Abstract Aktiválóporok hatása 135-ös hegesztési eljárásnál The effects of active flux materials in case of MAG welding Kormos Rita 1,2, Dr. Májlinger Kornél 1,3, Varbai Balázs 1,4 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Anyagtudomány és Technológia Tanszék 1111, Budapest, Bertalan Lajos utca 7. Tel.+36 1 463 1115, Fax: +36 1 463 1366 E-mail: matsci@att.bme.hu, www.att.bme.hu E-mail: 2 kormi.rita@gmail.com, 3 welding@att.bme.hu, 4 varbai@eik.bme.hu We investigated the effects of active flux materials in case of metal active gas welding process for low carbon steel. During the welding the effects of the fluxes on weld geometry, penetration depth, microstructure and hardness were investigated. The used active flux materials have detectable effect on the geometry of the weld seem without any influence on the hardness or the microstructure of the weld. Összefoglaló Különböző aktiválóporok hatásait vizsgáltuk fogyóelektródás, aktív védőgázas ívhegesztési eljárás esetén. A hegesztések során vizsgáltuk az aktiválóporok varratgeometriára, szövetszerkezetre, keménységre gyakorolt hatásait. Az eredmények alapján az általunk használt aktiválóporoknak jelentős hatása van a kialakult varratgeometriára szövetszerkezeti változások nélkül. Kulcsszavak Fogyóelektródás aktív védőgázas ívhegesztés, aktiválópor, varratgeometria, mikroszerkezet 1. BEVEZETÉS A beolvadási mélység, és így a termelékenység, növelésére megoldást adhat az aktiválóporok használata különböző ívhegesztési eljárások esetén. Ívhegesztések során az ömledékben létrejövő áramlásokat négy fő jelenség okozza: a felhajtóerő, a Lorentz-erő, az ömledék felületi feszültsége és az ömledék felszínén az ívplazma nagysebességű mozgása. A felületi feszültségből adódó áramlást, melyet más néven Marangoni-áramlásnak is nevezünk, lényege, hogy a hőmérséklet különbségek miatt az ömledékben egy belülről kifelé történő áramlás jön létre. A feltételezések szerint az aktiválóporok alkalmazásánál jelentkező mélyebb beolvadás egyik fő oka a fordított Marangoni-áramlás, azaz felületaktív anyag jelenlétében az ömledékben kialakuló áramlás iránya megfordítható (kívülről befelé) [1, 2]. A fordított Marangoni-áramlás mellett a beolvadási mélység növekedésére a hegesztő ív beszűkülése is hatással van [3]. Az elmélet szerint a munkadarab felületére felvitt aktiválópor elégése során megköti az elektronokat az ív külső, alacsonyabb hőmérsékletű szegmensében, ez által az ív effektív része keskenyebbé válik. Ennek hatására ugyanakkora áramerőségnek kisebb keresztmetszeten kell átáramolnia, növekszik az energiasűrűség, ez által nagyobb lesz a Lorentz-erő és így a beolvadás mértéke is [2, 3, 4]. Egy másik feltételezés szerint az ívbeszűkülés abból ered, hogy a felületre felvitt aktiválópor réteg miatt az ív ellenállása nő, így az csak kisebb felületen képes áttörni az alapanyaghoz, melynek végeredménye ugyan az, mint az előző esetben [5, 6]. Az eddig folytatott kutatások nagyrészt volfrámelektródás ívhegesztésnél való alkalmazásra irányultak (ATIG), ahol használatuk sikeres volt [5, 7, 8]. Fogyóelektródás, aktív védőgázas ívhegesztési eljárásnál aktiválóporokat alkalmaztak AISI 316L jelű ausztenites szerkezetű korrózióálló acéllemezeken, ahol titán-dioxiddal érték el a legnagyobb beolvadási mélység növekedést [9]. Jelen kutatásaink során kilenc különböző aktiválópor hatását vizsgáltuk fogyóelektródás ívhegesztés esetén. 2. KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ÉS BERENDEZÉSEK Az MSZ EN ISO 4063:2011 szerinti 135-ös jelű, fogyóelektródás aktív védőgázas ívhegesztési kísérleteinkhez egyedi építésű, Yamaha típusú szervomotorral hajtott, lineáris hegesztő automatát alkalmaztunk, 258 EMT
REHM Megaplus 400 típusú hegesztőgéppel, gépi pisztollyal ellátva. Az alkalmazott elektróda Böhler EMK 8 G4Si1 típusú, Ø 1,0 mm-es méretben. Az alkalmazott védőgáz CO 2 18 %, Ar 82%. A varratokat 1.0421 anyagú, 12 mm vastag, szénacél lemezeken végeztük. A hegesztendő lemez és az alkalmazott elektróda vegyi összetételét az 1. táblázat tartalmazza. A varratsorokat egymástól 10 mm-es távolságban, 100 mm-es hosszban készítettük. A kísérletek alatt használt állandó paramétereket előkísérletek során határoztuk meg. Az alkalmazott áramerősség 330 A, feszültség 39,6 V, gázmennyiség 14 l/perc, huzalelőtolás 17,6 m/perc, hegesztési sebesség Az alapanyag és a huzalelektróda vegyi összetétele tömegszázalékban 1. táblázat Fe C Si Mn Cr Ni Al Cu Alapanyag 98,9 0,26 0,24 0,42 0,06 0,01 0,04 0,06 Elektróda - 0,10 1,00 1,70 - - - - 0,57 m/perc, a fúvóka távolsága az alapanyagtól 15 mm, a hegesztés egyenes polaritással történt. A hegesztési kísérleteket kilenc különböző aktiválópor felhasználásával végeztük el. Annak érdekében, hogy a felhordott porrétegek állandó vastagságúak legyenek a következő módszert alkalmaztuk. Az acetonban elkevert aktiválóport egy szigetelőszalaggal körberagasztott területre öntöttük, majd azt eloszlattuk. Ezzel a módszerrel a felhordás reprodukálhatóvá vált, és egyenletes vastagságú (0,12 mm) valamint eloszlású réteget kaptunk. A beolvadási mélység, a keménységmérés és a szövetszerkezeti vizsgálatok keresztmetszeti csiszolatokon történtek. A lemez feldarabolása keretes fűrészen, a varratra merőlegesen síkban történt, a szövetszerkezeti vizsgálathoz hagyományos metallográfiai csiszolat készült, ami 2%-os nitál (2% salétromsav + 98% alkohol) marószerrel került maratásra. A varratmélység értékek ezeken a csiszolatokon, a lemez felső síkjától kerültek meghatározása Olympus SZX16 típusú sztereo mikroszkóppal. A varrat szélesség és a koronamagasság értékek tolómérővel (10-10 pontban) kerültek meghatározásra. A minták szövetszerkezetét Olympus PMG 3 típusú fénymikroszkóppal vizsgáltuk. A HV10 keménységmérés KB Prüftechnik KB750 típusú berendezésen történt. 3. EREDMÉNYEK ÉS KIÉRTÉKELÉSÜK A hegesztés során fröcskölés lépett fel a SiO 2, CuO, TiO 2, valamint kis mértékben a MnO aktiválóporokkal történő hegesztéskor. A NaHCO 3 és Al 2O 3 aktiválóporok esetében a porszemcsék egy része a védőgázáramlás miatt könnyen elfújódott a hegesztés helyétől. SiO 2 alkalmazásánál a varrat külalakja egyenetlen volt. A Mg 3Si 4O 10(OH) 2 vel jelölt por, a talkum (babahintőpor fő alkotóeleme). 1. ábra Makrofotó a különböző aktiválóporokkal hegesztett varratkoronákról. Balról jobbra: Por nélküli, SiO 2, NaHCO 3, MnO, Mg 3Si 4O 10(OH) 2, Fe 2O 3, MgCO 3, CuO, Al 2O 3, TiO 2 A varratgeometria vizsgálata során azok átlagos koronamagasságát, illetve átlagos szélességét mértük a varrat stabilizálódott hossza mentén. A keménységmérést három különböző, a varratgeometriára legnagyobb hatással bíró aktiválópor, a MgCO 3, a MnO, és a SiO 2 esetében végeztük el. A keménységmérés során kapott eredményekből látszott, hogy a vizsgált aktiválóporoknak nem volt számottevő hatása a keménységre, ezért a keménységmérést nem folytattuk a többi aktiválópor esetében. A 2-5. ábrákon szereplő értékek az aktiválópor nélkül hegesztett varratnál mért geometriai értékekre lettek fajlagosítva. Az alaktényezők számításánál a varratkorona magasságának és a varrat szélességének átlagos értékeivel számoltunk. A varratkorona magassága az NaHCO 3 és az Al 2O 3 aktiválóporok használatával csökkent az összes többi por alkalmazásánál nőtt, míg a korona szélessége az Al 2O 3 por használatánál növekedett az összes töb- OGÉT-2016 259
bi por alkalmazásánál csökkent (2. ábra). A korona magasság és szélesség hányadosával megadható külső alaktényező csak az Al 2O 3 por alkalmazása esetében nőtt, a többi esetben csökkent, legnagyobb mértékben (37%-kal) a SiO 2 por alkalmazása esetén (4. ábra és 2. táblázat). A beolvadási mélységet a magnézium-karbonát és a talkum tartalmú aktiválópor használata növelte (2. táblázat), a MgCO 3 több, mint 6%-kal (3. ábra). A varrat szélesség és a beolvadási mélység hányadosaként számított belső alaktényezőt szintén az Al 2O 3 tartalmú aktiválópor növelte, a többi csökkentette (5. ábra). Az alkalmazott aktiválóporok hatásai a kötés geometriájára és keménységére 2. táblázat Pormeny- Beolvadási Belső Külső Varrat Hőhatásövezet Aktiválóporok nyiség* mélység alaktényező alaktényező keménysége keménysége (g/cm 2 ) (mm) (mm) (mm) (HV10) (HV10) Por nélkül - 4,8 2,3 3,2 ± 0,3 206 ± 5 165 ± 2 SiO 2 0,040 4,0 2,0 2,0 ± 0,5 211 ± 4 175 ± 3 NaHCO 3 0,040 4,5 2,2 3,0 ± 0,5 - - MnO 0,020 4,7 1,9 2,1 ± 0,2 214 ± 3 170 ± 4 Mg 3Si 4O 10(OH) 2 0,030 4,9 2,1 2,8 ± 0,4 214 ± 1 171 ± 3 Fe 2O 3 0,015 4,7 1,9 2,3 ± 0,2 210 ± 5 171 ± 4 MgCO 3 0,015 5,1 1,9 2,5 ± 0,2 209 ± 5 174 ± 3 CuO 0,035 4,6 2,2 2,7 ± 0,4 - - Al 2O 3 0,050 4,5 2,5 3,3 ± 0,3 - - TiO 2 0,030 4,7 2,2 2,7 ± 0,2 - - *a megadott aktiválópor mennyiségek mindegyike 0,12 mm vastagságban felvitt porrétegre vonatkozik. 2. ábra A varratgeometria fajlagosított változása 3. ábra A beolvadási mélység fajlagosított változása 260 EMT
4. ábra A külső alaktényező fajlagosított változása 5. ábra A belső alaktényező fajlagosított változása A varratgeometriára legnagyobb hatással bíró aktiválóporokkal hegesztett varrat és hőhatásövezet keménységét összehasonlítva a por nélküli varrat keménységértékeivel nem tapasztaltunk számottevő eltérést (2. táblázat). A keménységek, gyakorlatilag mindegyik varratnál (206-214 HV10) és hőhatásövezetnél (165-175 HV10) azonosnak mondhatók. Az alapanyag keménysége 133±4 HV10 volt. Szintén a varratgeometriára legnagyobb hatással bíró aktiválóporokkal (MgCO 3, SiO 2 és MnO) hegesztett minták varratáról és hőhatásövezetéről készített mikroszerkezeti felvételeket láthatjuk a 6. ábrán. A felvételekből, jól látszik, hogy a varrat és hőhatásövezet szövetszerkezete gyakorlatilag mindegyik mintánál azonosnak tekinthető. 6. ábra Különböző aktiválóporral és anélkül hegesztett kötések szövetszerkezete 4. KÖVETKEZTETÉSEK A hegesztési kísérleteink során arra a megállapításra jutottunk, hogy az alkalmazott aktiválóporoknak a volrámelektródás védőgázas ívhegesztéshez hasonlóan a fogyóelektródás aktív védőgázas ívhegesztő eljárás esetében is hatásuk van a varratgeometriára. Majdnem minden alkalmazott aktiválópor esetében növekedett a varratkorona magassága, a varrat szélessége pedig csökkent. Az átlagos külső alaktényező, az aktiválópor nélkül hegesztett varrathoz képest, az alumínium-oxid porral hegesztett varrat kivételével minden esetben csökkent. A legnagyobb csökkenést (-37%) szilícium-dioxid por használatával értük el. A belső alaktényezőt az alumínium-oxid (+7%) kivételével a többi aktiválópor csökkentette (-4-20%). A keménységmérések és a szövetszerkezeti vizsgálatok alapján kijelenthető, hogy a vizsgált aktiválóporokkal anélkül lehet a varratgeometriát befolyásolni, hogy az kimutatható szövetszerkezeti ill. keménységeloszlásbeli eltéréseket okozna a kötésekben. OGÉT-2016 261
4. HIVATKOZÁSOK [1] Lu S., et al., Weld Penetration and Marangoni Convection with Oxide Fluxes in GTA Welding. Materials Transactions, 2002. 43(11): pp. 2926-2931. [2] Kou S., Welding metallurgy. Second ed. 2002: John Wiley &Sons Inc. [3] Howse D., Lucas W., Investigation into arc constriction by active fluxes for tungsten inert gas welding. Science and Technology of Welding & Joining, 2000. 5(3): pp. 189-193. [4] Tseng K.-H., P.-Y. Lin, UNS S31603 Stainless Steel Tungsten Inert Gas Welds Made with Microparticle and Nanoparticle Oxides. Materials, 2014. 7(6): p. 4755. [5] Dobránszky J., Sándor T., Magasdi A., Az AVI-hegesztés különleges eljárásváltozatai: az ATIG hegesztés és az FBTIG hegesztés In: XI. Létesítménytechnikai Konferencia, 2005. Balatonaliga, Eloadásgyujtemény. Konferencia helye, ideje: Balatonaliga, Magyarország, 2005.10.04 TÜV Rheinland InterCert, pp. 123-127. [6] Sándor T., et al., An improved theoretical model for A-TIG welding based on surface phase transition and reversed Marangoni flow. Metallurgical and Materials Transactions A, 2013. 44(1): pp. 351-361. [7] Balázs J., Nagy Hinst A., Dobránszky J., Duplex acélok hegesztett kötéseinek szövetszerkezeti vizsgálata, In: Gáti József (szerk.), 25. Jubileumi Hegesztési Konferencia:... Óbudai Egyetem, 2010. május 19-21. : konferenciakiadvány. 446 p. [8] Sándor T, Dobránszky J, The experiences of activated tungsten inert gas (ATIG) welding allied on 1.4301 type stainless steel plates, Materials Science Forum, 2007. 537-538: pp. 63-70. [9] Sambherao A.B., Use of Activated Flux For Increasing Penetration In Austenitic Stainless Steel While Performing GTAW. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2013. 3(12): pp. 520-524 262 EMT