Vybrané aspekty svařování vysokopevnostních ocelí

Výrobní činnost společnosti má zakázkový charakter založený na výrobě podle technické dokumentace dodané zákazníkem, a to v malých sériích i v kusovém množství. Díky dlouholetým zkušenostem jsou Strojírny Prostějov schopny vytvořit na základě zákazníkem předloženého 3D modelu sestavného výkresu nebo výkresu odlitku 2D výkresovou dokumentaci, rozpracovanou do jednotlivých výrobních fází a s optimalizovanou technologií.

Nosnou výrobní operací je ruční svařování metodou MAG (tavící se elektrodou v ochranné atmosféře aktivního plynu). Celkové technologické možnosti Strojíren Prostějov jsou však schopny zajistit zhotovení kompletního výrobku, a to od CNC pálení přes NDT kontroly až po finální obrábění, povrchovou úpravu nebo montáž. Významnou část zpracovávaných materiálů tvoří vysokopevnostní oceli včetně jakosti S960Q (roční spotřeba cca 10 tun svařovacího drátu G89).

Původní výrobní kapacity včetně administrativních a ostatních provozních budov byly postupně budovány od roku 1952 jako organizační součást Prefy Brno. Do roku 1989 byla těžištěm výroba formovací techniky převážně pro velkoplošné panely. Jako samostatný subjekt byly Strojírny Prostějov vyčleněny z původního závodu 07 STAST Brno v roce 1990. V letech 1989–1992 se těžiště výroby, v souvislosti se změnami priorit v oblasti stavebnictví k individuální výstavbě, přesunulo od formovací techniky do oblasti strojírenské výroby.

Vizí současné firmy je vyrábět (tedy především svařovat) lépe než samotní zákazníci nebo její konkurenti. V praxi to znamená svařovat rychleji, levněji a především kvalitněji. Přitom však každé ruční MAG svařování je z povahy věci nezbytně provázeno vadami. Tyto mohou být přípustné nebo nepřípustné, vnitřní nebo povrchové. Vždy jsou ale některé méně a jiné více nákladné, ať pro vlastní náklady na opravu, možné selhání při provozu nebo pro ztrátu důvěry zákazníka. Z tohoto pohledu k nejvíce nákladným vadám patří vady ve spojení kořenových vrstev svaru a vodíkové trhliny.

Výroba podle technické dokumentace dodané zákazníkem klade celkově vyšší nároky na přípravu i vlastní výrobu s ohledem na nejednotnost dokumentace různých zákazníků. Příkladem této nejednotnosti jsou detaily tupých 1/2V svarů, u kterých se lze setkat s různou mírou přítomnosti doporučených kořenových mezer a otupení (a tím i různou mírou proveditelnosti svaru), někdy dokonce na obdobných svarech téhož výrobku. Přitom geometrie svarových ploch je daná normou (EN ISO 9692-1 – Doporučení pro přípravu svarových spojů) a technologickými možnostmi metody. Nezřídka je tak konstruktérem požadováno plné provaření jednostranného svaru skrze až několik milimetrů kořenového otupení bez možnosti sestavení s adekvátní mezerou. Potom se dosažení shody s kvalitativními požadavky na svar přesouvá na výrobce a profesionalitu každého pracovníka na všech úrovních procesu od technické přípravy výroby, přes svářečský dozor až po samotné svářeče a zámečníky. Tehdy je nutno nedostatky v technologičnosti konstrukce napravovat přepracováním výkresů detailů geometrie svarových ploch nebo nadměrným broušením či drážkováním před vlastním svařováním. Vždy s ohledem na to, že neprovařené kořeny svaru vytvářejí vruby, které jsou právě u vysokopevnostních ocelí zvláště kritické.

Přestože výrobci MIG/MAG svařovacích strojů prezentují rozličné procesy pro zajištění hlubokého průvaru, výsledný svar při ručním svařování (za jiných než laboratorních podmínek) stále převážně ovlivňuje sám svářeč svou ne vždy konstantní rychlostí svařování nebo úhlem vedení hořáku. Tyto podstatné proměnné spolu se změnou geometrie svarových ploch vinou lokálních deformací ovlivňují možnost předběhnutí svarové lázně a tím i možnost neprůvaru. Strojírny Prostějov jsou si vědomy těchto rizik. Proto pro komfortní, konstantní a především přesně definované vymezení kořenových mezer používají originální vymezující klipy, jak je uvedeno na obrázku.

Vodíkové trhliny jsou nazývány také studené trhliny. Oba názvy popisují jejich vlastnosti: objevují se převážně poté, kdy svarek je ochlazen na okolní teplotu a při jejich vzniku zároveň významně spolupůsobí přítomnost difuzního vodíku. Další dva nezbytné předpoklady vzniku trhliny jsou: vyšší úroveň vnitřních tahových napětí ve spoji a relativně vyšší obsah legujících prvků v oceli nebo v přídavném materiálu. U tohoto typu vad je důvěra zákazníka ohrožena nejvíce ‒ jejich výskyt totiž poukazuje na možnou nepřipravenost firmy svařovat vysokopevnostní oceli, a to na všech úrovních, od svářečů po management. Svařením zkušebních desek a vystavením specifikace postupu svařování (WPS) zodpovědnost firmy nekončí. Svařování ocelí od jakosti S890Q vyžaduje navíc také určitá opatření organizační nebo technická. Kromě jiného je nutné mít k dispozici například prostor pro přerušení výroby před nezbytnou zkouškou na přítomnost trhlin, a to jak prostor termínový (nutná doba mezi dovařením svaru a jeho zkouškou je mnoho desítek hodin), tak prostor fyzický, kam je možné svarek umístit bez rizika rychlého ochlazení.

Obvyklý postup při svařování ocelí těchto jakostí je následující:
1. dokonalá příprava svarových ploch
2. stehování „měkkým“ drátem
3. vybroušení stehů
4. předehřev
5. svaření i několika kořenových vrstev „měkkým“ drátem
6. „šňůrkování“ výplňových vrstev s respektováním mezihousenkových teplot (teplot interpass)
7. svaření krycích vrstev s bezvrubými přechody a s žíhací housenkou
8. dohřev bez meziochlazení svaru
9. pomalé ochlazování
10. čekání na zkoušku
11. zkouška na přítomnost trhlin magnetickou práškovou metodou

Obecně je každý krok stejně důležitý a opodstatněný a nelze jej vynechat nebo urychlit. Strojírny Prostějov proto realizují i taková opatření, jak zabránit odchylkám od předepsaných tepelných režimů svařování, například vinou nepohodlí svářečů při ohřevech nebo pro jejich relativní zdlouhavost. Pro tento účel firma navrhla a sestrojila baterie stacionárních plynových ohřívacích hořáků. Tyto jsou používány v obtížně přístupných místech nebo v případech, kdy je nutné na jednom svarku současně předehřívat, svařovat i dohřívat.

Ve výrobních podmínkách Strojíren Prostějov nepředstavují vodíkové trhliny prakticky žádný problém u ocelí jakostí S355 až S700M a menších tlouštěk ocelí S690Q. Vážně ale musí být brány na zřetel u ocelí S890, S960 a větších tlouštěk ocelí S690Q. Výrazný, ale stále zvládnutelný problém potom vodíkové trhliny představují u ocelí S1100. Čím vyšší je jakost (mez kluzu) materiálu, tím pečlivěji musí být sladěna příprava pro svar, ohřevy (předehřev, teplota interpass a dohřev) a vnesené teplo při svařování (počet housenek), protože svar bude vždy kritický tím, že může dojít k trhlinám nebo k odpevnění materiálu.

V této oblasti vidíme možnou spolupráci s vysokými školami, protože manévrovací prostor při svařování (parametr t8/5) je ze všech stran, oproti nižším jakostem ocelí, velmi omezen: teplotou předehřevu, teplotou interpass a minimálním a maximálním vneseným teplem při svařování. Jakékoliv experimentem ověřené posunutí těchto proměnných svařování, například použitím základních nebo přídavných materiálů konkrétních výrobců může být s ohledem na konečné náklady na svar přínosné.

Zvládání práce s novými materiály a technologiemi je podle našeho názoru jedinou cestou, jak udržet a zvyšovat konkurenceschopnost Strojíren Prostějov, a proto touto cestou jdeme. Náklady (finanční, kapacitní i obchodní) jsou někdy značné. Jejich reálné porovnání však podle našeho názoru není možné, tak jako není možné dělit nulou. Setrvání u původních klasických technologií by totiž již dávno vedlo ke ztrátě zákazníků, trhu a tím i samotné firmy, a bylo by tak nutno pomyslně kalkulovat s výše zmíněnou nulou.

Ing. Jan Heto, IWE

hetoJ@sppv.cz

Strojírny Prostejov

www.sppv.cz