Jak je to se zaručenou svařitelností a s ocelí na stavbu bugyn ?
Když jsme měli s ing. Stránským v Dobřanech kolektivní schůzku kvůli novým TP, byl jsem Jardou
Nikodémem veřejně upozorněn, že mnou použitá ocel na stavbu rámu prý nemá "zaručenou
svařitelnost". Také Boris Vaculík podotkl, že materiál, ze kterého máme my postavený rám, je doposud
vlastně zakázán. Musím zde tedy také veřejně reagovat, abych věci uvedl dle mého názoru na pravou
míru.
Zatím tedy k té zaručené svařitelnosti:
Všeobecně "svařitelnost oceli" je pojem, který definuje, do jaké míry je ocel bez nějakých dalších
omezení svařitelná a jestli vůbec svařitelná je.
Svařitelnost oceli proto rozděluje
ČSN 05 1310 na :
Zaručená svařitelnost - tedy zaručená svařitelnost bez dalších omezujících faktorů
Podmíněná zaručená svařitelnost - zaručená svařitelnost je definována určitými faktory, které je třeba
při svařování bezpodmínečně dodržet, aby svár měl zaručenou pevnost
Dobrá svařitelnost
- ocel se svařovat dá, ale bez záruky pevnosti sváru
Špatná svařitelnost - již název napovídá...
Na vlastnosti oceli má všeobecně zásadní vliv obsah uhlíku (C) v dané oceli. Obecně se udává, že ocelí
vhodnou ke svařování je taková, která má obsah uhlíku do 0,2%, naopak nevhodnou ta, která obsahuje
uhlíku více než 0,3%.
Mnou použitá ocel má označení podle české normy 17240 , nebo-li AISI 304. Někde se značí dle DIN
1.4301. Je to austenitická nerezová ocel, obecně se jí říká ocel chromniklová. Pro informaci tato ocel
obsahuje tyto legující prvky : uhlík (C) max 0,07 % (!), Mangan (Mn) do 2 %, Fosfor (P) do 0,045 %, Síra
(S) do 0,03 %, Chrom (Cr) 17-20 %. Nikl (Ni) 9-11.5 % Dle terminologie je to ocel vysoce legovaná.
Tuto ocel popisuje ČSN 417240 a je zde jasně definováno, že ocel je zaručeně svařitelná, tedy bez
omezení. Trubky z této oceli se dají naprosto běžně koupit ve velmi širokém sortimentu a jejich odběr,
třeba na rozdíl od oceli 15130 (tedy chrommolybdenové oceli), není podmíněn odebíraným množstvím.
Běžně kupuji pouhé přířezy trubek.
Rámy bugyn některých jiných teamů jsou vyrobeny z oceli 15130, které se běžně říká
"chrommolybdenová ocel". Její složení a vlastnosti popisuje ČSN 415130 a je zde uvedeno, že její
zaručená svařitelnost je podmíněná. Podmínky jsou definovány například případným předehřátím a
následným pomalým ochlazováním svárů, např. v zábalu. Vůbec nepochybuji, že to takto v praxi každý
dělá, aby docílil také svárů dané pevnosti.
Po svaření celého rámu a případném vyžíhání v peci je možno rám z této oceli dále zušlechtit na vyšší
pevnost, než je pevnost původního materiálu.
Tato ocel 15130 se skládá z těchto legujících prvků: uhlík (C) 0,22-0,29%, Mangan (Mn) 0.50-0,80%,
Křemík (Si) 0,17-0,37% Chrom (Cr) 0,90-1.2%, Molybden (Mo) 0,15-0,25%, Fosfor (P) do 0,035%, Síra (S)
do 0,035%. Dle terminologie je to ocel nízkolegovaná.
Z tohoto poznatku tedy vyplývá, že mnou použitá ocel 17240 je "zaručeně svařitelná" zatímco ocel
15130, kterou pravděpodobně používá na stavbu rámů i Jarda Nikodém, je pouze "podmíněně zaručeně
svařitelná" a to zejména kvůli vyššímu obsahu uhlíku. Tím však nechci říci, že by pevnost svárů byla
nějaká horší. Jak jsem již uvedl, při dodržení podmínek daných tou dodatečnou podmínkou jsou sváry
naprosto plnohodnotné. Tato ocel je na stavbu rámů, hlavně u velkých bugyn, asi nejrozšířenější.
Nyní k Příloze "J"
V příloze "J" (podle které se staví bugyny) je článek 253, který také mimo jiné specifikuje, jakým
způsobem a z jakého materiálu smí být vyroben ochranný rám. Protože tato specifikace rozměrů a
použitých materiálů je naprosto paušální a jak se pokusím níže popsat, snad i zastaralá, máme pro
stavbu Racer buggy 125 a 250 v NSŘ definované některé výjimky. Tyto výjimky jsou vypsány v čl 21.2 a
21.3., ale k tomu se vrátím později. Podle přílohy "J" se staví nejen bugyny, ale i jiná závodní auta, proto
jsou některé formulace tak velmi obecné.
Základní rám autokrosových speciálů je definován předním a hlavním obloukem, dvěma
podélnými(střešními) vzpěrami a dvěma šikmými vzpěrami a šesti kotvícími úchyty, které se zde zvláštně
nazývají "upevňovací desky" .
V příloze "J" v čl. 253 ods. 8.3.3 Materiálové specifikace je striktně určeno pouze jaká ocel se může
použít pro stavbu základního rámu: nelegovaná uhlíková ocel, bezešvá tažená zastudena, obsahující
max 0,3% uhlíku (C), dále max 1% molybdenu (Mn) a pro ostatní přísady je zde určena hodnota do
0.5% !!!
Napíšu něco málo o ocelích
Abych zdůraznil, jaký dominantní vliv má obsah uhlíku pro vlastnosti oceli, chtěl bych uvést, že slitiny
železa a dalších prvků se označují ocelí pouze tehdy, obsahují-li méně než 2% uhlíku (C). Pokud má tato
slitina obsahu uhlíku více, nazývá se litinou.
Oceli se dělí do jednotlivých tříd, které se označují 10 až 19. Toto popisuje ČSN 42 002.
Dělí se na oceli konstrukční (10-17) a ocel nástrojovou(19).
Dále dle stupně legování (přísad) se konstrukční ocel dělí na:
nízkolegovanou(13-15)
nelegovanou (10-12)
a
legovanou
nízko a středně legovanou (16)
středně a vysoce legovanou (17)
Je tedy přílohou "J" jinak řečeno, že je možno na stavbu základního rámu použít pouze oceli, které
odpovídají třídám 10-12, členěným dle ČSN 42002. Tedy ocel nelegovanou.
Je to sice zvláštní, ale tím je také řečeno (pokud půjdeme do samotného důsledku), že ocel 15130 tedy chrommolybdenová není na stavbu rámu" veliké bugyny" povolena. Jednak spadá do kategorií
ocelí legovaných a navíc má obsah Chromu (Cr) větší, než těch povolených 0,5%. ( má 0,9 - 1,2%) !!! Aby
se mě však nechystal někdo kamenovat, já tím rozhodně nechci říci, že by to nebyla ocel vhodná! Spíš
chci upozornit na to, že není vhodný předpis, tedy příloha "J". Bohužel, je ale platná.... A stavba rámů
se z ní v tichosti toleruje.
Pátral jsem tedy po materiálu, ze kterého by bylo vhodné postavit rám "velkého auta" tak, aby trubky
existovaly v bezešvém provedení a abych ctil složením legur předpis. Vyloučit jsem musel i ocel 11523,
která nám pro stavbu "malých aut" je přímo doporučována v NSŘ. Je to ocel, která svým zařazením spadá
do ocelí nelegovaných a tedy povolených. Problém je ale v tom, že obsahuje 1,6% manganu (Mn), tedy
víc, než je těch povolených 1% !!!
Dospěl jsem tedy k názoru, že asi jediným řešením je postavit rám z "běžné topenářské oceli" 11353.
Mimochodem ta nám pro stavbu "malých bugyn" je společně s 11523 také doporučována.
Pro zajímavost jsem nechal v certifikované zkušebně ve firmě VÚHŽ v Dobré prověřit mechanické
vlastnosti trubek z různých ocelí. Zkoušky byly normalizované a byly prováděny dle ČSN 420310. Pro
porovnání jsem použil následující vzorky:
11353 - topenářská trubka bezešvá
11343 - naprosto běžná konstrukční trubka při výrobě zkružovaná a automatem vysokofrekvenčně
podélně svařovaná. (Tedy to nejzákladnější, co se válí v regálech Ferony...)
15130 - zmíněná "chrommolybdenová ocel" bezešvá
17240 - nerezová ocel, kterou já používám pro stavbu rámů - trubka je zastudena při výrobě
zkružována a následně automatem svařena metodou TIG
Při zkoušení jsme prověřovali "tahovou zkouškou" Napětí při Smluvní mezi kluzu - Re 0,2 a napětí při
Mezi pevnosti Rm.
Pro nezasvěcené uvedu, co to vlastně je:
Když začnu na trubku, nebo obecně na tyčové těleso o definovaném průřezu působit
silou tak, že ji budu natahovat, vznikne napětí. Napětí je dané silou vztaženou na plochu, tedy na průřez.
Aby bylo možno různé materiály mezi sebou porovnávat, vznikly normalizované zkoušky.
Re - Mez kluzu: Je to předěl mezi elastickou(pružnou) a plastickou deformací. Laicky řečeno, do působení
tohoto napětí se zkoušený vzorek vrátí do své původní podoby, když přestane na něj působit síla, která
napětí vyvolala.
Re02 - Smluvní mez kluzu : To je napětí, které způsobí 0,2% trvalé deformace. Pokud budu v zatěžování
pokračovat, vznikne plastická deformace a vzorek změní trvale svůj tvar.
Rm - Mez pevnosti : Je to napětí, které vyvolá destrukci materiálu. Lidově řečeno zkoušený vzorek se
přetrhne na dva kusy.
Těmito zkouškami jsem dospěl k zajímavým poznatkům a také jsem si ověřil velikou pevnost a pružnost
mnou používaného materiálu na stavbu rámů. Jak jsem již uvedl, používám ocel 17240. Uvádí se u ní, že
tvářením zastudena velmi zpevňuje. Tedy zkružováním plechu zastudena a tím posunem v krystalické
mřížce materiálu, dochází k primárnímu zpevnění. K dalšímu zpevnění dochází při podélném svařování
při výrobě trubky. Jednak dochází k lokálnímu zlepšení v oblasti sváru a jednak zde vznikne něco, co by se
dalo laicky nazvat "přídavným žebrem". Samotný svár i příměsí legujících prvků je také pevnější, než jeho
okolí.
Velmi mě však překvapilo porovnání Re0,2 a Rm u doporučované 11353 a obyčejné podélně svařované
11343. Vlivy, které jsem popsal u 17240 platí i zde. Raději bych tedy postavil velkou bugynu z toho
"obyčejného blata" 11343, než z asi jediné možné 11353....
Poznámka:
-
Tabulku naměřených hodnot uvádím v příloze na konci
Aby bylo každým lidsky pochopeno, co je to vlastně třeba 900 Mpa : Když přibližně 90kg zavěsíte na
tyčinku o průřezu 1mm2, (třeba čtyřhran 1x1mm) vznikne takové tahové napětí.
A co podélný svár při výrobě trubky ? jak jsem uvedl, příloha "J" pro stavbu velkých bugyn povoluje
pouze trubku bezešvou. Domnívám se, že tento názor je velmi zastaralý, protože z hlediska pevnosti
trubky svár již dávno není limitujícím faktorem. Dle odborníka - vedoucího řízení jakosti Ferony Brno ing. Navrátila již asi 15 let při výrobě svařovaných trubek platí pro všechny výrobce těchto trubek
koeficient pevnosti sváru 1 a více. Znamená to, že svár musí vydržet minimálně takové namáhání jako
materiál trubky jako takový. Pokud dojde k destrukci trubky, tak jinde, než ve sváru! V mém případě pro
výrobu trubky z mat. 17240 (tedy dle italské normy TP 304) svařovanou metodou TIG platí norma EN
10217-7 TC1 a výrobcem je Marcegaglia S.p.a.
Proč se tedy bezešvé trubky stále vyrábějí ? Rozhodně ne kvůli stavbě bugyn, nebo pro jiné konstrukční
účely. Hlavním důvodem je rozvod plynných a někdy i kapalných produktů pod vysokým tlakem. Výrobní
normy podélně svařovaných trubek jsou dnes natolik přísné, že snad i netěsnost vylučují. Je zde však i
jistá předpojatost a obavy z drobného úniku zejména plynu.Také při namáhání vnitřním tlakem působí na
podélný svár dvojnásobné napětí, než v případě příčného svařovaného napojení. Podotýkám, platí to ale
pouze pro namáhání vnitřním přetlakem, například od plynu. A také víte, proč topenáři s oblibou
používají bezešvé trubky? Kvůli jejich vyšší ceně na nich mají větší rabat a také se jim prý i lépe ohýbají,
než stejné svařované...
Rozhodně se tedy domnívám, že by mělo dojít k revizi přílohy "J" a k posunu povolených použitých
materiálů ve prospěch legovaných ocelí a podélně svařovaných trubek. A to zejména z důvodu
bezpečnosti. Podélný svár nejen že dnes již není omezujícím faktorem, ale naopak zvyšuje pevnost
konstrukce. Měla by být na stavbu "velikých bugyn" oficiálně povolena nejen "chrommolybdenová
ocel", ale také mnou používaná nerezová ocel 17240. Jenomže taková změna nemůže proběhnout
pouze na národní úrovni, ale musela by změnu provést FIA přímo v Paříži, protože příloha "J" je
mezinárodní předpis.
Uvedu zde několik argumentů, proč se tak domnívám:
- zkouškami jsem ověřil vysokou pevnost
tohoto materiálu.
(
Re02 přes 700Mpa a Rm přes 900 Mpa
bez jakéhokoliv
tepelného
zpracování).
- je velmi dostupný v širokém spektru
průřezů. Bez problémů
kupuji pouze přířezy, nemusím kupovat celé
šestimetrové délky
a je i cenově příznivý.
-svařování metodou TIG zaručuje
mimořádnou pevnost svárů při
dokonalé vizuální kontrole provedeného
svaru. Ať už svářečem,
mnou a nebo i Technickým komisařem. A to
právě proto, že je
stále obnažen a nezakrývá ho vrstva barvy a
nebo i tmelu.
- trubky nekorodují zvenku, ani zevnitř. Nedochází
tedy časem
k nekontrolovatelnému oslabení konstrukce
korozí na vnitřní
straně profilů, jako u ,,černé oceli,,
Ceny trubek 20/2 v délce 1m vč DPH pro maloodběratele:
11343 - svařovaná
11353 - přesná bezešvá
17240 - svařovaná TIG
15130 - bezešvá
26,-Kč
85,-Kč
Ferona
Ferona
106,-Kč
Metalsteel
cenu nejsem schopen specifikovat, cena je navíc podmíněna
odebíraným množstvím.
Někdo by se mohl podivovat nad tím, proč se nerezová ocel 17240, když má tolik předností na výrobu
rámů, nepoužívá běžně. Zejména vlivem velikého podílu legujících prvků, které mají jinou hodnotu
tepelné roztažnosti, se při lokálním zahřátí roztahuje a při následném ochlazení zase stahuje. Tím
vzniká poněkud nevyzpytatelné chování a materiál se asi čtyřikrát více deformuje, než "černá ocel".
Technologii svařování nerezových prostorových rámů je obtížnější zvládnout, než v případě běžné
uhlíkové a nebo chrommolybdenové oceli. Před svařováním je třeba klást větší nároky na slícování
jednotlivých dílů. Za tím účelem jsem si třeba já nejprve sestrojil speciální vybrušovací brusku, na které
jednotlivé rádiusy vybrušuji ve vysoké toleranci. Další zvýšené požadavky je třeba klást na výrobu
svařovacích přípravků.
Je však důležité podotknout, že případné tvarové změny vzniklé při svařování se dají následně upravit
a nemají žádný vliv na pevnost svárů. Ocel je pořád "ZARUČENĚ SVAŘITELNÁ"
A dalším důvodem je, že nerezový rám každý pozná, že je nerezový a třeba i magnetem. Tedy obavy z
formulací v příloze "J". Zatímco rám z "chrommolybdenu" je pořád jen "černé a nenápadné železo"...
Výjimky pro Racer Buggy 125 a 250 v NSŘ:
Asi i proto, že si technici, kteří tvořili výjimky pro RB, některé tyto mnou uvedené skutečnosti již dávno
uvědomili, vznikly některé výjimky, které se týkají stavby rámů třídy 125 a 250. Je dobře, že ing.
Stránským vedená aktivita má tyto výjimky dále konkretizovat a posílit.
Ve stávajících NSŘ v čl 21.2 a 21.3 je uvedena výjimka nejen pro velikost použitých trubek pro stavbu
rámu, ale je zde i další doplňující formulace.
Cituji: Doporučená specifikace trubek: Trubka bezešvá, tvářená zastudena s běžnými úchylkami dle
ČSN 426710.42 nebo přesná dle ČSN426711.42. mat 11523.0 , mat 11353.1, nebo lepší se zaručenou
svařitelností.
Jak jsem již uvedl, v příloze "J" je striktně nařízena pouze trubka bezešvá a pro nás, pro stavbu RB je
pouze doporučená. Navíc případné použití mat. 11523, jak jsem již také uvedl, by bylo z důvodu většího
obsahu Manganu (Mn 1,6%) nemožné. Tedy dle přílohy "J".
Závěr: Asi proto, protože výjimky pro RB vznikaly později, než samotná příloha "J", umožňuje nám použít
již podstatně širší spektrum materiálů, aniž bychom porušili předpisy, než kdybychom dle "J" stavěli
"velikou bugynu". Musíme jen použít trubky z takové oceli, která má vyšší pevnostní charakteristiky,
než uvedené doporučené materiály a tyto musí být zaručeně svařitelné.
Dodatek: A pokud chce někdo jinému před ostatními něco vytýkat, napřed by si měl informace ověřit.
Potom člověka napadá, zda-li cílem není jen vyvolat nejistotu a chaos.
V Brně 19.9.2011
Martin Prokop
Download

Jak je to se zaručenou svařitelností a s ocelí na