HODNOTENIE KVALITY ZVAROVÝCH SPOJOV VAGÓNOV SHIMMN(S) Ing. Anna Garneková Amberg Engineerig Slovakia IZM, Hlavná 45, Svit e-mail: garnekova@centrum.sk Ing. Jozef Čížik, PhD. Amberg Engineerig Slovakia IZM, Hlavná 45, Svit e-mail: jcizik@izmengusovce.sk Abstract The paper deals with the process of inspecting facing surface s welded joints of carriage chain Shimmn(s). For realization of experiments were used sample pieces of weld joints. All realizated tests were implemented according to the norms and relevant regulation and it s possible to allege fair quality of weld joint. Key words: welding point, visual inspection, ultrasound, mechanical testing, wagon ÚVOD Súčasná doba prináša neustály vývoj a skúmanie vo všetkých oblastiach priemyslu a strojárskej výroby, hlavne uplatňovanie nových, kvalitnejších materiálov. Pri tvorbe oceľových konštrukcií alebo pri konštruovaní transportných zariadení je v popredí otázka znižovania ich hmotnosti [1,2]. Jednou z možnosti je použitie vysokopevných konštrukčných ocelí, ako je napríklad oceľ DOMEX. Jedná sa o konštrukčnú, mikrolegovanú oceľ s jemnozrnnou štruktúrou a so zaručenou vrubovou húževnatosťou za nízkych teplôt. Tieto ocele sa vyznačujú dobrou zvariteľnosťou. Vykazujú vysoký pomer medze klzu a medze pevnosti a dajú sa pri nej použiť všetky konvenčné metódy zvárania [3,4]. Pozornosť venovaná kontrole zvarových spojov je vedená snahou zvýšiť životnosť, spoľahlivosť a kvalitu transportného zariadenia Shimmn(s). Výskum je zameraný na skúšanie zvarových spojov čelnej plochy daného typu vozňa. METODIKA EXPERIMENTÁLNYCH PRÁC Pre tvorbu zvarových spojov bol ako základný materiál použitý DOMEX 7 a ako prídavný materiál drôt OK Autrod 13.29. Zváranie bolo realizované v ochrannej atmosfére zmesi plynov M21 (82% Ar a 18% CO 2 ). Kontrola zvarov bola vykonaná pomocou vizuálnej kontroly, skúškou ultrazvukom a mechanickou skúškou rázom v ohybe so stanovením tranzitnej teploty na vzorkách zvarových spojov. Pozorovaným miestom je základný materiál (ďalej len ZM), teplom ovplyvnená oblasť (TOO) a zvarový kov (ZK). Lomové plochy vzoriek boli vyhodnotené makroskopicky a pomocou rastrovacej elektrónovej mikroskópie. Pred zváraním boli zvárané plochy a najbližšie okolie zvaru očistené od hrdze, farby a všetkých nečistôt až na čistý kov oceľovou kefou a brúsením. Povrch hotového zvaru musel byť pravidelný a čistý bez trhlín, zápalov, kvapľov podľa STN EN ISO 57 18. Kvalifikácia zváračov je podľa STN EN 287-1. Vzorky boli vyrobené mechanickým spôsobom zo skúšobných platní vyrobených za rovnakých podmienok ako reálne zvarové spoje. Použité parametre a podmienky zvárania sú uvedené v tab. 1. Tab.1 Všeobecné údaje o zváraní [5] Zvar V-zvar Hrúbka platní a/b [mm] 1/1 Počet húseníc 2 Spôsob zvárania 135 Prídavný materiál OK Autrod ESAB 13.29 Priemer prídavného materiálu [mm] Prúd [A] (pre 1. a 2. húsenicu) Napätie [V] Rýchlosť zvárania (cm/min) 1,2 21 23 29 15,5 V tab. 2 je uvedené chemické zloženie základného materiálu, v tabuľke 3 jeho základné mechanické vlastnosti a na porovnanie v tabuľke 4 sú uvedené základné informácie o zložení prídavného materiálu. Tab.2 Chemické zloženie základného materiálu DOMEX 7 [8] Chemický rozbor materiálu DOMEX 7 [%] max. hodnoty C Mn Si P S Al Nb V Ti,12 2,1,1,25,1,15,9,2,15 Tab. 3 Vlastnosti základného materiálu [8] R p,2min [MPa] Mechanické vlastnosti materiálu DOMEX 7 Re R m A min Uhol ohybu T[ C] / [MPa] [MPa] [%] 9 KV min [J] 7 7 75 95 1 12 24 (,8 1,6) x hrúbka Tab. 4 Vlastnosti prídavného materiálu [9] -2 C /4-4 C /27 Mechanické Základné chemické vlastnosti zloženie [MPa] [%] Ochranný plyn Re Rm C Si Mn 73 8,1,6 1,6 82%Ar+18%CO 2 123
Metodika vizuálnej skúšky spočívala vo vyhľadávaní a vyhodnotení povrchových chýb a vonkajších nepravidelností skúšaného povrchu voľným okom alebo pomocou vhodných optických pomôcok ako sú lupy, hranoly, zrkadlá, podľa STN EN 97. Skúška sa zrealizovala na vzorkách zvarových spojov pri splnení podmienok osvetlenia, uhla pohľadu a vzdialenosti oka od kontrolovaného povrchu. Skúška ultrazvukom bola zrealizovaná podľa STN EN 1714 (B), ktorá využíva priechod ultrazvukového vlnenia materiálom. Touto metódou sa odhaľovali chyby typu bublín, vnútorných trhlín, pórov, geometrických odchýlok a pod. Podmienky skúšky ultrazvukom a použité prostriedky udáva nasledujúca tab.5. Tab.5 Podmienky skúšky ultrazvukom a použité prostriedky [6] Prístroj : UNN 5 Krautkramer Typ sondy: Frekvencia: Metóda hodnotenia: Referenčná úroveň: DIO 562 HIGH, UT sondy (2 4) MHz AVG diagram DDSR 1,5/3 mm Klasifikačný stupeň: STN EN 1712: 2 Skúška rázom v ohybe sa vykonaná v zmysle normy STN EN 875. Pri skúške sa vyhodnocuje: rázová húževnatosť, ktorá je daná ako podiel spotrebovanej práce a plochy východiskového priečneho prierezu skúšobnej vzorky S pod vrubom, druh lomu, druh a veľkosť chyby, prechodová teplota v ZM, TOO a ZK Skúšobné vzorky boli pripravené tak, že vruby boli vyrobené v základnom materiáli, TOO ako aj vo zvarovom kove. Podmienky skúšky a stanovenia prechodovej teploty sú uvedené v tab. 6. Tab. 6 Podmienky stanovenia tranzitnej teploty, zdroj: [6] Typ stroja: kyvadlové kladivo PSWO 3 Vzorka: Rozmery vzorky: Vrub do hĺbky Nárazová rýchlosť Energia stroja: Absorbovaná energia: s V vrubom 1x7,5 mm 2mm, R =,25 mm v = (4,5 7) m/s KV 15/7,5 (J/cm2) 85 J Skúšobná teplota: od +2 do -65 o C, Makroskopické pozorovanie spočívalo v očistení pozorovaných vzoriek, v pozorovaní lomových plôch vzoriek voľným okom a fotografickým zdokumentovaním lomových plôch pomocou fotoaparátu Nikon D8. Štúdium lomových plôch vybraných vzoriek v oblasti ZM, ZK a TOO bolo vykonané pomocou elektrónovej mikroskópie na zariadení JEOL JSM-7F Column Cross Section, pri zväčšení 4 až 2x. Výsledok pozorovania bol zdokumentovaný fotograficky. DOSIAHNUTÉ VÝSLEDKY A ICH DISKUSIA Vizuálna kontrola všetkých montážnych zvarov hodnotená v zmysle STN EN ISO 5817 nepreukázala prítomnosť zápalov, trhlín ani iných chýb na povrchu zvarových spojov. Všetky zvary po vizuálnej kontrole vyhovujú. Skúška ultrazvukom bola hodnotená podľa STN EN 1712. Počas vykonávanej skúšky boli zaznamenané drobné indikácie pod úrovňou registrácie. Neboli odhalené žiadne závažné vnútorné a povrchové chyby, trhliny, neprievary, pórovitosť, delaminácia ani zmena hrúbky. Kvalita kontrolovaných zvarov vyhovuje predpísaným podmienkam na kvalitu zvarového spoja. Skúška rázom v ohybe so stanovením tranzitnej teploty sa zrealizovala pre všetky tri oblasti zvarového spoja. Pri skúške rázom v ohybe boli zistené hodnoty absorbovanej energie pri rôznych skúšobných teplotách. Z nameraných hodnôt boli zostrojené prechodové krivky, z ktorých sa určili prechodové teploty pomocou kritéria: KC str = ½ (KC max + KC min ) (1) Výsledky skúšok uvedené na obr. 1,2,3 preukázali, že zvarový spoj výrazne ovplyvňuje hodnotu prechodovej teploty. Zatiaľ čo v základnom materiáli dosahovala hodnotu 42 o C, v tepelnej ovplyvnenej oblasti sa posunula na hodnotu 34,5 o C a v zvarovom kovu na 23 o C. Skúšobná teplota mala výrazný vplyv na charakter lomovej plochy pre všetky skúmané oblasti. S klesajúcou teplotou bol zaznamenaný prechod od čisto tvárneho porušenia (obr. 4) cez zmiešané lomy v prechodovej oblasti až po oblasť krehkého porušenia pri nízkych teplotách (obr. 5). Štúdium lomových plôch pomocou rastrovacej elektrónovej mikroskópie ukázalo, že základným mechanizmom porušenia základného materiálu ocele DOMEX 7 bolo transkryštalické dutinové tvárne porušenie (obr. 6). Detail jamkovej morfológie porušenia s obsahom inklúzií na dne jamiek je uvedený na obr. 7. Pri teplote skúšania mínus 5 o C v oblasti pod vrubom sa u ZM vyskytoval transkryštalický štiepny lom (obr. 8). Vo väčšej vzdialenosti od vrubom mal lom zmiešaný charakter (obr. 9). Pre tvárne porušenie zvarového kovu bol charakteristický výskyt oxidických častíc na dne jamiek (obr. 1), ktoré sa do zvaru dostali v procese zvárania. Už pri 1 o C sa pozorovali malé oblasti 124
transkryštalického štiepneho porušenia. Pri veľmi nízkych teplotách sa na tvorbe lomu podieľali aj sekundárne trhliny (obr. 11). V tepelne ovplyvnenej oblasti došlo hlavne k zmene morfológie jamkového porušenia v oblasti pod vrubom. Jamky sa vyznačovali pretiahlym tvarom (obr.12). 25 15 133,33 137,22 16, 168,33 172,78 199,44 193,89 73,33 61,67 8, 5-65 -6-5 -4-3 -2-1 +1 Tt KCV = - 42 +2 základný materiál KCV stredné Obr. 1 Prechodová krivka základného materiálu 18 16 14 8 6 6, 78,89 86,11 93,33 124,44 123,33 18, 153,89 149,44 4 2 5,56-65 -6-5 -4-3 -2-1 +1 +2 Tt KCV = -23 zvarový kov KCV stredné Obr. 2 Prechodová krivka pre zvarový kov 18 16 14 129,44 131,11 168,89 158,89 182,22 177,78 8 6 7,56 4 5, 2 26,11 22,78-65 -6-5 -4-3 -2-1 +1 +2 Tt KCV = -34,5 TOO KCV stredné Obr. 3 Prechodová krivka pre TOO 125
Obr. 4 Makroskopický snímok húževnatého porušenia ZM pri teplote +1 C Obr. 5 Makroskopický snímok štiepneho porušenia TOO pri teplote -65 C Obr. 8 Transkryštalické štiepenie ZM po vrubom pri teplote -5 C Obr. 6 Transkryštalické dutinové tvárne porušenie ZM pod vrubom pri teplote 1 C Obr. 9 Prechodová oblasť tvárneho a štiepneho lomu v ZM pri teplote -5 C Obr. 7 Detail jamkovej morfológie ZM pri teplote 1 C Obr. 1 jamkovej morfológia ZK s časticami oxidov pri teplote +1 C 126
Obr.11 Sekundárne trhliny na lomovej ploche ZK pri teplote -65 C experimentálnych výsledkov je možné prijať nasledovné: Pri zváraní boli dodržané všetky ustanovenia predpisov, noriem a technických pravidiel, ktoré sú platné v Slovenskej republike. Pri zváraní bol použitý základný a prídavný materiál predpísaný schválenou technickou dokumentáciou a schválenými technologickými postupmi. Výsledky skúšok vrubovej húževnatosti ukázali známu skutočnosť, že vo zvarovom spoji dochádza k posunu prechodovej teploty oproti základnému materiálu smerom ku kladným hodnotám. Mikroskopická analýza lomových plôch dokumentovala, že skúšobná teplota mala výrazný vplyv na charakter lomovej plochy pre všetky skúmané oblasti, t.j. základný materiál, zvarový kov a tepelne ovplyvnenú oblasť. Výsledky skúšok preukázali, že všetky vyššie kontrolované zvary na transportných zariadeniach Shimmn(s) vyhovujú požiadavkám noriem na kvalitu zvarového spojenia. Literatúra Obr.12 Tvárny lom pod vrubom TOO pri teplote +1 C ZÁVER Metodika experimentálnych prác bola volená tak, aby získané poznatky umožnili skúmať stavbu a vlastnosti zvaru a tiež dostatočne potvrdili možnosť ďalšieho použitia vysokopevnej ocele na daný účel. Na základy dosiahnutých [1] Hrivňák, I.: Výskum zvariteľnosti vysokopevných ocelí, Zváranie 46, č.1, 1997 [2] Shiga, Ch.: Riešenie problémov zvárania vysokopevných ocelí, Zváranie, č.7-8/2 [3] Trebuňa, F., Buršák, M.: Medzné stavy a lomy, prvé vydanie, Košice 2, ISBN 8-7165-362-4 [4] Yurioka, N.: Weldability of modern high strength steels, 1-st U.S.- Japan Symp. Advances in welding metallurgy, AWS, 199, P 79- [5] http://www.tatravagonka.sk/ [6] http://www.vuz.sk/?cid=585&printable=tru [7] http://www.matnet.sav.sk/index.php?id=53 [8] http://www.ssab.com/global/domex/datas heets/en/421_domex%27%2mc.pdf [9] http://www.vanotools.nl/infosite/pages/lasto evoegmaterialen/esab/t413ce.html 127