Vonkajšia nádoba z uhlíkovej ocele je oddelená izoláciou a vákuom. Vyrá­bajú sa malé transportné nádoby s objemom 250 až 3 000 l tekutých technických plynov (Ar, N2, O2, LNG, CO2, N2O atď.), ďalej stabilné zásobníky s objemom 2 600 až 250 000 litrov tekutého technického plynu, predchladeného na teplotu -60 ºC až -196 ºC.

Doteraz sa tieto tlakové zásobníky zvára­li strojovo pod tavivom. Pre zásobníky vyrá­bané spevňovaním základného materiálu tzv. cold strechingom, kde sa výpočtové napätie týmto procesom zvýši zo σK = 210 MPa až na max. σKSC = 410 MPa.

Dosiahne sa to zmenou štrukturálneho zlože­nia materiálu, t. j. austenitickej ocele na oceľ austenitickú s obsahom 2 – 8 % deformačného indukovaného martenzitu a dvojčiat.

Tu už metóda SAW (121) pri takejto čiastočnej degradácii základného materiálu a zvarových spojov je na hranici svojej vhodnosti, pre kry­ogénne tlakové nádoby spevňované na hornú hranicu σK t. j. zvýšenie o 200 MPa.

Preto spoločnosť TWS ako prvá v Európe preš­la na nový spôsob ich zvárania, a to tzv. hybrid­ným plazmovým zváraním.

POPIS HYBRIDNÉHO PLAZMA TIG ZVÁRANIA A JEHO POROVNANIE SO ZVÁRANÍM SAW

Prvý horák je výkonný plazmový horák, pracu­júci metódou kľúčovej dierky (keyhole plazma), ktorý pretaví Cr-Ni austenitickú oceľ bez úpra­vy zvarových hrán na jednu vrstvu a bez prídav­ného materiálu do hĺbky 10 mm.

Druhý, vlečný horák, je strojový TIG s podá­vaním studeného drôtu s magnetickou oscilá­ciou elektrického oblúka; ten uskutočnený zvar dotvaruje a vyhladí.

Keyhole plazmový efekt vzniká pri vyšších prú­doch a špeciálnych podmienkach prúdenia plaz­mového lúča. Teplo a dynamický účinok plaz­mového lúča pretaví základný materiál a vytvorí otvor v prednej spodnej časti zvarového kúpeľa.

Natavený materiál sa dynamickými silami pri pohybe horáka premiestni do tyla zvarového kúpeľa, kde tuhne a vytvára zvarový spoj. Pri­tom sa cez „ kľúčovú dierku“ vytvoreným kaná­lom na povrch zvaru vyplavia nečistoty zvaru a plyny (oxidy, sírniky a pod.).

Výsledkom je vysoká čistota zvarového kovu. Druhý horák, ktorý vytvaruje líce zvaru a zopti­malizuje jeho prevýšenie, je mimoriadne vhod­ný na minimalizáciu koncentrácie v napätí v je­ho prechode pri namáhaní zvarenca.

Hybridné plazmové zváranie nám umožní zvý­šiť produktivitu zvárania, ktorá pri menších hrúbkach (4 mm) sa blíži k rýchlosti zvárania SAW (v = 60 cm/min).

Z našich skúseností sme zistili, že hybridným zváraním sa zníži nebezpečenstvo vzniku horú­cich trhlín. To sa zvyšuje pri vzniku nevhodnej kryštalizačnej vani a príkonu zvárania pri SAW zváraní, kde môžu vzniknúť nízkotaviteľné eu­tektické filmy (pleny – O, P, S) uložené v medzi­dendrických priestoroch ZK (1, 2).

Zvarový kov vytvorený hybridnou plazmou má výrazne zlepšené vlastnosti aj za nízkych kryo­génnych teplôt.

EXPERIMENTÁLNA ČASŤ PRÁCE

Na porovnanie vlastností zvarového spoja sme navzájom posúdili skúšobné vzorky z ocele X5CrNi18-10 (EN 10028-7) hrúbky 10 mm zvá­rané hybridnou plazmou a metódou SAW.

V tabuľke č. 1 sú uvedené vlastnosti skúšaného základného materiálu.

V tabuľke č. 2 sú udané parametre ich zvárania pri oboch metódach.

Ďalej sa uskutočnilo štúdium makro a mikro­štruktúry, mikrotvrdosti.

Na obr. č. 2 (SAW) a č. 3 (Plazma + TIG) makro­štruktúry oboch zvarových spojov.

V tab. č. 3 sú namerané výsledky mechanických skúšok zvarových spojov s meraním feritického čísla FN (feritometer Fisher).

Po spevnení zváraných vzoriek jednoosovým ťahom s 11,25 % deformáciou (v nádobe s tro­josovým napätím je to maximálne povolená de­formácia 7,5 %), pre vzorky zvárané metódou SAW a hybridnou plazmou. Namerané výsled­ky sú uvedené v tabuľke č. 4.

DISKUSIA K DOSIAHNUTÝM VÝSLEDKOM

Hybridné plazmové zváranie z dôvodu vysokej čistoty zvarového kovu a výhodnej kryštalizačnej vane sa vyznačuje vysokou kvalitou zvarových spojov. Zvar má vysokú hustotu hrubých kolum­nárnych dendridov, pričom ich vnútro má mi­moriadne jemnú štruktúru. Zhrubnutie austeni­tického zrna sa v TOZ zvare nevyskytuje.

Merania mikrotvrdosti poukazujú na hodno­ty základného materiálu (ZM) v rozmedzí 186 až 205 HV0,05, zvarový kov (ZK) mierne vyššiu ako 222 HV0,05 a TOZ zvaru je v rozmedzí 205 až 210 HV0,05, čiže oproti ZM má nepatrné roz­diely. Po CS ZK 244 HV0,05, TOZ 242 HV0,05, ZM 205 HV0,05.

Delta ferit v TOZ a ZK je fragmentovaný na krátke častice, pričom ZK má výhodné FN z hľadiska odolnosti voči solidifikačnému pras­kaniu ZK a poklesu lomovej húževnatosti K1C za znížených teplôt.

Zváranie sa vyznačuje napriek nižšej rýchlosti zvárania oproti metóde SAW vysokou efektivi­tou. Je to v dôsledku zvárania plechov do hrú­bok 10 mm na jeden prechod horákov bez úpra­vy zvarových hrán. Odpadá brúsenie koreňa zvaru a máme nízku spotrebu prídavného ma­teriálu (len 1/10).

PRAKTICKÉ ZVÁRANIE TLAKOVÝCH NÁDOB HYBRIDNOU PLAZMOU

Na zariadeniach od výrobcu Air-Liquide zvára­me pozdĺžne a obvodové zvary jednotlivých prs­tencov a dien od priemerov 900 do 4 000 mm, dĺžok do 15 m, tlaku do 37 barov z Cr-Ni ocelí typu 18/8 do hrúbok 10 mm. Väčšie hrúbky do 20 mm zvárame kombinovane, koreňová časť plazma, krycia SAW.

Na obr. č. 4 vidíme zváracie zariadenie na po­zdĺžne zvary, na obr. č. 5 na zváranie obvodo­vých zvarov.

ZÁVER

Hybridné plazmové zváranie je novou cestou zvárania tlakových nádob z Cr-Ni austenitických ocelí aj pre vysoko namáhané kryogénne tlakové zásobníky, pri zlepšení ich úžitkových vlastností. Pričom nová úsporná technológia si vyžaduje zvýšenú čistotu a presnosť výroby zvá­raných častí tlakových nádob.

LITERATÚRA

[1] Čomaj, M.; Zohn, J.: Kryogénne tlakové nádoby z deformačne spevnených austenitických Cr-Ni ocelí. Zvárač V/3 2008.

[2] Hrivňak, I.: Zváranie a zvariteľnosť materiálov. STU Bratislava 2013.

[3] Longauerová, M.: Mikroštruktúra zvarových spojov, TU Košice interná správa 2013

TEXT/FOTO DOC. ING. MILAN ČOMAJ, PHD. TAYLOR-WHARTON SLOVAKIA, S. R. O., KOŠICE