Zvariteľnosť termomechanicky spracovaných ocelí je vzhľadom na nízky obsah uhlíka a prísadových prvkov považovaná za dobrú. Ako problematické sa v praxi preukázalo najmä zváranie vyšších pevnostných tried, ktoré sú tvorené prevažne nestabilnými štruktúrnymi fázami (martenzit, bainit). Pri zváraní takýchto typov ocelí dochádza v teplom ovplyvnenej oblasti (TOO) k nenávratným fyzikálno-metalurgickým zmenám, ktoré sa prejavujú výrazným poklesom tvrdosti a pevnosti. Vo všeobecnosti je rozsah a charakter týchto zmien ovplyvnený typom základného materiálu a procesom zvárania. Experimentálne merania založené na fyzikálnej simulácii vzoriek základného materiálu preukázali, že pokles medze klzu v TOO v porovnaní so základným materiálom môže predstavovať až 36 % [1]. Tento jav je možné pozorovať aj na reálnych zvarových spojoch, pri ktorých taktiež dochádza k poklesu medze klzu a medze pevnosti. V prípade zvarových spojov však pokles medze klzu nie je tak razantný ako predpovedajú fyzikálne simulácie. V praxi pokles medze klzu zvarových spojov nepresiahol hodnotu 12 %, pričom v prípade zvárania laserovým lúčom nedošlo k žiadnemu poklesu medze klzu [2,3].
Dôvodom pre miernejší pokles medze klzu vo zvarových spojoch je tzv. zákon plastického tečenia. Od momentu, keď je spoj zaťažený až do momentu dosiahnutia hodnoty medze klzu odpevnenej oblasti sú napätia a deformácie rozložené homogénne. V momente, keď dôjde k plastickej deformácii, sa začne medza pevnosti a deformačná kapacita spoja riadiť zákonom plastického tečenia [4,5].
Zákon popisuje ako lokálne tepelné ovplyvnenie materiálu (odpevnená oblasť) spôsobuje vysokú koncentráciu plastického napätia, ktorá vedie k predčasnému porušeniu zvarového spoja. Napätie, pri ktorom dôjde k porušeniu, je závislé predovšetkým od rozdielov medzi medzou klzu odpevnenej oblasti a priľahlého materiálu (ZK a ZM). Keď vznikne plastická deformácia v TOO, aplikovaná sila nestačí na vovedenie zvarového kovu a základného materiálu do plastického stavu. Zatiaľ čo sa v TOO rozvíja plastická deformácia, základný materiál a zvarový kov pôsobia ako obmedzenia zabraňujúce akumulácii plastickej deformácie, čo má za následok vznik zložky hydrostatického napätia v TOO [5,6].
Z formulácie zákona tak vyplýva, že významným faktorom vplývajúcim na výslednú pevnosť zvarového spoja ako celku má okrem medze klzu priľahlých oblastí aj šírka odpevnenej oblasti. Viaceré štúdie preukázali, že v prípadoch, keď je odpevnená oblasť dostatočne úzka, okolitý materiál, ako v priereze, tak aj na povrchu, vytvára silnú prekážku, a preto sa v priečnom a pozdĺžnom smere vyvíja komponent hydrostatického napätia. Zjednodušene je možné povedať, že zložka hydrostatického napätia zvyšuje veľkosť napätia potrebného v smere zaťaženia na dosiahnutie medze klzu v TOO [7]. Preto je pre navýšenie medze klzu zvarových spojov termomechanicky spracovaných a zušľachtených ocelí potrebné v čo najväčšej miere zredukovať šírku odpevnenej oblasti. V praxi je to možné dosiahnuť buď úpravou parametrov oblúkového zvárania (znížiť tepelný príkon), prípadne aplikáciou lúčových technológii zvárania [2,3].
Z uvedených poznatkov vyplýva, že existuje priamy súvis medzi šírkou odpevnenej oblasti a hodnotou medze klzu a medze pevnosti zvarového spoja, pri ktorom platí, že s poklesom šírky odpevnenej oblasti narastá medza klzu a medza pevnosti zvarového spoja. V prípade ocele S960MC bol daný súvis vyjadrený empirickým vzťahom vo forme mocninovej rovnice, na základe ktorej je možné odhadnúť výslednú medzu klzu a medzu pevnosti iba na základe odmeranej šírky odpevnenej oblasti. Tento fakt je možné využiť aj pri numerických simuláciách zvarových spojov, pri ktorých sa v tepelno-metalurgickej výpočtovej časti získajú informácie o rozložení tvrdosti a fáz v TOO. Šírka odpevnenej oblasti sa následne stanoví na základe rozloženia tvrdosti v TOO na základe známych metodík [8]. Výhodou simulačných softvérov je taktiež možnosť simulovania variabilného tepelného príkonu a tvaru teplotného poľa, ktoré výrazne vplývajú na tvar a veľkosť odpevnenej oblasti.

Simulácia procesu zvárania
Použitý materiál a vyhotovenie experimentu
Na účely experimentu boli použité podklady zo zvárania tupých zvarových spojov plechov z konštrukčnej ocele Strenx 960MC (SSAB, Švédsko) s hrúbkou 3 mm. Oceľ bola vyrobená technológiou termomechanického valcovania a svoju vysokú pevnosť dosahuje vďaka jemnozrnnej mikroštruktúre tvorenej bainitom, popusteným martenzitom a zvyškovým austenitom. Mechanické vlastnosti ocele udávané výrobcom sú zobrazené v Tab. 1 a chemické zloženie podľa dokumentu kvality (hutného atestu) je uvedené v Tab. 2.

Tab. 1: Mechanické vlastnosti ocele Strenx 960MC udávané výrobcom

Tab. 2: Chemické zloženie ocele Strenx 960MC na základe inšpekčného certifikátu (hm. %)

Referenčný zvarový spoj bol konfigurovaný ako tupý spoj s I zvarom s koreňovou medzerou 2,3 mm. Rozmer plechov bol 150 × 300 mm s hrúbkou 3 mm. Zváranie bolo vyhotovené podľa navrhnutých zváracích parametrov uvedených v Tab. 3 procesom MAG v režime CMT. Makroštruktúra zvarového spoja je zobrazená na Obr. 1.

Tab. 3: Parametre zvárania tupého zvarového spoja technológiou MAG

Obr. 1: Makroštruktúra zvarového spoja zváraného metódou CMT

Na základe statickej skúšky ťahom vyhotovenej podľa normy STN EN ISO 4136 bola stanovená dohovorená medza klzu zvarového spoja na 927 MPa a medza pevnosti na 945 MPa. Pre potreby stanovenia šírky odpevnenej oblasti bolo vyhotovené líniové meranie tvrdosti metódou Vickers so zaťažením 1 kg (HV1). Línia bola vedená v priečnom reze stredom hrúbky materiálu tak, aby merania pokryli všetky metalurgické oblasti zvarového spoja. Jednotlivé vpichy boli od seba vzdialené 0,25 mm. Celkovo bolo vyhotovených 148 meraní. Výsledky meraní spolu s lokalizáciou vpichov sú zobrazené na Obr. 2.

Obr. 2: Líniové merania tvrdosti referenčného zvarového spoja (metóda HV1)

Numerická simulácia referenčného zvarového spoja
Numerická simulácia bola vykonaná v simulačnom softvéri SYSWELD (ESI Group, Francúzsko). Vytvorenie 3D modelu pre simuláciu zváracieho procesu vychádzalo z geometrie referenčného zvarového spoja (Obr. 1). Vzhľadom k charakteru výpočtovej úlohy pre fyzikálno-metalurgickú časť výpočtu bol model vytvorený iba pre polovicu zvarového spoja a úloha bola riešená ako symetrická. Okrajové podmienky simulácie zvárania boli nastavené tak, aby bola dosiahnutá čo najpresnejšia geometrická zhoda roztavenej oblasti v simulácii s oblasťou zvarového kovu referenčného zvaru (Obr. 2). Roztavená oblasť zvaru v simulácii je zobrazená ružovou farbou a predstavuje teploty prevyšujúce 1 519°C.
Geometria roztavenej oblasti bola dosiahnutá pomocou zmeny tepelného príkonu, výberom elementov, cez ktoré je teplo vnesené do zvarového spoja a zmenou funkčných závislostí zdroja tepla.

Obr. 3: Kalibrácia teplotného zdroja v numerickom modeli

Tepelný zdroj bol definovaný ako Goldakov dvojelipsoidný zdroj tepla (Obr. 3). Parametre AR, AF, B, C boli odmerané z makroštruktúry referenčného zvarového spoja. Funkčné závislosti šírenia tepla zo zdroja boli v rovine kolmej na smer zvárania zablokované, a teda teplo sa šírilo zo zdroja tepla konštantne v celom priereze elipsoidu.
Hodnoty AF = 3,33 mm, AR = 6,67 mm ostali nezmenené. Hodnoty parametrov B = 12,00 mm, C = 8,80 mm boli experimentálne stanovené sériou simulácií. Po tejto úprave spolu s modelom 3D Load, bola hodnota tepelného príkonu stanovená na 1,49 kJ·cm-1. Rýchlosť zvárania vz = 49,8 cm·min-1 vychádzala z parametrov referenčného zvarového spoja. Tieto okrajové podmienky boli stanovené ako referenčné pre numerickú simuláciu.

Obr. 4: Goldakov dvojelipsoidný zdroj tepla a výsledný modul 3D Load (červené elementy) pre distribúciu tepla do zvarového spoja

Po zadefinovaní a kalibrovaní zdroja tepla bol spustený výpočet úlohy. Pre výpočet bol použitý materiálový model zodpovedajúci oceli S960MC. Z dostupných výsledkov fyzikálno-metalurgickej časti numerickej simulácie boli pre potreby experimentu relevantné najmä hodnoty tvrdosti. Porovnanie hodnôt tvrdostí z numerickej simulácie a z referenčného zvarového spoja sú zobrazené na Obr. 5.

Obr. 5: Porovnanie simulovaných a reálnych hodnôt tvrdostí zvarového spoja

Na línii tvrdosti vyhotovenej numerickou simuláciou je možné pozorovať absenciu výpočtov pre oblasť zvarového kovu a pre oblasť nad teplotou Ac1. Dôvodom je chýbajúca materiálová databáza pre materiál zvarového kovu ako aj chýbajúce dáta spojené s kinetikou rastu austenitického zrna v materiálovom modeli. Z hľadiska stanovenia šírky odpevnenej oblasti je však absencia výpočtov v tejto oblasti nerelevantná.
Na stanovenie šírky odpevnenej oblasti bola stanovená metodika vychádzajúca z hodnôt tvrdosti. Pri tejto metodike je za odpevnenú oblasť považovaná časť materiálu s poklesom tvrdosti pod úroveň 90 % tvrdosti základného materiálu [8]. Pre oceľ S960MC je tak hranica odpevnenej oblasti na úrovni 325 HV1. Šírka odpevnenej oblasti sa následne stanoví odčítaním z osi X. Pre numerickú simuláciu bola šírka odpevnenej oblasti stanovená na 5 mm a pre referenčný zvarový spoj na 4,8 mm.

Numerické simulácie s variabilným tepelným príkonom
Na základe poznatkov z oblasti zvárania termomechanicky spracovaných ocelí je známy súvis medzi aplikovaným tepelným príkonom a šírkou odpevnenej oblasti, ktorá priamo vplýva na hodnoty medze klzu a medze pevnosti zvarového spoja. Z toho dôvodu je aplikovaný tepelný príkon kľúčovým faktorom vplývajúcim na hodnoty mechanických vlastností zvarového spoja ako celku. Použitie numerických simulácií umožňuje vytvorenie numerického modelu s možnosťou aplikovania ľubovoľného tepelného príkonu. Pre účely danej práce boli voči referenčnému numerickému modelu vytvorené dva modely simulujúce zvýšený tepelný príkon. Zvýšené tepelné príkony boli na úrovni 1,74 kJ·cm-1 (Model 1) a 1,99 kJ·cm-1 (Model 2). Pre oba modely boli vyhotovené výpočty, ktorých cieľom bolo stanoviť priebehy tvrdosti v TOO. Výsledné hodnoty líniovej tvrdosti a informácie o maximálnej teplote v jednotlivých uzlových bodoch sú zobrazené na Obr. 6.

Obr. 6: Líniový priebeh tvrdosti a hodnoty maximálnej teploty pre referenčný model a modely so zvýšeným tepelným príkonom

V Tab. 4 sú uvedené hodnoty tepelného príkonu, času ochladzovania t8/5 a šírky odpevnenej oblasti pre všetky počítané numerické modely.

Tab. 4: Vybraté hodnoty numerických simulácii zvarových spojov

Aplikovanie výsledkov numerických simulácii
Získané hodnoty šírky odpevnenej oblasti je možné na základe známych empirických vzťahov použiť na odhad výpočtu výslednej medze klzu a medze pevnosti zvarového spoja. Empirické vzťahy pre oceľ S960MC boli získané analýzou viacerých zvarových spojov zváraných variabilnými hodnotami tepelného príkonu [2,3,8]. Grafické zobrazenie závislosti medzi šírkou odpevnenej oblasti a hodnotami medze klzu medze pevnosti sú zobrazené na Obr. 7. Z daného grafu vyplýva, že výpočet odhadovanej hodnoty medze klzu na základe šírky odpevnenej oblasti bude prebiehať podľa rovnice (1) a odhadovanej hodnoty medze pevnosti na základe rovnice (2):

Obr. 7: Závislosť medzi šírkou odpevnenej oblasti a medzou klzu/pevnosti

Pre získanie odhadu hodnoty medze klzu a medze pevnosti boli hodnoty šírky odpevnenej oblasti získané numerickými simuláciami dosadené do rovníc (1) a (2). Odhadované hodnoty medze klzu a medze pevnosti spolu s reálnymi hodnotami referenčného zvarového spoja sú uvedené v Tab. 5.

Tab. 5: Hodnoty odhadovanej medze klzu a medze pevnosti

Diskusia a záver
Z uvedených výsledkov je možné pozorovať úspešné aplikovanie numerickej simulácie procesu zvárania s cieľom predikcie výsledných mechanických vlastností tupého zvarového spoja ocele S960MC. Použitím fyzikálno-metalurgickej analýzy simulačného softvéru SYSWELD bolo možné simulovať vplyv variabilného tepelného príkonu na výsledné metalurgické zmeny v TOO zvarového spoja. Analýzou distribúcie tvrdosti bola stanovená šírka odpevnenej oblasti, ktorá na základe tzv. zákona plastického tečenia priamo vplýva na výsledné hodnoty medze klzu a medze pevnosti. Presnosť simulácie bola overená porovnaním s referenčným zvarovým spojom, pričom bolo zistené že rozdiel medzi reálnou a simulovanou šírkou odpevnenej oblasti sa pohybuje v rozmedzí ± 5 %. Po dosadení získaných hodnôt šírky odpevnenej oblasti do empirických vzťahov bolo možné odhadnúť približné hodnoty celkovej medze klzu a medze pevnosti zvarového spoja. Takto vypočítané hodnoty preukázali negatívny vplyv nadmerného tepelného príkonu na mechanické vlastnosti zvarových spojov termomechanicky spracovaných vysokopevných ocelí.

TEXT/FOTO Ing. Martin FRÁTRIK; doc. Ing. Miloš MIČIAN, PhD., Žilinská univerzita v Žiline, Strojnícka fakulta

Odborný príspevok recenzoval: prof. Ing. Michal HATALA, PhD.; TU Košice; FVT so sídlom v Prešove; Ing. Ľubomír OLEXA, PhD.; TVIC, s. r. o., Prešov

Literatúra:
[1] Mičian, M. – Winczek, J. – Harmaniak, D. – Koňár, R. – Gucwa, M. – Moravec, J.: Physical Simulation of Individual Heat-Affected Zones in S960MC Steel. Arch. Metall. Mater., 66, 2021, 81-89
[2] Mičian, M. – Frátrik, M. – Kajánek, D.: Influence of Welding Parameters and Filler Material on the Mechanical Properties of HSLA Steel S960MC Welded Joints. Metals, 11, 2021, 305
[3] Mičian, M. – Frátrik, M. – Bárta, J.: Investigation of Beam Welding Technologies Effect on the Properties of Welded Joints of S960MC Steel. Arch. Metall. Mater., (akceptované k publikovaniu 15.8.2022)
[4] Amarei, M. – Skriko, T. – Björk, T. – Zhao. X.-L.: Plastic Strain Characteristics of Butt-Welded Ultra-High Strength Steel (UHSS). Thin-Walled Struct., 109, 2016, 227-241
[5] Rodrigues, D. M. – Menezes, L. F. – Loureiro, A. – Fernandesm, J. V.: Numerical Study of the Plastic Behavior in Tension of Welds in High Strength Steels. Int. J. Plast., 20, 2004, 1-18
[6] Amarei, M. – Dabiri, M. – Björk, T. – Skriko, T.: Effects of Workshop Fabrication Processes on the Deformation Capacity of S960 Ultra-high Strength Steel. J. Manuf. Sci. Eng., 138, 2016
[7] Maurer, W. – Ernst, W. – Rauch, R. – Vallant, R. – Enzinger, N.: Evaluation of the Factors Influencing the Strength of HSLA Steel Weld Joint with Softened HAZ. Weld. World, 59, 2015, 809-822
[8] Amraei, M. – Ahola, A. – Afkhami, S. – Bjork, T. – Heidarpour, A. – Zhao. X.-L.: Effects of Heat Input on the Mechanical Properties of Butt-Welded High and Ultra-High Strength Steels. Eng. Struct., 198, 2019
[9] Frátrik, M. – Mičian, M.: Metodiky stanovenia šírky odpevnenej oblasti tupých zvarových spojov HSLA ocelí, Zborník prednášok XIII. Národné dni zvárania 2022, 2022