titČlánok je zameraný na meranie teplotných cyklov pri oblúkovom zváraní ocelí. Teplotný cyklus zobrazuje priebeh zmeny teploty v jednom bode počas procesu zvárania. Z výsledného záznamu je možné v danom bode určiť parametre ako maximálnu teplotu (Tmax), čas chladnutia v intervale teplôt 800 °C až 500 °C (t8/5), čas chladnutia v intervale teplôt Tmax až 100 °C (t100), teplotu predohrevu a ďalšie.


Tieto hodnoty nám môžu poskytnúť detailnejší pohľad pri procesoch štruktúrnych zmien a difúznych procesoch.

Príprava experimentu
Experiment bol vykonaný na zvarených plechoch z materiálu S690QL v hrúbke h = 20 mm. Ide o vysokopevnú konštrukčnú oceľ dodávanú v kalenom a popustenom stave patriacu do skupiny 3.1 podľa STN CR ISO 15608. Chemické zloženie a mechanické vlastnosti podľa dokumentu kontroly sú uvedené v tab. 1. Rozmery vzorky a úprava hrán sú zobrazené na obr. 1, pričom rozmery boli zvolené s ohľadom na požiadavku pre skúšobné vzorky hotového tupého zvarového spoja podľa schvaľovacej normy STN EN 15614-1 (teda 300x300 mm).

tab1
Tab. 1: Chemické zloženie ocele S690QL podľa výrobného atestu C

 

Do protiľahlých plechov bolo spoločne vyfrézovaných 8 otvorov na umiestnenie termočlánkov, pričom vzdialenosť konca otvoru od zvarovej hrany sa postupne zvyšovala o 0,15 mm. Najhlbší otvor teda končí vo vzdialenosti 1,5 mm od zvarovej hrany, zatiaľ čo najplytší 2,55 mm. Odstupňovanie hĺbky umiestnenia termočlánkov bolo vykonané preto, aby aj v prípade hĺbky pretavenia hrany väčšej ako 1,5 mm bola stále možnosť zmerať teplotný cyklus pomocou plytšie umiestneného termočlánku.

obr1 obr2
Obr. 1: Rozmery vzoriek Obr. 2: Rozmiestnenie termočlánkov


Rozmiestnenie termočlánkov zobrazené na obr. 2 sa ukázalo ako vhodné, pretože počas zvárania došlo k pretaveniu hrany do väčších hĺbok a teda aj k pretaveniu a poškodeniu niektorých termočlánkov. Na meranie teplôt boli použité termočlánky typu K, teda kombinácia NiCr a NiAl. Termočlánky boli privarené v otvoroch k základnému materiálu, aby dochádzalo k priamemu prenosu tepla.
Proti vytrhnutiu boli zabezpečené vysokoteplotným tmelom na lepenie termočlánkov OMEGA CC HIGH TEMPERATURE a odskúšané. Prepojenie medzi počítačom a termočlánkami zabezpečovala snímacia karta NI 9212 s frekvenciou snímania 96 Hz a nami vytvorená aplikácia na snímanie teploty a zaznamenanie údajov v softvéri LabVIEW.

Proces zvárania
Zvarové spoje boli vyhotovené ručným zváraním metódou 135 (MAG), a to v polohách PC a PF. Tieto polohy boli vybrané z toho dôvodu, že v prípade polohy PC prebieha zváranie s najnižšími tepelnými príkonmi a v polohách PF s najvyššími. Koreňová vrstva bola v oboch prípadoch vyhotovená prídavným materiálom OK AristoRod 12,50 s priemerom Ø 1 mm. Ide o prídavný materiál s nižšou pevnosťou a vyššou húževnatosťou ako základný materiál. V polohe PC boli týmto drôtom vyhotovené prvé tri vrstvy a v polohe PF iba prvá vrstva. Na ostatné vrstvy bol použitý prídavný materiál OK AristoRod 69 s priemerom Ø 1 mm. Mechanické vlastnosti prídavných materiálov podľa dokumentu kontroly sú uvedené v tab. 2. Ochranná atmosféra bola tvorená zmesovým plynom triedy M21 s obsahom 82 % Ar a 18 % CO2.

tab2
Tab. 2: Mechanické vlastnosti základného a prídavného materiálu

 

Teplotné cykly a spracovanie výsledkov
V nasledujúcej časti sú zobrazené a popísané iba teplotné cykly pre zvarové húsenice, pri ktorých bola nameraná teplota nad 800 °C. Pri zváraní v polohe PC bola nameraná teplota nad 800 °C pri kladení druhej zvarovej vrstvy. Tieto hodnoty dosiahli termočlánky T4, T5 a T6 (obr. 3). Termočlánok T7 bol poškodený pri preprave na zváracie pracovisko.

obr3
Obr. 3: Teplotný cyklus pri zváraní druhej vrstvy v polohe PC

 

Pri zváraní v polohe PC teda došlo k väčšiemu pretaveniu a prehriatiu spodného plechu. Môžeme pozorovať že TOO viac zasahuje práve do týchto termočlánkov. V prípade termočlánkov T0 až T3 už nebola nameraná teplota nad 800 °C. Teplota nepresiahla túto hranicu z dôvodu umiestnenia plechov pri zváraní v polohe PC a použitia nižších tepelných príkonov vhodných pre túto polohu zvárania. Tieto aspekty sa teda prejavili menším pretavením zvarových hrán na vrchnom plechu. V tabuľke 3 k obr. 4, 5 a 6 sú uvedené časy chladnutia t8/5 a priemerná hodnota tvrdosti nameraná v blízkosti daného termočlánku.

tab3
Tab. 3: Termočlánky T4, T5 a T6 v polohe PC
tab4
Tab. 4: Parametre zvárania v polohe PC
tab5
Tab. 5: Parametre zvárania v polohe PF

 

Na zvarenie vzorky v polohe PF stačilo päť zvarových húseníc oproti sedemnástim v prípade polohy PC. Tento rozdiel je daný odlišnosťou použitej techniky vedenia horáka zváračom. Zatiaľ čo v prípade polohy PC zvárač viedol horák priamočiaro, v polohe PF používal rozkyv. V prípade rozkyvu vedie zvárač horák striedavo z jednej strany na druhú a posúva sa vpred. V polohe PF sú použité nižšie rýchlosti zvárania a vyššie tepelné príkony.

obr4 obr5 obr6
Obr. 4 Obr. 5 Obr. 6

 

Vplyv spôsobu vedenia horáka na tvar krivky teplotných cyklov je zrejmý pri porovnaní obrázkov 3 a 8. V polohe PC majú krivky plynulý priebeh, teda nárast teploty a jej následný pokles v priebehu ochladzovania. V prípade polohy PF však môžeme pozorovať výkyvy teplôt, teda opakujúci sa proces ohrievania a chladnutia, zapríčinený práve rozkyvom horáka počas zvárania.

obr7
Obr. 7: Teplotný cyklus pri zváraní prvej vrstvy v polohe PF

 

Pri zváraní v polohe PF (obr. 7) došlo k pretaveniu hrany základného materiálu až k umiestneniu termočlánkov T0, T1 a T2, v dôsledku čoho došlo k poškodeniu termočlánkov T1 a T2. Termočlánky T0, T3 a T5 namerali teplotu nad 800 °C, pričom teplota v mieste termočlánku T0 dosiahla hodnotu 1 428 °C.

obr8
Obr. 8: Teplotný cyklus pri zváraní druhej vrstvy v polohe PF

V prípade druhej vrstvy došlo k nameraniu maximálnej teploty u všetkých termočlánkov nad 800 °C (obr. 8). Časy chladnutia T8/5 sú dlhšie ako v prípade polohy PC v dôsledku väčšieho vneseného tepla.

obr9 obr10 obr11 obr12
Obr. 9 Obr. 10 Obr. 11 Obr. 12

 

Diskusia
Pri porovnaní hodnôt časov chladnutia t8/5 s nameranými tvrdosťami v čo najbližšom okolí umiestnenia termočlánkov bol predpoklad, že s nárastom času chladnutia t8/5 bude klesať hodnota tvrdosti. V prípade nášho experimentu sa však tento predpoklad nepotvrdil. Pri porovnaní časov chladnutia t8/5 pre obidve metódy zvárania je vidieť, že v prípade polohy PC sú časy chladnutia 4 až 5-krát kratšie ako v prípade polohy PF, ale hodnoty tvrdosti sú porovnateľné. Táto odlišnosť je pravdepodobne spôsobená tým, že ide o viac prechodové zvary. Tým pádom dochádzalo k viacnásobnému tepelnému ovplyvneniu danej oblasti. Ďalšie experimenty sa preto budú vykonávať na tenkých plechoch s jednoprechodovým zvarom. V tomto prípade už nebude dochádzať k viacnásobnému prehrievaniu vzorky. Rovnako aj proces zvárania bude robotizovaný, aby sa dali detailnejšie monitorovať a vyhodnocovať parametre zvárania a presnejšie riadiť tepelný príkon.

tab6
Tab. 6: Termočlánky T0 a T7, T5, T4 a T3, T6 v polohe PF

 

Autori: Ing. Daniel Harmaniak, doc. Ing. Miloš Mičian, PhD., prof. Ing. Augustín Sládek, Žilinská univerzita v Žiline, Strojnícka fakulta, Dr hab. inž. Prof. PCz. Jerzy Winczek, Dr inž. Marek Gucwa, PhD. – Częstochowa University of Technology, Dąbrowskiego 69, 42-201 Częstochowa, Poland

Odborný príspevok recenzovali: Ing. Renáta KOZMOVÁ; Messer Tatragas, Ing. Miroslav SAHUL, PhD.; STU, MtF Trnava

Literatúra
[1] Jambor, M., Bokůvka, O., Nový, F., Mičian, M., Harmaniak, D., Trško, L.: Evolution of microstructure in the heat affected zone of S960MC GMAW weld. In: Materials Research Forum LLC, s. 78-83. ISBN 978-1-945291-80-7. 2018
[2] Harmaniak, D., Mičian, M., Jambor, M., Trško, L. (2017): Špecifiká zvárania vysokopevných ocelí. In: Zváranie 2017, Tatranská Lomnica, 8 – 10. 11. 2017. pp. 80-87. pp. 266, ISBN: 978 - 80 - 89296 - 21 - 7.
[3] Yaowu, S., Zhunxiang, H.: Effect of weld thermal cycle on microstructure and fracture toughness of simulated heat–affected zone for a 800MPa grade high strength low alloy steel. In: Journal of Materials Processing Technology, Volume 207, Issues 1–3, Pages 30-39. ISSN 0924-0136. 2008
[4] Hrivňák, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov 1. Vyd. Bratislava: Slovenská technická univerzita. 2009
[5] Ballesteros, F., Mičian, M.: Vplyv viacnásobnej opravy zvarového spoja ocelí s vyššou medzou klzu na výsledné mechanické vlastnosti. Diplomová práca, Žilinská univerzita v Žiline, 58 s. 2017
[6] Pikula, J. – Lomozik, M. – Pfeifer, T. 2017: The influence of manual metal arc multiple repair welding of long operated waterwall on the structure and hardness of the heat affected zone of weldet joints. [online]. Poland: Gliwice, 06. 03. 2017