ZVÁRANIE. Tab. 1 Chemické zlo enie ocele AISI 321 [hmot. %] Tab. 2 Chemické zlo enie ocele DC 01 [hmot. %] Oceľ C Mn P S Si

Transcription

1 ZVÁRANIE ZVÁRANIE VYBRANÝCH KOMBINOVANÝCH OCELÍ DISKOVÝM LASEROM V súčasnosti sú na materiály kladené zvýšené po iadavky. V mnohých prípadoch daný materiál nie je schopný poskytnúť komplex po adovaných vlastností. Z uvedeného dôvodu je potrebné zaoberať sa zváraním kombinácie kovov. Zváranie kombinovaných kovov laserom prináša viaceré problémy súvisiace predovšetkým s rozdielnymi fyzikálnymi, chemickými a mechanickými vlastnosťami zváraných materiálov [1,2]. TEXT/FOTO ING. MIROSLAV SAHUL, PHD., ING. MARTIN SAHUL, PROF. ING. MILAN TURŇA, CSC. IWE, MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA STU, ÚSTAV VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, TRNAVA FOTO ARCHÍV TRUMPF Z varové spoje kombinovaných ocelí sa používajú najmä v energetickom priemysle. Napr. v tlakovodnom jadrovom reaktore sa zvary kombinovaných ocelí aplikujú za účelom spojenia tlakovej nádoby reaktora z nízkolegovanej ocele so systémom potrubí z ne- Tab. 1 Chemické zlo enie ocele AISI 321 [hmot. %] hrdzavejúcej ocele [3]. Zváranie kombinovaných ocelí je v súčasnosti predmetom výskumu na celom svete. Na Iranian National Centre for Laser Science and Technology bolo realizované zváranie pulzným Nd:YAG laserom nízkouhlíkovej Tab. 2 Chemické zlo enie ocele DC 01 [hmot. %] Oceľ C Mn P S Si ocele (s označením DIN ) s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou (AISI 304 L). Zvárané ocele mali hrúbku 0,8 mm, pričom boli usporiadané v preplátovanej konfigurácii. Ako horný plech sa zvolila austenitická CrNi nehrdzavejúca oceľ. Autori dokumentovali asymetrický tvar zvarového kovu (ZK). Objem ZK bol v oblasti austenitickej CrNi nehrdzavejúcej ocele väčší [4]. N. Arivazhagan a kol. sa zaoberali zváraním ocele AISI 304 s nízkolegovanou oceľou (AISI 4140). Na zváranie uvedenej kombinácie ocelí použili GTAW, zváranie trením a elektrónovým lúčom. Zvary vyhotovené elektrónovým lúčom vykazovali najvyššiu pevnosť v ťahu (Rm = 681 MPa) [5]. Changheui Jang a kol. študovali mechanické vlastnosti zvaru nízkolegovanej ocele s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 316). Pred samotným zváraním boli na nízkouhlíkovú oceľ navarené 2 vrstvy zliatiny Inconel 82 ručným GTAW. Zvyšná časť bola vyplnená prídavným materiálom Inconel 182 (ROZ) [6]. G. F. Li a kol. študovali vplyv tepelného spracovania po zváraní na korózne praskanie pod napätím zvaru kombinovaných ocelí [3]. Alenius a kol. analyzovali zvary vyhotovené bodovým odporovým zváraním austenitickej nehrdzavejúcej ocele (AISI 301 LN a AISI 304) s pozinkovanou oceľou ZStE260BH. Materiál elektród bol CuNi2Be. Mikroštruktúra v oblasti zvarovej šošovky bola úplne martenzitická. Únavová pevnosť bodového zvaru sa zvyšovala so zvyšovaním hrúbky plechov [7]. Jamasri a kol. študovali bodové odporové zvary nízkouhlíkovej ocele s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou. Hrúbka nízkouhlíkovej ocele (SS400) bola 3 mm a austenitickej CrNi ocele (SS304) 1 mm. Na vyhotovenie zvaru boli použité nasledovné parametre zvárania: zvárací prúd Izv Obr. 1 Diskový laser TruDisk 8002 od firmy TRUMPF = 4,7 ka, čas zvárania t = 20 periód a prítlačná sila F = 6 kn. Štruktúra zvarovej šošovky bola obdobne tvorená martenzitom [8]. Autori z Department of Mechanical Engineering, Trakya University, Turecko riešili zváranie trením uhlíkovej ocele (AISI 1040) s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 304) [9]. Údaje, ktoré sa týkajú zvárania kombinácie nízkouhlíková oceľ s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou laserovým lúčom sú v súčasnosti stále obmedzené. Príspevok sa zaoberá analýzou zvarových spojov kombinovaných ocelí vyhotovených diskovým laserom. NÁVRH LASERA NA ZVÁRANIE Na zváranie bol použitý pevnolátkový diskový laser TruDisk 8002 (obr. 1) s vlnovou dĺžkou = 1,030 μm a maximálnym výkonom 8 kw. Experimentálne zvary boli vyhotovené v spolupráci so spoločnosťou Prvá Zváračská, a. s. v Bratislave. Dôvodom aplikácie pevnolátkového lasera TruDisk 8002 je kratšia vlnová dĺžka, ktorá je charakteristická vyššou absorpciou žiarenia kovmi. Okrem toho, bola do úvahy vzatá aj vysoká účinnosť lasera, čo priaznivo prispieva k zníženiu celkových nákladov na produkciu zvarových spojov. PARAMETRE A PODMIENKY ZVÁRANIA Tupé zvary kombinovaných ocelí boli vyhotovené pri rôznych parametroch zvárania. Boli použité výkony lasera z intervalu P = 1,0 až 2,0 kw. Rýchlosť zvárania bola zvolená v intervale vzv = 15 až 35 mm/s. Parametre zvárania kombinovaných ocelí AISI 321 s DC 01 sú uvedené v tab. 3. CHARAKTERISTIKA ZVÁRANÝCH MATERIÁLOV V rámci experimentu bola navrhnutá produkcia tupých zvarových spojov. S cieľom využitia kombinácie vlastností rôznych ocelí sa pristúpilo ku zváraniu kombinovaných ocelí. Ako základné materiály boli zvolené austenitická CrNi nehrdzavejúca oceľ AISI 321 (stabilizovaná Ti) a nízkouhlíková oceľ DC 01. Hrúbka zváraných kovov je 2 mm. Chemické zloženie ocelí AISI 321 a DC 01 je uvedené v tab. 1 a Tab. 3 Parametre zvárania kombinácie ocelí AISI 321 DC 01 ENGINEERING.SK

2 Ako ochranný plyn bol navrhnutý Ar (tlak plynu p = 0,2 MPa) s čistotou 4.6. Zváralo sa bez použitia prídavného materiálu. Ohnisková vzdialenosť bola vo všetkých prípadoch konštantná f = 200 mm. Fokusácia laserového lúča bola na povrch zváraných ocelí. Priemer stopy laserového lúča bol Ř 400 μm. Žiarenie bolo zo zdroja TruDisk 8002 transportované na miesto technologického spracovania kovov optickým káblom s označením LLK-D 04/20 m (Laser Licht Kabel) s priemerom vlákna Ř 400 μm a dĺžkou 20 m. Na vyhodnotenie kvality zvarov kombinovaných ocelí sa použila optická mikroskopia, meranie mikrotvrdosti cez rozhranie zvarových spojov a EDX mikroanalýza. Kvalitatívna fázová analýza bola vykonaná EBSD analýzou. VÝSLEDKY Na obr. 2 sú dokumentované makroštruktúry vyhotovených zvarových spojov kombinácie ocelí DC 01 AISI 321. Zvarové spoje majú asymetrický charakter. Uvedená skutočnosť súvisí s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami zváraných ocelí. Vo všetkých prípadoch bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouhlíkovej ocele DC 01. DC 01 a) b) AISI 321 DC 01 AISI 321 Obr. 2 Makroštruktúra vybraných zvarov kombinovaných ocelí AISI 321 DC 01 a) P = 2,0 kw, vzv = 30 mm/s, b) P = 2,0 kw, vzv = 20 mm/s V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných ocelí bolo realizované meranie mikrotvrdosti cez rozhrania zvarov. Bol dokumentovaný nárast tvrdosti smerom zo základného materiálu (nízkouhlíkovej ocele DC01) cez TOO až po maximálne hodnoty namerané v ZK. Maximálne hodnoty mikrotvrdosti boli v prípade všetkých tupých zvarov zistené v oblasti ZK (obr. 3). zvaru kombinácie ocelí AISI 321 DC 01. Možno pozorovať priebeh zmeny koncentrácie Cr a Ni v smere z ANO cez ZK a oceľ DC 01. Zvar bol vyhotovený pri najmenšom tepelnom príkone. Obr. 4 Zvarový spoj kombinácie ocelí AISI 321 DC 01 (P = 2 kw, vzv = 15 mm/s) a priebeh zmeny koncentrácie prvkov Cr a Ni cez zvar ZÁVER V príspevku sú analyzované zvarové spoje kombinovaných ocelí AISI 321 a DC 01. Hrúbka základných materiálov bola 2,0 mm. Uvedená kombinácia materiálov má uplatnenie najmä v energetickom priemysle. Na základe analýzy makroštruktúr tupých zvarov možno konštatovať, že zvary majú asymetrický tvar. Táto skutočnosť súvisí s rozdielnymi vlastnosťami zváraných ocelí. Zároveň bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouhlíkovej ocele DC 01. V TOO na strane ocele DC 01 bolo dokumentované zjemnenie feritického zrna. Pri meraní mikrotvrdosti naprieč zvarovými spojmi boli maximálne hodnoty mikrotvrdosti zistené v ZK. Detailnejšie štúdium zvarových spojov bolo vykonané EDX analýzou. Bol zaznamenaný priebeh zmeny koncentrácie prvkov Cr a Ni naprieč zvarovým spojom. Bol dokumentovaný pokles koncentrácie Cr a Ni v smere z austenitickej CrNi nehrdzavejúcej ocele cez zvarový spoj až k nízkouhlíkovej oceli DC 01. V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných ocelí sa budú realizovať korózne skúšky.» Príspevok je súčasťou riešenia projektov VEGA MŠVVŠ SR a SAV 1/2594/12 a 1/1035/12. a) b) Obr. 3 Priebeh mikrotvrdosti naprieč vybranými zvarmi kombinovaných ocelí AISI 321 DC 01 a) P = 2,0 kw, vzv = 30 mm/s, b) P = 2,0 kw, vzv = 20 mm/s WELDING OF SELECTED COMBINATED STEELS WITH DISC LASER The contribution deals with laser welding of dissimilar steels. The welded steels were CrNi stainless steel stabilized with Ti (AISI 321) and structural low carbon steel (DC 01). The thickness of welded steels was 2.0 mm. Weld joints were produced by TruDisk 8002 disk laser. Welding parameters and conditions were as follows: laser powers 1 to 2 kw, welding speed 15 to 35 mm/s, spot size ø 400 μm, focusing on the surface of welded materials, Ar shielding gas, butt joint without welding gap. Weld joints were produced without use of filler metal. Quality control was evaluated by optical microscopy supported by microhardness measurement perpendicular to the weld joint interface. EDX and EBSD analysis were used for more detailed study of weld joints. The corrosion tests dealing mainly with the structural stability of the weld metal are currently underway. S cieľom detailnejšieho štúdia zvarových spojov bola realizovaná EDX analýza. Na obr. 4 je uvedené miesto vykonania EDX analýzy tupého STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/

3 viac na str. 40 viac na Reportáž: apríl/máj 2013 I 1,95 (59, Kč) I ročník 15 I Č A S O P I S, S K T O R Ý M S A O P L A T Í S T A V A Ť, R E K O N Š T R U O V A Ť, B Ý V A Ť. titulka april 2013_5.indd :49:00 E N G I N E E R I N G M A G A Z I N E» T R E N D O V É I N F O R M Á C I E Ú S P E C H A Z I S K Research 9/ / 90 Kč R NAJČÍTANEJŠÍ ST E N G I N E E R I N G M A G A Z I N E T R E N D O V É I N F O R M Á C I E» 11/2012 Ú S P E C H A Z I S K Research R NAJČÍTANEJŠÍ ST 3 / 90 Kč ZVÁRANIE» LITERATÚRA: [1] HALDAR, A., SUWAS, S., BHATTACHARJEE, D.: Microstructure and Texture in Steels: And Other Materials. London: Springer, p. ISBN [2] KOLÁŘ, V., BREZINA, M., VESELÝ, P., DUNOVSKÝ, J., KOLAŘÍK, L.: Heterogenní svarové spoje ve výrobě kolejových vozidel. In Svařování, dělení, spojování materiálů. 2007, roč. V (IX), č. 5-6, s ISSN [3] LI, G. F., CHARLES, E. A., CONGLETON, J.: Effect of Post Weld Heat Treatment on Stress Corrosion Cracking of Low Alloy Steel to Stainless Steel Transition Weld. In Corrosion Science, 2001, Vol. 43, No. 10, p [4] TORKAMANY, M. J., SABBAGHZADEH, J., HAMEDI, M. J.: Effect of Laser Welding Mode on the Microstructure and Mechanical Performance of Dissimilar Laser Spot Welds between Low Carbon and Austenitic Stainless Steels. In Materials and Design, 2012, Vol. 34, p [5] ARIVAZHAGAN, N., SINGH, S., PRAKASH, S., REDDY, G. M.: Investigation on AISI 304 Austenitic Stainless Steel to AISI 4140 Low Alloy Steel Dissimilar Joints by Gas Tungsten Arc, Electron Beam and Friction Welding. In Materials and Design, 2011, Vol. 32, No. 5, p [6] JANG, CH., LEE, J., KIM, J. S., JIN, T. E.: Mechanical Property Variation within Inconel 82/182 Dissimilar Metal Weld between Low Alloy Steel and 316 Stainless Steel. In International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008, Vol. 85, No. 9, p [7] ALENIUS, M., POHJANNE, P., SOMERVUORI, M., HÄNNINEN, H.: Exploring the Mechanical Properties of Spot Welded Dissimilar Joints for Stainless and Galvanized Steels. In Welding Journal, 2006, p [8] JAMASRI, ILMAN, M. N., SOEKRISNO, R., TRIYONO: Corrosion Fatigue Behavior of Resistance Spot Welded Dissimilar Metal Welds between Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel with Different Thickness. In Procedia Engineering, 2011, Elsevier, p ISSN [9] SAHIN, M., AKATA, H. E.: An Experimental Study on Friction Welding of Medium Carbon and Austenitic Stainless Steel Components. In Industrial Lubrication and Tribology, 2004, Vol. 56, No. 2, p ISSN ISSN Meníme vaše interiéry veľká predplatiteľská súťaž TIPY PRE STAVBU DOMU Rovnováha domova byt, ktorý miluje svetlo minidivočina v meste inteligentný dom na vidieku v zdravom dome zdravý vzduch str. 126 ISBN: information and inspirations for the hotel industry CONSTANCE LÉMURIA RESORT LUXUS V SPOJENÍ S PRÍRODOU Orientálny sen AVANTGARDA UPROSTRED VINÍC Hotelový marketing a online stratégie Wellness ponúka širokú škálu príležitostí SaB - STAVEBNÍCTVO A BÝVANIE Časopis, s ktorým sa oplatí stavať, rekonštruovať, bývať. (dvojmesačník) ročné predplatné v hodnote 9,95 TOP FASHION JAR/LETO 2013 Staňte sa súčasťou módneho sveta. jar/leto 2013 jeseň/zima 2012/13 v hodnote 3,90 jar/leto 2012 v hodnote 2 TOP HOTELIERSTVO 2012/2013 Informácie a inšpirácie pre SK hotelový priemysel (ročenka) aktuálne vydanie v hodnote 5,50 TOP HOTELNICTVÍ 2012/2013 Informácie a inšpirácie pre CZ hotelový priemysel (ročenka) aktuálne vydanie v hodnote 5 TOP TRENDY V BÝVANÍ 2013 Bývajte zdravo, moderne a komfortne. (ročenka) aktuálne vydanie v hodnote 5 NÍZKOENERGETICKÉ EKO BÝVANIE 2012/2013 Nadčasové bývanie, energetické úspory (ročenka) aktuálne vydanie v hodnote 2,30 Chýba vám niektoré z predchádzajúcich vydaní Strojárstvo/strojírenství? Ponúkame vám možnosť doobjednať staršie vydania za zvýhodnenú cenu 2 (1 výtlačok + poštovné / dobierka). Len do vypredania zásob!» MENO ODBERATEĽA / FIRMY:» ADRESA:» KONTAKTNÁ OSOBA (V PRÍPADE FIRMY):» TELEFÓN:» FAX:» IČO:» IČ PRE DPH: Chemický priemysel Ložisková výroba Automobilová logistika 8 OJÁRSKY ČASOPIS sk Trendy v obrábacích strojoch Tribológia Ložisková výroba Novinky v elektrotechnike OJÁRSKY ČASOPIS SEPTEMBER EMBER 2012 POČET KS: OKTÓBER 2012 POČET KS: NOVEMBER 2012 POČET KS:» MIESTO, DÁTUM: ZÁVÄZNÉ OBJEDNÁVKY ZASIELAJTE NA ADRESU VYDAVATEĽSTVA: MEDIA ST, S. R. O., MOYZESOVA 35, ŽILINA OBJEDNÁVAJTE AJ TELEFONICKY NA 041/ ALEBO OM: SEKRETARIAT@MEDIAST.SK» PEČIATKA, PODPIS:

4 STROJE A TECHNOLÓGIE ÚDR BA STROJNÍHO ZAŘÍZENÍ KONCEPCE PŘÍPUSTNÉHO POŠKOZENÍ Koncepce typu bezpečný ivot prokazuje bezpečný provoz s konzervativními výsledky. Aplikace přístupu přípustné poškození přináší výhody při návrhu nové konstrukce i při provozu stárnoucí. Vy adována je analýza konstrukce a identifikována jsou kritická místa. TEXT/FOTO BĚHAL JIŘÍ, ČKD KOMPRESORY Po popsání lokálních podmínek a vlastností je navržen systém periodických defektoskopických prohlídek. Pro prohlídky jsou používány prostředky nedestruktivního zkoušení. Ilustrována je případová studie návrhu nápravných opatření pro znovunabytí spolehlivosti pístového kompresoru. MOTIVACE Strojní zařízení v průmyslových technologiích bývají dimenzována pro provoz v řádu několika let až desetiletí. Provozní zatížení vedou k degradaci integrity konstrukčních materiálů, v naprosté většině kovových. Po nějaké době vzniká v kritickém průřezu namáhaného dílu únavová trhlina. Při pokračujícím provozu se trhlina šírí tělem dílu a vede k lomu. Pokud je zatížení přenášeno více cestami, může být zatížení dále přenášeno paralelními prvky, které jsou však po porušení prvního již přetěžované a i jejich životnost je brzy vyčerpána. Následuje havárie zařízení. Tradičním opatřením bezpečného provozu je vyjmout konstrukci z provozu dříve, než začne narůstat riziko havárie v důsledku stárnutí konstrukce. Takový systém vede ke značně konzervativním výsledkům a značná část kapacity konstrukce zůstává nevyužita. S rozvojem technologií kontroly a měření je moderní hodnotit konstrukci podle skutečného stavu a provozovat ji až do okamžiku výskytu varovacího stavu, který těsně předchází havárii. Tab. 1 fáze únavového života přístup návrhu situace v provozu iniciace trhliny bezpečný život únavové poškození materiálu je vyloučeno šírení trhliny šírící se trhlina přípustné poškození primární konstrukce poškození defektoskopické prohlídky lom bezpečný při poruše přenos zatížení několika cestami prohlídky při údržbe METODIKA Na dané konstrukci je třeba vytipovat kritická místa, která budou spadat pod hodnocení přípustného poškození. Typicky se jedná o oblasti koncentrace mechanického napětí, jako jsou např. vruby nebo náhlé změny nosného průřezu. V těchto vybraných místech je předpokládán výskyt poruchy, typicky se jedná o únavovou trhlinu, a stanovena je rychlost jejího šírení během provozu. Mnoho případů lze s dostatečnou přesností a s přiměřenými náklady řešit analyticky modelem o náhradním průřezu, pro obecné případy je rozpracována metodou konečných prvků. Uvažovány jsou různé módy lokálního zatížení, obr. 3. Rychlost šírení trhliny je odvozena od lokální hodnoty faktoru intenzity napětí kde je mechanické napětí v kritickém místě, a je délka trhliny a Y je korekční funkce zohledňující konečné geometrické rozměry tělesa. Pokud nejsou hodnoty korekční funkce Y známy z publikovaných příkladů a typických úloh, je pro určení hodnoty faktoru intenzity napětí metodu konečných prvků vhodnější alternativa hodnocení tzv. J-integrálu, který je s K-faktorem svázán vztahem kde E a jsou materiálové konstanty a indexy I až III odkazují příslušný mód zatěžování trhliny. Obr. 2 Únavová trhlina v místě oka {1} {2} Obr. 1 Průmyslový kompresor pístového typu 26 Problematice modelování únavových trhlin se věnuje např. [1], [2], [3]. Konstrukční materiál je reprezentován růstovou křivkou, která popisuje závislost rychlosti šírení trhliny na hodnotě rozkmitu faktoru intenzity napětí. Materiálová data je nejlepší naměřit přímo na zkušebních tělesech z daného typu materiálu, nebo lze použít již publikované knihovny. Křivka se často zjednodušuje do podoby tzv. Parisova vztahu: ENGINEERING.SK

5 Obr. 3 Zjednodušené modely lokálního zatí ení v oblasti trhliny {3} kde da je přírůstek délky trhliny po dn aplikovaných cyklech zatížení, které v místě trhliny vytvářely hodnotu faktoru intenzity napětí K, C a n jsou materiálové konstanty. Popis oblasti tzv. krátkých trhlin je nejistý, avšak v praxi je často mimo oblast inženýrských délek trhliny a není třeba blíže řešit. Naopak, zrychlování růstu trhliny v oblasti vysokých hodnot K-faktoru, lze zjednodušit do prostého omezení kritickou hodnotou faktoru intenzity napětí KC, neboť tato fáze růstu trhliny je z pohledu doby života poměrně krátká a její vliv je malý. Principy lomové mechaniky názorně popisuje např. [4]. Interval defektoskopických prohlídek se určuje jako část z vypočítaného období, kdy je trhlina již detekovatelná, ale ještě nedosáhla kritického stavu. Velikost detekovatelné trhliny závisí na použité metodě nedestruktivního zkoušení, běžně se pohybuje v řádech desetin až jednotek mm. DEFEKTOSKOPICKÉ PROHLÍDKY Defektoskopických metod vhodných k detekci únavové trhliny je k dispozici celá řada. Z tradičních například: ultrazvuk (objemová metoda), vířivé proudy, kapilární, magnetická prášková, vizuální, z pokrokových například: termokamera, nebo akustická emise. Výběr defektoskopické metody je dán rozborem nákladů a přínosů. Náklady jsou tvořeny zejména jednorázovou položkou při zavedení: přístrojové vybavení, kvalifikace personálu, vyvinutí specifické procedury/instrukce. a následně při každé z opakovaných prohlídek odstavení zařízení z provozu, příprava pro prohlídku, vlastní inspekce, znovuuvedení zařízení do provozu. Přínosy lze vyjádřit pravděpodobností detekce trhliny určité velikosti. Levnější a jednodušší NDT metody zpravidla vedou na nižší spolehlivost detekce a potřebu častého opakování prohlídek. Někdy je účelná aplikace prohlídek v několika úrovních s kombinací více metod. Kromě velikosti existující trhliny a metody samotné je pravděpodobnost detekce významně ovlivněna i pracovními podmínkami v místě provozu. Zde je třeba zohlednit výkon personálu v mnohdy stísněných podmínkách, stav povrchu zkoušeného objektu již dlouhodobě provozovaného apod. Vykazování příliš vysoké pravděpodobnosti detekce přináší i nežádoucí výskyt chyby tzv. druhého druhu, tedy možnost falešného alarmu. APLIKACE Výhody přechodu na koncepci přípustného poškození lze ilustrovat na příkladu prodloužení života pístového kompresoru. Analýzou havárie stroje, který byl provozován daleko za svým návrhovým životem, se kritickým místem ukázalo malé oko ojnice. Protože provozovatel měl zájem v co nejkratší době prokázat bezpečnost provozu dalších zařízení stejného typu a pokračovat ve své produkci, provedlo se nejdříve rychlé hodnocení situace empirickými vztahy a analytickými nástroji. Určená perioda prohlídek byla následně upřesněna podrobnějším rozborem s využitím numerických metod.» Obr. 4 Určení intervalu prohlídek Systém periodických prohlídek se u nových konstrukcí spouští překročením určitého prahu, většinou vztaženého k plánované době provozu a předpokládanému dosažení detekovatelné velikosti defektu v daném kritickém místě. Pokud je práh vyhodnocen příliš vysoko, jsou konstrukce prohlíženy již dříve, obr. 5. PREDICTIVE MAINTENANCE OF INDUSTRIAL EQUIPMENT APPLICATION OF DAMAGE TOLERANCE APPROACH A safe life design proves an operation safety with a conservative result. Application of damage tolerance approach brings a benefit in both new structure design as well as an aged one operation. A structure analysis is demanded and critical areas are identified. After local condition and features are described, a system of periodical inspections is submitted. The inspections use methods of non-destructive testing. A case study of a safety measure proposal for a reciprocating compressor reliability re-establishment is illustrated. Obr. 5 Pokrytí prohlídkami STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/

6 STROJE A TECHNOLÓGIE Obr. 6 Model ojnice pístového kompresoru mechaniky, ČVUT 2000], aplikace přístupu přípustného poškození byla prezentována na [6]. ZÁVĚR Aplikací moderních postupů průkazu spolehlivosti lze provozovat strojní zařízení podstatně déle, než bylo stanoveno dřívějšími konzervativními přístupy. Atraktivní je i prodlužování života stárnoucích konstrukcí, kdy lze dočasně nebo i trvale řešit lhůtu pro výrobu a dodání nového zařízení. Program údržby podle stavu je plánován s uvážením faktorů: kritické místo, mechanizmus poškozování, rychlost rozvoje poškození (růst trhliny), detekovatelnost poškození. Pro dané zařízení je třeba určit: prohlížené oblasti, výběr defektoskopické metody, počátek periodických prohlídek, interval prohlídek. Obr. 7 Únavová trhlina simulovaná v malém oku ojnice Obr. 8 Odhadované růstové křivky únavové trhliny» Zavedením hodnocení podle skutečného stavu se podařilo prokázat bezpečnost pokračujícího provozu zařízení za přijatelných nákladů na periodické defektoskopické prohlídky kritického místa. Zbývající stroje byly opět uvedeny do provozu v řádech týdnů od havárie prvního kusu. Simulace šírení trhliny je popsána v [4] Kunz, J.: Základy lomové Praktická aplikace je charakteristická následujícími kroky: určení kritické oblasti konstrukce, stanovení provozních namáhání, výpočet pevnostních charakteristik, doba do iniciace, rychlost šírení defektu, kritická velikost, výběr vhodné defektoskopické metody, detekovatelná velikost defektu, náklady na prohlídku, plánování systému provozních prohlídek. Prezentovaný postup představuje snadnou cestu ke zvýšení užitné hodnoty mnoha zařízení tím, že budou provozována podstatně delší dobu, než bylo prokázáno původním konzervativním návrhem. Při aplikaci je, samozřejmě, potřeba jisté opatrnosti, zejména při sestavování modelů a interpretaci dat. Značný rozdíl může být mezi modely vycházejícími z konstrukčních podkladů a reálným stavem zařízení provozovaného několik desítek let. Rovněž použití výpočetní techniky by mělo být jen pro úsporu času a zvýšení kapacity, implementovaným fyzikálním i matematickým vztahům musí inženýr dobře rozumět a být schopen kteroukoliv část zautomatizovaného řešení kontrolovat. Spolehnutí se na výsledky asistovaných analýz může snadno vést ke zcela nereálným výsledkům a ve svém důsledku i ke škodám. ODKAZY [1] Bist, S., Kannusamy, R.: Predicting 3-D Fatigue Cracks without a Crystal Ball. ANSYS Advantage Vol.III, Iss.1, 2009 [2] Brooks, C., Honeycutt, K., Domasky, S.P.: Implementing Models and Libraries. Report No.AFRL-VA-WP-TR , AP/ES Inc., 2006 [3] Fatigue Crack Propagation Analysis in ANSYS. CAE Associates 2011 [4] Kunz, J.: Základy lomové mechaniky, ČVUT 2000 [5] Běhal, J.: Crack Growth Simulation in the course of Industrial Equipment Life Extension, 20th SVSFEM ANSYS Users Group Meeting and Conference 2012, ISBN [6] Běhal J.: Prodlužování života strojních zařízení aplikací periodických defektoskopických prohlídek, Prevádzková spoľahlivosť výrobných zariadení v chemickom priemysle a energetike, ISBN ENGINEERING.SK

7 STROJE A TECHNOLÓGIE FROM RESEARCH TO PRACTICE The objective of project Testing the suitability of the processing a laboratory developed biodegradable material by the injection technology and material preparation for operational tests in the transfer of research results into practice consisted in the transfer of research results into industrial practice in the field of development for biodegradable mixtures based on polymers from renewable resources. The project continues in the results of research and development for laboratory mixture based on polylactic acid (PLA) in combination with polyhydroxybutyrate (PHB). PHOTO: EDITORSHIP SOURCE T he Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences and The Institute of Polymer Materials of Faculty of Chemical and Food Technology, Slovak University of Technology collaborate on the solution of the indicative formula for a mixture of polymers and suitable additives. On the base of this formula it is possible by variation of the mixture composition in a relatively wide range to modify predominately rheological and physico-mechanical properties of the polymeric material according to a specific technology, as well as according to the requirements demanded for the finished product. This is a genuine solution, protected by patent application. An initial level was a formula for mixture of biodegradable plastics with significantly increased ductility and flexibility and with a relatively large variability of properties according to the requirements of the processor. The composition of mixtures is protected by the Slovak patent application and the WPT application was also filed. The mixture according to the above-mentioned patent applications was adapted in the framework of other projects for processing with an extrusion on film and thermoforming whereby the project beginning the mixture has not been modified for injection technology. Latter mentioned technology is essential for the production of many products, and requires from the material to have certain special technological parameters. The project was precisely aimed at the detailed solution of this technology. Biopolymers and polymers, derived from renewable sources of raw materials, are known for their specific properties, not only processing, but also physico-mechanical ones. It is necessary to solve optimal rheological melt properties as well as processing stability in the melted state for the successful introduction of such materials into industrial practice. The main objective of the project was specified the development, or modification of the developed formula so as to allow processing of the material by injection technology. The project solution was divided into three phases. In the framework of the first phase there were prepared 13 mixtures and by the optimization procedure there was chosen an indicative formula, which has got its characteristics suitable for production the selected prototype of a bottle caps. Subsequently there were tested rheological properties of the mixture which then were modified to the flow properties meet the demands of injection technology. In the second phase there was produced enough granulation product from two types of material potentially suitable for injection. Finally there were performed operational tests of injection in the manufacturing plant. LABORATORY DEVELOPMENT OF MIXTURES BASED ON PLA/HB In the framework of the laboratory development there were prepared 13 mixtures with different proportion of PLA/PHB as well with different concentration of the additives. A planned experiment was chosen as a method of experimentation, namely the two-factor five-level scheme. Mixtures were prepared in a laboratory twin-screw extruder at an average temperature of the melt 160 C. In a single-screw device with a chill roll attachment there were produced foil samples from granulates. These samples were used for testing the mechanical properties. The rheological measurements were performed in a capillary rheometer at 180 C. A viscosity at a shear rate of 1260 s -1 was derived from the flow curves. The mechanical properties there were derived from the yield strength, ultimate tensile strength at break, Young s modulus and relative elongation at break. On the base of measured values of individual property it was found that in the reference range of the composition there is able to achieve relatively variable combinations of properties for the studied mixture. The yield strength varies in a very wide range from 1.0 MPa to 48.8 MPa, which increases with increasing content of PHB and decreases with increasing content of a modifier. Ultimate tensile strength at break ranges from the value of 9.9 MPa to the value 35.4 MPa. However, it is important that in either case the relative elongation at break has not fallen below 279 %. This finding provides very good toughness of the material in comparison with pure PLA or pure PHB. The flow curves were evaluated from processing characteristics. These curves were measured with capillary rheometer and then the measured apparent flow curves were corrected using Rabinowitsch and Bagley correction. For the optimization experiment there was calculated a viscosity at a shear rate of 1260 s -1 from the individual curves. Then this viscosity was evaluated as an output processing parameter. The above-mentioned experiments and the results showed that the boundaries for mixture composition were chosen appropriately. Because in the observed range of the experiment there are such mixtures which their mechanical characteristics fully satisfy the essential requirements with regard to polymers intended for packaging, in particular for the production of injection molded products. Based on the optimization process there were selected two formulas, the basic optimization criterion was sufficient stability of the relative elongation at Fig.1: Dependence of the yield strength on the storage time for optimized mixtures [x-axis t(hours)] Fig.2: Dependence of the strength at break on the storage time for optimized mixtures [x-axis t(hours)] 48 ENGINEERING.SK

8 Fig. 3: The dependence of the relative elongation at break on the storage time of optimized mixtures [x-axis t(hours)] break according to standing period. In Fig.1 to Fig.3 there are shown the dependences of the individual properties on the storage time for both samples. As can be seen from these results, during the test period there is a decrease of the yield strength however there is an increase of the strength at break. According to the keeping a satisfactory ductility of mouldings from this material it is important that practically there is no change in the relative elongation at break either after 150 hours of storage, whereas this property decreases to 5 10 % within storage hours in the case of PLA. From the point of view for mechanical properties it is possible to say that there were successful defined two formulas. These formulas are based on the biodegradable polymers from renewable sources of raw materials that potentially meet the requirements for products of packaging technology. In terms of injection processing technology there was needed in other laboratory development to continue in the testing a suitability of processing parameters. The flow curves of PP were measured for this reason. PP is commonly used e.g. for injection moulding of caps for some PET bottles. The measured curves were then compared with the flow curves of materials which we proposed. Measurement results of the flow curves for both samples are shown in Fig.4 and Fig.5. For both samples it is possible to obtain rheological properties which are very similar of PP, but at substantially higher temperatures than the processing temperature for this type of polymers. That is why it was necessary to find different ways for viscosity decrease as the temperature increases in order to avoid thermal degradation of the biodegradable material. This modification was performed by means of extra additive, below identified as P. The flow curves are shown in Fig. 6 TESTING IN OPERATION Based on the obtained results it can be concluded that in the laboratory conditions the prepared and optimized mixture meet the required criteria. Subsequently there was performed the industrial verification of processability for these two materials in the operating moulding machine. For these tests there were produced from 5 to 20 kg for every type of the mixture in the pilot twin screw extruder. In the company Esox there were the made mixtures tested for their processing suitability with the injection technology. An injection moulding machine, equipped with a mould of cap for PET bottles, was set for processing PP. Following the setting of the injection cycle the PP was exchange consecutively with one and then the other mixture of Fig. 5: The flow curves of PP and mixtures No.2 at the various temperatures In legend: vzorka i.e. sample Fig. 4: The flow curves of PP and mixtures No.1 at the various temperatures In legend: vzorka i.e. sample biodegradable plastics. It is possible to eject mouldings from both mixtures. During the experiments it was shown that injection temperature can be reduced to 170 C. It was also necessary to reduce the temperature of the coolant in a mould and to extend cooling time. As well the injection conditions were found that it was possible to inject polymer during running automated mould pressing cycle. In terms of processing the cooling a mouldings in the mould has proved to be critical. In the future it will be necessary to optimize the mould temperature and cooling duration. Also, quite often there was a freeze of an inlet system. Within the test the made products showed a sufficient ductility and the satisfactory mechanical properties. In the future it will be necessary to resolve geometry of inlet system as well as a cooling mode of a moulding. Globally the operational tests were evaluated like successful ones. However, it is necessary to consider a modification of the mould as well as to do a possible adjustment of material formula with respect to a particular product. CONCLUSION The project objectives are met throughout the intended range. In laboratory conditions there were prepared the mixtures which for their processing properties are suitable for testing at the operational conditions. The operating experiment showed that the mixtures can be processed without special difficulties by injection technology at common operating devices. The success of experiment was confirmed predominately the evidence that the test mixture can also be suitable for a work in the automated mould pressing cycle. At present it is now possible for a wide variety of products to choose the most appropriate alternative from formulas that are covered by patent applications. Project experiences allow each such selected formula modified for injection technology in operating conditions. The project was funded by grants of the Ministry of Education, Science, Research and Sport of the Slovak Republic. (Prepared mm according to Final expertise report of the project.) Fig. 6: The flow curves of tested material at the various temperatures in comparison with the flow curves of PP STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/