19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí VLIV TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ NA ZMĚNY MECHANICKÝCH HODNOT U MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ INFLUENCE OF WELDING TECHNOLOGY ON CHANGES OF MECHANICAL VALUES OF MICRO-ALLOYED STEELS Antonín Kříž Department of Material Engineering and Engineering Metallurgy, ZČU-Plzeň, Univerzitní 22, Plzeň 306 14, Czech Republic Abstrakt This article responds to needs of industrial use of microalloyed steels for rail vehicle design solutions. Welded steel plates were cut to obtain tensile testing, bend testing and metallographic samples. Results of tensile tests have indicated changes in the tensile strength and the elastic-plastic properties. This effect is due to deviations from the proper welding procedure. For this reason, metallographic and fractographic observations were conducted on fractured tensile test specimens. Consequently, changes to the welding technology were introduced and the results of subsequent tests were more favourable than the previous ones. This article is a response to the needs of engineering design practice where new advanced materials should be introduced, while their technological aspects must be observed as well. 1. ÚVOD Tento příspěvek navazuje na výsledky svařování oceli DOMEX 700MC presentované v předchozích letech. Po třech letech uzavírá experimenty, které byly na této konferenci podrobně presentovány. Uvedené výsledky se týkaly volby parametrů svařování, vlivu jednotlivých typů svarů i vlivu případné anizotropie válcovaného materiálu a segregačního pásu ve střední části plechu. Všechny tyto sledované vlivy byly přísně posuzovány z hlediska mechanických vlastností a metalografických analýz. Ukázalo se, že tepelně ovlivněná oblast je nejvíce náchylná k rozvoji porušení. Z hlediska mechanických vlastností, nebyl zjištěn žádný trend chování materiálu v souvislosti s parametry svařování. Rovněž tažnost byla zcela odlišná od očekávání vyplývající z použitých parametrů, ale i z metalografické studie. Nejnižší mez kluzu byla 670±7,6MPa. Ačkoliv nebyla dodržena hranice min. 700MPa, přesto pokles nebyl tak výrazný, jak by se očekávalo v případě degradace vlastností. Prokázalo se, že předehřev nemá až tak výrazný vliv na dosažené vlastnosti. Podstatně větší vliv má neprovaření kořene housenky, případně další defekty ve svarovém spoji (bubliny, oxidické vměstky apod.). Ze získaných poznatků vyplývá, že pro svařování plechů DOMEX 700MC je vhodné aplikovat předehřev 80 C, při jeho vynechání však nehrozí výrazná degradace vlastností. Narozdíl od předehřevu je nutné věnovat pozornost maximální teplotě, která v blízkosti svaru nesmí překročit 200 C. Při svařování je nutné sledovat tepelný příkon, který by neměl výrazně ovlivnit jednak strukturu, ale také stav již vytvořených housenek. Ze zvolených parametrů se osvědčily parametry, kdy svaření první housenky bylo 1
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí provedeno proudem 120A při napětí 19V; rychlost m/min, svaření druhé housenky proudem 240A; napětí 29V; rychlost 13m/min. teplota předehřevu byla 7-80 C. V aplikaci plechů z mikrolegovaných ocelí je zapotřebí znát nejen pokles mechanických vlastností při statickém namáhání, ale také při dynamických zkouškách. Ačkoliv jsou plechy oceli DOMEX 700MC doporučeny na součásti, které nejsou vystaveny dynamickým namáháním jako např. skříně, je zapotřebí s ohledem na jejich využití v dopravních prostředcích znát i vlastnosti při tomto namáhání. Z tohoto důvodu byly provedeny experimenty, při nichž byly posouzeny nejen mechanické vlastnosti při statickém, ale i při dynamickém namáhání. V tomto příspěvku budou tyto výsledky stručně uvedeny. 2. EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Jak již bylo uvedeno, experimentální program navázal na předchozí experimenty a získané zkušenosti. Proto byly voleny ověřené parametry svařování s tím, že cílem bylo zjistit vliv svaru na změnu (pokles) únavových vlastností. Experimenty byly provedeny ve spolupráci s Univerzitou Pardubice, kde byly realizovány dynamické cyklické testy. Na základě ověřených parametrů svařování byly použity doporučené parametry. 2.1 Parametry svarového spoje a použité technologie Pro experimentální účely byl opět zvolen plech z oceli DOMEX 700MC o tloušťce 6 mm s vyznačeným směrem válcování. Plechy byly svařeny metodou MAG ve směsném plynu Corgon 1 dle ČSN EN 439-M21 u firmy Schäfer Menk s. r. o. Dýšina. Směsný plyn byl použit z centrálního rozvodu s vlastním směšovačem (8% Ar a 1% CO 2 ). Pro svaření byl použit přídavný drát průměru 1mm Union NiMoCr (dle EN 12634-GMn4Ni1,CrMo). Pro svarové plochy byla použita evropská norma ČSN EN 29692 (svar číslo 1.3) a německá norma pro kolejová vozidla DIN 6700-3 (svar číslo 2a). Zkoušeny byly svary V (obr.1). Orientace vzorků byla volena tak, aby jejich osa byla ve směru kolmém na válcování. V tabulce 1 jsou uvedeny použité parametry svařování. Obr. 1 Úprava svarových ploch a skladba svaru s vyznačeným pořadím svarových housenek Fig. 1 Preparation of weld surfaces and weld structure with marked order of beads 2
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí Tabulka 1 Odzkoušené parametry svařování Table 1 Test characteristics welding Svar. spoj Označení vzorků - tah Označení vzorků únava Podložení Housenka č. Proud I [A] Napětí U [V] Rychlost svařování v sv [m/min] Předehřev [ 0 C] 1 1-1; 1-2; 1-3 2 2-1; 2-2; 2-3 3 3-1; 3-2; 3-3 4 4-1; 4-2; 4-3 -1; -2; -3 6 6-1; 6-2; 6-3 7 7-1; 7-2; 7-3 A11; A12; A12; 1 130 19 4,0 - A21; A22; A23 BEZ 2 242 28 13,0-1 130 19 4,0-2 242 28 13,0 - C31; C32; C33 S 1 130 19 4,0-2 242 28 13,0 - B41; B42; B42; 1 120 19 4,0 7 B1; B2; B3 2 240 29 13,0 80 BEZ 1 120 19 4,0 7 2 240 29 13,0 80 D61; D62; D63 S 1 120 19 4,0 7 2 240 29 13,0 80 E71; E72; Vydrážkovaný 1 130 19 4,0-2 242 28 13,0-3. METALOGRAFICKÁ A FRAKTOGRAFICKÁ ANALÝZA Vzorky byly odebrány ze svařených desek v souladu s normou ČSN EN 288-3A1. Struktura byla zviditelněna leptadlem 3% NITAL a dokumentována pomocí světelného i řádkovacího elektronového mikroskopu. Lokality pro makrodokumentaci byly odebrány v místě 0 mm od okraje svařovaného kusu a proto se mohly v detailech lišit od snímků z mikrostruktury. Jak vyplývá z výsledků, byly všechny analyzované svary bez vnitřního defektu. To je velmi důležité zjištění, neboť případné defekty by mohly sehrát velmi důležitou roli právě v dosažených hodnotách únavové pevnosti. Z experimentů z předchozích let vyplynulo, že jestliže se jedná o drobné malé defekty nemají v případě statického namáhání výrazný vliv. Přestože nebyly tyto defekty zachyceny na metalografickém výbrusu, byl zachycen případ, kdy byla v případě statického lomu zjištěna přítomnost poměrně velké vady (obr. 2). Všechny lomové plochy byly vizuálně prohlédnuty při zvětšení krát a u vybraných lomů byla provedena fraktografická analýza s využitím předností řádkovacího elektronového mikroskopu. Tím bylo prokázáno, že ve sledovaném svaru na obr. 2 je vměstek typu SiO 2. Obr. 2 Defektní oblast je viditelná i pomocí vyobrazení stereolupou Fig. 2 The defect region is visible even with a research stereo microscope. 3
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí Jeho přítomnost se projevila především na hodnotě tažnosti, která poklesla až na 3,%, zatímco příslušná materiálová norma připouští nejmenší hodnotu 12%. Na hodnotě meze kluzu a meze pevnosti se přítomnost uvedená vady neprojevila. Jak již bylo uvedeno mají tyto vady rozhodující vliv právě při dynamickém namáhání. V následující kapitole na obr. 3 jsou zachyceny výsledky mechanických tahových zkoušek při statickém zatěžování. Cílem metalografické analýzy bylo také zjistit velikost tepelně ovlivněné oblasti. U sledovaných vzorků byly stanoveny jejich velikosti a také rozměr první housenky. Obě tyto hodnoty úzce souvisí s teplotou vnesenou do materiálu. Šířku tepelně ovlivněné oblasti a natavení první housenky určuje nejen svařovací proud a napětí, ale také rychlost svařování. Na makrosnímcích dokumentující jednotlivé oblasti svařovaného materiálu jsou jednotlivé rozdíly patrny. V tab. 2 jsou uvedeny velikosti jednak tepelně ovlivněné oblasti, ale i velikost první housenky. Tabulka 2 Velikost tepelně ovlivněných oblastí Table 2 Area heat-affected zone of basic material Svar. Označení Šířka tepelně ovlivněné Velikost první spoj vzorků - Podložení oblasti [mm] housenky [mm] tah LEVÁ PRAVÁ 1 1-1 2,8 2,3 2,87 2 2-1 BEZ 1,82 2,8 2,6 3 3-1 S 2,6 3,0 2, 4 4-1 2,8 3,6 2,14-1 BEZ 3,7 3,4 2,6 6 6-1 S 2,6 1,4 2,0 7 7-1 2,2 2,64 2,6 7-3 Vydrážkovaný 2,34 2,14 2,7 Snímky pořízené z metalografické i faktografické analýzy budou presentovány v přednášce. Z dosažených výsledků vyplývá, že tepelně ovlivněné oblast má v lokalitě natavení poměrně hrubé zrno s usměrněním dle odvodu tepla. Druhá část, vzdálená od svarového kovu má naopak zrno velmi jemné, neboť v této oblasti proběhla rekrystalizace. Jak bude dokumentováno v další kapitole, je v této oblasti nejmenší tvrdost. Do této oblasti se soustředí výrazná plastická deformace a dochází k vytvoření lomu. To se projevilo i na stavu lomové plochy, která měla tvárný vysokoenergetický charakter s jamkovou morfologií. Jestliže lom zasahoval následkem změny rozložení napětí vlivem vnitřních defektů do hrubozrnné oblasti popř. svarového kovu, byl lom křehký transkrystalický. 4. MECHANICKÉ VLASTNOSTI Mechanické vlastnosti byly zjištěny na univerzálním trhacím stroji Zwick-Roell ve Výzkumném ústavu ŠKODA Plzeň. Rychlost zatěžování byla do meze kluzu 7 mm/min a zbytek testu byl proveden při rychlosti 1 mm/min. Extenzometry bylo měřeno prodloužení na vzdálenosti 0 mm tak, že svar byl uprostřed. Všechny lomy byly iniciovány v oblasti mezi čelistmi extenzometru. Na obr.3 jsou zachyceny průměrné hodnoty meze kluzu, pevnosti a tažnosti. 4
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí 900 Výsledky ze zkoušky tahem 889 86 80 Napětí [MPa] 800 70 790,7 766,3 814,7 726,7 769 787 800,7 782,3 Rp0,2 Rm 700 678 667 687,1 701 69,3 694 60 1 2 3 4 6 7 Bez svaru Obr.3 Hodnoty vyplývající ze zkoušky tahem Fig.3 Values obtained from the tensile test Při porovnání jednotlivých parametrů, které byly použity, by z teoretického hlediska bylo očekáváno, že vzorky skupiny 1-2 by měly dosahovat stejných výsledků, neboť byly svařeny při stejných podmínkách. Tento předpoklad platí i pro vzorky skupiny 4-. Pro tvarování kořene svaru je lepší svařování s podložením. S ohledem na možné defekty lze očekávat, že nejlepší situace je při vydrážkování kořene, neboť se odstraní jednak defekty (trhliny), ale také zavařené nečistoty. Skupina 7 byla vydrážkována, ale byla svařena úmyslně bez předehřevu. S ohledem na technologii svaření (podložení + předehřev) by byla teoreticky nejlepší skupina 6. Porovnání výsledků této skupiny se skupinou 3 by mělo prokázat vliv předehřevu. Porovnání skupin 4- a 6 by mělo prokázat (tak jako porovnání 1-2 a 3) vliv podložení kořene svaru na výsledné vlastnosti. Vzorky skupiny 1 a 2 byly svařeny za stejných parametrů, proto by měly mít i podobné vlastnosti. Mez kluzu je u těchto vzorků téměř identická. Větší rozdíl byl u meze pevnosti. Podstatně se liší tažnost. Její průměrná hodnota u skupiny 1 je ±0,3%, u skupiny 2 dosahuje 6,4±0,7%. Skupina 3 dosahuje nejvyšších hodnot meze kluzu a pevnosti. Tažnost je celkově průměrná. Tak jako ve skupině 1 a 2 byly plechy skupiny 4; svařeny za stejných podmínek. Na rozdíl od prvních dvou skupin byly tyto vzorky svařeny s předehřevem. Obě skupiny 4; dosahovaly podobných hodnot meze kluzu i meze pevnosti. Opět větší rozdíl byl zjištěn u tažnosti. Přičemž u skupiny byla tažnost celkově nejvyšší. U skupiny 6 bylo rovněž dosaženo poměrně vysokých hodnot meze pevnosti a kluzu, která se blížila k hraniční hodnotě (Rp0,2) 700 MPa.
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí METAL 2009 Skupina vzorků 7 byla svařena s vydrážkováním kořene svaru. Proto by se dalo očekávat, že tyto vzorky budou mít nejlepší vlastnosti, neboť jsou zaručeny podmínky pro odstranění možných defektů ve svarovém spoji. Tento předpoklad se nenaplnil. Mez kluzu je nepatrně pod limitní hranicí. Výraznější pokles je u mezi pevnosti. Tažnost je rovněž nízká a po skupině 1 dosahuje nejnižších hodnot. Protože tato skupina (7) nenaplnila očekávání budou dva vzorky podrobeny metalografickému rozboru (7-1; 7-2).. Analýza mikrotvrdosti Tvrdost byla zjišťována vnikací metodou, jejíž hodnota je závislá na vzniklé plastické deformaci. V lokalitách, kde je nízká hodnota tvrdosti jsou dobré podmínky pro plastickou deformaci. V této oblasti se pak začíná materiál nejen přednostně deformovat, ale také v této oblasti dojde nejčastěji k vyčerpání plastické deformace a následkem toho k vytvoření podmínek pro vznik trhliny. Proto s největší pravděpodobností v místě, kde je nejnižší tvrdost dojde při limitním zatížení ke vzniku lomu. Pouze v případě víceosého namáhání, nebo v případě vnitřních defektů dojde k iniciaci lomu v jiných oblastech. V reálném zatěžování je víceosé namáhání běžné, ale při zkoušce tahem je jednoosé namáhání, přičemž až v závěru testu při zúžení zkušební vzorky (nastane-li) se začne uplatňovat tříosá napjatost. Jak vyplynulo již z metalografické analýzy, ve svařeném spoji nelze vyloučit přítomnost defektů jako např. neprovařený kořen housenky, zavařené zbytky strusky (obr. 2) apod. Proto také může lom procházet jinými lokalitami, než určí tvrdost. Následující obr. 4 zachycuje příklad průběhu mikrotvrdosti u svarového spoje. Měření bylo provedeno s využitím Hanemmanova indentoru. Měření bylo prováděno od osy svaru postupným vytvářením vtisků při zatížení 0g. Vtisky byly umístěny v přímce ve středu vzorku vždy ve vzdálenosti cca 00 µm od sebe. Měření bylo ukončeno při dosažení tepelně neovlivněného materiálu. Vzorek 31 hodnoty HV0,0 320 300 260 240 220 7 6, 6, 4, 4 3, 3 2, 2 1, 1 0, 200 0 HV0,0 280 Vzdálenost [m m ] Obr. 4 Průběh tvrdosti HV v podélném směru svaru Fig. 4 Course of hardness HV in longitudinal direction of weld 6
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí Z dosažených hodnot vyplývá, že základní materiál má mikrotvrdost HV0,0 300. Svarový kov má mikrotvrdost HV0,0 okolo 27. Jak již bylo uvedeno, má tepelně ovlivněná oblast dvě odlišné struktury. Hrubozrnnou (natavenou), která je v bezprostřední blízkosti svarového spoje. Tato struktura má mikrotvrdost mezi HV0,0=260-280. Následující jemnozrnná struktura dosahuje nejmenších hodnot, které klesají až k HV0,0=220. 6. Dynamické zkoušky [4] Primární příčinou převážné většiny všech provozních lomů v praxi je únavový proces probíhající v tělesech a konstrukcích namáhaných časově proměnným zatěžováním. Proto byla ve třetím roce řešení projektu zabývajícího se aplikací vysokopenostní oceli DOMEX 700MC věnována patřičná pozornost dynamickým zkouškám. Tyto zkoušky byly realizovány na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzita Pardubice, kde je realizoval Ing. Bohumil Culek Ph.D. V rámci této spolupráce vznikla zpráva [4]. Zkušební vzorky byly zatíženy cyklickým míjivým zatížením o frekvenci 20 Hz. Zatížení bylo charakterizováno osovou tahovou silou se sinusovým průběhem změny. Stanovení únavových Wöhlerových charakteristik je provedeno pro hodnoty cyklů do kolapsu zkušebních vzorku. Obr. Grafické porovnání lineárních Wöhlerových charakteristik jednotlivých zkoušených skupin svarů Fig. Graphical comparison of linear Wöhler characteristics of tested weldment groups Z dosažených výsledků vyplývá, že u všech svařených plechů došlo k poklesu únavové životnosti. Ta je vyjádřena počtem cyklů při zachování stejného dynamického napětí o shodné frekvenci i charakteru popř. poklesem uvedených faktorů při konstantním počtu cyklů. Jak vyplývá ze souhrnného diagramu (obr. ), je rozdíl dosažených hodnot únavové životnosti u svařených plechů a bez svaru podstatně větší, než bylo zaznamenáno u mechanických hodnot při statické zkoušce. Tento rozdíl byl očekáván, neboť dynamické zkoušky podstatně citlivěji zachycují strukturní degradaci. 7. ZÁVĚR Na základě tříletého rešeršního a experimentálního programu vyplývají následující závěry: 7
19. 21.. 2009, Hradec nad Moravicí 1) Mikrolegovaná ocel DOMEX 700MC je z hlediska mechanických vlastností a pořizovací ceny velmi vhodnou náhradou stávajících konstrukčních ocelí např. dle ČSN 41123 (S3J2G3). Z porovnání cen a mechanických vlastností jednoznačně vyplývá efektivita využití uvedené mikrolegované oceli. Z provedených expertíz dodaných plechů nevyplynuly žádné odlišnosti od požadovaných mechanických, chemických i strukturních vlastností, které jsou deklarovány materiálovými listy. 2) Mikrolegované oceli jsou odlévány kontinuálně, proto mají ve středu segregační pás. Jeho plošný podíl při tloušťce plechu 6mm nebyl podstatný. Jeho důležitost by se projevila při podstatně menších tloušťkách. Při použití těchto mikrolegovaných ocelových plechů o tloušťce menší jak 2 mm by bylo vhodné provést kontrolní analýzy, které by vyloučily nežádoucí změny požadovaných vlastností. 3) Vlastnosti ocelových plechů nejsou podstatně ovlivněny směrem válcování a lze je používat bez nutnosti sledování. 4) Při dodržení určitých technologických zásad nemají parametry svařování významný vliv na degradaci vlastností mikrolegovaných ocelí. Ukázalo se, že jemnozrnná část tepelně ovlivněné oblasti je nejvíce náchylná k rozvoji porušení. Další pozornost je nutné věnovat správnému provaření kořene svarového spoje. Nesmí být přítomny vnitřní defekty v podobě strusek, bublin, neprovařených oblastí a vměstků. ) Předehřev plechů se neprokázal jak z hlediska tepelně ovlivněné oblasti, pevnosti v tahu, tak i chování při únavových dynamických testech důležitý. Narozdíl od předehřevu je nutné věnovat pozornost maximální teplotě, která v blízkosti svaru nesmí překročit 200 C. (Při svařování je nutné sledovat tepelný příkon, který by neměl výrazně ovlivnit jednak strukturu, ale také stav již vytvořených housenek.) 6) Ze zvolených parametrů se osvědčily parametry svaření první housenky proudem 130A; napětí 19V; rychlost 4m/min, svaření druhé housenky proudem 242A; napětí 28V; rychlost 13 m/min. 7) Z dosažených výsledků dynamických testů vyplývá, že u všech svařených plechů došlo k poklesu únavové životnosti. Tento pokles je u dosažených hodnot únavové životnosti u svařených plechů a bez svaru podstatně větší než bylo zaznamenáno mechanických hodnot při statické zkoušce. Tento rozdíl byl očekáván, neboť dynamické zkoušky podstatně citlivěji zachycují strukturní degradaci. Přesto lze mikrolegovanou ocel DOMEX 700MC při dodržení výše uvedených zásad doporučit na součásti kolejových vozidel, které nejsou významně vystaveny dynamickým účinkům. Tuto ocel lze použít např. na stavbu skříně kolejových vozidel. Poděkování Tento příspěvek vznikl za podpory projektu MŠMT 1M019 - Výzkumné centrum kolejových vozidel. LITERATURA [1] SSAB Tunnplåt AB, [online],.1.2008[cit. 2008-01-0] Dostupné na http://www.matweb.com/search/datasheettext.aspx?matid=1917 [2] Bohdan BOLZANO, [online],.1.2008[cit. 2008-01-0] Dostupné na http://www.demo1.magicwebdrive.cz/cz/technickapodpora/technicka prirucka/cast- 2/S3J2G3/ [3] HARDY, M.: Laser Welding of Modern Automotive High Strength Steels. HSLA Steels 200, November 8-10, 200, China, 200. [4] Culek, B.: Protokol o zkoušce. Univerzita Pardubice. 2008. 8