Studijní opora. Svařování speciálních ocelí. HARDOX a WELDOX. Ing. Jaromír Pavlíček

Transkript

1 Studijní opora Svařování speciálních ocelí HARDOX a WELDOX Ing. Jaromír Pavlíček 1

2 Obsah Úvod : Použité jednotky, zkratky a veličiny, označení Označování ocelí základního materiálu dle EN Stavba značek ocelových materiálů ISO / TR Směrnice pro zařazování kovových materiálů Ověření znalostí, příklady otázek, odkazy, literatura, zdroje Tahový diagram ocelí Tahový diagram houževnatých ocelí Ověřování znalostí, příklady otázek, odkazy, literatura, zdroje Rozdělení ocelí 3. skupiny Ověření znalostí, příklady otázek, odkazy, informace Zásady a technické podmínky pro použití vysokopevných a otěruvzdorných ocelí Svařování vysokopevných a otěruvzdorných ocelí Uhlíkový ekvivalent Předehřev Tepelný příkon - vnesené teplo Teplota interpass Volba přídavného materiálu Přídavné materiály Použití měkkých elektrod při svařování oceli HARDOX Dělení plechů WELDOX a HARDOX Předehřev a dohřev vysokopevných ocelí

3 5.10 Ověřování znalostí, příklady otázek, odkazy, zdroje, informace Závěr Použité zdroje a informace k prezentaci Rozvržení hodinové dotace modulu svařování Seznam obrázků Seznam tabulek Vyjádření odborného garanta. 55 3

4 Úvod Pro neustále se zvyšující nároky na kovové materiály je nutno vyrábět oceli, které musí splňovat co nejlepší vlastnosti. Podmínkám a prostředí budoucího upotřebení, kterým je ocelový materiál vystaven, je přizpůsobena technologie výroby těchto produktů. V oblasti výroby ušlechtilých ocelí jsou to především tyto vlastnosti: únosnost, svařitelnost, odolávání mechanickým otěrovým vlivům a odolávání nízkým teplotám. Z hlediska specifikace těchto ocelí jsou to otěruvzdorné oceli ( průmyslové označení HARDOX ) a vysokopevné oceli ( průmyslové označení WELDOX, ARMOX, DOMEX a TOOLOX ). Cílem této práce je tedy přiblížit výrobu a zejména svařitelnost těchto vysokopevných ocelí, jejich vlastnosti v závislosti na upotřebení a využití v různých oblastech průmyslu a dopravy. Autor 4

5 Při studiu každé kapitoly doporučuji následující postup: Čas ke studiu : x hodin. Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný pro prostudování látky. Určený čas má informativní úlohu a odvíjí se od skutečnosti, zda-li se účastníci školení již z danou problematikou setkali, či mají již v tomto oboru bohaté zkušenosti. Cíl: po prostudování tohoto odstavce budete umět: popsat definovat vyřešit Výklad: Následuje vlastní výklad probírané látky, zavedení nových pojmů, vše doprovázeno tabulkami, obrázky Použité názvosloví: Zde jsou vybrány technické výrazy, které se nacházejí ve studijní opoře a mají klíčový význam pro širší pochopení problematiky. Kontrolní otázky: Pro ověření, zda-li jste dobře a úplně látku zvládli, je připraveno několik teoretických otázek. 5

6 Seznam použité literatury: oznamuje veškeré použité informace v kapitole. Seznam obrázků a tabulek : Číslovaný seznam obrázků a použitých tabulek je pro přehlednost umístěn na závěr studijní opory. 1 Použité jednotky, zkratky a veličiny, označení Jednotky : MPa=megapascal, jednotka síly, napětí J = joulle, jednotka práce, energie HB,HBV= označení tvrdosti oceli Veličiny : R eh = horní mez kluzu R p0,2 = smluvní mez kluzu R t0,5 = celková deformace meze kluzu /dojde k přetržení tyče/ Z = poměrné zúžení, kontrakce A= poměrné prodloužení, tažnost C e = uhlíkový ekvivalent 6

7 Označení : CT= označení dotykového teploměru pwps= technologický postup výrobce svařování FW= označení koutových svarů BW= označení tupých svarů PA= svařování vodorovné shora PB= svařování vodorovné šikmo shora PC= svařování v poloze vodorovné PF= svařování svislé zdola nahoru TOZ,TOO = tepelně ovlivněná zóna, oblast 111/MMA= svařování el. obloukem obalenou elektrodou 131/MIG = svařování tavící se elektrodou v inertním plynu 135/ MAG= svařování tavící se elektrodou v aktivním plynu 136/FCAW= oblouk. svař. plněnou elektrodou,trubičkový drát SAW= svař. elektrickým obloukem pod tavidlem 141/TIG-WIG/GTAW= oblouk.svař. neodtavující se elektrodou 7

8 2 Označování ocelí základního materiálu dle EN hodiny Cílem této kapitoly je porovnání značení ocelových materiálů dle ČSN a dle EN ČSN. Výklad: Původní značení oceli podle ČSN vycházelo u tříd 10 a 11 ve druhém dvojčíslí z meze pevnosti ( je to 1/10 meze pevnosti, názorně ocel má mez pevnosti R m = 37 MPa. 10 = 370 MPa ). Značení oceli dle EN ČSN vychází z meze kluzu nebo chemického složení. Tato informace ( EN a ISO/TR15608) stanovuje zařazení materiálů do oddílů - účely svařování. Oceli jsou rozděleny do skupin 1 až 11 podle pevnostního a chemického hlediska.tato hlediska mohou být použita pro další účely jako je tepelné zpracování, tváření apod. U skupin 1 až 3 se bere v úvahu zaručená mez kluzu R eh nebo smluvní zaručená mez kluzu R p0,2, příklad označení S 355 JO, kde číslo 355 je zaručená mez kluzu 355MPa, u ocelí HARDOX je vyjímka. Zde je za písmenem označení oceli trojmístné číslo, určující tvrdost HB podle Brinella. Příklad označení S 450 Q, kde číslo 450 je velikost tvrdosti 450 HB. Smluvní mez kluzu R p0,2 této oceli je 1200MPa. Zařazení ocelí skupin 4 až 11 vychází z obsahu chemických prvků použitých k vytvoření slitiny. 8

9 Informace zahrnuje systém zařazování do skupin tyto kovové materiály: Ocel Hliník a jeho slitiny Měď a její slitiny Nikl a jeho slitiny Titan a jeho slitiny Litiny Tato práce se výhradně zabývá vybranými ocelemi a jejich svařitelností. 2.1 Stavba značek ocelových materiálů Značky vytvořené na základě použití, mechanických nebo fyzikálních vlastností ocelí: S - oceli pro ocelové konstrukce P - oceli pro tlakové nádoby L - oceli na potrubí E - oceli na strojní součásti B - oceli na výztuž do betonu Y - oceli pro předpínací výztuž do betonu R - oceli na kolejnice H - ploché výrobky válcované za studena s vyšší pevností D - ploché výrobky z měkkých ocelí pro tváření za studena T - tenké plechy, pocínované a pochromované plechy a pásy M - plechy a pásy pro elektrotechniku Následuje číslo, které odpovídá minimální mezi kluzu v MPa. Např. S 355.= ocel pro ocel. konstr., min. mez kluzu 355 MPa 9

10 Určení nárazové práce = vrubová houževnatost (jednotka = Joule, J) 27J 40J 60J C 27J 40J 60J C JR KR LR +20 J0 K0 L0 0 J2 K2 L2-20 J3 K3 L3-30 J4 K4 L4-40 J5 K5 L5-50 J6 K6 L6-60 Např. S 355 J0 = ocel pro ocel. konstrukce, minimální mez kluzu 355MPa, velikost nárazové práce = 27 J při teplotě 0 C. Tabulka 1 Určení nárazové práce 2.2 ISO / TR Směrnice pro zařazování kovových materiálů Tato technická informace poskytuje jednotný systém pro zařazování materiálů do skupin pro účely svařování. Může být použita pro další účely jako je tepelné zpracování, tváření, nedestruktivní zkoušení. V následujícím rozdělení jsou pro účely tohoto učebního textu doplněny příklady konkrétních značek ocelí a dalších materiálů do materiálových podskupin. Toto přiřazení je jen orientační a nezávazné, sloužící pro první orientaci. Přesné zařazení je třeba udělat přesně podle certifikátu materiálu, protože i podobné značky mohou vykazovat některé rozdílné parametry důležité pro zařazení. 10

11 Skupina Podskupina Druh oceli Příklady v podskupinách Oceli s R eh menší P235GH, P250GH než 275 MPa P235JR,P265 GH S235JO, S235 JR 1.2 R eh od 275 do 360 MPa P295GH, P355QH S355J2, S355J2C 1.3 Jemnozrnné oceli P460N, P460NL1 R eh větší než 360MPa S390GP, S420N 1.4 Nízkolegované oceli 20MnNb6 8MnB5-4 15MnMoV4-5 S355J0WP S355J2G2W Jemnozrnné oceli P420M, P460M R eh od 360 do 460MPa S420M, L415MB 2.2 Jemnozrnné oceli S550MC, S600MC R eh větší než 460MPa L485MB, L555MB Zušlechtěné oceli P460Q, P460QL1 R eh od 360 do 690MPa S460Q,P500Q 3.2 Zušlechtěné oceli S890Q R eh větší než 690MPa S960Q 3.3 Precipitačně vytvrzované S500A,S550A 11

12 oceli (ne korozivzdorné) S620A,S690A 4 Cr - Mo (Ni) oceli legované nízkým obsahem vanadu s Mo do 0,7% a V do 0,1% 4.1 Cr do 0,3%,Ni do 0,7% 15MnCrMoNiV Cr do 0,7%,Ni do 1,5% 15NiCuMoNb Cr Mo oceli bez vanadu s C do 0,35% 5.1 Cr od 0,75 do 1,5%,Mo do 0,7% 13CrMo4-5 25CrMo4 5.2 Cr od 1,5 do 3,5%,Mo 0,7-1,2% 10CrMo CrMo Cr od 3,5 do 7,0%,Mo 0,4-0,7% X11CrMo5+I X16CrMo Cr 7,0-10,0%,Mo 0,7-1,2% X11CrMo9-1+I 6 Cr Mo (Ni) oceli legované vysokým obsahem vanadu 6.1 Cr 0,3-0,75%, Mo do 0,7%,V do 0,35% 14MoV Cr 0,75-3,5%,Mo 0,7-1,2%,V do 0,35% 34CrMoV5 6.3 Cr 3,5-7,0Mo do 0,7%,V 0,45-0,55% 20CrMoV Cr 7,0-12,5%, Mo 0,7-1,2%,V do 0,35% X20CrMoV11 12

13 7 Feritické,martenzitické a precipitačně vytvrzované, C do 0,35%, Cr 10,5 30,0 % 7.1 Feritické korozivzdorné oceli X2CrNiN Martenzické korozivzdorné oceli X3CrNiMo Feritické,martenzitické,precipitačně vytvrzované 8 Austenitické korozivzdorné oceli, Ni do 31,0% 8.1 Austenitické,korozivzdorné, Cr do 19,0% X2CrNi Austenitické,korozivzdorné, Cr nad 19,0% X6CrNi Oceli legované s Ni do 10,0% 9.1 Oceli legované Ni do 3,0% 11MnNi Oceli legované Ni 3,0 8,0% 14NiCr Oceli legované Ni 8,0 10,0% X8Ni9 10 Austenitickoferitické korozivzdorné (duplexní) oceli 10.1 Aust.-ferit. oceli s Cr do 24,0% X2CrNiN Aust.-ferit. oceli s Cr nad 24,0% X2CrNiMoCuN Oceli zahrnuté do sk. 11 jsou s obsahem C 0,25 0,85% 13

14 11.1 Oceli sk. 11 s obsahem C 0,25 0,35% C Oceli sk. 11 s obsahem C 0,35 0,5% C Oceli sk. 11 s obsahem C 0,5 0,85% C65 V souladu se specifikací podle výrobkových norem ocelí může být R eh nahrazeno R p0,2 nebo R t0,5. 14

15 2.3 Ověření znalostí, příklady otázek, odkazy, literatura, zdroje 1/ Označení oceli S 235 JR je podle chemického složení nebo podle způsobu použití? 2/ Jakými charakteristickými písmeny se značí oceli podle způsobu použití? 3/ Co vyjadřují čísla za počátečním písmenem ve značce oceli? 4/ Co obecně znamenají symboly JR, J0, KR, K0? 5/ Napiš značku oceli na ocelové konstrukce a vysvětli ji. Odkazy: Použitá literatura, zdroje : 1/ Metodická pomůcka - Směrnice pro zařazování kovových materiálů do skupin, DOM-ZO 13, s.r.o., Ostrava ve spolupráci s TDS Brno-SMS 2/ Hájek E. a kol.,pružnost a pevnost, 1.vydání ČVUT Praha, / Učební pomůcka k ověřování znalostí označování ocelí ve skupině 1 podle ČSN EN , DOM-ZO 13, s.r.o., Ostrava 15

16 3 Tahový diagram ocelí 1 hodina Cílem této kapitoly je pochopit tahový diagram ocelových materiálů v závislosti na pevnosti materiálu ve třech mezích. Výklad: Provedením tahové zkoušky získáme tahový diagram, jenž je grafické znázornění závislosti mezi napětím a deformací (poměrným prodloužením nebo poměrným zúžením). K provedení tahové zkoušky používáme zkušební tyč normované délky a normovaného průřezu. Vždy máme na mysli tuto skutečnost:! - u praktické zkoušky je vzorek natahován, jeho průřez se zmenšuje, hovoříme o tzv. poměrném zúžení (kontrakci), ozn. písmenem Z, Z = ( D 0 D 1 ) / D % /%/! - u praktické zkoušky je vzorek natahován, jeho délka se prodlužuje, hovoříme o tzv. poměrném prodloužení (tažnosti), ozn. písmenem A, 16

17 A = ( L 1 L 0 ) / L % /%/ U teoretické zkoušky počítáme s napětím, které vypočítáme z průřezu namáhaného vzorku. Z tohoto poznatku zavádíme dva pojmy:! - skutečný pracovní tahový diagram! - smluvní pracovní tahový diagram Ve smluvním diagramu je sice napětí zdánlivé, ale jeho vytvoření je snažší.ve skutečném diagramu je monitorováno skutečné napětí v závislosti na prodloužení přímo na zkušebním stroji grafickým záznamem. 3.1 Tahový diagram houževnatých ocelí Houževnatá ocel se vyznačuje stejným chováním při namáhání v tlaku i tahu a vysokou pevností.při tahových zkouškách hovoříme o třech mezích: mez pružnosti elasticity, kdy materiál má schopnost se vrátit po odstranění zatížení do původního stavu bez průřezových deformací, mez kluzu kdy se materiál prodlužuje, aniž by se zvětšovalo napětí, v některých případech se napětí může i zmenšit, přesto průřezová i délková deformace nastává. Mez kluzu označujeme ReH. Zde dochází ke změně fyzikálních vlastností ocelí, krystalové mřížky po sobě kloužou (proto mez kluzu), přetvářejí se a po mezi kluzu dochází k mírnému zpevnění, mez pevnosti kdy při zvyšování napětí dojde k přerušení zkušebního vzorku, označujeme Rm. Využití těchto veličin je u skutečného tahového diagramu viz obrázek1.u houževnatých materiálů jsou hodnoty jsou meze pružnosti a 17

18 meze kluzu prakticky totožné. U takových ocelí hovoříme, že nemají výraznou mez kluzu a zavádíme tzv. smluvní mez kluzu Rp0,2, což je hodnota napětí způsobující plastickou deformaci 0,2%. Celková deformace smluvní meze kluzu je hodnota napětí, při které dochází k přetržení zkušební tyče, označuje se Rt0,5.U houževnatých materiálů využíváme tzv. smluvní tahový diagram - viz obrázek 1. Obě veličiny se využívají při určování ocelí v materiálových normách (viz - Rozdělení ocelí do skupin a podskupin - předchozí tabulky v bodě 2.2 ). Obrázek 1 Diagramy tahových zkoušek 18

19 3.2 Ověřování znalostí, příklady otázek, odkazy, literatura, zdroje 1/ Co vyjadřuje tahový diagram zkoušeného ocelového vzorku? 2/ Jaké znáš tři meze tahové zkoušky oceli, jaké jsou v nich deformace 3/ Jaký je rozdíl mezi výraznou a nevýraznou mezí kluzu? 4/ Co je to Rp0,2? 5/ Co je to Rt0,5? Odkazy : Použitá literatura a zdroje : 1/ Hájek E. a kol., Pružnost a pevnost, 1. vydání, ČVUT Praha

20 4 Rozdělení ocelí 3. skupiny 1 hodina Cílem této kapitoly je objasnění technologického zpracování oceli, jejich použití a průmyslové označení těchto ocelí. Výklad: Jedná se o oceli zušlechtěné a precipitačně vytvrzované oceli kromě korozivzdorných ocelí, se zaručenou mezí kluzu ReH větší než 360 MPa. (pozn. PRECIPITACE je způsob krystalizace látek vylučujících se z tuhého roztoku při jeho zahřívání po předchozím silném ochlazení). Oceli 3. skupiny podskupina 3.1 Jedná se oceli zušlechtěné a lité se zaručenou mezí kluzu ReH od 360MPa do 690MPa (viz tabulka Rozdělení ocelí do skupin a podskupin, bod 2.1). Oceli 3. skupiny podskupina 3.2 Jedná se o oceli zušlechtěné a lité se zaručenou mezí kluzu ReH větší než 690MPa. Zde se vyskytují oceli s průmyslovým označením HARDOX, WELDOX, ARMOX, DOMEX, TOOLOX a DOCOL (viz bod 2.1). 20

21 HARDOX - je nejhouževnatější otěruvzdorný plech v řadách tvrdosti od 400 HBV do 700 HBV. WELDOX - jsou vysokopevnostní ocelové plechy s mezí kluzu 700 MPa až 1300 MPa, mají vysokou pevnost a zaručují výbornou svařitelnost a houževnatost. DOMEX - jsou vysokopevnostní ocelové pásy s mezí kluzu MPa. TOOLOX - je kalená a popouštěná nástrojová ocel s velmi nízkým zbytkovým napětím, existuje v řadách tvrdosti od 275 do 475 HBV. DOCOL vysokopevnostní, konstrukční, jemnozrnná ocel, vysoká ReH, dobrá houževnatost i při nízkých teplotách.využití i v automobilovém průmyslu konstrukce sedadel. Oceli 3. skupiny podskupina 3.3 Jedná se o oceli precipitačně vytvrzované (viz bod 2.2). Základní rozlišení dle zpracování při výrobě udává symbol: M - termomechanicky zpracované, válcované za řízeného ochlazování Q - zušlechtěné (kalené a popouštěné) A - kalené a precipitačně vytvrzené 21

22 4.1 Ověření znalostí, příklady otázek, odkazy, informace 1/ Co je to HARDOX? 2/ Co je to WELDOX? 3/ Co je to ARMOX? 4/ Co je to DOMEX? 5/ Co je to TOOLOX? 6/ Co je to DOCOL? Odkazy : Použitá literatura a informace : 1/ Technická zpráva z internetu od firmy Dimont HDX, s.r.o., Ostrava, Czech Republic 22

23 5 Zásady a technické podmínky pro použití vysokopevných a otěruvzdorných ocelí včetně svařování WELDOX a HARDOX. 3 hodiny Cílem této kapitoly je všeobecně přiblížit porovnání použití běžných ocelí s vysokopevnostními ocelemi a jejich srovnání při výrobě ocelových konstrukcí ohledně únosnosti, jejich váhy, ceny a možnosti využití, např. v automobilovém průmyslu. Výklad: Všeobecně. Podobné chemické složení a podobný způsob tepelného zpracování dělají z vysokopevn ých a otěruvzdorných ocelí sourozence. V obou případech se jedná o kalené ocelové plechy s nízkým obsahem uhlíku a legujících prvků tak, aby při vysokých hodnotách pevnosti (respektive tvrdosti) byla zajištěna jejich technologičnost, zejména svařitelnost. Hlavní rozdíl při výrobě těchto dvou skupin ocelí je v závěrečné fází tepelného zpracování - popouštění. Zatímco se otěruvzdorné oceli po kalení nepopouštejí nebo se popouštějí jen na nízké teploty (cca 200 C), vysokopevnostní konstrukční oceli se popouštějí na vysoké teploty (cca 600 C). Vyšší popouštěcí teplotou vznikne ve vysokopevných konstrukčních ocelích jiná rovnováha mezi pevností a houževnatostí - úroveň houževnatosti je povýšena na úkor pevnosti. 23

24 V současné době můžeme rozdělit vysokopevnostní oceli do dvou hlavních skupin. Do meze kluzu Re = 500 MPa včetně, jsou to oceli nekalené a jsou zahrnuty v EN Jde o ocelové plechy WELDOX 420, WELDOX 460 a WELDOX 500. Kalené,,pravé vysokopevnostní oceli WELDOX jsou pak v označení postupně 700, 900 a 960, jsou zahrnuty v EN Nejpevnější konstrukční ocelí je v současné době ocel WELDOX 1100 s mezí kluzu Re = 1100 MPa, která není ještě zahrnuta v evropských normách.zásadní rozdíl v mechanických vlastnostech mezi,,klasickou konstrukční ocelí (S) a vysokopevnostní ocelí je zejména v mezi kluzu a mezi pevnosti. Ostatní zaručované mechanické vlastnosti (tažnost a vrubová houževnatost) zůstávají na přibližně stejné úrovni. Při diskuzích o aplikacích vysokopevných konstrukčních ocelí je třeba si uvědomit, že nelze počítat s úsporou nákladů, pokud použijeme vysokopevný plech (menší tloušťky) místo klasické oceli. Vysokopevná ocel o mezi kluzu 700 MPa je cca 2x až 3x dražší než ocelový plech jakosti S 355, který má poloviční mez kluzu (Re =355 MPa). V reálných konstrukcích pak úspora tloušťky plechu při použití oceli s dvojnásobnou hodnotou meze kluzu není 50%, ale většinou je to méně než 30%. Úspora nákladů není tedy vždy důvodem k aplikaci vysokopevné oceli. V současné době je převládajícím důvodem aplikací vysokopevných ocelí potřeba snížit zejména hmotnost výrobku.důvody jsou v zásadě dva. První je, že existuje omezení hmotnosti z hlediska jeho manipulace, dopravy, legislativních předpisů, těžiště,., přičemž jsou na tyto výrobky současně kladeny i značné nároky na nosnost, bezpečnost, odolnost proti zatížení aj. Do této skupiny patří mobilní jeřáby, důlní výztuže, některé součásti zdvihacích zařízení a konstrukcí ropných plošin. 24

25 Druhým důvodem je, že snížením hmotnosti dosáhneme zvýšení kapacity (nosnosti) zařízení. Zde se jedná opět o mobilní jeřáby, dále o podvalníky, částí podvozků některých nákladních automobilů, hydraulické ruky aj. Ekonomické zhodnocení použití vysokopevných ocelí z hlediska nákladů na dělení, svařování, dopravu, nátěry aj. může být velmi zajímavé z hlediska úspor času, peněz, kapacity výroby aj. Zajímavým důvodem pro použití vysokopevných ocelí je svařitelnost. Vysokopevné oceli WELDOX s mezí kluzu Re = 420 až 500 MPa a menší tloušťky ocelí WELDOX 700 (do 20 mm) mají nižší hodnotu uhlíkového ekvivalentu než ocel S 355. V některých případech, kdy je z důvodů tloušťky plechu již nutné ocel typu S 355 předehřívat, můžou být ekvivalentní tloušťky ocelí WELDOX 420 až 700 svařovány bez předehřevu. Zde tedy přichází v úvahu úspora spotřebovaného plynu na předehřev, odpadá technologická manipulace, také je zde velká úspora času a pokud svařování probíhá v terénu, předehřev může být technicky obtížný. Z těchto důvodů byla ocel WELDOX použita v poslední době ve Skandinávii pro stavby mostů.celkově je největší podíl vysokopevných ocelí používán na mobilní jeřáby. Současné požadavky na nosnost těchto zařízení jsou takové, že u výložníků mobilních jeřábů se používají většinou oceli o mezi kluzu Re = 900 až 960 MPa místo kdysi používaného standardu s Re = 700 MPa. Aby mobilní jeřáb o kapacitě např. 500 tun mohl vyjet na silnici (limity zatížení náprav, celková hmotnost), používají se oceli s Re = 900 a 960 MPa z důvodů vylehčení konstrukce i na ostatních částech tohoto výrobku. Další rozšířenou aplikací těchto ocelí jsou důlní výztuže. Zde se používá prakticky celá škála jakostí vysokopených ocelí od meze kluzu Re = 420 MPa až do 960 MPa. Důvodem požívání těchto ocelí při výrobě důlních výztuží je opět kombinace požadavků na nosnost a odolnost proti přetížení a současně omezení hmotnosti kvůli jejich manipulaci v dolech.pro podvalníky se 25

26 nejčastěji používá ocel s mezí kluzu 700 MPa. V tomto případě je hlavním důvodem k aplikaci vysokopevné oceli zvýšení nosnosti podvalníku. Zajímavou aplikací jsou vysokopevné plechy pro přiváděcí potrubí hydroelektráren. Zejména v případě přečerpávacích elektráren způsobují rozdílné výšky hladin vysoké tlaky ve spodní části potrubí. Častým řešením zde bývá použití ocelí s mezemi kluzu Re = 690 až 900 MPa.Používání vysokopevných ocelí v konstrukcích nicméně přináší i určité technické komplikace. Nejmenší z nich je svařování. Jak již bylo připomenuto,,,nižší řada vysokopevných ocelí (WELDOX 420, 460, 500 a menší tloušky oceli WELDOX 700) mají svařitelnost stejnou nebo dokonce lepší, než klasické oceli typu S 355. U,,vyšší řady těchto ocelí, tj. pro větší tloušťky oceli WELDOX 700 a oceli WELDOX 900 až 1100 již může být svařování náročnější. Větším problémem při aplikaci těchto ocelí jsou záležitosti vysokocyklové únavy, tuhosti a vzpěru. Použití vysokopevných ocelí v reálných konstrukcích nám nepřináší nárust únavové životnosti oproti konstrukcím z klasických ocelí (S 235 a S355). Toto je zapříčiněno zejména tím, že v reálné konstrukci předpokládáme svarové spoje, jejichž únavová životnost je v podstatě nezávislá na pevnosti oceli. Toto je nutno zohlednit v případě, že se počítá, že výběhu životnosti výrobku dosáhne počet cyklů větší hodnoty než cca až cyklů za dobu životnosti. Mechanické překážky, jako je vysokocyklová únava, tuhost a vzpěr, eliminujeme do značné míry konstrukčními úpravami. Vysokopevné oceli mají před sebou velkou perspektivu. Nevíme, z kolika procent jsou schopny v budoucnu nahradit klasické oceli S 235 a S 355, přesto celosvětová spotřeba roste rychleji než spotřeba klasické oceli. 26

27 Také množství energie, množství vzniklého CO2 a dalších nečistot jsou na výrobu 1 kg,,lepší oceli v podstatě stejné jako na výrobu 1 kg klasické oceli. 1 kg,,lepší oceli může tak nahradit např. 2 kg klasické oceli. 5.1 Svařování vysokopevných a otěruvzdorných ocelí Většina vysokopevných ocelí WELDOX a otěruvzdorných ocelí HARDOX obsahují málo legovacích prvků. Takže uhlíkový ekvivalent Ce je nízké hodnoty. Proto lze plechy pomocí standardního obloukového svařování snadno svařovat ke všem obvyklým konstrukčním plechům. Při svařování plechů WELDOX je cílem: zajistit odpovídající pevnost svaru dosáhnout vyhovující houževnatost svaru Při svařování plechů HARDOX je cílem: udržet tvrdost tepelně ovlivněné zóny dosáhnout vyhovující houževnatost svaru Pro danou třídu pevnosti mají plechy WELDOX a HARDOX nízké uhlíkové ekvivalenty Ce. Oceli s nízkým uhlíkovým ekvivalentem Ce lze lépe svařovat, než oceli s vysokou hodnotou Ce. Oceli s vysokou hodnotou Ce se musí technologicky ošetřit - předehřevem, dodržováním teploty,,interpass, popř. dohřevem. Tyto záležitosti budou dále rozvedeny v dalších kapitolách. 27

28 5.2 Uhlíkový ekvivalent Uhlíkový ekvivalent (viz tabulka 2) představuje přepočtenou hodnotu legujících prvků tak, jako kdyby byl místo nich uhlík. Samozřejmě se připočítává k tomuto přepočtenému procentu legur i příslušné procento uhlíku, jak je patrno ze vzorce : Ce = C + Mn/6 + (Cr+Mo+ V)/5 + (Cu+Ni)/15 /%/ Základní legující prvky tedy jsou: mangan,chrom,molybden,vanad,měď a nikl. Tabulka 2 Hodnota uhlíkového ekvivalentu u některých typů ocelí: Typ oceli Vyráběné tloušťky /mm/ Uhlík. ekv. Ce /%/ S ,39-0,43 WELDOX ,34-0,37 WELDOX ,37-0,39 WELDOX ,37-0,42 WELDOX ,37-0,42 WELDOX ,39-0,64 WELDOX ,56-0,64 WELDOX ,68-0,72 Tabulka 2 Rozdělení materiálů 28

29 5.3 Předehřev Základním pravidlem pro předehřev jakýchkoliv ocelí je, že : tloušťka oceli je větší než 20 mm procento uhlíku je větší než 0,2% procento uhlíkového ekvivalentu je větší než 0,41% svařovací elektrody mají vyšší uhlíkový ekvivalent než svař. ocel Předehřevem eliminujeme rychlejší ochlazování tlustších plechů a tím zakalení tepelně ovlivněné zóny. Předehřevem zvyšujeme snažší únik vodíku ze svárového kovu. Víme, že výskyt vodíku ve svárovém kovu dává riziko vzniku trhlin ve studeném stavu. Předehřev je mimořádně důležitý při stehování dílců a při svařování kořenových svárů. Definování základních pojmů z ČSN EN ISO Svařování - Směrnice pro měření teploty předehřevu, teploty interpass a teploty ohřevu : teplota předehřevu - teplota součásti v oblasti svaru bezprostředně před jakoukoli svářecí operací, vyjadřuje minimum a obvykle se rovná minimu teploty interpass, teplota interpass - teplota vícevrstvého svaru a přiléhajícího základního materiálu bezprostředně před aplikací další housenky, obvykle se uvádí jako maximální teplota, 29

30 teplota ohřevu - minimální teplota v oblasti svaru, která musí být udržována v případě přerušení svařování. 5.4 Tepelný příkon - vnesené teplo Při svařování vysokopevných ocelí je tepelný příkon v průběhu svařování jedním z hlavních faktorů ovlivňující vlastnosti svarů. Tepelný příkon ovlivňuje teplotně časové cykly, které se vyskytují v průběhu svařování a může ovlivnit jak vlastnosti svarového kovu, tak může vést i k degradaci vlastností základního materiálu v tepelně ovlivněné zóně. Tepelný příkon se při svařování u vysokopevných ocelí volí v rozmezí 0,35 až 2,5 kj/mm. Nejvhodnější je velikost tepelného příkonu do 2,00 kj/mm. Hodně záleží na tloušťce, resp. kombinované tloušťce svařovaného materiálu, dále záleží na pevnostní třídě svařovaných ocelí a v neposlední řadě na teplotě popuštění základního materiálu při jeho výrobě. Tepelný příkon Q vypočítáme ze vztahu : Q = k.u.i.60 / v.1000 kj/mm k = koeficient tepelné účinnosti jednotlivých metod svařování, 111/MMA=0,8 135/136/MIG/MAG=0,8-0,9 136/FCAW=0,9 SAW=1,0 TIG/WIG/GTAW=0,7 I = svařovací proud v ampérech v = svařovací rychlost v mm/min 30

31 Příklad : Ve svářečské škole potřebujeme spočítat množství vneseného tepla v kořenové vrstvě, ve výplňové vrstvě a krycí vrstvě u svařovaného tupého,,v svaru v poloze PF ( zdola nahoru ) metodou 135 svařovaného materiálu HARDOX S 690 QL pro stanovení postupu svařování výrobce, tzv. pwps. a/ výpočet tepelného příkonu při svařování kořene : naměřený čas svařování na délce svaru 142 mm je 1:09,50min=69,50s / 69,50 = 122,58 mm/min = svařovací rychlost naměřené napětí při svařování U = 18,4 V naměřený el. proud I = 129 A k = 0,8 Q = k.u.i.60 / v.1000 = 0,8.18, / 122, = 0,92 kj/ mm b/ výpočet tepelného příkonu při svařování výplňové vrstvy : naměřený čas svařování v délce svaru 246 mm je 3:01,80min=181,80s / 181,80 = 81,19 mm / min = svařovací rychlost naměřené napětí při svařování U = 19,6 V naměřený el. proud I = 137 A k = 0,8 Q = k.u.i.60 / v.1000= 0,8.19, / 81, = 1,58 kj / mm 31

32 c/ výpočet tepelného příkonu při svařování krycí vrstvy : naměřený čas svařování v délce svaru 155 mm je 2:25,10min=145,10s /145,10 = 64,09 mm/min = svařovací rychlost naměřené napětí při svařování U = 18,4 V naměřený el. proud I = 129 A k = 0,8 Q = k.u.i.60 / v.1000= 0,8.18, / 64, = 1,77 kj / mm Závěr : Všechny tři vypočítané položky tepelného příkonu vyhovují svařovanému kusu a jednotlivé parametry svařování se mohou zapsat do pwps (viz obrázek 17) pro ocel HARDOX S 690 QL. 5.5 Teplota interpass Teplotu interpass přiřazujeme a měříme u vícevrstvých svarů. Teploty interpass (viz tabulka 3) měříme vždy těsně před zahájením svařování každé vrstvy. Teplota se měří na svarovém kovu na jednom nebo na více místech stejné vrstvy nejčastěji dotykovým digitálním teploměrem. Naměřené hodnoty se zaznamenávají do protokolu o svařování pro jednotlivé svařence. 32

33 Příklad : Teplotu interpass jsme měřili na čtyřech místech s těmito měřeními : 135 C, 151 C, 158 C, 165 C. Teplotu interpass do protokolu zapíšeme dle ČSN EN takto : Teplota ČSN EN Ti 135 /165 CT /CT = dotykový teploměr / Tabulka 3 Teplota interpass některých vysokopevných ocelí : Typ oceli Interpass teplota / C / S WELDOX WELDOX 420, WELDOX WELDOX WELDOX 900, 960, HARDOX 400, Tabulka 3 Teploty interpass 5.6 Volba přídavného materiálu Při svařování materiálu WELDOX a HARDOX lze použít přibližně stejné metody svařování /obloukové /, které se hodí pro svařování plechů běžných jakostí i plechů s vysokou pevností /od S 355 výše/. 33

34 Volba přídavného materiálu vždy vychází z požadavku na mechanické vlastnosti svarového kovu.při svařování ocelí WELDOX a HARDOX metodou MMA se používají jen bazické elektrody. U jiných metod obloukového svařování /MIG,MAG,FCAW a SAW/ si musíme hlídat přídavný materiál tak, aby obsah vodíku byl nanejvýš roven 5 ml/100 g svarového kovu. Při výběru meze kluzu přídavného materiálu mohou nastat tyto možnosti : svarový kov má nižší mez kluzu než základní materiál svarový kov má stejnou mez kluzu jako základní materiál svarový kov má vyšší mez kluzu než základní materiál Při svařování ocelí WELDOX 700 až 1100 se doporučuje kombinace měkkých elektrod / svařovacích drátů / v kořenové vrstvě s elektrodami /svařovacími dráty/ s vyšší pevností pro výplňovou a krycí část svaru Přídavné materiály doporučená pevnost pro oceli WELDOX a HADROX WELDOX 355, vyšší pevnost než základní materiál WELDOX 460, 500 WELDOX 700 WELDOX 900, 960 WELDOX 1100 HARDOX 400, vyšší nebo stejná pevnost jako základní materiál - stejná nebo nižší pevnost jako základní materiál - nižší pevnost jako základní materiál - nižší pevnost jako základní materiál - nižší pevnost jako základní materiál U koutových svarů /FW/ se doporučuje použít přídavný materiál s nižší mezí kluzu. 34

35 5.7 Použití měkkých elektrod při svařování oceli HARDOX Ocel HARDOX by se měla svařovat bazickými elektrodami, trubičkovým drátem s bazickou náplní nebo drátem za použití bazického tavidla s mezí kluzu menší než Re = 500 MPa. Tyto elektrody a dráty snižují úroveň zbytkového pnutí ve svaru a tím i náchylnost materiálu na vznik trhlin ve studeném svaru. Jestliže je svar neustále vystavován značnému opotřebení, můžeme pro krycí vrstvu použít tvrdé elektrody a svařovací dráty s mezí kluzu větší než Re = 600 MPa. Po shrnutí můžeme konstatovat, že hlavní výhodou při volbě přídavného materiálu s nízkou pevností (mez kluzu menší než 500 MPa) oproti přídavnému materiálu s vysokou pevností je : vyšší houževnatost svarového kovu lepší tažnost kovu snížená náchylnost na vznik trhlin ve studeném stavu. V některých případech můžeme otěruvzdorné oceli HARDOX velmi dobře svařovat také pomocí austenitických korozivzdorných přídavných materiálů jestliže : svarek je pevně upnutý ( např. v přípravku ) svarek nelze předehřát svařovaný plech je silnější než 60 mm 5.8 Dělení plechů WELDOX a HARDOX Ocelové plechy WELDOX a HARDOX můžeme dělit několika známými způsoby. Vlastnosti těchto ocelí závisí na konkrétním typu tepelného 35

36 zpracování.vždy je třeba mít na zřeteli tepelný příkon při dané metodě dělení. To znamená, že se musí respektovat vliv tepelně ovlivněné zóny (TOZ, někdy označujeme tepelně ovlivněná oblast TOO ). Vzniká zde velké nebezpečí trhlin při chladnutí. Závisí také jakou rychlostí a v jakém teplotním prostředí se plechy ochlazují. Během dělení hrozí také posunutí plechu. Ne vždy máme k dispozici vhodnou metodu dělení (viz tabulka 4) ocelových plechů. Velké mostárny a strojírenské závody mají k dispozici nejmodernější metody dělení plechů. Dělení ocelových plechů - metody: Metoda dělení Tloušťka Rychlost řezání Řezná spára TOZ Tolerance Vodní paprsek mm mm/min 1-3 mm 0 mm 0,2 mm Laser 4-20 mm mm/min 1 mm 0,4-3mm 0,2 mm Plasma 4-40 mm mm/min 2-4 mm 2-5 mm 1,0 mm Plamen mm mm/min 2-5 mm 4-10 mm 3,0 mm Tabulka 4 Dělení ocelových plechů - metody Řezání vodním paprskem Metoda je vhodná pro většinu materiálů. Výborný řez s šířkou spáry 1 až 3 mm. Jedná se o,,chladný způsob dělení, takže odpadá vznik tepelně ovlivněné zóny. Abrazivní řezání proudem vody vylučuje případy 36

37 nebezpečí vzniku trhlin. Zejména je tato metoda vhodná pro dělení silných otěruvzdorných ocelí HARDOXů. Řezání laserem Laserem můžeme řezat ocelové plechy až do síly 20 mm. Šířka řezu je menší než 1 mm, záleží na podmínkách, tloušťce plechu a nejvhodnější řezné rychlosti. Od toho se také odvíjí šířka tepelně ovlivněné zóny, která bývá 0,4 až 3 mm.velkou výhodou je řezání různých tvarů. Řezání plazmou S úspěchem řežeme plechy o síle až 40 mm. Šíře řezu je 2 až 4 mm. Řez je kvalitní, nedostatkem je, že hrany mají snahu se zaoblovat. Velikost tepelně ovlivněné zóny je 2 až 5 mm. Vysoká řezná rychlost. Jedná se o hlučnou a prašnou metodu. Tyto nedostatky můžeme eliminovat řezání plazmou pod vodou. Řezání plamenem Plamenové řezání ocelí při použití hořlavých plynů propan-butan, propylen nebo acetylen je nejčastěji používaná metoda dělení jakýchkoliv ocelí s výjimkou ocelí austenitických. Snadná dostupnost k této technologii dělení dělá z této metody použitelnost i pro ruční dělení. Šířka řezu je od 2 do 5 mm. Tato metoda dělení je nejméně přesná, hodí se pro předoperační technologické další zpracování ocelí. Největší nevýhodou tohoto způsobu dělení je velká tepelně ovlivněná zóna. Vzniká nebezpečí trhlin a možnost místního zakalení. Dobré je ocel předehřívat, 37

38 snížit rychlost řezání a následně hlídat dobu chladnutí plamenově řezané oceli. Oceli HARDOX vyžadují zvláštní opatrnost při dělení. Každá součást výrobku má svou funkci, podle které se přizpůsobují všechny technologické postupy. Tedy zejména postupy dělení a svařování včetně jejich předehřevu, popř. dohřevu. 5.9 Předehřev a dohřev vysokopevných ocelí Jestliže chceme tuto ocel dělit náročně tepelnou technologií, je nejlepší způsob zabránění vzniku trhlin plech předehřát a udržovat zvýšenou teplotu až do konce řezání. Doporučená teplota (viz tabulka 5) ocelového plechu se musí dosáhnout před řezáním. Teplota se kontrolně měří na spodní části plechu. Tímto zamezíme nebezpečí vniku prasklin a trhlin okamžitě po řezání. Vyrovnávání teploty musí být nejméně 5 minut na milimetr tloušťky plechu. Celková doba ohřevu je vždy větší než 1 hodina. To samé platí pro ochlazování. Dobu ochlazování je vhodnější prodlužovat, než provádět dodatečný ohřev. 38

39 Tabulka 5. Doporučené teploty předehřevu při řezání plamenem: Jakost plechu Tloušťka plechu /mm/ Teplota / C/ HARDOX HARDOX HARDOX HARDOX HARDOX Tabulka 5 Doporučené teploty předehřevu při řezání plamenem 5.10 Ověřování znalostí, příklady otázek, odkazy, zdroje, informace 1/Co je cílem při svařování plechů WELDOX? 2/Co je cílem při svařování plechů HARDOX? 3/Co je to uhlíkový ekvivalent, jeho výpočet? 4/Jaká jsou základní pravidla pro předehřev jakýchkoliv ocelí? 5/Teplota předehřevu, interpass ohřevu. 6/Co je to tepelný příkon při svařování? 7/Výpočet tepelného příkonu, jeho rozmezí. 39

40 8/Volba přídavného materiálu. 9/Metody dělení ocelových plechů. 10/Proč tepelně zpracováváme vysokopevné oceli před řezáním plamenem. Odkazy : Použité informace, zdroje : 1/ Technická informace : fa TESYDO Brno, s.r.o., - informační list Zásady a technické podmínky pro použití VP ocelí 40

41 6 Závěr 1 hodina Tato práce má za úkol osvětlit a prakticky přiblížit nepatrnou část předmětu Strojírenská technologie. Dává nahlédnout do dvou odnoží ocelových materiálů. První z nich je značení oceli podle evropské nomy, druhá pak, přiblížit posluchačům použití ocelových materiálů, zejména pro stavby ocelových konstrukcí a technologických strojírenských zařízení. Oceli WELDOX a HARDOX, vysokopevné a otěruvzdorné, jsou oceli s velkou budoucností a velkou perspektivou. Nevím, z kolika procent jsou schopny v budoucnosti nahradit klasické oceli S 235 a S 355, přesto celosvětová poptávka po vysokopevných ocelích neustále roste. Ve výrobě jde zejména o úsporu energie vynaložené na stejné množství vyrobené,,obyčejné oceli a vysokopevné oceli. Zde je jednoznačně k porovnání množství produktu s porovnatelnou únosností. Pro příklad uvádím : plech S355 o tloušťce 14 mm nahradí např. vysokopevnostní plech o síle 10 mm. Velkým ekologickým hlediskem je také množství CO 2 a dalších nečistot vzniklých při výrobě. Hledisko dopravy není taktéž opomíjeno. Shrnutím mohu říci, že náklady na výrobu a ekologické hledisko výroby,,lepších ocelí jsou srovnatelné s výrobou,,obyčejné oceli. Nejlepším a nejmarkantnějším poznatkem však je, že 1 kg,,lepší oceli může v některých případech nahradit např. 2 kg obyčejné oceli. A o to jde, posuďte sami. Autor 41

42 Obrázek 2 Vysokopevné ocelové plechy 42

43 Obrázek 3 Rozdělení kalených ocelových plechů Obrázek 4 Vysokopevné konstrukční oceli 43

44 Obrázek 5 Vliv uhlíku na VP oceli Obrázek 6 Nepoužívání šrotu při výrobě VP oceli 44

45 Obrázek 7 Otěruvzdorné oceli Obrázek 8 Pancéřové oceli 45

46 Obrázek 9 Popouštění VP ocelí Obrázek 10 Vysokopevné oceli - svařování Obrázek 10 46

47 Obrázek 11 WELDOX 700 materiálový list Obrázek 12 Vysokopevné oceli - chemické složení 47

48 Obrázek13 Svařitelnost - otěruvzdorné oceli Obrázek 14 Svařování - tepelný příkon 48

49 Obrázek 15 Přídavný materiál - mez kluzu Obrázek 16 Postup svařování 49

50 Obrázek 17 WPS - technologický postup svařování 50

51 7 Použité zdroje a informace k prezentaci Prezentaci poskytla firma SSAB Schwedisch Steel, s.r.o., Ostrava Poruba Poděkování zejména ing. Ivanu Míkovi za představení vysokopevných ocelí a konzultaci k využití vysokopevných ocelí. 51

52 8 Rozvržení hodinové dotace modulu svařování VP oceli vysokopevnostní oceli HARDOX a WELDOX 8 hodin prezentace a přednáška VP ocelí 2 hodiny praktické předvedení svařování VP ocelí s měřením teploty interpass včetně předehřevu 2 hodiny exkurze výroba VP oceli v konvertoru EVRAZ VÍTKOVICE STEEL 3 hodiny exkurze válcování VP ocelových plechů, válcovací stolice 3,5m kvarto, EVRAZ VÍTKOVICE STEEL 2 hodiny chemická laboratoř VÍTKOVICE MACHINERY GROUP určení % složení zadané oceli určení % uhlíku určení % uhlíkového ekvivalentu 3 hodiny mechanická laboratoř-vítkovice MACHINERY GROUP tahová zkouška oceli S 235 J0 tahová zkouška oceli S 450 Q vyhodnocení jednotlivých tahových diagramů zkouška vrubové houževnatosti-charpyho kladivo zkoušky tvrdosti ocelových materiálů 20 hodin Ing. Jaromír Pavlíček 52

53 9 Seznam obrázků Obrázek 1 Diagramy tahových zkoušek.18 Prezentace I. díl Obrázek 2 Vysokopevné ocelové plechy Obrázek 3 Rozdělení kalených ocelových plechů Obrázek 4 Vysokopevné konstrukční oceli Obrázek 5 Vliv uhlíku na VP oceli Obrázek 6 Nepoužívání šrotu při výrobě VP oceli Obrázek 7 Otěruvzdorné oceli Obrázek 8 Pancéřové oceli Obrázek 9 Popouštění VP ocelí Obrázek10 Vysokopevné oceli - svařování..46 Prezentace II. díl Obrázek 11 WELDOX 700 materiálový list Obrázek 12 Vysokopevné oceli - chemické složení Obrázek 13 Svařitelnost - otěruvzdorné oceli Obrázek 14 Svařování - tepelný příkon Obrázek 15 Přídavný materiál - mez kluzu Obrázek 16 Postup svařování Obrázek 17 WPS - technologický postup svařování

54 10 Seznam tabulek Tabulka 1 Určení nárazové práce Tabulka 2 Rozdělení materiálů Tabulka 3 Teploty interpass Tabulka 4 Dělení ocelových plechů - metody Tabulka 5 Doporučené teploty předehřevu při řezání plamenem