Zobrazit článek ve formátu PDF - Západočeská univerzita v Plzni

TECHNOLOGIE SVAŘOVÁNÍ MIKROLEGOVANÝCH OCELÍ DOMEX 700MCSVOČ – FST 2011Bc. Miroslav ZajíčekZápadočeská univerzita v Plzni,Univerzitní 8, 306 14 PlzeňČeská republikaABSTRAKTKolejová vozidla procházejí vývojem a neustálým zlepšováním technologickýchvlastností. Jedním ze směrů vývoje je lehká konstrukce skříně kolejového vozidla. Skříněkolejových vozidel musí splňovat poţadavky na podélné statické zatíţení, cyklické zatíţení azatíţení při sníţených teplotách.Důvodem pro vypracování diplomové práce na téma Technologie svařovánímikrolegovaných ocelí DOMEX 700MC byla spolupráce FST/KMM a FST/KKS-VCKVv oblasti ověření výrobního postupu svařování těchto ocelí a jejich porovnání s běţněpouţívanými konstrukčními ocelemi. Pouţitím vysokopevnostních ocelí lze docílit sníţeníhmotnosti skříně vozidla. Tyto vysokopevnostní ocele nejen ţe sniţují hmotnost skříněvozidla, ale musí splňovat poţadavky na ně kladené, tj. zaručená svařitelnost, vysoká mezúnavy a vysoká vrubová houţevnatost za nízkých teplot (-40°C).Hlavním cílem vědecko-výzkumného programu diplomové práce bylo stanoveníparametrů svařování a ověření chování materiálu po svaření.Experimentální program byl koncipován tak, aby obsáhl vlastnosti svarových spojů amohl predikovat chování materiálu za normálních a nízkých teplot, jimţ budou v tomtopřípadě skříně kolejových vozidel vystaveny.KLÍČOVÁ SLOVAMAG svařování, WPS, HSLA oceli, skříň kolejového vozidla1. ÚVOD [1]V současné době neustále stoupají nároky na vlastnosti konstrukčních materiálůpouţívaných zejména v dopravních prostředcích. Proto dochází k vylepšování klasickýchkonstrukčních materiálů. Poţadavkem je, aby materiál splňoval celou řadu, mnohdyprotichůdných vlastností. Na jedné straně je to vyšší mez kluzu a pevnosti, dostatečná taţnosta na druhé straně svařitelnost.HSLA oceli jsou zahrnuty v mnoha standardech navrţených k dosaţení optimálníchvlastností jako jsou - pevnost, houţevnatost, tvařitelnost, svařitelnost a odolnost protiatmosferické korozi. Tyto oceli nejsou slitinovými oceli, třebaţe jejich vlastností je dosaţenopřidáním malého mnoţství slitinových prvků. Namísto toho jsou HSLA oceli klasifikoványjako oddělená kategorie ocelí, která je podobná válcovaným (as-rolled) ocelím se zlepšenýmimech. vlastnostmi, získanými přidáním malého mnoţství přísad a obzvláště speciálnímitechnologickými postupy jako řízené válcování, a urychlovaným ochlazováním. Ceny těchtoocelí jsou odvozovány od cen základních uhlíkových ocelí a nikoliv od cen slitinových ocelí.Nadto jsou HSLA oceli často prodávány se zaručenými minimálními mech. vlastnostmis konkrétním obsahem přísad. Česká norma nemá pro tyto oceli svoje specifické označení.Řízené válcováníDosaţení poţadovaných vysokých hodnot meze kluzu je podmíněno tzv. řízenýmtvářením. Jeho cílem je dosaţení jemnější struktury austenitického zrna, z něhoţ pak takétransformuje jemnější ferit. Jemná struktura zajišťuje nejen vyšší mez kluzu a lepší

Ocel Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Taţnost A5 Nárazová práce KS315NL 315 MPa 440-570 MPa 23% 30 J/-40°CTab. 3.4 – mechanické vlastnosti oceli S315NL [3]Ocel S355NLTuto ocel lze v evropské materiálové normě nalézt pod označením EN 10025-3. Je toocel se střední pevností, dobrou taţností a svařitelností. Je vhodná pro aplikace pracující přiokolní teplotě pod -20 °C.C Si Mn P S N Cu Ni V Al0,18 0,5 0,9-1,65 0,025 0,02 0,015 max.0,55 0,5 0,12 0,02- ţelezniční konstrukceTab. 3.5 – chemické sloţení oceli S355NL [4]Ocel Mez kluzu Re Mez pevnosti Rm Taţnost A5 Nárazová práce KS355NL 355 MPa 470-630 MPa 22% 31 J/-40°CTab. 3.6 – mechanické vlastnosti oceli S355NL [4]3.1 VÝROBNÍ POSTUP SVAŘOVÁNÍPro 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 a82% Ar zn. M21 podle ČSN ISO 14175 a poloze PA (vodorovná shora) podle ČSN EN ISO6947 a to bez předehřevu.Plechy oceli S315NL byly zavařeny metodou MAG – 135 – dle normy ČSN EN ISO4063 v ochranné atmosféře směsného plynu o sloţení 20% CO 2 a 80% Ar podle ČSN ISO14175 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, druhUNION NiMoCr Ø1 mm podle EN ISO 16834-A.Pro plechy zn. S315NL byl pouţit přídavný drát od firmy ESAB, druh OK Aristorod12.50 Ø1 mm podle EN ISO 14341-A.Pro plechy zn. S355NL byl pouţit přídavný drát od firmy ESAB, druh OK Aristorod12.63 Ø1 mm podle EN ISO 14341-A.Po svaření nebylo provedeno ţíhání na odstranění vnitřního napětí. Interpass teplotanepřesáhla 100 °C a byla kontrolována průběţně laserovým bezdotykovým pyrometrem předzavařením kaţdé další housenky.Příprava svarových plochPlechy byly připraveny pro tupý svar s úhlem 50°. Stehováním před samotnýmsvařováním byla zajištěna vzájemná poloha svařovaných plechů a tím pádem stálá kořenovámezera.Obr. 3.1 – Příprava svarových ploch

4. METALOGRAFICKÝ ROZBORVzorky byly odebrány ze svařených plechů dle normy ČSN EN 288-3A1 v místěvzdáleném 40 mm od okraje svařovaného plechu. Příprava vzorků i jejich naleptání bylyv souladu s normou EN 1321. Struktura byla zviditelněna leptadlem 3% NITAL adokumentována pomocí světelného mikroskopu. Na vzorcích, jejichţ struktura bylapozorována na světelném mikroskopu, bylo posléze provedeno měření průběhu mikrotvrdostise zatíţením 50 g HV 0,05.DOMEX 700MCTloušťka plechu 8 mmTepelně ovlivněná oblast v nejširším místě měří 2400 µm ( 2,4 mm). Uprostřed obousvařovaných desek jsou patrné segregační pásy.Obr. 4.1 – Makrostruktura svarového spoje oceli DOMEX 700MC tloušťky 8 mm,leptáno Nital 3%, zvětšeno 25x, 500xDOMEX 700MCTloušťka plechu 10 mmObr. 4.2 – Makrostruktura svarového spoje oceli DOMEX 700MC tloušťky 10 mm,leptáno Nital 3%, zvětšeno 25x, 500xTi 46 %Nb 13,5 %Obr. 4.2 – Mikrostruktura základního materiálu spolu s EDX analýzou, zvětšeno 6500x

5. MIKROTVRDOST DLE VICKERSELinie vtisků byla volena ve hloubce 2 mm od povrchu plechů a vzdálenosti mezivtisky byly voleny 250 µm. Pro všechny vtisky bylo nastaveno zatíţení 50 gramů. Do kaţdéoblasti svarového spoje vyjma svarového kovu byly umístěny 3 vtisky. Ve svarovém kovubylo umístěno 5 vtisků, protoţe se předpokládal rozptyl hodnot vlivem heterogenitysvarového kovu.6. ZKOUŠKA TAHEMObr. 5.1 – průběh mikrotvrdosti svarových spojůObr.6.1 – pracovní diagram zkoušky tahem oceli DOMEX 700MCObr. 6.2 –příčné výbrusy a lomové plochy svarového spoje a základního materiálu oceliDOMEX 700MC

Obr.6.3 – pracovní diagramy zkoušky tahem ocelí S315NL a S355NL7. ZKOUŠKA RÁZEM V OHYBUObr. 7.1 – Umístění V-vrubu do zkušební tyčePloha vrubu dle ČSN EN 875VHT a/bVHT 1,5/1,5Rozměry zk. tyčí:Plech 10 mm tloušťka 7,5 x 10 x 55Plech 8 mm tloušťka 5 x 10 x 55V-vrub, 2 x 45°, 300J kladivoTab. 7.1 – Nárazové práce zkušebních tyčí před a po svaření8. ÚNAVOVÉ ZKOUŠKYVzorky 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 AEkv. napětí Δσ [MPa]Skupina BEkv. napětí Δσ [MPa]Ekv. napětí Δσ [MPa]Počet cyklů v tisícíchSkupina CPočet cyklů v tisícíchObr. 8.1 – Závislosti počtu cyklů na napětí Δσ pro skupiny A-CObr. 8.2 – Únavový lom svarového spoje oceli S315NLSkupina DEkv. napětí Δσ [MPa]Počet cyklů v tisících

Obr. 8.3 – Závislost počtu cyklů na napětí, únavové lomy svarových spojů skupiny DEkv. napětí Δσ [MPa]Cykly [log N]Obr. 8.4 – Wöhlerova křivka pro skupiny A-D9. ZÁVĚRProvedené experimenty tahových zkoušek vykazují očekávané hodnoty meze kluzu apoklesu taţnosti u všech svařovaných ocelí v porovnání se základními materiály těch samýchocelí.Měření mikrotvrdosti přispívá k celkové představě o mechanických vlastnostech aocele nevykazují přílišné změny mikrotvrdosti napříč svarovým spojem. Výrazný poklesmikrotvrdosti mezi základním materiálem a jemnozrnnou oblastí vykazuje pouze ocelDOMEX 700MC. Právě z tohoto důvodu byly do této oblasti umisťovány vruby proCharpyho zkoušku rázem v ohybu.Nárůst nárazové práce svarového spoje oceli S355NL oproti základnímu materiálu tésamé 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 jev porovnáním se základním materiálem té samé oceli vyšší. Nárazová práce vzorků oceliDOMEX 700MC je u svarového spoje vyšší neţ u základního materiálu. Příčiny výraznéhopoklesu nárazové práce za sníţené teploty základního materiálu této oceli budou předmětemdalšího pozorování. Důleţité je ţe nárazová práce svarového spoje oceli DOMEX 700MCs klesající teplotou výrazně neklesá. Určení příčin nízké nárazové práce svarového spoje tétooceli vzorku 6 za sníţené teploty bude předmětem dalšího pozorování.

Pokles únavové pevnosti svarových spojů ocelí S315NL a S355NLoproti základnímumateriálu byl očekávaný. Poslední experiment, který ukončí výzkumný program diplomovépráce bude zaměřen na v tuto dobu stále ještě probíhající únavové zkoušky ocelí DOMEX700MC.Lze předběţně shrnout experimentální program diplomové práce:Ocel DOMEX 700MC je vyhovující pro pouţití na skříně kolejových vozidelZ ekonomického hlediska je ocel DOMEX 700MC naprosto dominující nad běţněpouţívanými konstrukčními ocelemi – 1 kg oceli DOMEX 700MC stojí 35 Kč, zatímco 1kgoceli S355NL stojí 25 KčPODĚKOVÁNÍTouto 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