Jak je to se zaručenou svařitelností a s ocelí na stavbu bugyn ?
Když jsme měli s ing. Stránským v Dobřanech kolektivní schůzku kvůli novým TP, byl jsem Jardou Nikodémem veřejně upozorněn, že mnou použitá ocel na stavbu rámu prý nemá "zaručenou svařitelnost". Také Boris Vaculík podotkl, že materiál, ze kterého máme my postavený rám, je doposud vlastně zakázán. Musím zde tedy také veřejně reagovat, abych věci uvedl dle mého názoru na pravou míru.
Zatím tedy k té zaručené svařitelnosti: Všeobecně "svařitelnost oceli" je pojem, který definuje, do jaké míry je ocel bez nějakých dalších omezení svařitelná a jestli vůbec svařitelná je.
Svařitelnost oceli proto rozděluje
ČSN 05 1310 na :
Zaručená svařitelnost - tedy zaručená svařitelnost bez dalších omezujících faktorů Podmíněná zaručená svařitelnost - zaručená svařitelnost je definována určitými faktory, které je třeba při svařování bezpodmínečně dodržet, aby svár měl zaručenou pevnost Dobrá svařitelnost
- ocel se svařovat dá, ale bez záruky pevnosti sváru
Špatná svařitelnost - již název napovídá... Na vlastnosti oceli má všeobecně zásadní vliv obsah uhlíku (C) v dané oceli. Obecně se udává, že ocelí vhodnou ke svařování je taková, která má obsah uhlíku do 0,2%, naopak nevhodnou ta, která obsahuje uhlíku více než 0,3%. Mnou použitá ocel má označení podle české normy 17240 , nebo-li AISI 304. Někde se značí dle DIN 1.4301. Je to austenitická nerezová ocel, obecně se jí říká ocel chromniklová. Pro informaci tato ocel obsahuje tyto legující prvky : uhlík (C) max 0,07 % (!), Mangan (Mn) do 2 %, Fosfor (P) do 0,045 %, Síra (S) do 0,03 %, Chrom (Cr) 17-20 %. Nikl (Ni) 9-11.5 % Dle terminologie je to ocel vysoce legovaná. Tuto ocel popisuje ČSN 417240 a je zde jasně definováno, že ocel je zaručeně svařitelná, tedy bez omezení. Trubky z této oceli se dají naprosto běžně koupit ve velmi širokém sortimentu a jejich odběr, třeba na rozdíl od oceli 15130 (tedy chrommolybdenové oceli), není podmíněn odebíraným množstvím. Běžně kupuji pouhé přířezy trubek. Rámy bugyn některých jiných teamů jsou vyrobeny z oceli 15130, které se běžně říká "chrommolybdenová ocel". Její složení a vlastnosti popisuje ČSN 415130 a je zde uvedeno, že její zaručená svařitelnost je podmíněná. Podmínky jsou definovány například případným předehřátím a následným pomalým ochlazováním svárů, např. v zábalu. Vůbec nepochybuji, že to takto v praxi každý dělá, aby docílil také svárů dané pevnosti.
Po svaření celého rámu a případném vyžíhání v peci je možno rám z této oceli dále zušlechtit na vyšší pevnost, než je pevnost původního materiálu. Tato ocel 15130 se skládá z těchto legujících prvků: uhlík (C) 0,22-0,29%, Mangan (Mn) 0.50-0,80%, Křemík (Si) 0,17-0,37% Chrom (Cr) 0,90-1.2%, Molybden (Mo) 0,15-0,25%, Fosfor (P) do 0,035%, Síra (S) do 0,035%. Dle terminologie je to ocel nízkolegovaná. Z tohoto poznatku tedy vyplývá, že mnou použitá ocel 17240 je "zaručeně svařitelná" zatímco ocel 15130, kterou pravděpodobně používá na stavbu rámů i Jarda Nikodém, je pouze "podmíněně zaručeně svařitelná" a to zejména kvůli vyššímu obsahu uhlíku. Tím však nechci říci, že by pevnost svárů byla nějaká horší. Jak jsem již uvedl, při dodržení podmínek daných tou dodatečnou podmínkou jsou sváry naprosto plnohodnotné. Tato ocel je na stavbu rámů, hlavně u velkých bugyn, asi nejrozšířenější.
Nyní k Příloze "J" V příloze "J" (podle které se staví bugyny) je článek 253, který také mimo jiné specifikuje, jakým způsobem a z jakého materiálu smí být vyroben ochranný rám. Protože tato specifikace rozměrů a použitých materiálů je naprosto paušální a jak se pokusím níže popsat, snad i zastaralá, máme pro stavbu Racer buggy 125 a 250 v NSŘ definované některé výjimky. Tyto výjimky jsou vypsány v čl 21.2 a 21.3., ale k tomu se vrátím později. Podle přílohy "J" se staví nejen bugyny, ale i jiná závodní auta, proto jsou některé formulace tak velmi obecné. Základní rám autokrosových speciálů je definován předním a hlavním obloukem, dvěma podélnými(střešními) vzpěrami a dvěma šikmými vzpěrami a šesti kotvícími úchyty, které se zde zvláštně nazývají "upevňovací desky" . V příloze "J" v čl. 253 ods. 8.3.3 Materiálové specifikace je striktně určeno pouze jaká ocel se může použít pro stavbu základního rámu: nelegovaná uhlíková ocel, bezešvá tažená zastudena, obsahující max 0,3% uhlíku (C), dále max 1% molybdenu (Mn) a pro ostatní přísady je zde určena hodnota do 0.5% !!!
Napíšu něco málo o ocelích Abych zdůraznil, jaký dominantní vliv má obsah uhlíku pro vlastnosti oceli, chtěl bych uvést, že slitiny železa a dalších prvků se označují ocelí pouze tehdy, obsahují-li méně než 2% uhlíku (C). Pokud má tato slitina obsahu uhlíku více, nazývá se litinou. Oceli se dělí do jednotlivých tříd, které se označují 10 až 19. Toto popisuje ČSN 42 002. Dělí se na oceli konstrukční (10-17) a ocel nástrojovou(19). Dále dle stupně legování (přísad) se konstrukční ocel dělí na:
nízkolegovanou(13-15)
nelegovanou (10-12)
a
legovanou
nízko a středně legovanou (16)
středně a vysoce legovanou (17) Je tedy přílohou "J" jinak řečeno, že je možno na stavbu základního rámu použít pouze oceli, které odpovídají třídám 10-12, členěným dle ČSN 42002. Tedy ocel nelegovanou. Je to sice zvláštní, ale tím je také řečeno (pokud půjdeme do samotného důsledku), že ocel 15130 tedy chrommolybdenová není na stavbu rámu" veliké bugyny" povolena. Jednak spadá do kategorií ocelí legovaných a navíc má obsah Chromu (Cr) větší, než těch povolených 0,5%. ( má 0,9 - 1,2%) !!! Aby se mě však nechystal někdo kamenovat, já tím rozhodně nechci říci, že by to nebyla ocel vhodná! Spíš chci upozornit na to, že není vhodný předpis, tedy příloha "J". Bohužel, je ale platná.... A stavba rámů se z ní v tichosti toleruje. Pátral jsem tedy po materiálu, ze kterého by bylo vhodné postavit rám "velkého auta" tak, aby trubky existovaly v bezešvém provedení a abych ctil složením legur předpis. Vyloučit jsem musel i ocel 11523, která nám pro stavbu "malých aut" je přímo doporučována v NSŘ. Je to ocel, která svým zařazením spadá do ocelí nelegovaných a tedy povolených. Problém je ale v tom, že obsahuje 1,6% manganu (Mn), tedy víc, než je těch povolených 1% !!! Dospěl jsem tedy k názoru, že asi jediným řešením je postavit rám z "běžné topenářské oceli" 11353. Mimochodem ta nám pro stavbu "malých bugyn" je společně s 11523 také doporučována. Pro zajímavost jsem nechal v certifikované zkušebně ve firmě VÚHŽ v Dobré prověřit mechanické vlastnosti trubek z různých ocelí. Zkoušky byly normalizované a byly prováděny dle ČSN 420310. Pro porovnání jsem použil následující vzorky: 11353 - topenářská trubka bezešvá 11343 - naprosto běžná konstrukční trubka při výrobě zkružovaná a automatem vysokofrekvenčně podélně svařovaná. (Tedy to nejzákladnější, co se válí v regálech Ferony...) 15130 - zmíněná "chrommolybdenová ocel" bezešvá 17240 - nerezová ocel, kterou já používám pro stavbu rámů - trubka je zastudena při výrobě zkružována a následně automatem svařena metodou TIG Při zkoušení jsme prověřovali "tahovou zkouškou" Napětí při Smluvní mezi kluzu - Re 0,2 a napětí při Mezi pevnosti Rm.
Pro nezasvěcené uvedu, co to vlastně je: Když začnu na trubku, nebo obecně na tyčové těleso o definovaném průřezu působit silou tak, že ji budu natahovat, vznikne napětí. Napětí je dané silou vztaženou na plochu, tedy na průřez.
Aby bylo možno různé materiály mezi sebou porovnávat, vznikly normalizované zkoušky. Re - Mez kluzu: Je to předěl mezi elastickou(pružnou) a plastickou deformací. Laicky řečeno, do působení tohoto napětí se zkoušený vzorek vrátí do své původní podoby, když přestane na něj působit síla, která napětí vyvolala. Re02 - Smluvní mez kluzu : To je napětí, které způsobí 0,2% trvalé deformace. Pokud budu v zatěžování pokračovat, vznikne plastická deformace a vzorek změní trvale svůj tvar. Rm - Mez pevnosti : Je to napětí, které vyvolá destrukci materiálu. Lidově řečeno zkoušený vzorek se přetrhne na dva kusy. Těmito zkouškami jsem dospěl k zajímavým poznatkům a také jsem si ověřil velikou pevnost a pružnost mnou používaného materiálu na stavbu rámů. Jak jsem již uvedl, používám ocel 17240. Uvádí se u ní, že tvářením zastudena velmi zpevňuje. Tedy zkružováním plechu zastudena a tím posunem v krystalické mřížce materiálu, dochází k primárnímu zpevnění. K dalšímu zpevnění dochází při podélném svařování při výrobě trubky. Jednak dochází k lokálnímu zlepšení v oblasti sváru a jednak zde vznikne něco, co by se dalo laicky nazvat "přídavným žebrem". Samotný svár i příměsí legujících prvků je také pevnější, než jeho okolí. Velmi mě však překvapilo porovnání Re0,2 a Rm u doporučované 11353 a obyčejné podélně svařované 11343. Vlivy, které jsem popsal u 17240 platí i zde. Raději bych tedy postavil velkou bugynu z toho "obyčejného blata" 11343, než z asi jediné možné 11353....
Poznámka:
-
Tabulku naměřených hodnot uvádím v příloze na konci
Aby bylo každým lidsky pochopeno, co je to vlastně třeba 900 Mpa : Když přibližně 90kg zavěsíte na tyčinku o průřezu 1mm2, (třeba čtyřhran 1x1mm) vznikne takové tahové napětí. A co podélný svár při výrobě trubky ? jak jsem uvedl, příloha "J" pro stavbu velkých bugyn povoluje pouze trubku bezešvou. Domnívám se, že tento názor je velmi zastaralý, protože z hlediska pevnosti trubky svár již dávno není limitujícím faktorem. Dle odborníka - vedoucího řízení jakosti Ferony Brno ing. Navrátila již asi 15 let při výrobě svařovaných trubek platí pro všechny výrobce těchto trubek koeficient pevnosti sváru 1 a více. Znamená to, že svár musí vydržet minimálně takové namáhání jako materiál trubky jako takový. Pokud dojde k destrukci trubky, tak jinde, než ve sváru! V mém případě pro výrobu trubky z mat. 17240 (tedy dle italské normy TP 304) svařovanou metodou TIG platí norma EN 10217-7 TC1 a výrobcem je Marcegaglia S.p.a. Proč se tedy bezešvé trubky stále vyrábějí ? Rozhodně ne kvůli stavbě bugyn, nebo pro jiné konstrukční účely. Hlavním důvodem je rozvod plynných a někdy i kapalných produktů pod vysokým tlakem. Výrobní normy podélně svařovaných trubek jsou dnes natolik přísné, že snad i netěsnost vylučují. Je zde však i jistá předpojatost a obavy z drobného úniku zejména plynu.Také při namáhání vnitřním tlakem působí na podélný svár dvojnásobné napětí, než v případě příčného svařovaného napojení. Podotýkám, platí to ale
pouze pro namáhání vnitřním přetlakem, například od plynu. A také víte, proč topenáři s oblibou používají bezešvé trubky? Kvůli jejich vyšší ceně na nich mají větší rabat a také se jim prý i lépe ohýbají, než stejné svařované... Rozhodně se tedy domnívám, že by mělo dojít k revizi přílohy "J" a k posunu povolených použitých materiálů ve prospěch legovaných ocelí a podélně svařovaných trubek. A to zejména z důvodu bezpečnosti. Podélný svár nejen že dnes již není omezujícím faktorem, ale naopak zvyšuje pevnost konstrukce. Měla by být na stavbu "velikých bugyn" oficiálně povolena nejen "chrommolybdenová ocel", ale také mnou používaná nerezová ocel 17240. Jenomže taková změna nemůže proběhnout pouze na národní úrovni, ale musela by změnu provést FIA přímo v Paříži, protože příloha "J" je mezinárodní předpis.
Uvedu zde několik argumentů, proč se tak domnívám: - zkouškami jsem ověřil vysokou pevnost tohoto materiálu. (
Re02 přes 700Mpa a Rm přes 900 Mpa
bez jakéhokoliv tepelného
zpracování).
- je velmi dostupný v širokém spektru průřezů. Bez problémů kupuji pouze přířezy, nemusím kupovat celé šestimetrové délky a je i cenově příznivý.
-svařování metodou TIG zaručuje mimořádnou pevnost svárů při dokonalé vizuální kontrole provedeného svaru. Ať už svářečem, mnou a nebo i Technickým komisařem. A to právě proto, že je stále obnažen a nezakrývá ho vrstva barvy a nebo i tmelu.
- trubky nekorodují zvenku, ani zevnitř. Nedochází tedy časem k nekontrolovatelnému oslabení konstrukce korozí na vnitřní straně profilů, jako u ,,černé oceli,,
Ceny trubek 20/2 v délce 1m vč DPH pro maloodběratele: 11343 - svařovaná 11353 - přesná bezešvá 17240 - svařovaná TIG 15130 - bezešvá
26,-Kč 85,-Kč
Ferona Ferona
106,-Kč
Metalsteel
cenu nejsem schopen specifikovat, cena je navíc podmíněna odebíraným množstvím.
Někdo by se mohl podivovat nad tím, proč se nerezová ocel 17240, když má tolik předností na výrobu rámů, nepoužívá běžně. Zejména vlivem velikého podílu legujících prvků, které mají jinou hodnotu tepelné roztažnosti, se při lokálním zahřátí roztahuje a při následném ochlazení zase stahuje. Tím vzniká poněkud nevyzpytatelné chování a materiál se asi čtyřikrát více deformuje, než "černá ocel". Technologii svařování nerezových prostorových rámů je obtížnější zvládnout, než v případě běžné uhlíkové a nebo chrommolybdenové oceli. Před svařováním je třeba klást větší nároky na slícování jednotlivých dílů. Za tím účelem jsem si třeba já nejprve sestrojil speciální vybrušovací brusku, na které jednotlivé rádiusy vybrušuji ve vysoké toleranci. Další zvýšené požadavky je třeba klást na výrobu svařovacích přípravků. Je však důležité podotknout, že případné tvarové změny vzniklé při svařování se dají následně upravit a nemají žádný vliv na pevnost svárů. Ocel je pořád "ZARUČENĚ SVAŘITELNÁ" A dalším důvodem je, že nerezový rám každý pozná, že je nerezový a třeba i magnetem. Tedy obavy z formulací v příloze "J". Zatímco rám z "chrommolybdenu" je pořád jen "černé a nenápadné železo"...
Výjimky pro Racer Buggy 125 a 250 v NSŘ: Asi i proto, že si technici, kteří tvořili výjimky pro RB, některé tyto mnou uvedené skutečnosti již dávno uvědomili, vznikly některé výjimky, které se týkají stavby rámů třídy 125 a 250. Je dobře, že ing. Stránským vedená aktivita má tyto výjimky dále konkretizovat a posílit.
Ve stávajících NSŘ v čl 21.2 a 21.3 je uvedena výjimka nejen pro velikost použitých trubek pro stavbu rámu, ale je zde i další doplňující formulace. Cituji: Doporučená specifikace trubek: Trubka bezešvá, tvářená zastudena s běžnými úchylkami dle ČSN 426710.42 nebo přesná dle ČSN426711.42. mat 11523.0 , mat 11353.1, nebo lepší se zaručenou svařitelností. Jak jsem již uvedl, v příloze "J" je striktně nařízena pouze trubka bezešvá a pro nás, pro stavbu RB je pouze doporučená. Navíc případné použití mat. 11523, jak jsem již také uvedl, by bylo z důvodu většího obsahu Manganu (Mn 1,6%) nemožné. Tedy dle přílohy "J". Závěr: Asi proto, protože výjimky pro RB vznikaly později, než samotná příloha "J", umožňuje nám použít již podstatně širší spektrum materiálů, aniž bychom porušili předpisy, než kdybychom dle "J" stavěli "velikou bugynu". Musíme jen použít trubky z takové oceli, která má vyšší pevnostní charakteristiky, než uvedené doporučené materiály a tyto musí být zaručeně svařitelné. Dodatek: A pokud chce někdo jinému před ostatními něco vytýkat, napřed by si měl informace ověřit. Potom člověka napadá, zda-li cílem není jen vyvolat nejistotu a chaos.
V Brně 19.9.2011 Martin Prokop
