odborný časopis so zameraním na zváranie a príbuzné technológie ročník 59

Transcription

1 odborný časopis so zameraním na zváranie a príbuzné technológie ročník 59 ISSN TRADÍCIA VEDOMOSTI INOVÁCIA ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 1/

2 EDUMECCA Nové vzdelávacie modely podporujúce kreatívny transfer kompetencií a vedomostí v celoživotnom vzdelávaní Program celoživotného vzdelávania - projekt ICT Zavedenie Activity Based Training (ABT) do odborného vzdelávania a školenia študentov a inžinierov ABT sleduje procesy priemyselnej výroby využitím pracovných príkazov a etáp Vývoj nového systému pre odpovede študentov ipod Touch alebo iphone Interaktívne vzdelávanie, pri ktorom študenti poskytujú odpovede priebežne priamo pri teoretickom a praktickom vzdelávaní Rozšírenie ABT do výu by použitím vzdelávania založeného na riešení problémov Cie om vzdelávania inštruktorov/u ite ov je používanie nových vzdelávacích metód/spôsobov a služieb v kombinácii s digitálnymi tabu ami Použitie pedagogických metód AKO TO ROBI a AKO TO NEROBI Viac info: prosjekt.hist.no/edumecca VIDEOSTREAMING VIDEO KONFERENCIE Nórsko: Transfer informácií a vedomostí z podnikov na odborné školy použitím videokonferencií a technológie Smartboard TRIEDA Vyu ovanie v triede: Postup pri modulárnom vzdelávaní sleduje ABT metodológiu a používa aktívne u enie použitím nového systému na odpovede študentov ipodtouch/iphone. č ľ TECHNOLÓGIA SMARTBOARD Video streaming na interaktívnej tabuli Smartboard. U ite robí digitálne poznámky. Poznámky sa následne publikujú na Internete alebo sú odoslané om. VÝU BA U ITE OV AKO TO ROBI A AKO TO NEROBI Spolupráca pri u ení: Kreatívne využívanie video streamingu z procesu priemyselnej výroby pomáha študentom porozumie podstatu výrobných prvkov a ich prepojenie. Magyar Hegesztéstechnikai és Anyagvizsgálati Egyesülés (Ma arsko) Výskumný ústav zvára ský Priemyselný inštitút SR (Slovensko) Institut za varilstvo (Slovinsko) Smartcom Interaktive (Švédsko) University Hudders eld (Ve ká Británia) HiST Contract Research (Nórsko) Sør-Trøndelag University College Koordinátor: John B. Stav Contract LLP-NO-KA3-KA3MP TRONDHEIM

3 VZDELANIE JE KĽÚČOM K ÚSPECHU Vzdelávanie a certifikácia personálu vo VÚZ PI SR Divízia vzdelávania a poradenstva zabezpečuje: kurzy vyššieho zváračského personálu kurzy zvárania a spájkovania kovov kurzy zvárania plastov kurzy nedeštruktívneho skúšania Certifikačný orgán pre certifikáciu personálu zabezpečuje: certifikáciu personálu v oblasti zvárania certifikáciu personálu pre nedeštruktívne skúšanie Autorizovaný národný orgán ANB zabezpečuje: kvalifikáciu personálu v oblasti zvárania osvedčovanie vzdelávacích miest ATB vydávanie európskych diplomov EWF vydávanie medzinárodných diplomov IIW vydávanie európskych certifikátov tel /(0)2/ (vzdelávanie), +421 /(0)2/ (certifikácia), vuz@vuz.sk,

4 OBSAH ODBORNÉ ČLÁNKY 243 Skúsenosti s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných ocelí pri výstavbe Mosta APOLLO KAROL KÁLNA MARTIN VITÁSEK 250 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně při svařování metodou MAG JAROMÍR MORAVEC HEINZ NEUMANN 256 Robotické svařování vytvrditelných hliníkových slitin pomocí metody GTAW LADISLAV KOLAŘÍK KAREL KOVANDA MARIE VÁLOVÁ JIŘÍ DUNOVSKÝ ZVÁRANIE PRE PRAX 263 Použitie nového ochranného plynu pri zváraní tlakových nádob RENÁTA KOZMOVÁ KURZY 266 Vzdelávanie v oblasti zvárania oceľových výstuží BEÁTA MACHOVÁ INFORMÁCIE CERTIFIKAČNÝCH ORGÁNOV 267 Zoznam osôb kvalifikovaných a certifikových vo zváraní vo VÚZ PI SR v roku 2010 VIERA HORNIGOVÁ 272 Zoznam osôb certifikovaných vo VÚZ PI SR v nedeštruktívnom skúšaní v súlade s normou STN EN 473 v roku 2010 DANA BARINOVÁ 274 Zoznam osôb certifikovaných vo VÚZ PI SR v súlade s STN EN 473 a v zmysle Smernice 97/23/EC pre tlakové zariadenia (PED) v roku 2010 DANA BARINOVÁ ČINNOSŤ SZS 276 XXXVIII. medzinárodná konferencia ZVÁRANIE 2010 a Národný deň zváračov PAVOL RADIČ PREDSTAVUJEME ZVÁRAČSKÉ ČASOPISY 281 Obsah časopisu Welding Journal 2009 REDAKCIA OBSAH 59. ROČNÍKA ČASOPISU ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ ROK Zoznam článkov 288 Abecedný zoznam autorov 11-12/ ročník Odborný časopis so zameraním na zváranie, spájkovanie, lepenie, rezanie, striekanie, materiálové inžinierstvo a tepelné spracovanie, mechanické a nedeštruktívne skúšanie materiálov a zvarkov, zabezpečenie kvality, hygieny a bezpečnosti práce. Odborné články sú recenzované. Periodicita 12 čísel ročne. Evid. č. MK SR EV. 203/08 Vydáva Výskumný ústav zváračský Priemyselný inštitút SR člen medzinárodných organizácií International Institute of Welding (IIW) a European Federation for Welding, Joining and Cutting (EWF) Generálny riaditeľ: Ing. Peter Klamo Šéfredaktor: Ing. Tibor Zajíc Redakčná rada: Predseda: prof. Ing. Pavol Juhás, DrSc. Podpredsedovia: prof. Ing. Peter Grgač, CSc. Členovia: Ing. Jiří Brynda; Ing. Pavel Flégl; doc. Ing. Július Hudák, PhD.; Ing. Alojz Jajcay; doc. Ing. Karol Kálna, DrSc.; Ing. Július Krajčovič; Dr. Ing. Zdeněk Kuboň; doc. Ing. Vladimír Magula, PhD.; doc. Ing. Harold Mäsiar, PhD.; Ing. Ľuboš Mráz, PhD.; Ing. Miroslav Mucha, PhD.; doc. Ing. Jozef Pecha, PhD.; Ing. Gabriel Petőcz; Ing. Pavol Radič; doc. Ing. Pavol Sejč, PhD.; Dr. Ing. František Simančík Adresa a kontakty na redakciu: Výskumný ústav zváračský Priemyselný inštitút SR redakcia časopisu ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ Račianska 71, Bratislava 3 tel.: +421/(0)2/ , , , fax: +421/(0)2/ redakcia.zvarania@vuz.sk Grafická príprava: TYPOCON, s. r. o., Bratislava tel./fax: +421/(0)2/ Tlač: FIDAT, s. r. o., Bratislava tel./fax: +421/(0)2/ Distribúcia: VÚZ PI SR, RIKA a Slovenská pošta, a. s. Objednávky časopisu prijíma VÚZ PI SR, každá pošta a doručovatelia Slovenskej pošty. Objednávky do zahraničia vybavuje VÚZ PI SR; Slovenská pošta, a. s., Stredisko predplatného tlače, Uzbecká 4, P.O.BOX 164, Bratislava 214, zahranicna.tlac@slposta.sk; do ČR aj RIKA (Popradská 55, Bratislava 214) a VÚZ PI SR. Cena dvojčísla: 4 pre zahraničie: 4,20 bez DPH, 5 s DPH Toto dvojčíslo vyšlo vo februári 2011 VÚZ PI SR, Bratislava 2011 Za obsahovú správnosť inzercie zodpovedá jej objednávateľ 242 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 1/2008

5 ODBORNÉ ČLÁNKY Skúsenosti s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných ocelí pri výstavbe Mosta APOLLO Experience from the application of the thermomechanical and normalized rolled steels at the Apollo bridge execution KAROL KÁLNA MARTIN VITÁSEK Doc. Ing. K. Kálna, DrSc., Výskumný ústav zváračský Priemyselný inštitút SR (Welding Research Institute Industrial Institute of SR), Bratislava, kalnak@vuz.sk Ing. M. Vitásek, PhD., IBOK Integrita a bezpečnosť oceľových konštrukcií, a. s. (Integrity and Safety of Steel Structures, joint stock Co), Bratislava, Slovensko Článok zhŕňa skúsenosti s použitím termomechanicky valcovaných ML a normalizačne valcovaných NL oceľových plechov pri výrobe oceľovej konštrukcie mosta Apollo v r až 2005 Základné údaje o moste Použité ocele a ich vlastnosti podľa EN Doplňujúce požiadavky na chemické zloženie a mechanické vlastnosti, najmä na húževnatosť ocelí a zvarových spojov Štatistické vyhodnotenie vlastností použitých oceľových plechov: obsah uhlíka C, uhlíkový ekvivalent CEV, obsah síry S, medza klzu R e, nárazová práca KV pri 30 C Požadované a stanovené postupy zvárania WPS Odporúčanie na použitie ocele S 420 ML a S 460 ML a zodpovedajúce zváracie materiály na výstavbu veľkých oceľových mostov The paper summarizes the experience with use of thermomechanically rolled ML and normalized rolled NL steel plates in fabrication of steel structure of the Apollo bridge from the year 2003 till Basic data about the bridge, used steels and their properties in compliance with EN standard as well as supplementary requirements on chemical composition and mechanical properties, especially toughness of steels and welded joints are described. The statistic evaluation of properties of used steel plates: carbon content, CEV carbon equivalent, sulphur content, yield strength R e, impact energy KV at 30 C were outlined. The required and determined welding procedure specifications WPS were described. We recommend to use S 420 ML and S 460 ML steels and corresponding welding consumables for construction of huge steel bridges. > Článok zhŕňa skúsenosti získané s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných oceľových plechov pri výstavbe Mosta APOLLO cez Dunaj v Bratislave. Na spracovanie článku sa použili nasledujúce informačné zdroje: inšpekčné certifikáty 3.1B podľa EN [1] boli dodané k všetkým dodávkam oceľových plechov rôznych tavieb a rôznych hrúbok (t. j. plechy s odlišným číslom tavby a odlišným číslom vývalku). K použitým oceliam bolo dodaných 498 inšpekčných certifikátov 3.1B, ktoré obsahovali výsledky skúšania dodaných výrobkov, výsledky skúšok zvarových spojov skúšky zvarových spojov sa vykonávali v rámci schvaľovania postupov zvárania podľa EN 288+A1 [2] (v súčasnosti EN ISO ) a skúšok výrobných zvarových spojov. 1 ZÁKLADNÉ ÚDAJE O MOSTE APOLLO Most APOLLO bol navrhnutý ako oblúkový oceľový most s rozpätím hlavného poľa 231 m a celkovou dĺžkou zváranej oceľovej konštrukcie 517,5 m. Most bol projektovaný pre mestskú komunikáciu. Dopravné zaťaženie mosta je vysoké a odhaduje sa na viac ako vozidiel denne, pričom zaťaženie z roka na rok stále narastá. 2 POUŽITÉ OCELE A ICH VLASTNOSTI Výber ocelí pre Most APOLLO sa vykonal podľa nasledujúcich požiadaviek: plánovaná životnosť mosta 100 rokov, minimálna návrhová teplota oceľovej konštrukcie T min = 30 C, dobrá zvariteľnosť ocelí, odolnosť proti únavovému a krehkému porušeniu oceľovej konštrukcie. Pri zhotovovaní Mosta APOLLO sa použili 4 typy konštrukčných ocelí, z toho 2 typy termomechanicky valcovaných (doplnkové označenie ML) a 2 typy normalizačne valcovaných (doplnkové označenie NL, resp. NLC a J2G3). V kvalite J2G3 bolo dodané iba menšie množstvo plechov (tab. 1) na menej namáhané časti konštrukcie (chodníky), preto rozhodujúca pozornosť je v tomto článku venovaná oceliam kvality ML a NL. Oceľové plechy použité na výrobu mosta pochádzali od dvoch výrobcov: Salzgitter, Nemecko: S 355 ML a S 420 ML; hrúbka t = 14 až 50 mm, Dunafer, Maďarsko: S 355 NL; hrúbka t = 14 až 20 mm. Plechy boli dodané v súlade s požiadav kami EN a EN [3, 4] (teraz EN a EN ). Prehľad použitých ocelí, vrátane oblasti ich použitia je v tab. 1. Súhrnná hmotnosť oceľovej konštrukcie mosta bez závesov je cca ton. Z toho hmotnosť ML ocelí predstavuje cca ton. V inšpekčných certifikátoch ocelí použitých na zhotovenie mosta boli uvedené nasledujúce údaje: chemické zloženie (C, Si, Mn, P, S, Cu, Cr, Ni, Al, V, Nb, Ti, Mo), mechanické vlastnosti (R e, R m, A 5, Z, KVQ, KVL), V projektovej (tendrovej) dokumentácii mosta [5] sa sprísnili niekto- ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

6 Skúsenosti s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných ocelí pri výstavbe Mosta APOLLO Tab. 1 Prehľad konštrukčných ocelí použitých na zhotovenie mosta APOLLO Tab. 1 A review of structural steels used for APOLLO bridge execution Značka ocele / Steel grade S 420 ML podľa EN (EN ) S 355 ML podľa EN (EN ) S 355 NL podľa EN (EN ) S 235 J2G3 podľa EN (EN ) Oblasť použitia / Application field oblúky, priečle medzi oblúkmi, časť hlavných trámov OKH (spolu 144 m), steny a spodné pásnice hlavných trámov OKB a OKP v strede dĺžok medzi podperami, nadpodporové priečniky OKH arches, faces between arches, part of main beams OKH (altogether 144 m), walls and lower flanges of main beams OKB and OKP in the centre of lengths between supports, over-support cross members OKH časti hlavných trámov OKH (spolu 87 m), časti hlavných trámov OKB a OKP v oblasti podpier (spolu 196,5 m), steny a spodné pásnice hlavných priečnikov, mostovka v oblasti podpier parts of main beams OKH (altogether 87 m), parts of main beams OKB and OKP in the region of supports (altogether 196,5 m), walls and lower flanges of main cross members, bridge deck in the region of supports mostovka mimo podpier, pozdĺžne výstuhy mostovky, podružné priečniky, pozdĺžniky bridge deck outside supports, longitudinal stiffeners of bridge deck, subordinate cross members, stringers chodníky a menej namáhané časti konštrukcie footways and less loaded parts of structure Poznámka: OKH oceľová konštrukcia hlavná (hlavné pole mosta); OKB/OKP oceľová konštrukcia na strane Bratislava-Petržalka Note: OKH main steel structure (main bridge span); OKB/OKP stell structure on the side Bratislava-Petržalka Tab. 2 Doplňujúce požiadavky na chemické zloženie konštrukčných ocelí maximálne obsahy chemických prvkov a uhlíkový ekvivalent (hm. %) Tab. 2 Supplementary requirements on chemical composition of structural steels maximum contents of chemical elements and carbon equivalent (wt%) Oceľ CEV C Nb Nb+Ti+V S P Steel t 25 mm t > 25 mm S 355 ML 0,14 0,05 0,12 0,010 0,020 0,38 0,41 S 420 ML 0,16 0,05 0,12 0,010 0,020 0,41 0,43 S 355 NL 0,17 0,05 0,12 0,010 0,020 0,41 0,43 Tab. 3 Doplňujúce požiadavky na húževnatosť konštrukčných ocelí Tab. 3 Supplementary requirements on toughness of structural steels Oceľ podľa EN Steel in compliance with (EN ) (EN ) S 355 Hrúbka detailu Detail thickness (mm) Lomová húževnatosť K CJ pri T S = 30 C Fracture toughness K CJ at T S = 30 C (MPa m) T S Nárazová práca KV (priemerná/minimálna hodnota) Impact energy KV (mean/minimum value) (J) Pozdĺžny smer L Longitudinal direction L Priečny smer T Transverse direction T C 40/30 27/21 26 až C 60/45 45/ C 50/38 40/30 S až C 60/45 45/34 Poznámka: Pri sporných údajoch bol rozhodujúci údaj lomovej húževnatosti Note: Fracture toughness datum was decisive in disputable data Tab. 4 Počet tavieb a rozsah mechanických skúšok dodaných konštrukčných ocelí Tab. 4 Number of melts and extent of mechanical tests of delivered structural steels Značka ocele Steel grade Počet dodaných tavieb Number of delivered melts Počet súborov mechanických skúšok Number of sets of mechanical tests S 355 NL S 355 ML S 420 ML Tab. 5 Súhrnný prehľad štatistických ukazovateľov zvariteľnosti konštrukčných ocelí spracovaný z databázy plechov Tab. 5 Summarz of statistic indices of weldabilitz of structural steels processed from database of plates Značka ocele Steel grade Teplota predhrevu podľa [6] pre reálne dodané hrúbky plechov Preheat temperature according to [6] for real delivered plate thicknesses Teplota predhrevu podľa [6] pre hrúbky t = 25 mm Preheat temperature according to [6] for thicknesses t = 25 mm S 235 J2G3(C) S 355 NL(C) S 355 ML S 420 ML ré požiadavky na použité ML ocele v porovnaní s požiadavkami deklarovanými v norme EN Prehľad doplňujúcich požiadaviek na chemické zloženie je uvedený v tab. 2. Prehľad doplňujúcich požiadaviek na lomovú húževnatosť a nárazovú prácu vychádzajúci z minimálnej návrhovej teploty oceľovej konštrukcie mosta 30 C je v tab. 3. Nakoľko v prípade ML ocelí dochádza pravidelne k neželanému zvyšovaniu hodnoty podielu R eh /R m, obmedzila sa jeho maximálne prípustná hodnota na 0,85. Neskôr, na základe posúdenia skutkového stavu a po dohode s výrobcom ocele (ILSENBURGER GROBBLECH SALZGITTER GRUPPE) sa upravila maximálne prípustná hodnota podielu R eh /R m na 0,90. V prípade NL ocelí sa problém s narastajúcou hodnotou podielu R eh /R m nevyskytuje a udržiaval sa hlboko pod hodnotou 0,85 (priemerná hodnota 0,713, maximálna hodnota 0,779). Chemické zloženie dodaných plechov sa náhodne kontrolovalo na spektrálnom analyzátore vo VÚZ PI SR, Bratislava. Vo väčšine prípadov sa potvrdila dobrá zhoda medzi výsledkami spektrálnej analýzy vykonávanej na skúšobných plechoch a výsledkami analýzy tavieb uvádzanými v certifikátoch. V žiadnom prípade sa nezistilo nevyhovujúce chemické zloženie dodaných plechov v porovnaní s požadovanými vlastnosťami. Náhodne sa kontrolovali aj mechanické vlastnosti niektorých plechov, 244 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

7 ODBORNÉ ČLÁNKY ktoré sa použili na skúšky zvarových spojov. Aj v tomto prípade sa dosiahli vyhovujúce vlastnosti. V prípade skúšok húževnatosti rázom v ohybe ML ocelí sa dosahovali výborné výsledky. 3 ŠTATISTICKÉ VYHODNOTENIE VLASTNOSTÍ POUŽITÝCH OCELÍ S ohľadom na veľký počet použitých tavieb, ako aj veľký súbor mechanických vlastností plechov, použitých na zhotovenie Mosta APOLLO bolo možné z údajov uvedených v inšpekčných certifikátoch vykonať štatistické hodnotenie vlastností dodaných ML a NL ocelí a navzájom ako aj s príslušnými normovými hodnotami ich porovnať. Z analýzy dodaných inšpekčných certifikátov vyplynulo, že na výstavbu mosta bolo dodané väčšie množstvo tavieb ocelí, pričom z niektorých tavieb sa vyvalcovali rôzne hrúbky plechov (t. j. rôzne výrobky), ktorých vlastnosti boli u výrobcu zvlášť skúšané. Prehľad počtu dodaných tavieb a súborov mechanických skúšok dokladovaných v inšpekčných certifikátoch je uvedený v tab. 4. Príslušné databázy výsledkov skúšok sa štatisticky spracovali v programe EXCEL. 3.1 Štatistické vyhodnotenie chemického zloženia použitých ocelí Chemické zloženie ocelí je jeden z rozhodujúcich faktorov, ktorý určuje tzv. materiálovú zvariteľnosť ocele vo vzťahu k jej transformačnému skrehnutiu v teplom ovplyvnenej oblasti zvarového spoja. Transformačné skrehnutie je jeden z rozhodujúcich parametrov určujúcich riziko vzniku studených trhlín pri zváraní. Na obr. 1 je uvedený histogram obsahu uhlíka C v oceliach S 355 ML, S 420 ML a S 355 NL. Z obr. 1 je zrejmé, že v prípade ocelí typu ML boli skutočné obsahy uhlíka výrazne nižšie, ako povoľuje norma EN a aj záväzná projektová dokumentácia. V prípade ocelí S 355 NL boli skutočné obsahy uhlíka: tesne pod povolenou hornou hranicou podľa EN , ale nad povoleným obsahom podľa tendrovej dokumentácie, v porovnaní s oceľou S 355 ML výrazne vyššie, cca 2-krát, v porovnaní s oceľou S 420 ML vyššie približne 1,7 až 1,8-krát. Podobne vychádza aj porovnanie uhlíkového ekvivalentu CEV určeného podľa metodiky IIW, pričom súbor dodaných ocelí S 355 NL vykazoval najvyššie hodnoty a tiež niekoľko výnimiek zo súboru ocelí S 420 ML prekračovalo hodnotu 0,40 % (obr. 2). Mn Cr Mo V Cu Ni CEV, kde CEV je uhlíkový ekvivalent podľa metodiky IIW, Mn, Cr, Mo, V, Cu a Ni obsahy týchto prvkov. Pre informáciu je na obr. 3 uvedený histogram obsahu síry, ktorý jasne poukazuje na vysokú kvalitu dodaných ML plechov a dáva obraz o technických možnostiach výrobcu ML ocelí. V tab. 5 sú na porovnanie uvedené teploty predhrevu ocelí použitých na výstavbu Mosta APOLLO. Na výpočet teplôt predhrevu sa použila metóda B normy EN [6] a prie- Obr. 1 Histogram obsahu uhlíka použitých konštrukčných ocelí Fig. 1 Histogram of carbon content of used structural steels Početnosť Number Rate, Obsah Content Obr. 2 Histogram uhlíkového ekvivalentu CEV použitých konštrukčných ocelí Fig. 2 Histogram of carbon equivalent CEV of used structural steels Početnosť Number Rate, Uhlíkový ekvivalent Carbon equivalent Obr. 3 Histogram obsahu síry použitých konštrukčných ocelí Fig. 3 Histogram of sulphur content of used structural steels Početnosť Number Rate, Obsah Content ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

8 Skúsenosti s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných ocelí pri výstavbe Mosta APOLLO Obr. 4 Histogram hodnôt medzí klzu použitých konštrukčných ocelí Fig. 4 Histogram of yield strength values of used structural steels Početnosť Number Rate Obr. 5 Histogram nárazovej práce konštrukčných ocelí v pozdĺžnom smere Fig. 5 Histogram of impact energy of structural steels in longitudinal direction Početnosť Number Rate Obr. 6 Závislosť nárazovej práce KV-L pozdĺž a KV-T naprieč smeru valcovania ocelí S 355 ML a S 420 ML pri 30 C Fig. 6 Dependence of impact energy KV-L in longitudinal and KV-T in transverse rolling direction of S 355 ML and S 420 ML steel types at 30 C temperature merné hodnoty obsahov prvkov z analyzovaných databáz, pričom sa pri výpočte teploty predhrevu zohľadnili skutočné hrúbky dodaných plechov ako aj rovnaká porovnávacia hrúbka (v tomto prípade 25 mm), aby bolo možné rovnocenným spôsobom uvážiť vplyv chemického zloženia porovnávaných skupín ocelí na teplotu predhrevu. Pri reálnych hrúbkach vychádzajú teploty predhrevu ocelí S 355 NL oproti oceliam typu ML relatívne priaznivo, nakoľko ocele typu NL boli s ohľadom na ich účel použitia (mostovka, podružné priečniky a pod. (tab. 1) dodávané v menších hrúbkach. V prípade rovnakej hrúbky (t = 25 mm) je rozdiel teplôt predhrevu výrazne väčší a v neprospech ocele S 355 NL. Z vyššie uvedených výsledkov vyplynuli závažné dôsledky pre zváranie porovnávaných ocelí: 1. Zváranie ocelí S 355 NL v prípade porovnateľných hrúbok materiálu si vyžadovalo výrazne vyššie teploty predhrevu ako zváranie ocelí ML, resp. vyžadovalo použitie predhrevu aj v takých prípadoch, pri ktorých ešte ocele ML nebolo potrebné predhrievať. Táto skutočnosť je zvlášť závažná pri montážnom zváraní v zimných mesiacoch, kedy môže prípadná technologická nedisciplinovanosť viesť k vzniku studených trhlín. Toto riziko bolo v prípade NL ocelí výrazne vyššie, ako v prípade ML ocelí, čo predstavovalo nezanedbateľný rizikový faktor pri zhotovovaní mosta. 2. Spomínané riziko vzniku studených trhlín bolo zvlášť vysoké pri stehovaní zváraných dielcov, kedy sú vytvorené podmienky na rýchlejšie ochladzovanie materiálu a na nepriaznivejšie napäťové pomery v oblasti stehových zvarov ako pri vlastnom spojovacom zváraní. Pritom stehovanie materiálu sa v praxi často z nevyhnutných dôvodov vykonáva bez predhrevu a na veľkej konštrukcii je veľmi obťažné zabezpečiť, aby sa v priebehu zvárania následne odbrusovali všetky stehy. 3. Pri ručnom oblúkovom zváraní, predovšetkým obalenými elektródami (111), ale aj pri zváraní v plynovej ochrane spôsobom MAG (135), resp. FCAW (136) sa často vyskytujú náhodné zapálenia oblúka mimo oblasť zvaru, ktoré majú za následok lokálne krátkodobé natavenie materiálu a jeho extrémne rýchle ochladenie. Tieto miesta majú najvyššiu tvrdosť, 246 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

9 ODBORNÉ ČLÁNKY môžu v nich vzniknúť studené trhliny. Z výpočtov vyplýva, že v prípade ocelí NL maximálne tvrdosti sa blížia k hodnotám 450 HV, v prípade ML ocelí vychádzajú maximálne tvrdosti podstatne nižšie. Túto skutočnosť potvrdili aj výsledky vykonaných meraní. Meranie tvrdosti v miestach náhodných dotykov elektródou na konštrukčných prvkoch Mosta APOLLO sa vykonali počas výstavby v zimných mesiacoch. Maximálne tvrdosti namerané na konštrukčných dielcoch z ocelí S 355 ML aj S 420 ML nepresiahli hodnotu 350 HV. 3.2 Štatistické vyhodnotenie mechanických vlastností použitých ocelí Podobným spôsobom sa štatisticky spracovali aj mechanické vlastnosti dodaných ocelí. Na obr. 4 je uvedený histogram medzí klzu R eh ocelí S 355 ML, S 355 NL a S 420 ML. Ako vidno, medza klzu ocelí S 355 ML relatívne vysoko presahuje minimálnu zaručovanú hodnotu medze klzu ocele pre rôzne hrúbky plechov a je takmer porovnateľne vysoká ako medza klzu ocelí S 420 ML. Približne 70 % plechov dodaných pod značkou S 355 ML spĺňalo hodnotu medze klzu požadovanú pre ocele S 420 ML. Naopak ocele S 355 NL spĺňali požiadavky na medzu klzu relatívne presne. Histogram hodnôt nárazovej práce KV-L (J) ocelí S 355 ML a S 420 ML skúšaných pri teplote 30 C v pozdĺžnom smere je uvedený na obr. 5. Z histogramu je zrejmé, že hodnoty nárazovej práce boli pri všetkých dodaných plechoch mimoriadne vysoké, čo poukazuje na vysokú odolnosť základného materiálu mosta proti krehkému porušeniu. Vysoké boli aj hodnoty nárazovej práce KV-T (J) merané naprieč smeru valcovania (obr. 6). Závislosť medzi KV-L a KV-T vyjadruje mieru anizotropie ocelí z hľadiska húževnatosti. Obidva typy ocelí vykazujú pozoruhodne presný pomer medzi húževnatosťou v smere pozdĺž a naprieč valcovania, pričom hodnoty nárazovej práce v smere naprieč dosahujú približne 75 % hodnoty nárazovej práce v smere valcovania. Žiaľ, nebolo možné vykonať porovnanie hodnôt nárazovej práce KV uvedených v inšpekčných certifikátoch ocelí S 355 NL s oceľami typu ML. Príčinou boli metodické rozdiely pri skúšaní ocelí S 355 NL (nižšia teplota skúšania 50 C, v niektorých prípadoch menšie hrúbky skúšobných tyčí a nižšia energia kyvadlového kladiva, čo orezalo súbor nameraných hodnôt zhora). 4 ZVÁRANIE A VLASTNOSTI ZVAROVÝCH SPOJOV Na oceľovej konštrukcii Mosta APOLLO sa nachádza približne m tupých zvarových spojov a asi m kútových zvarov. Pri zváraní sa použili štyri spôsoby oblúkového zvárania: ručné oblúkové zváranie obalenou elektródou MMAW (111), zváranie pod tavivom SAW (121), zváranie taviacim sa (plným) drôtom v ochrane aktívneho plynu MAG (135), zváranie taviacim sa plneným drôtom v ochrane aktívneho plynu FCAW (136). Dodávateľ oceľovej konštrukcie mosta MCE Voest Linz, Rakúsko zhotovoval komponenty konštrukcie vo svojich prevádzkach v Slanom, Česko a v Nyíregyháze, Maďarsko. Odtiaľ sa prevážali zvarené komponenty na stavenisko do Bratislavy, kde sa vykonávalo montážne zváranie. Montáž mosta zabezpečili Hutní montáže Ostrava a MCE Slaný, Česko. Na zváranie sa používali prídavné materiály firmy Oerlikon Schweißtechnik GmbH, Eisenberg, Nemecko. Pred začiatkom zvárania každý výrobca zhotovil skúšobný zvarový spoj pre každý spôsob zvárania, každý použitý zvárací materiál a pre typické hrúbky zvarových spojov (16 mm, 25 mm, 40 až 50 mm). Skúšobné zvarové spoje na predvýrobné skúšky zvarov sa zhotovili pod dohľadom zváračského inžiniera. Kontrolovali sa, merali a zaznamenávali všetky činitele určujúce kvalitu a vlastnosti skúšobných zvarových spojov: predhrev, parametre zvárania potrebné na výpočet tepelného príkonu, medzihúsenicová teplota, počet vrstiev a pod. Skúšobné zvarové spoje sa najskôr podrobili nedeštruktívnym skúškam: vizuálnej skúške VT, kapilárnej skúške PT a skúške ultrazvukom UT. Zo vzoriek skúšobných zvarových spojov sa zhotovili skúšobné tyče/telesá mechanickým delením a obrábaním. Robili sa tieto skúšky: chemická analýza zvarového kovu, ojedinele aj ocele základného materiálu, posúdenie makroštruktúry zvarového spoja, skúšky tvrdosti zvarového spoja: základného materiálu, teplom ovplyvnenej oblasti, hranice stavenia a zvarového kovu podľa EN , skúška ťahom zvarového spoja v smere naprieč podľa EN 895, skúška ťahom zvarového kovu v smere pozdĺž podľa EN 876, skúška rázom v ohybe KV: základného materiálu, teplom ovplyvnenej oblasti a zvarového kovu podľa EN , EN 875, skúška lámavosti zvarového spoja podľa EN 910, skúška lomovej húževnatosti K CJ ; K 0,2 podľa STN V priebehu zhotovovania mosta sa: schválilo 28 postupov zvárania (WPAR), z toho 22 tupých zvarových spojov a 6 kútových zvarových spojov [7], odskúšalo ďalších 17 výrobných zvarových spojov [8]. Skúšky zvarových spojov ukázali, že: všetky tyče sa pri skúške ťahom porušili v základnom materiáli, ďaleko od zvarového spoja, mikroštruktúra v teplom ovplyvnenej oblasti (HAZ) nepreukázala žiadne výrazné štruktúrne zmeny, ktoré by signalizovali jej zníženú únosnosť, meranie tvrdosti naprieč zvarovými spojmi neukázalo prakticky žiadne zníženie tvrdosti v HAZ, ktoré by signalizovalo zníženie pevnosti základného materiálu v dôsledku jeho ohrevu zváraním, všetky skúšobné tyče vyhoveli pri skúške lámavosti, čo signalizuje dostatočnú zásobu plasticity v celej oblasti zvarových spojov, parametre zvárania, predovšetkým tepelný príkon, majú významný vplyv na húževnatosť zvarového kovu, kritickou oblasťou zvarových spojov z hľadiska húževnatosti vo väčšine prípadov nebola HAZ základného materiálu, ale zvarový kov, vysokú nárazovú prácu nameranú pri skúšobných tyčiach s vrubom v HAZ je možné vysvetliť aj tým, že lomová plocha zasahuje nielen oblasť HAZ, ale aj základný materiál a zvarový kov. Prehľad vybraných charakteristík oceľových plechov S 420 ML, hrubých 40 mm je v tab. 6. Húževnatosť oceľových plechov S 420 ML a ich zvarových spojov vysoko prevyšuje požadované vlastnosti, sú vynikajúce. Skúsenosti zo zhotovovania Mosta APOLLO ukázali, že v záujme dosiahnutia požadovaných vlastností a kvality zvarových spojov je potrebné zváraniu venovať zvýšenú pozornosť. Predovšetkým je potrebné: ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

10 Skúsenosti s použitím termomechanicky a normalizačne valcovaných ocelí pri výstavbe Mosta APOLLO Tab. 6 Vybrané charakteristiky ocele S 420 ML, hrúbka plechu 40 mm Tab. 6 Selected characteristics of steel type S 420 M, plate thickness 40mm Charakteristika Characteristics Zaručená podľa EN Guaranteed in compliance with EN standard Požadovaná v projekte Required in design Skutočná Ø 2) Real CEV % S ppm R eh MPa R eh /R m KV L (J) 30 C KV T (J) 30 C KV W (J) 4) 30 C 0, , ,90 60/45 1) 45/34 1) 55/40 0, , / plechov 4.ex 3) 169 plates 4.ex 3) 0, , ) T S = 40 C 2) Ø priemerná hodnota mean value 3) 4.ex štvrtý extrém (min/max) fourth extreme (min/max) 4) KV W zvarový kov weld metal Tab. 7 Mechanické vlastnosti plechov ocele S 420 ML po tepelnom rovnaní Tab. 7 Mechanical properties of S 420 ML steel plates after hot straigthening Označenie plechu a vzoriek Designation of plate and specimens EN Tender (tab. 3) T smax ( C) R e (MPa) R m (MPa) A 5 (%) Z (%) R e /R m KV-L ( 30 ) (J) KV-T ( 30 ) (J) > >0,90 50/38 40/30 F , F , F , na dosiahnutie požadovanej húževnatosti zvarového kovu spoja: obmedziť tepelný príkon zvárania; nepoužívať neprimerane vysoké zváracie prúdy (najmä pri spôsoboch zvárania MAG 135 a FCAW 136); snažiť sa prierez zvarového spoja rozdeliť na viac húseníc (tzv. šnúrkovanie), aby sa zabezpečil čo najväčší podiel prežíhaného objemu zvarového kovu k jeho celkovému objemu, používať zváracie materiály, pre ktoré výrobca zaručuje dostatočne vysokú húževnatosť hodnotu nárazovej práce minimálne pri najnižšej návrhovej teplote, v priebehu zvárania zabezpečiť primeranú technologickú disciplínu a neustály dozor nad zváračmi, všetci zvárači musia úspešne absolvovať pracovné skúšky. Poznámky: 1. Termomechanicky valcované oceľové plechy použité na zhotovenie Mosta APOLLO sa vyrábali kontinuálnym liatím a valcovaním. V strede hrúbky plechov sa vo viacerých prípadoch zistila prítomnosť perlitických pásov a nečistôt, ktoré výrazne znížili húževnatosť ocele v smere hrúbky, pokiaľ sa vrub na skúšobných tyčiach Charpy V umiestnil do týchto oblastí. Hodnoty kontrakcie merané na ťahových tyčiach v smere hrúbky (Z Z ) dosahovali aj na plechoch s nízkou húževnatosťou vyhovujúce hodnoty. 2. V snahe minimalizovať prípadné riziko lamelárneho porušenia je potrebné pri navrhovaní oceľových konštrukcií obmedziť výskyt spojov plechov namáhaných v smere hrúbky. Na Moste APOL- LO bol navrhnutý a v priebehu výroby čiastočne upravovaný jeden konštrukčný uzol s vysokou tuhosťou a namáhaním v smere hrúbky plechu. Z obáv z lamelárneho porušovania sa na všetkých uzloch tohto typu po ukončení zvárania vykonala 100 %-ná UT skúška, ktorá nepreukázala výskyt lamelárneho porušenia. 5 ROVNANIE ML OCELÍ PLAMEŇOM S ohľadom na skutočnosť, že sa nedala vylúčiť potreba tepelného rovnania oceľovej konštrukcie mosta, vykonali sa skúšky rovnania ML ocelí plameňom. Cieľom skúšok bolo určenie mechanických vlastností plechov po tepelnom rovnaní. Na skúšky sa pripravili 3 vzorky oceľového plechu S 420 ML hrúbky t = 12 mm (CEV = 0,31 %) označené F1 až F3, ktorých max. teploty pri rovnaní boli 500 C, 640 C a 695 C. Vykonali sa skúšky ťahom a rázom v ohybe KV pri 30 C. Výsledky skúšok sú v tab. 7 [9]. Možno konštatovať, že oceľový plech si vo všetkých troch prípadoch udržal: vyhovujúce charakteristiky pri skúške ťahom: R e, R m, A 5, vysokú (vynikajúcu) húževnatosť KV > 290 J pri T = 30 C. 6 TEPELNÉ SPRACOVANIE ZVAROVÝCH SPOJOV ML OCELÍ V prípade zvarových spojov ML ocelí sa na Moste APOLLO na žiadnom z konštrukčných uzlov nepoužilo tepelné spracovanie, a to ani pri spojoch s najväčšou hrúbkou s ohľadom na vysoké hodnoty ťažnosti a húževnatosti ML ocelí, nízku mieru transformačného skrehnutia v HAZ zvarových spojoch a neagresívne pracovné prostredie mostnej konštrukcie. Tento prístup je v súlade s obvyklou praxou pri výrobe rozmerných oceľových konštrukcií, kde použitie tepelného spracovania je veľmi obťažné. ZÁVER Termomechanicky valcované ocele ML v porovnaní s normalizačne žíhanými, resp. normalizačne valcovanými oceľami majú nižší obsah uhlíka C a nižší uhlíkový ekvivalent CEV, preto vyžadujú nižší predhrev pri zváraní. Všetky použité ocele spĺňali požiadavky na medzu klzu R eh. Ocele S 355 ML vysoko presahovali normované údaje medzí klzu pre rôzne hrúbky a blížili sa k požiadavkám na oceľ S 420 ML. 248 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

11 ODBORNÉ ČLÁNKY quirements for steel type S 420 ML. Thermomechanically rolled steels ML comprise high toughness (KV also K CJ ) also at low temperatures. As a rule, they are tougher than normalised rolled steels of the same strength class. The heat affected zone was adequately narrow in all used weldin g processes (MMAW 111, SAW 121, MAG 135, FCAW 136). Based on data of hardness measure ment HV 10 it can be stated that strength was not decreased in the heat affected zone in comparison to unaffected parent metal. In welding it is recommended to restrict heat input of welding especially in order to increase weld metal toughness regardless of steel processing mode. With respect to assumed thicknesses of designed bridge structure it is recommended to use also higher strength class steels type S 420 ML and S 460 ML. Obr 7 Zvarené komponenty v závode v Slanom Fig. 7 Welded components in the Works in Slano Termomechanicky valcované ocele ML sa vyznačujú vysokou húževnatosťou (KV aj K CJ ) aj pri nízkych teplotách. Spravidla sú húževnatejšie ako normalizačne valcované ocele rovnakej pevnostnej triedy. Teplom ovplyvnená oblasť bola pri všetkých použitých spôsoboch zvárania (MMAW 111, SAW 121, MAG 135, FCAW 136) primerane úzka. Na základe údajov merania tvrdosti HV 10 možno konštatovať, že v teplom ovplyvnenej oblasti nedošlo k zníženiu pevnosti v porovnaní s neovplyvneným základným materiálom. Pri zváraní sa odporúča obmedzovať tepelný príkon zvárania predovšetkým s cieľom zvýšenia húževnatosti zvarového kovu, bez ohľadu na spôsob výroby ocele. Vzhľadom na predpokladané hrúbky projektovanej mostnej konštrukcie sa odporúča použiť aj ocele vyššej pevnostnej triedy S 420 ML a S 460 ML. CONCLUSIONS Obr. 8 Montáž mosta na brehu Dunaja Fig. 8 Bridge assembly on the shore of the Danube river Thermomechanically rolled steels ML in comparison to normalized respectively normalized rolled steels comprise lower carbon content C and lower carbon equivalent CEV, therefore they require lower preheat in welding. All used steels satisfied the requirements on yield strength R eh. The steels type S 355 ML highly exceeded standardised yield strength values for different thicknesses and they ap proached re- Literatúra [1] STN EN 10204: 1994 Kovové výrobky. Druhy dokumentov kontroly [2] STN EN 288+A1: 1999 Stanovenie a schválenie postupov zvárania kovových materiálov. 3. Časť: Skúšky postupu zvárania pri oblúkovom zváraní ocelí [3] STN EN : 1998 Výrobky valcované za tepla zo zvariteľných jemnozrnných ocelí, Časť 2: Dodacie podmienky pre normalizačne žíhané a normalizačne valcované ocele [4] STN EN : 1998 Výrobky valcované za tepla zo zvariteľných jemnozrnných ocelí, Časť 3: Dodacie podmienky pre termomechanicky valcované ocele [5] Súťažné podklady. Dokumentácia pre výber zhotoviteľa Mosta Košická Bratislava, Dopravoprojekt, 10, 2001 [6] EN : 2003 Zváranie. Odporúčania na zváranie kovových materiálov. Časť 2: Oblúkové zváranie feritických ocelí [7] Kálna, K. Vitásek, M.: Mechanické vlastnosti ocelí a zvarových spojov, Most Košická. Technické správy VÚZ až 25, VÚZ Bratislava, 7/2003 až 5/2004 [8] Kálna, K. Vitásek, M.: Skúšky výrobných zvarov. Mechanické vlastnosti ocelí a zvarových spojov, Most Košická. Technické správy VÚZ 5021 P1 až P45, VÚZ Bratislava, 3/2004 až 2/2005 [9] Mechanické vlastnosti ocelí po rovnaní plameňom. Technická správa VÚZ 5020 F1/F3, VÚZ Bratislava, 4/2004 < Článok recenzoval: prof. Ing. Pavol Juhás, DrSc. ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

12 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně při svařování metodou MAG Effect of welding parameters on weld pool geometry in MAG welding method JAROMÍR MORAVEC HEINZ NEUMANN Ing. J. Moravec doc. Ing. H. Neumann, Technická univerzita v Liberci (The Technical University of Liberec), Liberec, Česká republika, jaromir.moravec@tul.cz Tvar svarové lázně má významný vliv na metalurgické procesy i na celkovou kvalitu svarů Její tvar je nutno znát i v případě aplikace simulačních výpočtů Na základě zkušeností lze sice s určitou pravděpodobností tento tvar předpokládat, ale skutečný tvar svarové lázně musí být vždy experimentálně ověřen Při predikci svarové lázně působí potíže fakt, že veškeré veličiny mající vliv na výslednou svarovou geometrii jsou mezi sebou propojeny a ovlivňují se navzájem Proto počet experimentů potřebný pro dokonalé prozkoumání všech závislostí roste geometrickou řadou Článek si klade za cíl ukázat vliv základních svařovacích parametrů (rychlost svařování, napětí a proud) na tvar a rozměry svarové lázně u koutového svaru tloušťky 5 mm z materiálu S255J2G3 Vliv základních svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně byl sledován na souboru 80 svarů Welding pool shape has an important effect on metallurgical processes and weld quality at all. The shape of pool should be also known for the purpose of simulating calculations. This shape, of course, should be likely predicted by preliminary experience, but real shape has to be always validated experimentally. The fact of mutual dependence of all process parameters makes weld pool prediction difficult. Therefore the required number of experiments for a detailed investigation of all dependences exhibits exponential growth. The aim of this contribution is to demonstrate the effect of basic welding parameters (travel speed, voltage and current) on the shape and dimensions of welding pool of fillet weld in the 5 mm thick sheet, material S255J2G3. The effect of basic parameters on the welding pool shape was studied on the set of 80 samples. > Dnešní doba je charakteristická neustále se zvyšujícími požadavky na kvalitu, užitné vlastnosti, efektivitu a ekonomičnost výsledných výrobků. Toho lze dosáhnout jednak aplikací nových či inovovaných technologií, nebo použitím progresivních vývojových materiálů. Zavedení jakékoliv inovace do sériové výroby je však velice finančně náročné. Numerické simulace technologických procesů pomáhají tuto nevýhodu částečně eliminovat. Zatímco jsou simulační výpočty u většiny technologií standardní součástí předvýrobní i výrobní etapy, u technologií svařování k masivnějšímu rozšíření prozatím nedošlo. Důvodem této stagnace jsou především vysoké nároky na kvalitu a množství vstupních dat simulačních výpočtů, aby bylo možné dosáhnout požadovaných relevantních výsledků. Pomineme-li materiálová data, tvořící největší část z požadovaných vstupních dat a data pomáhající definovat prostorový model svarku, zůstává zde stále požadavek na definici zdroje tepla. Matematický model zdroje tepla přitom musí být matematicky nadefinován tak, aby simulací vytvořená svarová lázeň co nejlépe odpovídala geometrii skutečné svarové lázně a zároveň, aby si odpovídala i skutečná a simulací spočítaná teplotní pole. Jak je však všeobecně dobře známo, při jakékoliv změně svařovacích parametrů dochází i ke změně geometrie svarové lázně. Velikost této změny pak závisí na tom, který svařovací parametr je měněn a jak rozsáhlá tato změna je. Článek si klade za cíl ukázat geometrické změny svarové lázně a zejména geometrické parametry využitelné při definování zdroje tepla u reálně provedených svarů při změně parametrického nastavení. 1 MATEMATICKÝ MODEL ZDROJE TEPLA Při svařování vznikají nestacionární teplotní pole od pohybujícího se zdroje tepla. Numerické simulace svařování v současnosti ještě nedokáží dokonale komplexně popsat celý děj a využívají proto řady zjednodušení ve formě okrajových podmínek. Jednou z těchto podmínek je, že při simulaci je zdroj tepla vložen vždy do jediného konkrétního uzlového bodu. Proto je snahou, aby byl matematický popis zdroje tepla sestaven tak, že bude odpovídat jak natavená oblast, tak i teplotní gradient. Při výpočtech sdílení tepla do základního materiálu se v současné době používá několik variant popisu zdrojů tepla, které se snaží více či méně úspěšně přiblížit reálnému stavu. Vzhledem k různému charakteru rozložení energie v prostoru zdroje žádný z těchto doposud používaných výpočtových modelů nelze používat univerzálně. Pro popis reálného zdroje tepla v simulačních programech jsou nejčastěji používané dva zdroje a to prostorový Gaussův zdroj (3D-Gaussian) pro technologie svařování s vysokou hustotou výkonu v dopadové ploše (laserové svařování a svařování elektronovým paprskem) a dvouelipsoidní model zdroje tepla (Doubleelipsoid) používaný v různých modifikacích pro simulace svařování obalenou elektrodou, svařování pod tavidlem, TIG, MIG, MAG. Pozornost byla zaměřena především na určení výpočtových parametrů dvouelipsoidního modelu zdroje tepla. Dvouelipsoidní model zdroje tepla lze v modifikované formě použít pro většinu konvenčních metod tavného svařování. Kombinace dvou do sebe zasazených elipsoidů zatím nejlépe popisuje reálný stav. Model je matema- 250 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

13 ODBORNÉ ČLÁNKY ticky popsán pomocí dvou rovnic (1) a (2). Oproti ostatním modelům se v rovnicích objevují parametry f 1, f 2, což jsou konstanty ovlivňující rozložení intenzity toku energie do materiálu (do jednotlivých elipsoidů). Přitom musí pro konstanty platit rovnice (3). Dvouelipsoidní zdroj je zobrazen na obr kx ly m 6 3 f1 Q a b c q x, y, e e e abc kx ly m 6 3 f2 Q a b c q x, y, e e e abc 2, (1), (2) f 1 f2 2, (3) kde okamžitá poloha zdroje je dána rovnicí (4). k s z v t, (4) Význam jednotlivých symbolů v rovnicích je následující: q(x,y, ) hustota tepelného toku do materiálu (W.m -3 ) Q celkový výkon zdroje (W) a,b,c 1,c 2 parametry natavené oblasti (m) x,y,z souřadnice bodů (m) k,l,m konstanty pro modifikaci zdroje tepla ( ) f 1, f 2 konstanty ovlivňující rozložení intenzity toku energie do materiálu ( ) celkový čas svařování (s) t okamžitý čas svařování (s) v s rychlost svařování (m.s -1 ) z k poloha zdroje v závislosti na době svařování souřadnice osy z při ukončení svařování (m) (m) Jak je zřejmé z obr. 1 pro použití dvouelipsoidního modelu, je třeba znát velikosti natavené oblasti (parametry a, b, c 1, c 2 ). Tyto parametry jsou určeny ze vzorků pro mikroskopické a makroskopické zkoušení reálně provedených svarů. Modifikace modelu pak spočívá ve změně konstant v exponentu tak, aby výpočtem určená geometrie svarové lázně co nejlépe odpovídala reálnému stavu. 2 EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Obr. 1 Schématický model dvouelipsoidního zdroje tepla Fig. 1 Chart model of dual elipse power source Základním cílem realizovaných prací bylo určení vlivu svařovací rychlosti a svařovacího proudu na geometrii svarové lázně při svařování metodou MAG, aby se urychlilo a zjednodušilo určení geometrických parametrů pro výpočtové modely zdroje tepla. Svařování probíhalo v rozsahu svařovacích proudů A a svařovací rychlostí 0,2 0,9 m.min -1. Snahou bylo postihnout co možná nejširší parametrickou oblast v systému svařovací proud a rychlost svařování včetně využití synergie. Z původně plánovaného širokého spektra svařovacích parametrů experimentů nakonec nemohly být provedeny svary z důvodu příliš malých nosných průřezů při nízkých proudech a vysokých rychlostech svařování a svary, u kterých při vysokých hodnotách proudu a nižších svařovacích rychlostech docházelo k protavení základního materiálu. Experimenty byly realizované pro koutové svary z plechů o rozměrech 150x100x5 mm. Jako základní materiál byla použita nízkouhlíková ocel S255J2G3, ochrannou atmosféru tvořil dvousložkový plyn Ar+CO 2 typu 82/18 (plyn Euromix M21) a jako přídavný materiál byl použit drát OK Autrod o průměru 1,2 mm. Jednalo se tedy o kombinaci velmi často využívanou při svařování ocelových konstrukcí. Vzorky byly sestaveny s nulovou svarovou mezerou a sestehovány v přípravku podle obr. 2 tak, aby byly zajištěny stejné svařovací podmínky pro každý svar. Svařování vzorků bylo provedeno na svařovacím zdroji BDH 550 Puls Syn s lineárním automatem s rychlostí po- Obr. 2 Rozměry svařence a naznačená místa řezů pro zhotovení makrovýbrusů Fig. 2 Weldment dimensions and designated area sof kerfs for fabrication of macrosections místa řezů cutting place Obr. 3 Geometrické rozměry svarové lázně Fig. 3 Geometry dimensions of weld pool ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

14 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně při svařování metodou MAG Tab. 1 Svařovací parametry Tab. 1 Welding parameters Označení svaru Weld designation I ef (A) U ef (V) v s (m.min -1 ) v d (m.min -1 ) Vyosení Offset (mm) Prietok plynu Gas flow (l.min -1 ) P = U x I (W) S5c ,3 17,4 0,195 2,517 0,8-1 15, ,62 S5c ,2 17,4 0,198 2,52 0,8-1 15, ,68 S5c ,4 17,4 0,197 3,169 0,8-1 15, ,16 S5c ,2 17,7 0,196 3,637 0,8-1 15, ,64 S5c ,206 5,336 0,3-0,4 15, S5c ,3 19,8 0,204 5, ,8 5035,14 S5c ,6 25,1 0,203 7, ,06 S5c ,2 17,4 0,29 3,171 0,8-1 15, ,08 S5c ,9 17,7 0,295 3,639 0,8-1 15, ,53 S5c ,7 19,1 0,295 4,203 0,8-1 15, ,17 S5c ,5 19,6 0,3 4, ,8 4106,2 S5c ,2 20 0,3 5, , S5c ,7 20,1 0,3 5,904 0,3-0,4 15, ,47 S5c ,3 22,8 0,298 6, ,04 S5c ,7 25,1 0,301 7, ,07 S5c ,5 27,3 0,3 8, ,1 8340,15 S5c ,1 17,4 0,398 3,173 0,8-1 15, ,14 S5c ,8 0,396 3,641 0,8-1 15, ,8 S5c ,2 19,2 0,401 4,206 0,8-1 15, ,24 S5c ,8 19,6 0,404 4,771 0,3-0,4 15, ,48 S5c ,397 5, , S5c ,3 20,3 0,4 5, ,8 4796,89 S5c ,2 22,9 0,4 6, ,48 S5c ,1 27,3 0,406 8, ,1 8329,23 S5c ,7 27,5 0,4 9, ,2 8984,25 S5c ,8 0,494 3,643 0,8-1 15, ,6 S5c ,6 19,2 0,499 4,205 0,8-1 15, ,52 S5c ,7 19,6 0,503 4,773 0,3-0,4 15, ,92 S5c ,1 20,1 0,501 5, ,8 4424,01 S5c ,2 20,4 0,503 5, ,1 4696,08 S5c ,6 22,9 0,501 6, ,84 S5c ,2 25,2 0,504 7, ,1 6859,44 S5c ,4 27,3 0,507 8, ,42 S5c ,8 27,3 0,495 9, ,2 9058,14 S5c ,7 19,2 0,604 4,205 0,8-1 15, ,64 S5c ,8 19,8 0,615 4, ,9 3995,64 S5c ,2 20,1 0,606 5, ,8 4405,92 S5c ,5 20,4 0,604 5, ,1 4661,4 S5c ,7 22,9 0,602 6, ,23 S5c ,6 25 0,607 7, S5c ,8 27,1 0,608 8, ,1 8314,28 S5c ,6 27,1 0,6 9, ,1 9121,86 S5c ,9 20,3 0,706 4, ,7 4057,97 S5c ,2 20,4 0,703 5, ,8 4410,48 S5c ,4 20,2 0,707 5,908 0,3-0,4 15, ,68 S5c ,1 22,8 0,7 6, ,9 5679,48 S5c ,9 0,699 7, ,1 6822,6 S5c ,6 27,1 0,709 8, ,1 8417,26 S5c ,692 9, , S5c ,2 20,4 0,802 5, ,68 S5c ,8 22,6 0,804 6, ,08 S5c ,7 24,7 0,808 7, ,1 6785,09 S5c ,7 27,2 0,802 8, ,1 8315,04 S5c ,3 26,9 0,801 9, ,1 9154,07 S5c ,3 26,8 0,892 9, ,2 9146,84 I ef a napětí U ef (odpovídá parametru Q v rovnici 1 a 2), vyosení polohy hořáku z osy svaru směrem do stojiny s ohledem na využití závaru, v s rychlost svařování, v d rychlost podávání drátu, P výkon stanovený z efektivních hodnot svařovacího proudu I ef and voltage U ef (it corresponds to parameter Q in the equations 1 and 2), offset of torch position from weld axis in web direction with respect to penetration exploitation, v s welding speed, V d wire feed rate, P output determined from effective values of welding current 252 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

15 ODBORNÉ ČLÁNKY Tab. 2 Geometrie svarů Tab. 2 Geometry of welds Označení svaru Weld designation a (mm) p (mm) w (mm) z (mm) S5c001 3,112 1,373 6, ,112 3,112 8,89 4,3 S5c002 3,0889 1,2473 6, ,0889 3,0889 8,1 3,6 S5c003 3,4916 1,6419 7,0006 0,1234 0,313 3,615 3, ,71 5,35 S5c006 3,677 1,688 7,331 0,083 0,174 3,76 3,851 11,25 5,85 S5c085 4,7012 1,4603 9,4045 0,5835 0,6777 5,2847 5, ,82 4,09 S5c050 4,7269 0,7761 5,4355 0,3503 0,5405 5,6398 3, ,12 4,5 S5c065 6,3893 0,7603 5,5677 0,7089 0,8437 8,7432 3, ,25 3,05 S5c004 3,0179 0,9797 6, ,0179 3,0179 7,97 3,24 S5c007 3,2228 1,2018 6, ,005 3,2228 3, ,08 S5c011 3,5897 0,9325 7, ,426 3,5897 4, ,95 5,15 S5c031 3,7414 0,9133 7,7909 0,3624 0,411 4,1038 4, ,16 5,88 S5c044 4,7012 1,4603 9,4045 0,5835 0,6777 5,2847 5, ,82 4,09 S5c086 4,7269 2,1863 9,715 0,9129 1,2254 5,6398 5, ,98 6,81 S5c059 4,6591 0,7466 9,5351 1,2353 1,2353 5,8944 5, ,94 5,84 S5c066 6,3893 0, ,8455 2,3539 2,4856 8,7432 8, ,86 - S5c072 5, ,2367 2,1853 2,8978 7,7436 8, ,82 14,14 S5c005 2,6539 0,7385 5, ,0356 2,6539 2,6895 7,96 3,31 S5c008 2,9634 0,6404 5,9274 0,0811 0,1956 3,0445 3,159 9,15 3,53 S5c012 3,0996 0,7622 6, ,3586 3,0996 3, ,25 3,92 S5c019 3,1007 0,9162 6, ,6704 3,1007 3, ,54 4,54 S5c045 4,0096 1,0691 8,1985 0,4318 0,5224 4,4414 4,532 15,74 6,07 S5c052 4,0874 1,2394 8,4142 0,761 0,819 4,8484 4, ,22 4,2 S5c060 4,6591 0,7466 9,5351 1,2353 1,2353 5,8944 5, ,94 5,84 S5c073 5, ,2367 2,1853 2,8978 7,7436 8, ,82 14,14 S5c078 5,3449 0, ,7267 2,575 4,27,83 7,9199 9, ,29 15,74 S5c009 2,6913 0,7392 5, ,0629 2,6913 2,7542 9,1 3,41 S5c013 2,7976 0,8757 5,5936 0,1141 0,1141 2,9117 2, ,07 2,65 S5c084 2,9424 0,7755 5, ,4068 2,9424 3, ,09 3,98 S5c046 3,3901 1,072 7, ,7821 3,3901 4, ,44 5,64 S5c053 3,7263 0,8713 7,6324 0,6704 0,7187 4,3967 4,445 14,65 4,27 S5c061 4,036 0,7501 8,3819 0,9258 1,2987 4,9618 5, ,11 4,26 S5c068 4,5142 0,2082 9,2282 2,1513 2,2066 6,6655 6, ,9 5,79 S5c074 4,8162 0,0793 9,8653 2,8644 2,9786 7,6806 7, ,95 11,5 S5c079 5,3449 0, ,7267 2,575 4,2783 7,9199 9, ,29 15,74 S5c014 2,4106 0,9306 4,8262 0,0554 0,0554 2,466 2,466 10,35 2,84 S5c036 2,6627 0,8306 5, ,2131 2,6627 2, ,17 4,42 S5c047 2,9338 1,0595 6, ,5132 2,9338 3,447 14,22 4,53 S5c054 3,2399 0,9263 6,6494 0,387 0,4088 3,6269 3, ,36 3,87 S5c062 3,6016 0,7827 7,4763 0,8589 1,04 4,4605 4, ,98 5,75 S5c069 4,2384 0,3258 8,5126 1,3711 1,6526 5,6095 5,891 23,57 7,59 S5c075 4,349 0,1174 8,8304 2,7958 3,3803 7,1448 7, ,26 22,84 S5c080 4,7785 0,2466 9,6163 2,1985 4,0067 6,977 8, ,77 19,29 S5c037 2,5368 0,8408 5, ,2621 2,5368 2, ,03 3,36 S5c048 2,7708 0,8082 5,7187 0,302 0,531 3,0728 3, ,28 4,05 S5c087 2,6862 0,8812 5,4777 0,2666 0,3828 2,9528 3,069 14,09 4,02 S5c063 3,2253 0,9238 6,882 0,7515 1,1116 3,9768 4, ,12 4,5 S5c070 3,5331 0,425 7,3826 1,4467 1,6596 4,9798 5, ,71 10,97 S5c076 3,9888 0,4709 8,0443 2,1665 2,4697 6,1553 6, ,99 4,5 S5c081 4,3084 0,3288 8,6646 2,0504 3,7307 6,3588 8, ,55 17,59 S5c056 2,722 0,8654 5,5937 0,0843 0,4171 2,8063 3, ,14 4,21 S5c064 2,9592 0,7672 6,0957 0,9864 1,0177 3,9456 3, ,82 5,22 S5c071 3,2935 0,3928 6,9463 1,6283 1,7327 4,9218 5, ,43 5,23 S5c077 3,3881 0,7452 7,0597 2,1395 2,68 5,5276 6, ,84 10,08 S5c082 3,6752 0,5915 7,4522 2,1483 3,4556 5,8235 7, ,76 7,3 S5c083 3,3448 0,7527 7,018 2,5502 3,1556 5,895 6, ,18 4,95 z max (mm) v (mm) v max (mm) l (mm) c 1 (mm) jezdu v rozmezí 0,2 až 2,3 m/min. Jednalo se o svařování v poloze vodorovné shora PA. Stojina a pásnice byly vůči svařovacímu hořáku pod úhlem 45. Svařovací parametry byly monitorovány pomocí měřící aparatury a programu WeldMonitor 3.5. Monitorizací zjištěné svařovací parametry pro realizované svary jsou v tab VYHODNOCENÍ EXPERIMENTŮ Svařené vzorky byly rozřezány a připraveny pro následné metalografické hodnocení v souladu s obr. 2. Vzorky byly odebrány uprostřed svarku, kde se již jednalo o ustálené teplotní pole, a průřez svaru byl rovnoměrný. Pro ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

16 Vliv svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně při svařování metodou MAG Obr. 4 Závislost parametru a (v souladu s obr. 3) na použitém výkonu zdroje Fig. 4 Dependence of parameter a (in concidence with Fig. 3) on used power source output Parametr Parameter, Výkon Output Obr. 5 Závislosti parametru w (v souladu s obr. 3) na použitém výkonu zdroje Fig. 5 Dependences of parameter w (in koincidence with Fig. 3) on used power source output Obr. 6 Dosažitelné hodnoty parametru w v závislosti na použitém výkonu zdroje a svařovací rychlosti Fig. 6 Attainable values of parameter w in dependence on used power source output and welding speed hodnocení struktury byl použit světelný mikroskop Neophot 21 opatřený digitální kamerou Nikon digital sight. Metalografické hodnocení vzorků bylo prováděno při 10 násobném zvětšení a k vyhodnocení geometrických parametrů svaru byl využit program NIS Elements AR Na obr. 3 jsou znázorněny měřené veličiny a v tab. 2 jsou již uvedeny hodnoty geometrických veličin pro jednotlivé svary. Uvedené hodnoty nejsou zaokrouhlené. Jak je vidět z obr. 3, bylo celkem měřeno 16 různých geometrických veličin tak, aby výsledná kvalita svaru mohla být hodnocena podle normy ČSN EN ISO Z těchto veličin je důležitý především parametr a, který je základním výpočtovým parametrem při projektování ocelových konstrukcí. Parametry w a v max. lze taktéž využít při konstrukčních výpočtech, více jsou však využity při matematickém popisu zdroje tepla pro simulační výpočty. Parametry z a z max. definují především vliv svařovací rychlosti na směr a rychlost proudění ve svarové lázni. Velikost a směr vyosení svarové lázně od ideální polohy je definován pomocí parametrů e, c, b. Dále byla v rámci geometrického vyhodnocení měřena celková délka svarové lázně l a parametr c 1, tedy parametry využívané taktéž pro matematický popis zdroje tepla. Z důvodu zkoumání vlivu svařovacího proudu a rychlosti svařování na geometrii svarové lázně (tedy jejich vlivu na jednotlivé geometrické parametry) byly zkonstruovány grafické závislosti geometrických veličin na těchto parametrech. Na obr. 4 se jedná o závislost nosné velikosti svaru a na výkonu zdroje svařování pro jednotlivé Obr. 7 Dosažitelné hodnoty parametru a v závislosti na použitém výkonu zdroje a svařovací rychlosti Fig. 7 Attainable values of parameter a in dependence on used power source output and welding speed rychlosti svařování a na obr. 5 jde o závislost šířky svaru w na výkonu zdroje svařování taktéž pro jednotlivé rychlosti svařování. Pro rychlost svařování 0,9 m.min -1 bylo možno v uvedených parametrech svařování svařit pouze jeden zkušební svar. Pro zvětšení rozměru svaru by bylo nutné dále zvýšit hodnotu svařovacího proudu. Závislosti, které jsou uvedeny na obr. 4 a obr. 5 je možno dále uplatnit pro predikci dané geometrické veličiny při dané rychlosti svařování, ovšem s jiným výkonem zdroje svařování. Jako účelné se ukazuje i grafické zpracování získaných dat tak, že každá z měřených geometrických veličin je zanesena do grafu, kde jsou na osách rychlost svařování a výkon zdroje. Vznikly tak plošné oblasti s určitým rozmezím geometrické veličiny, jak je patrné z obr. 6 a obr. 7. V těchto grafických závislostech, jsou stejně jako v předchozím, uvedeny parametry a a w (nosnost koutového svaru a šířka svarové lázně). ZÁVĚR Z experimentů bylo získáno mnoho geometrických informací, na jejichž základě je možné sledovat vliv svařovacích parametrů na výslednou geometrii svarové lázně. Přestože si experimenty kladli za cíl především zjednodušit a zrychlit tvorbu modelu zdroje tepla, získané výsledky je možné využít i při dalších aplikacích. Jedná se především o výpočty a návrhy svarů pro ocelové konstrukce, kde je využíván parametr a. Lze však využít i parametr v max, který po získání pracovní zkoušky 254 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

17 ODBORNÉ ČLÁNKY WPQR může být brán jako nový nosný průřez svaru. Mimo to jsou tvar a velikost svarové lázně rozhodující pro průběh metalurgických procesů a souvisejí také se sklonem k tvorbě trhlin. Přehled o vlivu dílčích parametrů svařování na geometrii svarové lázně je proto důležitý z více hledisek. Bylo by jistě zajímavé uvést grafické zpracování všech měřených geometrických veličin, aby mohl být vliv svařovacích parametrů na geometrii svarové lázně zobrazen komplexně. Graficky prezentován byl pouze parametr a, který je využíván jak při konstrukci tak při návrhu technologických parametrů výroby a parametr w jako představitel geometrických veličin potřebných pro definici zdroje tepla. Získané závěry bohužel nelze aplikovat všeobecně. Tyto závěry platí pouze pro základní materiál S255J2G3 (prakticky i pro celou skupinu nízkouhlíkových ocelí majících podobné tepelně-fyzikální materiálové vlastnosti) a další použité parametry realizovaných experimentů, tj. použitý typ ochranné atmosféry 82 % Ar a 18 % CO 2 a přídavný drát stejného chemického složení, jako je drát OK Autrod Svoji roli zde bude samozřejmě hrát i průměr přídavného drátu, který byl v tomto případě 1,2 mm. Pro jiné vstupní parametry bude nutno realizovat experimenty nové (např. pro svařování jiných typů základních materiálů). Dosud realizované experimenty a metodické postupy vyhodnocení jejich výsledků však lze pokládat za základ pro rozšiřování podkladů pro snadnější popis a modifikaci zdroje tepla u MAG procesů svařování. CONCLUSIONS From experiments much information about geometry was achieved based on which the effect of welding parameters on the resulting weld pool geometry can be studied. Even though the experiments were especially aimed to simplify and to enhance the creation of power source model, the attained results can be used also for other applications. The calculations and design of welds for steel structures are concerned where the parameter a is exploited. However, also the parameter v max can be used which after acquisition of WPQR test can be consid ered as a new load-carrying weld cross-section. Moreover, the shape and size of weld pool are decisive for the course of metallurgical processes and they coincide also with the susceptibility to crack formation. A review about the effect of single welding parameters on weld pool geometry is, therefore, important from many aspects. It might be interesting to give graphical processing of all measured geometry variables in order to represent the effect of welding parameters on weld pool geometry in a complex manner. The graphical representation was done only of the parameter a which is used both in construction and design of technological parameters of production and the parameter w as the representative of geometry variables required for power source definition. Unfortunately, the achieved results cannot be applied in general. These conclusions are valid only for base metal S255J2G3 (actually also for the whole group of low-carbon steels having similar thermo-physical mechanical properties) and other used parameters of carried-out experiments i.e. applied type of shielding atmosphere 82% Ar + 18% CO 2 and filler wire of the same chemical composition, such as e.g. OK Autrod wire. Of course, also filler wire diameter which represented 1.2 mm in this case, will play a significant role. New experiments will have to be carried out for other input parameters (e.g. for welding other types of parent metals). However, the hitherto carried out experiments and methodical evaluation procedures and their results can be considered as the basis for dissemination of documents for easier description and modification of power source in MAG welding processes. Poznámka: Tato práce vznikla za podpory grantového projektu GAČR 101/09/P176. Literatura: [1] Moravec, J.: Analýza kritických míst svařovacího procesu na základě simulací v programu SYSWELD. [Disertační práce] Technická univerzita v Liberci, 2008 [2] Moravec, J. Neumann, H.: Analýza vlivu přesnosti vybraných vstupních dat na výsledek simulace svařovacího procesu programem SYSWELD. PRO-TECH-MA Časopis Acta Mechanica Slovaca, s [3] Havelka, P.: Predikce tvaru a velikosti svarové lázně u metody svařování MAG. [Diplomová práce] Technická univerzita v Liberci, 2009 < Článok recenzoval: Ing. Tomáš Záček, PhD., VÚZ PI SR, Bratislava PONUKA KURZOV VÚZ PI SR na 2. štvrťrok 2011 Typy kurzov Trvanie Cena v s DPH Termíny IWS Medzinárodný zváračský špecialista 5 týždňov 1 116, IWP Medzinárodný zváračský praktik 4 týždne 918, TKO Technik katódovej ochrany podľa STN EN odborná spôsobilosť 1 a 2 2 týždne 399, VT 2 Vizuálne skúšanie stupeň 2 5 dní 348, PT 2 Skúšanie kapilárnymi metódami stupeň 2 4 dni 348, MT 2 Skúšanie magnetickými metódami stupeň 2 5 dní 348, RT 1 Skúšanie prežarovaním stupeň 1 8 dní 600, RT 2 RT 2 Skúšanie prežarovaním stupeň 2 (pre osoby certifikované na RT 1) Skúšanie prežarovaním stupeň 2 (priamy prístup na 2. stupeň) 10 dní 812, dní 1 173, Kontakt: VÚZ PI SR, Divízia vzdelávania, Račianska 71, Bratislava 3 Ing. Rut Balogová, mobil: , tel.: 02/ , fax: 02/ balogovar@vuz.sk, ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

18 Robotické svařování vytvrditelných hliníkových slitin pomocí metody GTAW Robotic GTAW welding of hardenable aluminium alloys LADISLAV KOLAŘÍK KAREL KOVANDA MARIE VÁLOVÁ JIŘÍ DUNOVSKÝ Ing. L. Kolařík, IWE Ing. K. Kovanda Ing. M. Válová, ČVUT v Praze, Fakulta strojní (Czech Technical University in Prague, Faculty of Mechanical Engineering) prof. Ing. J. Dunovský, CSc., IWE, ČVUT v Praze, Fakulta dopravní (Czech Technical University in Prague, Faculty of Transportation Sciences), Praha, Česká republika, ladislav.kolarik@fs.cvut.cz GTAW svařování vytvrditelných hliníkových slitin typu Al-Mg-Si, často používaných při výrobě dopravních prostředků a nutné úpravy robotických pracovišť pro tyto účely Vlastnosti hliníkových slitin typu Al-Mg-Si při svařování Vliv jednotlivých hlavních i vedlejších parametrů svařování a jejich optimalizace The paper deals with GTAW welding of precipitation hardenable AlMgSi alloys. These alloys are widely used in transportation industry. For these applications robotic workplace adaptation is necessary so this adaptation is described in detail. Properties of aluminium alloys AlMgSi type in welding. The effect of welding parameters on welding process and their optimisation is studied. > Největším spotřebitelem hliníku a jeho slitin je oblast dopravního průmyslu, ať už se jedná o letecký, automobilový průmysl nebo výrobu kolejových vozidel, lodí i kosmonautiku [1]. V dopravním sektoru je největším argumentem pro aplikaci hliníkových slitin jejich nízká hmotnost, v kombinaci s relativně vysokou pevností a korozní odolností. Politicko-environmentální požadavky na nové dopravní prostředky jsou ve směru lepšího využití paliva (snížení jeho spotřeby) a snížení celkových škodlivých emisí produkovaných především automobilovou dopravou. V současnosti se hliník a jeho slitiny používají na výrobu skříní motorů, hlav válců, hnacích komponentů, kol, tlumičů, částí klimatizace, hlavic řídících pák, volantů, článků a svorek náprav a ve stále větším počtu i na celé karosérie. Vzhledem k sílícímu tlaku o snížení nákladů a zvýšení kvality, jsou v čím dále větší míře aplikovány do průmyslu svařovací pracoviště vybavené průmyslovými roboty. Zejména v sériové výrobě se jejich použití jeví jako nezbytné. 1 CESTA K ROBOTIZACI Univerzální průmyslový robot má mnoho využití, ať už jde o manipulaci s díly, nanášení barev apod. Nasazení průmyslových robotů při svařování je jedna z velmi častých aplikací a nese s sebou řadu výhod. Metoda svařování GMAW je vzhledem ke kontinuálnímu podávání přídavného materiálu velice vhodná k mechanizaci, nicméně, při realizaci podávání studeného drátu je dnes také snadno automatizovatelná. Svary tak dosahují vyšší stejnorodosti při nižším množství vad a větší produktivitě. Další výhody automatizace a robotizace jsou [2]: zlepšená kresba svaru po celou dobu svařovacího procesu (konzistentnost), přesné polohování hořáku zlepšuje přívod ochranného plynu, méně přerušení znamená méně vad, vyšší svařovací rychlosti méně vneseného tepla užší TOO menší deformace, zvýšený svařovací proud hlubší průvar a snížené nároky na přípravu svaru při kladení více housenek a také menší pórovitost díky teplejším svarům, zvýšení rychlosti, snížení pracnosti a oprav zvýšení produktivity snížení nákladů, vysoká přesnost a opakovatelnost procesu, zvýšení bezpečnosti práce, až 80 % využití fondu pracovní doby oproti 25 % bez použití robotizace, snížené nároky na zručnost svářecího personálu je vykoupeno nároky na zkušené techniky-programátory a údržbu zařízení. Všechny tyto výhody vedou v podstatě k ekonomickému zefektivnění výroby a větší produktivitě práce. Stinnou stránkou jsou však nároky na plánování a přesnou přípravu, investiční náklady na průmyslové manipulátory a roboty, které jsou často nad úrovní ceny svařovacího stroje i mnohem vyšší. Dále finanční nároky na údržbu a ztížené dosažení nejvyššího prospěchu z automatizace, tedy z vyšších rychlostí nanášení kovu, v jiných než plochých horizontálně-vertikálních polohách. Z vyšších provozních nároků plyne větší robustnost konstrukce podavačů, hořáků a hnacího systému (zejména u těžkých až 600 A zdrojů), který musí zajistit pohyb systému s neměnnou rychlostí a přesností. Proto je vždy nutné případ od případu důkladně zhodnotit nasazení robotických pracovišť, zejména kvůli jejich vysoké pořizovací ceně a relativně dražšímu servisu. Roboty a manipulátory patří do skupiny technických prostředků, které realizují změny stavů objektů v prostoru, přičemž stav objektu v prostoru je dán jeho polohou a orientací. K dosažení libovolného bodu v prostoru je třeba třech stupňů volnosti. K dosažení libovolné orientace svařovacího nástroje vůči svarku jsou nutné další tři stupně volnosti. Proto se v dnešní době standardně roboti pro svařovací aplikace konstruují s šesti stupni volnosti. Větší počet stupňů volnosti se používá např. pro manipulaci v nepřístupných, resp. špatně přístupných prostorech a dosahuje se obvykle připojením periferních zařízení jako jsou polohovadla apod. Robota je možné vybavit bez větších komplikací až třemi dalšími externími osami. Koncepce a kinematika pohybových částí robotů vychází z umělé reprodukce motorických funkcí lidské ruky. Kinematická struktura robotů a jejich pohybové možnosti jsou určeny druhem a sledem kinematických vazeb (obr. 1). Každá varianta kinematického uspořádání vymezuje 256 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010

19 ODBORNÉ ČLÁNKY Obr. 1 Kinematika šestiosého robota a souřadnicové systémy a) Osy označené J1,J2,J3 jsou hlavní osy, osy zápěstí J4,J5,J6 slouží k pohybu koncovým efektorem (nástrojem) b) dva základní druhy souřadnicových systémů, 2) osový který je definován dle konstrukce robota pro jednotlivé osy a 1) pravoúhlý (kartézský), který je možné vztáhnout dle potřeby např. k nesenému nástroji Fig. 1 Kinematics of hexagonal axis robot and coordinate systems a) axes designated J1, J2, J3 are principal axes, wrist axes J4, J5, J6 serve for movement by end effector (tool) b) two principal types of coordinate systems, 2) axial which is defined according to robot design for single axes and 1) rectangular (cartesian) which can be related, if needed, e.g. to supported tool Rameno 1 Arm 1, Rameno 2 Arm 2, Podstava Base určitý pracovní prostor, do jehož libovolného bodu může robot dosáhnout svou pracovní částí [3, 4, 5]. Pohybové úkony pracovních orgánů robotů v jednotlivých souřadnicových osách jsou odvozeny od výstupů pohonů, které mohou být hydraulické, pneumatické, elektrické nebo kombinované. Do zápěstí robota lze upnout různé nástroje, kterými robot provádí vlastní práce, např. při svařování. Jedná se o svařovací hořák, bodovací kleště apod. Použitelnost robotů v tomto případě tedy definuje především nosnost na konci poslední (šesté) osy, která může být v rozsahu od 3 do 500 kg a dosah robota, který bývá obvykle přibližně od 0,6 m do 2,5 m. V případě nutnosti připevnění automatického podavače přídavného drátu přímo na rameno robota nás zajímá také nosnost v místě připojení (obvykle na třetí ose). Přesnost pohybu až ±0,03 mm umožňuje opakovaně projíždět předem naprogramované dráhy a vykonávat potřebnou činnost. Pokud jsou však dílce nepřesné a nepřesnost překročí hraniční mez (např. při svařování dílců o síle stěny 2 mm je obecná hraniční mez nepřesnosti dílců do ±0,5 mm, u dílců o síle stěny 20 mm to může být ±1,5 mm apod.), nelze bez pomoci aktivního vyhledávání počátečního bodu svařování nebo přímo vyhledávání místa svařování v průběhu procesu svařování robotizaci použít. Mnoho nepřesností svařovaných dílců lze také eliminovat nasazením svařovacích přípravků. Neméně důležité, při vlastním návrhu pracoviště, je i návrh periferních Obr. 2 Robotizované svařovací pracoviště na ČVUT v Praze Fig. 2 Robotic welding cell at Czech Technical University (ČVUT) in Prague zařízení jako jsou právě polohovadla, přípravky nebo např. čistící a výměnné stanice hořáků apod., které teprve v kombinaci s vlastním robotem a vhodným svařovacím zdrojem zabezpečí správné využití celého pracoviště a dobrou kvalitu výrobků. 2 LABORATOŘ VÝUKY SVÁŘEČSKÝCH TECHNOLOGIÍ (LVST) NA ČVUT V PRAZE Pro optimalizaci nasazení robotizace do svařovacího procesu je také velmi důležitá kvalifikovaná obsluha těchto systémů. To si uvědomují i pracovníci ČVUT v Praze a proto se zde oblasti robotizace svařování začala věnovat zvýšená pozornost. Koncem roku 2008 byla zahájena činnost LVST (obr. 2), což je mezifakultní laboratoř, kterou založili pracovníci fakulty strojní (Ústavu stro- ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/

20 Robotické svařování vytvrditelných hliníkových slitin pomocí metody GTAW Tab. 1 Chemické složení slitiny EN AW 6082 Tab. 1 Chemical composition of EN AW 6082 alloy. EN AW-6082 (Al Mg1 Si1 Mn) Mg Si Mn Fe Zn Cu Cr Ostatní/Others 0,6 1,2 % 0,7 1,3 % 04 1,0 % < 0,5 % < 0,2 % < 0,1 % < 0,25 % 0,8 % Pevnost v tahu (MPa) Tensile strength (MPa) Zaručená Guaranteed Typická Typical Mez kluzu (MPa) Yield strength (MPa) Zaručená Guaranteed Typická Typical Tažnost A50 (%) Elongation A60 (%) Zaručená Guaranteed Typická Typical Tvrdost Hardness Typická Typical Modul pružnosti v tahu (MPa) Modulus of compression (MPa) HB jírenské technologie), ve spolupráci s pracovníky dalších fakult (stavební, elektrotechnická a dopravní) a z různých investičních a rozvojových projektů (MŠMT, FRVŠ apod.) vybavili toto pracoviště nejmodernější svářečskou technikou, se kterou se mohou v rámci výuky i různých výzkumných prací seznámit studenti těchto fakult, kteří by měli v budoucnu tvořit elitu průmyslových pracovníků nejen v rámci ČR. Tato laboratoř je tedy vybavena mimo jiné i komplexním robotizovaným pracovištěm pro svařování elektrickým obloukem v ochranných atmosférách [6]. Stěžejní součástí nové laboratoře je robotizované svařovací pracoviště dodané jako celek firmou Migatronic Automation. Je schopné využívat metody svařování GMAW včetně svařování impulsním proudem a svařování trubičkovými elektrodami a GTAW pro svařování stejnosměrným i střídavým proudem s využitím podavače studeného drátu, vše doplněné o potřebné senzorické systémy a systém off-line programování pro simulaci výrobního procesu. Základ tohoto pracoviště tvoří svařovací robot japonské firmy FANUC ArcMate 100 ic doplněný jednoosým polohovadlem s upínacím koníkem a celkovou nosností 250 kg. Robot se vyznačuje integrovaným vedením kabelu hořáku tělem robota a využitím systému coordinated motion, který zajišťuje vzájemnou koordinaci pohybů robota i polohovadla v reálném čase. Technologii svařování zajišťuje dvojice digitálních invertorových svařovacích zdrojů, doplněných CANBus rozhraním pro komunikaci s řídícím systémem robota. Pro technologii GTAW svařování je uplatněn zdroj PI 320 AC/DC s patentovaným systémem D.O.C. pro efektivní odbourávání oxidické vrstvy na povrchu, během svařování. Využití dvou zdrojů pro aplikace svařování vedlo k nutnosti efektivně řešit výměnu hořáků mezi jednotlivými technologickými operacemi. To se povedlo prostřednictvím výměnných stanic, ve kterých jsou po automatickém najetí robota zaměněny podavače drátů včetně svařovacích hořáků. Ovládací systém robota je na tomto pracovišti dovybaven několika senzorickými systémy pro usnadnění navádění a ochranu robota při práci. Tyto senzory jsou zařízení, která umožňují sběr a přenos informací o stavu pracovních (funkčních) orgánů průmyslových robotů a dávají řídícímu systému robota základní informace o stavu a změnách vnějšího prostředí, ve kterém robot pracuje. V oblasti senzorických systémů je využíván systém Touch senzor, který prostřednictvím dotyku svařovacího drátu, speciálního měřícího hrotu nebo hubice určuje počáteční místo pro svařování pomocí korekce naprogramované trajektorie robota. V případě tepelných dilatací svařenců je možné využít on-line senzor T.A.S.T., který zajišťuje sledování svarové spáry prostřednictvím vyhodnocování napětí na oblouku, na základě kterého provádí potřebné úpravy dráhy robota v reálném čase. V letošním roce bylo pracoviště dále dovybaveno adaptabilním senzorickým systémem IR Vision 2D, který pomocí kamery může snímat a vyhodnocovat pracovní prostor. S ohledem na rostoucí zájem o simulace výrobních procesů ze strany výrobních organizací nechybí ve výbavě pracoviště software pro off-line programování RoboGuide. Ten je schopen na základě importu 3D modelů svařenců, upínacích přípravků nebo systémů navazujících technologických operací simulovat vlastní výrobní proces včetně analýzy kolizních míst, analýzy časů cyklu výroby a mezioperačních časů nebo analýzy toku materiálu. Tímto způsobem lze minimalizovat ztráty již v předvýrobní etapě, což vede ke značné úspoře konečných výrobních nákladů. 3 VYTVRDITELNÉ SLITINY HLINÍKU TYPU 6XXX Tato kapitola se zabýva svařováním vytvrditelných slitin hliníku skupiny 6xxx (tzn. typu Al-Mg-Si). Slitiny hliníku s hořčíkem a křemíkem jsou komplexní slitiny, ve kterých bývá vždy i malé množství manganu, železa, popř. mědi. Hliníkové slitiny typu Al-Mg-Si patří k technickým materiálům s poměrně rozsáhlým použitím (hlavně při výrobě dopravních prostředků). Tyto slitiny se používají na středně namáhané konstrukce, uplatňují se velmi dobře ve stavbě letadel, vozidel, ve stavebnictví, hornictví apod. Jejich chemické odolnosti se rozsáhle využívá v potravinářském i chemickém průmyslu. V některých státech se těmto slitinám dává přednost před ostatními slitinami hliníku a jejich podíl ve výrobě všech slitin tak někdy dosahuje i 80 %. Další výhodou je jejich poměrně dobrá svařitelnost v inertních ochranných atmosférách. Jako základní materiál pro následné ověřovací experimenty byla tedy použita slitina hliníku AlMgSi1 (dle DIN ), která se často označuje obchodním názvem Avial a je totožná se slitinou EN AW-6082 (dle ČSN EN 573-3) použita byla ve stavu T6 (po vytvrzení) a podle CR ISO spadá do skupiny Tato slitina má typické chemické složení a mechanické vlastnosti uvedené v tab Problémy při svařování slitiny hliníku Konstrukční řešení při použití těchto slitin mnohdy vyžadují aplikovat tavné procesy svařování. Svařováním se však výrazně degradují mechanické vlastnosti tvářených hliníkových slitin. Svařitelnost hliníku a jeho slitin je dále ovlivněna několika podstatnými činiteli, což vyžaduje odlišný přístup ke svařování ve srovnání s nejčastěji používanými ocelovými materiály. Ve srovnání s ocelemi ovlivňuje výslednou kvalitu svarů v mnohem větší míře nejen postup, ale i metoda svařování. V průmyslové praxi dominuje svařování elektrickým obloukem v inertních atmosférách. Nejdůležitější činitelé ovlivňující svařitelnost Al slitin jsou: velká afinita hliníku ke kyslíku, 258 ZVÁRANIE-SVAŘOVÁNÍ 11-12/2010