Hegesztéstechnológiai kutatás-fejlesztés, avagy a WeldImprove projekt bemutatása

Hegesztéstechnológiai kutatás-fejlesztés, avagy a WeldImprove projekt bemutatása Dr. Katula Levente1, Dr. Dunai László 2

1

adjunktus, IWE hegesztőmérnök, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék 2 egyetemi tanár, tanszékvezető, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék

ÖSSZEFOGLALÓ A cikk egy 20 hónapos hegesztéstechnológiai kutatás-fejlesztési projektről ad áttekintést. A kutatási projekt a hegesztési folyamathoz kapcsolódóan három főbb tématerületen végrehajtott vizsgálatokat ölelt fel: ipari körülmények között gyártott, hegesztett próbatesteken végzett laboratóriumi roncsolásos kísérleteket; végeselemes hegesztés-szimulációs vizsgálatokat; valamint a hegesztési folyamat helyszíni, minőségközpontú vizsgálatát. A projekt összesen tizennégy modulból épült fel, melyek mindegyike egy-egy speciális hegesztési kérdésre fókuszált. SUMMARY The paper presents a research and development project on topics of welding technology. The 20-month-long project covered three main subject areas connected to the welding process: full scale laboratory tests on welded test specimens, fabricated in industrial production; finite element simulation of the welding process; as well as on-site quality-oriented analysis of the welding process. The project consists of a total of fourteen modules, each of them focused on a special topic of welding. 1. BEVEZETÉS A modern szerkezetépítési gyakorlatban mára nélkülözhetetlenné váltak a hegesztett kötések, legyen szó akár mély-, akár magasépítési szerkezetről. A hegesztéstechnológia gyors fejlődésével a gyártóüzemi, jó körülmények közötti, előregyártás mellett egyre terjed a helyszíni hegesztés alkalmazása is. A hegesztett kötés számos jó tulajdonsága mellett – erőtanilag homogénnek tekinthető anyagi folytonosság biztosítása; teljes értékű varrat esetén nagy szilárdságú, gyengítetlen kapcsolati környezet alakítható ki; kedvező gépesíthetőség – számos problémát is felvet, melyek egy része a nagy helyi hőbevitellel hozható kapcsolatba. Ilyenek a kedvezőtlen anyagszerkezeti változások a varratkörnyezetben, vagy a hegesztési folyamat okozta alakváltozások és maradó feszültségek a szerkezetben. További kedvezőtlen tulajdonság, hogy a varrat sok esetben feszültséggyűjtő helyként elősegíti a fáradt törés kialakulását, illetve a varratok minőségellenőrzése idő- és költségigényes. A kutatásban tipikus szerkezetépítési kialakítások vizsgálatán keresztül kerestük a hegesztéstechnológiailag legkedvezőbb, legkevesebb hátrányos tulajdonságot mutató megoldást. A technológiai kérdésekkel foglalkozó laboratóriumi vizsgálatainkat egészítette ki a hegesztési folyamat numerikus szimulációval történő paraméteres vizsgálata, valamint a gyártás helyszíni folyamatának elemzése. A kutatásban a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék a Tecxa Technology Kft. alvállalkozójaként vett részt. 1

E-mail: [email protected]

2. A PROJEKT FELÉPÍTÉSE A WeldImprove kutatási projektben – mely az angol hegesztés és fejleszt szavak összevonásával a hegesztési folyamat átfogó fejlesztésére utal – a hegesztési hőfolyamat komplex vizsgálatát végeztük el, három főbb tématerületbe sorolva a kutatás egyes moduljait. 1. Ipari körülmények között gyártott próbaesteken végzett laboratóriumi vizsgálatok, amelyekkel tipikus szerkezetépítési alkalmazásokhoz és gyártási feladatokhoz vizsgáltuk a hegesztéstechnológia hatását a statikus teherbírásra és a fáradási viselkedésre. 2. Végeselemes hegesztés-szimulációs vizsgálatok, melyek során a teljes hegesztési hőfolyamathoz fejlett numerikus modellt alkalmaztunk, amelyet validáltunk, és elvégeztük a teljes hőfolyamat szimulációját. 3. Minőségközpontú helyszíni vizsgálatok, melyekkel a hegesztési folyamat rendszerszemléletű vizsgálatát végeztük el. A kutatás-fejlesztési projekt felépítését és a modulok tématerületekbe sorolását az 1. ábra szemlélteti.

1. ábra A WeldImprove projekt felépítése és a modulok tématerületekbe sorolása A projekt teljes időtartama 20 hónap volt, két részhatáridővel. A részteljesítések és a végleadás alkalmával az addig elért eredményeket workshop-ok keretében mutattuk be és jelentésekben dokumentáltuk. A kísérleteket a BME Hidak és Szerkezetek Tanszék Szerkezetvizsgáló Laboratóriumában hajtottuk végre. 3. PROJEKTMODULOK BEMUTATÁSA 3.1 Laboratóriumi vizsgálatok Ipari körülmények között gyártott próbatesteken végeztünk laboratóriumi vizsgálatokat, amelyekben tipikus szerkezetépítési kialakításokhoz és gyártási feladatokhoz vizsgáltuk a hegesztéstechnológia hatását a statikus teherbírásra és a fáradási viselkedésre, továbbá a hegesztési maradó feszültségek nagyságára és eloszlására vonatkozóan. A kísérletsorozatban elvégzett vizsgálatok számáról és jellegéről az 1. Táblázat ad összefoglalást. # a.) b.) c.)

modul rövid megnevezése

statikus

fárasztó

400

-

98

-

17

24

5

24

18

36

Tűzihorganyzott vékonylemezek ellenállás-ponthegesztésének vizsgálata Élelőkészítés hatásának vizsgálata

e.)

Nyírt, csaphegesztett kapcsolatok vizsgálata Tipikus építőmérnöki részszerkezetek statikus és fárasztó viselkedésének vizsgálata Nagyszilárdságú acélok hegesztett kötéseinek vizsgálata

f.)

Gyártási maradó feszültségek vizsgálata

d.)

elvégzett kísérletek

mérés 40 próbatesten

1. Táblázat Laboratóriumi vizsgálatok összefoglalása a.)

Az építőipari gyakorlatban széles körben elterjedt a vékonyfalú, tűzihorganyzott acéllemezek, illetve ilyen lemezekből – jellemzően – hidegalakítással előállított termékek alkalmazása. Ezek a lemezek másodlagos (szelemen, falvázgerenda, -oszlopok) és harmadlagos teherviselő elemként (héjazat) jelennek meg az építőipari gyakorlatban.

Míg az építőiparban szokásos lemezvastagságok mellett (t ≤ 6 mm) a szerkezetgyártás során a gyári kapcsolatok döntően hegesztettek, addig a vékony lemezekből készült profilok kizárólagosan csavarkötésekkel készülnek. Ennek elsődleges oka a korrózióveszély, hiszen a hagyományos ívhegesztő eljárásokkal a felvitt passziváló réteg megsérül, megsemmisül. Kutatásunkban tűzihorganyzott vékonylemezek – 1,0-1,5-2,0-2,5 mm –, ellenállásponthegesztéssel kialakított, egy- és több-pontvarratos, átlapolt, nyírt kapcsolatinak hegesztési paramétereit és teherbírási tulajdonságait vizsgáltuk meg. b.)

A hegesztési varratok élelőkészítésének célja a gyártási gazdaságosság és a termelékenység növelése. Tompavarratokhoz a hegesztési él alakját – I, V, X, Y, stb. – és geometriai méretét az alapanyag fajtájához – ötvözetlen, erősen ötvözött acél –, vastagságához, valamint a választott hegesztési eljáráshoz határozzuk meg. Az élelőkészítés hatásának vizsgálata modulban V, Y és X leélezésű 16-20-25 mm vastag lemezek varratait vizsgáltuk két hegesztési technológiával, bevont elektródás kézi ívhegesztéssel (111) és fogyóelektródás aktív védőgázos ívhegesztéssel (135).

c.)

A szerkezetépítésben leggyakrabban alkalmazott és legfontosabb két szerkezeti anyagunknak, az acélnak és a betonnak a kombinációjából, együttdolgoztatásából, kialakuló szerkezeteket öszvérszerkezeteknek nevezzük. Az öszvérszerkezetekben a beton biztosítja a jó nyomási, az acél a kedvező húzási tulajdonságokat. A két szerkezeti anyag együttdolgoztatását a legtöbb esetben az acéltartóra felhegesztett fejes csapok biztosítják. Ezeket a kapcsolóelemeket nyírókapcsolatnak is hívjuk, hiszen döntően a nyíróerő felvételét szolgálják. Csaphegesztett kapcsolatok viselkedésének kísérleti vizsgálatában 22 mm-es fejes csapokon és M16-os menetes szárakon végeztünk két hegesztési technológiával – kerámiagyűrűs csaphegesztéssel és fogyóelektródás aktív védőgázos ívhegesztéssel – kísérleteket. Kísérleti vizsgálatainkban mind a hegesztett kapcsolat statikus, mind fárasztó terhekkel szembeni ellenállását vizsgáltuk.

d.)

Tipikus építőmérnöki hegesztett részszerkezeteken, illetve szerkezeti részek fáradási viselkedésén és ismétlődő terhekkel szembeni érzékenységén keresztül vizsgálatuk a hegesztéstechnológia hatását. Kísérleteinkben többféle varrattípust és szerkezeti kialakítást megvizsgáltunk. A vizsgálatba bevont szerkezeti kialakításokat a 2. Táblázat foglalja össze.

sorsz. kísérlet rövid megnevezése 1.

2.

3. 4.

próbatest vázlatos kialakítása

tompán illesztett cső-cső kapcsolat csőkarimás, egyoldali, körbemenő sarokvarratos kapcsolat csőkarimás, kétoldali, körbemenő sarokvarratos kapcsolat csőkarimás, körbemenő tompavarratos kapcsolat

5.

90° fokban levágott, kétoldali sarokvarratokkal felhegesztett csomólemez

6.

45° fokban lemunkált, kétoldali sarokvarratokkal felhegesztett csomólemez

2. Táblázat Fáradási viselkedés szempontjából vizsgált szerkezeti részletek e.)

A hegesztett szerkezetek gyártásához felhasznált acélok az elmúlt évszázadban, de különös tekintettel a második világháborút követően jelentős fejlődésen mentek keresztül. A kezdetben 235 MPa névleges folyáshatárral rendelkező acéloktól mára eljutottunk a 1.100 MPa, sőt 1.300 MPa folyáshatárú, nagyszilárdságú, nemesített, mikro-ötvözött, finomszemcsés szerkezeti acélokig. Ezen szerkezeti acélok előnye, hogy a korábbi acélokhoz képest kiemelkedő szilárdsági tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezáltal felhasználásukkal jelentős súlycsökkenés érhető el, továbbá a hegesztett kapcsolataik is kevesebb hozaganyagot igényelnek. Alkalmazásuk sok esetben a magasabb anyagárak – alapanyag és hozaganyag – ellenére is a gyártási és a későbbi üzemeltetési költségek csökkenéséhez vezet. Növelt folyáshatárú acélok hegesztésekor külön figyelmet igényel a hidrogéntartalom alacsony értékének biztosítása, a koncentráltabb hőenergia bevitel a kisebb varratkeresztmetszet miatt és a hegesztett kötés bemetsződés-érzékenysége. Vizsgálatainkban S460-S690-S960 alapanyagú, átlapolt, oldal-sarokvarratos kapcsolatotok statikus és fárasztó terheléses vizsgálatát végeztük el, két hegesztéstechnológia mellett.

f.)

Acélszerkezetek hegesztett kapcsolatainak kialakításakor a hegesztési folyamat során hőenergiát közlünk a kapcsolni kívánt szerkezeti elemekkel. A hegesztett kötés kialakításához alkalmazott hőforrás a kapcsolni kívánt elemeket nem egyenletes mértékben hevíti fel, sőt a felhevülés mértéke a teljes szerkezetet tekintve is egyenlőtlen. A felhevítés hőciklusa folyamatosan változó, amiből az következik, hogy a kapcsolni kívánt lemezek kapcsolati vonalára merőlegesen a munkadarab, illetve a lemez hőnek kitett belső részei különböző hőmérsékletűek lesznek, azaz inhomogén felhevülést szenvednek.

Közismert, hogy az acél, hőmérsékletváltozás hatására anyagszerkezeti átalakulásokon és térfogatváltozáson megy keresztül (allotróp átalakulások). Amennyiben tehát a felhevülés és a lehűlés is egyenetlen mértékű a térfogaton belül, úgy a hőmérsékletváltozásból fakadó méret- és anyagszerkezeti változás a hőmérséklet függvényében, azaz a hő ciklusnak megfelelően, más és más lesz. Mindezek hatására a hegesztett szerkezetek, a gyártásuk alatt, a hegesztési hőfolyamat (felhevülés-lehűlés) hatására, a szerkezet terhelésétől, a használat alatti igénybevételtől függetlenül feszültségekkel terheltek. Ezt a sajátfeszültségi, vagy maradó feszültségi állapotot az anyagban lejátszódó szövetszerkezeti átalakulások és a korlátolt, illetve a gátolt zsugorodás idézik elő. Vizsgálatainkat az építőiparban széles körben alkalmazott tompán illesztett, 16÷25 mm vastag lemezeken végeztük el. A próbatestek varratainak kialakításához két, a jelenlegi acélszerkezet gyártásban, széles körben elterjedt hegesztéstechnológiát, a bevont elektródás kézi ívhegesztést (111), illetve a fogyóelektródás aktív védőgázas kézi ívhegesztést (135) választottuk. A próbatesteken két eltérő sajátfeszültség-mérési, roncsolásos vizsgálatot hajtottunk végre, melyeket szakítóvizsgálatokkal egészítettünk ki. 3.2 Végeselemes hegesztés-szimuláció Manapság a minőségi és gazdaságos hegesztett szerkezetek tervezésében is megjelenik a numerikus modellek alkalmazása. Azonban a teljes, termo-mechanikai, hegesztési folyamat modellezése, annak komplexitása miatt még ma is jelentős kihívást jelent. Kutatásunk a végeselemes hegesztés-szimuláció tématerületen kiterjedt a hegesztési hőfolyamat numerikus modellezési elvének megismerésére; megvizsgáltuk és elemeztük a lehetséges modellezési egyszerűsítéseket és korlátozásokat; kifejlesztettünk egy roncsolásmentes méréseken alapuló validációs eljárást, mellyel a hegesztés-szimuláció nem mérhető paraméterei beállíthatóak. Felépítettük több hegesztőeljárás numerikus modelljét, melyeken paramétervizsgálatokat végeztünk; vizsgáltuk a gyártási maradó feszültségek kialakulásának modellezési lehetőségeit, valamint a maradó feszültségek teherbírásra gyakorolt hatását. g.)

A hegesztés egy összetett folyamat, ami magába foglalja számtalan tudományág (termomechanika, szilárdságtan, folyadékok mechanikája, anyagtudományok, stb.) témakörét és eredményeit. Ma még nem létezik olyan komplex modell, ami képes lenne a folyamatot leíró témaköröket hatékonyan integrálni. A szakirodalmi áttekintés alapján alapvetően két modellezési stratégiát lehet megkülönböztetni: a.) a folyamat megértését és b.) a folyamat szimulációját megcélzó modelleket. Ömlesztő és sugárhegesztéses technológiákhoz áttekintettük a hegesztési folyamat numerikus modellezésének lehetőségeit. Vizsgáltuk a numerikus szimuláció lehetséges módszereit és a modellezési nehézségeket a piacon elérhető szoftverekkel.

2. varratsor 2. és 3. varratsor 3. varratsor

4. varratsor

2. ábra Négysoros varrat hőmérséklete eltérő hegesztési sorrend alkalmazása mellett Paramétervizsgálatainkban a hegesztési sebesség, az egységnyi varrathosszra jutó energia, a teljesítmény, a hőforrás geometriája és dőlésszöge mellett többsoros varratoknál a hegesztési sorrend hatását – ld. 2. ábra – is vizsgáltuk. h.)

Tizenkét darab él-lemunkált, tompán illesztett próbatest numerikus szimulációját és az eredmények elemzését végeztük el. A modelleket validáltuk a laboratóriumi vizsgálatok projektrészben nyert eredményei alapján. A mért és számított hőmérsékleti görbéket a 3. ábra mutatja be. A szimulációban megvizsgált paraméterek a próbatestek lemezvastagsága, az élelőkészítés módja, a hegesztési eljárás és a hegesztési paraméterek voltak.

3. ábra V_16_135-4 jelű próbatest mért és számított hőmérsékleti görbéi i.)

Egy hegesztett termék alakjáról, alakpontosságáról és sajátfeszültségeiről a pontos információ különösen fontos a gyártási minőség és a méretezési biztonság garantálása érdekében. Ezért a projekt keretében megvizsgáltuk a gyártástechnológia maradó feszült-

ségekre, illetve gyártási alakváltozásokra gyakorolt hatását. A kidolgozott modellt kísérleti eredményekkel validáltuk. j.)

Kihasználva a numerikus szimuláció előnyét, hogy validált modell esetén a gyártástechnológia több paraméter hatásának numerikus vizsgálatával gazdaságosabbá tehető, elvégeztük kiválasztott építőmérnöki szerkezetek gyártásoptimalizálását. A szimulációval adott hegesztéstechnológia mellett a kedvező hegesztési paraméterek, vagy akár a legkedvezőbb – elérhető – hegesztéstechnológia is meghatározható.

3.3 Minőségközpontú helyszíni vizsgálatok A versenyképesebb, gazdaságosabb gyártás alapvető feltétele a megbízhatóság, amely a minőségen alapul. Napjainkban a minőségmenedzsment intézkedésein keresztül biztosítja a megfelelő minőségű termékek készítését. Kutatásaink harmadik tématerülete a gyártási folyamat kiemelt részeinek, folyamatainak, helyszíni vizsgálattal történő ellenőrzését foglalta magába. Vizsgálatainkat a dombóvári RUTIN Kft.–nél végeztük el, akik a laboratóriumi vizsgálatok próbatesteit is gyártották. k.)

A minőség megítélésében alapvető fontosságú a hibakereső roncsolásmentes vizsgálati módszerek alkalmazása a gyakorlatban. Ha a próbadarab teljesen azonos gyártási technológiával készült, mint egy szerkezeti elem, az azon mért és elfogadott mechanikai tulajdonságok kiterjeszthetők a szerkezetre, ha roncsolásmentes vizsgálatokkal bizonyították a szerkezet hibamentességet. A roncsolásmentes vizsgálatok arra is alkalmasak, hogy ellenőrizzük egy szerkezet állapotát, üzem közbeni károsodását. A roncsolásmentes vizsgálatok alkalmasak: • anyaghibák kiszűrésére (gyártás közben és végátvételnél is), • a hiba okok feltárására, • a tulajdonságok roncsolásmentes megítélésére, • végső átvételek megalapozására. A roncsolásmentes vizsgálatok gyártásközi alkalmazásával, a hibák megelőzésével, jelentős költségmegtakarításra van lehetőség. Hangsúlyozva azt, hogy általánosan alkalmazható módszer nincs, a hibák típusától – megjelenési formájától – méretétől, elhelyezkedésétől függően más és más módszereket kell/lehet alkalmazni. A vizsgálatba bevont acélszerkezet gyártóüzemben saját szakemberek, három roncsolásmentes vizsgálati eljárást alkalmaznak a varratok ellenőrzése során: • vizuális vizsgálatot; • mágneses repedésvizsgálatot; • ultrahangos vizsgálatot.

l.)

Helyszíni vizsgálatainkban kiemelt figyelmet fordítottunk az egyik legelterjedtebb roncsolásmentes minősítő vizsgálatra, az ultrahangos varratvizsgálatra. Ellenőriztük a gyártóüzemben a vizsgálathoz használt eszközöket, a végrehajtó személyzet felkészültségét és a folyamat végrehajtását.

m.)

A legtöbb hegesztett fémszerkezetet a gyártóüzemtől valamilyen távolságra elszállítva szabadban állítják fel és helyezik üzembe. A szerelés olyan tevékenység, amelynek során az épülő szerkezet statikai és dinamikai egyensúlya folyamatosan változhat, de az egyensúlyt, a stabilitás meglétét, állandóan figyelemmel kell kísérni és biztosítani kell. Helyszíni szerelés során általában előnyben részesítjük az egyszerűen, gyorsan alkalmazható technikákat, mint például a mechanikus kötőelemeket alkalmazó csavarkötése-

ket. Sok szerkezet esetén azonban a csavarkapcsolatok kialakítása nem lehetséges, vagy esztétikai, vagy szilárdsági, vagy merevségi, vagy egyéb követelmény miatt. Ilyen esetben helyszíni hegesztést alkalmazunk. A hegesztett kötéssel szemben ebben az esetben is ugyanazokat a szigorú követelményeket követeljük meg, mint a „gyári” hegesztésekkel szemben. Gyártóüzemi vizsgálatunkban a helyszínen végzett hegesztések hegesztési utasításait tekintettük át. 4. ÖSSZEFOGLALÁS A hegesztett-termék gyártók egyértelmű érdeke a költséghatékony és magas minőségi igényű kötések és hegesztett-termékek előállítása. Ez az igény alkalmasan megválasztott hegesztéstechnológiával, valamint a hegesztési paraméterek helyes beállításával támogatható. Az elvégzett kísérletsorozatban három tématerületre bontva vizsgáltuk meg a hegesztési folyamatot és annak hatásait a hegesztett kötés minőségére és teherbírására. Laboratóriumi kísérleti vizsgálatainkban, hat kiemelt vizsgálati területen, több, mint 600 kísérletet hajtottunk végre. Végeselemes hegesztés-szimulációs vizsgálatainkban szimuláltuk a teljes hegesztési hőfolyamatot, melyhez fejlett numerikus modelleket építettünk és validáltunk. A minőségközpontú helyszíni vizsgálatainkkal, a minőségmenedzsment intézkedésein keresztül, segítettük a gyártó versenyképesebb és gazdaságosabb gyártását. 5. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A szerzők ezúton fejezik ki köszönetüket a projekt valamennyi munkatársának a BME, a Rutin Kft. és a Texca Technology Kft. részéről, akik a kutatási projekt megvalósításában részt vettek. A projekt pénzügyi hátterét az Új Széchenyi Terv, Gazdaságfejlesztési Operatív Program keretén belül a Piacorientált kutatás-fejlesztési tevékenység támogatása pályázat biztosította, amelyért a szerzők köszönetüket fejezik ki.