123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

00_1-2 Svařování nelegovaných a nízkolegovaných ocelí

I mezi svářečskými odborníky dochází k nesprávným výkladům pojmů jako svařitelnost, vhodnost ke svařování a dalších s nimi souvisejících, čímž často vznikají různá nedorozumění. V jednom článku je věnována pozornost výkladu těchto pojmů a jejich souvislostí na bázi normy DIN 8528-1.
Pojem vhodnost pro svařování (Schweissbarkeit) se vždy vztahuje na celou součást a je ovlivňován svařitelností materiálu, možnostmi svařování ve výrobě a bezpečností svařované konstrukce. Největší vliv má přitom svařitelnost materiálu (Schweisseignung), která musí být ovšem posuzována rovněž ve vztahu k výrobě a konstrukci. Významný vliv na svařitelnost materiálu má jeho chemické složení, jeho metalurgické zpracování při výrobě a jeho fyzikální vlastnosti. Tyto vlivy na svařitelnost nelegovaných a nízkolegovaných ocelí jsou vysvětleny podrobněji.
Nejprve je všeobecně vysvětlen vliv chemického složení, zejména obsahy C a Mn, obsahy desoxidantů Si a Al a železo doprovázejících prvků S, P a N. Z hlediska metalurgického zpracování se jedná o způsob odlévání a zejména o vliv segregačních zón s vyšší koncentrací doprovodných prvků P, S a N, ale i uhlíku u neuklidněných ocelí. Při běžných konstrukčních ocelích vyráběných kyslíkovým procesem je dnes obvyklé sekundární metalurgické zpracování, kterým se vlivem snížení obsahů P, S, O a N dociluje velmi dobrá svařitelnost. Na vybraných příkladech jsou detailně uvedeny vlivy chemického složení a metalurgického zpracování.

Pokud se na povlaku ocelových konstrukcí žárově zinkovaných požadují kromě korozní ochrany také optické vlastnosti, je třeba dbát na výběr oceli. Podle dnešního stavu poznání mají rozhodující roli zejména doprovodné prvky P a Si. Jsou popsány vlivy různých v praxi obvyklých obsahů Si a P v nelegovaných konstrukčních ocelích na žárové zinkování, které jsou pro tento účel rozděleny do 4 skupin podle součtu obsahu Si a P - do 0,03% - 0,03 až 0,13% - 0,13 až 0,28% a nad 0,28%. Každá skupina má svoji charakteristiku výsledku, při vlastním procesu není již možnost výsledek ovlivnit.

Další zpráva pojednává o svařování při stavbě loděnicové haly, která svými rozměry - délka 360 m, šířka 210 m, výška 107 m - je největší halou bez podpěr v Evropě. Pro trubkovou konstrukci střední části haly byly použity trubky o průměru 273 až 559 mm při tloušťce stěny 5 až 95 mm z oceli S355J2G3. Všechny montážní svary trubkových prvků připravených v dílnách byly vykonány obalenými elektrodami bazického typu E425B32H5 podle DIN EN 499. Tento typ elektrody byl vybrán proto, že její svarový kov splňuje mimořádně přísná trhlinová kritéria pro Offshore konstrukce. Pro zajištění nízkého obsahu vodíku ve svarovém kovu byly dodávané vakuově balené elektrody před použitím nejméně 2 h přesušovány při teplotě 250 až 350 oC a při zpracování uloženy ve vyhřívaných nádobách. Aby se při montáži zabránilo příliš rychlému ochlazování, a tím příp. vlivu kondenzační vody, byla spojová místa předehřívána na teplotu 80 až 150 oC podle tloušťky stěny a po svaření zakryta minerálními rohožemi. Tím se dalo zabránit i při spotřebě elektrod 13 t nepřípustným chybám a následným opravám.

I když jsou dnes výrobci ocelí schopni dodávat oceli s minimální mezí kluzu Re>355 N/mm2, používají se jakosti s vyšší pevností jen při zcela mimořádných požadavkách. Jako důvod se pro to uvádějí aktuální znalosti problémů s tím spojených pro "starou" generaci jemnozrnných konstrukčních ocelí.
To ale již neplatí pro "novou" generaci vysokopevnostních jemnozrnných konstrukčních ocelí ve formě TMQST kvality podle EN 10113-3. Válcované ocelové nosníky této generace vynikají při neredukované mezi kluzu do 460 N/mm2 výbornou houževnatostí a vynikající svařitelností. Uživatelé mají nyní k dispozici konstrukční oceli v TMQST kvalitě, které v rozsahu tloušťky do 125 mm umožňují optimální ekonomicky příznivé zpracování svařováním. Na příkladech je ukázáno, že při využití vyšších mezí kluzu na bázi normativních předpisů jako je Eurocode EC 3, dod. D "Použití oceli S460 a S420" je možno docílit úspory na nákladech i na hmotnosti.

Je popsáno svařování na montáži tlakového potrubí pro přečerpávací stanici - 2 větve po 800 m délky při sklonu 25,8o. Průměr tlakového potrubí je 6200 mm, tloušťka stěny podle nároku 57 a 18 mm. Jako materiál byla v dolní části štóly použita ocel S690Q. Se snižováním nároků byla snižována i pevnost až k oceli S355N. Pro zhotovení obou větví z připravených rourových sekcí, každá o délce 9000 mm, bylo třeba svařit ve štóle 96, resp. 98 obvodových spojů s příložným páskem. Pro každou větev bylo vyvinuto zařízení přizpůsobené geometrii trub. Jako metoda bylo použito WIG-svařování s horkým drátem. Jako svařovací jednotka byl použit WIG-orbitální kolejnicový systém se samostatnou transportní drážkou pro každou ze 3 svařovacích hlav. Všechny svařovací parametry byly pomocí DNC-řízení předprogramovány podle svařovací polohy a uložení housenky. Přídavný materiál byl v kvalitě odpovídající jakosti materiálu, např. pro ocel S690Q byl použit drát G3CrNi1Mo o průměru 1,0 mm. I přes nutnost přezkoušení svařovacích programů a vyškolení svářečského personálu nabízí WIG-svařování s horkým drátem ekonomické přednosti ve srovnání s obalenými elektrodami a MAG-svařováním.

Pro svařování vysokopevnostních vodou zušlechtěných jemnozrnných ocelí s mezí kluzu nad 690 MPa se upřednostňuje MAG-svařování pro srovnatelně nízký přívod vodíku, a tím vysokou odolnost proti trhlinám. Při svařování pod tavidlem je vyšší nebezpečí vzniku trhlin pro možnost přívodu vodíku prostřednictvím tavidla. Popsané výzkumy ukazují, že ocel 8890QL v kombinaci s drátem F12A4-EC-G podle AWS/ASME SFA-5.23 a tavidlem ABF153DCHP5 podle DIN EN 760 při předehřívací a udržovací teplotě 200 oC a vhodných svařovacích parametrech (proud 550 A, napětí 30 V, rychlost 75 cm/min) může být svařena bez trhlin a s vyhovujícími mechanicko-technologickými vlastnostmi (tloušťka 29 mm, délka zkoušky 1000 mm, V-spoj s úhlem otevření 60o a velikostí otupení 3 mm).

Při oceli S960QL nebyly s dosud užívanými kombinacemi drát-tavidlo docíleny uspokojivé výsledky. Teprve při použití modifikovaného trubičkového drátu (nepatrně zvýšený obsah C) byly dosaženy meze kluzu nad 960 MPa při lehce zhoršené vrubové houževnatosti. Také zmenšení průměru drátu ze 4,0 na 1,2 mm vedlo vlivem nízké doby ochlazování t8/5 ke zlepšení pevnostních hodnot svarového spoje.

Další práce přináší pokyny pro svařování obvodových spojů dálkových produktovodů, které se svařují převážně ručně obalenými elektrodami nebo MAG-svařováním plnými dráty. Vychází se při tom z toho, že kvalita svarového spoje vzniká společným působením vlastností použitých materiálů a podmínek jejich zpracování. Zatímco vlastnosti materiálů jako je optimalizace mechanicko-technologických hodnot jakosti a svařitelnosti patří do okruhu výrobců přídavných materiálů, patří praxi dané zpracovatelské vlivy jako je tloušťka a poloha housenek, příkon energie, délka oblouku, teplota interpass, promísení se základním materiálem do oblasti svarového spoje.

Při svařování obalenými elektrodami dominují celulózové. Důvodem pro to je malá citlivost k vlivům počasí, vhodnost pro svařování v poloze shora dolů, rychlost ca 300 mm/min pro kořenovou housenku a z toho vyplývající vysoký výkon. Nevýhodou je relativně vysoký obsah vodíku ve svarovém kovu, který může vést k trhlinám v podložném svaru a v tepelně ovlivněném pásmu základního materiálu a dále k příčným trhlinám ve svarovém kovu. Pro zabránění vzniku trhlin za studena se doporučuje bezpodmínečně dodržovat teplotu interpass v závislosti na tloušťce stěny. Nebezpečí vzniku trhlin způsobených vodíkem stoupá s rostoucí pevností svarového kovu a omezuje možnost zvyšování pevnosti při celulózových elektrodách. V současné době leží hranice průměrné pevnosti svarového kovu na hodnotě ca 650 N/mm2.

Pro možnost použití vysokopevnostních rourových ocelí a s ohledem na uvedená omezení celulózových elektrod byly vyvinuty pro svařování v poloze shora dolů elektrody s bazickým obalem, které vynikají svarovým kovem s nízkým obsahem vodíku, vyšší houževnatostí a vysokým odtavovacím výkonem. Horní hranice pevnosti leží nyní na ca 950 N/mm2. Nevýhodou ve srovnání s celulózovými elektrodami je hodnotou 190 mm/min výrazně nižší dosažitelná svařovací rychlost kořenové housenky. Přednostně se proto doporučuje kombinované použití celulózových elektrod (pro kořen a hotpassvrstvu) a bazických elektrod pro polohu shora dolů (výplňové a krycí housenky). Z dnešního pohledu je možno tuto kombinaci doporučit pro požadavky pevnosti svarového kovu ca Rm = 800 N/mm2.

Vlivem trvalého dalšího vývoje dopravní techniky se stalo mechanizované MAG-svařování s plnými dráty zajímavým kromě pro podmořská potrubí také pro pozemní velkoprůměrová potrubí. Pro mechanizované svařování v ochranných plynech se používá hlavně drát o průměru 0,9, resp. 1,0 mm. Až do pevnosti oceli na roury L485 podle EN 10208-2 se užívají mikrolegované dráty pevnostní třídy G4Si1 (EN 440). Horní ohraničení pevnosti svarového kovu je dáno s ní spojeným snížením houževnatosti. Pro dosažení vyšších pevností - např. při výrobě jeřábů z oceli S890QL - se používá drát G4CrNi2,5Mo podle EN 12534.

Jestliže se požaduje, aby spojovací svarový kov trub dosáhl vyšší meze kluzu a pevnosti než má materiál trub ("mez kluzu - overmatching"), pak materiál trub s nejvyšší pevnosti, který je ještě svařitelný s celulózovými elektrodami, je ocel EN L450. Pro ocele vyšší pevnostní třídy je třeba používat odpovídající elektrody pro svařování v poloze shora dolů s bazickým obalem, resp. MAG-svařování plnými dráty.

Jako faktory dané zpracovatelskými podmínkami, které mají vliv na kvalitu obvodových spojů, se uvádějí svařování s extrémně dlouhým obloukem (přisávání dusíku ze vzduchu, sklon ke vzniku pórů u elektrod s bazickým obalem) a dále tloušťka vrstev, resp. housenek (s rostoucí tloušťkou se zhoršují hodnoty houževnatosti a pevnosti). Aby se získaly poznatky o vlivech nehomogenností ve svarovém kovu na jeho houževnatost a odolnost proti křehkému lomu, byly vykonány rozsáhlé výzkumy MAG-vícevrstvého svařování. Měly poskytnout podklady o tom, zda ve svarovém kovu existují ohraničená slabá místa způsobená montážními podmínkami, která dovolují tvorbu trhlin a tím selhání dílů. To je pak možno zohlednit při ověřovacích zkouškách vhodnou polohou vzorků.

Očekávalo se, že při vícevrstvovém svařování povedou místní nepravidelnosti v tvorbě struktury v důsledku opakovaného ohřevu dalšími vrstvami až k nejsilněji působícím heterogenitám. Pro výzkum připravené vzorky vykázaly zřetelnou nehomogenitu struktury. V souladu s polohou svařovací housenky je uprostřed svarového spoje vyšší podíl tepelně ovlivněných zón než na vnějším okraji. Aby byl prokázán vliv velikosti zrn na houževnatost, byly vzorky odebrány z různých míst svaru. Při vzorkách uvnitř probíhá lomová plocha jemnozrnnou oblastí, při vnější poloze je lomová plocha v oblasti hrubozrnné.

Zkoušky vrubové houževnatosti a lomově-mechanické hodnoty jednoznačně prokázaly, že zkoušky s vyšším obsahem jemnozrnné oblasti na lomové ploše vykazují vyšší houževnatost. Jelikož méně houževnaté a hrubší strukturu obsahující oblasti neleží uprostřed průřezu svaru, vzniká nebezpečí, že při použití zkušebních předpisů, které situují polohu vrubu doprostřed svaru, jsou vykazovány příznivější výsledky. To vychází i z lomově-mechanických kritických velikostí vad, které v oblastech s vysokým, resp. nízkým podílem jemnozrnnosti vykazují poměr 1:4.

Pokračující analogické výzkumy na legovaných svarových kovech ukázaly, že obsah 1 nebo 2% niklu v přídavném materiálu sám nestačí na očekávané zlepšení houževnatosti. Naproti tomu svarový kov s obsahem ca 1% niklu a 0,3% molybdenu s jemnou strukturou v celém průřezu ukázal dobré hodnoty houževnatosti bez ohledu na polohu. Pro dobrou vrubovou houževnatost svarového kovu z této elektrody je přednostně rozhodující jemnozrnnost založená na mikrolegovacích prvkách zpomalujících růst zrn.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz