MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR

TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT

Nemesített nagyszilárdságú acélok hegesztésének nehézségei

Gáspár Marcell Gyula II. éves gépészmérnök mesterszakos hallgató

Konzulens: Dr. Balogh András

egyetemi docens Mechanikai Technológiai Tanszék

Miskolc, 2010

1

BEVEZETÉS ................................................................................................................. 3

1. NAGYSZILÁRDSÁGÚ SZERKEZETI ACÉLOK TULAJDONSÁGAI ... 5

1.1. Nagyszilárdságú acélok fejlődése ............................................................................................5

1.2. A nagy szilárdság elérésének lehetőségei ...............................................................................6

2. NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK HEGESZTÉSE ...................................... 9

2.1 Hegesztési nehézségek ..............................................................................................................9

2.2 Hegesztőeljárások ...................................................................................................................11

2.3 Hegesztési paraméterek .........................................................................................................11 2.3.1 Vonalenergia hatása ..................................................................................................................... 11 2.3.2 Előmelegítési hőmérséklet ........................................................................................................... 13

2.3.2.1 IIW szerinti előmelegítési hőmérséklet ............................................................................. 14 2.3.2.2 Uwer-Höhne módszer ....................................................................................................... 14

2.3.3 Hűlési idő .................................................................................................................................... 15 2.3.3.1 Hővezetési modellek ......................................................................................................... 16 2.3.3.2 Hűlési idő mérése .............................................................................................................. 17

2.4 Huzalelektróda .......................................................................................................................19

3. ELJÁRÁSVIZSGÁLAT ................................................................................. 21

3.1 Előzetes hegesztési utasítás elkészítése .................................................................................21 3.1.1 Alapanyag .................................................................................................................................... 21 3.1.2 Hozaganyag ................................................................................................................................. 22 3.1.3 Védőgáz ....................................................................................................................................... 23 3.1.4 Hegesztési paraméterek meghatározása (WeldCalc) ................................................................... 23

3.2 A hegesztési próba elkészítése ...............................................................................................25

3.3 A minősítéshez szükséges vizsgálatok és eredményeik........................................................27 3.3.1 Roncsolásmentes vizsgálatok ...................................................................................................... 28 3.3.2 Roncsolásos vizsgálatok .............................................................................................................. 28

3.3.2.1 Makro- és mikrovizsgálat .................................................................................................. 28 3.3.2.2 Keménységvizsgálat .......................................................................................................... 29 3.3.2.3 Szakítóvizsgálat ................................................................................................................. 31 3.3.2.4 Hajlító vizsgálat ................................................................................................................ 31 3.3.2.5 Ütővizsgálat ....................................................................................................................... 32

4. HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK ...................................................................... 34

4.1 I. kísérlet .................................................................................................................................35 4.1.1 Szakítóvizsgálat eredménye az I. kísérletnél ............................................................................... 36 4.1.2 Ütővizsgálat eredménye az I. kísérletnél ..................................................................................... 36 4.1.3 Keménységvizsgálat eredménye az I. kísérletnél ........................................................................ 36

4.2 II. kísérlet ................................................................................................................................38 4.2.1 Szakítóvizsgálat eredménye a II. kísérletnél ................................................................................ 39

2

4.2.2 Ütővizsgálat eredménye a II. kísérletnél ..................................................................................... 39 4.2.3 Keménységvizsgálat eredménye a II. kísérletnél ......................................................................... 39

4.3 III. kísérlet ..............................................................................................................................41 4.3.1 Szakítóvizsgálat eredménye a III. kísérletnél .............................................................................. 42 4.3.2 Ütővizsgálat eredménye a III. kísérletnél .................................................................................... 42 4.3.3 Keménységvizsgálat eredménye a III. kísérletnél ....................................................................... 43

4.4 IV. kísérlet ...............................................................................................................................44 4.4.1 Szakítóvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél .............................................................................. 45 4.4.2 Ütővizsgálat eredménye a IV. kísérletnél .................................................................................... 45 4.4.3 Keménységvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél ....................................................................... 46

4.5 V. kísérlet ................................................................................................................................47 4.5.1 Szakítóvizsgálat eredménye az V. kísérletnél .............................................................................. 48 4.5.2 Ütővizsgálat eredménye az V. kísérletnél.................................................................................... 48 4.5.3 Keménységvizsgálat eredménye az V. kísérletnél ....................................................................... 49

4.6 Kísérletek eredményeinek összefoglalása .............................................................................50 4.6.1 Szakítóvizsgálat eredményeinek összehasonlítása ...................................................................... 51 4.6.2 Ütővizsgálat eredményeinek összehasonlítása ............................................................................ 52 4.6.3 Keménységvizsgálat eredményeinek összehasonlítása ................................................................ 52

KÖVETKEZTETÉSEK ............................................................................................. 55

IRODALOMJEGYZÉK ............................................................................................. 57

3

BEVEZETÉS

A hegesztett szerkezetekben alkalmazott acélok a múlt században óriási fejlődésen

mentek keresztül. A kezdetben 235 MPa folyáshatárú acéloktól mára eljutottunk az

1100 MPa folyáshatárú, nagyszilárdságú, nemesített, mikroötvözött, finomszemcsés

szerkezeti acélokig. A nagyszilárdságú acélok legfontosabb előnye, hogy kiemelkedő

szilárdsági tulajdonságaik révén jelentős súlycsökkenés érhető el a gépészeti szerkeze-

tekben. Emellett további előnye ezeknek az acéloknak, hogy alkalmazásuk során a ki-

sebb szelvényvastagságok révén kevesebb alapanyagot, illetve ebből kifolyólag keve-

sebb hozaganyagot használnak fel a varrathoz, ami sok esetben a magasabb anyagárak

ellenére is a gyártási költségek csökkenéséhez vezet. A felsorolt előnyökből követke-

zik, hogy ezeket az acélokat leggyakrabban mozgó szerkezetek, például autódaruk

vagy földmunkagépek esetén alkalmazzák. Ezek az ipari járművek így kisebb önsúly-

lyal rendelkeznek, amely növeli a jármű terhelhetőségét, és csökkenti a fogyasztását.

A nagyszilárdságú acélok szokatlanul magas folyáshatárát termomechanikus hen-

gerléssel, hőkezeléssel, makro- és mikroötvözők alkalmazásával, illetve a bennük ta-

lálható szennyezők csökkentésével érik el. Ebből következik, hogy hegesztésükkor kü-

lönös figyelmet kell fordítani, hogy a gyártás során létrehozott, többnyire nem egyen-

súlyi anyagszerkezetet minél kevésbé változtassuk meg. Ez az anyagtudományi isme-

retek magasszintű alkalmazását, korszerűbb hegesztéstechnológiát és modernebb he-

gesztő berendezéseket igényel.

A jelen diákköri dolgozat az egyik legnagyobb folyáshatárú, az MSZ EN 10025-

6:2005 szabvány szerinti S960QL jelölésű acélon keresztül mutatja be a nagyszilárd-

ságú szerkezeti acélok hegesztésének technológiai nehézségeit. Ezeknek az acéloknak

a hegesztését előmelegítést követően korlátozott hőbevitellel, a vonalenergia értékének

pontos szabályozásával és közel állandó értéken tartásával kell elvégezni, mert ellen-

kező esetben a varrat-alapanyag átmenetnél gyors hűlés esetén jelentős keménység-

csúcsok, illetve lassú hűlés esetén keménységcsökkenés is kialakulhat, azaz az anyag

beedződik és elveszti szívósságát, vagy pedig kilágyul, és szilárdsága lecsökken. Ezért

4

a hűlés során lejátszódó folyamatok határozzák meg a hegesztett kötés végső mecha-

nikai tulajdonságait. A hegesztési folyamat hűlési fázisát általában az A3 hőmérséklet-

ről (az acél karbontartalmától függően általában 800 és 850 °C közé tehető) 500 °C-ra

történő hűlési idővel szokták jellemezni, amelyre a szigorúbb előírások mindösszesen

6-10 s közötti intervallumot adnak meg. A jelen dolgozat bemutatja a hűlési idő számí-

tásának módját, illetve a számítások szoftveres lehetőségeit, emellett pedig az össze-

függések ellenőrzése céljából a hűlési idők tényleges mérésére is sor kerül.

A 960 MPa minimális garantált folyáshatárú acélok hegesztése során meglehetősen

szűk paramétertartomány áll a hegesztők rendelkezésére, ami nagy munkafegyelmet

tételez fel. Emellett napjainkban a szoros határidők és az ezekből fakadó feszített

munkatempó következtében szükséges, hogy a mérnökök kellő információval rendel-

kezzenek arról, hogy az előírásoknak nem megfelelően végzett hegesztés milyen kö-

vetkezményekkel jár a hegesztett kötés tulajdonságaira. Ennek okán egy nagyszilárd-

ságú acélszerkezetek gyártásával foglalkozó, magyarországi telephellyel is rendelkező

finn cég támogatásával és közreműködésével öt darab kísérleti próba készült, amelye-

ket eltérő hegesztési paraméterekkel hegesztettek. A hegesztést követően elvégzett

anyagvizsgálatok azt a célt szolgálták, az előírásoktól való eltérés milyen hatással van

a hegesztett darabok mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságaira. Az elvégzett

vizsgálatok középpontjában a huzalelőtolás és ezáltal az áramerősség, valamint a he-

gesztési sebesség változtatásának hatása állt. Emellett kísérleteket végeztem az előme-

legítés elhagyásának és a megengedettnél nagyobb maximális rétegközi hőmérséklet

hatásának elemzésére is. A dolgozat az eredmények kiértékelését követően egy össze-

foglaló formájában kísérel meg választ adni arra a kérdésre, hogy az alkalmazott ösz-

szefüggések és előírások mennyire helytállóak az adott acélok hegesztésére vonatko-

zóan, és hogy ezek be nem tartása milyen következményekkel járhat.

5

1. NAGYSZILÁRDSÁGÚ SZERKEZETI ACÉLOK

TULAJDONSÁGAI

1.1. Nagyszilárdságú acélok fejlődése

Az acélok jelentős fejlődése a világháborút követően kezdett el gyorsulni. A 60-as

években megjelentek a nagyszilárdságú nemesített acélok (S690QL), majd a 70-es

években bevezették a termomechanikus hengerlést. Ennek eredményeként egy évszá-

zad alatt az acélok folyáshatárát sikerült a kezdeti értékhez képest közel ötszörösére

növelni.

St37S235

St52S355N

StE420NS420NC

StE500S500NC

StE690VS690QL

S1300QL

StE890VS890QL

StE960VS960QL

S1100QL

QStE380TMS380MC

QStE420TMS420MC

QStE550TMS550MC QStE620TM

S620MC

QStE690TMS700MC QStE740TM

S740MC

S930MCS890MC

S960M

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1910 19151920 1925 1930 19351940 1945 19501955 1960 1965 19701975 1980 19851990 1995 1996 19982000 2008

Évek

Foly

áshat

ár,M

Pa

Melegen hengerelt

Normalizált

Légedzésű

Vízedzésű

TM-hengerelt

TM-hengerelt + BA

1. ábra: A szerkezeti acélok fejlődésének története

A mobildaruk gyártásánál már évtizedek óta alkalmazzák a 690-890 MPa minimális

folyáshatárú acélokat. Az iparilag fejlettebb országokban szériagyártás során építik be

az 1100 MPa folyáshatárú acélokat, sőt előfordul, hogy már 1300 MPa folyáshatárú

acélokkal foglalkoznak. A nagyszilárdságú acélok megfogalmazás helyett gyakran al-

kalmazzák a növelt folyáshatárú acél elnevezést, mivel a jelenlegi szabványok nem a

szakítószilárdság, hanem a folyáshatár alapján kategorizálják az acélokat.

Az MSZ EN 10025-6 szabvány szerinti S 960Q jelölésű acélhoz hasonló nagyszi-

lárdságú acélok előnye közé sorolható, hogy alkalmazása kisebb szelvényvastagságot

6

és az ebből adódó kisebb tömegű varratot, valamint súlycsökkenést eredményez. A ki-

sebb varrattömeg csökkenti a hozaganyag-szükségletet, a gyártási időt és a gyártáshoz

szükséges energiát, a súlycsökkenésből származó előnyök meg mozgó szerkezetek

esetén használhatók ki (daruk, földmunkagépek).

2. ábra: Nagyszilárdságú acélok alkalmazásának előnyei [4]

1.2. A nagy szilárdság elérésének lehetőségei

Az S960Q acélt [4] a vízedzésű, nagy folyáshatárú, gyakran „vakedzettnek” neve-

zett szerkezeti acélok közé sorolják. A csoporton belül ez jelenti a csúcskategóriát,

S960QL jelölésű párja pedig alkalmas a szobahőmérséklet alatti hőmérsékleten üze-

melő berendezésekhez.

Acél jele

Cmax Simax Mnmax Pmax Smax Crmax Momax Nimax Al

% % % % % % % % %

S 960 Q 0,2 0,8 1,7 0,020 0,005 1,5 0,7 1,5 0,015

1. táblázat: Az S 960Q acél kémiai összetétele tömegszázalékban, MSZ EN 10025-6

Lemezvastagság [mm]

Re Rm A CEmax KVmin, J, hossz-irányban, T= -40

°C MPa MPa % %

< 50 960 980-1150

10 0,82 30

2. táblázat: Az S 960QL acél mechanikai tulajdonságai, MSZ EN 10025-6

7

Ezen acélok esetében a nagy szilárdság egyik kiemelkedő oka a rendkívül finom

szemcseméret. Ezt úgy érik el, hogy túlhűtés alkalmazásával a kristályosodás egyide-

jűleg több csírán indul meg, így a több szemcsehatár és a rendezetlenebb rácsszerkezet

miatt növekszik a folyáshatár, valamint a szakítószilárdság értéke is.

3. ábra: A szemcseméret csökkenésével bekövetkező szilárdság növekedés

A finomszemcsés szerkezet mellett az alábbi acél kiemelkedő tulajdonságait a tuda-

tosan megválasztott ötvözőtartalom okozza. Az acél kristályosodásakor a sok ötvöző

kristályosodási csírát képez, így elősegítve a finomszemcsés szerkezet kialakulását. A

hagyományosan hengerelt, normalizált finomszemcsés acél 900 °C hőmérséklet körül

ausztenitesített, ezáltal a nemkívánatos szekunder szerkezet elkerülhető. Ezzel egyide-

jűleg az alumínium révén a nitrogén lekötésére is sor kerül, ami finoman kiváló

karbonitrid keletkezéséhez vezet.

Erős karbidképzők, mint a króm és molibdén, jelentős karbidképződést okozhatnak.

Ezek a kis kiválások, mint csírák szerepelnek az elkövetkező átalakulásnál, és a leve-

gőn történő lehűtésnél finomszemcsés ferrit-perlit szövetszerkezet alakul ki. Ilyen

módszerrel azonban csak maximum 500 MPa folyáshatárú acél állítható elő.

A vízedzésű finomszemcsés acél esetében hasonló kémiai összetétel mellett a víz-

ben edzés hatására finomabb szemcsék alakulnak ki. Emellett az S960Q jelölésű acé-

lok más finomszemcsés acéloktól a nagyobb króm-, nikkel- és a bórtartalmukkal tér-

nek el [3]. A bór (B <0,005%) erős nitrid-, de különösen erős karbidképző. A bór na-

gyon hatékonyan növeli az átedzhetőséget azáltal, hogy az ausztenit szemcsehatárán

8

dúsulva akadályozza a ferrit képződését. Az acélgyártáskor csak nagyon gondos, pon-

tosan szabályozott ötvözéssel érhető el – a bórnak az oxid-, karbid- és nitridképző haj-

lama miatt –, hogy az ausztenit átalakulásának akadályozásához szükséges 10…30

tömeg ppm elemi szabad bór rendelkezésre álljon, de mennyisége ezt ne haladja meg.

A nagyobb mennyiségű bór ugyanis már boro-karbid [Fe23(CB)6] formájában kiválik,

ami az ausztenit szemcsével inkoherens határral érintkezik, és a ferritképződést segít-

ve, rontja az átedzhetőséget. A finom karbidkiválások ugyanakkor jelentősen növelik

az acél ütőmunkáját, szívósságát. A bór kedvező hatása még viszonylag kis (C ≤

0,25%) karbontartalmú szerkezeti acéloknál is kihasználható a szilárdsági értékeket ja-

vító, nemesített állapot eléréséhez. Nemcsak a bór, de a króm és a nikkel is igen haté-

konyan növeli az átedzhetőséget. Az átedződést elősegítő ötvözők hatására az acél

vízhűtés esetén teljes keresztmetszetében martenzites lesz. A kis karbontartalom miatt

az edzéskor létrejövő martenzites szövetszerkezet csak igen csekély számú torzult

elemi cellát tartalmaz, így a martenzit keménysége és egyben ridegsége kicsi. Ez az

úgynevezett vakedzés. Egyes esetekben használnak kisebb folyáshatárú nemesített

acélokat, abban az esetben, ha például nagyobb kopásállóság követelmény.

Érdekességként érdemes megjegyezni, hogy Magyarországon nem foglalkoznak

ennek az alapanyagnak a gyártásával, illetve hegesztésére is kevés gyártó vállalkozik.

A legnagyobb hazai alapanyag gyártó, a Dunaferr Zrt. által forgalmazott legnagyobb

folyáshatárú acél az S 550 M.

9

2. NAGYSZILÁRDSÁGÚ ACÉLOK HEGESZTÉSE

A 690 MPa-nál nagyobb folyáshatárú acélok hegesztése nagy gondosságot igényel.

A hegesztéstechnológia tervezésekor többek között figyelmet kell fordítani a hidrogén-

tartalom alacsony értéken tartására és a hegesztett kötések bemetszés-érzékenységére.

Ezen acélok hegesztésekor az ötvözőelemek hatására a hőhatásövezet felkeménye-

dik, és túl nagy hőbevitel esetén a hőhatásövezet az alapanyaghoz képest jobban kilá-

gyul, a szilárdság pedig lecsökken. A varrat-alapanyag átmenetnél keménységcsúcsok

és keménységcsökkenés egyaránt kialakulhat. A munkadarabot ezért hegesztéskor egy

adott lemezvastagság felett elő kell melegíteni, és korlátozott hőbevitellel kell hegesz-

teni. Az előmelegítési hőmérsékletre az acél gyártójától lehet információt szerezni, il-

letve kísérletekkel és számításokkal kell meghatározni.

2.1 Hegesztési nehézségek

Ezen acélok hegesztésekor a fejlett üstmetallurgiai eljárásoknak köszönhetően a

szennyező tartalom minimális, ezért nem kell tartani melegrepedés megjelenésétől,

azonban repedések előfordulhatnak hidrogén okozta diffúzió útján is. Hegesztés során

az ívben lévő hidrogénmolekulák felbomlanak hidrogén atomokra és ionokra, amelyek

méretük folytán a rácshézagokban diffúzió útján mozogni képesek. A diffúziós moz-

gáshoz szükséges aktiválási energia nagy hőmérsékleten hőenergia formájában rendel-

kezésre áll, azonban a hőmérséklet csökkenésével, a hidrogén oldhatósága szintén

csökken. A kristályosodáskor oldhatatlanná vált hidrogén diffúzió útján igyekszik a

fémfürdőből eltávozni, ha elegendő idő áll rendelkezésre. Azonban a hegesztési fo-

lyamat során többnyire nincs elegendő idő a diffúziós folyamat lejátszódásához, ezért

a nagy mennyiségű hidrogén a nagyobb hézagokkal rendelkező helyeken (pl. szem-

csehatár, rácshibák, diszlokációs helyek) gyűlik össze. A hidrogén tehát arra kénysze-

rül, hogy ismét kiváljon, lehetőleg molekuláris formában, azonban a hidrogén moleku-

la átmérője jóval nagyobb a hidrogén atom átmérőjénél, ezért a molekuláris forma to-

vábbi diffúzióra képtelen. A hidrogénmolekulák feldúsulása az ilyen helyeken az

anyagot ridegíti (a diszlokációk mozgását akadályozza), illetve a hidrogéngáz nyomá-

10

sa annyira megnő, hogy a szövetek közötti kötés helyileg felszakad, repedések jönnek

létre. Hidrogén okozta repedés veszélye azonban megfelelő hozaganyag kiválasztásá-

val jelentősen lecsökkenthető.

Az imént felsorolt repedésfajtáknál sokkal jellemzőbb az úgynevezett edződési re-

pedés. Az acélok hűlésekor γ – α átalakulás játszódik le, ha azonban ez a lehűlés igen

gyors, akkor a diffúziós folyamatok lejátszódásához nincs elegendő idő. A diffúziós

folyamat elmaradása esetén a hűlési folyamat a felületen középpontos köbösrácsú

ausztenitnek az instabilitását okozza, és a rácsszerkezet a benne oldott karbon atomok-

kal átbillen térben középpontos kockarácsúvá. A „befagyott” karbon a kockarácsot tet-

ragonálissá torzítja. Az így létrejött torzult rácsú szilárd oldatot martenzitnek nevezik.

A martenzites átalakulás diffúzió nélkül megy végbe, az atomok egyszerű rácsátrende-

ződésével, anélkül hogy az atomok relatív helyzete változna. Repedés képződéséhez

vezet, ha a szövetben nagy mennyiségben karbonban túltelített, ezáltal nagy belső fe-

szültséggel rendelkező martenzit alakul ki.

Bár ezen acélokat alacsony karbontartalmuknál fogva vakedzett acéloknak is szok-

ták hívni, mégis fennáll az edződési repedés veszélye a magas ötvözőtartalom miatt.

Az ötvözők hatását az acél edződési hajlamára a leginkább ismert karbonegyenérték

(forrás: International Institute of Welding) összefüggéssel lehet jellemezni, aminek az

S960Q esetén különösen nagy a jelentősége:

6 5 15

Mn Cr Mo V Cu NiCEV C

(1)

A képlet ötvözetlen acélokra, finomszemcsés acélokra és gyengén ötvözött acélokra

a CE = 0,3…0,7% közötti tartományban érvényes. A 3. táblázat tartalmazza az ötvö-

zők maximális mennyiségét.

Kémiai összetétel tömegszázalékban

C Simax Mnmax Crmax Cumax Nimax Momax Vmax

0,05…0,25 0,8 1,7 0,9 1,0 2,5 0,75 0,2

3. táblázat: A CE érvényességi tartománya [3]

11

Az S960Q acélok egyezményes karbonegyenértéke az alapanyag gyártójától függő-

en a 0,55 és 0,65 közötti tartományban esik, tehát az alacsony karbontartalom ellenére

edződési repedések jöhetnek létre.

2.2 Hegesztőeljárások

A nemesített, nagyszilárdságú acélok hegesztése több eljárással (BKI, VFI, FH, lé-

zersugár) is lehetséges. A 960 MPa garantált folyáshatárú acélok esetén megrendelhető

legnagyobb lemezvastagság 50 mm, ezért vastagabb lemezek esetén fedettívű hegesz-

tés alkalmazásának a lehetőségét is célszerű megvizsgálni. Amennyiben a gyártó a

fedettívű hegesztés mellett dönt, mindenképpen körültekintőnek kell lenni, mivel a be-

vont elektróda vagy fedőpor alkalmazása esetén felmerülhet a veszély, hogy a hozzá-

juk kapcsolódó nedvességből hidrogén kerül a varratba.

Az ipari gyakorlatnak megfelelően a jelen dolgozatban az MSZ EN ISO 4063 sze-

rinti 135 kódjelű, aktív védőgázos fogyóelektródás ívhegesztést alkalmaztuk.

2.3 Hegesztési paraméterek

2.3.1 Vonalenergia hatása

Az egyik legtöbb információt hordozó hegesztési paraméter a vonalenergia, ami a

(2)-es összefüggésben szereplő hőáramból vezethető le, amely az ívfeszültség (Uív),

hegesztő áram (Ih) és a fázissög szorzataként értelmezhető.

cos hív IU (2)

Mivel a későbbi fejezetekben bemutatásra kerülő hegesztési feladatok során egyen-

áramú berendezéseket alkalmazunk, ezért most az áram és feszültség közötti φ fázis-

szög nulla, így az előbbi összefüggés tovább egyszerűsödik, mivel cos 1 . A (2)-es

képletet felhasználva a vonalenergiát a következőképpen kaphatjuk meg:

Vh

dEE

ds f v

, kJ/mm, (3)

azaz a vonalenergia a hőáram (Φ) és a hegesztési sebesség (vh) hányadosaként számít-

ható. A számlálóban lévő η tényező jelenti a termikus hatásfokot, amely a hőforrás hő-

12

energiának a tárgyba kerülő és ott hasznosuló részét mutatja. Az összefüggésben sze-

replő f formatényező a kötés geometriai jellegzetességeit veszi figyelembe.

4. ábra: A vonalenergia hatása [4]

A vonalenergia csökkentésével az alapanyag szilárdsági paraméterei tarthatók, noha

ez a termelékenység rovására megy. A kis hőbevitel azonban növeli a hidrogén okozta

repedési hajlamot, illetve fokozza a beolvadási hiba veszélyét. Az S960Q esetében a

vonalenergia értékét a lehető legkisebbre kell választani, mivel ellenkező esetben a kö-

tés szilárdsága jelentősen lecsökken. Ökölszabályként szoktak megemlíteni, hogy

nagyszilárdságú acélok esetén a legkedvezőbb mechanikai tulajdonságok a vonalener-

gia 1 kJ/mm körüli értéken tartásával érhetők el.

5. ábra: Keménységeloszlás a varrat környezetében

Az előzőknek megfelelően ezeknek az acéloknak a hegesztését csak olyan hegesztő

végezheti, aki képes a hőfolyamatokat kontrollálni azáltal, hogy a vonalenergia értékét

szabályozza, és állandó értéken tudja tartani, mert ellenkező esetben a varrat-

alapanyag átmenetnél gyors hűlés esetén keménységcsúcsok, illetve lassú hűlés esetén

13

keménység csökkenés is kialakulhat, azaz az anyag beedződik és elveszti szívósságát,

vagy pedig kilágyul, és a szilárdsága lecsökken.

Ezt megelőzendő a helyes hegesztési paraméterek beállítása mellett kis vonalener-

giával, húzott varratsorokkal, illetve a lehető legnagyobb kihúzásokkal (kevesebb

megállással és újrakezdéssel) kell hegeszteni. Egyszerre kisebb keresztmetszetű varra-

tokat kell lerakni és egymáshoz képest el kell csúsztatni a sorokat. A sokrétegű varrat-

felépítéssel jobb ütőmunka érték érhető el a varratban és a hőhatásövezetben. Minde-

nekelőtt a lengetett varratfelépítés okozza a rossz ütőmunka értéket a túl vastag varrat-

hernyó miatt. A varratfelépítést oldalról kell elkezdeni, ezáltal a következő varrather-

nyó hője kedvezően befolyásolja a hőhatásövezet tulajdonságát. Különösen fontos ez a

fedősornál. Feszültséggel erősen terhelt varratoknál a szegélykiolvadást még lehetőleg

a meleg varratból kell köszörüléssel eltávolítani. Szerelési segédvarratokat kisebb szi-

lárdságú hozaganyaggal célszerű meghegeszteni. Azokat a fűzővarratokat, amelyek a

hegesztett kötés részét képezik, az alapanyagnak megfelelően választott elektródával

kell hegeszteni. A munkadarabon az ívgyújtás a varrathornyon kívül nem megenge-

dett, a nem szándékos gyújtási helyeket ki kell köszörülni. Összességében tehát a mi-

nőségi követelményeket kell előtérbe helyezni a teljesítmény követelmény mellett.

2.3.2 Előmelegítési hőmérséklet

Mivel az ötvözők miatt a varrat-alapanyag átmeneteknél keménységcsúcsok és ke-

ménységcsökkenés egyaránt kialakulhat, a munkadarabot ezért hegesztéskor elő kell

melegíteni. Az előmelegítésre azért van szükség, hogy megakadályozzuk a hegesztett

kötés beedződését, és ennek következményeként a hegesztett kötésben kialakuló hi-

degrepedést, illetve kedvezőbbé tegyük a feltételeket a hidrogén eltávozására. Előme-

legítés alkalmazásával csökkenteni tudjuk a hegesztett kötés hűlési sebességét, így a

martenzittartalom is csökkeni fog, ami kisebb ridegséget eredményez. Emellett az

előmelegítés hatására a varrat és az alapanyag nagyobb hőközben hűl egymással, ezál-

tal mérséklődik a hőtágulás, valamint kisebb belső feszültség keletkezik, továbbá javul

a hidrogéndiffúzió feltétele, hiszen a diffúziós folyamat végbemeneteléhez több idő áll

rendelkezésre. Az előmelegítés különösen fontos az alábbi esetekben:

14

A fűzővarratoknál, és a gyöksor elkészítésekor. A magasabb hőmérséklet miatt

a hegesztés alatt és utána a hidrogén könnyebben távozik az anyagból.

A szükséges előmelegítési hőmérsékletet növelni kell az anyagvastagság

növekedésével, mert kompenzálni kell a gyorsabb hűlést, valamint a vastagabb

lemeznek nagyobb az egyezményes karbonegyenértéke, mint a vékonyabbnak.

Az előmelegítési hőmérsékletet szintén növelni kell olyan esetben, ha a

hegesztett szerkezet kialakítása, befogása, rögzítése merevebb.

Ha a környezeti hőmérséklet +5ºC körüli, vagy alatta van, akkor is elő kell

melegíteni az anyagot a lecsapódó pára miatt.

Az egyes varratsorok elkészítése után meg kell várni, amíg a varrat visszahűl az

előmelegítési hőmérsékletre, mert gyakorlati tapasztalatok szerint a rétegközi hőmér-

séklet nem lehet sokkal magasabb az előmelegítési hőmérsékletnél

2.3.2.1 IIW szerinti előmelegítési hőmérséklet

Az előmelegítési hőmérséklet meghatározásának több módszere ismert. Az egyik

módszer az (1) összefüggésben szereplő karbonegyenértéket veszi alapul. Az eljárás

során az előmelegítési hőmérséklet gyakorlatilag kiolvasható egy nomogramból a CE,

a vonalenergia, a kombinált lemezvastagság és a Hd (diffúzióképes hidrogéntartalom)

ismeretében, amely meghatározását a ferrites heganyagra az MSZ EN ISO 3690:2002

szabvány szerint kell elvégezni.

2.3.2.2 Uwer-Höhne módszer

Egy másik, gyakran alkalmazott eljárás az Uwer-Höhne módszer, amely az alábbi

karbonegyenérték összefüggést használja:

10 20 40

Mn Mo Cr Cu NiCET C

(4)

A CET összefüggés tágabb határok között alkalmazható, és CET = 0,2…0,5% kö-

zött tartományban érvényes. A 4. táblázat tartalmazza az ötvözők maximális mennyi-

ségét.

15

Kémiai összetétel tömegszázalékban

C Simax Mn Crmax Cumax Nimax Momax Vmax

0,05…0,32 0,8 0,5 …1,9 1,5 0,7 2,5 0,75 0,18

Továbbá: Nbmax = 0,06 %, Timax = 0,12 %, Bmax = 0,005 %.

4. táblázat: A CET érvényességi tartománya [7]

Az előmelegítési hőmérséklet számításakor figyelembe kell venni a diffúzióképes

hidrogéntartalmat is. Ez alapján az előmelegítési hőmérséklet az alábbi módon hatá-

rozható meg:

0,35697 160 62 53 32 32835előmeleg d v

sT CET th H CET E

(5)

ahol:

s…kombinált lemezvastagság (s1+s2), mm

Hd…a diffúzióképes hidrogéntartalom, ml/100 g fém

Ev…vonalenergia, kJ/mm

Ennek mértékét a varrat középvonalától számítva legalább 75 mm széles sávban ki

kell terjeszteni.

Az ismertetett eljárások mellett további számítási módszerek (pl. Ito-Bessyo), illet-

ve több ajánlás is található az előmelegítési hőmérséklet meghatározására. Gyakorlati

tapasztalatok alapján előmelegítés technológiának ideális lehet elektromos előmelegítő

paplanok alkalmazása, de amennyiben ilyen eszközök nem állnak rendelkezésre, al-

kalmazható oxigén-acetilén gázzal működő melegítőégő is. Az előmelegítési hőmér-

sékletet a hegesztés megkezdésekor ellenőrizni kell, amelynek eszköze általában

hőkréta, vagy infravörös hőmérő.

2.3.3 Hűlési idő

A repedésképződésben az összetételen kívül jelentős szerepe van a hűlési sebesség-

nek. A hegesztési folyamat hűlési fázisának jellemzésére általában a hűlési sebesség

helyett a t8/5-ös hűlési időt alkalmazzák. A hegesztési folyamat hűlési fázisát általában

az A3 hőmérsékletről (az acél karbontartalmától függően általában 800 és 850 °C közé

tehető) 500 °C-ra történő hűlési idővel szokták jellemezni. Azért ezt a hőmérsékletet

16

vizsgálják, mert a nagyszilárdságú acélokban az ausztenit bomlása a 850-500 ºC kö-

zötti hőmérséklettartományban valósul meg. Ily módon egy elfogadható hűlési sebes-

ség intervallum tervezhető meg, amelynek alapjául több számítási módszer is szolgál.

A hűlési sebesség függ a vonalenergiától, az előmelegítés hőmérsékletétől a hegesz-

tett kötés hővezetési tulajdonságaitól, vastagságától, hővezetési tényezőtől, a hőveze-

tésben résztvevő elemek számától és azok kiterjedésétől. A varrat mechanikai tulaj-

donságait elsősorban annak kémiai összetétele, illetve a kristályosodási sebesség és

képesség határozza meg. A hőhatásövezet mechanikai tulajdonságaiban azonban döntő

szerepe van a hegesztés során elért csúcshőmérsékletnek, az ausztenites tartományban

való tartózkodási időnek, valamint az ausztenites tartományból való hűlési sebesség-

nek.

2.3.3.1 Hővezetési modellek

A hűlési sebesség mértékét számottevően befolyásolja a kötés kialakítása, az hogy a

hővezetésében hány és milyen méretű elem vesz részt, ez alapján beszélhetünk kétdi-

menziós hővezetésről vékony lemezek esetén, illetve háromdimenziós hővezetésről

vastag lemezek esetén.

Rosenthal a lemezanyagokra vonatkozó 2D-s hővezetési modell megalkotásával

olyan egyenletet vezetett le, amely a varrat közelében a hőmérséklet lefutását a hely és

idő függvényében írja le. Ennél a vékonylemez-modellnél a felületi hőátadás dominál,

a hővezetés csekély jelentőségű. Vékonylemez-modellnél alkalmazott hőmérséklet

függvény egyszerűsítésével és átalakításával a hűlési idő számítására a (6)-os egyenle-

tet kapjuk:

2

2 2 22

0 0

1 1

4 500 800v

Dp h

Et

c v d T T

(6)

További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel egy gyakorlatban jól alkalmaz-

ható egyenletet kapunk:

22

02

02

25

05/5,8800

1

500

1103,44300 F

TTd

ETt v

. (7)

17

Jelölés λ cp ρ T0 Ev Vh d

Megne-vezés

hővezetési tényező

fajhő sűrűség előmelegítési hőmérséklet

vonal-energia

hegesztési sebesség

lemez-vastag-

ság

Mérték-egység Kmm

W

Kg

J

3mm

g ºC

mm

kJ

s

mm mm

5. táblázat: A hűlési idő összefüggéseiben szereplő jelölések jelentése

A (7) és (9) összefüggésekben szereplő F2 és F3 alaktényezőket jelentenek, ame-

lyek megválasztására vonatkozó táblázatot a [7] irodalomban találjuk meg.

A háromdimenziós hővezetés a vastag lemezekre vonatkozik. Ennél az úgynevezett

nagytest-modellnél a hővezetés dominál, az úgynevezett felületi hőátadás (konvekció)

csekély jelentőségű. Nagytest-modellnél alkalmazott hőmérséklet függvény egyszerű-

sítésével és átalakításával a hűlési idő számítására a (8)-as egyenletet kapjuk:

00

5/5,8 800

1

500

1

2 TTvt

h

. (8)

További egyszerűsítésekkel és behelyettesítésekkel a kétdimenziós összefüggéshez

hasonlóan egy gyakorlatban jól alkalmazható egyenletet kapunk:

300

05/5,8 800

1

500

156700 F

TTETt v

. (9)

A (10)-es egyenletben szereplő határlemezvastagság azt a lemezvastagságot jelenti,

amely a különböző hővezetési modellek tartományát elválasztja. Ha hatdt , akkor

2D-s számítást, ha pedig ha hatdt akkor 3D-s számítási módot alkalmazunk.

ToTo

QTo

Todhat 800

1

500

1

0005,067,0

000043,0043,01000 (10)

2.3.3.2 Hűlési idő mérése

A kívánt eredmény eléréséhez az olvadási folyamatnak és a hűlési időnek a folya-

matos ellenőrzése szükséges [5]. A tapasztalatok alapján a hegesztési paraméterek (U,

I, v) megváltozása jelentősen befolyásolják a t8/5 hűlési idő mértékét, azonban a para-

méterek betartására és folyamatos ellenőrzésére nincs mindig lehetőség.

18

Bár az előző fejezetben említett egyenletekkel lehetőség van a hűlési idő számításá-

ra, sok esetben az egyenletekben szereplő paraméterek nem elég pontosan ismertek

ahhoz, hogy egy tökéletesen megbízható hűlési idő értéket kapjunk. A hegfürdőben és

az azt követő szilárdulás során a hűlési időnek a meghatározására ma már lehetőséget

nyújtanak speciális termoelektromos eszközök.

6. ábra: Hűlési idő mérésének elve

Magyarországon először a Jászberényben található Aprítógépgyár Rt.-nél (ma

Ruukki Tisza Zrt.) alkalmaztak ilyen berendezést. A ma is használt műszer Cr-CrNi

termoelemmel van ellátva, alkalmazásakor a termoelemeket a hegfürdőbe kell bemár-

tani, és a megszilárdulásig ott hagyni. A mérési folyamat során a kijelző folyamatosan

mutatja a vizsgált pontnak a pillanatnyi hőmérsékletét, és számítja a t8/5 és t8/3 hűlési

időket.

Ha a hegesztés során az adott anyagra vonatkozó megengedhető hűlési időtarto-

mány felső határához közelítünk, kedvezőbb ütőmunka értékeket érhetünk el, ameny-

nyiben az alsó határhoz tartunk, akkor pedig a keménységnövekedéssel kell számol-

nunk. Ezt jól példázza a Ruukki Tisza Zrt. által elvégzett kísérlet [9], amelynek ered-

ményét az 1. diagram mutatja. A kísérletből látható, hogy a hegesztőnek valóban na-

gyon szűk paramétertartományban kell dolgoznia. Általában az S960QL acélokra 5-15

s közötti hűlési időket írnak elő az alapanyaggyártók. Azonban a kísérletből látható,

19

hogy már 12 s körüli hűlési idő esetén is a szilárdság olyan mértékben lecsökken, hogy

a kötésből kimunkált próbatest szakítószilárdsága közel az alapanyag egyezményes fo-

lyáshatárával lesz egyenlő. Szembetűnő, hogy már 8 s hűlési idő esetén is kisebb lesz

az egyezményes folyáshatár az alapanyag minimálisan megengedett folyáshatáránál.

1. diagram: Hűlési idő hatása a szilárdsági és fajlagos nyúlás értékekre

Az imént felsoroltakból következik, hogy a Ruukki Tisza Zrt-nél a t8/5-ös hűlési idő-

re javasolt intervallum 5-15 s helyett mindösszesen 6-10 s, amit a kísérleti eredmények

mellett a Ruukki egyes megrendelőinek a gyártóra vonatkozó műszaki követelményei

is megerősítenek.

2.4 Huzalelektróda

A 135 számjelű hegesztési eljáráshoz a hegesztési huzalelektródát úgy kell megvá-

lasztani, hogy a varrat tulajdonságai a hegesztett kötésre vonatkozó előírásoknak meg-

feleljenek. A hidegrepedés elkerülése érdekében csak olyan huzalelektródát szabad vá-

lasztani, amely olyan varratot eredményez, amely vegyi összetételében nem tér el túl-

ságosan az alapanyagtól, és biztosítja a nagy szilárdságot, valamint a varrat kis hidro-

géntartalmát (≤ 5 ml/100 g fém). A huzalelektróda kiválasztásakor alapvetően három

lehetőség közül dönthetünk:

1. undermatching (a varratnak kisebb a folyáshatára, mint az alapanyagnak)

2. matching (a varratnak és az alapanyagnak közel azonos a folyáshatára)

3. overmatching (a varratnak nagyobb a folyáshatára, mint az alapanyagnak).

Vizsgálati paraméterek:

S960QL alapanyag

30 mm lemezvastagság

V-60° varratelőkészítés

Union X96 O1,2 hu-zal

20

Általában 500 MPa folyáshatár körüli acélok esetén overmatching-et, 700 MPa fö-

lött pedig undermatching-et szoktak alkalmazni, ami kedvező hatással van a fáradási

tulajdonságokra is. A felsorolt szempontok figyelembevételével az alábbi hozag-

anyagokkal történhet a darabok hegesztése:

Thyssen Union X96

Böhler X 90-IG/M21

ESAB OK Autrod 13.31

OK Tubrod 14.03

6. táblázat: Az alapanyaggyártó által javasolt hozaganyagfajták

A hozaganyag alegjobban a gyöksornál keveredik az alapanyaggal, és ez legtöbb-

ször jelentős szilárdságnövekedéssel jár együtt. Emiatt a nagyszilárdságú acélok esetén

előfordul, hogy a gyöksorhoz és az egyrétegű sarokvarratokhoz gyengébben ötvözött

huzalelektródát használnak, mint a töltő- és takarósorokhoz. Itt azonban érdemes meg-

jegyezni, hogy ebben az esetben növekszik a hozaganyagok felcserélésének kockázata.

21

3. ELJÁRÁSVIZSGÁLAT

Magyarországon meglehetősen kevés vállalat foglalkozik nagyszilárdságú szerkeze-

ti acélok hegesztésével. Ezen vállalatokon belül is mindösszesen néhány van, amely az

S960Q acélokkal foglalkozik. A Ruukki Tisza Zrt. (korábbi nevén: Jászberényi

Aprítógépgyár) közel 15 éves tapasztalattal rendelkezik ezen acélok hegesztésében.

Napjainkban, a vállalat vevői egyre inkább megkövetelik, hogy a gyártmányokban elő-

forduló hegesztett kötések már az MSZ EN ISO 15614 szerinti előírások alapján ké-

szüljenek el. Ezért a vállalatnál folyamatban van a korábbi MSZ EN 287 szerint ké-

szült WPS-ek felülvizsgálata, és azok újabb szabvány szerinti elkészítése. Ebből kifo-

lyólag a Ruukki hegesztőmérnökei azzal a feladattal bíztak meg, hogy S960QL acélból

készült 15 mm-es lemezvastagságú lemezek hegesztéstechnológiáját dolgozzam ki

egyoldali PA pozícióban lévő varratra, illetve a pWPS-t tanúsítását az újabb szabvány

szerinti eljárásvizsgálattal támasszam alá.

Az MSZ EN ISO 15614-ben szereplő 5a. táblázat alapján a 15 mm-es lemezvastag-

ságra szóló WPS-ek érvényességi tartománya a 0,5– 1,5t, azaz 7,5 és 30 mm közé esik,

ami a vállalatnál alkalmazott nagyszilárdságú lemezek egy jelentős részét lefedi.

3.1 Előzetes hegesztési utasítás elkészítése

Az 1. számú mellékletben szereplő előzetes hegesztési utasítást (pWPS) az MSZ

EN ISO 15609-1:2005 szerint készítettem el. A hegesztési paraméterek meghatározá-

sánál figyelembe vettem a szakirodalmi ajánlásokat, a megrendelő szállítási feltételeit,

valamint a korábbi WPS-ek tartalmát is.

3.1.1 Alapanyag

A hegesztéshez felhasznált alapanyag a svéd SSAB Oxelösund által gyártott

WELDOX 960 típusjelű nemesített, nagyszilárdságú, finomszemcsés szerkezeti acél

volt. Az alapanyag műbizonylatában szereplő mechanikai tulajdonságokat és vegyi

összetételt a 7. táblázat mutatja.

22

WELDOX 960

RP0,2 Rm A5 KV (-40ºC)

MPa MPa % J

1030 1076 16 56

WELDOX 960

C Si Mn P S Cr Ni

0,17% 0,22% 1,26% 0,009% 0,001% 0,20% 0,05%

Mo V Ti Cu Al Nb B N

0,594% 0,045% 0,003% 0,01% 0,053% 0,014% 0,002% 0,003%

7. táblázat: A WELDOX 960 mechanikai tulajdonságai és vegyi összetétele

3.1.2 Hozaganyag

A WELDOX 960-as alapanyaghoz úgy kell hozaganyagot választani (8. táblázat),

hogy a varrat folyáshatára kisebb legyen, mint az alapanyagé (undermatching). Az

ajánlott huzalátmérő [4] 1,2 mm 15 mm-es anyagvastagság esetén. A BÖHLER az

Union X96 (EN 12534:2000 G 89 5 M Mn4Ni2,5CrMo) típusú közepesen ötvözött

huzalelektródáját ajánlja a daru- és járműgyártás területén alkalmazott finomszemcsés,

nemesített acélok hegesztéséhez, amely nagy szilárdsága ellenére, jó alakváltozó-

képességgel rendelkezik, és a hidegrepedéssel szemben ellenálló kötést eredményez. A

huzalelektróda mechanikai tulajdonságait és vegyi összetételét a táblázat tartalmazza:

Union X96

RP0,2 Rm A5 KV (-40ºC)

MPa MPa % J

930 980 14 40

Union X96 C Si Mn P S Cr

0,11% 0,76% 1,90% 0,01% 0,009% 0,35%

Mo Ni V Cu Ti Zr Al

0,57% 2,23% 0,004% 0,002% 0,057% 0,001% 0,002%

8. táblázat: A BÖHLER X90 IG mechanikai tulajdonságai és vegyi összetétele

23

3.1.3 Védőgáz

Védőgázként az MSZ EN 439:1998 szerinti M 21 jelű védőgázt alkalmaztam, mivel

ezt több szakirodalom is ajánlja [3, 4, 8], valamint a megrendelő is ezt írja elő. A ke-

vert gáz alkalmazásával mély beolvadású varrat jön létre, arányos koronamagassággal.

Ilyen alakú varratnál a melegrepedés veszélye lecsökken. Ennek megfelelően a válasz-

tott védőgáz a CORGON 18 (18% CO2 + 82% Ar). Az 1,2 mm-es huzalelektródához

az ajánlott védőgázszükséglet 15 l/min.

3.1.4 Hegesztési paraméterek meghatározása (WeldCalc)

A hegesztési technológia kidolgozására a svéd SSAB Oxelösund acélgyártó cég

megrendelésére kifejlesztett WeldCalc nevű szofvert használtam. A szoftver pontos

képet ad a t8/5-ös hűlési időről, amelyre közvetlen hatással van a vonalenergia, az elő-

melegítési hőmérséklet és a lemezvastagság és ezeken keresztül a többi hegesztési pa-

raméter is. A szoftverben elsőként a karbonegyenérték kiszámításához szükséges

alapanyagösszetételt kell megadni.

7. ábra: Karbonegyenérték meghatározása

Ezt követően a lemezvastagságokat kell beállítani, valamint ki kell választani a var-

ratgeometriát. A kombinált lemezvastagság értékét a program számítja, ami jelen eset-

ben a lemezvastagságok összegére, azaz 30 mm-re adódik.

24

Ezután a hegesztési munkaterületet határoztam meg a program segítségével. A he-

gesztési munkaterület vízszintes tengelyén az előmelegítési hőmérséklet, függőleges

tengelyén a vonalenergia szerepel. A piros, zöld, kék és fekete vonalakkal határolt te-

rület mutatja azt a tartományt, amelyben a hegesztést kell végezni. Ez egy igen szűk

tartomány, amelyet csak pontosan beállított paraméterekkel és megfelelő gondossággal

végzett hegesztéssel lehet tartani.

8. ábra: Hegesztési munkaterület

Amennyiben a hegesztési paraméterek a pirossal jelzett maximálisan megengedhető

hűlési idő felé esnek, akkor a hőhatásövezet szívósságának és szilárdságának csökke-

nésével kell számolni. Abban az esetben, ha a minimálisan előírt hűlési időt jelző kék

görbe alá esik, akkor átolvadási hiba veszélye áll fenn. A kívánt paramétertartomány-

tól balra eső terület hidrogénrepedés veszélyét, a jobboldali pedig csökkent mechani-

kai tulajdonságokat eredményez a hőhatásövezetben. A program által, azaz az alap-

anyag gyártója által javasolt hűlési idő értékének a Weldox 960 acél esetén 5-15 s kö-

zé kell esnie. Ha a Ruukki egyik fő megrendelőjének, a TEREX-DEMÁG-nak a mű-

szaki szállítási feltételeit vesszük figyelembe, akkor ez a tartomány 6-10 s-ra szűkül,

azaz a hegesztési munkaterület még kisebbre adódik.

Az előmelegítési és a maximálisan megengedhető rétegközi hőmérsékletet a 8. áb-

rán látható munkaterület, valamint a szállítási feltételekben [16] található táblázat alap-

ján határoztam meg. Ezek alapján az ajánlott hőmérséklet-tartomány 15 mm-es lemez-

vastagságú S960Q alapanyag hegesztésekor 100-150 ° C. A szállítási feltételek alapján

az előmelegítés hőmérsékletet S690 acél hegesztésekor a felső hőmérséklettartomány-

25

ra, S960 acél esetén a felső hőmérséklettartomány +40 °C-ra kell meghatározni [16].

Az előbbiek figyelembevételével az előmelegítési hőmérsékletet 190 °C-ra, a rétegkö-

zi hőmérsékletet pedig 150 °C-ra írtam elő.

9. ábra: Vonalenergia és hűlési idő számítása

Az áramerősséget, a feszültséget és a hegesztési sebességet is a program segítségé-

vel állítottam be, miközben folyamatosan ellenőriztem a hűlési idő és a vonalenergia

értékét, hogy azok a megengedett tartományon belül maradjanak.

3.2 A hegesztési próba elkészítése

A korábbi fejezetekben leírtak alapján készítettem el a darab hegesztéséhez szüksé-

ges pWPS-t (előzetes gyártói hegsztési utasítást). A próbadarabok hegesztéséhez szük-

séges lemezeket lángvágással darabolták, majd a varratvályú kialakításához szükséges

leélezés mechanikus megmunkálással, marógépen történt. Mivel egyoldali varratot

kellett készíteni, ezért a hőmérséklet okozta deformáció elkerülése céljából a lemeze-

ket a gyökoldalon három helyen merevítőlemezekkel rögzítettük egymáshoz. Emellett

az előírásoknak megfelelően kifutó lemezeket is használtunk a hegesztésnél.

Az előmelegítés oxigén-acetilén gázzal működő melegítőégővel történt. Az előme-

legítés 190 ºC-ra történt a pWPS alapján. A rétegközi hőmérsékletet a számítások, az

előírásoknak és a gyakorlati tapasztalatok alapján 150 ºC-ban határoztuk meg. A he-

gesztővel a hőmérsékletek ellenőrzésére hőkrétát, illetve vele párhuzamosan infravö-

rös hőmérőt alkalmaztunk.

26

A próbadarabok hegesztése egy ESAB MIG 5000 iw típusú hegesztőgéppel történt,

amelyhez egy WeldQAS nevű hegesztési folyamat felügyelő rendszert csatlakoztat-

tunk. A rendszer a felügyeletben, a hibafelismerésben és dokumentáció során segíti a

mérnökök munkáját. A hegesztés során a WeldQAS-t az úgynevezett kompakt

szenzorrral használtuk, amely egyidejűleg képes volt mérni a hegesztési áramot, fe-

szültséget, gázáramlást és a huzalelőtolást. A folyamat felügyelő rendszer segítségével

rögzített hegesztési paramétereket a 9. táblázat tartalmazza:

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőto-lás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

9. (takaró) 150 51,75 10,54 302,54 29,44 0,8 6,5

8. (takaró) 150 47,44 10,54 289,41 28,89 0,9 7

7. (takaró) 150 43,27 10,55 290,99 28,99 0,9 8

6. (IV. sor) 150 41,08 10,55 287,01 29,61 1 9

5. (IV. sor) 150 41,85 10,55 275,62 29,68 0,9 8

4. (III. sor) 150 34,75 10,55 274,16 29,66 1,1 12

3. (III. sor) 150 56,96 10,55 275,43 29,00 0,7 5

2. (II. sor) 150 30,74 8,22 236,77 25,80 1 9 9,9

Gyök 190 17,39 3,21 116,85 18,47 0,6 5,5 7

9. táblázat: Hegesztési paraméterek PA pozícióban

A gyöksort követő varratsornál azért alkalmaztunk a többi töltősornál kisebb

huzalelőtolási sebességet és alacsonyabb feszültséget, mert ellenkező esetben a varrat

átroskadása, illetve gyökátfolyás következett volna be. A hűlési időket minden sor

után kiszámítottam a WeldCalc nevű szoftver segítségével, amely a (6)-(10)-es képle-

teket alkalmazza a számításokhoz. Az első két sor hegesztésekor termoelemes mérő-

eszközzel is ellenőriztem, hogy megfelelőek-e a hűlési idők, illetve ezáltal a beállított

paraméterek. A táblázatból látható, hogy az előírt 6 és 10 s közötti hűlési időket két sor

hegesztésekor nem sikerült teljes mértékben tartani. A gyöksor hegesztésénél kisebb, a

negyedik sor hegesztésekor pedig nagyobb hűlési idők adódtak. Ennek oka

nyílvánvalóan az, hogy a darabok hegesztése kézi és nem automatizált hegesztéssel

történt. Érdemes azért megjegyezni, hogy több szakirodalom és az alapanyag gyártója

tágabb intervallumot, nevezetesen 5-15 s közötti hűlési időket enged meg, amiket vi-

szont nagy biztonsággal sikerült tartani hegesztéskor. A hegesztési folyamat pontos

27

nyomonkövetése lehetővé tette, hogy az egyes sorok hegesztése között kiértékeljük az

addigi eredményeket, így azok figyelembevételével kezdhettünk hozzá a következő

sorok hegesztéséhez. Összességében így sikerült elérni, hogy a varrat szép, húzott so-

rokból készüljön el.

3.3 A minősítéshez szükséges vizsgálatok és eredményeik

A hegesztési technológiák minősítő vizsgálatát az MSZ EN ISO 15614-1:2004

szabvány szerint kell elvégezni, és a hegesztési technológia jóváhagyása esetén a mi-

nősítés jegyzőkönyve a WPQR (Welding Procedure Qualification Record) kiállítható.

Próbadarab A vizsgálat típusa A vizsgálat terje-

delme

Tompavarrat

Szemrevételezéses vizsgálat 100%

Radiográfiai vagy ultrahangos vizsgálat

100%

Felületi repedésvizsgálat 100%

Keresztirányú szakítóvizsgálat 2 próbatest

Keresztirányú hajlítóvizsgálat 4 próbatest

Ütővizsgálat 2 készlet szükséges

Keménységvizsgálat 1 próbatest szüksé-ges

Makrovizsgálat

Sarokvarrat

Szemrevételezéses vizsgálat 100%

Felületi repedésvizsgálat 100%

Keménységvizsgálat 2 próbatest szüksé-ges

Makrovizsgálat

10. táblázat: Szükséges vizsgálati eljárások

A hegesztési technológia megfelelősége esetén az előzetes hegesztési utasítás

(pWPS) gyártásba adható hegesztési utasításként (WPS). Az S960Q hegesztésének

nehézségeit jelzi, hogy például a DVS 1702 előírásai alapján a WPS-ek érvényességi

tartományát évente gyártáspróbával kell meghosszabbítani.

28

A hegesztéstechnológia jóváhagyásához szükséges roncsolásmentes vizsgálatokat a

gyártó vállalat, azaz a Ruukki Tisza Zrt. telephelyén végeztük el, a roncsolásos vizsgá-

latokat kivitelezéséért pedig a minősített laboratóriummal rendelkező ÁEF Anyag-

vizsgáló Laboratórium Kft. volt a felelős.

3.3.1 Roncsolásmentes vizsgálatok

A szemrevételezéses vizsgálatot az MSZ EN 970:1999 szabvány szerint hajtottuk

végre a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. A vizsgálat során a

próbadarabokon az MSZ EN ISO 5817:2004 szabvány szerint megengedettnél na-

gyobb eltérések nem voltak tapasztalhatók.

Felületi repedések kimutatására a Ruukki Tisza Zrt-nél a mágnesezhető poros vizs-

gálatot alkalmazzák, amelyet az MSZ EN 1290:2004 szabvány szerint hajtottunk végre

a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terjedelemben. A vizsgálat során bebizo-

nyosodott, hogy mindkét próbadarab megfelel az MSZ EN 1291:2004 szabvány sze-

rinti átvételi követelményeknek.

Az MSZ EN 15614-1:2004-es szabvány szerint tompavarratnál radiográfiai vagy

ultrahangos vizsgálatot kell végezni a hegesztett kötésre vonatkozóan 100%-os terje-

delemben. A vállalatnál az ultrahangos eljárás alkalmazására volt lehetőség, amelyet

az MSZ EN 1712:2004 szabvány szerint hajtottak végre az anyagvizsgálók. Ezen a

vizsgálat során is mindkét próbadarab megfelelt az MSZ EN ISO 5817:2004 szabvány

szerinti átvételi követelményeknek.

3.3.2 Roncsolásos vizsgálatok

A próbatestek kimunkálásának módját a tompavarratos kötésből az MSZ EN ISO

15614: 2004 követelményei határozzák meg. Ezen előírások figyelembevételével a 2.

számú mellékletben szereplő ábra alapján munkáltuk ki a próbatesteket.

3.3.2.1 Makro- és mikrovizsgálat

A makro- és mikrovizsgálatot az MSZ EN 1321:1999 szabvány szerint hajtottuk

végre. A csiszoláshoz a próbatesteket forgácsolással készítettük elő, és különböző fi-

nomságú csiszolópapírokon végeztük el a darabok csiszolását. A csiszolást követte a

29

polírozási művelet, amely során az egyik legelterjedtebben alkalmazott polírozószert,

alumínium-oxid és desztillált víz szuszpenzióját alkalmaztuk. Ezt követően a maratást

salétromsav alkoholos oldatával végeztük el. A makro- és mikrovizsgálat során hibá-

nak minősülő eltéréseket nem találtunk, ez utóbbi során pedig láthattuk a hőhatásöve-

zetre jellemző zónákat:

durvaszemcsés övezet (1100…1400 ºC),

finomszemcsés övezet (A3…1100 ºC),

interkritikus övezet (A1… A3),

szubkritikus övezet (500 ºC … A1).

3.3.2.2 Keménységvizsgálat

A keménységvizsgálatot az MSZ EN 1043-1: 1999 szabvány szerint hajtottuk vég-

re. E szabvány az ISO 6507-1 szerinti, 49 N vagy 98 N (HV 5 vagy HV 10) szokásos

vizsgálati terheléssel végzett Vickers keménységmérésekre vonatkozik. A lenyomatok

számát és a szomszédos lenyomatok távolságát úgy kell megállapítani, hogy a hegesz-

téskor keményedett és kilágyult övezetek meghatározhatók legyenek, és az előállított

hegesztett kötés értéklehető legyen.

A hegesztés hatására a hőhatásövezetben keményedő fémek keménységvizsgálata

során a hőhatásövezetben további lenyomatokat kell készíteni, amelyek a beolvadási

vonaltól legfeljebb 0,5 mm-re legyenek, a hőhatásövezetben lévő keménység lenyoma-

tok esetén a középpontjuk közötti ajánlott távolság 1 mm. A lenyomatoknak mind a

korona-, mind a gyökoldalon az anyag szélétől 2 mm-es távolságra kell lenniük.

Az 10. ábra mutatja a keménységlenyomatok helyét. Az MSZ EN ISO 15614: 2004

szabvány 2. táblázata tartalmazza a megengedett maximális keménységértékeket a

CR ISO 15608 szabvány szerinti anyagcsoportokra. Ezek alapján mivel nem hőkezelt

az alapanyag a maximálisan megengedhető keménység a 3-as anyagcsoportra 450 HV

10.

30

10. ábra: Keménységlenyomatok pozíciója

A vizsgálatok eredményeit a 11. táblázat tartalmazza:

11. táblázat: Keménységértékek a hegesztett kötésben

A szabvány keménységvizsgálatra vonatkozó követelményét a hegesztett kötés tel-

jesítette, mivel a vizsgálat során mért maximális keménységérték 405 HV volt, ami je-

lentősen kevesebb, mint a maximálisan megengedhető 450 HV. A koronaoldali érté-

kek a 325 és 405 HV közötti tartományban mozogtak, jelentős mértékű kilágyulás sem

a varratban, sem a hőhatásövezetben nem volt tapasztalható. A gyökoldalon jelentősen

kisebb keménységet mértek a korona oldalnál, ami a gyököt követő sorok hőkezelő

hatásának tudható be. A keménységek 260 é 344 HV közötti tartományba estek, és

31

mind a hőhatásövezet, mind a varrat esetén az alapanyagtól kisebb keménységet mér-

tek, tehát jelentős volt a kilágyulás.

3.3.2.3 Szakítóvizsgálat

A szakítóvizsgálatot az MSZ EN 895:1999 szabvány szerint hajtottuk végre, a vizs-

gálat során pedig az MSZ EN 10002-1:2001 szabvány általános irányelveit alkalmaz-

tuk. A szabvány tartalmazza a tompahegesztett kötések szakítószilárdságának és sza-

kadási helyének megállapítására való keresztirányú szakítóvizsgálat végrehajtásának

módját és a próbatest méreteit. A próbatesteket a szabvány előírása alapján úgy vettük

ki a hegesztett kötésből, hogy a forgácsolást követően a varrat tengelye a próbatest

vizsgálati szakaszának közepére kerüljön, illetve mind a korona- mind a gyökoldalon a

varratdudort az alapanyaggal egy síkban lemunkáltuk.

Az MSZ EN ISO 15614:2004-e szabvány szerint a hegesztett kötésből kimunkált

keresztirányú próbatest szakítószilárdsága nem lehet kevesebb az alapanyagra vonat-

kozó szabványban előírt minimális értéknél, ami 980 MPa szakítószilárdságnak felel

meg az MSZ EN 10025-6:2004 szerint. A kötésből kimunkált két próbatest közül az

egyik 1030 MPa, a másik 1020 MPa feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a var-

ratban. Mindkét szilárdság érték nagyobb volt 980 MPa-nál, ezért megállapítható,

hogy a szakítóvizsgálatra vonatkozó követelményt a hegesztett kötés teljesítette.

3.3.2.4 Hajlító vizsgálat

A hajlító vizsgálatot az MSZ EN 910:1999 szabvány szerint kell végrehajtani, ami

alapján 12 mm-es lemezvastagság felett 4 db oldalhajlító próbatestet kell kimunkálni.

A szakítóvizsgálathoz hasonlóan a próbatesteket úgy munkáltuk ki a kötésből, hogy a

forgácsolást követően a varrat tengelye a próbatest vizsgálati szakaszának közepére

kerüljön, illetve mind a korona- mind a gyökoldalon a varratdudort az alapanyaggal

egy síkba lemunkáltuk. A vizsgálat során a próbatestet két 85 mm átmérőjű párhuza-

mos görgőből álló támaszra helyeztük annak figyelembevételével, hogy a hegesztett

kötés a görgőtáv közepére kerüljön. A próbatesteket az alátámasztási hossz közepén, a

varrat tengelyében, a nyomótesten keresztül a próbatest felületére merőlegesen, foko-

zatosan és folyamatosan közölt terheléssel hajlítottuk meg. Ezek alapján mind a négy

32

oldalhajlító próbatestet 180 °-ig sikerült elhajlítani, amelyek közül az egyik darab ese-

tén 1 mm-es felnyílást tapasztaltak, ami nem változtatott a sikeres eredményen.

3.3.2.5 Ütővizsgálat

Az ütővizsgálathoz szükséges próbatestek kimunkálását és bemetszésének irányát

az MSZ EN 875: 1998 szabvány határozza meg, magát a vizsgálatot pedig az MSZ EN

10045-1:1994 szabvány tartalmazza. A kimunkált próbatest méretei a szabványnak

megfelelően 55x10x10 hasábok voltak, amik 45-os „V” bemetszéssel készültek.

12. táblázat: Ütőpróbatestek kivétele a hegesztett kötésből

Az MSZ EN ISO 15614-1:2004 szabvány szerint az ütővizsgálat során elnyert

energiának összhangban kell lennie az alapanyag szabványában rögzített ütőmunka ér-

tékével. Az eljárásvizsgálat az ütővizsgálat szempontjából akkor tekintethető eredmé-

nyesnek, ha a kimunkált három, varratban bemetszett próbatest ütőmunka értékeinek

átlaga, valamint a három hőhatásövezetben bemetszett próbatest ütőmunka értékeinek

átlaga legalább akkora, mint az alapanyagra előírt minimális ütőmunka, ami az

S960QL acél esetén -20 °C-on 40 J, -40 °C-on pedig 30 J energiának felel meg. A

szabvány további követelménye, hogy legfeljebb egy-egy próbatest ütőmunkaértéke

lehet kevesebb az átlagértékre vonatkozó minimális ütőmunkánál, de legalább el kell

érnie annak a 70 %-át.

Az ütővizsgálatokat bár célszerű lett volna az alapanyag műbizonylatán szereplő

-40 °C-on végezni, a felkért anyagvizsgáló vállalat -20 °C-on végezte el a vizsgálato-

kat, feltehetően abból a megfontolásból, hogy Magyarországon a szabadtéren működő

szerkezeteket -20 °C hőmérséklet elviselésére kell tervezni. A vizsgálatok eredményeit

a 13. táblázat tartalmazza:

33

Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

VWT-1 85

74 VWT-2 68

VWT-3 69

VHT-1 72

78 VHT-2 77

VHT-3 86

13. táblázat: Az ütővizsgálatok eredményei

Az MSZ EN ISO 15614-1:2004 szabvány követelménye teljesült, mivel az alap-

anyagra vonatkozó -20 °C-on mért 40 J-t a próbatestek ütőmunkáinak átlagai nagy biz-

tonsággal teljesítették, illetve egyik ütőmunkérték sem volt kisebb 40 J-nál.

34

4. HEGESZTÉSI KÍSÉRLETEK

Az eljáráspróbára szánt darabok hegesztése mellett öt kísérleti próbát készítettünk,

amelyek hegesztésénél szándékoltan az előírásoktól eltérő paraméterekkel dolgoztunk.

A vizsgálatok azt a célt szolgálták, hogy kielemezzük az ideális paraméterektől való

eltérés hatását a hegesztett darabok mechanikai és anyagszerkezeti tulajdonságára.

A nagyszilárdságú acélok hegesztése során nagyon szűk paramétertartomány áll

rendelkezésre, ami meglehetősen nagy munkafegyelmet kíván a hegesztő részéről. Az

iparban bevett gyakorlat szerint a hegesztőmérnökök egy új gyártmány

hegesztéstechnológiájáért felelnek, illetve ezzel kapcsolatban a próbahegesztések fel-

ügyeletét végzik. Emellett a hegesztőmérnökök felelősek a kiszállításra váró gyártmá-

nyok átellenőrzésért, azaz csak a teljes munkafolyamat elején és végén vannak jelen, a

hegesztett kötések kialakításakor nem tartózkodnak az üzemben. Ráadásul a hegesztők

nem is közvetlenül a hegesztőmérnökök alá, hanem a termelésvezetők alá tartoznak,

akik elsősorban a határidő tartásában és a termelési mutatók növelésében érdekeltek.

Emiatt gyakran a hegesztők egy határidő közeledtével kénytelenek gyorsabban dol-

gozni, ami könnyen a minőség rovására vezet. Ez gyakran párosul az éjszakai műsza-

kok esetén tapasztalható alacsonyabb szintű munkafegyelemmel.

A felsorolt okokból fakadóan jött az igény a hegesztőmérnökök részéről, hogy

megvizsgáljuk, a gyártói előírásoktól valamint a szakirodalmakban szereplő előírások-

tól eltérően végzett hegesztés, milyen hatással van a hegesztett kötés minőségére. A

kísérletek során 5 darab próbát hegesztettünk oly módon, hogy az egyes daraboknál

bizonyos hegesztési paramétereket és körülményeket megváltoztattunk.

A hegesztett kötések minőségét az eljáráspróbákhoz hasonlóan keménység, ütő és

szakítóvizsgálattal alkalmazásával hasonlítottuk össze, valamint a roncsolásos vizsgá-

latok előtt ultrahangos és mágnesporos vizsgálatokat is végeztünk. Az eljáráspróba

vizsgálataitól két dologban tértünk el. Az egyik különbség, hogy az ütővizsgálatot az

alapanyag műbizonylatán szereplő hőmérsékleten, azaz - 40 °C-on és nem – 20 °C-on

végeztük, amit az eljáráspróba során mért ütőmunkák és a kísérlet során mért értékek

35

összevetésekor ezt mindenképpen figyelembe kell venni. A másik különbség mindösz-

szesen annyi volt, hogy több keménységlenyomatot készítettem, mivel a kísérletek so-

rán sok esetben a nagyobb hőbevitel, nagyobb hőhatásövezetet eredményezett. A hűlé-

si idők számítását az eljárásvizsgálathoz hasonlóan a WeldCalc segítségével végeztem

el.

4.1 I. kísérlet

Az első számú próbát az eljáráspróbával alátámasztott WPS-ben szereplő paraméte-

rekkel hegesztettük meg, azzal a különbséggel, hogy nem melegítettünk elő a gyöksor

hegesztésénél, azonban a sorok közti rétegközi hőmérsékletet az előírásoknak megfele-

lően 150 fokban korlátoztuk. Ennek a kísérletnek az elvégzése azt a célt szolgálta,

hogy képet kapjunk arról, hogy mi történik, ha a hegesztők elfeledkeznek az előmele-

gítés alkalmazásáról. A kísérletnél alkalmazott hegesztési paramétereket a 14. számú

táblázat tartalmazza:

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

9. (takaró) 150 40,37 10,50 289,39 30,11 1 10

8. (takaró) 150 38,63 10,50 290,75 29,87 1,1 11

7. (takaró) 150 49,13 10,50 280,55 30,08 0,8 6

6. (IV. sor) 150 43,07 10,50 281,70 29,98 0,9 8 6,6

5. (IV. sor) 150 43,33 10,50 276,65 29,28 0,9 8

4. (III. sor) 150 44,59 10,50 270,94 28,31 0,8 6

3. (III. sor) 150 55,23 10,50 292,88 30,20 0,8 6

2. (II. sor) 120 30,74 8,00 236,77 25,79 1 8

Gyök 0 17,39 3,20 116,85 18,47 0,6 3

14. táblázat: Hegesztési paraméterek az I. próbánál

A táblázatban látható, hogy az előmelegítési hőmérséklet elmaradása 3 s hűlési időt

eredményez, amely jelentősen gyorsabb hűlést jelent a 6-10 (5-15) s megengedett hű-

lési időtől. A várakozásoknak megfelelően a töltő- és takarósorok hegesztése során si-

került tartani a beállított paraméterekkel a hűlési időt. Bár a gyors lehűlésből fakadóan

fennállt az edződési repedések keletkezésének a veszélye, ennek ellenére az anyag-

vizsgálatok során nem találtunk repedésszerű hibákat.

36

4.1.1 Szakítóvizsgálat eredménye az I. kísérletnél

A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1032 MPa, a másik 1040 MPa

feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a varratban. Ezek az értékek nagyobbak a

szabványban előírt minimális értéknél, ami 980 MPa szakítószilárdságnak felel meg az

MSZ EN 10025-6:2004 szerint. Ebből kifolyólag megállapítható, hogy a szakítóvizs-

gálat követelményét teljesítette az I. számú kísérlet.

4.1.2 Ütővizsgálat eredménye az I. kísérletnél

Az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány szerint összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki.

Kísérlet száma Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

I.

VWT-1 43

46 VWT-2 49

VWT-3 46

VHT-1 42

31 VHT-2 33

VHT-3 19

15. táblázat: Ütővizsgálat eredményei az I. kísérletnél

Mind a hőhatásövezetben, mind pedig a varratban bemetszett próbatestek átlagérté-

kei teljesítették az alapanyagra vonatkozó -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Az MSZ

EN ISO 15614-1 szabványnak megengedi, hogy egy próbatest ütőmunkája kevesebb

legyen 30 J-nál, azonban ez nem lehet kevesebb az átlagértékre vonatkozó követel-

mény 70%-ánál, azaz 21 J-nál, amit az egyik hőhatásövezetben bemetszett próbatest

nem tudott teljesíteni.

4.1.3 Keménységvizsgálat eredménye az I. kísérletnél

A 2. számú diagram mutatja a koronoldalon, a 3. számú diagram pedig a gyökolda-

lon mért keménységeloszlást. A beolvadási vonalhoz legközelebb eső lenyomatoknál

további két lenyomatot készítettem, amelyek közül a sorozat felett elhelyezkedő le-

nyomatokat pirossal, az alatta elhelyezkedő lenyomatokat pedig zöld háromszöggel je-

löltem. Az MSZ EN 1043-1: 1999 szerint végrehajtott keménységvizsgálat teljesítette

az MSZ EN ISO 15614-1 szabványban előírt követelményt a maximálisan megenged-

37

hető keménységértékre, amely 450 HV. A koronaoldali értékek 300 és 400 HV körüli

alakultak, a csúcskeménység 405 HV volt, amelyet a vártaknak megfelelően a beolva-

dási vonalhoz legközelebb eső lenyomatnál mértem.

2. diagram: Keménységeloszlás az I. próba koronaoldalán

A gyökoldalon a keménységeloszlás 300 és 350 HV között alakul, ami alacsonyabb

a koronaoldalon mért értékeknél. Érdemes megjegyezni, hogy a gyökoldalon az elő-

melegítés alkalmazásának elmaradása miatt sem alakult ki jelentősebb felkeményedés

feltehetően abból kifolyólag, hogy a gyöksort követő hegesztési sorok megeresztették

az alattuk lévő sorokat, ezáltal csökkentve a keménységértékeket.

3. diagram: Keménységeloszlás az I. próba gyökoldalán

38

Az I. kísérlet az egyik próbatest ütőmunkája kivételével teljesítette a szabvány kö-

vetelményeit, ebből mégsem szabad levonni azt a következtetést, hogy a hegesztést

megelőző előmelegítés elhagyható. A kísérletnél két egyszerű lemezt hegesztettünk

össze PA pozícióban, viszonylag rövid, 300 mm hosszon. Azonban egy hegesztett

szerkezet általában a bonyolultságából fakadóan mindig rendelkezik belső feszültsé-

gekkel, amelyek összeadódva az előmelegítés elmaradásából származó feszültségekkel

könnyen eredményezhetnek edződési repedéseket.

4.2 II. kísérlet

A második számú próbát is a WPS-ben szereplő áramerősséggel és feszültséggel

hegesztettük meg, azonban a jelenlegi próbánál az előírásoknak megfelelően 190 fokra

előmelegítettük a darabot. Egyedül abban tértünk el a WPS-től, hogy a sorok hegeszté-

se között nem tartottuk be a maximálisan megengedhető 150 °C-os rétegközi hőmér-

sékletet, hanem helyette 250 °C-ot alkalmaztunk. A kísérletnél alkalmazott paraméte-

reket a 16. táblázat tartalmazza:

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

9. (takaró) 250 41,93 10,5 271 30,08 0,9 16

8. (takaró) 250 42,76 10,5 286 29,69 1 17

7. (takaró) 250 42,71 10,5 259 28,22 0,8 12

6. (IV. sor) 250 37,91 10,5 271 29,80 1 19 10,7

5. (IV. sor) 250 45,28 10,5 280 29,49 0,9 14

4. (III. sor) 250 51,47 10,5 291 29,66 0,8 12

3. (III. sor) 250 64,32 10,5 304 30,27 0,7 9

2. (II. sor) 250 48,23 8 241 27,26 0,7 8

Gyök 190 17,01 3,2 113 17,48 0,6 5,5

16. táblázat: Hegesztési paraméterek a 2. próbánál

A táblázatból látható, hogy a nagyobb rétegközi hőmérséklet jelentősen növeli a hű-

lési időket, amelyek így szinte kivétel nélkül a megengedett felső határ, azaz 10 s fö-

lött alakulnak, sőt egy részük a 15 s-os kevésbé szigorúbb követelményt sem teljesíti.

39

4.2.1 Szakítóvizsgálat eredménye a II. kísérletnél

A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1016 MPa, a másik 1021 MPa

feszültségnél szakadt el. Az előbbi a varratban, a másik a hőhatási övezetben. Ezek a

szilárdság értékek valamelyest kisebbek az I. számú kísérlet eredményeinél, amelyet

indokol a 100 °C-kal nagyobb rétegközi hőmérséklet. Azonban a magasabb rétegközi

hőmérséklettel is mindkét szilárdság érték nagyobb 980 MPa-nál, ezért megállapítható,

hogy a szakítóvizsgálat követelményét teljesítette az II. számú kísérlet.

4.2.2 Ütővizsgálat eredménye a II. kísérletnél

Az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány szerint összesen 3-3 próbatestet munkáltunk ki,

amelyek értékeit a táblázat mutatja:

Kísérlet száma Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

II.

VWT-1 45

43 VWT-2 47

VWT-3 38

VHT-1 42

44 VHT-2 54

VHT-3 36

17. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a II. kísérletnél

Mind a hőhatásövezetben, mind pedig a varratban bemetszett próbatestek átlagérté-

kei teljesítették az alapanyagra vonatkozó -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Az MSZ

EN ISO 15614-1 szabvány ütőmunkára vonatkozó többi követelménye is teljesült, mi-

vel minden próbatest külön-külön is teljesítette a 30 J-t. Érdemes még megjegyezni,

hogy az I. kísérlethez képest jobb ütőmunka értékeket kaptunk a hőhatásövezetben

bemetszett próbatestek esetén.

4.2.3 Keménységvizsgálat eredménye a II. kísérletnél

A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit 4.

számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig az 5. számú diagram mutatja. A koro-

naoldali görbén megfigyelhető, hogy a keménységértékek a 270-390 HV közötti tar-

tományban helyezkednek el, azaz teljesítik a követelményt a maximálisan megenged-

40

hető 450 HV-re vonatkozóan. Nem jelentősen ugyan, de kisebb keménységértékek

adódtak, mint az I. kísérlet esetén, amely a magasabb rétegközi hőmérséklettel magya-

rázható.

4. diagram: Keménységeloszlás a II. próba koronaoldalán

5. diagram: Keménységeloszlás a II. próba gyökoldalán

A gyökoldali keménységértékek jól mutatják az előmelegítés alkalmazásának hatá-

sát, mivel míg az I. számú próba esetén a keménységértékek döntően 300 HV fölött

voltak, addig a II. próba gyökoldalán a keménység jelentősen 300 HV alatti értékeket

mutatott a hőhatási övezetben.

41

A vizsgálatok eredményeit összefoglalva megállapítható, hogy a 150 °C helyett al-

kalmazott 250 °C-os rétegközi hőmérséklet esetén is teljesítette a kötés az elvárt köve-

telményeket, azonban kismértékű szilárdságcsökkenés volt tapasztalható.

4.3 III. kísérlet

A harmadik számú próba esetén tértünk el legjobban a WPS-től. A kötést kevesebb

sorból, nagyobb huzalelőtolással és feszültséggel hegesztettük, azonban az előmelegí-

tést azonban ebben az esetben is 190 °C-on megtartottuk. Ezzel a kísérlettel elsősorban

azt próbáltuk modellezni, hogy mi történik akkor, amikor a hegesztőknek nagy telje-

sítménykényszer alatt kell dolgozniuk. Emellett hasonló szituáció előfordulhat egy-egy

éjszakai műszak esetén is, amikor kevésbé ellenőrzött körülmények között dolgoznak

a hegesztők, és ebből kifolyólag kisebb fokú a munkafegyelem. Ezért a kísérleti darab

hegesztésénél a hegesztőt arra kértük, hogy olyan beállításokkal hegesszen, ami az

ésszerű keretek között a legjobban eltér a WPS paramétereitől. Az imént felsoroltak

figyelembevételével beállított paramétereket a 18. táblázat tartalmazza:

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

5. (takaró) 250 26 13 310 31,08 1,8 56 28

4. (IV. sor) 250 30 13 324 31,02 1,6 47 17

3. (III. sor) 250 50,5 13 314 31,31 0,9 16

2. (II. sor) 250 37,2 8 230 25,66 0,8 11

Gyök 190 19,1 3,2 113 17,50 0,5 5 6

18. táblázat: Hegesztési paraméterek a III. próbánál

Látható, hogy a kísérlet során az előírtnál magasabb, 250 °C-os előmelegítést al-

kalmaztunk és a huzalelőtolást jelentősen megnöveltük. A termelékenység növekedé-

sének céljából a hegesztő ezúttal nem húzott sorokkal, hanem kisebb hegesztési sebes-

séggel, lengetéssel hegesztett. Ily módon a vonalenergia értéke is jelentősen nagyobb

lett (1,6-1,8 kJ/mm) a korábbi kísérletekénél. Ebből adódik, hogy a hűlési idők nem

estek bele a 6-10 s közötti tartományba, sőt egyes soroknál meglehetősen nagy volt az

eltérés. A hűlési időket nem csak számítással, hanem méréssel is ellenőriztük, és azt

tapasztaltuk, hogy jelentős eltérés adódott a mért és számított hűlési idők között, de

42

mind a mért, mind a számított hűlési idők jóval a megengedett tartományon kívül vol-

tak.

4.3.1 Szakítóvizsgálat eredménye a III. kísérletnél

A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 944 MPa, a másik 957 MPa fe-

szültségnél szakadt el, mindkét esetben a hőhatási övezetben, azaz nem sikerült teljesí-

teni az eljárással a próbatestek szakítóvizsgálatára vonatkozó követelményt. Tulajdon-

képpen az alapanyag folyáshatáránál kisebb feszültségértéken szakadt el a kötés. Ér-

demes azonban megjegyezni, hogy bár a megengedettnél alacsonyabb feszültségen

szakadtak el a próbatestek, mégsem volt akkora a szilárdságcsökkenés, mint amire

előzetesen számítani lehetett.

4.3.2 Ütővizsgálat eredménye a III. kísérletnél

Az MSZ EN ISO 15614-1 szabványnak megfelelően összesen 3-3 próbatestet mun-

káltunk ki, amelyek értékeit a táblázat mutatja:

Kísérlet száma Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

III.

VWT-1 39

38 VWT-2 37

VWT-3 38

VHT-1 27

26 VHT-2 22

VHT-3 30

19. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a III. kísérletnél

A varratban bemetszett próbatestek átlagértékei teljesítették az alapanyagra vonat-

kozó követelmény, azaz a -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát, azonban a hőhatási övezetre

vonatkozóan nem teljesültek a követelmények. Az ütőmunkák átlagértéke mindössze-

sen 26 J-ra adódott, illetve két ütőmunka érték is 30 J alatti lett. Összességében tehát

az eredmények megerősítették a várakozásunkat, miszerint a nagyobb vonalenergia je-

lentősen csökkenti a hőhatásövezet szívósságát.

43

4.3.3 Keménységvizsgálat eredménye a III. kísérletnél

A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a

6. számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig a 7. számú diagram mutatja:

6. diagram: Keménységeloszlás a III. próba koronaoldalán

7. diagram: Keménységeloszlás a III. próba gyökoldalán

A várakozásoknak megfelelően teljesült az a követelmény, hogy maximálisan 450

HV keménység engedhető meg a hegesztett kötésben. A keménységvizsgálat most el-

sősorban azt a célt szolgálta, hogy képet kapjunk a hőhatásövezet kilágyulásáról. A

koronaoldalon jól látható, hogy a keménység mindenhol 350 HV alatt marad, és nin-

44

csen jelentős keménységnövekedés a hőhatásövezetben. Ugyanakkor nagymértékű ki-

lágyulás is tapasztalható, hiszen a hőhatásövezet alapanyaghoz közelebb eső részein a

keménység 270 HV-re csökken. A lenyomatokból, valamint a mikrocsiszolatról szin-

tén megállapítható, hogy a hőhatási övezet ebben az esetben szélesebb, mint az előző

próbák esetén volt. A gyökoldali lenyomatsorozatot vizsgálva még jelentősebb ke-

ménységcsökkenés mutatkozik, szinte az egész kötés terjedelmében 300 HV alatti ér-

tékek adódtak. A keménységvizsgálat tehát kimutatta, hogy a vonalenergia növelésé-

vel és nagyobb rétegközi hőmérséklet alkalmazásával jelentős kilágyulás tapasztalható

a hőhatásövezetben.

A harmadik kísérlet során mért eredményeket összefoglalva egyértelműen kijelent-

hetjük, hogy a hegesztés során alkalmazott technológia nem alkalmas megfelelő minő-

ségű kötés létrehozására, mivel a szakító- és ütővizsgálat követelményei sem teljesül-

tek a kilágyulást okozó túlzott hőbevitel következtében.

4.4 IV. kísérlet

A negyedik számú próba esetén nem alkalmaztunk előmelegítést, illetve a maximá-

lis rétegközi hőmérsékletet sem korlátoztuk 150 fokban. A huzalelőtolást és a feszült-

ségértékeket is a harmadik kísérlethez hasonlóan viszonylag nagyra állítottuk be. A

WPS-hez képest pedig kevesebb, összesen 7 sorból végeztük el a hegesztést. A negye-

dik próbánál alkalmazott paramétereket a 20 számú táblázat tartalmazza:

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

7. (takaró) 250 40,33 13 314 30,98 1,2 24

6. (takaró) 250 40,66 13 315 30,84 1,1 24

5. (IV. sor) 250 42,95 13 291 30,02 1 17 16,1

4. (IV. sor) 250 48,15 13 314 31,03 1 17

3. (III. sor) 150 35,41 11 283 30,77 1,2 13

2. (II. sor) 120 38,30 8 231 25,67 0,7 5

Gyök 0 18,79 3,2 114,5 17,50 0,5 3 4,1

20. táblázat: Hegesztési paraméterek a IV. próbánál

45

A táblázatból látható, hogy az előmelegítés hatásának elmaradása miatt az első két

töltősor hegesztésekor nem melegedett fel jelentősen az anyag, még a 190 °C-os elő-

melegítési hőmérsékletet sem érte el. Ebből kifolyólag a gyöksor és az azt követő há-

rom sor hegesztését közvetlenül egymás után végeztünk, nem kellett várni a darab

visszahűlésére. A gyöksor hűlési idejét a számítási eljárás mellett méréssel is ellenőriz-

tük, ami hosszabb hűlési időt mutatott. Látható, hogy a gyököt követő sornál is rövid,

pont a megengedett tartomány alsó határán lévő hűlési időt kaptunk. A takarósorok je-

lentős részénél a nagyobb huzalelőtolás és a magasabb rétegközi hőmérséklet hatása

miatt a hűlési idők a megengedett tartományon kívül estek, de nem olyan mértékben,

mint a harmadik kísérlet esetén, mivel ebben az esetben több sorból és nem lengetéssel

hegesztettük össze a darabokat.

4.4.1 Szakítóvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél

A kötésből kimunkált két próbatest közül az egyik 1011 MPa, a másik 1013 MPa

feszültségnél szakadt el, mindkét esetben a hőhatásövezetben. Ezek a szilárdság érté-

kek kisebbek, mint az I. és II. számú kísérletnél voltak, azonban jelentősen nagyobbak

a III. kísérlet eredményeinél, és teljesítik a 980 MPa szakítószilárdságra vonatkozó

minimumot.

4.4.2 Ütővizsgálat eredménye a IV. kísérletnél

A szabványnak megfelelően ebben az esetben is összesen 3-3 próbatestet munkál-

tunk ki, amelyek értékeit a 21. táblázat mutatja.

Kísérlet száma Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

IV.

VWT-1 28

31 VWT-2 36

VWT-3 28

VHT-1 34

36 VHT-2 32

VHT-3 41

21. táblázat: Ütővizsgálat eredményei a IV. kísérletnél

46

Ennél a próbánál a hőhatásövezetben bemetszett próbatestek teljesítették az MSZ

EN ISO 15614-1 követelményeit, mivel a - 40 °C-on mért ütőmunkák nem csak átlag-

ban, hanem egyenként is nagyobbak voltak 30 J-nál. A varratban bemetszett próbates-

tek bár átlagban teljesítették a 30 J-t, azonban két próbatestnek is kevesebb volt az

ütőmunkája a megengedett minimális értéknél, amit nem enged meg a szabvány. Ösz-

szességében tehát az MSZ EN ISO 15614-1 szabvány követelményeit nem teljesítette

a IV. próba, ami a nagyobb vonalenergia és a magasabb rétegközi hőmérséklet szívós-

ságcsökkentő hatásának tudható be.

4.4.3 Keménységvizsgálat eredménye a IV. kísérletnél

A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a

8., gyökoldali eredményeit pedig a 9. diagram mutatja. A koronaoldali keménységel-

oszlás a 3. számú próbához hasonlóan 250-350 HV közötti értékeket mutat, ezáltal tel-

jesíti a maximálisan megengedhető 450 HV keménységet. A hőhatásövezet kemény-

ségcsúcsa az alapanyag keménységével megegyező értéket mutat. A maximális ke-

ménység ebben az esetben is 350 HV körül van, és a hőhatási övezet kilágyulása itt is

jelentős mértékű.

8. diagram: Keménységeloszlás a IV. próba koronaoldalán

A gyökoldali eredményeket tanulmányozva láthatjuk, hogy mind a hőhatásövezet,

mind a varrat keménysége elmarad az alapanyagétól. Az előmelegítés elmaradása a

47

harmadik próbához viszonyítva kimutatható, ugyanis a gyökoldal hőhatási övezeteiben

20-30 HV értékkel nagyobb keménységértékeket mértünk.

A vizsgálatok eredményeit összefoglalva kijelenthető, hogy a negyedik kísérlet so-

rán meghegesztett próbadarab a szakító- és keménységvizsgálat szempontjából teljesí-

tette az eljáráspróba során alkalmazott követelményeit, azonban az ütőmunkára vonat-

kozó kritériumok nem teljesültek teljes mértékben. Ez azzal magyarázható, hogy ke-

vésbé szilárd és szívós kötést kaptunk, mintha a WPS-ben szereplő beállításokkal dol-

goztunk volna.

9. diagram: Keménységeloszlás a IV. próba gyökoldalán

4.5 V. kísérlet

Az ötödik próba esetén az előírásoknak megfelelően alkalmaztunk előmelegítést,

azonban a maximális rétegközi hőmérsékletet ebben az esetben sem korlátoztuk 150

°C-ban, hanem 250 °C-ot engedtünk meg. Ebből a szempontból a kísérlet a második

próbához hasonlítható. Ebben az esetben viszont a kísérlet motivációját az adta, hogy a

hegesztők hajlamosak arra, hogy a töltősorokat nagyobb huzalelőtolással és áramerős-

séggel hegesztik, viszont a takarósoroknál már a WPS-ben szereplő beállításokkal dol-

goznak, így a varratot ellenőrző mérnökök, húzott (lengetés nélküli) takarósorokat lát-

nak, miközben előfordulhat, hogy a töltősorok nem a megfelelő beállítással készültek.

Ezek alapján a töltősoroknál nagyobb huzalelőtolást és feszültséget állítottunk be, a

48

töltősoroknál viszont lecsökkentettük ezeket az értékeket a WPS-ben szereplő beállítá-

sokra. A 22. táblázatban látható, hogy a töltősorok esetén meglehetősen hosszú hűlési

időket számítottunk ki, de a takarósorok esetén is a megengedhető tartományon kívüli

értékek adódtak. Ez utóbbi azért fordulhatott elő, mert kisebb hegesztési sebességgel

dolgozott a hegesztő, illetve a megengedettnél nagyobb volt a rétegközi hőmérséklet.

Három takarósor alkalmazása esetén a hűlési idők nagy bizonysággal közelebb estek

volna a megengedhető tartományhoz.

Varratsor Előmelegítés

[°C] Sebesség [cm/min]

Huzalelőtolás [m/min]

Áram [A]

Feszültség [V]

Ev [kJ/mm]

Számított t8/5 [s]

Mért t8/5 [s]

7. (takaró) 250 39,92 11 285 29,44 1 19

6. (takaró) 250 37,05 11 279 29,00 1 20

5. (IV. sor) 250 38,79 13 321 31,16 1,2 28

4. (IV. sor) 250 43,62 13 325 31,22 1,1 23 17

3. (III. sor) 250 37,64 12 298 30,63 1,2 25

2. (II. sor) 250 45,45 8 237 25,41 0,6 8

Gyök 190 15,64 3,2 116 17,07 0,6 6

22. táblázat: Hegesztési paraméterek az V. próbánál

4.5.1 Szakítóvizsgálat eredménye az V. kísérletnél

A kötésből kimunkált két próbatest közül mindkettő 992 MPa szakítószilárdságot

mutatott, illetve azonos módon a hőhatásövezetben szakadtak el. Ennél kisebb szilárd-

ságot egyedül a harmadik kísérlet esetén tapasztaltunk, azonban ez a próba kis bizton-

sággal ugyan, de teljesíti a minimálisan megengedhető 980 MPa szakítószilárdságra

vonatkozó követelményt. A kisebb szilárdság oka egyértelműen a nagyobb huzalelőto-

lásban és a 250 °C-os rétegközi hőmérsékletben keresendő. Elsősorban a harmadik

próbáétól több sorban végzett hegesztés, illetve bizonyos mértékben a WPS-ben sze-

replő huzalelőtolással készült takarósorok eredményezték azt, hogy teljesült a kötés

teljesítette a minimális szilárdságra vonatkozó kritériumot.

4.5.2 Ütővizsgálat eredménye az V. kísérletnél

Az MSZ EN ISO 15614-1 szabványnak megfelelően ebben az esetben is összesen

3-3 próbatestet munkáltunk ki, amelyek értékeit a 23. táblázat mutatja. A varratban és

a hőhatásövezetben bemetszett próbatestek egyaránt teljesítették az alapanyagra vo-

49

natkozó kritériumot, azaz a -40 °C-on mért 30 J ütőmunkát. Teljesült az MSZ EN ISO

15614-1 szabvány azon követelménye is, hogy legfeljebb egy próbatest ütőmunkája

lehet kevesebb 30 J-nál, illetve ez az ütőmunka érték is több volt 21 J-nál. Összessé-

gében tehát ennél a próbánál jelentősebb szívósságcsökkenés nem volt tapasztalható.

Kísérlet száma Próbatest jelölése KV [J] Átlag KV [J]

V.

VWT-1 41

41 VWT-2 42

VWT-3 40

VHT-1 53

38 VHT-2 33

VHT-3 28

23. táblázat: Ütővizsgálat eredményei az V. kísérletnél

4.5.3 Keménységvizsgálat eredménye az V. kísérletnél

A szabványnak megfelelően végzett keménységmérés koronaoldali eredményeit a

10. számú, a gyökoldali keménységeloszlást pedig a 11. számú diagram mutatja.

10. diagram: Keménységeloszlás az V. próba koronaoldalán

A koronaoldali keménységértékek a 280-380 közötti tartományban helyezkednek el,

ezáltal a várakozásoknak megfelelően teljesítik a maximálisan megengedhető 450 HV

keménységre vonatkozó követelményt. Ez átlagban egy 20-30 HV-vel nagyobb, mint

az előző két kísérlet esetén volt, ami a töltősorokénál kisebb vonalenergiával hegesz-

50

tett takarósoroknak köszönhető. A diagramon megfigyelhető, hogy a varrat keménysé-

ge elmarad az alapanyagétól, illetve a hőhatásövezet kilágyulásának mértéke ennél a

kísérletnél is jelentős.

11. diagram: Keménységeloszlás az V. próba gyökoldalán

A gyökoldali keménységértékek a negyedik próbáéhoz hasonló értékeket mutatnak,

a minimális keménység 260 HV körül alakul, illetve mind a hőhatásövezet, mind a

varrat keménysége elmarad az alapanyagétól, ami a gyököt követő sorok hőkezelés-

ének tudható be.

A vizsgálatok eredményeit összefoglalva megállapítható, hogy az V. kísérlet is tel-

jesítette az eljáráspróba során alkalmazott vizsgálatok követelményeit, azonban a sza-

kító szilárdság csökkenésében megmutatkozott a nagyobb rétegközi hőmérséklet és

vonalenergia negatív hatása.

4.6 Kísérletek eredményeinek összefoglalása

A kísérletek során bebizonyosodott, hogy a hűlési idők gondos betartásával lehet

csak elérni, hogy szilárdsági és szívóssági szempontból is megfelelő hegesztett kötést

kapjunk. A mért és számított hűlési idők közti különbségekből azt a következtetést le-

het levonni, hogy rövidebb hűlési idők esetén a (6)- (10) képletek a ténylegesnél vala-

mivel rövidebb időt eredményeznek, hosszabb hűlési idők esetén viszont jelentősen,

olykor 50-80%-kal nagyobb értékeket hoznak. Az összefüggések viszont jó becslést

51

adnak a vizsgált acél megengedhető tartományának közelében, azaz 5-20 s közötti tar-

tományban, tehát a kívánt technológia tervezéséhez mindenképpen segítséget nyújta-

nak.

4.6.1 Szakítóvizsgálat eredményeinek összehasonlítása

A hegesztési próbáknál végzett kísérletek szakítóeredményeit a 12. diagram tartal-

mazza, amelyen a piros vonal jelzi a szakítószilárdság minimálisan megengedhető ér-

tékét. A szilárdság szempontjából legkedvezőbb eredmények az első két kísérletnél

adódtak, melyek az eljárásvizsgálatnál alkalmazott WPS-nek megfelelően 9 varratsor-

ból, korlátozott hőbevitellel készültek.

880

900

920

940

960

980

1000

1020

1040

1060

I. II. III. IV. V.

Sza

kító

szilá

rdsá

g, [M

Pa]

Első szakítópróba

Második szakítóp

12. diagram: A kísérletek során végzett szakítóvizsgálatok eredményei

A többi kísérlet kisebb szilárdság értékeket mutatott, amelyeknél a harmadik próba

nem teljesítette a szabvány által előírt követelményt. Ennél a kísérletnél a hegesztő

szándékoltan kevesebb sorból, nagy vonalenergiával és a megengedettnél magasabb

rétegközi hőmérséklettel, lengetve hegesztett. Emellett érdemes felhívni a figyelmet

arra, hogy a IV. és V. kísérlet esetén alkalmazott nagyobb vonalenergia is kedvezőtlen

hatással volt a szakítószilárdságra. A megemelt rétegközi hőmérséklet bár eredménye-

zett szilárdságcsökkenést, de ez kevésbé volt jelentős, mint amikor a növelt vonalener-

giával együtt fejtette ki hatását.

52

4.6.2 Ütővizsgálat eredményeinek összehasonlítása

Az ütőpróbák elvégzése során egyedül a harmadik próba nem teljesítette a szabvány

azon követelményét, hogy az ütőmunkákból képzett átlagértékeknek teljesíteniük kell

a minimum 30 J-t, amelyet a piros vonal jelez a diagramon. Emellett az első és a ne-

gyedik próba sem ment át a vizsgálaton, mivel előbbinél a varratban bemetszett próba-

testek közül kettőnek is kevesebb volt az ütőmunkája 30 J-nál, utóbbinál pedig az

egyik ütőmunkaérték nem érte el a 30 J hetven százalékát.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

I. II. III. IV. V.

Ütő

mu

nka

, -40

°C [

kJ]

13. diagram: A kísérletek során végzett ütővizsgálatok eredményei

A kísérletek eredményei azt mutatják, hogy a nagyobb vonalenergia valóban kedve-

zőtlen hatással van a hegesztett kötés szívóssági tulajdonságaira. Az eredményekből

azt a következtetést is levonhatjuk, hogy a megengedett 150 °C helyett alkalmazott

250 °C-os rétegközi hőmérséklet önmagában nem befolyásolta jelentősen az ütőmunka

értékeit. A magasabb hőmérséklet negatív hatása elsősorban a nagyobb vonalenergiá-

val együtt érvényesült, és eredményezett kedvezőtlenebb eredményeket.

4.6.3 Keménységvizsgálat eredményeinek összehasonlítása

A keménységvizsgálatok összesített eredményeit a következő oldalon található 14.

és 15. diagram tartalmazza.

53

14. diagram: Keménységeloszlás összehasonlítása a koronaoldalon

15. diagram: Keménységeloszlás összehasonlítása a gyökoldalon

A fenti diagramokból az alábbi következtetéseket lehet levonni:

A keménységvizsgálatra vonatkozó MSZ EN ISO 15614:2004 szerinti köve-

telmény mindegyik kísérlet esetén teljesült, mivel a legnagyobb értékek is ki-

sebbek voltak az anyagcsoportra a maximálisan megengedhető keménységnél,

azaz 450 HV-nél.

54

Minden kísérlet esetén egyértelműen a koronaoldalon nagyobb keménységet

mértem a gyöksor és az azt követő sorok megeresztődése miatt.

A legnagyobb keménységértékeket mind a korona-, mind a gyökoldalon az első

próba eredményezte. A kilágyulás mértéke is ennél a próbánál volt a legkisebb,

tehát elsősorban a korlátozott hőbevitel, illetve a gyököt illetően az előmelegítés

elmaradása eredményezett jelentősen nagyobb szilárdságot.

A legkisebb keménységcsúcsokat a vártnak megfelelően a legnagyobb

hőbevitellel hegesztett harmadik próba hozta, illetve a kilágyulás mértéke mind

a korona- és mind a gyökoldalon itt volt a legnagyobb.

A varrat keménységét a magasabb rétegközi hőmérséklet elsősorban a gyökol-

dalon csökkentette, a koronaoldalon elsősorban a nagyobb vonalenergiával

együtt érvényesült a hatása.

Az előmelegítés elmaradása nem okozott repedés, illetve nem okozott kritikus

keménységnövekedést. A nem előmelegített daraboknál is a gyöksornál mért

keménység elmarad a koronaoldali keménységértékeknél. Ez abból adódott,

hogy a takarósorok megeresztették a gyöksort. Ebből kifolyólag érdemes lenne

a jövőben keménységvizsgálat alá vetni egy olyan darabot, amin mindösszesen

a gyöksort hegesztjük meg előmelegítés nélkül. Azonban érdemes megjegyezni,

hogy a kísérleteket egy eljáráspróbának megfelelő méretű lemezen végeztük el,

ezért egy valós szerkezet esetén az előmelegítés elmaradása súlyos következ-

ményekkel járhat.

55

KÖVETKEZTETÉSEK

A dolgozat első fejezetében részletesen áttekintettem a nagyszilárdságú acélok tu-

lajdonságait, illeve bemutattam az ötvözőtartalom és a korszerű gyártástechnológia

acélok szilárdságának növelésére vonatkozó hatásait. Ezt követően az egyik legna-

gyobb szilárdságú nemesített szerkezeti acélra helyezve a hangsúlyt, áttanulmányoz-

tam a hegesztéstechnológia sajátosságait, kimondottan a vonalenergia és a hűlési idők

szilárdságot és szívósságot befolyásoló hatásaira.

A következő fejezetben 15 mm vastagságú lemezek PA pozícióban történő

hegesztéstechnológiáját terveztem meg, amely során a hegesztési paramétereket szoft-

veres támogatással állapítottam meg. A lemezek hegesztése során egy folyamatfelü-

gyelő rendszer segítségével rögzítettem, illetve szükség szerint módosítottam a pWPS-

ben szereplő paramétereket. Ezzel párhuzamosan a t8/5-ös hűlési időket minden sor he-

gesztése után kiszámítottam, illetve bizonyos sorok esetén termoelemes műszer segít-

ségével ellenőriztem. A hegesztést követő anyagvizsgálatok egyértelműen igazolták,

hogy a kidolgozott hegesztéstechnológia teljesítette az MSZ EN ISO 15614:2004

szabvány követelményeit, ezért az előzetes hegesztési utasítás gyártásba adható he-

gesztési utasításként.

A dolgozat utolsó részében öt hegesztési kísérletet mutattam be, amelyek során a

WPS-ben szereplő beállításoktól szándékoltan eltértünk. A kísérletek motivációját az

adta, hogy napjainkban a hegesztőmérnököknek mindenképpen információval kell

rendelkezniük, hogy milyen hatással lehet a hegesztett kötés tulajdonságaira, ha az ál-

taluk előírt paraméterektől külső kényszer hatására, vagy esetleg szándékosan eltérnek

a hegesztők. A kísérletek igazolták azt a várakozásunkat, hogy a nagyobb hőbevitel

kedvezőtlen hatással van a hegesztett kötés szívóssági és szilárdsági tulajdonságaira. A

vizsgálati eredményekből azt a következtetést is le lehetett vonni, hogy elsősorban a

nagyobb vonalenergia eredményez szívósságcsökkenést, a magasabb rétegközi hőmér-

séklet csekélyebb mértékben csökkenti a szilárdságot és az ütőmunkát. Az előmelegí-

56

tés elmaradásának negatív következményeit nem bizonyították a kísérletek, mivel az

előmelegítés nélkül hegesztett gyöksort áthőkezelték az azt követő sorok. Ezért sem a

szilárdsági, sem a szívóssági tulajdonságokban nem mértünk eltérést. Ugyanakkor nem

szabad megfeledkezni arról, hogy egy tényleges szerkezet esetén a gyorsabb hűlésből

adódó feszültségnövekedés könnyen edződési repedések keletkezéséhez vezethet. Az

elvégzett kísérletek szintén lehetőséget adtak arra, hogy a hűlési idő számítására vo-

natkozó összefüggések alkalmasságát kielemezzük. A mért és számított hűlési idők

összevetésekor azt tapasztaltuk, hogy az S960Q acélra megengedett tartományban a

képletek segítségével jó becslést lehetett adni a hűlési időre, azonban a kísérletek során

alkalmazott szándékosan nagyobb, illetve kisebb hűlési idők esetén gyakran jelentősen

eltértek a számított értékek a mért időktől.

57

IRODALOMJEGYZÉK

[1] Tisza M.: Az anyagtudmány alapjai, Miskolci Egyetemi Kiadó, 2008

[2] Balogh A.; Sárvári J.; Schäffer J.; Tisza M.: Mechanikai Technológiák, 4. kiadás,

Miskolci Egyetemi Kiadó, p.:143-270, 2008

[3] Szunyogh L.: Hegesztés és rokon technológiák Kézikönyv. Gépipari Tudományos

Egyesület, Budapest, 2007.

[4] Komócsin M.: Nagyszilárdságú acélok és hegeszthetőségük,

http://www.mahebak.hu/cikk/nagyszil-GT.pdf, 2002

[5] Balogh A., S. Kirk, Görbe Z.: Role of cooling time when steels to be welded

require controlled heat input, GÉP, L. évfolyam, 1999

[6] Balogh A.: A vonalenergia számítása és szerepeltetése a WPS-ben,

Hegesztéstechnika XI. évf. 1. szám p. 3-7.

[7] Kovács M.: Áttekintés a hidrogén okozta repedésveszély elkerülésére alkalmazott

módszerekről, Hegesztéstechnika XIV. évf. 4. szám p. 24-27.

[8] Gáti J.: Hegesztési Zsebkönyv, Cokom Kft, Miskolc, 2008.

[9] Sas I.: Növelt folyáshatárú acélok hegesztésének gyakorlati tapasztalatai a Ruukki

Tisza Zrt.-ben (előadás)

[10] N. Thalberg ESAB AB előadása a Hotel Aquincumban, Budapest, 2000

[11] F. Winkler: Nagyszilárdságú finomszemcsés szerkezeti acélok hegesztése,

Hegesztéstechnika 1992 2. szám

[12] Bödök K.: Az ötvözetlen, gyengén és erősen ötvözött szerkezeti acélok korrózió-

állósága, különös tekintettel azok hegeszthetőségére, Corweld 1997

[13] E.Bauné, C. chovet, B. Leduey, C. Bonnet: Consumables for welding of (very)

high strength steels mechanical properties of weldments in as welded and stress-

relieved applications,

58

[14] Érsek L.: Alvázak gyártása autódarukhoz nagyszilárdságú acélokból,

Hegesztéstechnika 2008. I. szám

[15] Hamme, U. ezt al: Einsatz hochfester Baustahle im Mobilkranbau Stahlbau, 2000

[16] Műszaki és szállítási feltételek Terex-Demag gyártmányokhoz

12−16

12−16

1,2

1,0

0,8

0,9

400

300

500

320

G 89 5 Mn4Ni2,5CrMo, EN12534Thyssen Union X96

7,50

7,50

3

3

EN 10025−6

EN 10025−6

S960QL

31

26

S960QL

0,820,82 0,200,20

−

Heat treatment proc.:

−

29

Interpass temp. max:

−

Preheat min:

−

25

−

Heat input

−

GasRun Out

No gouging

Lengthspeed

Welding

No backing

PolarityCurrent /

ss − egyoldali

köszörüléssel / grinding

VoltCurrent

320

forgácsolás / machining

240

speed

Wire feed

process

BW − tompavarrat

WeldingDia.Indexno.

Pass

Heat treatment

PA

Welding Parameters

Filler handling

280

Classification

230

Ruukki Tisza Zrt.

Trade name

2010−06−24

−

0

GroupIndex

Identification of filler metal

EN ISO 14175 − M21

Identification of parent metal

PROCEDURE SPECIFICATION

135

PRELIMINARY WELDING

(pWPS)

11,0

Diameter range

8,50

Thickness rangeDelivery cond.

EN ISO 15614−1

Group

PCS

Standard

Jászberény/Hungary

Name/Grade

PCM max:

10,0

3,40

CE max:

8,00

C max:PCM max:CE max:C max:

Rev.:

DC+

Gas burner

DC+

Tack welding proc.

DC+

3,00

150

135

Nozzle diameter(s)

135

190

Stand off distance

Torch angle

Tungsten electrode

Flux handling

Flux designation

21

Back gouging

Single/Double

Tempilstick

19

1,20

Backing

135

1,20

Cleaning method

Joint preparation

Joint type

Welding positions

max.:max.:

200

max.:

150

1

130

Purging gas type

1,20

Weaving (yes/no)

1

120 12−16

Shielding gas type

Welding process

of

0,9

Terex DEMAG

Approved

Date/Signature:

Page

0,5

Exam. body:

Additional info enclosed (Yes/No):

Method:

Ref. stand:

1

Ref. WP:

3−9

2010−06−24

Ref. spec.:

2

Index:

Client:

Location:

°C

Remarks:

Cooling rate:

Project:

[kJ/mm]

mm−es fuzovarrattal.Rögzítés Thyssen Union K52Ni, átm.1,0 mm huzallal 400 mm−ként 35

°C

No

Prod. by:

Heating rate:°C

[mm/min][m/min]

Ref.:

Soaking:

°C

500,0

[mm]

G 46 5 M G3Ni1, EN ISO 14341−A

1

max.:

500,0

[V]

Rev.:

0

30,00

[A]

Normál rögzítés

1

Date:

PWHT min:

1

[mm]

Péter Csuhaj

30,00

Thyssen Union K52Ni

Equipment:

13200092

[mm]

pWPS no

Temp. control:

S960_BW_15_PA

o

−

−−

−

mmmmmm

Produced by WeldEyeRO

II

I

3

2

1

°C°C /h/hmin/mm

−−−−−−−−−

−−−−−−−−−

−−−−−−−−−

−−−−−−−−−

−−−−−−−−−

[mm][l/min]

l/min

321

I II

mm

mm