Dobránszky, János

Kálazi, Z.

Magasdi, A.

Nagy, P.

Hungarian

Repository of the Academy's Library

(1) tudományos segédmunkatárs, MTA–BME Fémtechnológiai Kutatócsoport (MTA FTKCS), levélcím: { magasdi@eik.bme.hu (2) tudományos főmunkatárs, MTA–BME Fémtechnológiai Kutatócsoport (MTA FTKCS) (3) fejlesztőmérnök, A-LAP Kft. (4) osztályvezető, Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közalapítvány, Lézertechnológiai Osztály Nagy C-tartalmú acélszalagok lézersugaras hegesztéssel készült varratainak fáradása Magasdi Attila 1, Dobránszky János 1, Nagy Péter 2, Kálazi Zoltán 3  1. Bevezetés A nagy C-tartalmú acélszalagokat az ipar számos területen alkalmazza mint alapanyago-kat. A belőlük készülő termékek palettája rend-kívül széles (pl. fűrészlapok, körfűrészek, lapru-gók, sodronyok stb.). Az ezekből az acélokból készített acélszalagok, kedvező mechanikai tu-lajdonságaiknak köszönhetően számos felhasz-nálási területen nagy igénybevételnek vannak kitéve. Ennek következményeként e termékek élettartama korlátozott, tönkremenetelük gyak-ran fáradásos jellegű, bemetszések vagy he-gesztett kötések mentén történő repedés, törés formájában jelentkezik. A hidegen hengerelt, nemesített acélszalagok feldolgozását, például a fűrészlapgyártást a tápiószecsői A-LAP Kft. végzi. A szalagfűrész-lapok a fafeldolgozóipar egyik leggyakrabban használt szerszámai. Alapanyaguk jellemzően nagy C-tartalmú ötvözetlen acél. E szerszámok jellegzetes tönkremeneteli formája a fáradásos törés, amit a szerszámok ciklikus terhelése vált ki. A repedések rendszerint a hegesztett kötés-ben, avagy annak hőhatásövezetében jelennek meg; ilyenkor általában varrathiba vagy a hőha-tásövezetben jelen lévő, kis alakváltozó képes-ségű szövetelem okolható a fáradásos repedés kialakulásáért. A végtelenített fűrészlapok a vágási folyamat alatt jelentős fárasztó igénybevételnek vannak kitéve. Ez a terhelés egy ismétlődő hajlító és lüktető húzóterhelésből tevődik össze. A hajlítóterhelés a szalagfűrészt megvezető kere-keken történő legördülésből adódik. A lüktető-húzó igénybevétel pedig a szalagfűrész előfe-szítettségének és a vágás során fellépő fogerő-nek a következménye. Ezen dinamikus igény-bevételek az üzemi tapasztalatok alapján legin-kább a fogtövet és a hegesztett kötést veszik igénybe. A szalagfűrész anyagának kifáradása a szalag szakadásához is vezethet, s ez a foko-zott balesetveszély mellett nagy javítási költsé-get is jelent. 2. Fűrészlapok hegesztése A faipari szalagfűrészlapok végtelenítéséhez az ömlesztőhegesztések közül a fogyóelektró-dás védőgázos ívhegesztést alkalmazzák. A jel-lemző lapvastagság 1-2,2 mm. A hegesztéshez az előre fogazott szalagot megfelelő hosszúsá-gúra vágják, majd a hegesztéshez előkészített lap két végét előmelegítő készülékben rögzítik illesztési hézag nélkül. Az előmelegítő készülék (1. ábra) az összehegesztendő lapok végét a lehűlési sebesség csökkentése érdekében [1] 425 °C-ra melegíti elő, mivel a szalagfűrészla-pok a nagy karbon-tartalom miatt hidegrepedés-re különösen hajlamosak. Az előkészített szala-got fűzőhegesztéssel rögzítik, majd bekezdő és kifutólemezek használata mellett egy lépesben hegesztik. A hegesztéshez Ar+18% CO2 védő-gázt, a gyökvédelemhez tiszta Ar-t alkalmaznak. A hegesztéshez használt hegesztőhuzal átmé-rője 0,6 mm, minősége pedig G3Si1. A hegesz-tést követően az elkészült varratot szintén 425 °C-on 5 percig megeresztik, hogy a lehűlés so-rán kialakult martenzit ne ridegítse el a varratot.  1. ábra – Az előmelegítő készülék Mivel a szalagfűrészlapok egyik legjelentő-sebb fejlesztési iránya az előfeszíthetőség nö-velése, a hegesztett kötések fejlesztése elkerül-hetetlen. Jelenleg a hegesztett kötés mechani-kai tulajdonságai határozzák meg a maximális előfeszíthetőséget ezért új, jobb mechanikai tu-lajdonságokat biztosító, hegesztési technológia alkalmazása növelheti a lapok előfeszíthetősé-gét és ezzel jobb futási és vágási tulajdonságait. Mivel a lézersugaras hegesztési technológia pontosan szabályozható, kis hőbevitelt tesz le-hetővé és kiváló minőségű varratok hegeszthe-tők vele, ezért alkalmazása a szalagfűrészlapok végtelenítésére további távlatokat nyithat meg a szalagfűrészlapok fejlesztése terén. 3. A szalagfűrészlapok lézersugaras hegesztése A lézersugaras hegesztéssel termelékenyen, jól szabályozott hegesztési paraméterekkel és csekély hőbevitellel hegeszthetők a szalagfű-részlapok. A lézersugaras hegesztés során a varratba fajlagosan bevitt energia csekély, de az eljárás energiasűrűsége nagy, a bevitt hő kizá-rólag csak a varrat közvetlen környezetében hasznosul, csekély hőhatásövezetet és defor-mációkat eredményezve [2]. A lézersugaras he-gesztésnél a hozaganyag varratba juttatása szintén megvalósítható, amennyiben vagy az ömledékbe, vagy a lézernyalábba adagoljuk a hegesztőhuzalt (2. ábra).  A lézersugaras hegesztés esetében is az el-sődleges probléma a hidegrepedés, mely a je-lenleg is használatos előmelegítéssel és he-gesztést követő hőkezeléssel elkerülhető. A lé-zersugaras technológia érzékenységét az illesz-tési hézagra elkerülhetjük megfelelő mértékű defókuszálással, mely a lézersugár foltátmérőjét növeli, így szélesebb ömledéktócsát hozva létre [3]. A hegesztési technológia tervezése során az elsődleges cél, hogy a hegesztési és a hőke-zelési paramétereket úgy hangoljuk össze, hogy azok az optimális szilárdság mellett a fáradással szembeni legnagyobb ellenállást biztosítsák.  2. ábra – A hegesztés elrendezési vázlata 4. Vizsgálatok A lézersugaras hegesztéssel végtelenített szalagfűrészlapok fáradással szembeni viselke-dését célszerűen fárasztóvizsgálattal vizsgálhat-juk, mely szinuszos húzó-lüktető terheléssel jól közelíti a hegesztett kötés üzemszerű terhelé-sét. Fárasztóvizsgálattal emellett jól kimutatható, hogy a fáradást legjobban befolyásoló paramé-terek az előmelegítési hőfok és a megeresztési idő [4]. Az iparban jelenleg is használatos 425 °C-os előmelegítést és 5 perces megeresz-tési időt alapul véve, felállítható egy kísérleti terv a fárasztóvizsgálat próbatesteinek hegesztésé-hez. A kísérletekhez felhasznált C75-ös szalag-fűrészlap alapanyag kémiai összetétele az 1. táblázatban látható [5].  Az előzetes hegesztési próbák alapján meg-határozott hegesztési paramétereket, melyek a teljes átolvadást és megfelelő méretű varratdu-dort [6] biztosítanak a 2. táblázat foglalja össze. A próbatestek hegesztéséhez lézernyalábba vezetett hideghuzalos technika került alkalma-zásra. A varratot mind a korona, mind a gyökol-dalról Ar védőgáz védte az oxidációtól. A he-gesztéshez használt hegesztőfejről készült fel-vétel a 3. ábrán látható. A próbatestek hegesz-téséhez választott hegesztési és hőkezelési pa-raméterek a 3. táblázatban láthatók. Gyártó C% Si% Mn% S% P% Martin Miller 0,76 0,35 0,65 Max. 0,035 Max.0,035 1. táblázat – A kísérletekhez használt alapanyag összetétele 2. táblázat – A kísérletekhez alkalmazott hegesz-tési paraméterek A fárasztóvizsgálathoz a próbatestek kivétele a varratokból lézersugaras vágással történt, majd mind a korona, mind a gyökoldali varrat-dudor eltávolítása után a próbatestek végleges méretének megadása köszörüléssel történt. A terhelés meghatározása az alapján történt, hogy a teljes terhelési tartomány a szakítóvizsgálat során mért folyáshatár felett legyen [7], de a maximális terhelés nagy biztonsággal ne érje el Hegesztési sebesség mm/min P kWvhuzal mm/min Folt-átmérő mm Vé-dőgázl/min Gyök-gáz l/min 500 2 360 2 13  4 a szakítószilárdságot. Ezen megfontolások alap-ján középfeszültségnek a 950 MPa adódott. A terhelési amplitúdó ±110MPa volt.  3. ábra – A lézersugaras hegesztőfej 3. táblázat – A kísérletekhez alkalmazott  hőkezelési paraméterek A 375 °C-on előmelegített és megeresztett minták esetében az átlagos törésig tartó ciklus-szám a 10 és 15 perces megeresztési idők ese-tében hozta a legrosszabb eredményt (4. ábra). A rövidebb időknél várhatóan – a varrat és a hőhatásövezet teljes elridegedése folytán – nem következhet be jelentős javulás az élettartam-ban, ezért a 25 percnél hosszabb megeresztési idők használata lenne indokolt. Mivel ipari ter-melésben már a 25 perces megeresztési idő is oly mértékben növelné a gyártási ciklusidőt, hogy az jelentős költségnövekedést okozna, ezért mindenképpen nagyobb előmelegítési hőmérsékletek alkalmazása indokolt. A 425 °C-on előmelegített és megeresztett mintákon mért törésig tartó ciklusszámok átlaga szerint nem a jelenleg alkalmazott 5 perces megeresztési idő biztosítja, a lézersugaras hegesztéssel készült kötések esetén, a legnagyobb fáradással szem-beni ellenállást. A 8 perces megeresztési idővel készült mintákon mért törésig tartó ciklusszá-mok átlaga bizonyult a legjobb eredménynek az összes minta közül. Ez azt mutatja, hogy a je-lenleg is alkalmazott 425 °C-os előmelegítés megfelelő a hegesztett kötések fáradási tulaj-donságainak maximalizálásához. A 475 °C-os előmelegítéssel készült minták esetében a töré-sig tartó ciklusszám átlaga monoton csökkenő jelleget mutat a megeresztési idő függvényében. Az egy percnél rövidebb idejű megeresztések az ipari termelésben szintén nem javasoltak, mivel a jelenlegi technológia mellett pontos be-tartásuk nehezebben kivitelezhető. Törési ciklusszám a megeresztési idő függvényében0,E+005,E+051,E+062,E+062,E+060 10 20 30Megeresztési idő [min]Törési ciklusszám 375 °C425 °C475 °C4. ábra – Törési ciklusszámok a megeresztési idő függvényében A hegesztett varratokon végzett metallográfiai és keménységmérési vizsgálatok eredményei is jól alátámasztják a fárasztóvizsgálat során mért értékeket. A 375 °C-on előmelegített, 8 perces megeresztési idejű minta metallográfiai csiszolata jól mutatja, hogy mind a varratban, mind a hőha-tásövezetben fellelhető martenzit (5. ábra), ami ridegsége folytán könnyen repedések kiinduló-pontja lehet. A megeresztési idő növekedtével a martenzit elbomlik. A varratban található martenzit elbomlása jól nyomon követhető a min-tákon mért keménységprofilokon is (6. ábra). A 425 °C-on előmelegített minták esetében az idő-vel a hőhatásövezetben jelentős mennyiségű fer-rit kezd kiválni (7. ábra), ami bár szívóssága ré-vén képlékeny csuklóként viselkedik, de a varrat szilárdsági tulajdonságait rohamosan rontja.  A mintákon mért keménységprofilok is jól tük-rözik, hogy az 5 és 8 perces megeresztési idők Sor-szám Hőmérséklet [ °C] Megeresztési idő [min] 1 475 1 2 475 3 3 475 8 4 475 15 5 425 5 6 425 8 7 425 10 8 425 15 9 375 8 10 375 10 11 375 15 12 375 25 esetén észlelhető a legkisebb felkeményedés és kilágyulás az alapanyag keménységéhez képest (8. ábra). A 475 °C-on előmelegített minták csi-szolatain widmannstätten ferrit látható a fúziós zóna határán és ferritkiválások a hőhatásövezet-ben. A ferrit (9. ábra) e mintáknál is jelentősen rontja a szilárdsági tulajdonságokat, és a fára-dással szembeni ellenállást is [8]. Ezt jól tükrözi a mintákon mért keménységeloszlási profil is (10. ábra).  5. ábra – Martenzit a varratban  (375 °C előmelegítés) 375°C előmelegítés 01002003004005006007000 2 4 6 8 10 12 14Távolság a varratra merőlegesen [mm]Keménység [HV]8 min 10 min15 min 25 minVarrat 6. ábra – Keménység a varratban (375 °C előmelegítés)  7. ábra – Ferrit a hőhatásövezetben  (425 °C előmelegítés) 425 °C előmelegítés 2002503003504004505000 2 4 6 8 10 12 14Távolság a varratra merőlegesen [mm]Keménység [HV]5 min8 min10 min15 minVarrat8. ábra – Keménység a varratban (425 °C előmelegítés)  9. ábra – Widmännstetten-ferrit a fúziós zóna határán (475 °C előmelegítés) 475°C előmelegítés0501001502002503003504004505000 5 10 15 20Távolság a varratra merőlegesen [mm]Keménység [HV]1 min3 min8 min15 minVarrat 10. ábra – Keménység a varratban (475 °C előmelegítés) 5. Összegzés A különböző hőfokon előmelegített és meg-eresztett mintákon végzett vizsgálatok és a fá-rasztóvizsgálat eredményei közt legélesebben a keménységmérés emeli ki a kapcsolatot. A he-gesztett kötések esetében a varratban tapasz-talható felkeményedés a kötés fáradási tulaj-donságait negatívan befolyásolja. A vizsgált mintákon mért keménységértékek is ezt tá-masztják alá, ugyanis a legnagyobb törésig tartó ciklusszámot azon minták mutatták, amelyek a legkevésbé keményedtek fel az alapanyaghoz képest. A törésig tartó ciklusszám és az alap-anyaghoz viszonyított felkeményedés közti kap-csolatot a 11. ábra mutatja. A törési ciklusszám a keményedés függvényében0,E+005,E+051,E+062,E+062,E+06-100 -50 0 50 100 150 200A keményedés mértéke [HV]Törési ciklusszám 11. ábra – Felkeményedés a varratban A megeresztési idő, az előmelegítési hőfok és a kialakuló maximális keménység kapcsolatát szemlélteti a 12. ábra. Az ábra alapján az alap-anyag keménységéhez képest a legkisebb fel-keményedést a 425 °C-os előmelegítés mellett a 8-10 perces megeresztési idő garantálja, a vizs-gálatok során alkalmazott hőbevitel mellett. A próbavarratokból kimunkált mintákon végzett vizsgálatok alapján a lézersugaras hegesztés ki-válóan alkalmas a nagy C-tartalmú acélszalagok tompakötéseinek hegesztésére. Mivel a nagy C-tartalmú acélszalagok lézersugaras hegesztéssel készült varratai, messze felülmúlják a jelenleg használatos Ar védőgázas fogyóelektródás ívhe-gesztéssel készült varratokat a fáradási és mec-hanikai tulajdonságok tekintetében [9], a lézersu-garas hegesztési technológia kiválóan alkalmas a jelenlegi hegesztési technológia kiváltására. Maximális keménység3003504004505005506006500 5 10 15 20 25 30Megeresztési idő [min]Maximális keménység [HV]375°C425°C475°C 12. ábra – Maximális keménység  a megeresztési idő szerint Szakirodalmi hivatkozások 1. Barralis J., Maeder G.: Précis de métallurgie élaboration, structures-propriétés et normalisation, Afnor-Nathan, 77 2. L.P. Borrego et al.:Fatigue behavior of laser repairing welded joints, Engineering Failure Analysis 14, (2007) 1586-1593 3. K.Y. Benyounis, A.G. Olabi, M.S.J. Hashmi: Effect of laser welding parameters on the heat input and weld-bead profile, Journal of Materials Processing Technology 164-165, (2005), pp. 978-985. 4. J. Dobránszky, A. Magasdi, J.Ginsztler: Investiga-tion of notch sensitivity and blade breakage of bandsaw blade steels, Materials Science Forum Vols 473-474, (2005) pp. 79-84 5. Dobránszky J: Nagy C-tartalmú acélszalagok fo-lyamatos hőkezelése, Dunaferr Műszaki Gazda-sági Közlemények, 128, 201-204, 2002. 6. Z. Sun, M. Kuo: Bidging the joint gap with wire feed laser welding, Journal of Materials Processing Technology 87, (1999) 213-222. 7. M. Eibl, C.M. Sonsino, H. Kaufmann, G. Zhang: Fatigue assessment of laser welded thin sheet aluminium, International Journal of Fatigue 25 (2003) pp. 719-731 8. Maria das Graças Mendes da Fonseca Gomes, Luiz Henrique de Almeida, Luiz Claudio F. C. Gomes, Iain Le May: Effects of Microstructural Parameters on the Mechanical Properties of Eutectoid Rail Steel, Department of Metallurgical Engineering and Materials, Rio de Janeiro, Brazil, 1997. 9. A. Magasdi, J. Dobránszky, F. Tusz, J. Ginsztler: Fatigue properties of welded joints of high-carbon steels, Materials Science Forum Vols. 537-538. (2007) pp. 47-53 

Nagy C-tartalmú acélszalagok lézersugaras hegesztéssel készült varratainak fáradása

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Repository of the Academy's Library