešit problémy otěruvzdornosti tam, kde horniny obsahují vysoký obsah SiO2 nebo přímo v jeho prostředí. [3, 4] V tab. 2.2.-13 je chemické složení Hardoxu 600. Dále v tab. 2.2.-14 a 15 jsou uhlíkové ekvivalenty Hardox 600.
Tab. 2.2.-13 Chemické složení Hardox 600 [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
C max [%]
Si max [%]
Mn max [%]
P max
[%]
S max
[%]
Cr max
[%]
Ni max
[%]
Mo max [%]
- 0,48 0,7 1 0,015 0,01 1,2 2,5 0,8 Tab. 2.2.-14 Uhlíkové ekvivalenty Hardox 600 pro tl. 20 mm [4]
V dalších tab. 2.2.-15 mechanické vlastnosti Hardoxu 600 a v tab. 2.2.-16 hodnoty vrubové houževnatosti Hardox 600.
Tab. 2.2.-15 Mechanické vlastnosti Hardox 600 pro plech tl. 20 mm [4]
Mez kluzu Rp0,2
[MPa]
Mez pevnosti Rm
[MPa]
1650 1860
Tab. 2.2.-16 Vrubová houževnatost Hardox 600 pro plech tl. 20 mm [4]
Typická hodnota pro tloušťku plechu 20 mm
Testovací teplota [°C]
Rázová energie [J]
-40 20
2.2.5. Hardox HiTuf
Hardox HiTuf je otěruvzdorná ocel s extrémně vysokou odolností proti vzniku trhlin a vrubovou houževnatostí. Tato ocel je vhodná pro aplikaci tam, kde jsou otěruvzdorné díly vystaveny velkým rázům. Tedy v místech upínání
Tloušťka materiálu
[mm]
CEV CET 20 0,82 0,58
26
přídavných zařízení nebo v konstrukci bouracích čelistí. Velice často se aplikuje v kombinaci s dalšími typy Hardoxu jako jsou řady 400 a 450. [4, 7]
Chemické složení Hardox HiTuf je v tab. 2.2.-17. Uhlíkové ekvivalenty jsou uvedeny v tab. 2.2.-18.
Tab. 2.2.-17 Chemické složení Hardox HiTuf [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
C max [%]
Si max
[%]
Mn max [%]
P max
[%]
S max [%]
Cr max [%]
Ni max
[%]
Mo max
[%]
V max [%]
40-70 0,20 0,5 1,6 0,02 0,01 0,7 2 0,7 0,06 70-120 0,20 0,6 1,6 0,02 0,01 0,7 2 0,7 0,09 Tab. 2.2.-17 Pokračování [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
Nb max [%]
B max
[%]
40-70 0,04 0,004 70-120 0,04 0,004 Tab. 2.2.-18 Uhlíkové ekvivalenty Hardox HiTuf [4]
Mechanické vlastnosti této oceli jsou v tab. 2.2.-19. Dále v tabulce 2.2.-20 jsou uvedeny hodnoty vrubové houževnatosti Hardox HiTuf pro dané tloušťky.
Tab. 2.2.-19 Mechanické vlastnosti Hardox HiTuf [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
Mez kluzu Rp0,2 [MPa]
Mez pevnosti Rm [MPa]
Prodloužení A5 [%]
40-70 950 980 16
70-120 850 900 16
Tloušťka materiálu
[mm]
CEV CET 40-70 0,55 0,36 70-120 0,64 0,39
27 Tab. 2.2.-20 Vrubová houževnatost Hardox HiTuf [4]
Tloušťka materiálu
[mm]
Testovací teplota
[°C]
Rázová energie
[J]
40-70 -40 95
70-120 -40 70
Mimo zmíněné typy ocelí Hardox jsou ve vývoji další dva typy. Prvním je Hardox 550, který by měl výhledově začít nahrazovat v některých aplikacích stávající typ 500. Tvrdost tohoto materiálu je v rozsahu 525-575 HB, avšak vrubová houževnatost je stejná jako u typu 500, tedy 30 J. Druhým materiálem je Hardox Extreme, jež by měl mít tvrdost dosahující až 60 HRC a patřil by tedy k nejtvrdším materiálům této značky ocelí. Obrázky s příklady aplikací Hardox 450, 500, 600 a HiTuf jsou umístěné v příloze č. 1. [4]
Závěrem této kapitoly by bylo dobré zmínit, že ačkoliv jsou Hardox vynikající konstrukční a otěruvzdorné materiály, tak na území našeho státu byly již dříve vyráběny taktéž vynikající otěruvzdorné oceli. Byly to oceli 14 320 – Abrazit a 15 260 – kalená ocel. Tyto oceli měli tvrdosti v rozsahu 268 – cca 480 HB a také poměrně vysoké hodnoty meze kluzu a meze pevnosti. Avšak v dnešní době jsou tyto oceli již historickým milníkem ve strojírenské výrobě na našem území. [8]
2.3. Svařování ocelí Hardox
Vysokopevnostní otěruvzdorné oceli Hardox lze svařovat standardními metodami obloukové svařování, jako jsou: svařování obalenou elektrodou - MMA, pod tavidlem - SAW, MIG/MAG a plněným drátem – FCAW a MCAW.
Při svařování obalenou elektrodou a pod tavidlem je doporučeno používat bazické obaly respektive bazická tavidla. Jak bylo již zmíněno v kapitole 2.2, při výrobě těchto ocelí je v materiálu obsažen velmi malý podíl legujících prvků, což ovlivňuje hodnoty uhlíkových ekvivalentů daného materiálu. Oceli Hardox se řadí na základě těchto ekvivalentů mezi podmíněně svařitelné. Vždy záleží na počátečních podmínkách, mezi které se řadí tloušťka materiálu, teplota okolí a chemické složení dané oceli se kterým je Hardox spojován. Mezi hlavní cíle svařování Hardoxu patří požadovaná pevnost svarového spoje a dosažení požadované tvrdosti v tepelně ovlivněné oblasti (TOO) s vyhovující houževnatostí této oblasti. [13]
28
Při svařování těchto ocelí je důležité udržovat čistotu svařovacích ploch, přičemž je nezbytné odstranit z povrchu vlhkost, maziva, barvy, korozi a jiné nečistoty. Mezi další důležité kroky a parametry ovlivňující finální jakost svarů patří:
o Správná volba přídavného materiálu a ochranné atmosféry.
o Předehřev a dodržování interpass teploty.
o Co možná nejmenší množství vneseného tepla.
o Posloupnost svařování a velikost kořenové mezery svarového spoje. [12]
2.3.1. Přídavný materiál pro svařování ocelí Hardox
Pro svařování ocelí Hardox jsou vhodné nelegované a nízkolegované přídavné materiály. Obecně je však doporučováno, aby mez kluzu přídavných materiálu nepřesahovala hodnotu 500 MPa. Přídavné materiály s vyšší mezí kluzu – max. 900 MPa jsou vhodné pouze pro plechy s malou tloušťkou 0,7 – 6 mm u Hardoxu 400 a 450. Nízkolegované přídavné materiály mají za následek vyšší tvrdost svarového kovu, která s sebou nese i zvýšenou otěruvzdornost oblasti svaru. Pokud jsou však zapotřebí vysoké hodnoty otěruvzdornosti povrchu svarového spoje, je nutné přistoupit k aplikaci více typů přídavných materiálu. V praxi je tento problém řešen tak, že poslední vrstva svaru je pokryta tzv. tvrdonávarem, který zaručuje zvýšenou otěruvzdornost. Pokud je to však z konstrukčního hlediska možné, je důležité svary umísťovat vždy tam, kde nejsou vystavovány vysokým hodnotám otěru. [12]
Obecně by měl být Hardox svařován elektrodami s dobrými plastickými vlastnostmi, které snižují úroveň zbytkového pnutí ve svaru a tím také náchylnost materiálu na vznik trhlin za studena. V některých případech, kdy je požadovaná zvýšená tažnost svaru, lze použít pro kořenové vrstvy svarů austenitický přídavný materiál. [13] V tab. 2.3.-1 jsou doporučené přídavné materiály pro svařování Hardoxu 400 dle specifikace AWS.
29
Tab. 2.3.-1 Tabulka doporučených přídavných materiálu dle AWS [13]
Poznámka: X znamená jeden nebo více znaků
Pro svařování metodou MAG jsou vhodné přídavné materiály dle specifikace AWS A5.18 s označením ER70S-X, které mají mez kluzu v blízkém okolí 500 MPa.
Obsah vodíku v přídavném materiálu by měl být menší nebo roven 5 ml/100 g svarového kovu. Proto by měly být přídavné materiály uchovávány dle doporučení výrobce, tedy v suchém prostředí se stálou teplotou a mělo by s nimi být zacházeno dle těchto stanov. Co možná nejnižší hodnotu obsahu vodíku v přídavném materiálu je nutno udržovat za účelem eliminace vzniku trhlin za studena. [12]
2.3.2. Ochranné plyny pro svařování Hardoxu
Ochranné plyny používané na svařování Hardoxu jsou obecně stejné jako při svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí.
Jako ochranná atmosféra při svařování metodou MAG je nejčastěji při svařování Hardoxu volena směs argonu (Ar) a oxidu uhličitého (CO2).
V některých případech je do zmíněných směsí přidáván navíc malý obsah kyslíku (O2) za účelem stabilizace hoření elektrického oblouku a redukce množství rozstřiku svarového kovu. Směs plynů Ar+CO2 s obsahem 18 – 20% CO2 je doporučována pro ruční svařování metodou MAG. Směs v tomto poměru zaručuje dobré protavení do základního materiálu s minimálním množstvím rozstřiku do okolí svarů.
Pro automatizované a robotické svařování je doporučen maximální obsah CO2 ve směsi o něco nižší a to v rozsahu 8 - 18 %. To vše za účelem optimalizace výsledků svařovacího procesu a eliminace rozstřiku. Zmíněné směsi mohou být
Doporučené přídavné materiály pro svařování Hardoxu 400
Mez kluzu přídavného
materiálu [MPa]
MMA (Ruční obloukové svařování)
SAW (Svařování drátem pod tavidlem)
MIG/MAG (Svařování tavící
se elektrodou v ochranné
atmosféře)
FCAW (Svařování trubičkovým
drátem)
400
AWS A5.5
E7016 - - -
500
AWS A5.5 E8018, E7028, E7018
AWS A5.2S F7AX-EX AWS A5.17
F7AX-EX
AWS A5.18 ER70S-X
AWS A5.20 E7XT-X
30
použity jak pro zkratové, tak sprchové přenosy kovu v oblouku. V tab. 2.3.-1 jsou uvedeny příklady směsí plynů a doporučení pro jejich aplikaci. [12]
Tab. 2.3.-1 Příklady směsí ochranných plynů a doporučení při aplikaci [12]
Metoda svařování
Typ oblouku
Pozice
svařování Ochranná atmosféra MAG, plný drát Krátký
zkratový Všechny 18 - 25% CO2 v Ar MAG, plněný
drát Krátký
zkratový Všechny 18 - 25% CO2 v Ar MAG, plný drát Sprchový PA, PB a PC 15 - 20% CO2 v Ar MAG, FCAW Sprchový Všechny 15 - 20% CO2 v Ar MAG, MCAW Sprchový PA, PB a PC 15 - 20% CO2 v Ar Robotizované a
automatizované MAG
Sprchový PA, PB a PC 8 – 18% CO2 v Ar
TIG - Všechny 100% Ar
U všech metod svařování v ochranných atmosférách je nutné správné nastavení průtoku plynu, který proudí dýzou kolem tavící se elektrody. Průtok plynu závisí na parametrech svařování. Obecným vodítkem pro nastavení průtoku plynu v l/min by měla být hodnota vnitřního průměru plynové hubice hořáku měřená v mm, kde by hodnota průtoku odpovídala právě zmíněnému rozměru. Nicméně většina výrobců přídavných materiálů a svařovacích zařízení uvádí doporučené nastavení průtoku plynu. [12]
2.3.3. Vnesené teplo při svařování
Vnesené teplo (Q) je množství energie vnesené do základního materiálu na jednotku délky. Vztah pro výpočet množství vneseného tepla je vyjádřen rovnicí 2.3.-1.
Q = 0,06 ∙η∙U∙Iv [kJ · mm−1] (2. 3.-1) kde jsou:
Q - vnesené teplo [kJ/mm]
η - koeficient tepelné účinnosti U - napětí na oblouku [V]
I - el. proud [A]
v - rychlost posuvu hořáku [mm/min]
31
Koeficienty tepelné účinnosti pro jednotlivé obloukové metody svařování jsou uvedeny v tab. 2.3.-2.
Tab. 2. 3.-2 Koeficienty tepelné účinnosti [12]
Metoda svařování Koeficient tepelné účinnosti - k
MAG 0,8
MMA 0,8
SAW 1
TIG 0,6
Nadměrné množství vneseného tepla do základního materiálu Hardoxu má za následek zvýšení produktivity svařování, ale také zvětšování tepelně ovlivněné oblasti (TOO), která následně zhoršuje mechanické vlastnosti, jako je otěruvzdornost TOO. Svařování s nízkou hodnotou vneseného tepla poskytuje následující výhody:
o Zvýšení otěruvzdornosti TOO
o Snížení deformací (u jednovrstvých svarů) o Zvýšení tažnosti svarových spojů
o Zvýšení pevnosti svarových spojů
Velmi nízká hodnota vneseného tepla může nicméně mít negativní vliv na vrubovou houževnatost. Výsledně vše závisí na hodnotě času ochlazování t8/5, kde hodnoty ochlazovací rychlosti nad 100°C·s-1 nejsou žádoucí. Proto je vždy nutné hledat optimální parametry procesu svařování tak, aby byla co nejvyšší produktivita celého procesu a co nejlepší vlastnosti svaru a TOO. S množstvím vneseného tepla v průběhu celého svařovacího procesu úzce souvisí také výsledná tvrdost svaru a TOO. [12] Na obr. 2.3.-1 je graf s doporučenými maximálními hodnotami vneseného tepla v kombinované tloušťce. Dále na obr. 2.3.-2 je závislost tvrdosti na množství vneseného tepla u Hardox 400.
32
Obr.2. 3.-1 Doporučené maximální hodnoty vneseného tepla [13]
Obr. 2.3.-2 Závislost tvrdost na množství vneseného u Hardox 400 [12]
Čas ochlazování (t8/5) je doba, za kterou se svar ochladí z 800°C na 500°C.
Hraje důležitou roli při vzniku konečné mikrostruktury svaru. Doporučené časy ochlazování jsou běžně dodávány pro konstrukční ocele za účelem optimalizace svařovacího procesu pro dané požadavky na výslednou mikrostrukturu. Doporučené maximální časy ochlazování pro různé druhy Hardoxu jsou prezentovány v softwaru SSAB – WeldCalc. [12]
2.3.4. Základní kritéria svařování a velikost svarové mezery
Před započetím stehování je nutné dodržet maximální velikost svarové mezery mezi dvěma plechy nepřesahující hodnotu 3 mm. Velikost této mezery by měla být pokud možno stejná po celé délce spoje. Dalším důležitým kritériem,
33
které by se mělo během svařování Hardoxu dodržovat, je umísťování počátků svaru a konců svaru minimálně 50 - 100 mm od nejbližší oblasti vystavované vysokým hodnotám namáhání, jako jsou například rohy. Podrobnější informace o postupech svařování za účelem omezení deformací Hardoxu jsou v kapitole 2.3.8. Na obr. 2.3.- 3 jsou příklady zmíněných kritérií. [12]
Obr. 2.3.-3 Kritéria svařování Hardoxu [12]
2.3.5. Teplota předehřevu a interpass teploty při svařování ocelí Hardoxu
Při svařování konstrukčních ocelových plechů, které jsou odolné vůči abrazi, je vždy nutné minimalizovat riziko vzniku trhlin za studena. Mezi hlavní příčiny vzniku těchto trhlin se řadí výskyt vodíku ve svarovém kovu a současně výskyt pnutí ve svaru. Pravděpodobnost vzniku těchto trhlin lze eliminovat následujícími způsoby:
o Předehřátí základního materiálu před započetím svařování dle doporučení o Před svařováním je nutné vyčistit a vysušit svařované plochy
o Minimalizace pnutí způsobeného smrštěním – závisí na přesnosti výroby polotovarů a volbě správného technologického postupu svařování
o Volba přídavného materiálu s nízkým obsahem vodíku [13]
Předehřev materiálu je nejen důležitý při svařování, ale také při stehování svařenců a svařování kořenových vrstev svaru. Pomalejší pokles teploty svařence způsobený předehřevem umožňuje jednodušší únik difúzního vodíku ze svaru a základního materiálu. Avšak je nutné kontrolovat v průběhu svařování teplotu základního materiálu v okolí svaru, která by neměla přesahovat 250°C. Nutnost aplikace předehřevu se zvyšuje se zvětšující se tloušťkou materiálu, kde má za úkol kompenzovat rychlejší odvod tepla z materiálu. Dále je velikost a důležitost předehřevu ovlivněna zvyšujícími se hodnotami uhlíkových ekvivalentů, o kterých
34
budou v této kapitole dále uvedeny podrobnější informace. Pokud je však okolní vlhkost vysoká a teplota okolí je nižší než 5°C, je nutné doporučené hodnoty předehřevů ještě zvýšit o 25°C. Obdobně by se mělo učinit, pokud je svařenec pevně vetknutý. Další situací, která běžně nastává při svařování Hardoxu, je kombinace těchto materiálů s jiným konstrukčním materiálem. Zde je vždy nutné stanovit technologické podmínky svařování podle materiálu, který vykazuje vyšší hodnoty uhlíkových ekvivalentů a teploty předehřevu. Na místě je důležité ještě zmínit, že pokud přídavný materiál vykazuje vyšší hodnotu uhlíkového ekvivalentu než základní, je zde zapotřebí zvolit teplotu předehřevu dle přídavného materiálu.
[11, 12, 13]
Jedinečná kombinace legujících prvků obsažených v Hardoxu optimalizuje mechanické vlastnosti těchto materiálů. Nutno však dodat, že chemické složení ovlivňuje hodnoty uhlíkových ekvivalentů, kterých je k dispozici celá řada. Pro oceli Hardox jsou zejména používány uhlíkové ekvivalenty CEV(IIW/IIS) a CET. První zmíněný klade větší důraz na obsah legur a druhý na množství uhlíku v oceli. Vztahy pro výpočet uhlíkového ekvivalentu jsou vyjádřeny rovnicemi (2.3.-2) - CEV a (2.3.- 3) – CET. Tyto uhlíkové ekvivalenty jsou vodítkem pro určení teploty předehřevu a CET lze je taktéž použít pro jejich výpočet.
CEV = C +Mn6 +Cr+Mo+V5 +Cu+Ni15 [%] (2.3.-2)
CET = C +Mn+Mo10 +Cr+Cu20 +40Ni [%] (2.3.-3) kde se za jednotlivé prvky dosazuje dle tloušťky daný obsah prvku v materiálu. Více informací o chemickém složení Hardoxu naleznete v kapitole 2.2. [12]
Výpočtů teploty předehřevu existuje celá řada, přičemž by bylo vhodné uvést výpočet dle normy ČSN EN 1011-2 a dle Seferiána. Výpočty těchto teplot jsou vyjádřeny rovnicemi (2.3.-4) – dle ČSN EN 1011-2 a (2.3.-5) – dle Seferiána.
[14]
(2. 3.-4) TP = 697 ∙ CET + 160 ∙ tgh ( s
35) + 62 ∙ HD0,35+ (53 ∙ CET − 32) ∙ Q − 328 [°C]
kde je:
CET – uhlíkový ekvivalent vypočtený na základ vztahu 2. 3.-3 [%]
s – tloušťka materiálu [mm]
35 HD – difúzní vodík (1 – 20 ml/100g)
Q – tepelný příkon vypočtený na základě vztahu 2.3.-1.
TP = 350 ∙ √CP− 0,25 [°C] (2.3.-5) Cp = Cc + Cs
CC =360C + 40(Mn + Cr) + 20Ni + 28Mo 360
Cs = 0,005·s·Cc
kde je:
s – tloušťka materiálu
Při návrhu technologických postupů svařování Hardoxu není zapotřebí počítat teplotu předehřevu dle zmíněných vztahů. Výrobce SSAB přikládá v materiálových listech též informace o doporučených teplotách předehřevů a interpass. Na obr. 2.3.-4 jsou doporučené předehřevy Hardoxu.
Obr.2.3.-4 Doporučené hodnoty teplot předehřevu a interpass [12]
Při svařování Hardoxu je nutné dbát následujících pokynů:
Pokud jsou svařovány různé tloušťky stejné jakosti, tlustší plech nám definuje doporučené teploty předehřevu a interpass.
Když jsou svařovány oceli s odlišnou jakostí, je se nutné řídit vyššími hodnotami předehřevu a interpass.
Hodnoty z obr. 2.3.-4 jsou relevantní, pokud bude vnesené teplo rovno nebo větší než 1,7 kJ/mm. Pokud však budou hodnoty vneseného tepla nižší, je doporučeno zvýšit teplotu předehřevu o 25°C.
Pokud budou hodnoty vneseného tepla nižší než 1 kJ/mm, je doporučené použít software od SSAB „WeldCalc“ za účelem výpočtu minimální teploty předehřevu.
36
Pokud jsou u tlouštěk nad 30 mm aplikovány oboustranné tupé svary tvaru V, je doporučeno posunout kořen svaru o nějakou vzdálenost ze středu plechu.
[12]
Teplota interpass by neměla přesáhnout doporučené maximální hodnoty doporučené teploty ve svarovém spoji nebo v jeho bezprostřední blízkosti před započetím svařování další vrstvy svarového spoje. Tyto hodnoty jsou v tabulce 2.3.-3 Tab. 2.3.-3 Maximální doporučené teploty interpass [12]
Svařovaný materiál Maximální teplota interpass
Hardox HiTuf 300°C
Hardox 400 225°C
Hardox 450 225°C
Hardox 600 225°C
Dále je doporučeno, aby při bodování svařenců byla minimální délka bodů alespoň 50 mm. Vzdálenost mezi jednotlivými body může být volena dle požadavků.
2.3.6. Ohřev materiálu a kontrola teploty předehřevu
Možností ohřevu svařenců z Hardoxu existuje celá řada. Nejlepším způsobem, jak dosáhnout dokonalého ohřevu napříč celým svařencem, je využití indukčních nebo odporových pecí, do kterých není problém vložit celý výrobek.
Nevýhodou těchto pecí je však jejich vysoká pořizovací cena a u rozměrnějších výrobků navíc není reálné kvůli velikosti daný ohřev vykonat. Proto je častěji využívána alternativa tzv. místních ohřevů svarového spoje a jeho okolí. Tohoto způsobu ohřevu lze jednoduše dosáhnout aplikací plynových hořáků a to buď směsí propan - butanu nebo neutrálního kyslík - acetylénového plamene. S výhodami lze použít též soustavu hořáků, která tvarově kopíruje svarový spoj. Kvalitněji lze však ohřevy realizovat elektricky, pomocí odporových článků či topných řetězů, nebo indukční ohřev pomocí různých induktorů a indukčních smyček.
S předehřevem a také s kontrolovaným chladnutím svařenců souvisí úzce problematika tepelných izolací, které jsou velmi často realizovány pomocí zábalů ze sibralových izolací, zásypů a panelů, které brání nadměrnému odvodu tepla z oblasti svaru. [15]
K měření teploty materiálů existuje celá řada možností a metod, mezi které patří například termokřídy, termolaky, termočlánky, digitální teploměry a bezkontaktní teploměry (pyrometry). Postup dané operace měření teploty by měl
37
být vykonáván dle doporučení výrobce materiálu. U Hardoxu je doporučeno měřit teplotu v oblasti 75 mm vzdálené od osy svaru. [12] Na obr 2.3.-5 podrobněji popsána problematika měření teploty předehřevu.
Obr. 2.3.-5 Doporučený postup měření teploty předehřevu [12]
2.3.7. Doporučení za účelem minimalizace deformací
Deformace a pnutí materiálu jsou nedílnou součástí každého svařovacího procesu. Je jen na technologovi, do jaké míry tyto procesy dokáže eliminovat.
Zpravidla se deformace mnohem více projevují při svařování tenkých plechů.
Za účelem omezení deformací by měli být dodržovány následující doporučení:
Co možná nejnižší množství vneseného tepla
Minimalizace velikosti průřezu svaru
Použití předdeformace a řádně upínat svařence do přípravků
Vyhnout se nepravidelné a velké svarové mezeře
Aplikace symetrických svarů
Svařovat směrem z tuhých do volných oblastí
Zvýšit vzdálenost mezi body
Využití vratného nebo zpětně vratného postupu svařování
