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 Vonalenergia hatása... 11 2.3.2 Előmelegítési hőmérséklet... 13 2.3.2.1 IIW szerinti előmelegítési hőmérséklet... 14 2.3.2.2 Uwer-Höhne módszer... 14 2.3.3 Hűlési idő... 15 2.3.3.1 Hővezetési modellek... 16 2.3.3.2 Hűlési idő mérése... 17 2.4 Huzalelektróda...19 3. ELJÁRÁSVIZSGÁLAT... 21 3.1 Előzetes hegesztési utasítás elkészítése...21 3.1.1 Alapanyag... 21 3.1.2 Hozaganyag... 22 3.1.3 Védőgáz... 23 3.1.4 Hegesztési paraméterek meghatározása (WeldCalc)... 23 3.2 A hegesztési próba elkészítése...25 3.3 A minősítéshez szükséges vizsgálatok és eredményeik...27 3.3.1 Roncsolásmentes vizsgálatok... 28 3.3.2 Roncsolásos vizsgálatok... 28 3.3.2.1 Makro- és mikrovizsgálat... 28 3.3.2.2 Keménységvizsgálat... 29 3.3.2.3 Szakítóvizsgálat... 31 3.3.2.4 Hajlító vizsgálat... 31 3.3.2.5 Ütővizsgálat... 32 4. HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK... 34 4.1 I. kísérlet...35 4.1.1 Szakítóvizsgálat eredménye az I. kísérletnél... 36 4.1.2 Ütővizsgálat eredménye az I. kísérletnél... 36 4.1.3 Keménységvizsgálat eredménye az I. kísérletnél... 36 4.2 II. kísérlet...38 4.2.1 Szakítóvizsgálat eredménye a II. kísérletnél... 39

2 4.2.2 Ütővizsgálat eredménye a II. kísérletnél... 39 4.2.3 Keménységvizsgálat eredménye a II. kísérletnél... 39 4.3 III. kísérlet...41 4.3.1 Szakítóvizsgálat eredménye a III. kísérletnél... 42 4.3.2 Ütővizsgálat eredménye a III. kísérletnél... 42 4.3.3 Keménységvizsgálat eredménye a III. kísérletnél... 43 4.4 IV. kísérlet...44 4.4.1 Szakítóvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél... 45 4.4.2 Ütővizsgálat eredménye a IV. kísérletnél... 45 4.4.3 Keménységvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél... 46 4.5 V. kísérlet...47 4.5.1 Szakítóvizsgálat eredménye az V. kísérletnél... 48 4.5.2 Ütővizsgálat eredménye az V. kísérletnél... 48 4.5.3 Keménységvizsgálat eredménye az V. kísérletnél... 49 4.6 Kísérletek eredményeinek összefoglalása...50 4.6.1 Szakítóvizsgálat eredményeinek összehasonlítása... 51 4.6.2 Ütővizsgálat eredményeinek összehasonlítása... 52 4.6.3 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 10025-6:2005 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 Folyáshatár,MPa 1200 1000 800 600 400 200 St37 S235 Melegen hengerelt Normalizált Légedzésű Vízedzésű TM-hengerelt TM-hengerelt + BA St52 S355N StE420N S420NC StE500 S500NC StE690V S690QL QStE420TM S420MC QStE380TM S380MC StE890V S890QL QStE550TM S550MC StE960V S960QL QStE690TM S700MC S890MC QStE620TM S620MC S1100QL QStE740TM S740MC S960M S930MC 0 1910 19151920 1925 1930 19351940 1945 19501955 1960 1965 19701975 1980 19851990 1995 1996 19982000 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 C max Si max Mn max P max S max Cr max Mo max Ni max 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] R e R m A CE max KV min, J, hosszirányban, T= -40 % MPa MPa % C < 50 960 980-1150 10 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 [Fe 23 (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 Mn Cr Mo V Cu Ni C (1) 6 5 15 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 Si max Mn max Cr max Cu max Ni max Mo max V max 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 (U ív ), hegesztő áram (I h ) és a fázissög szorzataként értelmezhető. U I cos (2) ív h 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: E V de ds, kj/mm, (3) f v h azaz a vonalenergia a hőáram (Φ) és a hegesztési sebesség (v h ) 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 H d (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 Mn Mo Cr Cu Ni C (4) 10 20 40 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 Si max Mn Cr max Cu max Ni max Mo max V max 0,05 0,32 0,8 0,5 1,9 1,5 0,7 2,5 0,75 0,18 Továbbá: Nb max = 0,06 %, Ti max = 0,12 %, B max = 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 T CET th H CET E 35 0,35 előmeleg 697 160 62 d 53 32 v 328 ahol: s kombinált lemezvastagság (s 1 +s 2 ), mm H d a diffúzióképes hidrogéntartalom, ml/100 g fém E v 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 t 8/5 -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 (5)

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: E 1 1 2 v 2D 2 2 2 4 cp vh d 500 T0 800 T0 t További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel egy gyakorlatban jól alkalmazható egyenletet kapunk: t 8,5 / 5 2 5 E 1 1 v 4300 4,3 T0 10 F 2 2 2 2. (7) d 500 T0 800 T0 (6)

17 Jelölés λ c p ρ T 0 E v V h d lemezvastagság Mértékegység hővezetési tényező W mm K fajhő J g K sűrűség g mm 3 előmelegítési hőmérséklet ºC kj mm hegesztési sebesség mm s 5. táblázat: A hűlési idő összefüggéseiben szereplő jelölések jelentése Megnevezés vonalenergia 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: 1 1 t8,5 / 5. (8) 2 vh 500 T0 800 T0 További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel a kétdimenziós összefüggéshez hasonlóan egy gyakorlatban jól alkalmazható egyenletet kapunk: 1 1 t8,5 / 5 6700 5 T0 Ev F3. (9) 500 T0 800 T0 A (10)-es egyenletben szereplő határlemezvastagság azt a lemezvastagságot jelenti, amely a különböző hővezetési modellek tartományát elválasztja. Ha 2D-s számítást, ha pedig ha t d hat t d hat akkor 3D-s számítási módot alkalmazunk. mm, akkor d 0,043 0,000043 To 1 1 1000 Q hat 0,67 0,0005 To 500 To 800 (10) To 2.3.3.2 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 t 8/5 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 t 8/5 és t 8/3 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 t 8/5 -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 Böhler ESAB Union X96 X 90-IG/M21 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 R P0,2 R m A 5 KV (-40ºC) MPa MPa % J 1030 1076 16 56 WELDO X 960 C Si Mn P S Cr Ni 0,17% 0,22% 1,26% 0,009% 0,001% 0,20% 0,05% Mo V Ti Cu Al Nb B N 0,594% 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 R P0,2 R m A 5 KV (-40ºC) MPa MPa % J 930 980 14 40 C Si Mn P S Cr Union X96 0,11% 0,76% 1,90% 0,01% 0,009% 0,35% Mo Ni V Cu Ti Zr Al 0,57% 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% CO 2 + 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 t 8/5 -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: Varratsor Előmelegítés [ C] Sebesség [cm/min] Huzalelőtolás [m/min] Áram [A] Feszültség [V] E v [kj/mm] Számított t 8/5 [s] Mért t 8/5 [s] 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 Tompavarrat Sarokvarrat A vizsgálat típusa Szemrevételezéses vizsgálat 100% Radiográfiai vagy ultrahangos vizsgálat A vizsgálat terjedelme 100% Felületi repedésvizsgálat 100% Keresztirányú szakítóvizsgálat Keresztirányú hajlítóvizsgálat Ütővizsgálat Keménységvizsgálat Makrovizsgálat 2 próbatest 4 próbatest Szemrevételezéses vizsgálat 100% Felületi repedésvizsgálat 100% Keménységvizsgálat Makrovizsgálat 10. táblázat: Szükséges vizsgálati eljárások 2 készlet szükséges 1 próbatest szükséges 2 próbatest szükséges 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 (A 3 1100 ºC), interkritikus övezet (A 1 A 3 ), szubkritikus övezet (500 ºC A 1 ). 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