Nemesített nagyszilárdságú acélok hegesztésének nehézségei

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT

Nemesített nagyszilárdságú acélok hegesztésének nehézségei

Gáspár Marcell Gyula II. éves gépészmérnök mesterszakos hallgató

Konzulens: Dr. Balogh András egyetemi docens Mechanikai Technológiai Tanszék

Miskolc, 2010

1

BEVEZETÉS .................................................................................................................3 1.

NAGYSZILÁRDSÁGÚ SZERKEZETI ACÉLOK TULAJDONSÁGAI ...5

1.1.

Nagyszilárdságú acélok fejlődése ............................................................................................5

1.2.

A nagy szilárdság elérésének lehetőségei ...............................................................................6

2.

NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK HEGESZTÉSE ......................................9

2.1

Hegesztési nehézségek ..............................................................................................................9

2.2

Hegesztőeljárások...................................................................................................................11

2.3

Hegesztési paraméterek .........................................................................................................11

2.3.1 2.3.2 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.3 2.3.3.1 2.3.3.2

Vonalenergia hatása..................................................................................................................... 11 Előmelegítési hőmérséklet ........................................................................................................... 13 IIW szerinti előmelegítési hőmérséklet ............................................................................. 14 Uwer-Höhne módszer ....................................................................................................... 14 Hűlési idő .................................................................................................................................... 15 Hővezetési modellek ......................................................................................................... 16 Hűlési idő mérése .............................................................................................................. 17

2.4

Huzalelektróda .......................................................................................................................19

3.

ELJÁRÁSVIZSGÁLAT .................................................................................21

3.1

Előzetes hegesztési utasítás elkészítése .................................................................................21

3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4

Alapanyag .................................................................................................................................... 21 Hozaganyag ................................................................................................................................. 22 Védőgáz ....................................................................................................................................... 23 Hegesztési paraméterek meghatározása (WeldCalc) ................................................................... 23

3.2

A hegesztési próba elkészítése ...............................................................................................25

3.3

A minősítéshez szükséges vizsgálatok és eredményeik........................................................27

3.3.1 3.3.2 3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5

4.

Roncsolásmentes vizsgálatok ...................................................................................................... 28 Roncsolásos vizsgálatok .............................................................................................................. 28 Makro- és mikrovizsgálat .................................................................................................. 28 Keménységvizsgálat .......................................................................................................... 29 Szakítóvizsgálat................................................................................................................. 31 Hajlító vizsgálat ................................................................................................................ 31 Ütővizsgálat....................................................................................................................... 32

HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK ......................................................................34

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3

4.2 4.2.1

I. kísérlet .................................................................................................................................35 Szakítóvizsgálat eredménye az I. kísérletnél ............................................................................... 36 Ütővizsgálat eredménye az I. kísérletnél ..................................................................................... 36 Keménységvizsgálat eredménye az I. kísérletnél ........................................................................ 36

II. kísérlet ................................................................................................................................38 Szakítóvizsgálat eredménye a II. kísérletnél................................................................................ 39

2 4.2.2 4.2.3

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3

4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3

4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3

Ütővizsgálat eredménye a II. kísérletnél ..................................................................................... 39 Keménységvizsgálat eredménye a II. kísérletnél ......................................................................... 39

III. kísérlet ..............................................................................................................................41 Szakítóvizsgálat eredménye a III. kísérletnél .............................................................................. 42 Ütővizsgálat eredménye a III. kísérletnél .................................................................................... 42 Keménységvizsgálat eredménye a III. kísérletnél ....................................................................... 43

IV. kísérlet...............................................................................................................................44 Szakítóvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél .............................................................................. 45 Ütővizsgálat eredménye a IV. kísérletnél .................................................................................... 45 Keménységvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél ....................................................................... 46

V. kísérlet ................................................................................................................................47 Szakítóvizsgálat eredménye az V. kísérletnél.............................................................................. 48 Ütővizsgálat eredménye az V. kísérletnél.................................................................................... 48 Keménységvizsgálat eredménye az V. kísérletnél ....................................................................... 49

Kísérletek eredményeinek összefoglalása.............................................................................50 Szakítóvizsgálat eredményeinek összehasonlítása ...................................................................... 51 Ütővizsgálat eredményeinek összehasonlítása ............................................................................ 52 Keménységvizsgálat eredményeinek összehasonlítása................................................................ 52

KÖVETKEZTETÉSEK .............................................................................................55 IRODALOMJEGYZÉK .............................................................................................57

3

BEVEZETÉS A hegesztett szerkezetekben alkalmazott acélok a múlt században óriási fejlődésen mentek keresztül. A kezdetben 235 MPa folyáshatárú acéloktól mára eljutottunk az 1100 MPa folyáshatárú, nagyszilárdságú, nemesített, mikroötvözött, finomszemcsés szerkezeti acélokig. A nagyszilárdságú acélok legfontosabb előnye, hogy kiemelkedő szilárdsági tulajdonságaik révén jelentős súlycsökkenés érhető el a gépészeti szerkezetekben. Emellett további előnye ezeknek az acéloknak, hogy alkalmazásuk során a kisebb szelvényvastagságok révén kevesebb alapanyagot, illetve ebből kifolyólag kevesebb hozaganyagot használnak fel a varrathoz, ami sok esetben a magasabb anyagárak ellenére is a gyártási költségek csökkenéséhez vezet. A felsorolt előnyökből következik, hogy ezeket az acélokat leggyakrabban mozgó szerkezetek, például autódaruk vagy földmunkagépek esetén alkalmazzák. Ezek az ipari járművek így kisebb önsúlylyal rendelkeznek, amely növeli a jármű terhelhetőségét, és csökkenti a fogyasztását. A nagyszilárdságú acélok szokatlanul magas folyáshatárát termomechanikus hengerléssel, hőkezeléssel, makro- és mikroötvözők alkalmazásával, illetve a bennük található szennyezők csökkentésével érik el. Ebből következik, hogy hegesztésükkor különös figyelmet kell fordítani, hogy a gyártás során létrehozott, többnyire nem egyensúlyi anyagszerkezetet minél kevésbé változtassuk meg. Ez az anyagtudományi ismeretek magasszintű alkalmazását, korszerűbb hegesztéstechnológiát és modernebb hegesztő berendezéseket igényel. A jelen diákköri dolgozat az egyik legnagyobb folyáshatárú, az MSZ EN 100256:2005 szabvány szerinti S960QL jelölésű acélon keresztül mutatja be a nagyszilárdságú szerkezeti acélok hegesztésének technológiai nehézségeit. Ezeknek az acéloknak a hegesztését előmelegítést követően korlátozott hőbevitellel, a vonalenergia értékének pontos szabályozásával és közel állandó értéken tartásával kell elvégezni, mert ellenkező esetben a varrat-alapanyag átmenetnél gyors hűlés esetén jelentős keménységcsúcsok, illetve lassú hűlés esetén keménységcsökkenés is kialakulhat, azaz az anyag beedződik és elveszti szívósságát, vagy pedig kilágyul, és szilárdsága lecsökken. Ezért

4 a hűlés során lejátszódó folyamatok határozzák meg a hegesztett kötés végső mechanikai tulajdonságait. A hegesztési folyamat hűlési fázisát általában az A3 hőmérsékletről (az acél karbontartalmától függően általában 800 és 850 °C közé tehető) 500 °C-ra történő hűlési idővel szokták jellemezni, amelyre a szigorúbb előírások mindösszesen 6-10 s közötti intervallumot adnak meg. A jelen dolgozat bemutatja a hűlési idő számításának módját, illetve a számítások szoftveres lehetőségeit, emellett pedig az összefüggések ellenőrzése céljából a hűlési idők tényleges mérésére is sor kerül. A 960 MPa minimális garantált folyáshatárú acélok hegesztése során meglehetősen szűk paramétertartomány áll a hegesztők rendelkezésére, ami nagy munkafegyelmet tételez fel. Emellett napjainkban a szoros határidők és az ezekből fakadó feszített munkatempó következtében szükséges, hogy a mérnökök kellő információval rendelkezzenek arról, hogy az előírásoknak nem megfelelően végzett hegesztés milyen következményekkel jár a hegesztett kötés tulajdonságaira. Ennek okán egy nagyszilárdságú acélszerkezetek gyártásával foglalkozó, magyarországi telephellyel is rendelkező finn cég támogatásával és közreműködésével öt darab kísérleti próba készült, amelyeket eltérő hegesztési paraméterekkel hegesztettek. A hegesztést követően elvégzett anyagvizsgálatok azt a célt szolgálták, az előírásoktól való eltérés milyen hatással van a hegesztett darabok mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságaira. Az elvégzett vizsgálatok középpontjában a huzalelőtolás és ezáltal az áramerősség, valamint a hegesztési sebesség változtatásának hatása állt. Emellett kísérleteket végeztem az előmelegítés elhagyásának és a megengedettnél nagyobb maximális rétegközi hőmérséklet hatásának elemzésére is. A dolgozat az eredmények kiértékelését követően egy összefoglaló formájában kísérel meg választ adni arra a kérdésre, hogy az alkalmazott öszszefüggések és előírások mennyire helytállóak az adott acélok hegesztésére vonatkozóan, és hogy ezek be nem tartása milyen következményekkel járhat.

5

1. NAGYSZILÁRDSÁGÚ SZERKEZETI ACÉLOK TULAJDONSÁGAI 1.1. Nagyszilárdságú acélok fejlődése Az acélok jelentős fejlődése a világháborút követően kezdett el gyorsulni. A 60-as években megjelentek a nagyszilárdságú nemesített acélok (S690QL), majd a 70-es években bevezették a termomechanikus hengerlést. Ennek eredményeként egy évszázad alatt az acélok folyáshatárát sikerült a kezdeti értékhez képest közel ötszörösére növelni. 1400 S1300QL

Melegen hengerelt

1200

Normalizált Légedzésű

Folyáshatár,MPa

1000

StE890V S890QL

Vízedzésű TM-hengerelt + BA

600

400

200

St52 S355N St37 S235

S1100QL S960M

S890MC

TM-hengerelt 800

StE960V S960QL

StE690V S690QL

StE500 StE420N S500NC S420NC

QStE690TM S700MC QStE550TM S550MC

S930MC QStE740TM S740MC

QStE620TM S620MC

QStE420TM S420MC QStE380TM S380MC

0 1910 1915 1920 1925 1930 1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 1996 1998 2000 2008

Évek

1. ábra: A szerkezeti acélok fejlődésének története A mobildaruk gyártásánál már évtizedek óta alkalmazzák a 690-890 MPa minimális folyáshatárú acélokat. Az iparilag fejlettebb országokban szériagyártás során építik be az 1100 MPa folyáshatárú acélokat, sőt előfordul, hogy már 1300 MPa folyáshatárú acélokkal foglalkoznak. A nagyszilárdságú acélok megfogalmazás helyett gyakran alkalmazzák a növelt folyáshatárú acél elnevezést, mivel a jelenlegi szabványok nem a szakítószilárdság, hanem a folyáshatár alapján kategorizálják az acélokat. Az MSZ EN 10025-6 szabvány szerinti S 960Q jelölésű acélhoz hasonló nagyszilárdságú acélok előnye közé sorolható, hogy alkalmazása kisebb szelvényvastagságot

6 és az ebből adódó kisebb tömegű varratot, valamint súlycsökkenést eredményez. A kisebb varrattömeg csökkenti a hozaganyag-szükségletet, a gyártási időt és a gyártáshoz szükséges energiát, a súlycsökkenésből származó előnyök meg mozgó szerkezetek esetén használhatók ki (daruk, földmunkagépek).

2. ábra: Nagyszilárdságú acélok alkalmazásának előnyei [4]

1.2. A nagy szilárdság elérésének lehetőségei Az S960Q acélt [4] a vízedzésű, nagy folyáshatárú, gyakran „vakedzettnek” nevezett szerkezeti acélok közé sorolják. A csoporton belül ez jelenti a csúcskategóriát, S960QL jelölésű párja pedig alkalmas a szobahőmérséklet alatti hőmérsékleten üzemelő berendezésekhez. Acél jele

Cmax Simax Mnmax

Pmax

Smax

Crmax

Momax Nimax

Al

%

%

%

%

%

%

%

%

%

S 960 Q 0,2

0,8

1,7

0,020

0,005

1,5

0,7

1,5

0,015

1. táblázat: Az S 960Q acél kémiai összetétele tömegszázalékban, MSZ EN 10025-6 Lemezvastagság [mm]

Re

Rm

A

MPa

MPa

%

< 50

960

9801150

10

CEmax %

KVmin, J, hosszirányban, T= -40 °C

0,82

30

2. táblázat: Az S 960QL acél mechanikai tulajdonságai, MSZ EN 10025-6

7 Ezen acélok esetében a nagy szilárdság egyik kiemelkedő oka a rendkívül finom szemcseméret. Ezt úgy érik el, hogy túlhűtés alkalmazásával a kristályosodás egyidejűleg több csírán indul meg, így a több szemcsehatár és a rendezetlenebb rácsszerkezet miatt növekszik a folyáshatár, valamint a szakítószilárdság értéke is.

3. ábra: A szemcseméret csökkenésével bekövetkező szilárdság növekedés A finomszemcsés szerkezet mellett az alábbi acél kiemelkedő tulajdonságait a tudatosan megválasztott ötvözőtartalom okozza. Az acél kristályosodásakor a sok ötvöző kristályosodási csírát képez, így elősegítve a finomszemcsés szerkezet kialakulását. A hagyományosan hengerelt, normalizált finomszemcsés acél 900 °C hőmérséklet körül ausztenitesített, ezáltal a nemkívánatos szekunder szerkezet elkerülhető. Ezzel egyidejűleg az alumínium révén a nitrogén lekötésére is sor kerül, ami finoman kiváló karbonitrid keletkezéséhez vezet. Erős karbidképzők, mint a króm és molibdén, jelentős karbidképződést okozhatnak. Ezek a kis kiválások, mint csírák szerepelnek az elkövetkező átalakulásnál, és a levegőn történő lehűtésnél finomszemcsés ferrit-perlit szövetszerkezet alakul ki. Ilyen módszerrel azonban csak maximum 500 MPa folyáshatárú acél állítható elő. A vízedzésű finomszemcsés acél esetében hasonló kémiai összetétel mellett a vízben edzés hatására finomabb szemcsék alakulnak ki. Emellett az S960Q jelölésű acélok más finomszemcsés acéloktól a nagyobb króm-, nikkel- és a bórtartalmukkal térnek el [3]. A bór (B <0,005%) erős nitrid-, de különösen erős karbidképző. A bór nagyon hatékonyan növeli az átedzhetőséget azáltal, hogy az ausztenit szemcsehatárán

8 dúsulva akadályozza a ferrit képződését. Az acélgyártáskor csak nagyon gondos, pontosan szabályozott ötvözéssel érhető el – a bórnak az oxid-, karbid- és nitridképző hajlama miatt –, hogy az ausztenit átalakulásának akadályozásához szükséges 10…30 tömeg ppm elemi szabad bór rendelkezésre álljon, de mennyisége ezt ne haladja meg. A nagyobb mennyiségű bór ugyanis már boro-karbid [Fe23(CB)6] formájában kiválik, ami az ausztenit szemcsével inkoherens határral érintkezik, és a ferritképződést segítve, rontja az átedzhetőséget. A finom karbidkiválások ugyanakkor jelentősen növelik az acél ütőmunkáját, szívósságát. A bór kedvező hatása még viszonylag kis (C ≤ 0,25%) karbontartalmú szerkezeti acéloknál is kihasználható a szilárdsági értékeket javító, nemesített állapot eléréséhez. Nemcsak a bór, de a króm és a nikkel is igen hatékonyan növeli az átedzhetőséget. Az átedződést elősegítő ötvözők hatására az acél vízhűtés esetén teljes keresztmetszetében martenzites lesz. A kis karbontartalom miatt az edzéskor létrejövő martenzites szövetszerkezet csak igen csekély számú torzult elemi cellát tartalmaz, így a martenzit keménysége és egyben ridegsége kicsi. Ez az úgynevezett vakedzés. Egyes esetekben használnak kisebb folyáshatárú nemesített acélokat, abban az esetben, ha például nagyobb kopásállóság követelmény. Érdekességként érdemes megjegyezni, hogy Magyarországon nem foglalkoznak ennek az alapanyagnak a gyártásával, illetve hegesztésére is kevés gyártó vállalkozik. A legnagyobb hazai alapanyag gyártó, a Dunaferr Zrt. által forgalmazott legnagyobb folyáshatárú acél az S 550 M.

9

2. NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK HEGESZTÉSE A 690 MPa-nál nagyobb folyáshatárú acélok hegesztése nagy gondosságot igényel. A hegesztéstechnológia tervezésekor többek között figyelmet kell fordítani a hidrogéntartalom alacsony értéken tartására és a hegesztett kötések bemetszés-érzékenységére. Ezen acélok hegesztésekor az ötvözőelemek hatására a hőhatásövezet felkeményedik, és túl nagy hőbevitel esetén a hőhatásövezet az alapanyaghoz képest jobban kilágyul, a szilárdság pedig lecsökken. A varrat-alapanyag átmenetnél keménységcsúcsok és keménységcsökkenés egyaránt kialakulhat. A munkadarabot ezért hegesztéskor egy adott lemezvastagság felett elő kell melegíteni, és korlátozott hőbevitellel kell hegeszteni. Az előmelegítési hőmérsékletre az acél gyártójától lehet információt szerezni, illetve kísérletekkel és számításokkal kell meghatározni.

2.1 Hegesztési nehézségek Ezen acélok hegesztésekor a fejlett üstmetallurgiai eljárásoknak köszönhetően a szennyező tartalom minimális, ezért nem kell tartani melegrepedés megjelenésétől, azonban repedések előfordulhatnak hidrogén okozta diffúzió útján is. Hegesztés során az ívben lévő hidrogénmolekulák felbomlanak hidrogén atomokra és ionokra, amelyek méretük folytán a rácshézagokban diffúzió útján mozogni képesek. A diffúziós mozgáshoz szükséges aktiválási energia nagy hőmérsékleten hőenergia formájában rendelkezésre áll, azonban a hőmérséklet csökkenésével, a hidrogén oldhatósága szintén csökken. A kristályosodáskor oldhatatlanná vált hidrogén diffúzió útján igyekszik a fémfürdőből eltávozni, ha elegendő idő áll rendelkezésre. Azonban a hegesztési folyamat során többnyire nincs elegendő idő a diffúziós folyamat lejátszódásához, ezért a nagy mennyiségű hidrogén a nagyobb hézagokkal rendelkező helyeken (pl. szemcsehatár, rácshibák, diszlokációs helyek) gyűlik össze. A hidrogén tehát arra kényszerül, hogy ismét kiváljon, lehetőleg molekuláris formában, azonban a hidrogén molekula átmérője jóval nagyobb a hidrogén atom átmérőjénél, ezért a molekuláris forma további diffúzióra képtelen. A hidrogénmolekulák feldúsulása az ilyen helyeken az anyagot ridegíti (a diszlokációk mozgását akadályozza), illetve a hidrogéngáz nyomá-

 10  sa annyira megnő, hogy a szövetek közötti kötés helyileg felszakad, repedések jönnek létre. Hidrogén okozta repedés veszélye azonban megfelelő hozaganyag kiválasztásával jelentősen lecsökkenthető. Az imént felsorolt repedésfajtáknál sokkal jellemzőbb az úgynevezett edződési repedés. Az acélok hűlésekor γ – α átalakulás játszódik le, ha azonban ez a lehűlés igen gyors, akkor a diffúziós folyamatok lejátszódásához nincs elegendő idő. A diffúziós folyamat elmaradása esetén a hűlési folyamat a felületen középpontos köbösrácsú ausztenitnek az instabilitását okozza, és a rácsszerkezet a benne oldott karbon atomokkal átbillen térben középpontos kockarácsúvá. A „befagyott” karbon a kockarácsot tetragonálissá torzítja. Az így létrejött torzult rácsú szilárd oldatot martenzitnek nevezik. A martenzites átalakulás diffúzió nélkül megy végbe, az atomok egyszerű rácsátrendeződésével, anélkül hogy az atomok relatív helyzete változna. Repedés képződéséhez vezet, ha a szövetben nagy mennyiségben karbonban túltelített, ezáltal nagy belső feszültséggel rendelkező martenzit alakul ki. Bár ezen acélokat alacsony karbontartalmuknál fogva vakedzett acéloknak is szokták hívni, mégis fennáll az edződési repedés veszélye a magas ötvözőtartalom miatt. Az ötvözők hatását az acél edződési hajlamára a leginkább ismert karbonegyenérték (forrás: International Institute of Welding) összefüggéssel lehet jellemezni, aminek az S960Q esetén különösen nagy a jelentősége: CEV  C 

Mn Cr  Mo  V Cu  Ni   6 5 15

(1)

A képlet ötvözetlen acélokra, finomszemcsés acélokra és gyengén ötvözött acélokra a CE = 0,3…0,7% közötti tartományban érvényes. A 3. táblázat tartalmazza az ötvözők maximális mennyiségét. Kémiai összetétel tömegszázalékban C

Simax

Mnmax

Crmax

Cumax

Nimax

Momax

Vmax

0,05…0,25

0,8

1,7

0,9

1,0

2,5

0,75

0,2

3. táblázat: A CE érvényességi tartománya [3]

 11  Az S960Q acélok egyezményes karbonegyenértéke az alapanyag gyártójától függően a 0,55 és 0,65 közötti tartományban esik, tehát az alacsony karbontartalom ellenére edződési repedések jöhetnek létre.

2.2 Hegesztőeljárások A nemesített, nagyszilárdságú acélok hegesztése több eljárással (BKI, VFI, FH, lézersugár) is lehetséges. A 960 MPa garantált folyáshatárú acélok esetén megrendelhető legnagyobb lemezvastagság 50 mm, ezért vastagabb lemezek esetén fedettívű hegesztés alkalmazásának a lehetőségét is célszerű megvizsgálni. Amennyiben a gyártó a fedettívű hegesztés mellett dönt, mindenképpen körültekintőnek kell lenni, mivel a bevont elektróda vagy fedőpor alkalmazása esetén felmerülhet a veszély, hogy a hozzájuk kapcsolódó nedvességből hidrogén kerül a varratba. Az ipari gyakorlatnak megfelelően a jelen dolgozatban az MSZ EN ISO 4063 szerinti 135 kódjelű, aktív védőgázos fogyóelektródás ívhegesztést alkalmaztuk.

2.3 Hegesztési paraméterek 2.3.1 Vonalenergia hatása Az egyik legtöbb információt hordozó hegesztési paraméter a vonalenergia, ami a (2)-es összefüggésben szereplő hőáramból vezethető le, amely az ívfeszültség (Uív), hegesztő áram (Ih) és a fázissög szorzataként értelmezhető.   U ív  I h  cos 

(2)

Mivel a későbbi fejezetekben bemutatásra kerülő hegesztési feladatok során egyenáramú berendezéseket alkalmazunk, ezért most az áram és feszültség közötti φ fázisszög nulla, így az előbbi összefüggés tovább egyszerűsödik, mivel cos   1 . A (2)-es képletet felhasználva a vonalenergiát a következőképpen kaphatjuk meg: EV 

dE     , kJ/mm, ds f  vh

(3)

azaz a vonalenergia a hőáram (Φ) és a hegesztési sebesség (vh) hányadosaként számítható. A számlálóban lévő η tényező jelenti a termikus hatásfokot, amely a hőforrás hő-

 12  energiának a tárgyba kerülő és ott hasznosuló részét mutatja. Az összefüggésben szereplő f formatényező a kötés geometriai jellegzetességeit veszi figyelembe.

4. ábra: A vonalenergia hatása [4] A vonalenergia csökkentésével az alapanyag szilárdsági paraméterei tarthatók, noha ez a termelékenység rovására megy. A kis hőbevitel azonban növeli a hidrogén okozta repedési hajlamot, illetve fokozza a beolvadási hiba veszélyét. Az S960Q esetében a vonalenergia értékét a lehető legkisebbre kell választani, mivel ellenkező esetben a kötés szilárdsága jelentősen lecsökken. Ökölszabályként szoktak megemlíteni, hogy nagyszilárdságú acélok esetén a legkedvezőbb mechanikai tulajdonságok a vonalenergia 1 kJ/mm körüli értéken tartásával érhetők el.

5. ábra: Keménységeloszlás a varrat környezetében Az előzőknek megfelelően ezeknek az acéloknak a hegesztését csak olyan hegesztő végezheti, aki képes a hőfolyamatokat kontrollálni azáltal, hogy a vonalenergia értékét szabályozza, és állandó értéken tudja tartani, mert ellenkező esetben a varratalapanyag átmenetnél gyors hűlés esetén keménységcsúcsok, illetve lassú hűlés esetén

 13  keménység csökkenés is kialakulhat, azaz az anyag beedződik és elveszti szívósságát, vagy pedig kilágyul, és a szilárdsága lecsökken. Ezt megelőzendő a helyes hegesztési paraméterek beállítása mellett kis vonalenergiával, húzott varratsorokkal, illetve a lehető legnagyobb kihúzásokkal (kevesebb megállással és újrakezdéssel) kell hegeszteni. Egyszerre kisebb keresztmetszetű varratokat kell lerakni és egymáshoz képest el kell csúsztatni a sorokat. A sokrétegű varratfelépítéssel jobb ütőmunka érték érhető el a varratban és a hőhatásövezetben. Mindenekelőtt a lengetett varratfelépítés okozza a rossz ütőmunka értéket a túl vastag varrathernyó miatt. A varratfelépítést oldalról kell elkezdeni, ezáltal a következő varrathernyó hője kedvezően befolyásolja a hőhatásövezet tulajdonságát. Különösen fontos ez a fedősornál. Feszültséggel erősen terhelt varratoknál a szegélykiolvadást még lehetőleg a meleg varratból kell köszörüléssel eltávolítani. Szerelési segédvarratokat kisebb szilárdságú hozaganyaggal célszerű meghegeszteni. Azokat a fűzővarratokat, amelyek a hegesztett kötés részét képezik, az alapanyagnak megfelelően választott elektródával kell hegeszteni. A munkadarabon az ívgyújtás a varrathornyon kívül nem megengedett, a nem szándékos gyújtási helyeket ki kell köszörülni. Összességében tehát a minőségi követelményeket kell előtérbe helyezni a teljesítmény követelmény mellett.

2.3.2 Előmelegítési hőmérséklet Mivel az ötvözők miatt a varrat-alapanyag átmeneteknél keménységcsúcsok és keménységcsökkenés egyaránt kialakulhat, a munkadarabot ezért hegesztéskor elő kell melegíteni. Az előmelegítésre azért van szükség, hogy megakadályozzuk a hegesztett kötés beedződését, és ennek következményeként a hegesztett kötésben kialakuló hidegrepedést, illetve kedvezőbbé tegyük a feltételeket a hidrogén eltávozására. Előmelegítés alkalmazásával csökkenteni tudjuk a hegesztett kötés hűlési sebességét, így a martenzittartalom is csökkeni fog, ami kisebb ridegséget eredményez. Emellett az előmelegítés hatására a varrat és az alapanyag nagyobb hőközben hűl egymással, ezáltal mérséklődik a hőtágulás, valamint kisebb belső feszültség keletkezik, továbbá javul a hidrogéndiffúzió feltétele, hiszen a diffúziós folyamat végbemeneteléhez több idő áll rendelkezésre. Az előmelegítés különösen fontos az alábbi esetekben:

 14   A fűzővarratoknál, és a gyöksor elkészítésekor. A magasabb hőmérséklet miatt a hegesztés alatt és utána a hidrogén könnyebben távozik az anyagból.  A szükséges előmelegítési hőmérsékletet növelni kell az anyagvastagság növekedésével, mert kompenzálni kell a gyorsabb hűlést, valamint a vastagabb lemeznek nagyobb az egyezményes karbonegyenértéke, mint a vékonyabbnak.  Az előmelegítési hőmérsékletet szintén növelni kell olyan esetben, ha a hegesztett szerkezet kialakítása, befogása, rögzítése merevebb.  Ha a környezeti hőmérséklet +5ºC körüli, vagy alatta van, akkor is elő kell melegíteni az anyagot a lecsapódó pára miatt. Az egyes varratsorok elkészítése után meg kell várni, amíg a varrat visszahűl az előmelegítési hőmérsékletre, mert gyakorlati tapasztalatok szerint a rétegközi hőmérséklet nem lehet sokkal magasabb az előmelegítési hőmérsékletnél

2.3.2.1

IIW szerinti előmelegítési hőmérséklet

Az előmelegítési hőmérséklet meghatározásának több módszere ismert. Az egyik módszer az (1) összefüggésben szereplő karbonegyenértéket veszi alapul. Az eljárás során az előmelegítési hőmérséklet gyakorlatilag kiolvasható egy nomogramból a CE, a vonalenergia, a kombinált lemezvastagság és a Hd (diffúzióképes hidrogéntartalom) ismeretében, amely meghatározását a ferrites heganyagra az MSZ EN ISO 3690:2002 szabvány szerint kell elvégezni.

2.3.2.2

Uwer-Höhne módszer

Egy másik, gyakran alkalmazott eljárás az Uwer-Höhne módszer, amely az alábbi karbonegyenérték összefüggést használja: CET  C 

Mn  Mo Cr  Cu Ni   10 20 40

(4)

A CET összefüggés tágabb határok között alkalmazható, és CET = 0,2…0,5% között tartományban érvényes. A 4. táblázat tartalmazza az ötvözők maximális mennyiségét.

 15  Kémiai összetétel tömegszázalékban C

Simax

Mn

Crmax

Cumax

Nimax

Momax

Vmax

0,05…0,32

0,8

0,5 …1,9

1,5

0,7

2,5

0,75

0,18

Továbbá: Nbmax = 0,06 %, Timax = 0,12 %, Bmax = 0,005 %. 4. táblázat: A CET érvényességi tartománya [7] Az előmelegítési hőmérséklet számításakor figyelembe kell venni a diffúzióképes hidrogéntartalmat is. Ez alapján az előmelegítési hőmérséklet az alábbi módon határozható meg:  s  Telőmeleg  697  CET  160  th     62  H d 0,35   53  CET  32   Ev  328  35 

(5)

ahol: s…kombinált lemezvastagság (s1+s2), mm Hd…a diffúzióképes hidrogéntartalom, ml/100 g fém Ev…vonalenergia, kJ/mm Ennek mértékét a varrat középvonalától számítva legalább 75 mm széles sávban ki kell terjeszteni. Az ismertetett eljárások mellett további számítási módszerek (pl. Ito-Bessyo), illetve több ajánlás is található az előmelegítési hőmérséklet meghatározására. Gyakorlati tapasztalatok alapján előmelegítés technológiának ideális lehet elektromos előmelegítő paplanok alkalmazása, de amennyiben ilyen eszközök nem állnak rendelkezésre, alkalmazható oxigén-acetilén gázzal működő melegítőégő is. Az előmelegítési hőmérsékletet a hegesztés megkezdésekor ellenőrizni kell, amelynek eszköze általában hőkréta, vagy infravörös hőmérő.

2.3.3 Hűlési idő A repedésképződésben az összetételen kívül jelentős szerepe van a hűlési sebességnek. A hegesztési folyamat hűlési fázisának jellemzésére általában a hűlési sebesség helyett a t8/5-ös hűlési időt alkalmazzák. A hegesztési folyamat hűlési fázisát általában az A3 hőmérsékletről (az acél karbontartalmától függően általában 800 és 850 °C közé tehető) 500 °C-ra történő hűlési idővel szokták jellemezni. Azért ezt a hőmérsékletet

 16  vizsgálják, mert a nagyszilárdságú acélokban az ausztenit bomlása a 850-500 ºC közötti hőmérséklettartományban valósul meg. Ily módon egy elfogadható hűlési sebesség intervallum tervezhető meg, amelynek alapjául több számítási módszer is szolgál. A hűlési sebesség függ a vonalenergiától, az előmelegítés hőmérsékletétől a hegesztett kötés hővezetési tulajdonságaitól, vastagságától, hővezetési tényezőtől, a hővezetésben résztvevő elemek számától és azok kiterjedésétől. A varrat mechanikai tulajdonságait elsősorban annak kémiai összetétele, illetve a kristályosodási sebesség és képesség határozza meg. A hőhatásövezet mechanikai tulajdonságaiban azonban döntő szerepe van a hegesztés során elért csúcshőmérsékletnek, az ausztenites tartományban való tartózkodási időnek, valamint az ausztenites tartományból való hűlési sebességnek.

2.3.3.1

Hővezetési modellek

A hűlési sebesség mértékét számottevően befolyásolja a kötés kialakítása, az hogy a hővezetésében hány és milyen méretű elem vesz részt, ez alapján beszélhetünk kétdimenziós hővezetésről vékony lemezek esetén, illetve háromdimenziós hővezetésről vastag lemezek esetén. Rosenthal a lemezanyagokra vonatkozó 2D-s hővezetési modell megalkotásával olyan egyenletet vezetett le, amely a varrat közelében a hőmérséklet lefutását a hely és idő függvényében írja le. Ennél a vékonylemez-modellnél a felületi hőátadás dominál, a hővezetés csekély jelentőségű. Vékonylemez-modellnél alkalmazott hőmérséklet függvény egyszerűsítésével és átalakításával a hűlési idő számítására a (6)-os egyenletet kapjuk: t2 D

  Ev 2 1 1      4      c p    vh  d 2   500  T0 2  800  T0 2 

(6)

További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel egy gyakorlatban jól alkalmazható egyenletet kapunk: t 8, 5 / 5

2  Ev  1 1  4300  4,3  T0   10  2      F2 . d  500  T0 2 800  T0 2  5

(7)

 17  Jelölés

λ

cp

ρ

T0

Ev

Vh

d

Megnevezés

hővezetési tényező

fajhő

sűrűség

előmelegítési hőmérséklet

vonalenergia

hegesztési sebesség

lemezvastagság

Mértékegység

W mm  K

J gK

g mm 3

ºC

kJ mm

mm s

mm

5. táblázat: A hűlési idő összefüggéseiben szereplő jelölések jelentése A (7) és (9) összefüggésekben szereplő F2 és F3 alaktényezőket jelentenek, amelyek megválasztására vonatkozó táblázatot a [7] irodalomban találjuk meg. A háromdimenziós hővezetés a vastag lemezekre vonatkozik. Ennél az úgynevezett nagytest-modellnél a hővezetés dominál, az úgynevezett felületi hőátadás (konvekció) csekély jelentőségű. Nagytest-modellnél alkalmazott hőmérséklet függvény egyszerűsítésével és átalakításával a hűlési idő számítására a (8)-as egyenletet kapjuk: t 8, 5 / 5 

 2      vh

  1 1   .  500  T0 800  T0 

(8)

További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel a kétdimenziós összefüggéshez hasonlóan egy gyakorlatban jól alkalmazható egyenletet kapunk:   1 1 t 8,5 / 5  6700  5  T0   E v      F3 .  500  T0 800  T0 

(9)

A (10)-es egyenletben szereplő határlemezvastagság azt a lemezvastagságot jelenti, amely a különböző hővezetési modellek tartományát elválasztja. Ha t  d hat , akkor 2D-s számítást, ha pedig ha t  d hat akkor 3D-s számítási módot alkalmazunk. d hat  1000 

2.3.3.2

0,043  0,000043  To 1 1   Q    0,67  0,0005  To  500  To 800  To 

(10)

Hűlési idő mérése

A kívánt eredmény eléréséhez az olvadási folyamatnak és a hűlési időnek a folyamatos ellenőrzése szükséges [5]. A tapasztalatok alapján a hegesztési paraméterek (U, I, v) megváltozása jelentősen befolyásolják a t8/5 hűlési idő mértékét, azonban a paraméterek betartására és folyamatos ellenőrzésére nincs mindig lehetőség.

 18  Bár az előző fejezetben említett egyenletekkel lehetőség van a hűlési idő számítására, sok esetben az egyenletekben szereplő paraméterek nem elég pontosan ismertek ahhoz, hogy egy tökéletesen megbízható hűlési idő értéket kapjunk. A hegfürdőben és az azt követő szilárdulás során a hűlési időnek a meghatározására ma már lehetőséget nyújtanak speciális termoelektromos eszközök.

6. ábra: Hűlési idő mérésének elve Magyarországon először a Jászberényben található Aprítógépgyár Rt.-nél (ma Ruukki Tisza Zrt.) alkalmaztak ilyen berendezést. A ma is használt műszer Cr-CrNi termoelemmel van ellátva, alkalmazásakor a termoelemeket a hegfürdőbe kell bemártani, és a megszilárdulásig ott hagyni. A mérési folyamat során a kijelző folyamatosan mutatja a vizsgált pontnak a pillanatnyi hőmérsékletét, és számítja a t8/5 és t8/3 hűlési időket. Ha a hegesztés során az adott anyagra vonatkozó megengedhető hűlési időtartomány felső határához közelítünk, kedvezőbb ütőmunka értékeket érhetünk el, amenynyiben az alsó határhoz tartunk, akkor pedig a keménységnövekedéssel kell számolnunk. Ezt jól példázza a Ruukki Tisza Zrt. által elvégzett kísérlet [9], amelynek eredményét az 1. diagram mutatja. A kísérletből látható, hogy a hegesztőnek valóban nagyon szűk paramétertartományban kell dolgoznia. Általában az S960QL acélokra 5-15 s közötti hűlési időket írnak elő az alapanyaggyártók. Azonban a kísérletből látható,

 19  hogy már 12 s körüli hűlési idő esetén is a szilárdság olyan mértékben lecsökken, hogy a kötésből kimunkált próbatest szakítószilárdsága közel az alapanyag egyezményes folyáshatárával lesz egyenlő. Szembetűnő, hogy már 8 s hűlési idő esetén is kisebb lesz az egyezményes folyáshatár az alapanyag minimálisan megengedett folyáshatáránál. Vizsgálati paraméterek:  S960QL alapanyag  30 mm lemezvastagság  V-60° varratelőkészítés  Union X96 O1,2 huzal 1. diagram: Hűlési idő hatása a szilárdsági és fajlagos nyúlás értékekre Az imént felsoroltakból következik, hogy a Ruukki Tisza Zrt-nél a t8/5-ös hűlési időre javasolt intervallum 5-15 s helyett mindösszesen 6-10 s, amit a kísérleti eredmények mellett a Ruukki egyes megrendelőinek a gyártóra vonatkozó műszaki követelményei is megerősítenek.

2.4 Huzalelektróda A 135 számjelű hegesztési eljáráshoz a hegesztési huzalelektródát úgy kell megválasztani, hogy a varrat tulajdonságai a hegesztett kötésre vonatkozó előírásoknak megfeleljenek. A hidegrepedés elkerülése érdekében csak olyan huzalelektródát szabad választani, amely olyan varratot eredményez, amely vegyi összetételében nem tér el túlságosan az alapanyagtól, és biztosítja a nagy szilárdságot, valamint a varrat kis hidrogéntartalmát (≤ 5 ml/100 g fém). A huzalelektróda kiválasztásakor alapvetően három lehetőség közül dönthetünk: 1. undermatching (a varratnak kisebb a folyáshatára, mint az alapanyagnak) 2. matching (a varratnak és az alapanyagnak közel azonos a folyáshatára) 3. overmatching (a varratnak nagyobb a folyáshatára, mint az alapanyagnak).

 20  Általában 500 MPa folyáshatár körüli acélok esetén overmatching-et, 700 MPa fölött pedig undermatching-et szoktak alkalmazni, ami kedvező hatással van a fáradási tulajdonságokra is. A felsorolt szempontok figyelembevételével az alábbi hozaganyagokkal történhet a darabok hegesztése: Thyssen

Union X96

Böhler

X 90-IG/M21

ESAB

OK Autrod 13.31 OK Tubrod 14.03

6. táblázat: Az alapanyaggyártó által javasolt hozaganyagfajták A hozaganyag alegjobban a gyöksornál keveredik az alapanyaggal, és ez legtöbbször jelentős szilárdságnövekedéssel jár együtt. Emiatt a nagyszilárdságú acélok esetén előfordul, hogy a gyöksorhoz és az egyrétegű sarokvarratokhoz gyengébben ötvözött huzalelektródát használnak, mint a töltő- és takarósorokhoz. Itt azonban érdemes megjegyezni, hogy ebben az esetben növekszik a hozaganyagok felcserélésének kockázata.

 21 

3. ELJÁRÁSVIZSGÁLAT Magyarországon meglehetősen kevés vállalat foglalkozik nagyszilárdságú szerkezeti acélok hegesztésével. Ezen vállalatokon belül is mindösszesen néhány van, amely az S960Q acélokkal foglalkozik. A Ruukki Tisza Zrt. (korábbi nevén: Jászberényi Aprítógépgyár) közel 15 éves tapasztalattal rendelkezik ezen acélok hegesztésében. Napjainkban, a vállalat vevői egyre inkább megkövetelik, hogy a gyártmányokban előforduló hegesztett kötések már az MSZ EN ISO 15614 szerinti előírások alapján készüljenek el. Ezért a vállalatnál folyamatban van a korábbi MSZ EN 287 szerint készült WPS-ek felülvizsgálata, és azok újabb szabvány szerinti elkészítése. Ebből kifolyólag a Ruukki hegesztőmérnökei azzal a feladattal bíztak meg, hogy S960QL acélból készült 15 mm-es lemezvastagságú lemezek hegesztéstechnológiáját dolgozzam ki egyoldali PA pozícióban lévő varratra, illetve a pWPS-t tanúsítását az újabb szabvány szerinti eljárásvizsgálattal támasszam alá. Az MSZ EN ISO 15614-ben szereplő 5a. táblázat alapján a 15 mm-es lemezvastagságra szóló WPS-ek érvényességi tartománya a 0,5– 1,5t, azaz 7,5 és 30 mm közé esik, ami a vállalatnál alkalmazott nagyszilárdságú lemezek egy jelentős részét lefedi.

3.1 Előzetes hegesztési utasítás elkészítése Az 1. számú mellékletben szereplő előzetes hegesztési utasítást (pWPS) az MSZ EN ISO 15609-1:2005 szerint készítettem el. A hegesztési paraméterek meghatározásánál figyelembe vettem a szakirodalmi ajánlásokat, a megrendelő szállítási feltételeit, valamint a korábbi WPS-ek tartalmát is.

3.1.1 Alapanyag A hegesztéshez felhasznált alapanyag a svéd SSAB Oxelösund által gyártott WELDOX 960 típusjelű nemesített, nagyszilárdságú, finomszemcsés szerkezeti acél volt. Az alapanyag műbizonylatában szereplő mechanikai tulajdonságokat és vegyi összetételt a 7. táblázat mutatja.

 22 

WELDO X 960

RP0,2

Rm

A5

KV (-40ºC)

MPa

MPa

%

J

1030

1076

16

56

WELDO X 960

C

Si

0,17%

0,22%

Mo

V

Ti

0,594%

Mn

P

S

Cr

Ni

1,26% 0,009% 0,001% 0,20% Cu

Al

Nb

0,05%

B

N

0,045% 0,003% 0,01% 0,053% 0,014% 0,002% 0,003%

7. táblázat: A WELDOX 960 mechanikai tulajdonságai és vegyi összetétele

3.1.2 Hozaganyag A WELDOX 960-as alapanyaghoz úgy kell hozaganyagot választani (8. táblázat), hogy a varrat folyáshatára kisebb legyen, mint az alapanyagé (undermatching). Az ajánlott huzalátmérő [4] 1,2 mm 15 mm-es anyagvastagság esetén. A BÖHLER az Union X96 (EN 12534:2000 G 89 5 M Mn4Ni2,5CrMo) típusú közepesen ötvözött huzalelektródáját ajánlja a daru- és járműgyártás területén alkalmazott finomszemcsés, nemesített acélok hegesztéséhez, amely nagy szilárdsága ellenére, jó alakváltozóképességgel rendelkezik, és a hidegrepedéssel szemben ellenálló kötést eredményez. A huzalelektróda mechanikai tulajdonságait és vegyi összetételét a táblázat tartalmazza:

Union X96

Union X96 Mo 0,57%

RP0,2

Rm

A5

KV (-40ºC)

MPa

MPa

%

J

930

980

14

40

C

Si

Mn

P

S

Cr

0,11%

0,76%

1,90%

0,01%

0,009%

0,35%

Ni

V

Cu

Ti

Zr

Al

2,23% 0,004% 0,002% 0,057% 0,001%

0,002%

8. táblázat: A BÖHLER X90 IG mechanikai tulajdonságai és vegyi összetétele

 23 

3.1.3 Védőgáz Védőgázként az MSZ EN 439:1998 szerinti M 21 jelű védőgázt alkalmaztam, mivel ezt több szakirodalom is ajánlja [3, 4, 8], valamint a megrendelő is ezt írja elő. A kevert gáz alkalmazásával mély beolvadású varrat jön létre, arányos koronamagassággal. Ilyen alakú varratnál a melegrepedés veszélye lecsökken. Ennek megfelelően a választott védőgáz a CORGON 18 (18% CO2 + 82% Ar). Az 1,2 mm-es huzalelektródához az ajánlott védőgázszükséglet 15 l/min.

3.1.4 Hegesztési paraméterek meghatározása (WeldCalc) A hegesztési technológia kidolgozására a svéd SSAB Oxelösund acélgyártó cég megrendelésére kifejlesztett WeldCalc nevű szofvert használtam. A szoftver pontos képet ad a t8/5-ös hűlési időről, amelyre közvetlen hatással van a vonalenergia, az előmelegítési hőmérséklet és a lemezvastagság és ezeken keresztül a többi hegesztési paraméter is. A szoftverben elsőként a karbonegyenérték kiszámításához szükséges alapanyagösszetételt kell megadni.

7. ábra: Karbonegyenérték meghatározása Ezt követően a lemezvastagságokat kell beállítani, valamint ki kell választani a varratgeometriát. A kombinált lemezvastagság értékét a program számítja, ami jelen esetben a lemezvastagságok összegére, azaz 30 mm-re adódik.

 24  Ezután a hegesztési munkaterületet határoztam meg a program segítségével. A hegesztési munkaterület vízszintes tengelyén az előmelegítési hőmérséklet, függőleges tengelyén a vonalenergia szerepel. A piros, zöld, kék és fekete vonalakkal határolt terület mutatja azt a tartományt, amelyben a hegesztést kell végezni. Ez egy igen szűk tartomány, amelyet csak pontosan beállított paraméterekkel és megfelelő gondossággal végzett hegesztéssel lehet tartani.

8. ábra: Hegesztési munkaterület Amennyiben a hegesztési paraméterek a pirossal jelzett maximálisan megengedhető hűlési idő felé esnek, akkor a hőhatásövezet szívósságának és szilárdságának csökkenésével kell számolni. Abban az esetben, ha a minimálisan előírt hűlési időt jelző kék görbe alá esik, akkor átolvadási hiba veszélye áll fenn. A kívánt paramétertartománytól balra eső terület hidrogénrepedés veszélyét, a jobboldali pedig csökkent mechanikai tulajdonságokat eredményez a hőhatásövezetben. A program által, azaz az alapanyag gyártója által javasolt hűlési idő értékének a Weldox 960 acél esetén 5-15 s közé kell esnie. Ha a Ruukki egyik fő megrendelőjének, a TEREX-DEMÁG-nak a műszaki szállítási feltételeit vesszük figyelembe, akkor ez a tartomány 6-10 s-ra szűkül, azaz a hegesztési munkaterület még kisebbre adódik. Az előmelegítési és a maximálisan megengedhető rétegközi hőmérsékletet a 8. ábrán látható munkaterület, valamint a szállítási feltételekben [16] található táblázat alapján határoztam meg. Ezek alapján az ajánlott hőmérséklet-tartomány 15 mm-es lemezvastagságú S960Q alapanyag hegesztésekor 100-150 ° C. A szállítási feltételek alapján az előmelegítés hőmérsékletet S690 acél hegesztésekor a felső hőmérséklettartomány-

 25  ra, S960 acél esetén a felső hőmérséklettartomány +40 °C-ra kell meghatározni [16]. Az előbbiek figyelembevételével az előmelegítési hőmérsékletet 190 °C-ra, a rétegközi hőmérsékletet pedig 150 °C-ra írtam elő.

9. ábra: Vonalenergia és hűlési idő számítása Az áramerősséget, a feszültséget és a hegesztési sebességet is a program segítségével állítottam be, miközben folyamatosan ellenőriztem a hűlési idő és a vonalenergia értékét, hogy azok a megengedett tartományon belül maradjanak.

3.2 A hegesztési próba elkészítése A korábbi fejezetekben leírtak alapján készítettem el a darab hegesztéséhez szükséges pWPS-t (előzetes gyártói hegsztési utasítást). A próbadarabok hegesztéséhez szükséges lemezeket lángvágással darabolták, majd a varratvályú kialakításához szükséges leélezés mechanikus megmunkálással, marógépen történt. Mivel egyoldali varratot kellett készíteni, ezért a hőmérséklet okozta deformáció elkerülése céljából a lemezeket a gyökoldalon három helyen merevítőlemezekkel rögzítettük egymáshoz. Emellett az előírásoknak megfelelően kifutó lemezeket is használtunk a hegesztésnél. Az előmelegítés oxigén-acetilén gázzal működő melegítőégővel történt. Az előmelegítés 190 ºC-ra történt a pWPS alapján. A rétegközi hőmérsékletet a számítások, az előírásoknak és a gyakorlati tapasztalatok alapján 150 ºC-ban határoztuk meg. A hegesztővel a hőmérsékletek ellenőrzésére hőkrétát, illetve vele párhuzamosan infravörös hőmérőt alkalmaztunk.

 26  A próbadarabok hegesztése egy ESAB MIG 5000 iw típusú hegesztőgéppel történt, amelyhez egy WeldQAS nevű hegesztési folyamat felügyelő rendszert csatlakoztattunk. A rendszer a felügyeletben, a hibafelismerésben és dokumentáció során segíti a mérnökök munkáját. A hegesztés során a WeldQAS-t az úgynevezett kompakt szenzorrral használtuk, amely egyidejűleg képes volt mérni a hegesztési áramot, feszültséget, gázáramlást és a huzalelőtolást. A folyamat felügyelő rendszer segítségével rögzített hegesztési paramétereket a 9. táblázat tartalmazza: Számított t8/5 Áram Feszültség Ev [kJ/mm] [s] [A] [V]

Mért t8/5 [s]

Varratsor

Előmelegítés [°C]

Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

9. (takaró)

150

51,75

10,54

302,54

29,44

0,8

6,5

8. (takaró)

150

47,44

10,54

289,41

28,89

0,9

7

7. (takaró)

150

43,27

10,55

290,99

28,99

0,9

8

6. (IV. sor)

150

41,08

10,55

287,01

29,61

1

9

5. (IV. sor)

150

41,85

10,55

275,62

29,68

0,9

8

4. (III. sor)

150

34,75

10,55

274,16

29,66

1,1

12

3. (III. sor)

150

56,96

10,55

275,43

29,00

0,7

5

2. (II. sor)

150

30,74

8,22

236,77

25,80

1

9

9,9

Gyök

190

17,39

3,21

116,85

18,47

0,6

5,5

7

9. táblázat: Hegesztési paraméterek PA pozícióban A gyöksort követő varratsornál azért alkalmaztunk a többi töltősornál kisebb huzalelőtolási sebességet és alacsonyabb feszültséget, mert ellenkező esetben a varrat átroskadása, illetve gyökátfolyás következett volna be. A hűlési időket minden sor után kiszámítottam a WeldCalc nevű szoftver segítségével, amely a (6)-(10)-es képleteket alkalmazza a számításokhoz. Az első két sor hegesztésekor termoelemes mérőeszközzel is ellenőriztem, hogy megfelelőek-e a hűlési idők, illetve ezáltal a beállított paraméterek. A táblázatból látható, hogy az előírt 6 és 10 s közötti hűlési időket két sor hegesztésekor nem sikerült teljes mértékben tartani. A gyöksor hegesztésénél kisebb, a negyedik sor hegesztésekor pedig nagyobb hűlési idők adódtak. Ennek oka nyílvánvalóan az, hogy a darabok hegesztése kézi és nem automatizált hegesztéssel történt. Érdemes azért megjegyezni, hogy több szakirodalom és az alapanyag gyártója tágabb intervallumot, nevezetesen 5-15 s közötti hűlési időket enged meg, amiket viszont nagy biztonsággal sikerült tartani hegesztéskor. A hegesztési folyamat pontos

 27  nyomonkövetése lehetővé tette, hogy az egyes sorok hegesztése között kiértékeljük az addigi eredményeket, így azok figyelembevételével kezdhettünk hozzá a következő sorok hegesztéséhez. Összességében így sikerült elérni, hogy a varrat szép, húzott sorokból készüljön el.

3.3 A minősítéshez szükséges vizsgálatok és eredményeik A hegesztési technológiák minősítő vizsgálatát az MSZ EN ISO 15614-1:2004 szabvány szerint kell elvégezni, és a hegesztési technológia jóváhagyása esetén a minősítés jegyzőkönyve a WPQR (Welding Procedure Qualification Record) kiállítható. Próbadarab

A vizsgálat típusa Szemrevételezéses vizsgálat

A vizsgálat terjedelme 100%

Radiográfiai vagy ultrahangos 100% vizsgálat Felületi repedésvizsgálat Tompavarrat

100%

Keresztirányú szakítóvizsgálat 2 próbatest Keresztirányú hajlítóvizsgálat

4 próbatest

Ütővizsgálat

2 készlet szükséges

Keménységvizsgálat

1 próbatest szükséges

Makrovizsgálat

Sarokvarrat

Szemrevételezéses vizsgálat

100%

Felületi repedésvizsgálat

100%

Keménységvizsgálat

2 próbatest szükséges

Makrovizsgálat 10. táblázat: Szükséges vizsgálati eljárások A hegesztési technológia megfelelősége esetén az előzetes hegesztési utasítás (pWPS) gyártásba adható hegesztési utasításként (WPS). Az S960Q hegesztésének nehézségeit jelzi, hogy például a DVS 1702 előírásai alapján a WPS-ek érvényességi tartományát évente gyártáspróbával kell meghosszabbítani.

 28  A hegesztéstechnológia jóváhagyásához szükséges roncsolásmentes vizsgálatokat a gyártó vállalat, azaz a Ruukki Tisza Zrt. telephelyén végeztük el, a roncsolásos vizsgálatokat kivitelezéséért pedig a minősített laboratóriummal rendelkező ÁEF Anyagvizsgáló Laboratórium Kft. volt a felelős.

3.3.1 Roncsolásmentes vizsgálatok A szemrevételezéses vizsgálatot az MSZ EN 970:1999 szabvány szerint hajtottuk végre a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. A vizsgálat során a próbadarabokon az MSZ EN ISO 5817:2004 szabvány szerint megengedettnél nagyobb eltérések nem voltak tapasztalhatók. Felületi repedések kimutatására a Ruukki Tisza Zrt-nél a mágnesezhető poros vizsgálatot alkalmazzák, amelyet az MSZ EN 1290:2004 szabvány szerint hajtottunk végre a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. A vizsgálat során bebizonyosodott, hogy mindkét próbadarab megfelel az MSZ EN 1291:2004 szabvány szerinti átvételi követelményeknek. Az MSZ EN 15614-1:2004-es szabvány szerint tompavarratnál radiográfiai vagy ultrahangos vizsgálatot kell végezni a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. A vállalatnál az ultrahangos eljárás alkalmazására volt lehetőség, amelyet az MSZ EN 1712:2004 szabvány szerint hajtottak végre az anyagvizsgálók. Ezen a vizsgálat során is mindkét próbadarab megfelelt az MSZ EN ISO 5817:2004 szabvány szerinti átvételi követelményeknek.

3.3.2 Roncsolásos vizsgálatok A próbatestek kimunkálásának módját a tompavarratos kötésből az MSZ EN ISO 15614: 2004 követelményei határozzák meg. Ezen előírások figyelembevételével a 2. számú mellékletben szereplő ábra alapján munkáltuk ki a próbatesteket.

3.3.2.1

Makro- és mikrovizsgálat

A makro- és mikrovizsgálatot az MSZ EN 1321:1999 szabvány szerint hajtottuk végre. A csiszoláshoz a próbatesteket forgácsolással készítettük elő, és különböző finomságú csiszolópapírokon végeztük el a darabok csiszolását. A csiszolást követte a

 29  polírozási művelet, amely során az egyik legelterjedtebben alkalmazott polírozószert, alumínium-oxid és desztillált víz szuszpenzióját alkalmaztuk. Ezt követően a maratást salétromsav alkoholos oldatával végeztük el. A makro- és mikrovizsgálat során hibának minősülő eltéréseket nem találtunk, ez utóbbi során pedig láthattuk a hőhatásövezetre jellemző zónákat:  durvaszemcsés övezet (1100…1400 ºC),  finomszemcsés övezet (A3…1100 ºC),  interkritikus övezet (A1… A3),  szubkritikus övezet (500 ºC … A1).

3.3.2.2

Keménységvizsgálat

A keménységvizsgálatot az MSZ EN 1043-1: 1999 szabvány szerint hajtottuk végre. E szabvány az ISO 6507-1 szerinti, 49 N vagy 98 N (HV 5 vagy HV 10) szokásos vizsgálati terheléssel végzett Vickers keménységmérésekre vonatkozik. A lenyomatok számát és a szomszédos lenyomatok távolságát úgy kell megállapítani, hogy a hegesztéskor keményedett és kilágyult övezetek meghatározhatók legyenek, és az előállított hegesztett kötés értéklehető legyen. A hegesztés hatására a hőhatásövezetben keményedő fémek keménységvizsgálata során a hőhatásövezetben további lenyomatokat kell készíteni, amelyek a beolvadási vonaltól legfeljebb 0,5 mm-re legyenek, a hőhatásövezetben lévő keménység lenyomatok esetén a középpontjuk közötti ajánlott távolság 1 mm. A lenyomatoknak mind a korona-, mind a gyökoldalon az anyag szélétől 2 mm-es távolságra kell lenniük. Az 10. ábra mutatja a keménységlenyomatok helyét. Az MSZ EN ISO 15614: 2004 szabvány 2. táblázata tartalmazza a megengedett maximális keménységértékeket a CR ISO 15608 szabvány szerinti anyagcsoportokra. Ezek alapján mivel nem hőkezelt az alapanyag a maximálisan megengedhető keménység a 3-as anyagcsoportra 450 HV 10.

 30 

10. ábra: Keménységlenyomatok pozíciója A vizsgálatok eredményeit a 11. táblázat tartalmazza:

11. táblázat: Keménységértékek a hegesztett kötésben A szabvány keménységvizsgálatra vonatkozó követelményét a hegesztett kötés teljesítette, mivel a vizsgálat során mért maximális keménységérték 405 HV volt, ami jelentősen kevesebb, mint a maximálisan megengedhető 450 HV. A koronaoldali értékek a 325 és 405 HV közötti tartományban mozogtak, jelentős mértékű kilágyulás sem a varratban, sem a hőhatásövezetben nem volt tapasztalható. A gyökoldalon jelentősen kisebb keménységet mértek a korona oldalnál, ami a gyököt követő sorok hőkezelő hatásának tudható be. A keménységek 260 é 344 HV közötti tartományba estek, és

 31  mind a hőhatásövezet, mind a varrat esetén az alapanyagtól kisebb keménységet mértek, tehát jelentős volt a kilágyulás.

3.3.2.3

Szakítóvizsgálat

A szakítóvizsgálatot az MSZ EN 895:1999 szabvány szerint hajtottuk végre, a vizsgálat során pedig az MSZ EN 10002-1:2001 szabvány általános irányelveit alkalmaztuk. A szabvány tartalmazza a tompahegesztett kötések szakítószilárdságának és szakadási helyének megállapítására való keresztirányú szakítóvizsgálat végrehajtásának módját és a próbatest méreteit. A próbatesteket a szabvány előírása alapján úgy vettük ki a hegesztett kötésből, hogy a forgácsolást követően a varrat tengelye a próbatest vizsgálati szakaszának közepére kerüljön, illetve mind a korona- mind a gyökoldalon a varratdudort az alapanyaggal egy síkban lemunkáltuk. Az MSZ EN ISO 15614:2004-e szabvány szerint a hegesztett kötésből kimunkált keresztirányú próbatest szakítószilárdsága nem lehet kevesebb az alapanyagra vonatkozó szabványban előírt minimális értéknél, ami 980 MPa szakítószilárdságnak felel meg az MSZ EN 10025-6:2004 szerint. A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1030 MPa, a másik 1020 MPa feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a varratban. Mindkét szilárdság érték nagyobb volt 980 MPa-nál, ezért megállapítható, hogy a szakítóvizsgálatra vonatkozó követelményt a hegesztett kötés teljesítette.

3.3.2.4

Hajlító vizsgálat

A hajlító vizsgálatot az MSZ EN 910:1999 szabvány szerint kell végrehajtani, ami alapján 12 mm-es lemezvastagság felett 4 db oldalhajlító próbatestet kell kimunkálni. A szakítóvizsgálathoz hasonlóan a próbatesteket úgy munkáltuk ki a kötésből, hogy a forgácsolást követően a varrat tengelye a próbatest vizsgálati szakaszának közepére kerüljön, illetve mind a korona- mind a gyökoldalon a varratdudort az alapanyaggal egy síkba lemunkáltuk. A vizsgálat során a próbatestet két 85 mm átmérőjű párhuzamos görgőből álló támaszra helyeztük annak figyelembevételével, hogy a hegesztett kötés a görgőtáv közepére kerüljön. A próbatesteket az alátámasztási hossz közepén, a varrat tengelyében, a nyomótesten keresztül a próbatest felületére merőlegesen, fokozatosan és folyamatosan közölt terheléssel hajlítottuk meg. Ezek alapján mind a négy

 32  oldalhajlító próbatestet 180 °-ig sikerült elhajlítani, amelyek közül az egyik darab esetén 1 mm-es felnyílást tapasztaltak, ami nem változtatott a sikeres eredményen.

3.3.2.5

Ütővizsgálat

Az ütővizsgálathoz szükséges próbatestek kimunkálását és bemetszésének irányát az MSZ EN 875: 1998 szabvány határozza meg, magát a vizsgálatot pedig az MSZ EN 10045-1:1994 szabvány tartalmazza. A kimunkált próbatest méretei a szabványnak megfelelően 55x10x10 hasábok voltak, amik 45-os „V” bemetszéssel készültek.

12. táblázat: Ütőpróbatestek kivétele a hegesztett kötésből Az MSZ EN ISO 15614-1:2004 szabvány szerint az ütővizsgálat során elnyert energiának összhangban kell lennie az alapanyag szabványában rögzített ütőmunka értékével. Az eljárásvizsgálat az ütővizsgálat szempontjából akkor tekintethető eredményesnek, ha a kimunkált három, varratban bemetszett próbatest ütőmunka értékeinek átlaga, valamint a három hőhatásövezetben bemetszett próbatest ütőmunka értékeinek átlaga legalább akkora, mint az alapanyagra előírt minimális ütőmunka, ami az S960QL acél esetén -20 °C-on 40 J, -40 °C-on pedig 30 J energiának felel meg. A szabvány további követelménye, hogy legfeljebb egy-egy próbatest ütőmunkaértéke lehet kevesebb az átlagértékre vonatkozó minimális ütőmunkánál, de legalább el kell érnie annak a 70 %-át. Az ütővizsgálatokat bár célszerű lett volna az alapanyag műbizonylatán szereplő -40 °C-on végezni, a felkért anyagvizsgáló vállalat -20 °C-on végezte el a vizsgálatokat, feltehetően abból a megfontolásból, hogy Magyarországon a szabadtéren működő szerkezeteket -20 °C hőmérséklet elviselésére kell tervezni. A vizsgálatok eredményeit a 13. táblázat tartalmazza:

 33  Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

85

VWT-2

68

VWT-3

69

VHT-1

72

VHT-2

77

VHT-3

86

Átlag KV [J]

74

78

13. táblázat: Az ütővizsgálatok eredményei Az MSZ EN ISO 15614-1:2004 szabvány követelménye teljesült, mivel az alapanyagra vonatkozó -20 °C-on mért 40 J-t a próbatestek ütőmunkáinak átlagai nagy biztonsággal teljesítették, illetve egyik ütőmunkérték sem volt kisebb 40 J-nál.

 34 

4. HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK Az eljáráspróbára szánt darabok hegesztése mellett öt kísérleti próbát készítettünk, amelyek hegesztésénél szándékoltan az előírásoktól eltérő paraméterekkel dolgoztunk. A vizsgálatok azt a célt szolgálták, hogy kielemezzük az ideális paraméterektől való eltérés hatását a hegesztett darabok mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságára. A nagyszilárdságú acélok hegesztése során nagyon szűk paramétertartomány áll rendelkezésre, ami meglehetősen nagy munkafegyelmet kíván a hegesztő részéről. Az iparban

bevett

gyakorlat

szerint

a

hegesztőmérnökök

egy

új

gyártmány

hegesztéstechnológiájáért felelnek, illetve ezzel kapcsolatban a próbahegesztések felügyeletét végzik. Emellett a hegesztőmérnökök felelősek a kiszállításra váró gyártmányok átellenőrzésért, azaz csak a teljes munkafolyamat elején és végén vannak jelen, a hegesztett kötések kialakításakor nem tartózkodnak az üzemben. Ráadásul a hegesztők nem is közvetlenül a hegesztőmérnökök alá, hanem a termelésvezetők alá tartoznak, akik elsősorban a határidő tartásában és a termelési mutatók növelésében érdekeltek. Emiatt gyakran a hegesztők egy határidő közeledtével kénytelenek gyorsabban dolgozni, ami könnyen a minőség rovására vezet. Ez gyakran párosul az éjszakai műszakok esetén tapasztalható alacsonyabb szintű munkafegyelemmel. A felsorolt okokból fakadóan jött az igény a hegesztőmérnökök részéről, hogy megvizsgáljuk, a gyártói előírásoktól valamint a szakirodalmakban szereplő előírásoktól eltérően végzett hegesztés, milyen hatással van a hegesztett kötés minőségére. A kísérletek során 5 darab próbát hegesztettünk oly módon, hogy az egyes daraboknál bizonyos hegesztési paramétereket és körülményeket megváltoztattunk. A hegesztett kötések minőségét az eljáráspróbákhoz hasonlóan keménység, ütő és szakítóvizsgálattal alkalmazásával hasonlítottuk össze, valamint a roncsolásos vizsgálatok előtt ultrahangos és mágnesporos vizsgálatokat is végeztünk. Az eljáráspróba vizsgálataitól két dologban tértünk el. Az egyik különbség, hogy az ütővizsgálatot az alapanyag műbizonylatán szereplő hőmérsékleten, azaz - 40 °C-on és nem – 20 °C-on végeztük, amit az eljáráspróba során mért ütőmunkák és a kísérlet során mért értékek

 35  összevetésekor ezt mindenképpen figyelembe kell venni. A másik különbség mindöszszesen annyi volt, hogy több keménységlenyomatot készítettem, mivel a kísérletek során sok esetben a nagyobb hőbevitel, nagyobb hőhatásövezetet eredményezett. A hűlési idők számítását az eljárásvizsgálathoz hasonlóan a WeldCalc segítségével végeztem el.

4.1 I. kísérlet Az első számú próbát az eljáráspróbával alátámasztott WPS-ben szereplő paraméterekkel hegesztettük meg, azzal a különbséggel, hogy nem melegítettünk elő a gyöksor hegesztésénél, azonban a sorok közti rétegközi hőmérsékletet az előírásoknak megfelelően 150 fokban korlátoztuk. Ennek a kísérletnek az elvégzése azt a célt szolgálta, hogy képet kapjunk arról, hogy mi történik, ha a hegesztők elfeledkeznek az előmelegítés alkalmazásáról. A kísérletnél alkalmazott hegesztési paramétereket a 14. számú táblázat tartalmazza: Varratsor

Számított t8/5 Előmelegítés Sebesség Huzalelőtolás Áram Feszültség Ev [kJ/mm] [s] [°C] [cm/min] [m/min] [A] [V]

9. (takaró)

150

40,37

10,50

289,39

30,11

1

10

8. (takaró)

150

38,63

10,50

290,75

29,87

1,1

11

7. (takaró)

150

49,13

10,50

280,55

30,08

0,8

6

6. (IV. sor)

150

43,07

10,50

281,70

29,98

0,9

8

5. (IV. sor)

150

43,33

10,50

276,65

29,28

0,9

8

4. (III. sor)

150

44,59

10,50

270,94

28,31

0,8

6

3. (III. sor)

150

55,23

10,50

292,88

30,20

0,8

6

2. (II. sor)

120

30,74

8,00

236,77

25,79

1

8

Gyök

0

17,39

3,20

116,85

18,47

0,6

3

Mért t8/5 [s]

6,6

14. táblázat: Hegesztési paraméterek az I. próbánál A táblázatban látható, hogy az előmelegítési hőmérséklet elmaradása 3 s hűlési időt eredményez, amely jelentősen gyorsabb hűlést jelent a 6-10 (5-15) s megengedett hűlési időtől. A várakozásoknak megfelelően a töltő- és takarósorok hegesztése során sikerült tartani a beállított paraméterekkel a hűlési időt. Bár a gyors lehűlésből fakadóan fennállt az edződési repedések keletkezésének a veszélye, ennek ellenére az anyagvizsgálatok során nem találtunk repedésszerű hibákat.

 36 

4.1.1 Szakítóvizsgálat eredménye az I. kísérletnél A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1032 MPa, a másik 1040 MPa feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a varratban. Ezek az értékek nagyobbak a szabványban előírt minimális értéknél, ami 980 MPa szakítószilárdságnak felel meg az MSZ EN 10025-6:2004 szerint. Ebből kifolyólag megállapítható, hogy a szakítóvizsgálat követelményét teljesítette az I. számú kísérlet.

4.1.2 Ütővizsgálat eredménye az I. kísérletnél Az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány szerint összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki. Kísérlet száma

I.

Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

43

VWT-2

49

VWT-3

46

VHT-1

42

VHT-2

33

VHT-3

19

Átlag KV [J]

46

31

15. táblázat: Ütővizsgálat eredményei az I. kísérletnél Mind a hőhatásövezetben, mind pedig a varratban bemetszett próbatestek átlagértékei teljesítették az alapanyagra vonatkozó -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Az MSZ EN ISO 15614-1 szabványnak megengedi, hogy egy próbatest ütőmunkája kevesebb legyen 30 J-nál, azonban ez nem lehet kevesebb az átlagértékre vonatkozó követelmény 70%-ánál, azaz 21 J-nál, amit az egyik hőhatásövezetben bemetszett próbatest nem tudott teljesíteni.

4.1.3 Keménységvizsgálat eredménye az I. kísérletnél A 2. számú diagram mutatja a koronoldalon, a 3. számú diagram pedig a gyökoldalon mért keménységeloszlást. A beolvadási vonalhoz legközelebb eső lenyomatoknál további két lenyomatot készítettem, amelyek közül a sorozat felett elhelyezkedő lenyomatokat pirossal, az alatta elhelyezkedő lenyomatokat pedig zöld háromszöggel jelöltem. Az MSZ EN 1043-1: 1999 szerint végrehajtott keménységvizsgálat teljesítette az MSZ EN ISO 15614-1 szabványban előírt követelményt a maximálisan megenged-

 37  hető keménységértékre, amely 450 HV. A koronaoldali értékek 300 és 400 HV körüli alakultak, a csúcskeménység 405 HV volt, amelyet a vártaknak megfelelően a beolvadási vonalhoz legközelebb eső lenyomatnál mértem.

2. diagram: Keménységeloszlás az I. próba koronaoldalán A gyökoldalon a keménységeloszlás 300 és 350 HV között alakul, ami alacsonyabb a koronaoldalon mért értékeknél. Érdemes megjegyezni, hogy a gyökoldalon az előmelegítés alkalmazásának elmaradása miatt sem alakult ki jelentősebb felkeményedés feltehetően abból kifolyólag, hogy a gyöksort követő hegesztési sorok megeresztették az alattuk lévő sorokat, ezáltal csökkentve a keménységértékeket.

3. diagram: Keménységeloszlás az I. próba gyökoldalán

 38  Az I. kísérlet az egyik próbatest ütőmunkája kivételével teljesítette a szabvány követelményeit, ebből mégsem szabad levonni azt a következtetést, hogy a hegesztést megelőző előmelegítés elhagyható. A kísérletnél két egyszerű lemezt hegesztettünk össze PA pozícióban, viszonylag rövid, 300 mm hosszon. Azonban egy hegesztett szerkezet általában a bonyolultságából fakadóan mindig rendelkezik belső feszültségekkel, amelyek összeadódva az előmelegítés elmaradásából származó feszültségekkel könnyen eredményezhetnek edződési repedéseket.

4.2 II. kísérlet A második számú próbát is a WPS-ben szereplő áramerősséggel és feszültséggel hegesztettük meg, azonban a jelenlegi próbánál az előírásoknak megfelelően 190 fokra előmelegítettük a darabot. Egyedül abban tértünk el a WPS-től, hogy a sorok hegesztése között nem tartottuk be a maximálisan megengedhető 150 °C-os rétegközi hőmérsékletet, hanem helyette 250 °C-ot alkalmaztunk. A kísérletnél alkalmazott paramétereket a 16. táblázat tartalmazza: Varratsor

Előmelegítés Sebesség Huzalelőtolás Áram Feszültség Ev [kJ/mm] [°C] [cm/min] [m/min] [A] [V]

Számított t8/5 [s]

9. (takaró)

250

41,93

10,5

271

30,08

0,9

16

8. (takaró)

250

42,76

10,5

286

29,69

1

17

7. (takaró)

250

42,71

10,5

259

28,22

0,8

12

6. (IV. sor)

250

37,91

10,5

271

29,80

1

19

5. (IV. sor)

250

45,28

10,5

280

29,49

0,9

14

4. (III. sor)

250

51,47

10,5

291

29,66

0,8

12

3. (III. sor)

250

64,32

10,5

304

30,27

0,7

9

2. (II. sor)

250

48,23

8

241

27,26

0,7

8

Gyök

190

17,01

3,2

113

17,48

0,6

5,5

Mért t8/5 [s]

10,7

16. táblázat: Hegesztési paraméterek a 2. próbánál A táblázatból látható, hogy a nagyobb rétegközi hőmérséklet jelentősen növeli a hűlési időket, amelyek így szinte kivétel nélkül a megengedett felső határ, azaz 10 s fölött alakulnak, sőt egy részük a 15 s-os kevésbé szigorúbb követelményt sem teljesíti.

 39 

4.2.1 Szakítóvizsgálat eredménye a II. kísérletnél A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1016 MPa, a másik 1021 MPa feszültségnél szakadt el. Az előbbi a varratban, a másik a hőhatási övezetben. Ezek a szilárdság értékek valamelyest kisebbek az I. számú kísérlet eredményeinél, amelyet indokol a 100 °C-kal nagyobb rétegközi hőmérséklet. Azonban a magasabb rétegközi hőmérséklettel is mindkét szilárdság érték nagyobb 980 MPa-nál, ezért megállapítható, hogy a szakítóvizsgálat követelményét teljesítette az II. számú kísérlet.

4.2.2 Ütővizsgálat eredménye a II. kísérletnél Az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány szerint összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki, amelyek értékeit a táblázat mutatja: Kísérlet száma

II.

Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

45

VWT-2

47

VWT-3

38

VHT-1

42

VHT-2

54

VHT-3

36

Átlag KV [J]

43

44

17. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a II. kísérletnél Mind a hőhatásövezetben, mind pedig a varratban bemetszett próbatestek átlagértékei teljesítették az alapanyagra vonatkozó -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány ütőmunkára vonatkozó többi követelménye is teljesült, mivel minden próbatest külön-külön is teljesítette a 30 J-t. Érdemes még megjegyezni, hogy az I. kísérlethez képest jobb ütőmunka értékeket kaptunk a hőhatásövezetben bemetszett próbatestek esetén.

4.2.3 Keménységvizsgálat eredménye a II. kísérletnél A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit 4. számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig az 5. számú diagram mutatja. A koronaoldali görbén megfigyelhető, hogy a keménységértékek a 270-390 HV közötti tartományban helyezkednek el, azaz teljesítik a követelményt a maximálisan megenged-

 40  hető 450 HV-re vonatkozóan. Nem jelentősen ugyan, de kisebb keménységértékek adódtak, mint az I. kísérlet esetén, amely a magasabb rétegközi hőmérséklettel magyarázható.

4. diagram: Keménységeloszlás a II. próba koronaoldalán

5. diagram: Keménységeloszlás a II. próba gyökoldalán A gyökoldali keménységértékek jól mutatják az előmelegítés alkalmazásának hatását, mivel míg az I. számú próba esetén a keménységértékek döntően 300 HV fölött voltak, addig a II. próba gyökoldalán a keménység jelentősen 300 HV alatti értékeket mutatott a hőhatási övezetben.

 41  A vizsgálatok eredményeit összefoglalva megállapítható, hogy a 150 °C helyett alkalmazott 250 °C-os rétegközi hőmérséklet esetén is teljesítette a kötés az elvárt követelményeket, azonban kismértékű szilárdságcsökkenés volt tapasztalható.

4.3 III. kísérlet A harmadik számú próba esetén tértünk el legjobban a WPS-től. A kötést kevesebb sorból, nagyobb huzalelőtolással és feszültséggel hegesztettük, azonban az előmelegítést azonban ebben az esetben is 190 °C-on megtartottuk. Ezzel a kísérlettel elsősorban azt próbáltuk modellezni, hogy mi történik akkor, amikor a hegesztőknek nagy teljesítménykényszer alatt kell dolgozniuk. Emellett hasonló szituáció előfordulhat egy-egy éjszakai műszak esetén is, amikor kevésbé ellenőrzött körülmények között dolgoznak a hegesztők, és ebből kifolyólag kisebb fokú a munkafegyelem. Ezért a kísérleti darab hegesztésénél a hegesztőt arra kértük, hogy olyan beállításokkal hegesszen, ami az ésszerű keretek között a legjobban eltér a WPS paramétereitől. Az imént felsoroltak figyelembevételével beállított paramétereket a 18. táblázat tartalmazza: Varratsor

Számított t8/5 Mért t8/5 Előmelegítés Sebesség Huzalelőtolás Áram Feszültség Ev [kJ/mm] [s] [s] [°C] [cm/min] [m/min] [A] [V]

5. (takaró)

250

26

13

310

31,08

1,8

56

28

4. (IV. sor)

250

30

13

324

31,02

1,6

47

17

3. (III. sor)

250

50,5

13

314

31,31

0,9

16

2. (II. sor)

250

37,2

8

230

25,66

0,8

11

Gyök

190

19,1

3,2

113

17,50

0,5

5

6

18. táblázat: Hegesztési paraméterek a III. próbánál Látható, hogy a kísérlet során az előírtnál magasabb, 250 °C-os előmelegítést alkalmaztunk és a huzalelőtolást jelentősen megnöveltük. A termelékenység növekedésének céljából a hegesztő ezúttal nem húzott sorokkal, hanem kisebb hegesztési sebességgel, lengetéssel hegesztett. Ily módon a vonalenergia értéke is jelentősen nagyobb lett (1,6-1,8 kJ/mm) a korábbi kísérletekénél. Ebből adódik, hogy a hűlési idők nem estek bele a 6-10 s közötti tartományba, sőt egyes soroknál meglehetősen nagy volt az eltérés. A hűlési időket nem csak számítással, hanem méréssel is ellenőriztük, és azt tapasztaltuk, hogy jelentős eltérés adódott a mért és számított hűlési idők között, de

 42  mind a mért, mind a számított hűlési idők jóval a megengedett tartományon kívül voltak.

4.3.1 Szakítóvizsgálat eredménye a III. kísérletnél A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 944 MPa, a másik 957 MPa feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a hőhatási övezetben, azaz nem sikerült teljesíteni az eljárással a próbatestek szakítóvizsgálatára vonatkozó követelményt. Tulajdonképpen az alapanyag folyáshatáránál kisebb feszültségértéken szakadt el a kötés. Érdemes azonban megjegyezni, hogy bár a megengedettnél alacsonyabb feszültségen szakadtak el a próbatestek, mégsem volt akkora a szilárdságcsökkenés, mint amire előzetesen számítani lehetett.

4.3.2 Ütővizsgálat eredménye a III. kísérletnél Az MSZ EN ISO 15614-1 szabványnak megfelelően összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki, amelyek értékeit a táblázat mutatja: Kísérlet száma

III.

Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

39

VWT-2

37

VWT-3

38

VHT-1

27

VHT-2

22

VHT-3

30

Átlag KV [J]

38

26

19. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a III. kísérletnél A varratban bemetszett próbatestek átlagértékei teljesítették az alapanyagra vonatkozó követelmény, azaz a -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát, azonban a hőhatási övezetre vonatkozóan nem teljesültek a követelmények. Az ütőmunkák átlagértéke mindösszesen 26 J-ra adódott, illetve két ütőmunka érték is 30 J alatti lett. Összességében tehát az eredmények megerősítették a várakozásunkat, miszerint a nagyobb vonalenergia jelentősen csökkenti a hőhatásövezet szívósságát.

 43 

4.3.3 Keménységvizsgálat eredménye a III. kísérletnél A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a 6. számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig a 7. számú diagram mutatja:

6. diagram: Keménységeloszlás a III. próba koronaoldalán

7. diagram: Keménységeloszlás a III. próba gyökoldalán A várakozásoknak megfelelően teljesült az a követelmény, hogy maximálisan 450 HV keménység engedhető meg a hegesztett kötésben. A keménységvizsgálat most elsősorban azt a célt szolgálta, hogy képet kapjunk a hőhatásövezet kilágyulásáról. A koronaoldalon jól látható, hogy a keménység mindenhol 350 HV alatt marad, és nin-

 44  csen jelentős keménységnövekedés a hőhatásövezetben. Ugyanakkor nagymértékű kilágyulás is tapasztalható, hiszen a hőhatásövezet alapanyaghoz közelebb eső részein a keménység 270 HV-re csökken. A lenyomatokból, valamint a mikrocsiszolatról szintén megállapítható, hogy a hőhatási övezet ebben az esetben szélesebb, mint az előző próbák esetén volt. A gyökoldali lenyomatsorozatot vizsgálva még jelentősebb keménységcsökkenés mutatkozik, szinte az egész kötés terjedelmében 300 HV alatti értékek adódtak. A keménységvizsgálat tehát kimutatta, hogy a vonalenergia növelésével és nagyobb rétegközi hőmérséklet alkalmazásával jelentős kilágyulás tapasztalható a hőhatásövezetben. A harmadik kísérlet során mért eredményeket összefoglalva egyértelműen kijelenthetjük, hogy a hegesztés során alkalmazott technológia nem alkalmas megfelelő minőségű kötés létrehozására, mivel a szakító- és ütővizsgálat követelményei sem teljesültek a kilágyulást okozó túlzott hőbevitel következtében.

4.4 IV. kísérlet A negyedik számú próba esetén nem alkalmaztunk előmelegítést, illetve a maximális rétegközi hőmérsékletet sem korlátoztuk 150 fokban. A huzalelőtolást és a feszültségértékeket is a harmadik kísérlethez hasonlóan viszonylag nagyra állítottuk be. A WPS-hez képest pedig kevesebb, összesen 7 sorból végeztük el a hegesztést. A negyedik próbánál alkalmazott paramétereket a 20 számú táblázat tartalmazza: Varratsor

Számított t8/5 Mért t8/5 Előmelegítés Sebesség Huzalelőtolás Áram Feszültség Ev [kJ/mm] [s] [s] [°C] [cm/min] [m/min] [A] [V]

7. (takaró)

250

40,33

13

314

30,98

1,2

24

6. (takaró)

250

40,66

13

315

30,84

1,1

24

5. (IV. sor)

250

42,95

13

291

30,02

1

17

4. (IV. sor)

250

48,15

13

314

31,03

1

17

3. (III. sor)

150

35,41

11

283

30,77

1,2

13

2. (II. sor)

120

38,30

8

231

25,67

0,7

5

Gyök

0

18,79

3,2

114,5

17,50

0,5

3

20. táblázat: Hegesztési paraméterek a IV. próbánál

16,1

4,1

 45  A táblázatból látható, hogy az előmelegítés hatásának elmaradása miatt az első két töltősor hegesztésekor nem melegedett fel jelentősen az anyag, még a 190 °C-os előmelegítési hőmérsékletet sem érte el. Ebből kifolyólag a gyöksor és az azt követő három sor hegesztését közvetlenül egymás után végeztünk, nem kellett várni a darab visszahűlésére. A gyöksor hűlési idejét a számítási eljárás mellett méréssel is ellenőriztük, ami hosszabb hűlési időt mutatott. Látható, hogy a gyököt követő sornál is rövid, pont a megengedett tartomány alsó határán lévő hűlési időt kaptunk. A takarósorok jelentős részénél a nagyobb huzalelőtolás és a magasabb rétegközi hőmérséklet hatása miatt a hűlési idők a megengedett tartományon kívül estek, de nem olyan mértékben, mint a harmadik kísérlet esetén, mivel ebben az esetben több sorból és nem lengetéssel hegesztettük össze a darabokat.

4.4.1 Szakítóvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1011 MPa, a másik 1013 MPa feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a hőhatásövezetben. Ezek a szilárdság értékek kisebbek, mint az I. és II. számú kísérletnél voltak, azonban jelentősen nagyobbak a III. kísérlet eredményeinél, és teljesítik a 980 MPa szakítószilárdságra vonatkozó minimumot.

4.4.2 Ütővizsgálat eredménye a IV. kísérletnél A szabványnak megfelelően ebben az esetben is összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki, amelyek értékeit a 21. táblázat mutatja. Kísérlet száma

IV.

Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

28

VWT-2

36

VWT-3

28

VHT-1

34

VHT-2

32

VHT-3

41

Átlag KV [J]

31

36

21. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a IV. kísérletnél

 46  Ennél a próbánál a hőhatásövezetben bemetszett próbatestek teljesítették az MSZ EN ISO 15614-1 követelményeit, mivel a - 40 °C-on mért ütőmunkák nem csak átlagban, hanem egyenként is nagyobbak voltak 30 J-nál. A varratban bemetszett próbatestek bár átlagban teljesítették a 30 J-t, azonban két próbatestnek is kevesebb volt az ütőmunkája a megengedett minimális értéknél, amit nem enged meg a szabvány. Öszszességében tehát az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány követelményeit nem teljesítette a IV. próba, ami a nagyobb vonalenergia és a magasabb rétegközi hőmérséklet szívósságcsökkentő hatásának tudható be.

4.4.3 Keménységvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a 8., gyökoldali eredményeit pedig a 9. diagram mutatja. A koronaoldali keménységeloszlás a 3. számú próbához hasonlóan 250-350 HV közötti értékeket mutat, ezáltal teljesíti a maximálisan megengedhető 450 HV keménységet. A hőhatásövezet keménységcsúcsa az alapanyag keménységével megegyező értéket mutat. A maximális keménység ebben az esetben is 350 HV körül van, és a hőhatási övezet kilágyulása itt is jelentős mértékű.

8. diagram: Keménységeloszlás a IV. próba koronaoldalán

A gyökoldali eredményeket tanulmányozva láthatjuk, hogy mind a hőhatásövezet, mind a varrat keménysége elmarad az alapanyagétól. Az előmelegítés elmaradása a

 47  harmadik próbához viszonyítva kimutatható, ugyanis a gyökoldal hőhatási övezeteiben 20-30 HV értékkel nagyobb keménységértékeket mértünk. A vizsgálatok eredményeit összefoglalva kijelenthető, hogy a negyedik kísérlet során meghegesztett próbadarab a szakító- és keménységvizsgálat szempontjából teljesítette az eljáráspróba során alkalmazott követelményeit, azonban az ütőmunkára vonatkozó kritériumok nem teljesültek teljes mértékben. Ez azzal magyarázható, hogy kevésbé szilárd és szívós kötést kaptunk, mintha a WPS-ben szereplő beállításokkal dolgoztunk volna.

9. diagram: Keménységeloszlás a IV. próba gyökoldalán

4.5 V. kísérlet Az ötödik próba esetén az előírásoknak megfelelően alkalmaztunk előmelegítést, azonban a maximális rétegközi hőmérsékletet ebben az esetben sem korlátoztuk 150 °C-ban, hanem 250 °C-ot engedtünk meg. Ebből a szempontból a kísérlet a második próbához hasonlítható. Ebben az esetben viszont a kísérlet motivációját az adta, hogy a hegesztők hajlamosak arra, hogy a töltősorokat nagyobb huzalelőtolással és áramerősséggel hegesztik, viszont a takarósoroknál már a WPS-ben szereplő beállításokkal dolgoznak, így a varratot ellenőrző mérnökök, húzott (lengetés nélküli) takarósorokat látnak, miközben előfordulhat, hogy a töltősorok nem a megfelelő beállítással készültek. Ezek alapján a töltősoroknál nagyobb huzalelőtolást és feszültséget állítottunk be, a

 48  töltősoroknál viszont lecsökkentettük ezeket az értékeket a WPS-ben szereplő beállításokra. A 22. táblázatban látható, hogy a töltősorok esetén meglehetősen hosszú hűlési időket számítottunk ki, de a takarósorok esetén is a megengedhető tartományon kívüli értékek adódtak. Ez utóbbi azért fordulhatott elő, mert kisebb hegesztési sebességgel dolgozott a hegesztő, illetve a megengedettnél nagyobb volt a rétegközi hőmérséklet. Három takarósor alkalmazása esetén a hűlési idők nagy bizonysággal közelebb estek volna a megengedhető tartományhoz. Varratsor

Előmelegítés Sebesség Huzalelőtolás Áram Feszültség [°C] [cm/min] [m/min] [A] [V]

Számított t8/5 Mért t8/5 Ev [kJ/mm] [s] [s]

7. (takaró)

250

39,92

11

285

29,44

1

19

6. (takaró)

250

37,05

11

279

29,00

1

20

5. (IV. sor)

250

38,79

13

321

31,16

1,2

28

4. (IV. sor)

250

43,62

13

325

31,22

1,1

23

3. (III. sor)

250

37,64

12

298

30,63

1,2

25

2. (II. sor)

250

45,45

8

237

25,41

0,6

8

Gyök

190

15,64

3,2

116

17,07

0,6

6

17

22. táblázat: Hegesztési paraméterek az V. próbánál

4.5.1 Szakítóvizsgálat eredménye az V. kísérletnél A kötésből kimunkált két próbatest közül mindkettő 992 MPa szakítószilárdságot mutatott, illetve azonos módon a hőhatásövezetben szakadtak el. Ennél kisebb szilárdságot egyedül a harmadik kísérlet esetén tapasztaltunk, azonban ez a próba kis biztonsággal ugyan, de teljesíti a minimálisan megengedhető 980 MPa szakítószilárdságra vonatkozó követelményt. A kisebb szilárdság oka egyértelműen a nagyobb huzalelőtolásban és a 250 °C-os rétegközi hőmérsékletben keresendő. Elsősorban a harmadik próbáétól több sorban végzett hegesztés, illetve bizonyos mértékben a WPS-ben szereplő huzalelőtolással készült takarósorok eredményezték azt, hogy teljesült a kötés teljesítette a minimális szilárdságra vonatkozó kritériumot.

4.5.2 Ütővizsgálat eredménye az V. kísérletnél Az MSZ EN ISO 15614-1 szabványnak megfelelően ebben az esetben is összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki, amelyek értékeit a 23. táblázat mutatja. A varratban és a hőhatásövezetben bemetszett próbatestek egyaránt teljesítették az alapanyagra vo-

 49  natkozó kritériumot, azaz a -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Teljesült az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány azon követelménye is, hogy legfeljebb egy próbatest ütőmunkája lehet kevesebb 30 J-nál, illetve ez az ütőmunka érték is több volt 21 J-nál. Összességében tehát ennél a próbánál jelentősebb szívósságcsökkenés nem volt tapasztalható. Kísérlet száma

V.

Próbatest jelölése

KV [J]

VWT-1

41

VWT-2

42

VWT-3

40

VHT-1

53

VHT-2

33

VHT-3

28

Átlag KV [J]

41

38

23. táblázat: Ütővizsgálat eredményei az V. kísérletnél

4.5.3 Keménységvizsgálat eredménye az V. kísérletnél A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a 10. számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig a 11. számú diagram mutatja.

10. diagram: Keménységeloszlás az V. próba koronaoldalán A koronaoldali keménységértékek a 280-380 közötti tartományban helyezkednek el, ezáltal a várakozásoknak megfelelően teljesítik a maximálisan megengedhető 450 HV keménységre vonatkozó követelményt. Ez átlagban egy 20-30 HV-vel nagyobb, mint az előző két kísérlet esetén volt, ami a töltősorokénál kisebb vonalenergiával hegesz-

 50  tett takarósoroknak köszönhető. A diagramon megfigyelhető, hogy a varrat keménysége elmarad az alapanyagétól, illetve a hőhatásövezet kilágyulásának mértéke ennél a kísérletnél is jelentős.

11. diagram: Keménységeloszlás az V. próba gyökoldalán A gyökoldali keménységértékek a negyedik próbáéhoz hasonló értékeket mutatnak, a minimális keménység 260 HV körül alakul, illetve mind a hőhatásövezet, mind a varrat keménysége elmarad az alapanyagétól, ami a gyököt követő sorok hőkezelésének tudható be. A vizsgálatok eredményeit összefoglalva megállapítható, hogy az V. kísérlet is teljesítette az eljáráspróba során alkalmazott vizsgálatok követelményeit, azonban a szakító szilárdság csökkenésében megmutatkozott a nagyobb rétegközi hőmérséklet és vonalenergia negatív hatása.

4.6 Kísérletek eredményeinek összefoglalása A kísérletek során bebizonyosodott, hogy a hűlési idők gondos betartásával lehet csak elérni, hogy szilárdsági és szívóssági szempontból is megfelelő hegesztett kötést kapjunk. A mért és számított hűlési idők közti különbségekből azt a következtetést lehet levonni, hogy rövidebb hűlési idők esetén a (6)- (10) képletek a ténylegesnél valamivel rövidebb időt eredményeznek, hosszabb hűlési idők esetén viszont jelentősen, olykor 50-80%-kal nagyobb értékeket hoznak. Az összefüggések viszont jó becslést

 51  adnak a vizsgált acél megengedhető tartományának közelében, azaz 5-20 s közötti tartományban, tehát a kívánt technológia tervezéséhez mindenképpen segítséget nyújtanak.

4.6.1 Szakítóvizsgálat eredményeinek összehasonlítása A hegesztési próbáknál végzett kísérletek szakítóeredményeit a 12. diagram tartalmazza, amelyen a piros vonal jelzi a szakítószilárdság minimálisan megengedhető értékét. A szilárdság szempontjából legkedvezőbb eredmények az első két kísérletnél adódtak, melyek az eljárásvizsgálatnál alkalmazott WPS-nek megfelelően 9 varratsorból, korlátozott hőbevitellel készültek. 1060

1040 Első szakítópróba Második szakítóp

Szakítószilárdság, [MPa]

1020

1000

980

960

940

920

900

880 I.

II.

III.

IV.

V.

12. diagram: A kísérletek során végzett szakítóvizsgálatok eredményei A többi kísérlet kisebb szilárdság értékeket mutatott, amelyeknél a harmadik próba nem teljesítette a szabvány által előírt követelményt. Ennél a kísérletnél a hegesztő szándékoltan kevesebb sorból, nagy vonalenergiával és a megengedettnél magasabb rétegközi hőmérséklettel, lengetve hegesztett. Emellett érdemes felhívni a figyelmet arra, hogy a IV. és V. kísérlet esetén alkalmazott nagyobb vonalenergia is kedvezőtlen hatással volt a szakítószilárdságra. A megemelt rétegközi hőmérséklet bár eredményezett szilárdságcsökkenést, de ez kevésbé volt jelentős, mint amikor a növelt vonalenergiával együtt fejtette ki hatását.

 52 

4.6.2 Ütővizsgálat eredményeinek összehasonlítása Az ütőpróbák elvégzése során egyedül a harmadik próba nem teljesítette a szabvány azon követelményét, hogy az ütőmunkákból képzett átlagértékeknek teljesíteniük kell a minimum 30 J-t, amelyet a piros vonal jelez a diagramon. Emellett az első és a negyedik próba sem ment át a vizsgálaton, mivel előbbinél a varratban bemetszett próbatestek közül kettőnek is kevesebb volt az ütőmunkája 30 J-nál, utóbbinál pedig az egyik ütőmunkaérték nem érte el a 30 J hetven százalékát. 50 45 40

Ütőmunka, -40°C [kJ]

35 30 25 20 15 10 5 0 I.

II.

III.

IV.

V.

13. diagram: A kísérletek során végzett ütővizsgálatok eredményei A kísérletek eredményei azt mutatják, hogy a nagyobb vonalenergia valóban kedvezőtlen hatással van a hegesztett kötés szívóssági tulajdonságaira. Az eredményekből azt a következtetést is levonhatjuk, hogy a megengedett 150 °C helyett alkalmazott 250 °C-os rétegközi hőmérséklet önmagában nem befolyásolta jelentősen az ütőmunka értékeit. A magasabb hőmérséklet negatív hatása elsősorban a nagyobb vonalenergiával együtt érvényesült, és eredményezett kedvezőtlenebb eredményeket.

4.6.3 Keménységvizsgálat eredményeinek összehasonlítása A keménységvizsgálatok összesített eredményeit a következő oldalon található 14. és 15. diagram tartalmazza.

 53 

14. diagram: Keménységeloszlás összehasonlítása a koronaoldalon

15. diagram: Keménységeloszlás összehasonlítása a gyökoldalon A fenti diagramokból az alábbi következtetéseket lehet levonni:  A keménységvizsgálatra vonatkozó MSZ EN ISO 15614:2004 szerinti követelmény mindegyik kísérlet esetén teljesült, mivel a legnagyobb értékek is kisebbek voltak az anyagcsoportra a maximálisan megengedhető keménységnél, azaz 450 HV-nél.

 54   Minden kísérlet esetén egyértelműen a koronaoldalon nagyobb keménységet mértem a gyöksor és az azt követő sorok megeresztődése miatt.  A legnagyobb keménységértékeket mind a korona-, mind a gyökoldalon az első próba eredményezte. A kilágyulás mértéke is ennél a próbánál volt a legkisebb, tehát elsősorban a korlátozott hőbevitel, illetve a gyököt illetően az előmelegítés elmaradása eredményezett jelentősen nagyobb szilárdságot.  A legkisebb keménységcsúcsokat a vártnak megfelelően a legnagyobb hőbevitellel hegesztett harmadik próba hozta, illetve a kilágyulás mértéke mind a korona- és mind a gyökoldalon itt volt a legnagyobb.  A varrat keménységét a magasabb rétegközi hőmérséklet elsősorban a gyökoldalon csökkentette, a koronaoldalon elsősorban a nagyobb vonalenergiával együtt érvényesült a hatása.  Az előmelegítés elmaradása nem okozott repedés, illetve nem okozott kritikus keménységnövekedést. A nem előmelegített daraboknál is a gyöksornál mért keménység elmarad a koronaoldali keménységértékeknél. Ez abból adódott, hogy a takarósorok megeresztették a gyöksort. Ebből kifolyólag érdemes lenne a jövőben keménységvizsgálat alá vetni egy olyan darabot, amin mindösszesen a gyöksort hegesztjük meg előmelegítés nélkül. Azonban érdemes megjegyezni, hogy a kísérleteket egy eljáráspróbának megfelelő méretű lemezen végeztük el, ezért egy valós szerkezet esetén az előmelegítés elmaradása súlyos következményekkel járhat.

 55 

KÖVETKEZTETÉSEK A dolgozat első fejezetében részletesen áttekintettem a nagyszilárdságú acélok tulajdonságait, illeve bemutattam az ötvözőtartalom és a korszerű gyártástechnológia acélok szilárdságának növelésére vonatkozó hatásait. Ezt követően az egyik legnagyobb szilárdságú nemesített szerkezeti acélra helyezve a hangsúlyt, áttanulmányoztam a hegesztéstechnológia sajátosságait, kimondottan a vonalenergia és a hűlési idők szilárdságot és szívósságot befolyásoló hatásaira. A következő fejezetben 15 mm vastagságú lemezek PA pozícióban történő hegesztéstechnológiáját terveztem meg, amely során a hegesztési paramétereket szoftveres támogatással állapítottam meg. A lemezek hegesztése során egy folyamatfelügyelő rendszer segítségével rögzítettem, illetve szükség szerint módosítottam a pWPSben szereplő paramétereket. Ezzel párhuzamosan a t8/5-ös hűlési időket minden sor hegesztése után kiszámítottam, illetve bizonyos sorok esetén termoelemes műszer segítségével ellenőriztem. A hegesztést követő anyagvizsgálatok egyértelműen igazolták, hogy a kidolgozott hegesztéstechnológia teljesítette az MSZ EN ISO 15614:2004 szabvány követelményeit, ezért az előzetes hegesztési utasítás gyártásba adható hegesztési utasításként. A dolgozat utolsó részében öt hegesztési kísérletet mutattam be, amelyek során a WPS-ben szereplő beállításoktól szándékoltan eltértünk. A kísérletek motivációját az adta, hogy napjainkban a hegesztőmérnököknek mindenképpen információval kell rendelkezniük, hogy milyen hatással lehet a hegesztett kötés tulajdonságaira, ha az általuk előírt paraméterektől külső kényszer hatására, vagy esetleg szándékosan eltérnek a hegesztők. A kísérletek igazolták azt a várakozásunkat, hogy a nagyobb hőbevitel kedvezőtlen hatással van a hegesztett kötés szívóssági és szilárdsági tulajdonságaira. A vizsgálati eredményekből azt a következtetést is le lehetett vonni, hogy elsősorban a nagyobb vonalenergia eredményez szívósságcsökkenést, a magasabb rétegközi hőmérséklet csekélyebb mértékben csökkenti a szilárdságot és az ütőmunkát. Az előmelegí-

 56  tés elmaradásának negatív következményeit nem bizonyították a kísérletek, mivel az előmelegítés nélkül hegesztett gyöksort áthőkezelték az azt követő sorok. Ezért sem a szilárdsági, sem a szívóssági tulajdonságokban nem mértünk eltérést. Ugyanakkor nem szabad megfeledkezni arról, hogy egy tényleges szerkezet esetén a gyorsabb hűlésből adódó feszültségnövekedés könnyen edződési repedések keletkezéséhez vezethet. Az elvégzett kísérletek szintén lehetőséget adtak arra, hogy a hűlési idő számítására vonatkozó összefüggések alkalmasságát kielemezzük. A mért és számított hűlési idők összevetésekor azt tapasztaltuk, hogy az S960Q acélra megengedett tartományban a képletek segítségével jó becslést lehetett adni a hűlési időre, azonban a kísérletek során alkalmazott szándékosan nagyobb, illetve kisebb hűlési idők esetén gyakran jelentősen eltértek a számított értékek a mért időktől.

 57 

IRODALOMJEGYZÉK [1] Tisza M.: Az anyagtudmány alapjai, Miskolci Egyetemi Kiadó, 2008 [2] Balogh A.; Sárvári J.; Schäffer J.; Tisza M.: Mechanikai Technológiák, 4. kiadás, Miskolci Egyetemi Kiadó, p.:143-270, 2008 [3] Szunyogh L.: Hegesztés és rokon technológiák Kézikönyv. Gépipari Tudományos Egyesület, Budapest, 2007. [4] Komócsin

M.:

Nagyszilárdságú

acélok

és

hegeszthetőségük,

http://www.mahebak.hu/cikk/nagyszil-GT.pdf, 2002 [5] Balogh A., S. Kirk, Görbe Z.: Role of cooling time when steels to be welded require controlled heat input, GÉP, L. évfolyam, 1999 [6] Balogh

A.:

A

vonalenergia

számítása

és

szerepeltetése

a

WPS-ben,

Hegesztéstechnika XI. évf. 1. szám p. 3-7. [7] Kovács M.: Áttekintés a hidrogén okozta repedésveszély elkerülésére alkalmazott módszerekről, Hegesztéstechnika XIV. évf. 4. szám p. 24-27. [8] Gáti J.: Hegesztési Zsebkönyv, Cokom Kft, Miskolc, 2008. [9] Sas I.: Növelt folyáshatárú acélok hegesztésének gyakorlati tapasztalatai a Ruukki Tisza Zrt.-ben (előadás) [10] N. Thalberg ESAB AB előadása a Hotel Aquincumban, Budapest, 2000 [11] F. Winkler: Nagyszilárdságú finomszemcsés szerkezeti acélok hegesztése, Hegesztéstechnika 1992 2. szám [12] Bödök K.: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött szerkezeti acélok korrózióállósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére, Corweld 1997 [13] E.Bauné, C. chovet, B. Leduey, C. Bonnet: Consumables for welding of (very) high strength steels mechanical properties of weldments in as welded and stressrelieved applications,

 58  [14] Érsek

L.:

Alvázak

gyártása

autódarukhoz

nagyszilárdságú

acélokból,

Hegesztéstechnika 2008. I. szám [15] Hamme, U. ezt al: Einsatz hochfester Baustahle im Mobilkranbau Stahlbau, 2000 [16] Műszaki és szállítási feltételek Terex-Demag gyártmányokhoz

pWPS no S960_BW_15_PA

PRELIMINARY WELDING PROCEDURE SPECIFICATION (pWPS) Ruukki Tisza Zrt.

Prod. by:

Terex DEMAG

Client:

Project:

Ref.:

Date: 2010−06−24 Rev.: 0 Exam. body:

Ref. spec.:

Jászberény/Hungary

Location:

EN ISO 15614−1

Ref. stand:

Ref. WP:

135

Welding process

1 EN

Shielding gas type

2

ISO 14175 − M21

max.: No mm − PA BW − tompavarrat forgácsolás / machining köszörüléssel / grinding No backing ss − egyoldali No gouging − − − o − − − 0 Normál rögzítés Rev.:

Weaving (yes/no) Purging gas type Welding positions Joint type Joint preparation Cleaning method Backing Single/Double Back gouging Flux designation Flux handling Tungsten electrode Torch angle Stand off distance Nozzle diameter(s) Tack welding proc.

Identification of parent metal

I

Name/Grade

C max:

3 max.:

max.:

mm

mm

l/min

mm

mm

II

0,20CE max: 0,82 PCM max:

Standard

Group

C max:

0,20 CE max: 0,82 PCM max: Thickness range [mm]

Delivery cond.

Diameter range [mm]

I

S960QL

EN 10025−6

3

7,50 − 30,00 500,0 −

II

S960QL

EN 10025−6

3

7,50 − 30,00 500,0 −

Identification of filler metal Index

Classification

Trade name

Filler handling

Group

1

Thyssen Union X96

2

Thyssen Union K52Ni G 46 5 M G3Ni1, EN ISO 14341−A

G 89 5 Mn4Ni2,5CrMo, EN12534

3

Welding Parameters Pass no.

1 2 3−9

Index

1 1 1

Dia. [mm]

Welding process

1,20 1,20 1,20

Equipment: Wire feed speed [m/min]

Current [A]

Volt [V]

Current / Polarity

135 3,00−3,40 120 − 130 19 −21 DC+ 135 8,00−8,50 230 − 240 25 −26 DC+ 135 10,0−11,0 280 − 320 29 −31 DC+

− − − − − −

− − − − − −

− − − − − −

PWHT min:

190

Run Out

speed [mm/min]

Length [mm]

150 − 200 300 − 320 400 − 500

Heat input [kJ/mm]

Gas [l/min]

0,5 − 0,9 − 0,8 −

12−16 12−16 12−16

0,9 1,0 1,2

− − − − − −

− − − − − −

Heat treatment Preheat min:

Welding

Method:

°C

Interpass temp. max:

°C

max.:

°C

150 °C Soaking:

Gas burner

Heat treatment proc.: min/mm

Heating rate:

Temp. control: °C/h

Tempilstick °C/h

Cooling rate:

Remarks:

Additional info enclosed (Yes/No):

Rögzítés Thyssen Union K52Ni, átm.1,0 mm huzallal 400 mm−ként 35 mm−es fuzovarrattal.

Date/Signature:

2010−06−24 PCS Péter Csuhaj Approved

Index:

13200092

Page

1 of

1

R Produced by WeldEyeO