Svařitelnost vysokopevné oceli s mezí kluzu 1 100 MPa

• Foto

Svařování tloušťky stěny 10 mm bylo z vnitřní strany tubusu provedeno metodou 135 (svařování metodou MAG s traktorem) s přídavným materiálem UNION X90. Svar (podložení) byl svařován v ochranné atmosféře směsného aktivního plynu 85 % Ar + 15 % CO₂. Vnější svar byl zhotoven metodou 121 (svařování automatem pod tavidlem) s přídavným materiálem OK AUTROD 13.43 a s tavidlem OK Flux 10.62. Svar byl svařován v poloze PA s předehřevem 80 °C.

CHARAKTERISTIKA VYSOKOPEVNÉ OCELI S MEZÍ KLUZU 1 100 MPa
Zásadní rozdíl v mechanických vlastnostech “klasické“ konstrukční oceli např. (ČSN 11 523) a vysokopevné oceli je zejména v mezi kluzu a mezi pevnosti. Naproti tomu ostatní mechanické vlastnosti (tažnost a vrubová houževnatost) zůstávají prakticky stejné.

MIKROLEGOVANÉ JEMNOZRNNÉ OCELI
Perspektivní vysokopevné oceli jsou vyráběny dvojím způsobem. Mikrolegované normalizačně válcované či termomechanicky zpracované oceli mají feriticko-bainitickou strukturu s velkou hustotou dislokací s následným vysokým příspěvkem dislokačního zpevnění. Aplikací jemnozrnnosti a dislokačního zpevnění lze dosáhnout podstatného snížení obsahu uhlíku v oceli (až na 0,08 hm. % a méně, podle typu oceli).

Cílem mnohonásobného po sobě jdoucího válcování mikrolegovaných ocelí je zbrzdit dynamickou rekrystalizaci deformačně indukovanými velmi jemnými karbidy titanu, niobu, vanadu a dalšími fázemi mikrolegujících prvků. Karbidy, nitridy a karbonitridy brání migraci a nárůstu zrn, jejichž velikost v aplikaci s řízeným válcováním, ochlazováním a dochlazením zůstává zachována po dokončení výrobní operace. Příznivě se chová i molybden, který zpomaluje kinetiku rekrystalizace a brzdí nárůst zrn oceli.

Druhou skupinu tvoří oceli v zušlechtěném stavu (kalení a popouštění). Zušlechtěním lze dosáhnout u oceli s nízkým obsahem uhlíku, vznikem nízkouhlíkového martenzitu po kalení, vysoké hodnoty meze kluzu. V závislosti na hodnotě meze kluzu jsou oceli legovány slitinovými prvky, jmenovitě niklem, chromem, molybdenem a vanadem.

Limitní obsah mikrolegujících prvků u jemnozrnných ocelí by neměl přesahovat 0,15 hm. % s tím, že hliník by měl být okolo 0,015 hm. %, titan maximálně 0,04 hm. % a vanad 0,1 hm. %. Přísada mikrolegujících prvků je velmi příznivá z hlediska tvorby karbidických a karbonitridických fází s příznivými energetickými stavy z hlediska jemnozrnnosti a vázání dusíku za současného zvýšení odolnosti oceli proti stárnutí.

Řízené metalurgické procesy vedou ke zpevnění oceli s možností snížení obsahu uhlíku a zlepšení jejich svařitelnosti. S výjimkou substitučního a intersticiálního zpevnění oceli je využito i deformačně – dislokačního a precipitačního zpevnění. Jemnozrnnost oceli velmi příznivě potlačuje náchylnost ke křehkému lomu, tj. posouvá přechodovou teplotu houževnatosti směrem k nízkým teplotám. Vývoj vysokopevnostních ocelí dokumentuje obr. 2.

VLASTNOSTI ZÁKLADNÍHO MATERIÁLU
Základní materiál o tloušťce 10 mm od firmy Thyssen Krupp Steel s dokumentem kontroly 3.1 (č. tavby 659924) je porovnán s tabulkovými hodnotami a naměřenou analýzou chemického složení základního materiálu (tabulka 1).

VÝSLEDKY PROVEDENÝCH ZKOUŠEK
Zkoušky se prováděly na dvou vzorcích č. 4 a 6 s rozdílnými úkosy. Zkouška tvrdosti HV10 probíhala podle ČSN EN ISO 9015-1 a mikrotvrdosti HV0,1 dle ČSN EN ISO 9015-2 v návaznosti na ČSN EN ISO 6507-1 v broušeném a naleptaném povrchu.

• a) Zkouška makrostruktury byla provedena podle ČSN EN ISO 17639 a hodnocena dle ČSN EN ISO 5817-B na metalografickém výbrusu naleptaném 5% roztokem kyseliny dusičné v ethylalkoholu.
  
  Hodnocení – Svarový spoj bez vad s dobrým průvarem dle hodnotících kritérií odpovídá kvalitě B dle ČSN EN ISO 5817.
  
  
• b) Příčná zkouška tahem tupého svarového spoje byla provedena podle ČSN EN ISO 4136.
  
  Pevnostní charakteristiky svarového spoje jsou dány oblastí svarového kovu, kde R_m a R_p0,2 jsou na cca 80 % základního materiálu.
  
  
• c) Mikrostruktura
  
  
• d) Porovnání katalogových hodnot svarových kovů s naměřenými (měření bylo provedeno ve svarových kovech na vzorku č. 6); (tabulky 3 a 4).

DISKUZE
Dosažené výsledky a zvolený přístup svařování jemnozrnných vysokopevných ocelí s mezí kluzu 1 100 MPa byly diskutovány se závěry článku [5], prezentujícím výsledky svařování vysokopevnostních jemnozrnných ocelí pro autojeřáb, svařovanými obdobně dráty G69 a G89. Ten zahrnuje výpočet uhlíkového ekvivalentu CET (CET [%] = C + (Mn + Mo) / 10 + (Cr + Cu) / 20 + Ni / 40) a teploty předehřevu Tp (Tp [°C] = 697 × CET + 160 × tanh (d/35) + 62 × HD^0,35 + (53 × CET – 32) × Q – 328). Námi vypočtené hodnoty dle EN 1011-2, C3, metoda B:

CET_0K13.43 = 0,395 %, Tp_0K13.43 = 70 °C a CET_X90 = 0,415 %, Tp_X90 = 86,5 °C) odpovídají porovnávaným hodnotám (CET = 0,42 %, Tp = 105 °C).

Naše průběhy tvrdostí u varianty č. 4 a 6 jsou srovnatelné s dosaženými výsledky Gerstera (viz obrázek 15) a ukazují změkčení svarového kovu.

ZÁVĚR
Experimentální zkoušky prokázaly dobrou svařitelnost oceli XABO 1100 použitým postupem s měkčím a pevnějším přídavným materiálem, OK Autrod 13.43 (garantovaná minimální mez kluzu až 690 MPa) a UNION X 90 (garantovaná minimální mez kluzu 890 MPa). Ke vzniku difuzním vodíkem indukovaných trhlin nedošlo.

Potvrdila se vhodnost snížených svařovaných parametrů při výrobě teleskopických výložníků. K dnešnímu dni neexistuje k základnímu materiálu S1100QL ekvivalent přídavného materiálu se srovnatelnou mezí kluzu. Na trh dodávaný nejpevnější drát je Union X96. V tomto případě byl minimální požadavek zákazníka na mez kluzu 700 MPa. Svařovacím postupem byly tyto vlastnosti dosaženy a zkouškami potvrzeny.

Výsledky tohoto projektu LO1207 byly získány za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „NPU1-Národní program udržitelnosti I“.

LITERATURA:
[1] ThyssenKrupp Steel, Inspection certificat 3.1 EN 10204
[2] UnionStahl GmbH [cit. 2015-04-12]. URL http://www.unionstahl.com/de/hochfeste-stahle.html 
[3] BÖHLER-UDDEHOLM Deutschland GmbH [cit. 2015-04-12]. URL http://www.bohlersoldabrasil.com.br/pesquisa/eng/pdf/separatas/BOHLER X 90-IG.pdf 
[4] ESAB VAMBERK, s.r.o. [cit. 2015-04-12]. URL http://www.vamberk.eu/cd-ENG/PDF_eng/1_Consum_CAT/2_Low-alloyed-steels/171_OK_Autrod_13_43.pdf 
[5] GERSTER, P - MAG – Schweissen hochfester Feinkornstähle im Fahrzeugkranbau, [cit. 2015-04-12]. URL http://www.dvs-ev.de/aktuell/Beispiel_1.pdf 

Weldability of High-Strength Steel with Slide Limit of 1,100 MPa
Prior to introducing new production of telescopes for the second largest mobile crane producer TADANO FAUN (pic. 1), we had performed verification testing preceding WPQR tests before the initiation of production. The testing was to verify the correctness of the chosen welding procedure using the two welding methods. The basic material is XABO 1100 (equivalent indication S1100QL).

Autoři

• Doc. Ing. Janovec Jiří CSc.
• Ing. Ducháček Petr