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]
Ocel Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Taţnost A5 Nárazová práce K 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] Ocel Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Taţnost A5 Nárazová práce K 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% CO 2 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% CO 2 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 Ti 46 % Nb 13,5 % Obr. 4.2 Mikrostruktura základního materiálu spolu s EDX analýzou, zvětšeno 6500x
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. 6. ZKOUŠKA TAHEM Obr. 5.1 průběh mikrotvrdosti svarových spojů 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)
Skupina A Skupina B Počet cyklů v tisících Skupina C Počet cyklů v tisících Obr. 8.1 Závislosti počtu cyklů na napětí Δσ pro skupiny A-C Obr. 8.2 Únavový lom svarového spoje oceli S315NL Skupina D Počet cyklů v tisících
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