Svařitelnost vysokopevné oceli s mezí kluzu 1100 MPa doc. Ing. Jiří Janovec, CSc., Ing. Petr Ducháček ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Karlovo náměstí 13, Praha 2 Jiri.Janovec@fs.cvut.cz, Petr.Duchacek@fs.cvut.cz Klíčová slova: jemnozrnné oceli, svarový spoj, tvrdost, makrostruktury, mikrostruktury, chemické složení, mez kluzu, tažnost, XABO 1100, UNION X90, OK AUTROD 13.43, OK Flux 10.62. Abstrakt. Pro zavádění nové výroby teleskopů pro druhého největšího světového výrobce autojeřábů TADANO FAUN jsme zhotovily před zahájením výroby ověřovací zkoušky před provedením zkoušek WPQR. Zkoušky měly ověřit správnost zvoleného postupu svařování s použitím dvou metod svařování. Základní materiál je XABO 1100 (ekvivalent označení S1100QL). Pro svařování tloušťky stěny 10 mm bylo použita z vnitřní strany tubusu metoda 135 (svařování metodou MAG s traktorem) s přídavným materiálem UNION X90. Svar (podložení ) byl svařován v ochranné atmosféře směsného aktivního plynu 85% Ar + 15% CO 2. Vnější svár byl zhotoven metodou 121 (svařování automatem pod tavidlem) s přídavným materiálem OK AUTROD 13.43 a s tavidlem OK Flux 10.62. Svar byl svařován v poloze PA s předehřevem 80 C. 1. Charakteristika vysokopevné oceli s mezí kluzu 1100 MPa Zásadní rozdíl v mechanických vlastnostech klasické konstrukční oceli např. (ČSN 11 523) a vysokopevné oceli je zejména v mezi kluzu a mezi pevnosti. Naproti tomu ostatní mechanické vlastnosti (tažnost a vrubová houževnatost) zůstávají prakticky stejné. 2. Mikrolegované jemnozrnné oceli Perspektivní vysokopevné oceli jsou vyráběny dvojím způsobem. Mikrolegované normalizačně válcované či termomechanicky zpracované oceli mají feriticko - bainitickou strukturu s velkou hustotou dislokací s následným vysokým příspěvkem dislokačního zpevnění. Aplikací jemnozrnnosti a dislokačního zpevnění lze dosáhnout podstatného snížení obsahu uhlíku v oceli (až na 0,08 hm.% a méně, podle typu oceli). Cílem mnohonásobného po sobě jdoucího válcování mikrolegovaných ocelí je zbrzdit dynamickou rekrystalizaci deformačně indukovanými velmi jemnými karbidy titanu, niobu, vanadu a dalšími fázemi mikrolegujících prvků. Karbidy, nitridy a karbonitridy brání migraci a nárůstu zrn, jejichž velikost v aplikaci s řízeným válcováním, ochlazováním a dochlazením zůstává zachována po dokončení výrobní operace. Příznivě se chová i molybden, který zpomaluje kinetiku rekrystalizace a brzdí nárůst zrn oceli. Druhou skupinu tvoří oceli v zušlechtěném stavu (kalení a popouštění). Zušlechtěním lze dosáhnout u oceli s nízkým obsahem uhlíku, vznikem nízkouhlíkového martenzitu po kalení, vysoké hodnoty meze kluzu. V závislosti na hodnotě meze kluzu jsou oceli legovány slitinovými prvky, jmenovitě niklem, chromem, molybdenem a vanadem. Limitní obsah mikrolegujících prvků u jemnozrnných ocelí by neměl přesahovat 0,15 hm. % s tím, že hliník by měl být okolo 0,015 hm. %, titan maximálně 0,04 hm. % a vanad
0,1 hm. %. Přísada mikrolegujících prvků je velmi příznivá z hlediska tvorby karbidických a karbonitridických fází s příznivými energetickými stavy z hlediska jemnozrnnosti a vázání dusíku za současného zvýšení odolnosti oceli proti stárnutí. Řízené metalurgické procesy vedou ke zpevnění oceli s možností snížení obsahu uhlíku a zlepšení jejich svařitelnosti. S výjimkou substitučního a intersticiálního zpevnění oceli je využito i deformačně dislokačního a precipitačního zpevnění. Jemnozrnnost oceli velmi příznivě potlačuje náchylnost ke křehkému lomu, tj. posouvá přechodovou teplotu houževnatosti směrem k nízkým teplotám. Vývoj vysokopevnostních ocelí dokumentuje následný obrázek č. 1. Obr. 1 Vývoj vysokopevnostních jemnozrnných ocelí [5] 3. Vlastnosti základního materiálu: Základní materiál o tloušťce 10 mm od firmy Thyssen Krupp Steel s dokumentem kontroly 3.1 (č. tavby 659924) je porovnán s tabulkovými hodnotami a naměřenou analýzou chemického složení základního materiálu. Tab.1 Chemické složení v hm. % [1, 2, 3, 4] Označení C Si Mn P S Al Cr Mo Ni V Mat. list XABO 1100 0,20 0,50 1,7 0,020 0,005-1,5 0,7 2,5 0,12 Tavba 659924 0,170 0,260 0,940 0,007 0,0004 0,031 0,610 0,600 1,900 0,000 ZM vzorek č. 6 0,187 0,233 0,926 0,0091 0,0014 0,056 0,49 0,386 1,314 0,018 Mechanické vlastnosti: Označení Č. zkoušky Teplota [ C] R p0,2 Rm R p0,2/r m [%] L O [mm] A [%] R m*a Mat. list 1200-1100 73-92 100 min. 8 9600-12000 XABO 1100 1500 659924 261791 +20 1201 1418 85 100 9 12762 Absorbovaná energie: Tavba Zkouška Teplota [ C] 1 [J] 2 [J] 3 [J] Průměr - [J] 659924 26179-40 91 89 85 88
4. Výsledky provedených zkoušek: Zkoušky se prováděly na dvou vzorkách č. 4 a 6 s rozdílnými úkosy. Zkouška tvrdosti HV10 probíhala podle ČSN EN ISO 9015-1 a mikrotvrdosti HV0,1 dle ČSN EN ISO 9015-2 v návaznosti na ČSN EN ISO 6507-1 v broušeném a naleptaném povrchu. Obr. 2 Tvrdost HV10 vzorku č. 4 Obr. 3 Tvrdost HV10 vzorku č. 6 Obr. 4 Mikrotvrdost HV0,1 vzorku č.4 Obr. 5 Mikrotvrdost HV0,1 vzorku č.6
a) Zkouška makrostruktury byla provedena podle ČSN EN ISO 17639 a hodnocena dle ČSN EN ISO 5817-B na metalografickém výbrusu naleptaném 5% roztokem kyseliny dusičné v ethylalkoholu. Obr. 6 Makrostruktura vzorku č.4 Obr. 7 Makrostruktura vzorku č.6 Hodnocení Svarový spoj bez vad s dobrým průvarem dle hodnotících kritérií odpovídá kvalitě B dle ČSN EN ISO 5817. b) Příčná zkouška tahem tupého svarového spoje byla provedena podle ČSN EN ISO 4136. Tab. 2 Mechanické vlastnosti R p0,2, R m a A 5,65 Jmenovka vzorku Mez kluzu R p0,2 Mez pevnosti R m Tažnost A 5,65 [%] 1 FA6-1 875,2 926,3 13,6 2 FA6-2 875,3 940,4 12,3 3 FA4-1 905,6 945,7 9,3 4 FA4-2 930,5 980,8 9,3 Obr. 8 Graf zkoušky tahem vzorku č. 4 a 6 Pevnostní charakteristiky svarového spoje jsou dány oblastí svarového kovu, kde R m a R p0,2 jsou na cca 80 % základního materiálu. c) Mikrostruktura: Obr. 9 Mikrostruktura TOO vzorek č. 4
Obr. 10 Mikrostruktura ZM vzorek č. 4 Obr. 11 Mikrostruktura TOO linie ztavení vzorek č. 4 Obr. 12 Mikrostruktura TOO zjemnění vzorek č. 4 Obr. 13 Mikrostruktura SK vzorek č. 4 d) Porovnání katalogových hodnot svarových kovů s naměřenými (měření bylo provedeno ve svarových kovech na vzorku č. 6): Tab. 3 Chemické složení v hm. % pro vzorek č. 6 [3, 4] C Si Mn P S Al Cr Mo Ni V Union X90 0,10 0,80 1,80 0,015 0,015 0,35 0,60 2,30 Union X90 0,169 0,366 1,186 0,0093 0,0053 0,024 0,455 0,428 1,730 0,013 OK AUTROD 13.43 0,11 0,20 1,40 0,015 0,015 0,7 0,5 2,4 OK AUTROD 13.43 0,133 0,317 1,281 0,013 0,0041 0,021 0,600 0,476 2,076 0,012 Cu W Fe Union X90 Union X90 0,044 0,0062 95,45 OK AUTROD 13.43 0,17 OK AUTROD 13.43 0,048-94,91 Tab. 4 Mechanické vlastnosti přídavného svarového kovu [3, 4] R p0,2 Rm R p0,2 /R m A 5,65 Absorbovaná energie [%] [%] KV [J] Teplota [ C] Union X90 890 950 94 15 90-60 OK AUTROD 13.43 700 800 88 21 75-40
5. Diskuze: Dosažené výsledky a zvolený přístup svařování jemnozrnných vysokopevných ocelí s mezí kluzu 1100 MPa byly diskutovány se závěry článku [5], prezentujícím výsledky svařování vysokopevnostních jemnozrnných ocelí pro autojeřáb, svařovanými obdobně dráty G69 a G89. Ten zahrnuje výpočet uhlíkového ekvivalentu CET (CET [%] = C + (Mn + Mo) / 10 + (Cr + Cu) / Obr. 14 Průběh tvrdosti HV10 (Xabo1100) převzato z [5] 20 + Ni / 40) a teploty předehřevu T p (Tp [ C] = 697 CET + 160 tanh(d/35) + 62 HD 0,35 + (53 CET 32) Q 328). Námi vypočtené hodnoty dle EN 1011-2, C3, metoda B : CET 0K13.43 = 0,395 %, Tp 0K13.43 = 70 C a CET X90 = 0,415 %, Tp X90 = 86,5 C) odpovídají porovnávaným hodnotám (CET = 0,42 %, Tp = 105 C). Naše průběhy tvrdostí u varianty č. 4 a 6 jsou srovnatelné s dosaženými výsledky Gerstera (viz obrázek 14) a ukazují změkčení svarového kovu. 6. Závěr: Experimentální zkoušky prokázaly dobrou svařitelnost oceli XABO 1100 použitým postupem s měkčím a pevnějším přídavným materiálem, OK Autrod 13.43 (garantovaná minimální mez kluzu až 690 MPa) a UNION X 90 (garantovaná minimální mez kluzu 890 MPa). Ke vzniku difuzním vodíkem indukovaných trhlin nedošlo. Potvrdila se vhodnost snížených svařovaných parametrů při výrobě teleskopických výložníků. K dnešnímu dni neexistuje k základnímu materiálu S1100QL ekvivalent přídavného materiálu se srovnatelnou mezí kluzu. Na trh dodávaný nejpevnější drát je Union X96. V tomto případě byl minimální požadavek zákazníka na mez kluzu 700 MPa. Svařovacím postupem byly tyto vlastnosti dosaženy a zkouškami potvrzeny. Poděkování: Výsledky tohoto projektu LO1207 byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu NPU1-Národní program udržitelnosti I Literatura: [1] ThyssenKrupp Steel, Inspection certificat 3.1 EN 10204 [2] UnionStahl GmbH [cit. 2015-04-12]. URL http://www.unionstahl.com/de/hochfeste-stahle.html [3] BÖHLER-UDDEHOLM Deutschland GmbH [cit. 2015-04-12]. URL http://www.bohlersoldabrasil.com.br/pesquisa/eng/pdf/separatas/bohler X 90-IG.pdf [4] ESAB VAMBERK, s.r.o. [cit. 2015-04-12]. URL http://www.vamberk.eu/cd- ENG/PDF_eng/1_Consum_CAT/2_Low-alloyed-steels/171_OK_Autrod_13_43.pdf [5] GERSTER, P - MAG Schweissen hochfester Feinkornstähle im Fahrzeugkranbau, [cit. 2015-04-12]. URL http://www.dvs-ev.de/aktuell/beispiel_1.pdf