123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

03_1-1 Metalugie svařování

Metalurgické procesy hrají při svařování kovových materiálů významnou roli. V posledních letech se významně rozšířilo používání lehkých kovů jako hliníku, hořčíku, titanu a jejich slitin. Tato tendence je významná zejména v leteckém a automobilovém průmyslu, kde je podmíněna snahou vývojářů a konstruktérů vyrábět vozidla stále lehčí, snižovat spotřebu paliva a současně využívat zvláštnosti a přednosti jednotlivých materiálů. Proto se projektuje stále více konstrukčních prvků z lehkých kovů. Paleta slitin používaných materiálů je stále širší a komplikovanější. Výzkumy svařovacích vlastností a metalurgických procesů při svařování těchto materiálů různými svařovacími procesy jsou stále náročnější, aby bylo možno zaručit výrobní kvalitu a provozní spolehlivost na vysoké úrovni.

Hliník

Při WIG- a MIG-svařování hliníkových slitin bylo předmětem výzkumu tavidlo formující svar a čistící povrch, které je na bázi fluorových a chlorových solí a dále alkalických kovů a zemin. Použití tavidla pro odstraňování oxidických vrstev absorbujících vlhkost vede k úplnému odstranění velkých pórů a ke snížení četnosti a velikosti mikropórů. Vliv na velikost a dávkování mikropórů se vysvětluje vazbou vodíku pomocí fluoridů z tavidla a ochranou tavné lázně před vlivy prostředí. Ochrana tavné lázně na spodní straně svaru zabraňuje střídavému působení okolní atmosféry, a tím i propalu legovacích prvků hořčíku a zinku. Použitím tavidel vzniká jemnější struktura s ekviaxiálními krystality ve středu spoje.

Mechanické vlastnosti hliníkových slitin pro letectví, které jsou jen podmíněně svařitelné, se zlepšují přidáním malých množství skandia (Sc). Výzkumy typických hliníkových slitin pro letectví 2024 a 7475 při MIG- a WIG-svařování vykázaly zlepšení tvářitelnosti litých dílů, zatímco při hliníkových slitinách 2000 a 7000 došlo ke snížení sklonu k trhlinám při tuhnutí.

Dosud vyvinuté vědecké formulace k problematice tvorby trhlin za tepla při svařování jsou založeny na rozličných, částečně protiřečících zjištěních o mechanizmech vzniku trhlin. Výsledky experimentálních výzkumů při přechodu z tekutého do pevného stavu a k tvorbě trhlin laserových svarových spojů ukazují na rozhodující roli místních tahových deformací ve filmu zbytkové taveniny v průběhu tuhnutí. S ohledem na tento efekt byly provedeny numerické simulace vzniku trhlin za tepla, resp. růstu trhlin za pomoci sofwaru vyvinutého pro tento účel.

Kombinovanou tepelně-mechanickou odolnost proti opotřebení a tvarovou stabilitu vytvrditelných hliníkových slitin je možno u slitin AlMg4,5Mn a AlSi7Mg0,3 zlepšit pomocí plazmového práškového nástřiku s elektrodou +. Byly zkoumány materiálové varianty z binárního systému hliník-hořčík, a dále z materiálových systémů hliník-křemík-měď, hliník-měď-nikl a hliník-křemík-měď-nikl. Přilegováním mědi a niklu se vytvářejí Al2Cu- a AlxCuxNix-fáze a dále křemíkem stoupá odolnost proti opotřebení a tvarová stabilita. Velmi zajímavé jsou i možnosti působení titandiboridu na zjemňování zrna a na hloubku závaru.

Pro potrubí k dálkové dopravě kyseliny dusičné se z korozních důvodů používá materiál Al99,5F10 (WN 3.0250). Pro spojování bylo zvoleno v praxi osvědčené WIG-helium-svařování stejnosměrným proudem s kvadratickou pulzací. V oblouku vznikající atomární vodík proniká sice do tavné lázně, může však při ochlazování lázně opět jako molekulární vodík bez zábran vystupovat nahoru. Při poloze nad hlavou však vodík zamrzne ve svarovém kovu ve formě pórů, což vede k opravným svarům.

Při MIG-svařování hliníku dochází často ke vzniku pórů. Pórovitost je následek dvacetinásobně vyšší rozpustnosti vodíku v tekutém Al (0,69 cm3/100 g) ve srovnání s tuhým stavem (0,036 cm3/100 g). Možnost snížit vznik pórů spočívá v pulzaci oblouku. Modulovaný sprchový proces byl nastaven tak, že tavnou lázeň vyčistí.

Hořčík

Omezený příkon energie do přídavného svarového kovu umožňuje reprodukovatelné, nízkorozstřikové svařování v ochranných plynech hořčíkových slitin tažených profilů a válcovaných plechů. Příčné makrovýbrusy spojů ukazují bezvadné provaření, které je bez pórů, chyb ve spojích, bez závarových vrubů. Vlivem obsahu hliníku 3 až 6 % dochází ke zjemňování zrna ve svarovém spoji.

Slitina železo-hliník

Slitiny železo-hliník s podílem železa více než 50% jsou vlivem jejich křehkosti jen podmíněně svařitelné. Zkušební svary na Ce-legovaném materiálu s obsahem intermetalických fází (Al 28,9%, Cr 3,6%, Mn 0,2%, Ce 0,1%, zbytek železo) a na Ti-B-legovaném materiálu (Al 30,2%, Cr 3,9%, Mn 0,2%, Ti 0,9%, B 1,8%, zbytek železo) byly provedeny při pokojové teplotě pomocí CO2-laseru (výkon paprsku 2340 W, průměr paprsku D 17, 19 a 21 mm a svařovací rychlost 1 až 3 m/min). Svary se uskutečnily na odřezech trub s tloušťkou stěny 7 mm. Svary na Ce-legovaném materiálu vykázaly příčné trhliny na horní straně spoje a miskovité trhliny kolem začátku spoje. Podélně provedené tahové housenky na odřezcích trub byly na povrchu bez trhlin, zatímco obvodové naslepo provedené spoje trhliny vykazovaly. Tento výsledek se ukázal i při okamžitém ochlazení tekutým dusíkem po svaření. Ti-B-legovaný materiál měl za stejných podmínek menší sklon k tvorbě trhlin, ačkoliv tvrdost ve spoji dosahovala až k 540 HV 0,1.

Spoje hliník - ocel

Smíšené spoje mezi hliníkovými a ocelovými plechy se dají provádět jednostupňově procesem MIG s přídavným materiálem s obsahem křemíku. Svarová lázeň se nesmí přehřát a musí se rychle ochladit. Přítomnost křemíku brání ve vytváření nežádoucích fází. V jedné řadě pokusů byly provedeny přeplátované spoje mezi pozinkovanými plechy z ZstE260 a díly z hliníkové protlačované slitiny AlMg0,45Si1,2. Spojení má zdvojený charakter: Na straně oceli přiléhá pájené a na straně hliníku svarové spojení. Vlastnosti spoje jsou v rozhodující míře ovlivněny intermetalickými fázemi, které se vytvářejí v difusní zóně v průběhu procesu spojování.

Ocel

Ocel má doposud nejvyšší podíl mezi konstrukčními materiály používanými v průmyslu. Montážní svarové spoje v mostních konstrukcích z martenzitických ocelí vykazují za zimních podmínek (T pod -20 oC) a při velkých příkonech tepla (více než 50 kJ/m) obohacování vodíkem v tepelně ovlivněném pásmu. Vodík proniká z kondenzátu na hranách plechu a v tavidle při vlhkosti vzduchu vyšší než 10% nejprve do svarové lázně a přes ni potom do TOP. V kovu rozpuštěný vodík způsobuje vznik trhlin za studena ve svarových spojích, jestliže ve svarových spojích vznikají vlastní a přídavná pnutí. Škody způsobené vodíkem nastávají především ve feritických a martenzitických ocelích. Vodík se může v materiálu vyskytovat ve třech energetických formách (intersticiální, atomární nebo molekulární v dutinách), mezi kterými vznikne termodynamická rovnováha a platí rozličné p-T-zákony. Hlavními formami škod je všeobecné zkřehnutí, zpomalený lom, vodíkem způsobená napěťová koroze, rybí oka, vločky, bublinatost z moření, vodíkem indukované trhliny. Druh poškození lze nejzřetelněji stanovit pozorováním v rastrovém elektronovém mikroskopu.

Při výrobě svařovaných tlustostěnných tlakových nádob určených pro stavby energetických zařízení tvoří nejčastější příčiny chyb jednotlivé póry a struskové vměstky ve svarových spojích. Pro svařovací zpracování vysokopevných jemnozrnných konstrukčních ocelí je velmi naléhavý vývoj a optimalizace odpovídajících materiálů. Produkční podmínky by měly být tak optimalizovány, aby při bazických typech plněných drátů ležely obsahy vodíku ve svarovém kovu pod 2 ml/100 g svarového kovu a při kovovým práškem plněných drátech pod 4 ml/100 g svar. kovu. Hlavními kritérii pro vývoj přídavných materiálů je zabránění trhlin za studena způsobených vodíkem a vytváření martenzitické struktury.

Ve stavbě energetických zařízení se vyskytují svarové spoje mezi výše legovanými ocelemi (např. ocele s 9 až 12% Cr) a nízkolegovanými materiály. O spojovacím svařování těchto materiálových kombinací existuje jen málo informací. Byly zkoumány možné způsoby pro takové smíšené svary při výrobě tlakových systémů pro 200 MW energetické bloky. Při zkouškách na dílech zařízení došlo k interesantnímu paradoxnímu zjištění. Zatímco výsledky zkoušek na pevnost a vrubovou houževnatost byly uspokojivé, zklamaly zkoušky na ohyb již při malých úhlech vlivem trhlin v tepelně ovlivněném pásmu na straně ocele s 12% Cr. Tento fenomén se ukázal v analogickém obraze i při provedení dalších svarových spojů, ačkoliv průběh teploty a tepelného zpracování byly velmi přísně kontrolovány. Na základě širokého výzkumu ocele s 12% Cr se musely učinit závěry, že prokázané trhliny mají svůj původ v podmínkách výroby ocele. Na hranicích zrn zjištěné oxidické blány ukazují na nedostečnou ochranu tekuté ocele při kontinuálním odlévání. Přísná kontrola příkonu tepla při svařování, předehřívání na teplotu pod Ms-přeměnou a dále dvojnásobné žíhání při nižších teplotách umožnily dosáhnout při všech předepsaných zkouškách uspokojivé výsledky.

Při spojování vysoko pevných ocelí HQ130 s QJ63 metodou MSG ve směsném plynu argon-CO2 bez předehřátí byly zjištěny trhliny v kořenové housence na straně HQ130. Výzkum ukázal, že je třeba svařovat s kontrolovaným příkonem tepla od 10 do 20 kJ/cm, aby se obsah difusního vodíku ve svarovém kovu udržel pod vymezenou hladinou (do 50ml/100 g). Řízený příkon tepla zlepšuje i mikrostrukturu svarového spoje.

Při laserovém svařování vysoko pevných konstrukčních ocelí bylo zjištěno, že struktura duálních ocelí (DP) a rovněž i ocelí se zbytkovým austenitem (RA) se skládá hlavně z feritické matrice. S mimořádně krátkou dobou působení laserového záření je spojen odpovídající strmý gradient teploty, který v rekrystalizační fázi způsobuje kalicí efekt. Ve spojení s obsahem uhlíku 0,14% pro DP-zkoušky, resp. 0,22% pro RA-zkoušky vede ke zvýšení tvrdosti ve svarovém spoji, přičemž tvrdost stoupá s obsahem uhlíku. Vlivem samokalitelnosti se přitom mění austenitická fáze částečně na martenzit a bainit.

Bylo zkoumáno laserové svařování vysoko pevných ocelí TRIP700, DP500 a DP600. Krátkodobým působením laserového paprsku lze vysvětlit strmý teplotní gradient, který v rekrystalizační fázi způsobuje kalicí efekt. Vlivem obsahu uhlíku 0,14% pro DP-materiály a 0,22% pro TRIP-materiály došlo ve svarovém spoji k zakalení. Na žádném výbrusu nebyly nalezeny vnitřní trhliny. Materiály TRIP700, DP500 a DP600 je možno bez problémů svařovat laserovým paprskem. Pozinkované druhy nevedou ke jmenovitým kvalitativním rozdílům ve svarech. Jelikož zpevnění ve svarové zóně ovlivňují tvářecí chování svarového spoje, je řeba konstrukčně dbát na to, aby svarové spoje ležely mimo oblast přetváření.

Bylo zkoumáno použití laserového paprsku pro svařování a tvrdé pájení CrNi-ocelí. Při tom byl hodnocen bezchybný optický fenomén povrchu svarového spoje. Vyšetřování struktury ukázalo ve středu spoje tvorbu pórů, které se dá vysvětlit vysokým teplotním gradientem při laserovém svařování, který brání úniku plynů z taveniny. Tyto chyby svaru nevedly zde k žádným měřitelným ovlivňováním kvality spoje, pokud se nacházely uprostřed svaru.

Litina

Austenitická litinová slitina s kuličkovým grafitem byla pokryta práškovým navařováním bez předehřátí práškem Eutalloy ChromTec 10680 od Castolin+Eutectic. Hlavním legovacím prvkem vyšetřované austenitické litiny s kuličkovým grafitem S-Ni22 (podle ISO 289-93) je nikl, který se beze zbytku rozpouští v tekuté litině a v jejích pevných směsových fázích. Vyšetřování makro- i mikrostruktury potvrdila, že spojení mezi svarovou housenkou a základním materiálem má kovový charakter a v nanesené vrstvě z niklu se vedle tavné linie vyskytují jemné segregace kuličkového grafitu jako výsledek promíchání základního materiálu s kovem housenky (nikl).

Při svařování pod tavidlem byl vyšetřován přenos chromu, manganu a uhlíku z různých svařovacích tavidel. Tavidla se skládala z 18,75% legovacích materiálů, 81,25% tvořila základní matrice odpovídající systému SiO2-Al2O3-CaO+MgO. Základní skleněná matrice se získala z minerálií tavným procesem v obloukové peci. Přechodové koeficienty byly vypočteny pomocí vzorce, který byl založen na zákonech zachování hmoty a pravděpodobnosti rozložení.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz