DOLOČITEV LOMNO MEHANSKIH LASTNOSTI NA ZVARNEM … · 2017-11-27 · mehanika se izvaja v OM, TVP in varu. S primerjavo rezultatov z vseh treh območij lahko predpostavimo, kje se

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Klemen JERČIČ

DOLOČITEV LOMNO MEHANSKIH LASTNOSTI

NA ZVARNEM SPOJU ZVARJENEM Z

GNETENJEM

Diplomsko delo

visokošolskega strokovnega študijskega programa 1.stopnje

Strojništvo

Maribor, november 2016

-- 1 --

DOLOČITEV LOMNO MEHANSKIH LASTNOSTI

NA ZVARNEM SPOJU ZVARJENEM Z

GNETENJEM

Diplomsko delo

Študent: Klemen JERČIČ

Študijski program: visokošolski strokovni študijski program

1. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: doc.dr. Tomaž VUHERER

Somentor: doc.dr. Janez KRAMBERGER

Maribor, november 2016

-- 2 --

-II-

I Z J A V A

Podpisani ______________________________, izjavljam, da:

je diplomsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli

izobrazbe po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

so rezultati korektno navedeni,

nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

-III-

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju Doc.dr. Tomaž Vuherer in

(so)mentorju Doc.dr. Janez Kramberger za pomoč in

vodenje pri opravljanju diplomskega dela.

-IV-

DOLOČITEV LOMNO MEHANSKIH LASTNOSTI NA ZVARNEM

SPOJU ZVARJENEM Z GNETENJEM

Ključne besede : Varjenje, lomna mehanika, natezni preizkus, udarna žilavost,

ASTM E1820

UDK : 620.174:621.791.053(043.2).

POVZETEK

Cilj moje diplomske naloge je bil, da ugotovim, katere od treh hitrosti varjenja po

varjenju z gnetenjem imajo najboljše mehanske lastnosti in najboljšo mehaniko loma

ter v katerem območju vara (istosmerno, sredina, protismerno) so najboljše lastnosti.

Var in osnovi material smo preizkušali po treh preizkusih. Prvi preizkus je bil natezni

preizkus, pri katerem smo testirali osnovni material in var. Rezultate smo med seboj

primerjali in ugotovili, da ima najboljše lastnosti osnovni material ter s tem potrdili naša

predvidevanja. Drugi preizkus je bil preizkus udarne žilavosti (Charpy kladivo) pri sobni

temperaturi. Imeli smo preizkušanec iz osnovnega materiala in iz treh delov vara.

Udarna žilavost je bila največja pri osnovnem materialu. Iskali smo tudi, katera od treh

hitrosti varjenja (A,B,C) se bo s svojimi lastnostmi najbolj približala osnovnemu

materialu. Hitrost B je dala v povprečju najboljše rezultate pri udarni žilavosti in se je

najbolj približala osnovnemu materialu. Zadnji preizkus je bil ASTM E1820, kjer smo

preverjali, kako dobro se material upira širitvi že nastale razpoke. Preizkus je potekal

v treh glavnih korakih: utrujanje, širjenje razpoke in utrujanje do zloma. Pri vsakem

koraku smo zabeležili podatke, ki so nam podali končno sliko. Zmerili smo tudi razpoke,

ki so nastale v drugem koraku. In na podlagi zbranih podatkov določili, katera od hitrosti

se je najbolje obnesla. Najboljše lastnosti je v povprečju dosegla hitrost B. Končni sklep

je bil, da ima plošča B najboljše lomno mehanske lastnosti.

-V-

DETERMINATION OF THE FRACTURE MECHANICS PROPERTIES

ON FSW WELDED JOINT

Key words: welding, fracture mechanics, tensile test, impact toughness, ASTM

E1820

UDK: 620.174:621.791.053(043.2).

ABSTRACT

The aim of my thesis was to find out which of the tree speeds (A,B,C) gave me the

best results on mechanical properties and fracture mechanics. And in which the

sealing zone (in the same direction, centre, opposite) are the best features. Weld joint

and the basis of the material was tested in three trials. The first test was a tensile test,

in which we tested the base material and weld joint. The results were compared with

each other and found that the best properties belong to base material, thus confirming

our prediction. The second test was a test of impact strength (Charpy hammer) at room

temperature. We had a specimen from the base material and three parts deceiving.

Impact toughness was the largest in the base material. We were looking for a one of

three welding speeds (A, B, C) will be with their properties closest to the base material.

The speed of B has given us an average of the best results in terms of impact

toughness and is closest to the base material. The last test was ASTM E1820, which

we examined how well the material resists the expansion of cracks. The experiment

was carried out in three main steps, fatigue, crack propagation and fatigue to fracture.

At each step, we recorded information that we give a final image. We measured the

cracks that occurred in the second step. And based on the collected data to determine

which of speed performed the best. Best properties reach an average speed B. The

conclusion was that the best fracture mechanical properties of the plate B.

-VI-

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ............................................................................................... 1

2 TEORETIČNI DEL ........................................................................... 3

2.1 Varjenje aluminija ...................................................................... 3

2.2 Aluminij in aluminijeve zlitine za varjenje ................................ 4

2.3 Posebne zahteve za varjenje aluminijevih zlitin ...................... 6

2.4 Postopek varjenja ...................................................................... 6

2.5 Uporabljene metode preizkušanja ............................................ 9

3 EKSPERIMENTALNO DELO ......................................................... 12

3.1 Varjenje s postopkom varjenja z gnetenjem ......................... 12

3.2 Material (kem. sestava, mehanske lastnosti materiala) ........ 14

3.3 Načrtovanje tehnologije varjenja (3 hitrosti varjenja) ........... 14

3.4 Uporabljene metode za preizkušanje zvarnih spojev ........... 14

3.5 Preiskave po ASTM E1820 ...................................................... 15

3.6 Določitev lomno mehanskih lastnosti OM, VARA in TVP ..... 18

4 REZULTATI ................................................................................... 20

4.1 Rezultati nateznega preizkusa ................................................ 20

4.2 Rezultati Charpy preizkusov ................................................... 20

4.3 Rezultati lomno mehanskega preizkušanja po ASTM E1820 31

5 DISKUSIJA ..................................................................................... 51

6 SKLEP ........................................................................................... 58

7 LITERATURA ................................................................................. 59

-VII-

UPORABLJENI SIMBOLI A velikost prelomne površine pri Charpy preizkusu (mm2)

CMOD odpiranja ustja razpoke (mm)

E energija loma pri Charpy preizkusu (J)

Ei energija za nastanek razpoke pri Charpy preizkusu (J)

Ep energija za širjenje razpoke pri Charpy preizkusu (J)

F sila (N)

J J – integral (N/mm)

R hitrost vrtenja orodja pri FSW varjenju (mm/s)

R/V razmerje hitrosti vrtenja in hitrosti varjenja (-)

KV udarna žilavost (J/cm2)

R2/V razmerje hitrosti vrtenja pri FSW varjenju na kvadrat in hitrosti varjenja (-)

Re meja elastičnosti (MPa)

Rm natezna trdnost (MPa)

Rp0,2 napetost tečenja (MPa)

s pot (mm)

t čas (s)

v hitrost Charpy kladiva pri udarcu (m/s)

V hitrost varjenja (cm/min)

V/R razmerje hitrosti varjenja in hitrosti vrtenja orodja (-)

W udarno delo (J)

δ (CTOD) velikost odpiranja vrha razpoke (mm)

Δa dolžina širjenja razpoke (mm)

ΔK razpon faktorja intenzivnosti napetosti (MPam0,5)

Kjlc lomna žilavost (MPam0,5)

a dolžina razpoke (mm) Jm J-intengral pri maks obremenitvi (N/mm) δm maksimalna velikost odpiranja vrha razpoke (mm)

-VIII-

UPORABLJENE KRATICE

TIG Varjenje s neporabljivo volframo elektrodo v zaščiti inertnega plina (Tungsten

Inert Gas)

EPP Elektro obločno varjenje pod praškom

REO Ročno elektro obločno varjenje

MIG Varjenje s porabljivo žico v inertni zaščitni atmosferi (Metal inert gas)

MAG Varjenje s porabljivo žico v aktivni zaščitni atmosferi (Metal active gas)

EUV Elektro uporovno varjenje

FSW Varjenje s trenjem in gnetenjem (Friction stir welding)

OM Osnovni material

TVP Toplotno vplivano področje

Al Aluminij

DIN Nemški standard

ISO Mednarodni standard

Mn Mangan

Cu Baker

Mg Magnezij

Si Silicij

Zn Cink

Ni Nikelj

Cr Crom

Li Litij

Fe Železo

Ti Titan

C Ogljik

P Fosfor

S Žveplo

Mo Mobilden

V Vanadij

A,B,C Oznake preizkušancev z različnimi hitrostmi varjenja

R Toplotno vplivano področja ali mehansko toplotno vplivano področje

I Istosmerna smer vrtenja orodja in varjenja

S Sredina zvara

-IX-

P Protismerno smer vrtenja orodja in varjenja

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

1

1 UVOD

Varjenje je znanost oziroma strokovna dejavnost, ki se je začela najbolj razvijati in širiti

v gospodarstvu po drugi svetovni vojni. Hiter razvoj in zmeraj večje povpraševanje po

varjenju je omogočilo, da je postala vse bolj pomembna gospodarska panoga. Širjenje

je omogočilo razvoj in inovacije, s tem pa tudi nove zahteve za varjenje kot so izgradnja

novih lažjih konstrukcij in izdelava novih strojev. Z uporabo novih materialov varjenja,

ki imajo drugačne mehanske in kemične lastnost, se pojavijo novi izzivi za varilne

strokovnjake in varilce.

Varjenje se ukvarja s spajanjem dveh ali več delov osnovnega materiala v

nerazstavljivo zvezo, kar pomeni, da te vezi ni več mogoče razstaviti in ponovno

sestaviti brez posledic na osnovnem materialu. Varjenje materiala lahko dosežemo s

toploto, s pritiskom ali pa s kombinacijo obeh. Varjenje lahko poteka z dodajnim

materialom ali pa brez njega, odvisno od postopka, katerega uporabljamo. Postopki

varjenja, ki se najbolj pogosto uporabljajo, so: TIG, EPP, REO, MIG, MAG, EUV (el.

uporovno varjenje) in FSW. Vsaka tehnika ima svoje prednosti in slabosti. Varjenje

najbolj pogosto uporabljamo v avtomobilski industriji, gradbeništvu, strojegradnji,

letalski in vesoljski industriji. Za kakovosten var moramo upoštevati mehanske in

kemične lastnosti materiala in pri tem primerno poznati parametre varjenja. Parametri

varjenja so najbolj odvisni od same varivosti materiala. Varivost materiala nam pove,

kako dobro se materiali varijo. Boljša kot je varivost materiala, manjša je verjetnost

napak. S tem so posledično znižane zahteve varjenja, npr. pri materialih, ki so boljše

varivi. Potemtakem je varjenje skupek znanja in ročnih spretnosti, ki se je razvijalo

skozi leta in se je izpopolnjevalo do danes.

Zelo pomemben del varjenja je preizkušanje varov in določanje lomno mehanskih

lastnosti. S tem pridobimo zelo natančne informacije o mehanskih lastnostih materiala.

Pri varjenju preizkušamo najbolj pomembna tri območja (OM, VAR, TVP). Lomna

mehanika se izvaja v OM, TVP in varu. S primerjavo rezultatov z vseh treh območij

lahko predpostavimo, kje se bo razpoka najprej pojavila. Tako lahko problem loma

odpravimo že v zgodnji fazi s tem, da konstruiramo na najslabše lastnosti materiala.

Po navadi se najslabše lastnosti materiala pojavijo v TVP območju, v območju poleg


2

vara, kjer je največja možnost odstopanja in sprememb v sami strukturi materiala. Cilj

varne in zanesljive konstrukcije zahteva varjenje, ki predvideva in upošteva več

različnih faktorjev, ki lahko usodno vplivajo na sam material in njegove napake, zato

jih poskušamo odpraviti že v zgodnji fazi.

[1] Wikipedija , Wikipedija prosta enciklopedija [online], Dosegljivo:

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje [Datum dostopa: 20. 9. 2016]

[2] Bukla , bukla [online], Dosegljivo:

http://www.bukla.si/?action=books&book_id=9275 [Datum dostopa: 19. 9. 2016]

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje

http://www.bukla.si/?action=books&book_id=9275%20


3

2 TEORETIČNI DEL

2.1 Varjenje aluminija

Postopki, s katerimi najbolj učinkovito spajamo aluminij, so TIG (Tungsten Inert Gas)

in MIG (Metal Inert Gas). Pri teh dveh postopkih je potrebno imeti zaščitni plin argon,

saj se ta najbolje obnese pri omenjenem varjenju. Aluminij lahko spajamo tudi s

pritiskom, pod to skupino spada varjenje s trenjem in gnetenjem, hladno varjenje s

pritiskom, kolutno uporovno varjenje, točkovno uporovno varjenje, varjenje s trenjem

itd.

Slika 2.1: Čiščenje oksidne plasti.

Plamensko varjenje je eden izmed najstarejših postopkov varjenja aluminija, ampak je

nevarno in zelo zahtevno za varilca. Možno je tudi varjenje s pomočjo postopka REO

(elektro obločno varjenje), ampak se uporablja bolj redko.

[3] Varilni aparati , Varilni aparati [online], Dosegljivo:

http://www.varilniaparati.si/varjenje-aluminija/ [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

[4] Srednja tehniška šola Koper , sts [online], Dosegljivo:

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var16.htm [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

http://www.varilniaparati.si/varjenje-aluminija/

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var16.htm


4

Slika 2.2: TIG postopek varjenja

[5] Wikipedija, Wikipedija prosta enciklopedija [online], Dosegljivo:

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje_TIG [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

2.2 Aluminij in aluminijeve zlitine za varjenje

Aluminij je kemijski element s simbolom Al in vrstnim številom 13. Glavna aluminijeva

ruda je boksit, najpomembnejše spojine pa oksidi in sulfati. Pomemben je predvsem

zaradi majhne gostote in velike odpornosti proti koroziji, ki je posledica pasivacije

površine. Njegove zlitine so ključno gradivo v letalski industriji. Pomemben je tudi na

področju transporta in konstrukcij. Napetost tečenja čistega aluminija je od 200 MPa

do 600 MPa. Ima približno tretjino gostote in prožnostnega modula železa. Aluminij je

dober toplotni in električni prevodnik. Lastnosti te barvne kovine kot tudi uporabnost

izpopolnimo z legiranjem, kjer izboljšamo lastnosti osnovnega materiala in tako z izbiro

pravih legirnih elementov lahko drastično vplivamo na sposobnost spajanja. 67

Aluminijeve zlitine imajo veliko različnih uporabnih lastnosti. Sistematično se

označujejo s številkami (ANSI) ali z imeni, v katerih je navedena najpomembnejša

legirna kovina (DIN in ISO). Trdnost in trajnost zlitin je zelo različna in ni odvisna samo

od legirnih elementov, ampak tudi od proizvodnega procesa in toplotne obdelave.

Pomembna omejitev aluminijevih zlitin je odpornost na utrujanje. Aluminijeve zlitine,

za razliko od jekel, nimajo nobene dobro definirane meje dinamične vzdržljivosti. Druga

pomembna lastnost aluminijevih zlitin je njihova občutljivost na toploto. Postopke, v

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje_TIG


5

katere je vključena toplotna obdelava, otežuje dejstvo, da se aluminij stali brez

predhodnega žarenja, ki je značilno za železo. Tako avtogeno varjenje zahteva veliko

izkušenj, saj spajamo brez vsakršnih vidnih predhodnih znakov, kdaj se bo material

raztalil. Zlitine so po toplotni obdelavi, kakršni sta na primer varjenje in spajkanje,

podvržene notranjim napetostim. Težave povzročajo tudi nizka tališča, zaradi katerih

so bolj občutljive na zvitje zaradi povišane temperature v okolici. Notranje napetosti se

lahko zmanjšajo z naknadno toplotno obdelavo, v kateri se toplotno obdelani deli

ponovno segrejejo in nato počasi ohladijo (popuščanje). Čisti aluminij se le redko

uporablja v industriji, ker je preveč krhek in je slabo variv. Zato se za varjenje

uporabljajo njegove zlitine, kot so zlitine Al-Mn, kjer je vsebnost Mn med 0,9 do 1,5 %.

Ta zlitina je trdnejša od čistega aluminija. Večji dodatki mangana povzročajo pri

predelavi pokanje zaradi nastajanja krhke intermetalne faze Al6Mn. 67

- AlMn1, AlMn1Cu. Natezna trdnost AlMn1 je 100 N/mm² v mehkem in 180

N/mm² v trdem stanju. Te zlitine so dobro preoblikovalne, odporne proti koroziji

in se dajo dobro variti:

- Zlitine Al-Mg vsebujejo od 2 do 7 % Mg ter pogosto tudi Mn do 0,4 %. V zlitinah

Al-Mg narašča trdnost z večanjem vsebnosti magnezija, vendar hkrati pada

duktilnost (razteznost). Zlitine Al-Mg so odporne proti atmosferski koroziji in

koroziji v morski vodi. Poleg tega se dajo eloksirati, kar dodatno poveča

korozijsko odpornost.

- Zlitine Al-Cu in kompleksne zlitine, ki vsebujejo elemente Cu, Si, Mg, Zn in Ni,

tvorijo sisteme, ki imajo delno topnost v trdnem stanju in tvorijo z aluminijem ali

med sabo vmesne (intermetalne) spojine. To je osnova za izločevalno

utrjevanje. Tehnično najpomembnejši zlitinski sistemi, ki se toplotno utrjujejo,

so: Al Cu Mg, Al Mg Si, Al Zn Mg in Al Zn Mg Cu.

- Zlitine na osnovi Al-Zn ali zlitina AlZn5Mg3Cu je občutljiva na napetostno

korozijo. Občutljivost se zmanjša z dodatkom ~0,2 % Cr. Ta zlitina ima izredno

visoke trdnostne lastnosti in tako predstavlja idealen konstrukcijski material.

Uporabljamo jo v letalski industriji, za mostove, dvigala, v gradbeništvu, za

odkovke in obremenjene strojne dele.

- Zlitine na osnovi Al-Li so pomembne predvsem zaradi tega, ker imajo dobre

trdnostne lastnosti (500 N/mm²) ob zelo majhni gostoti. Vsak odstotek


6

dodanega litija zmanjša gostoto za 3 % in poveča modul elastičnosti za 6 %.

Običajno vsebujejo 24 % Li in 12 % tretjega elementa (Mg, Cu, tudi Zr).

- Zlitine Al-Si običajno vsebujejo od 813 % Si. Takšna zlitina je zelo dobro livna

in omogoča dobro varjenje in korozijsko odpornost. Zaradi dobre livnosti je

zlitina uporabna za komplicirane tankostenske ulitke. AlSi12 je za srednje

obremenjene dele. Uporabljamo ga za litje v pesek, kokile in pod pritiskom.

Zlitinam Al-Si se pogosto dodajata baker in magnezij.


https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminijeva_zlitina [Datum dostopa: 22. 9. 2016]


https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminij [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

2.3 Posebne zahteve za varjenje aluminijevih zlitin

Pri ostalih načinih varjenja pri aluminiju in njegovih zlitinah moramo biti previdni pri

strukturi materiala in moramo pravilno določiti njegovo varivost. Pri varjenju s trenjem

in gnetenjem postopku lahko spajamo skoraj vse vrste aluminija in njegove zlitine, ker

ni tako velikega vnosa toplote in ne pride do izgorevanja legirnih elementov, kot bi se

to zgodilo pri ostalih postopkih. Zato pri tem varjenju nimamo posebnih zahtev glede

strukture samega materiala.

2.4 Postopek varjenja

Plošče so bile zvarjene s postopkom FSW (varjenje s trenjem in gnetenjem). Ta način

varjenja se je razvil predvsem v zadnjih letih. Varjenje s trenjem in z gnetenjem je

poseben način spajanja s trenjem, pri katerem sta oba varjenca togo vpeta. Vpnemo

ju v sočelnem stiku za I-zvar. Spajanje pa dosežemo s posebnim vrtečim se orodjem,

ki je posebne oblike s širokim vodilnim robom in konico. Konico vrtečega se orodja

potisnemo v izvrtano luknjo na zvarnem stiku, da nasede široki rob vodila na varjenca

s potrebno silo. Dolžina konice je prirejena debelini varjencev tako, da dosežemo

prevaritev po vsej debelini varjencev. Zaradi sile trenja širokega roba s površino

varjencev se to mesto segreje. Ko je dosežena zadostna temperatura, spravimo orodje

https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminijeva_zlitina

https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminij


7

v premikanje v smeri varjenja z izbrano hitrostjo varjenja. Zaradi toplote trenja od

vodilnega roba orodja preide material v tem območju v testasto stanje, ki ga pregnete

konica, ki se premika v smeri varjenja z vodilnim robom. Material je, med vrtenjem in

pomikanjem orodja naprej, nenehno transportiran preko črte spajanja, kar olajša

zvarjenje obeh varjencev. Za konico se tvori zvarni spoj. Postopek varjenja: [8]

- Varjenca sta trdno vpeta brez špranje ali z neko minimalno špranjo v I-stiku.

- Za začetek varjenja je narejena izvrtina in varilno orodje spravljeno v vrtenje z

določenim številom vrtljajev.

- V izvrtino je pogreznjena konica (vrtečega se orodja) s posebnim profilom in z

dolžino, ki ustreza globini uvara oz. debelini materiala.

- Pogreznitev konice orodja je tolikšna, da široki rob oz. prirobnica orodja nasede

z določeno silo na varjenca.

- Zaradi trenja med širokim robom orodja in materialom se slednji segreje

predvsem pod širokim robom in material preide v plastično stanje.

- Šele po tem se sproži pomikanje orodja z varilno hitrostjo vzdolž črte spajanja

v smeri varjenja. Posebej oblikovana konica z lastnim vrtenjem potiska plastični

material tako, da teče ob konici v nasprotno smer od smeri varjenja v ozadje

konice (v smeri vrtenja slednje). To kaže potek razpotegnjenih in ukrivljenih

kristalnih zrn ter usmerjenost dinamičnega področja rekristalizacije blizu temena

zvara, ki je usmerjeno v isto smer; vse do širokega roba oz. prirobnice orodja.

Varilni parametri: [8]

- Hitrost varjenja: od 1,00 do 2,40 m/min;

- Debelina materiala: od 5 do 30 mm, 0.75 do 0.18 m/min (Al);

- Potrebna moč: bruto 3 kW (zvar dolžine 12,5 m Al zlitina);

- Obraba konice: 800 m zvara (Al zlitina);

- Širina špranje: Al deb. 1.6 mm … 0.2 mm;

Al deb. 12.7 mm … 1,25mm.

Materiali: [8]

Al in aluminijeve zlitine: Al Cu, Al Mg, Al Mg Si in Al Zn, Cu.


8

Prednosti: [8]

- ni pokljivosti v vročem stanju in poroznosti, ki je pri tem načinu varjenja zelo

redka;

- ni izgube legirnih elementov zaradi uparjanja oz. ni spremenjena kemijska

sestava materiala;

- gnetenje in kovanje materiala v hladnem stanju vodi do izredno drobnozrnate

strukture vara in obrobnih področij, zato so natezni, upogibni in trajni preiskusi

na utrujanje zvarov na aluminiju in njegovih zlitinah blizu lastnostim osnovnega

materiala in boljši od obločnih zvarov.

Druge prednosti: [8]

- manjši proizvodni stroški;

- kvaliteten zvarni spoj;

- možno je zvarjanje aluminijevih zlitin, ki so težje varive;

- zelo dobre mehanske lastnosti zvarov na aluminijevih zlitinah za toplo utrujanje;

- vnos energije je natančen;

- ni sevanj, dimov in plinov;

- niso potrebni dodajni materiali;

- niso potrebni zaščitni plini;

- varjenje je prijazno do okolja;

- načelno je možno varjenje v vseh legah;

- majhne deformacije varjencev;

- dobra ponovljivost kvalitete zvarov.

Pomanjkljivosti: [8]

- potrebno je močno, togo vpetje varjencev na podložno ploščo;

- možno je zvarjenje samo ravnih (ploščatih) in votlih varjencev;

- relativno velika obraba profilirane konice orodja, kar omejuje možnosti za

zvarjenje trših materialov;

- potrebni so dodatki istega materiala za začetek in za zaključek varjenja.

[8] Viljem Kralj , Ostali načini spajanja , Specializacija IWE/IWT. Ljubljana: Inštitut za

varilstvo, 2013/2014. Strani: 30-32


9

2.5 Uporabljene metode preizkušanja

Lomno mehanske lastnosti zvara smo preizkušali na osnovnem materialu in na varu.

Na osnovnem materialu smo izvedli natezni preizkus. Natezni preizkus je temeljni

mehanski preizkus. Z njim ugotavljamo trdnostne lastnosti kovin in zlitin, napetost

tečenja, natezno trdnost in modul elastičnosti. Te številčne podatke lahko neposredno

uporabimo pri trdnostnih izračunih različnih konstrukcijskih elementov. Preizkušance

obremenimo z enoosno (natezno) napetostjo. Napetost med preizkusom počasi

narašča, zaradi tega preizkus spada med kvazistatične preizkuse.

Slika 2.3: Preizkušanec za natezni preizkus.

Naredili smo tudi preizkus udarne žilavosti (preizkus z charpy kladivom). Charpyjev

udarni preizkus je preizkus udarne žilavosti in se izvaja s Charpyjevim kladivom,

postopek je uveljavljen tako v Evropi kot v ZDA. Preizkus poteka tako, da kladivo

dvignemo do začetne lege in ga spustimo, da zaniha. Pri tem kladivo udari ob

preizkušanec in doseže končno lego, ki je nižja od začetne. Razlika med začetno in

končno višino je nastala na račun porabljene energije za prelom preizkušanca. [9]

Matematično je udarna žilavost definirana kot:

𝐾𝑉 = 𝑊/𝐴 (2.1)

Kjer je

KV [J/cm2] - udarna žilavost

W [J] -udarno delo

A [cm2] -prerez preizkušanca

Rezultat žilavosti označujemo z označbo preizkušanca in udarnim delom za prelom

(npr. KV 35J).


10


https://sl.wikipedia.org/wiki/Charpyjev_udarni_preizkus [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

Slika 2.4: Preizkušanec po Charpy-u

Lomno mehanske lastnosti OM in vara smo preizkušali tudi po ASTM E1820, pri

katerem smo želeli ugotoviti, kako dobro se lahko material upira širjenju razpoke.

Preizkus smo začeli z utrujanjem, pri katerem smo želeli nadaljevati razpoko od zareze

naprej in pripraviti preizkušanec za preizkušanje. Razpoko smo morali imeti pod

nadzorom in njena dolžina ni smela presegati 6 mm. V drugi fazi preizkusa smo

preizkušanec dali v hidravlično stiskalnico na dva jeklena valja, med katerima je bila

širina 48 mm. S hidravlično stiskalnico smo stiskali tako dolgo, dokler ni sila narasla

na najvišji možni nivo in potem smo preizkušanec razbremenili. V tretji fazi smo

preizkušanec spet utrujali, da smo markirali napredovano razpoko. Tokrat smo pazili,

da razpoke nismo zaprli in smo preizkušanec zlomili na dvoje, da smo lahko v

nadaljevanju zmerili razpoke in ovrednotili vse rezultate iz preizkusa po srtandardu

ASTM E1820.

https://sl.wikipedia.org/wiki/Charpyjev_udarni_preizkus


11

Slika 2.5: Preizkus začetnega utrujanja materiala

Slika 2.6: Lomno mehanski SENB preizkušanec po ASTM E1820


12

3 EKSPERIMENTALNO DELO

3.1 Varjenje s postopkom varjenja z gnetenjem

Aluminijaste plošče so bile zvarjene na vojnem inštitutu v Beogradu. Bile so zvarjene

s postopkom s trenjem in gnetenjem. Dobili smo 3 zavarjene plošče, ki pa so jih varili

s tremi različnimi varilnimi hitrostmi (73,116,150 mm/mm). Naša naloga je ugotoviti,

katera hitrost varjenja ima najboljše lomno mehanske lastnosti.

Slika 3.1: Plošče od leve proti desne hitrosti (73,116,150) sprednja stran.


13

Slika 3.2: Plošče slikane iz zadnje strani

Slika 3.3: FSW- prikaz vara ,TVP,OM

[10] TWI , TWI-global [online], Dosegljivo: http://www.twi-global.com/technical-

knowledge/published-papers/industrialisation-of-friction-stir-welding-for-aerospace-

structures-december-2001/ [Datum dostopa: 29. 9. 2016]

Širina vara je odvisna od premera orodja.

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/published-papers/industrialisation-of-friction-stir-welding-for-aerospace-structures-december-2001/




14

3.2 Material (kem. sestava, mehanske lastnosti materiala)

Preglednica 3.1: Kemična sestava osnovnega materiala

Kemična sestava

delež (%)

Cu Mg Fe Si Zn Ti Al

4,70 1,56 0,17 0,046 0,11 0,032 Ostanek

Preglednica 3.2: Kemična sestava orodja (55CrMo8)

Kemična

sestava

delež(%)

C Si Mn P S Cr Ni Mo V

0,55 0,3 0,7 0,035 0,035 1,1 1,7 0,5 0,12

3.3 Načrtovanje tehnologije varjenja (3 hitrosti varjenja)

Imeli smo tri plošče iz aluminija, ki so bile zvarjene s tremi različnimi varilnimi hitrostmi

(73, 116, 150 mm/min) na vojnem inštitutu v Beogradu.

Preglednica 3.3: Parametri varjenja

Plošče

Hitrost

vrtenja (R)

rpm

Hitrost

varjenja

(V) mm/min

Razmerje

R/V

Rev/mm

Razmerje

V/R

mm/rev

Razmerje

R2/V

A 750 73 10,3 0,1 7705,5

B 750 116 6,5 0,2 4849,1

C 750 150 5 0,2 3750

3.4 Uporabljene metode za preizkušanje zvarnih spojev

Za preizkušanje zvarnih spojev smo uporabili naslednje metode: natezni preizkus,

preizkus po Charpy-u in lomno mehanski preizkus po standardu ASTM E1820.

Pri nateznem preizkusu obremenimo preizkušanec z osno silo. Preizkušanec vpnemo

na dvoje čeljusti, ena od čeljusti je fiksno vpeta, druga se premika in s tem ustvarja


15

osno silo. Pri tem merimo raztezek materiala, na koncu material utrgamo in pri tem

zrišemo graf natezne trdnosti, ki je odvisen od natezne obremenitve in raztezka.

Preizkus po Charpy-u opravimo v zaščitni komori, pri tem preizkusu je pomembna

temperatura okolja. Preizkušanec vstavimo v okvir, kjer je sredina (tam, ko je zareza)

obrnjena proč od kladiva. Nato kladivo vzdignemo na določeno višino pod določen kot,

nato ga spustimo in kladivo prelomi preizkušanec; ko se kladivo ustavi in odmerimo

kot, pri katerem se je kladivo ustavilo. Na podlagi tega dobimo rezultate o udarni

žilavosti materiala: Koliko energije se je porabilo, da je kladivo zlomilo preizkušanec?

Slika 3.4: Preizkušanec vpet in pripravljen za preizkus udarne žilavosti

3.5 Preiskave po ASTM E1820

Pri ASTM E1820 prvo pripravimo preizkušanec, ki je standardiziranih mer.

Slika 3.4: Standardni SENB preizkušanec po ASTM E 1820


16

Nato ga vstavimo v upogibni stroj, da razpoko ustrezno pripravimo. Dolžina razpoke

mora biti med zarisanima črtama na samem preizkušancu (Glej Slika 3.6) v razmerju

površine preseka 0,45A/W0,55, ki je od vrhnjega roba oddaljena med 5,4 mm in 6,6

mm.

Slika 3.5: Preizkušanec vpet v upogibni stroj (prvi korak)

Slika 3.6: Prvo širjenje razpoke (med 5,4 mm in 6,6 mm)

Razpoka mora biti med dvema črtama, ki smo jih prej označili, da je preizkušanje

veljavno. Po končanem prvem koraku lahko nadaljujemo z nadaljnjim lomljenem in

širjenjem razpoke na preizkušancih ASTM E1820 na trgalnem stroju.


17

Slika 3.7: Drugi korak, nadaljnjo širjenje razpoke.

Pri markiranju razpoko razširimo do maksimalne dolžine in potem preizkušanec

zlomimo.

Slika 3.8: Tretji korak, dokončni zlom preizkušanca


18

Slika 3.9: Preizkušanci po opravljenih vseh treh korakih

Po koncu postopka zberemo vse podatke in jih ovrednotimo ter dobimo rezultate za

lomno mehanske lastnosti zvara in osnovnega materiala po ASTM E1820.

3.6 Določitev lomno mehanskih lastnosti OM, VARA in TVP

Imeli smo tri preizkušance iz različnih delov zvara, po katerih smo preizkušali lomno

mehanske lastnosti vara. OM smo preizkušali z nateznim preizkusom, po Charpy-u in

po ASTM E1820, da smo dobili osnovne podatke o materialu in jih lahko kasneje

uporabili za primerjavo. Lastnosti vara smo preizkušali po Charpy-u po postopku

ASTM E1820 in z nateznim preizkusom. Tako smo dobili lomno žilavost materiala in

zmožnost upiranju razpoke v materialu. Pri standardu ASTM E1820 smo razpoke na

koncu izmerili, da smo dobili točno sliko, kje je nastala razpoka v drugi fazi. Rezultate

vseh meritev smo ovrednotili in jih zabeležili.


19

Slika 3.10: Vsi preizkušanci, ki so se preizkušali po treh postopkih (od zgoraj navzdol natezni preizkus, po Charpy-u, lomno mehanski SENB preizkus).


20

4 REZULTATI

4.1 Rezultati nateznega preizkusa

Natezni preizkus se je izvajal na servo-hidravličnem trgalnem stroju AMSLER 599/594

po standardu 20 SZBDA z zmogljivostjo 200 kN.

Preglednica 4.1: Rezultati nateznega preizkusa

Material / preizkušanec Rp0,2

(MPa)

Rm

(MPa)

OM 354,0 491,1

A-L in A-D 303,7 398,3

B-L in B-D 336,6 469,1

C-L in C-D 339,7 373,3

4.2 Rezultati Charpy preizkusov

Preizkusi so se izvajali na instumentiranem Charpy kladivu Amsler RPK300 z

zmogljivostjo 300 J.

Preglednica 4.2: Veličine po Charpy-u za vse preizkušance

KV

(J/cm2)

Ei

(J)

Ep

(J)

y

(MPa)

m

(MPa)

OM 19,5 3 4,8 80,7 91,6

A-S 12,6 1,6 3,4 56,8 62,3

A-R-I+4 17,1 3 3,8 80,5 92

A-R-P-4 13,6 2,1 3,4 78,4 84,4

B-S 12,5 1,7 5 76,2 82,1

B-R-I+4 21,3 3,2 5,3 88,5 91,1

B-R-P-4 11,1 1,4 3,1 65,3 69,4

C-S 14,2 2,4 3,3 70,8 74,5

C-R-I+4 20,7 3,1 5,2 86,8 96,5

C-R-P-4 12,8 1,9 3,2 65,4 69,1

Šest naslednjih diagramov prikazuje različne veličine, ki se spreminjajo pri

instrumentiranem Charpy preizkusu. Te diagrame bomo uporabili kot osnovo in jih

bomo primerjali z diagrami, ki so nastali v samem varu.


21

Osnovni material:

Slika 4.1: Rezultati Charpy preizkusa - osnovni material

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 5 10

F (

N)

E (J)

5,15

5,17

5,19

5,21

5,23

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


22

Preizkušanec A-S (sredina zvara):

Slika 4.2: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec A-S (sredina zvara)

Slika 4.3: Prelomni površini preizkušanca A-S; A-S-I (levo), A-S-P (desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6E

(J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


23

Preizkušanec A-R-I+4 (TVP pri istosmernem gibanju orodja in varjenca) :

Slika 4.4: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec A-R-I+4 (TVP, istosmerno)

Slika 4.5: Prelomni površini preizkušanca A-R-I+4; A-R-I+4-IS (levo), A-R-P-4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,16

5,17

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


24

Preizkušanec A-R-P-4 (TVP pri protismernem gibanju orodja in varjenca):

Slika 4.1: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec A-R-P-4 (TVP, protismerno)

Slika 4.2: Prelomni površini preizkušanca A-R-P-4; A-R-P-4-IS (levo), A-R-P-4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E (

J)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


25

Preizkušanec B-S (sredina zvara):

Slika 4.3: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec B-S (sredina zvara)

Slika 4.4: Prelomni površini preizkušanca B-S; B-S-IS (levo), B-S-PS (desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E (

J)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6E

(J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


26

Preizkušanec B-R-I+4 (TVP pri istosmernem gibanju orodja in varjenca):

Slika 4.5: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec B-R-I+4 (TVP, istosmerno)

Slika 4.6: Prelomni površini preizkušanca B-R-I+4; B-R-I+4-IS (levo), B-R-I+4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E (

J)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,15

5,17

5,19

5,21

5,23

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


27

Preizkušanec B-R-P-4 (TVP pri protismernem gibanju orodja in varjenca):

Slika 4.7: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec B-R-P-4 (TVP, protismerno)

Slika 4.8: Prelomni površini preizkušanca B-R-P-4; B-R-P-4-IS (levo), B-R-P-4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6E

(J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


28

Preizkušanec C-S (sredina zvara):

Slika 4.9: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec C-S (sredina zvara)

Slika 4.10: Prelomni površini preizkušanca C-S; C-S-IS (levo), C-S-PS (desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6E

(J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


29

Preizkušanec C-R-I+4 (TVP pri istosmernem gibanju orodja in varjenca):

Slika 4.11: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec C-R-I+4 4 (TVP, istosmerno)

Slika 4.12: Prelomni površini preizkušanca C-R-I+4; C-R-I+4-IS (levo), C-R-I+4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E(J

)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,15

5,17

5,19

5,21

5,23

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


30

Preizkušanec C-R-P-4 (TVP pri protismernem gibanju orodja in varjenca):

Slika 4.13: Rezultati Charpy preizkusa - preizkušanec C-R-P-4 (TVP, protismerno)

Slika 4.14: Prelomni površini preizkušanca C-R-P-4; C-R-P-4-IS (levo), C-R-P-4-PS

(desno)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 0,0005 0,001 0,0015

F (

N)

t (s)

0

2

4

6

8

10

0 0,0005 0,001 0,0015

E (

J)

t (s)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6

F (

N)

s (mm)

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6

E (

J)

s (mm)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2 4 6 8 10

F (

N)

E (J)

5,18

5,19

5,2

5,21

5,22

5,23

5,24

5,25

0 0,0005 0,001 0,0015

v (

m/s

)

t (s)


31

4.3 Rezultati lomno mehanskega preizkušanja po ASTM E1820

Rezultati utrujanja pred samim preizkusom po ASTM E1820 so prikazani na sliki 4.20.

Pri tem utrujanju smo razpoko širili naprej od zareze, ki smo jo naredil na žago z nitko

debeline 0,02 mm. Utrujenostno razpoko smo razširili na dolžino, ki je standardizirana

za ta preizkus (približna dolžina razpoke 5,4 do 6,6 mm). Pri tem smo dobili graf, ki

prikazuje razmerje ΔK/E in dolžino razpoke.

Slika 4.15:Slika prikazuje širjenje razpoke v osnovnem materialu

Ta graf prikazuje širjenje razpoke v osnovnem materialu. Razpoka se je začela pri 3,5

mm, končala pa pri 6 mm. Ko preizkušanec utrujamo, najprej nastavimo parametre na

zgornji meji; ko obremenitev začne naraščati, se začne razpoka širiti in takrat moramo

ustaviti preizkus in parametre znova prilagoditi, da imamo počasno in nadzorovano

rast razpoke, zato se pri obremenitvi v grafu pojavljajo nihanja. Tam, kjer krivulja pade,

stroj ustavimo in zmanjšamo obremenitev ter prilagodimo parametre, da imamo spet

stabilno rast razpoke.

Slika 4.16: Preizkušanec pri tvorjenju razpoke

0

0,00002

0,00004

0,00006

0,00008

0,0001

0,00012

0,00014

0,00016

0,00018

0 1 2 3 4 5 6 7

DK

/E

a (mm)


32

Preizkušanec je na dveh jeklenih valjčkih, širina med njimi je predpisana po standardu

v našem primeru S=48 mm in W=12 mm. Z jekleno konico v obliki polkroga pritisnemo

ob preizkušanec in nastavimo hitrost, pri tem spremljamo silo, odpiranje ustja razpoke

CMOD. Ko sila doseže najvišji nivo, počakamo, da začne sila rahlo padati in nato

preizkušanec razbremenimo. Kasneje dobljeno razpoko zmerimo. Grafi prikazujejo

rast sile v materialu, na kateri dolžini je sila največja in kako razpoka raste z silo. Pri

tem hočemo doseči stabilno rast razpoke.

Slika 4.17: Graf za preizkušanec A-R-I+4

Slika 4.18: Graf za preizkušanec A-R-P-4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)


33

Slika 4.19: Graf za preizkušanec B-S

Slika 4.20: Graf za preizkušanec B-R-I+4

Slika 4.21: Graf za preizkušanec B-R-P-4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)


34

Slika 4.22: Graf za preizkušanec C-S

Slika 4.23: Graf za preizkušanec C-R-I+4

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)


35

Slika 4.24: Graf za preizkušanec C-R-P-4

Slika 4.25: Levo je graf za OM1, desno pa za OM2

Po končanem preizkusu smo preizkušanec ponovno utrujali kot na začetku preizkusa,

le da smo tokrat šli do zloma pri tem pa je R razmerje 0,7 in preizkušanec obremenjen

z 0,4 končne sile. Utrujanje je izvedeno zaradi markiranja razpoke. Ko smo

preizkušanec dokončno zlomili, smo lahko zmerili razpoko, ki je nastala v drugi fazi.

Slika 4.26: Preizkušanec po končanem preizkušanju po ASTM E1820.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

F (

kN

)

CMOD (mm)


36

Rezultate ovrednotimo in zmerimo razpoke na 9 mestih, kot predvideva standard.

Naslednji korak je merjenje razpoke, ki je nastala v drugi fazi preizkusa.

Slika 4.27: Prelomni površini z ovrednotenimi podatki.

Razpoka, zmerjena za preizkušanec A-R-I+4-IS in A-R-I+4-PS


Razpoka, zmerjena za preizkušanec A-R-P-4-IS in A-R-P-4-PS


Razpoka zmerjena za preizkušanec B-S-IS in B-S-PS

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]


37


Razpoka, zmerjena za preizkušanec B-R-I+4-IS in B-R-I+4-PS


Razpoka zmerjena za preizkušanec B-R-P-4-IS in B-R-P-4-PS


Razpoka zmerjena za preizkušanec C-S-IS in C-S-PS

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]


38


Razpoka zmerjena za preizkušanec C-R-I+4-IS in C-R-I+4-PS


Razpoka zmerjena za preizkušanec C-R-P-4-IS in C-R-P-4-PS


Razpoka, zmerjena za preizkušanec OM1-L in OM1-D

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]


39


Razpoka, zmerjena za preizkušanec OM1-L in OM1-D

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6

Do

lžin

a [m

m]

Širina [mm]


40

Ko ovrednotimo vse podatke za preizkus po ASTM E1820, dobimo odpornostne

krivulje, ki so prikazane v naslednjih grafih.

Odpornostni krivulji za preizkušanec A-R-I+4:

Slika 4.37: Odpornostni krivulji za preizkušanec A-R-I+4 po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]

Odpornostna krivulja δ-∆a

J [mm]

δ [mm]

δ [mm]

KonstrukcijskalinijaVzporednica 0,15mmVzporednica 0,2mmVzporednica 1,5mmVeljavnostnoobmočje

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]

Odpornostna krivulja J-∆a

J [mm]

J [mm]

J [mm]

Konstrukcijskalinija

Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


41

Odpornostni krivulji za preizkušanec A-R-P-4:

Slika 4.38: Odpornostni krivulji za preizkušanec A-R-P-4 po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

δ [mm]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J [N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


42

Odpornostni krivulji za preizkušanec B-S:

Slika 4.39: Odpornostni krivulji za preizkušanec B-S po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]

Konstrukcijska linija

Vzporednica 0,15 mm

Vzporednica 0,2 mm

Vzporednica 1,5 mm

Veljavnostno območje

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]

Konstrukcijska linija

Vzporednica 0,15 mm

Vzporednica 0,2 mm

Vzporednica 1,5 mm

Veljavno območje


43

Odpornostni krivulji za preizkušanec B-R-I+4:

Slika 4.40: Odpornostni krivulji za preizkušanec B-R-I+4 po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavnostnoobmočje

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


44

Odpornostni krivulji za preizkušanec B-R-P-4:

Slika 4.41: Odpornostni krivulji za preizkušanec B-R-P-4 po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavnostnoobmočje

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J [N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


45

Odpornostni krivulji za preizkušanec C-S:

Slika 4.42: Odpornostni krivulji za preizkušanec C-S po ASTM E1820

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J [N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]

KonstrukcijskalinijaVzporednica 0,15mmVzporednica 0,2mmVzporednica 1,5mmVeljavno območje


46

Odpornostni krivulji za preizkušanec C-R-I+4:

Slika 4.43: Odpornostni krivulji za preizkušanec C-R-I+4

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]



47

Odpornostni krivulji za preizkušanec C-R-P-4:

Slika 4.44: Odpornostni krivulji za preizkušanec C-R-P-4

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


48

Odpornostni krivulji za preizkušanec OM-1:

Slika 4.45: Odpornostni krivulji za preizkušanec OM-1

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]



49

Odpornostni krivulji za preizkušanec OM-2:

Slika 4.46: Odpornostni krivulji za preizkušanec OM-2

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


δ [mm]

δ [mm]

δ [mm]


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J [N

/mm

]

∆a [mm]


J [mm]

J [mm]

J [mm]


Vzporednica 0,15mm

Vzporednica 0,2mm

Vzporednica 1,5mm

Veljavno območje


50

Preglednica 4.3: Tabela vseh preizkušancev po ASTM E1820

J (N/mm) KJIc [N/m3/2] CTOD (mm) Jm (N/mm) δm (mm)

A-R-I+4 22 42 0,035 61,2 0,097

A-R-P-4 26 46 0,042 42,6 0,068

B-S 23 43 0,033 41,5 0,061

B-R-I+4 32 50 0,034 44,9 0,057

B-R-P-4 28 47 0,041 58,3 0,085

C-S 21 41 0,026 33,5 0,041

C-R-I+4 21 41 0,031 55,3 0,081

C-R-P-4 24 44 0,029 57,8 0,074

OM1 24 44 0,031 61,2 0,078

OM2 24 44 0,029 51,5 0,065


51

5 DISKUSIJA

Ovrednotili smo vse podatke, ki smo jih skonstruirali odpornostne krivulje po ASTM

E1820 z metodo normalizacije in prišli do končnega sklepa, katera hitrost je najbolj

optimalna za varjenje. Rezultati so prikazani v naslednjih grafih.

Grafa vseh odpornostnih krivulj A :

Slika 5.1: Graf vseh odpornostnih krivulj A (za medsebojno primerjavo rezultatov)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


OM1

A-R-I+4

A-R-P-4

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[m

m]

Δa [mm]


OM1

A-R-I+4

A-R-P-4


52

Slika 5.2: Primerjalne vrednosti lomne žilavosti pri hitrosti varjenja A

Slika 5.3: Primerjava vrednosti J-integrala pri hitrosti varjenja A

Slika 5.4: Primerjava δm pri hitrosti varjenja A


53

Grafa vseh odpornostnih krivulj B:

Slika 5.5: Graf vseh odpornostnih krivulj B (za medsebojno primerjavo rezultatov)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


OM1

B-R-I+4

B-R-P-4

B-S

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[m

m]

Δa [mm]


OM1

B-R-I+4

B-R-P-4

B-S


54

Slika 5.6: Primerjalne vrednosti lomne žilavosti pri hitrosti varjenja B

Slika 5.7: Primerjava vrednosti J-integrala pri hitrosti varjenja B

Slika 5.8: Primerjava δm pri hitrosti varjenja B


55

Graf za hitrost varjenja C:

Slika 5.9: Graf vseh odpornostnih krivulj C (za medsebojno primerjavo rezultatov)

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

δ[m

m]

Δa [mm]


OM1

C-R-I+4

C-R-P-4

C-S

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

J[m

m]

Δa [mm]


OM1

C-R-I+4

C-R-P-4

C-S


56

Slika 5.10: Primerjalne vrednosti lomne žilavosti pri hitrosti C

Slika 5.11: Primerjava vrednosti J-integrala pri hitrosti varjenja C

Slika 5.12: Primerjava δm pri hitrost varjenja C


57

Najboljši rezultati so bili pričakovani pri hitrosti B, ker je hitrost varjenja 116 mm/min.

Hitrost A 73 mm/min je bila prepočasna in porazdelitev in kristalizacija materiala se ni

zgodila optimalno. Hitrost C 150 mm/min je bila prehitra in je bilo premalo časa za

pravilno porazdelitev materiala v varu. Najbolj optimalna hitrost je bila B, ker je bilo

optimalno časa za nastanek pravilne oblike vara in za nastanek nove fine

mikrostrukture v samem varu. Zaradi, katere smo dobili boljše lomno mehanske

lastnosti, kot pa pri OM.

Pravilna oblika vara in v katerih sekcijah vara smo testirali lomno mehaniko v prerezu:

Prva črta od leve proti desni je istosmerna stran +4mm oddaljena od sredine, druga

črta je sredina, tretja črta pa je protismerna -4mm oddaljena od sredine.

Slika 5.13: Nazorna slika, ki prikazuje prerez vara in njegova področja

Svetlo rumena barva prikazuje območje vara (nova mikrostruktura). Temno rumena

barva prikazuje toplotno vplivano področje, kjer so spremembe materiala prisotne.

Rjavo območje prikazuje toplotno vplivano področje, kjer sprememba materiala ni

prisotna, siva barva pa prikazuje osnovni material.

+4

44

4

0 -4


58

6 SKLEP

Cilji, ki smo si jih na začetku diplomskega dela zastavili, so bili, da ugotovimo lomno

mehanske lastnosti Al-zlitine, zavarjene po postopku FSW, ter spremembe mehanskih

lastnosti materiala v samem varu. Zanimalo nas je tudi, kako se bo material obnašal

na mestu dela, ki je zvarjen, in kakšne lastnosti bo imel. Predvidevali smo, da bo

najboljše lastnosti imel osnovni material, saj ni bil pod toplotnim vplivom varjenja. Ko

smo pridobili rezultate iz preizkušanj, smo potrdili, da ima osnovni material v povprečju

boljšo lomno mehaniko, kot material zvarjene plošče. Hoteli smo ugotoviti, katera od

treh hitrosti varjenja nam bo dala najboljše lastnosti vara in katera od treh plošč se bo

po lomni mehaniki približala osnovnemu materialu oz. ga v nekaterih področjih tudi

presegla in bo najbolj primerna za nadaljnjo uporabo. Material smo preizkušali po

Charpy-ju in po ASTM E1820. Prvi preizkus nam je podal udarno žilavost materiala,

kjer smo ugotovili, da je plošča z najboljšo udarno žilavostjo plošča B. Lomno mehanski

preizkus ASTM E1820 je preizkus, pri katerem določimo, kako se je material sposoben

upirati širjenju razpoke, ko enkrat ta nastane v materialu. Pri tem smo prišli do

ugotovitve, da je prav tako v povprečju dosegala najboljše rezultate plošča B.


59

7 LITERATURA


https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje [Datum dostopa: 20. 9. 2016]

[2] Bukla , bukla [online], Dosegljivo:

http://www.bukla.si/?action=books&book_id=9275 [Datum dostopa: 19. 9. 2016]

[3] Varilni aparati , Varilni aparati [online], Dosegljivo:

http://www.varilniaparati.si/varjenje-aluminija/ [Datum dostopa: 22. 9. 2016

[4] Srednja tehniška šola Koper , sts [online], Dosegljivo:

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var16.htm [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

[5]Wikipedija, Wikipedija prosta enciklopedija [online], Dosegljivo:

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje_TIG [Datum dostopa: 22. 9. 2016]


https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminijeva_zlitina [Datum dostopa: 22. 9. 2016]


https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminij [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

[8] Viljem Kralj , Ostali načini spajanja , Specializacija IWE/IWT. Ljubljana: Inštitut

za varilstvo, 2013/2014.


https://sl.wikipedia.org/wiki/Charpyjev_udarni_preizkus [Datum dostopa: 22. 9. 2016]

[10] TWI , TWI-global [online], Dosegljivo: http://www.twi-global.com/technical-

knowledge/published-papers/industrialisation-of-friction-stir-welding-for-aerospace-

structures-december-2001/ [Datum dostopa: 29. 9. 2016]

[11] mms , modern machine shop [online], Dosegljivo:

http://www.mmsonline.com/articles/friction-stir-weldingit39s-not-just-for-aluminum

[Datum dostopa: 29. 10. 2016]

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje

http://www.bukla.si/?action=books&book_id=9275%20

http://www.varilniaparati.si/varjenje-aluminija/

http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varjenje/var16.htm

https://sl.wikipedia.org/wiki/Varjenje_TIG

https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminijeva_zlitina

https://sl.wikipedia.org/wiki/Aluminij

https://sl.wikipedia.org/wiki/Charpyjev_udarni_preizkus




http://www.mmsonline.com/articles/friction-stir-weldingit39s-not-just-for-aluminum

Documents

DOLOČITEV LOMNO MEHANSKIH LASTNOSTI NA ZVARNEM … · 2017-11-27 · mehanika se izvaja v OM, TVP in varu. S primerjavo rezultatov z vseh treh območij lahko predpostavimo, kje se