technologie svaovÁnÍ mikrolegovanÝch...

TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ DOMEX 700MC

SVOČ – FST 2011

Bc. Miroslav Zajíček

Západočeská univerzita v Plzni,

Univerzitní 8, 306 14 Plzeň

Česká republika

ABSTRAKT

Kolejová vozidla procházejí vývojem a neustálým zlepšováním technologických

vlastností. Jedním ze směrů vývoje je lehká konstrukce skříně kolejového vozidla. Skříně

kolejových vozidel musí splňovat poţadavky na podélné statické zatíţení, cyklické zatíţení a

zatíţení při sníţených teplotách.

Důvodem pro vypracování diplomové práce na téma Technologie svařování

mikrolegovaných ocelí DOMEX 700MC byla spolupráce FST/KMM a FST/KKS-VCKV

v oblasti ověření výrobního postupu svařování těchto ocelí a jejich porovnání s běţně

pouţívanými konstrukčními ocelemi. Pouţitím vysokopevnostních ocelí lze docílit sníţení

hmotnosti skříně vozidla. Tyto vysokopevnostní ocele nejen ţe sniţují hmotnost skříně

vozidla, ale musí splňovat poţadavky na ně kladené, tj. zaručená svařitelnost, vysoká mez

únavy a vysoká vrubová houţevnatost za nízkých teplot (-40°C).

Hlavním cílem vědecko-výzkumného programu diplomové práce bylo stanovení

parametrů svařování a ověření chování materiálu po svaření.

Experimentální program byl koncipován tak, aby obsáhl vlastnosti svarových spojů a

mohl predikovat chování materiálu za normálních a nízkých teplot, jimţ budou v tomto

případě skříně kolejových vozidel vystaveny.

KLÍČOVÁ SLOVA

MAG svařování, WPS, HSLA oceli, skříň kolejového vozidla

1. ÚVOD [1]

V současné době neustále stoupají nároky na vlastnosti konstrukčních materiálů

pouţívaných zejména v dopravních prostředcích. Proto dochází k vylepšování klasických

konstrukčních materiálů. Poţadavkem je, aby materiál splňoval celou řadu, mnohdy

protichůdných vlastností. Na jedné straně je to vyšší mez kluzu a pevnosti, dostatečná taţnost

a na druhé straně svařitelnost.

HSLA oceli jsou zahrnuty v mnoha standardech navrţených k dosaţení optimálních

vlastností jako jsou - pevnost, houţevnatost, tvařitelnost, svařitelnost a odolnost proti

atmosferické korozi. Tyto oceli nejsou slitinovými oceli, třebaţe jejich vlastností je dosaţeno

přidáním malého mnoţství slitinových prvků. Namísto toho jsou HSLA oceli klasifikovány

jako oddělená kategorie ocelí, která je podobná válcovaným (as-rolled) ocelím se zlepšenými

mech. vlastnostmi, získanými přidáním malého mnoţství přísad a obzvláště speciálními

technologickými postupy jako řízené válcování, a urychlovaným ochlazováním. Ceny těchto

ocelí jsou odvozovány od cen základních uhlíkových ocelí a nikoliv od cen slitinových ocelí.

Nadto jsou HSLA oceli často prodávány se zaručenými minimálními mech. vlastnostmi

s konkrétním obsahem přísad. Česká norma nemá pro tyto oceli svoje specifické označení.

Řízené válcování

Dosaţení poţadovaných vysokých hodnot meze kluzu je podmíněno tzv. řízeným

tvářením. Jeho cílem je dosaţení jemnější struktury austenitického zrna, z něhoţ pak také

transformuje jemnější ferit. Jemná struktura zajišťuje nejen vyšší mez kluzu a lepší

precipitační zpevnění, ale i pomalejší hrubnutí

struktury v okamţiku sekundární rekrystalizace.

Řízené válcování je, jak zachycuje, zaloţeno na

principu klasického tváření v oblasti austenitu při

teplotě okolo 1000°C a následném tváření při niţších

teplotách (okolo 800°C). Tato technologie řízeného

válcování se pouţívá nejen u vanadových

mikrolegovaných ocelí, ale i u dalších skupin.

Obr. 1.1 - Schema průběhu teplot

při řízeném válcování [1]

2. MAG SVAŘOVÁNÍ

Svařování metodou MAG je zaloţeno na hoření elektrického oblouku mezi tavící se

elektrodou ve formě drátu a základním materiálem v ochranné atmosféře aktivního plynu

( , směsné plyny). Napájení drátu elektrickým proudem je zajištěno třecím kontaktem

v ústí hořáku tak, aby elektricky zatíţená délka drátu byla co nejkratší. Drát je podáván

podávacími kladkami, které jsou umístěny v podavači, hořáku. Proudová hustota je u metody

MAG nejvyšší ze všech metod obloukového svařování a dosahuje aţ . Proto se

dosahuje vysokých svařovacích rychlostí a výkonů navaření. Kapky kovu jsou přenášeny

obloukem rychlostí kolem .

3. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁL

D700MC

Tato ocel je vyráběna švédskou firmou SSAB Tunnplat. V evropské materiálové

normě ji lze nalézt pod označením EN 10149-2. Je charakterizována velmi vysokou pevností,

výbornou plasticitou, dobrou rázovou houţevnatostí a nízký obsah uhlíku zaručuje

svařitelnost. Tyto vlastnosti jsou zajištěny speciální technologií řízeného válcování.

C Si Mn P S Al Nb V Ti

0,12 0,01 max. 2,1 0,025 0,01 0,015 0,09 0,2 0,15

Tab. 3.1 - chem sloţení oceli DOMEX 700MC [2]

Ocel Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Taţnost A5 Nárazová práce K

DOMEX 700MC 700 MPa 750-790 MPa 12% 27 J/-40°C

Tab. 3.2 - mechanické vlastnosti oceli DOMEX 700MC [2]

Ocel S315NL

V evropské normě lze tuto ocel nalézt pod označením EN 10025-3. Je to jemnozrnná,

normalizačně ţíhaná ocel. Je vhodná ke svařování vysoce dynamicky namáhaných částí

kolejových vozidel, zejména pro rámy podvozků. Vhodná pro teplotní rozmezí +60 °C aţ -50

°C.

C Si Mn P S N Cu Ni V Al Cr

0,16 0,45 0,7-1,3 0,025 0,01 0,015 0,3 0,3 0,05 0,02 0,3

Tab. 3.3 – chemické sloţení oceli S315NL [3]


S315NL 315 MPa 440-570 MPa 23% 30 J/-40°C

Tab. 3.4 – mechanické vlastnosti oceli S315NL [3]

Ocel S355NL

Tuto ocel lze v evropské materiálové normě nalézt pod označením EN 10025-3. Je to

ocel se střední pevností, dobrou taţností a svařitelností. Je vhodná pro aplikace pracující při

okolní teplotě pod -20 °C.

C Si Mn P S N Cu Ni V Al

0,18 0,5 0,9-1,65 0,025 0,02 0,015 max.0,55 0,5 0,12 0,02

- ţelezniční konstrukce

Tab. 3.5 – chemické sloţení oceli S355NL [4]


S355NL 355 MPa 470-630 MPa 22% 31 J/-40°C

Tab. 3.6 – mechanické vlastnosti oceli S355NL [4]

3.1 VÝROBNÍ POSTUP SVAŘOVÁNÍ

Pro experimentální účely byly dodány tabule plechu o tloušťkách 8 mm a 10 mm.

Svařování plechů ocelí S355NL a DOMEX 700MC bylo provedeno technologií MAG

– 135 – dle ČSN EN ISO 4063 v ochranné atmosféře směsného plynu o sloţení 18% CO2 a

82% Ar zn. M21 podle ČSN ISO 14175 a poloze PA (vodorovná shora) podle ČSN EN ISO

6947 a to bez předehřevu.

Plechy oceli S315NL byly zavařeny metodou MAG – 135 – dle normy ČSN EN ISO

4063 v ochranné atmosféře směsného plynu o sloţení 20% CO2 a 80% Ar podle ČSN ISO

14175 a poloze PA (vodorovná shora) podle ČSN EN ISO 6947 a to bez předehřevu.

Pro plechy zn. DOMEX 700MC byl pouţit přídavný drát od firmy BÖHLER, druh

UNION NiMoCr Ø1 mm podle EN ISO 16834-A.

Pro plechy zn. S315NL byl pouţit přídavný drát od firmy ESAB, druh OK Aristorod

12.50 Ø1 mm podle EN ISO 14341-A.

Pro plechy zn. S355NL byl pouţit přídavný drát od firmy ESAB, druh OK Aristorod

12.63 Ø1 mm podle EN ISO 14341-A.

Po svaření nebylo provedeno ţíhání na odstranění vnitřního napětí. Interpass teplota

nepřesáhla 100 °C a byla kontrolována průběţně laserovým bezdotykovým pyrometrem před

zavařením kaţdé další housenky.

Příprava svarových ploch

Plechy byly připraveny pro tupý svar s úhlem 50°. Stehováním před samotným

svařováním byla zajištěna vzájemná poloha svařovaných plechů a tím pádem stálá kořenová

mezera.

Obr. 3.1 – Příprava svarových ploch

4. METALOGRAFICKÝ ROZBOR

Vzorky byly odebrány ze svařených plechů dle normy ČSN EN 288-3A1 v místě

vzdáleném 40 mm od okraje svařovaného plechu. Příprava vzorků i jejich naleptání byly

v souladu s normou EN 1321. Struktura byla zviditelněna leptadlem 3% NITAL a

dokumentována pomocí světelného mikroskopu. Na vzorcích, jejichţ struktura byla

pozorována na světelném mikroskopu, bylo posléze provedeno měření průběhu mikrotvrdosti

se zatíţením 50 g HV 0,05.

DOMEX 700MC

Tloušťka plechu 8 mm

Tepelně ovlivněná oblast v nejširším místě měří 2400 µm ( 2,4 mm). Uprostřed obou

svařovaných desek jsou patrné segregační pásy.

Obr. 4.1 – Makrostruktura svarového spoje oceli DOMEX 700MC tloušťky 8 mm,

leptáno Nital 3%, zvětšeno 25x, 500x

DOMEX 700MC

Tloušťka plechu 10 mm

Obr. 4.2 – Makrostruktura svarového spoje oceli DOMEX 700MC tloušťky 10 mm,

leptáno Nital 3%, zvětšeno 25x, 500x

Obr. 4.2 – Mikrostruktura základního materiálu spolu s EDX analýzou, zvětšeno 6500x

Ti 46 %

Nb 13,5 %

5. MIKROTVRDOST DLE VICKERSE

Linie vtisků byla volena ve hloubce 2 mm od povrchu plechů a vzdálenosti mezi

vtisky byly voleny 250 µm. Pro všechny vtisky bylo nastaveno zatíţení 50 gramů. Do kaţdé

oblasti svarového spoje vyjma svarového kovu byly umístěny 3 vtisky. Ve svarovém kovu

bylo umístěno 5 vtisků, protoţe se předpokládal rozptyl hodnot vlivem heterogenity

svarového kovu.

Obr. 5.1 – průběh mikrotvrdosti svarových spojů

6. ZKOUŠKA TAHEM

Obr.6.1 – pracovní diagram zkoušky tahem oceli DOMEX 700MC

Obr. 6.2 –příčné výbrusy a lomové plochy svarového spoje a základního materiálu oceli

DOMEX 700MC

Obr.6.3 – pracovní diagramy zkoušky tahem ocelí S315NL a S355NL

7. ZKOUŠKA RÁZEM V OHYBU

Obr. 7.1 – Umístění V-vrubu do zkušební tyče

Ploha vrubu dle ČSN EN 875

VHT a/b

VHT 1,5/1,5

Rozměry zk. tyčí:

Plech 10 mm tloušťka 7,5 x 10 x 55

Plech 8 mm tloušťka 5 x 10 x 55

V-vrub, 2 x 45°, 300J kladivo

Tab. 7.1 – Nárazové práce zkušebních tyčí před a po svaření

8. ÚNAVOVÉ ZKOUŠKY

Vzorky byly rozděleny do 4 skupin:

Skupina A (S315NL základní materiál)

Skupina B (S355NL základní materiál)

Skupina C (S315NL svarový spoj)

Skupina D (S355NL svarový spoj)

Obr. 8.1 – Závislosti počtu cyklů na napětí Δσ pro skupiny A-C

Obr. 8.2 – Únavový lom svarového spoje oceli S315NL

Skupina A Skupina B

Počet cyklů v tisících

Skupina C


Skupina D

Ekv. napětí Δσ [MPa]

Ekv. napětí Δσ [MPa] Ekv. napětí Δσ [MPa]



Obr. 8.3 – Závislost počtu cyklů na napětí, únavové lomy svarových spojů skupiny D

Cykly [log N]

Obr. 8.4 – Wöhlerova křivka pro skupiny A-D

9. ZÁVĚR

Provedené experimenty tahových zkoušek vykazují očekávané hodnoty meze kluzu a

poklesu taţnosti u všech svařovaných ocelí v porovnání se základními materiály těch samých

ocelí.

Měření mikrotvrdosti přispívá k celkové představě o mechanických vlastnostech a

ocele nevykazují přílišné změny mikrotvrdosti napříč svarovým spojem. Výrazný pokles

mikrotvrdosti mezi základním materiálem a jemnozrnnou oblastí vykazuje pouze ocel

DOMEX 700MC. Právě z tohoto důvodu byly do této oblasti umisťovány vruby pro

Charpyho zkoušku rázem v ohybu.

Nárůst nárazové práce svarového spoje oceli S355NL oproti základnímu materiálu té

samé oceli je neočekávaný, a to nejen u zkoušky rázem za normální teploty ale i za teploty -

40°C. Nárazová práce svarového spoje oceli DOMEX 700MC za normální teploty je

v porovnáním se základním materiálem té samé oceli vyšší. Nárazová práce vzorků oceli

DOMEX 700MC je u svarového spoje vyšší neţ u základního materiálu. Příčiny výrazného

poklesu nárazové práce za sníţené teploty základního materiálu této oceli budou předmětem

dalšího pozorování. Důleţité je ţe nárazová práce svarového spoje oceli DOMEX 700MC

s klesající teplotou výrazně neklesá. Určení příčin nízké nárazové práce svarového spoje této

oceli vzorku 6 za sníţené teploty bude předmětem dalšího pozorování.


Pokles únavové pevnosti svarových spojů ocelí S315NL a S355NLoproti základnímu

materiálu byl očekávaný. Poslední experiment, který ukončí výzkumný program diplomové

práce bude zaměřen na v tuto dobu stále ještě probíhající únavové zkoušky ocelí DOMEX

700MC.

Lze předběţně shrnout experimentální program diplomové práce:

Ocel DOMEX 700MC je vyhovující pro pouţití na skříně kolejových vozidel

Z ekonomického hlediska je ocel DOMEX 700MC naprosto dominující nad běţně

pouţívanými konstrukčními ocelemi – 1 kg oceli DOMEX 700MC stojí 35 Kč, zatímco 1kg

oceli S355NL stojí 25 Kč

PODĚKOVÁNÍ

Touto cestou bych rád poděkoval všem, kteří mi pomáhali při tvrobě diplomové práce.

Poděkování patří především vedoucímu práce Doc. Dr. Ing. A. Kříţovi a konzultantovi Doc.

J.Kalousovi, CSc. Dále bych chtěl poděkovat Ing. Pavle Klufové za pomoc při experimentech.

SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY

[1] KŘÍŢ, A. : HSLA oceli, http://www.ateam.zcu.cz.

[2] http://www.ssab.com

[3] ŠKODA Transportation, 1997

[4] http://szfg-werkstoff.asco.de

http://www.ssab.com/

http://szfg-werkstoff.asco.de/

technologie svaovÁnÍ mikrolegovanÝch...

Documents