7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai Szeminárium Hegeszthetőségi problémák megoldása fizikai szimulációval Gáspár M. - Kuzsella L. - Koncsik Zs. - Lukács J.

Tartalom A fizikai szimuláció GLEEBLE 3500 termo-mechanikus fizikai szimulátor Hegesztési problémák: Ömlesztő hegesztések: Melegrepedési hajlam (NST, HTT) Nagyszilárdságú alumínium és acél ötvözetek Hegesztési paraméterek hőhatásövezetre gyakorolt hatásának vizsgálata (HAZ test) Nagyszilárdságú acél Sajtoló hegesztések: Dinamikus újrakristályosodás vizsgálata lineáris dörzshegesztés esetén Alumínium ötvözetek Összefoglalás, következtetések

A fizikai szimuláció Anyagvizsgálat Folyamat szimuláció meleg szakítóvizsgálatok meleg nyomóvizsgálatok feszültség – alakváltozás görbék meghatározása zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (NST) meghatározása alakváltozó képesség vizsgálata szívósság vizsgálata dilatometria (CCT) kúszásvizsgálatok fárasztóvizsgálatok termikus fárasztás termo-mechanikus fárasztás Folyamat szimuláció folyamatos öntés kovácsolás sajtolás meleghengerlés ömlesztő hegesztés: hőciklus, hőhatásövezet (HAZ) sajtoló hegesztés (pl. ellenálláshegesztés) diffúziós egyesítés, diffúziós kötések hőkezelés: különféle hőciklusok megvalósítása porkohászat: szinterelés

Fizikai szimuláció a hegesztésben – GLEEBLE 3500 Fogalma: a fizikai szimuláció nem más, mint a tényleges és a lehetséges ipari folyamatok megvalósítása, a valósággal egyező időléptékben és a valóságot jól megközelítő geometriai (térfogati) léptékben Jellemzők: Hevítés: 10000 °C/s Hűtés: 10000 °C/s Elmozdulás: 100 mm Elmozdulási sebesség: 2000 mm/s Max. statikus erő: 100 kN (húzás és nyomás) Próbatest átmérő: 20 mm

A melegrepedések keletkezésének alakváltozási elmélete Pth = a melegrepedések elkerüléséhez szükséges alakváltozó képesség BTR = Brittleness Temperature Range → a képlékenység nem éri el a szükséges (küszöb) alakváltozó képességet (P < Pth) → melegrepedések keletkezhetnek ha a varratfém alakváltozása nagyobb, mint az alakváltozó képesség, akkor melegrepedések keletkeznek (ε1 > P) ha a varratfém alakváltozása kisebb, mint az alakváltozó képesség, akkor nem keletkeznek melegrepedések (ε2 < P)

A melegrepedés-érzékenység számszerűsítése melegszakító vizsgálat NST vizsgálat

A melegrepedés-érzékenység számszerűsítése NST: zérus szilárdsághoz tartozó hőmérséklet (Nil-Strength Temperature) – NST vizsgálat NDT: zérus alakváltozó képességhez tartozó hőmérséklet (Nil-Ductility Temperature) – HTT vizsgálat, hevítéses: Z = 0% DRT: az alakváltozó képesség helyreállásának hőmérséklete (Ductility Recovery Temperature) – HTT vizsgálat, hevítéses-visszahűtéses: Z = 5% BTR: minimális alakváltozó képesség / ridegség hőmérséklet tartománya (Brittleness Temperature Range) – számítás NDR: zérus alakváltozó képesség tartománya (Nil-Ductility Range) – számítás DRR: az alakváltozó képesség helyreállásának aránya (Ductility Recovery Rate) – számítás RDR: az alakváltozó képesség helyreállásának aránya (Ratio of Ductility Recovery) – számítás CF: repedési tényező (Crack Factor) – számítás

Az elvégzett NST vizsgálatok eredményei Példa: 6082-T6 Al ötvözet Eredmények: NST Termoelemek 1 ˚C/s Cement kötőanyag 21 ˚C/s Anyagminőség Próbatestek száma, darab Átlag, °C Szórás , °C Szórási együttható, % S690QL 9 1421,5 19,15 1,35 S960QL 11 1408,0 30,46 2,16 AlMg3, 5754 10 602,6 1,81 0,30 AlSi1MgMn, 6082-T6 616,6 7,15 1,16

Az elvégzett meleg szakítóvizsgálatok eredményei S960QL: Hevítés-visszahűtés (on cooling) Hőmérséklet, °C Kontrakció, % 800 93,05 1000 99,82 1100 99,52 1200 99,99 1300 1340 99,91 1360 99,97 1380 100,00 1380/1360 99,95 1380/1300 99,94 1380/1200 99,93 1380/1100 99,85 1380/1000 96,43 1380/800 92,73 1380/500 83,98 NST = 1408 °C NDT = 1390 °C DRT = 1370 °C CF = 2,73% < 4%, nincs repedés

Hőhatásövezet tulajdonságai A hőhatásövezet felépítése egy- és többsoros varratfelépítés esetén Kritikus sávok: Durvaszemcsés (DSZ) Interkritikus (IK) Interkritikusan megeresztett durvaszemcsés (IK DSZ) Szubkritikusan megeresztett durvaszemcsés (SZK DSZ)

Nemesített nagyszilárdságú acélok hegeszthetőségi problémái Hidegrepedések Hidrogéndiffúzió Húzófeszültség jelenléte (zsugorodás korlátozottsága) Jelentős karbonegyenérték: 0,5<CEVS960Q<0,65 Inhomogén hőhatásövezet Szívósságcsökkenés Felkeményedett és kilágyult övezetek

Fizikai szimuláció – HAZ teszt Hőhatásövezet szimulációja: hegesztési hőciklus modellek F(s,d) => mérési eredmények vagy VEM Hannerz Rykalin-2D Rykalin-3D Rosenthal Exponenciális Inhomogén hőhatásövezet különböző sávjainak precíz előállítása A kis hőbevitel miatt a hőhatásövezet különböző sávjai kis kiterjedésűek, amik más módszerrel korlátozottan lennének vizsgálhatók. Ajánlott próbatest méret: 10x10x70 mm Lehetséges anyagvizsgálatok: Mikroszkópi vizsgálatok (optikai és elektronmikroszkóp) és keménységmérés Ütővizsgálat (10x10x55 mm), törésmechanikai vizsgálatok

Hőhatásövezeti teszt végrehajtása Próbatestek kimunkálása az alapanyagból Méret- és helyzetpontosság, felületi minőség Termoelemek rögzítése a próbatestek felületéhez: Visszacsatolás a szabályozási folyamathoz Típus: NiCr-Ni (K típusú) Próbatestek befogása Hegesztési hőciklus előállítása: Modell kiválasztása: Rykalin-3D Hegesztési paraméterek megadása HHÖ sáv jellemző csúcshőmérsékletének megadása Szimuláció/teszt lefuttatása Eredmények értékelése a szimulált és mért hőciklusok összevetésével

Csúcshőmérsékletek kiválasztása Előállítandó sávok (NST = 1408 ºC, előkísérletek): Durvaszemcsés sáv: Tmax = 1350 ºC Interkritikus sáv: Tmax = 800 ºC Indoklás:

Hegesztési paraméterek Alapanyag: WELDOX 960 (S960QL) Paraméterek (előkísérletek alapján): Hőfizikai jellemzők (cp,ρ, λ): átlagos szerkezeti acél jellemzőit adtuk meg Telő = 200 °C t8,5/5 = 5 és 15 s („Optimális” hűlési idő tartomány) Ev = 1015 és 3046 J/mm tcsúcs = 1 s vhev= 500 °C/s

Hőhatásövezeti hőciklusok

Hőhatásövezeti tesztek értékelése Mikroszerkezet vizsgálata optikai mikroszkóp segítségével: csiszolás polírozás maratás (2% HNO3) DSZ IK 5 s 15 s

Hőhatásövezeti tesztek értékelése Keménységvizsgálat: Értékelés alapja: HVmax = 450 HV MSZ EN 15614-1 alapján a CR ISO 15608 szerinti 3. acélcsoportra Övezet Átlagkeménység, HV10 t8,5/5 = 5 s t8,5/5 = 15 s Durvaszemcsés sáv (DSZ) (Tmax = 1350 °C) 417 385 Interkritikus sáv (IK) (Tmax = 800 °C) 348 351 Alapanyag 330…340

Hőhatásövezeti tesztek értékelése Ütővizsgálat: Értékelés alapja: 27 J teljesítése -40 °C hőmérsékleten (S960QL jelű acélra az MSZ EN 10025-6 szerint) 3 próbatest hőciklusonként => átlagos ütőmunka meghatározása WELDOX 960 E: 70 J [-40 °C]

Dinamikus újrakristályosodás szerepének vizsgálata lineáris dörzshegesztésnél A szakirodalom szerint a varrat finomszemcsés szövetszerkezete a dinamikus újrakristályosodás (DRX) lejátszódásának tulajdonítható. A DRX egy, a melegalakítás közben lejátszódó jelentős hatással bíró fémtani folyamat, melynek pontos ismerete alapján szabályozhatjuk az anyag mikroszerkezetének és a mechanikai tulajdonságainak változását. A folyamat során szemcsefinomodás megy végbe a szövetszerkezetben. A DRX jelenlétére utal, ha a valódi feszültség-alakváltozás görbén a rugalmas alakváltozás után a feszültség eléri az alakítás során fellépő maximális értékét. A dinamikus újrakristályosodásnak még a maximális feszültség elérése előtt el kell indulnia. Poliak és Jonas módszer: a DRX kezdőpontját az alakítási keményedés- valódi feszültség görbe inflexiós pontja adja.

Dinamikus újrakristályosodás szerepének vizsgálata lineáris dörzshegesztésnél Melegzömítő vizsgálatok a GLEEBLE 3500 berendezésen a próbatest geometriája: ø10 mm átmérőjű és 15 mm hosszú henger, a hengerlésre illetve az extrudálás irányára merőlegesen kivéve az alapanyagból, az előírt hőmérsékletre való hevítés, előírt alakváltozási sebesség alkalmazása, előírt alakváltozás alkalmazása, mintavételezési frekvencia: 1000 Hz a vizsgálati hőmérsékleteket szakirodalomból és a hegesztés során mért hőmérsékletekből határoztam meg, az alakváltozási sebességet is szakirodalmi adatok alapján határoztam meg. az első széria vizsgálatnál nagy alakváltozási mértéket határoztam meg, hogy biztosan elérjük a dinamikus újrakristályosodás határát. kontrollvizsgálatok => Dinamikus újrakristályosodás szemcsefinomító hatásának bizonyítása lineáris dörzshegesztés esetén. 5754-H22 Al ötvözet (200x)

Összefoglalás, következtetések I. A GLEEBLE 3500 fizikai szimulátor segítségével sikeresen meghatároztuk a zérus szilárdsághoz tartozó hőmérsékleteket (NST) acél és alumínium ötvözetekre. A melegrepedés-érzékenység kiértékelése az acélok esetére megtörtént, az alumínium ötvözetek tekintetében az eredmények pontosítása miatt további (HTT) vizsgálatok szükségesek. WELDOX 960 E (S960QL, MSZ EN 10025-6) nemesített nagyszilárdságú acél szívósság szempontjából legkritikusabb hőhatásövezeti sávjai egysoros varratfelépítés esetén a durvaszemcsés és interkritikus sávok, többsoros varratfelépítés esetén pedig az interkritikusan megeresztett durvaszemcsés sáv. A GLEEBLE 3500 fizikai szimulátoron elvégzett hőhatásövezeti tesztek segítségével sikeresen előállítottuk a durvaszemcsés és interkritikus sávokat az optimálisnak feltételezett hűlési idő tartomány alsó (t8,5/5 = 5 s) és felső (t8,5/5 = 15 s) határértékére.

Összefoglalás, következtetések II. A durvaszemcsés és interkritikus sávok szívóssága jelentősen elmaradt az alapanyag szívósságától. Mindkét sáv tekintetében a szívósság a -40 °C-on megkövetelt 27 J-ra csökkent. Az egysoros varratfelépítés esetén előforduló két legkedvezőtlenebb szívóssággal rendelkező övezet, a durvaszemcsés és interkritikus sávok kombinációja többsoros varratfelépítés esetén előfordulhat. Ezek a csökkent szívósságú részek kedvező feltételeket teremtenek a repedéskeletkezéshez, ezért ezzel a speciális sávval a továbbiakban részletesen kívánunk foglalkozni. A szimulációs kísérletsorozat folytatását célszerű szélesebb t8,5/5 hűlési időintervallumra kiterjeszteni (2,5 – 30 s). A fizikai szimulátoron elvégzett melegzömítő vizsgálatok elvégzésével sikerült bizonyítanunk a lineáris dörzshegesztéskor adott feltételek esetén fennálló dinamikus újrakristályosodás szemcsefinomító hatását.

Irodalomjegyzék [1] Adony, Y.: Heat-affected zone characterization by physical simulations, Welding Journal, 2006 October pp. 42-47., 2006 [2] Gáspár, M.; Balogh, A.: A hegesztési paraméterek hőhatásövezetre gyakorolt hatásának fizikai szimulációval történő vizsgálata S960QL acél esetén, Hegesztéstechnika, 2014/1 pp. 21-28. [3] Węglowski, M.: Modern toughened steels – their properties and advantages, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2012/02. pp. 25-36. [4] Heikkilä, S. J.; Porter, D.A.; Karjalainen, L. P.; Laitinen, R. O.; Thinen, S. A; Suikkanen, P. P.: Hardness Profiles of Quenched Steel Heat Affected Zones, Materials Science Forum Vol 762, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013. pp. 722-727. [5] Laitinen, R.; Porter, D. A.; Karjalainen, L. P.; Leiviskä, P.; Kömi, J.: Physical Simulation for Evaluating Heat-Affected Zone Toughness of High and Ultra-High Strength Steels, Materials Science Forum Vol. 762, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013. pp. 711-716. [6] Gáspár, M.; Balogh, A.: Hegesztéstechnológiai paraméterablak nagyszilárdságú acélok hegesztésénél, GÉP, LXIII. évf. 4. sz., p.: 11-16., 2012 [7] Komócsin, M.: Nagyszilárdságú acélok és hegeszthetőségük, Hegesztéstechnika, 2002/1, pp. 5–9. [8] Kuzsella, L.; Lukács, J.; Szűcs, K.: Fizikai szimulációval végzett vizsgálatok S960QL jelű, nagyszilárdságú acélon, GÉP, LXIII. évf. 4. sz., 2012. pp. 37-42. [9] Lukács, J., Kuzsella, L., Dobosy, Á., Pósalaky, D.: Hegesztési melegrepedés-érzékenység megítélése fizikai szimuláció segítségével, GÉP LXIV. évf. 8. sz. 2013. pp. 45-50. [10] Koritárné Fótos, R.; Koncsik, Zs.; Lukács, J.: A fizikai szimuláció és alkalmazása az anyagtechnológiákban, „Műszaki Tudomány az É-K Moi. Régióban”, Szolnok, 2012 [11] Meilinger, Á.; Török, I.: Effect of temperature field and pressure force on the inhomogeneity of 5754-H22 and 6082-T6 FSW joints, Materials Science Forum Vols. 794-796 (2014) pp. 377-382 [12] Pósalaky, D.; Lukács, J.: Nagyszilárdságú alumíniumötvözetek hegeszthetősége, XXVII. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2014. pp. 247-256. [13] Gáspár, M.; Balogh, A.: Kritikus sávok a nagyszilárdságú acélok hőhatásövezetében, XXVII. Hegesztési Konferencia, Budapest, 2014 pp. 195-211. [14] Verő, B.: A fizikai és matematikai szimuláció helye és szerepe a műszaki anyagtudományban, Bányászati és kohászati lapok 145. évfolyam 1. szám, Budapest 2012. pp. 2-6.

Köszönjük a figyelmet! Köszönetnyilvánítás Az előadásban ismertetett kutatómunka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP-4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt részeként – az Új Széchenyi Terv keretében – az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.