ZVÁRANIE
ZVÁRANIE VYBRANÝCH KOMBINOVANÝCH OCELÍ
DISKOVÝM LASEROM
V súčasnosti sú na materiály kladené zvýšené poiadavky. V mnohých prípadoch daný materiál nie je schopný poskytnúť
komplex poadovaných vlastností. Z uvedeného dôvodu je potrebné zaoberať sa zváraním kombinácie kovov. Zváranie
kombinovaných kovov laserom prináša viaceré problémy súvisiace predovšetkým s rozdielnymi fyzikálnymi, chemickými
a mechanickými vlastnosťami zváraných materiálov [1,2]. TEXT/FOTO ING. MIROSLAV SAHUL, PHD., ING. MARTIN SAHUL, PROF. ING. MILAN TURŇA, CSC. IWE,
MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA STU, ÚSTAV VÝROBNÝCH TECHNOLÓGIÍ, TRNAVA FOTO ARCHÍV TRUMPF
Z
varové spoje kombinovaných ocelí sa používajú najmä v energetickom priemysle. Napr. v tlakovodnom jadrovom reaktore
sa zvary kombinovaných ocelí aplikujú za účelom spojenia tlakovej nádoby reaktora z nízkolegovanej ocele so systémom potrubí z nehrdzavejúcej ocele [3].
Zváranie kombinovaných ocelí je v súčasnosti predmetom výskumu na
celom svete. Na Iranian National Centre for Laser Science and Technology bolo realizované zváranie pulzným Nd:YAG laserom nízkouhlíkovej
ocele (s označením DIN 1.1010) s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou
(AISI 304 L). Zvárané ocele mali hrúbku 0,8 mm, pričom boli usporiadané v preplátovanej konfigurácii. Ako horný plech sa zvolila austenitická
CrNi nehrdzavejúca oceľ. Autori dokumentovali asymetrický tvar zvarového kovu (ZK). Objem ZK bol v oblasti austenitickej CrNi nehrdzavejúcej ocele väčší [4].
N. Arivazhagan a kol. sa zaoberali zváraním ocele AISI 304 s nízkolegovanou oceľou (AISI 4140). Na zváranie uvedenej kombinácie ocelí použili GTAW, zváranie trením a elektrónovým lúčom. Zvary vyhotovené elektrónovým lúčom vykazovali najvyššiu pevnosť v ťahu (Rm = 681 MPa) [5].
Changheui Jang a kol. študovali mechanické vlastnosti zvaru nízkolegovanej ocele s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 316). Pred
samotným zváraním boli na nízkouhlíkovú oceľ navarené 2 vrstvy zliatiny Inconel 82 ručným GTAW. Zvyšná časť bola vyplnená prídavným materiálom Inconel 182 (ROZ) [6]. G. F. Li a kol. študovali vplyv tepelného
spracovania po zváraní na korózne praskanie pod napätím zvaru kombinovaných ocelí [3]. Alenius a kol. analyzovali zvary vyhotovené bodovým odporovým zváraním austenitickej nehrdzavejúcej ocele (AISI 301
LN a AISI 304) s pozinkovanou oceľou ZStE260BH. Materiál elektród
bol CuNi2Be. Mikroštruktúra v oblasti zvarovej šošovky bola úplne martenzitická. Únavová pevnosť bodového zvaru sa zvyšovala so zvyšovaním
hrúbky plechov [7].
Jamasri a kol. študovali bodové odporové zvary nízkouhlíkovej ocele s austenitickou nehrdzavejúcou oceľou. Hrúbka nízkouhlíkovej ocele
(SS400) bola 3 mm a austenitickej CrNi ocele (SS304) 1 mm. Na vyhotovenie zvaru boli použité nasledovné parametre zvárania: zvárací prúd Izv
= 4,7 kA, čas zvárania t = 20 periód a prítlačná sila F = 6 kN. Štruktúra zvarovej šošovky bola obdobne tvorená martenzitom [8].
Autori z Department of Mechanical Engineering, Trakya University, Turecko riešili zváranie trením uhlíkovej ocele (AISI 1040) s austenitickou
nehrdzavejúcou CrNi oceľou (AISI 304) [9].
Údaje, ktoré sa týkajú zvárania kombinácie nízkouhlíková oceľ s austenitickou nehrdzavejúcou CrNi oceľou laserovým lúčom sú v súčasnosti stále obmedzené. Príspevok sa zaoberá analýzou zvarových spojov kombinovaných ocelí vyhotovených diskovým laserom.
Tab. 1 Chemické zloenie ocele AISI 321 [hmot. %]
Tab. 2 Chemické zloenie ocele DC 01 [hmot. %] Oceľ C Mn P S Si
NÁVRH LASERA NA ZVÁRANIE
Na zváranie bol použitý pevnolátkový diskový laser TruDisk 8002 (obr. 1)
s vlnovou dĺžkou  = 1,030 μm a maximálnym výkonom 8 kW. Experimentálne zvary boli vyhotovené v spolupráci so spoločnosťou Prvá Zváračská, a. s. v Bratislave.
Dôvodom aplikácie pevnolátkového lasera TruDisk 8002 je kratšia vlnová dĺžka , ktorá je charakteristická vyššou absorpciou žiarenia kovmi.
Okrem toho, bola do úvahy vzatá aj vysoká účinnosť lasera, čo priaznivo
prispieva k zníženiu celkových nákladov na produkciu zvarových spojov.
Obr. 1 Diskový laser TruDisk 8002 od firmy TRUMPF
PARAMETRE A PODMIENKY ZVÁRANIA
Tupé zvary kombinovaných ocelí boli vyhotovené pri rôznych parametroch zvárania. Boli použité výkony lasera z intervalu P = 1,0 až 2,0 kW.
Rýchlosť zvárania bola zvolená v intervale vzv = 15 až 35 mm/s. Parametre zvárania kombinovaných ocelí AISI 321 s DC 01 sú uvedené v tab. 3.
CHARAKTERISTIKA ZVÁRANÝCH MATERIÁLOV
V rámci experimentu bola navrhnutá produkcia tupých zvarových spojov. S cieľom využitia kombinácie vlastností rôznych ocelí sa pristúpilo ku
zváraniu kombinovaných ocelí. Ako základné materiály boli zvolené austenitická CrNi nehrdzavejúca oceľ AISI 321 (stabilizovaná Ti) a nízkouhlíková oceľ DC 01. Hrúbka zváraných kovov je 2 mm. Chemické zloženie
ocelí AISI 321 a DC 01 je uvedené v tab. 1 a 2.
20
Tab. 3 Parametre zvárania kombinácie ocelí AISI 321 – DC 01
ENGINEERING.SK
Ako ochranný plyn bol navrhnutý Ar (tlak plynu p = 0,2 MPa) s čistotou
4.6. Zváralo sa bez použitia prídavného materiálu. Ohnisková vzdialenosť
bola vo všetkých prípadoch konštantná f = 200 mm. Fokusácia laserového lúča bola na povrch zváraných ocelí. Priemer stopy laserového lúča bol Ř 400 μm. Žiarenie bolo zo zdroja TruDisk 8002 transportované
na miesto technologického spracovania kovov optickým káblom s označením LLK-D 04/20 m (Laser Licht Kabel) s priemerom vlákna Ř 400 μm
a dĺžkou 20 m.
Na vyhodnotenie kvality zvarov kombinovaných ocelí sa použila optická mikroskopia, meranie mikrotvrdosti cez rozhranie zvarových spojov
a EDX mikroanalýza. Kvalitatívna fázová analýza bola vykonaná EBSD
analýzou.
zvaru kombinácie ocelí AISI 321 – DC 01. Možno pozorovať priebeh zmeny koncentrácie Cr a Ni v smere z ANO cez ZK a oceľ DC 01. Zvar bol vyhotovený pri najmenšom tepelnom príkone.
VÝSLEDKY
Na obr. 2 sú dokumentované makroštruktúry vyhotovených zvarových
spojov kombinácie ocelí DC 01 – AISI 321.
Zvarové spoje majú asymetrický charakter. Uvedená skutočnosť súvisí
s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami zváraných ocelí. Vo všetkých prípadoch bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouhlíkovej ocele DC 01.
Obr. 4 Zvarový spoj kombinácie ocelí AISI 321 – DC 01 (P = 2 kW, vzv = 15 mm/s)
a priebeh zmeny koncentrácie prvkov Cr a Ni cez zvar
DC 01
a)
AISI 321
DC 01
AISI 321
b)
Obr. 2 Makroštruktúra vybraných zvarov kombinovaných ocelí AISI 321 – DC 01
a) P = 2,0 kW, vzv = 30 mm/s, b) P = 2,0 kW, vzv = 20 mm/s
V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných ocelí
bolo realizované meranie mikrotvrdosti cez rozhrania zvarov. Bol dokumentovaný nárast tvrdosti smerom zo základného materiálu (nízkouhlíkovej ocele DC01) cez TOO až po maximálne hodnoty namerané v ZK.
Maximálne hodnoty mikrotvrdosti boli v prípade všetkých tupých zvarov
zistené v oblasti ZK (obr. 3).
ZÁVER
V príspevku sú analyzované zvarové spoje kombinovaných ocelí AISI 321
a DC 01. Hrúbka základných materiálov bola 2,0 mm. Uvedená kombinácia materiálov má uplatnenie najmä v energetickom priemysle. Na základe analýzy makroštruktúr tupých zvarov možno konštatovať, že zvary
majú asymetrický tvar. Táto skutočnosť súvisí s rozdielnymi vlastnosťami
zváraných ocelí. Zároveň bola pozorovaná širšia TOO na strane nízkouhlíkovej ocele DC 01. V TOO na strane ocele DC 01 bolo dokumentované
zjemnenie feritického zrna. Pri meraní mikrotvrdosti naprieč zvarovými
spojmi boli maximálne hodnoty mikrotvrdosti zistené v ZK. Detailnejšie
štúdium zvarových spojov bolo vykonané EDX analýzou. Bol zaznamenaný priebeh zmeny koncentrácie prvkov Cr a Ni naprieč zvarovým spojom.
Bol dokumentovaný pokles koncentrácie Cr a Ni v smere z austenitickej CrNi nehrdzavejúcej ocele cez zvarový spoj až k nízkouhlíkovej oceli
DC 01. V ďalšej fáze hodnotenia kvality zvarových spojov kombinovaných
ocelí sa budú realizovať korózne skúšky. »
Príspevok je súčasťou riešenia projektov VEGA MŠVVŠ SR a SAV 1/2594/12
a 1/1035/12.
a)
b)
Obr. 3 Priebeh mikrotvrdosti naprieč vybranými zvarmi kombinovaných ocelí
AISI 321 – DC 01 a) P = 2,0 kW, vzv = 30 mm/s, b) P = 2,0 kW, vzv = 20 mm/s
WELDING OF SELECTED COMBINATED STEELS
WITH DISC LASER
The contribution deals with laser welding of dissimilar
steels. The welded steels were CrNi stainless steel stabilized
with Ti (AISI 321) and structural low carbon steel (DC 01).
The thickness of welded steels was 2.0 mm. Weld joints were
produced by TruDisk 8002 disk laser. Welding parameters
and conditions were as follows: laser powers 1 to 2 kW,
welding speed 15 to 35 mm/s, spot size ø 400 μm, focusing on
the surface of welded materials, Ar shielding gas, butt joint
without welding gap. Weld joints were produced without
use of filler metal. Quality control was evaluated by optical
microscopy supported by microhardness measurement
perpendicular to the weld joint interface. EDX and EBSD
analysis were used for more detailed study of weld joints.
The corrosion tests dealing mainly with the structural
stability of the weld metal are currently underway. •
S cieľom detailnejšieho štúdia zvarových spojov bola realizovaná EDX
analýza. Na obr. 4 je uvedené miesto vykonania EDX analýzy tupého
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/2013
21
ZVÁRANIE
» LITERATÚRA:
[1] HALDAR, A., SUWAS, S., BHATTACHARJEE, D.: Microstructure and Texture in Steels: And Other Materials. London: Springer, 2009. 488 p. ISBN
978-84882-453-9
[2] KOLÁŘ, V., BREZINA, M., VESELÝ, P., DUNOVSKÝ, J., KOLAŘÍK, L.: Heterogenní svarové spoje ve výrobě kolejových vozidel. In Svařování,
dělení, spojování materiálů. 2007, roč. V (IX), č. 5-6, s. 28-31. ISSN 1212-4044.
[3] LI, G. F., CHARLES, E. A., CONGLETON, J.: Effect of Post Weld Heat Treatment on Stress Corrosion Cracking of Low Alloy Steel to Stainless
Steel Transition Weld. In Corrosion Science, 2001, Vol. 43, No. 10, p. 1963 – 1983.
[4] TORKAMANY, M. J., SABBAGHZADEH, J., HAMEDI, M. J.: Effect of Laser Welding Mode on the Microstructure and Mechanical Performance
of Dissimilar Laser Spot Welds between Low Carbon and Austenitic Stainless Steels. In Materials and Design, 2012, Vol. 34, p. 666 – 672.
[5] ARIVAZHAGAN, N., SINGH, S., PRAKASH, S., REDDY, G. M.: Investigation on AISI 304 Austenitic Stainless Steel to AISI 4140 Low Alloy Steel
Dissimilar Joints by Gas Tungsten Arc, Electron Beam and Friction Welding. In Materials and Design, 2011, Vol. 32, No. 5, p. 3036–3050.
[6] JANG, CH., LEE, J., KIM, J. S., JIN, T. E.: Mechanical Property Variation within Inconel 82/182 Dissimilar Metal Weld between Low Alloy Steel
and 316 Stainless Steel. In International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2008, Vol. 85, No. 9, p. 635–646.
[7] ALENIUS, M., POHJANNE, P., SOMERVUORI, M., HÄNNINEN, H.: Exploring the Mechanical Properties of Spot Welded Dissimilar Joints for
Stainless and Galvanized Steels. In Welding Journal, 2006, p. 305 – 313.
[8] JAMASRI, ILMAN, M. N., SOEKRISNO, R., TRIYONO: Corrosion Fatigue Behavior of Resistance Spot Welded Dissimilar Metal Welds between
Carbon Steel and Austenitic Stainless Steel with Different Thickness. In Procedia Engineering, 2011, Elsevier, p. 649–654. ISSN 1877-7058.
[9] SAHIN, M., AKATA, H. E.: An Experimental Study on Friction Welding of Medium Carbon and Austenitic Stainless Steel Components. In
Industrial Lubrication and Tribology, 2004, Vol. 56, No. 2, p. 122 – 129. ISSN 0036-8792. •
apríl/máj 2013 I 1,95 € (59, – Kč) I ročník 15 I www.stavebnictvoabyvanie.sk
Č A S O P I S ,
S
K T O R Ý M
vaše
Menriéíme
inte ry
viac na
S A
O P L A T Í
S T A V A Ť ,
R E K O N Š T R U O V A Ť ,
B Ý V A Ť .
i nfor mation and inspir ations for the ho tel indus tr y
TIPY PRE
STAVBU
DOMU
str. 40
CONSTANCE LÉMURIA RESORT
– LUXUS V SPOJENÍ
S PRÍRODOU
veľká
predplatiteľská
súťaž
y sen
Orientáln7
Rovnováha
domova
Reportáž:
AVANTGARDA
UPROSTRED VINÍC
ISBN: 978 – 80 – 89532 – 11 – 7
ISSN 1336-0191
viac na www.mediast.sk
www.stavebnictvoabyvanie.sk
byt, ktorý
rý miluje sve
svetlo
minidivočina v meste
inteligentný dom na vidieku
v zdravom dome zdravý vzduch str. 126
titulka april 2013_5.indd 4
Hotelový marketing a online stratégie
Wellness ponúka širokú škálu príležitostí
27.03.2013 17:49:00
SaB STAVEBNÍCTVO
A BÝVANIE
TOP FASHION
JAR/LETO 2013
TOP HOTELIERSTVO
2012/2013
TOP HOTELNICTVÍ
2012/2013
TOP TRENDY
V BÝVANÍ 2013
NÍZKOENERGETICKÉ
EKO BÝVANIE
2012/2013
Informácie a inšpirácie pre SK
hotelový priemysel (ročenka)
Informácie a inšpirácie pre CZ
hotelový priemysel (ročenka)
Bývajte zdravo, moderne
a komfortne. (ročenka)
Nadčasové bývanie,
energetické úspory
(ročenka)
aktuálne vydanie
v hodnote 5,50 €
aktuálne vydanie
v hodnote 5 €
aktuálne vydanie
v hodnote 5 €
Staňte sa súčasťou módneho sveta.
Časopis, s ktorým sa oplatí
stavať, rekonštruovať, bývať.
(dvojmesačník)
ročné predplatné
v hodnote 9,95 €
jar/leto 2013
jeseň/zima 2012/13
v hodnote 3,90 €
jar/leto 2012
v hodnote 2 €
Chýba vám niektoré z predchádzajúcich
vydaní Strojárstvo/strojírenství?
» ADRESA:
Ponúkame vám možnosť doobjednať staršie vydania za zvýhodnenú cenu 2 €
(1 výtlačok + poštovné / dobierka). Len do vypredania zásob!
» KONTAKTNÁ OSOBA (V PRÍPADE FIRMY):
9/2012 3€ / 90 Kč
E N G I N E E R I N G
M A G A Z I N E
T R E N D O V É
I N F O R M Á C I E
»
Ú S P E C H
A
» MENO ODBERATEĽA / FIRMY:
11/2012 3€ / 90 Kč
Z I S K
E N G I N E E R I N G
M A G A Z I N E
T R E N D O V É
I N F O R M Á C I E
»
» TELEFÓN:
Ú S P E C H
A
Z I S K
» FAX:
» IČO:
Novinky v elektrotechnike
OKTÓÓBER
OKTÓBER
2012
POČET
Č KS
KS:
NOVEMBER
NOVEMBER
2012
NAJČÍT
Research
G
Ložisková výroba
Tribológia
w w w.engineering.sk
NAJČÍT
G
Trendy v obrábacích strojoch
ČASOPIS
ČASOPIS
POČET
Č KS
KS:
09
EJŠÍ ST
JÁRSKY
8 588001 710194
AN
RO
Automobilová logistika
SEPTEMBERR
SEPTEMBER
SEPTEMBE
2012
Research
JÁRSKY
Ložisková výroba
RO
Chemický priemysel
EJŠÍ ST
w w w.engineering.sk
» IČ PRE DPH:
AN
» E-MAIL:
POČET
Č KS
KS:
ZÁVÄZNÉ OBJEDNÁVKY ZASIELAJTE NA ADRESU VYDAVATEĽSTVA: MEDIA ST, S. R. O., MOYZESOVA 35, 010 01 ŽILINA
OBJEDNÁVAJTE AJ TELEFONICKY NA 041/56 40 370 ALEBO E-MAILOM: [email protected]
» MIESTO, DÁTUM:
» PEČIATKA, PODPIS:
aktuálne vydanie
v hodnote 2,30 €
STROJE A TECHNOLÓGIE
ÚDRBA STROJNÍHO ZAŘÍZENÍ
– KONCEPCE PŘÍPUSTNÉHO POŠKOZENÍ
Koncepce typu „bezpečný ivot“ prokazuje bezpečný provoz s konzervativními výsledky. Aplikace přístupu „přípustné
poškození“ přináší výhody při návrhu nové konstrukce i při provozu stárnoucí. Vyadována je analýza konstrukce
a identifikována jsou kritická místa. TEXT/FOTO BĚHAL JIŘÍ, ČKD KOMPRESORY
P
o popsání lokálních podmínek a vlastností je navržen systém periodických defektoskopických prohlídek. Pro prohlídky jsou používány prostředky nedestruktivního zkoušení. Ilustrována je případová studie návrhu nápravných opatření pro znovunabytí spolehlivosti
pístového kompresoru.
MOTIVACE
Strojní zařízení v průmyslových technologiích bývají dimenzována pro
provoz v řádu několika let až desetiletí. Provozní zatížení vedou k degradaci integrity konstrukčních materiálů, v naprosté většině kovových. Po
nějaké době vzniká v kritickém průřezu namáhaného dílu únavová trhlina. Při pokračujícím provozu se trhlina šírí tělem dílu a vede k lomu. Pokud je zatížení přenášeno více cestami, může být zatížení dále přenášeno paralelními prvky, které jsou však po porušení prvního již přetěžované
a i jejich životnost je brzy vyčerpána. Následuje havárie zařízení.
Tradičním opatřením bezpečného provozu je vyjmout konstrukci z provozu dříve, než začne narůstat riziko havárie v důsledku stárnutí konstrukce. Takový systém vede ke značně konzervativním výsledkům
a značná část kapacity konstrukce zůstává nevyužita. S rozvojem technologií kontroly a měření je moderní hodnotit konstrukci podle skutečného stavu a provozovat ji až do okamžiku výskytu varovacího stavu, který
těsně předchází havárii.
Tab. 1
fáze únavového života přístup návrhu
iniciace trhliny
bezpečný život
šírení trhliny
přípustné
poškození
lom
bezpečný
při poruše
situace v provozu
únavové poškození materiálu je vyloučeno
šírící se trhlina
poškození primární konstrukce
defektoskopické prohlídky
přenos zatížení několika cestami
prohlídky při údržbe
Obr. 1 Průmyslový kompresor pístového typu
26
METODIKA
Na dané konstrukci je třeba vytipovat kritická místa, která budou spadat
pod hodnocení přípustného poškození. Typicky se jedná o oblasti koncentrace mechanického napětí, jako jsou např. vruby nebo náhlé změny nosného průřezu. V těchto vybraných místech je předpokládán výskyt
poruchy, typicky se jedná o únavovou trhlinu, a stanovena je rychlost jejího šírení během provozu. Mnoho případů lze s dostatečnou přesností
a s přiměřenými náklady řešit analyticky modelem o náhradním průřezu,
pro obecné případy je rozpracována metodou konečných prvků. Uvažovány jsou různé módy lokálního zatížení, obr. 3. Rychlost šírení trhliny je
odvozena od lokální hodnoty faktoru intenzity napětí
{1}
kde  je mechanické napětí v kritickém místě, a je délka trhliny a Y je korekční funkce zohledňující konečné geometrické rozměry tělesa. Pokud
nejsou hodnoty korekční funkce Y známy z publikovaných příkladů a typických úloh, je pro určení hodnoty faktoru intenzity napětí metodu konečných prvků vhodnější alternativa hodnocení tzv. J-integrálu, který je
s K-faktorem svázán vztahem
{2}
kde E a  jsou materiálové konstanty a indexy I až III odkazují příslušný
mód zatěžování trhliny.
Obr. 2 Únavová trhlina v místě oka
Problematice modelování únavových trhlin se věnuje např. [1], [2], [3].
Konstrukční materiál je reprezentován růstovou křivkou, která popisuje závislost rychlosti šírení trhliny na hodnotě rozkmitu faktoru intenzity napětí. Materiálová data je nejlepší naměřit přímo na zkušebních tělesech z daného typu materiálu, nebo lze použít již publikované knihovny.
Křivka se často zjednodušuje do podoby tzv. Parisova vztahu:
ENGINEERING.SK
DEFEKTOSKOPICKÉ PROHLÍDKY
Defektoskopických metod vhodných k detekci únavové trhliny je k dispozici celá řada. Z tradičních například:
• ultrazvuk (objemová metoda),
• vířivé proudy,
• kapilární,
• magnetická prášková,
• vizuální,
• z pokrokových například:
• termokamera, nebo
• akustická emise.
Obr. 3 Zjednodušené modely lokálního zatíení v oblasti trhliny
{3}
kde da je přírůstek délky trhliny po dN aplikovaných cyklech zatížení,
které v místě trhliny vytvářely hodnotu faktoru intenzity napětí K, C a n
jsou materiálové konstanty. Popis oblasti tzv. krátkých trhlin je nejistý,
avšak v praxi je často mimo oblast inženýrských délek trhliny a není třeba
blíže řešit. Naopak, zrychlování růstu trhliny v oblasti vysokých hodnot
K-faktoru, lze zjednodušit do prostého omezení kritickou hodnotou faktoru intenzity napětí KC, neboť tato fáze růstu trhliny je z pohledu doby
života poměrně krátká a její vliv je malý. Principy lomové mechaniky názorně popisuje např. [4].
Interval defektoskopických prohlídek se určuje jako část z vypočítaného období, kdy je trhlina již detekovatelná, ale ještě nedosáhla kritického
stavu. Velikost detekovatelné trhliny závisí na použité metodě nedestruktivního zkoušení, běžně se pohybuje v řádech desetin až jednotek mm.
Výběr defektoskopické metody je dán rozborem nákladů a přínosů. Náklady jsou tvořeny zejména jednorázovou položkou při zavedení:
• přístrojové vybavení,
• kvalifikace personálu,
• vyvinutí specifické procedury/instrukce.
• a následně při každé z opakovaných prohlídek
• odstavení zařízení z provozu,
• příprava pro prohlídku,
• vlastní inspekce,
• znovuuvedení zařízení do provozu.
Přínosy lze vyjádřit pravděpodobností detekce trhliny určité velikosti.
Levnější a jednodušší NDT metody zpravidla vedou na nižší spolehlivost detekce a potřebu častého opakování prohlídek. Někdy je účelná
aplikace prohlídek v několika úrovních s kombinací více metod. Kromě velikosti existující trhliny a metody samotné je pravděpodobnost
detekce významně ovlivněna i pracovními podmínkami v místě provozu. Zde je třeba zohlednit výkon personálu v mnohdy stísněných
podmínkách, stav povrchu zkoušeného objektu již dlouhodobě provozovaného apod. Vykazování příliš vysoké pravděpodobnosti detekce přináší i nežádoucí výskyt chyby tzv. druhého druhu, tedy možnost
falešného alarmu.
APLIKACE
Výhody přechodu na koncepci přípustného poškození lze ilustrovat na
příkladu prodloužení života pístového kompresoru. Analýzou havárie
stroje, který byl provozován daleko za svým návrhovým životem, se kritickým místem ukázalo malé oko ojnice. Protože provozovatel měl zájem
v co nejkratší době prokázat bezpečnost provozu dalších zařízení stejného typu a pokračovat ve své produkci, provedlo se nejdříve rychlé hodnocení situace empirickými vztahy a analytickými nástroji. Určená perioda
prohlídek byla následně upřesněna podrobnějším rozborem s využitím
numerických metod. »
Obr. 4 Určení intervalu prohlídek
Systém periodických prohlídek se u nových konstrukcí spouští překročením určitého prahu, většinou vztaženého k plánované době provozu
a předpokládanému dosažení detekovatelné velikosti defektu v daném
kritickém místě. Pokud je práh vyhodnocen příliš vysoko, jsou konstrukce prohlíženy již dříve, obr. 5.
PREDICTIVE MAINTENANCE OF INDUSTRIAL
EQUIPMENT – APPLICATION OF DAMAGE
TOLERANCE APPROACH
A “safe life” design proves an operation safety with a conservative result. Application of “damage tolerance” approach brings
a benefit in both new structure design as well as an aged one
operation. A structure analysis is demanded and critical areas
are identified. After local condition and features are described,
a system of periodical inspections is submitted. The inspections
use methods of non-destructive testing. A case study of a safety measure proposal for a reciprocating compressor reliability
re-establishment is illustrated. •
Obr. 5 Pokrytí prohlídkami
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/2013
27
STROJE A TECHNOLÓGIE
Obr. 6 Model ojnice pístového kompresoru
mechaniky, ČVUT 2000], aplikace přístupu přípustného poškození byla prezentována na [6].
ZÁVĚR
Aplikací moderních postupů průkazu spolehlivosti lze provozovat strojní
zařízení podstatně déle, než bylo stanoveno dřívějšími konzervativními
přístupy. Atraktivní je i prodlužování života stárnoucích konstrukcí, kdy
lze dočasně nebo i trvale řešit lhůtu pro výrobu a dodání nového zařízení.
Program údržby podle stavu je plánován s uvážením faktorů:
• kritické místo,
• mechanizmus poškozování,
• rychlost rozvoje poškození (růst trhliny),
• detekovatelnost poškození.
Pro dané zařízení je třeba určit:
• prohlížené oblasti,
• výběr defektoskopické metody,
• počátek periodických prohlídek,
• interval prohlídek.
Obr. 7 Únavová trhlina simulovaná v malém oku ojnice
Obr. 8 Odhadované růstové křivky únavové trhliny
» Zavedením hodnocení podle skutečného stavu se podařilo prokázat
bezpečnost pokračujícího provozu zařízení za přijatelných nákladů na
periodické defektoskopické prohlídky kritického místa. Zbývající stroje byly opět uvedeny do provozu v řádech týdnů od havárie prvního kusu. Simulace šírení trhliny je popsána v [4] Kunz, J.: Základy lomové
Praktická aplikace je charakteristická následujícími kroky:
• určení kritické oblasti konstrukce,
• stanovení provozních namáhání,
• výpočet pevnostních charakteristik,
• doba do iniciace,
• rychlost šírení defektu,
• kritická velikost,
• výběr vhodné defektoskopické metody,
• detekovatelná velikost defektu,
• náklady na prohlídku,
• plánování systému provozních prohlídek.
Prezentovaný postup představuje snadnou cestu ke zvýšení užitné
hodnoty mnoha zařízení tím, že budou provozována podstatně delší dobu, než bylo prokázáno původním konzervativním návrhem. Při
aplikaci je, samozřejmě, potřeba jisté opatrnosti, zejména při sestavování modelů a interpretaci dat. Značný rozdíl může být mezi modely vycházejícími z konstrukčních podkladů a reálným stavem zařízení provozovaného několik desítek let. Rovněž použití výpočetní
techniky by mělo být jen pro úsporu času a zvýšení kapacity, implementovaným fyzikálním i matematickým vztahům musí inženýr
dobře rozumět a být schopen kteroukoliv část zautomatizovaného
řešení kontrolovat. Spolehnutí se na výsledky asistovaných analýz
může snadno vést ke zcela nereálným výsledkům a ve svém důsledku i ke škodám. •
ODKAZY
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Bist, S., Kannusamy, R.: Predicting 3-D Fatigue Cracks without a Crystal Ball. ANSYS Advantage Vol.III, Iss.1, 2009
Brooks, C., Honeycutt, K., Domasky, S.P.: Implementing Models and Libraries. Report No.AFRL-VA-WP-TR-2006-3043, AP/ES Inc., 2006
Fatigue Crack Propagation Analysis in ANSYS. CAE Associates 2011
Kunz, J.: Základy lomové mechaniky, ČVUT 2000
Běhal, J.: Crack Growth Simulation in the course of Industrial Equipment Life Extension, 20th SVSFEM ANSYS Users‘ Group Meeting and
Conference 2012, ISBN 978-80-260-2722-5
[6] Běhal J.: Prodlužování života strojních zařízení aplikací periodických defektoskopických prohlídek, Prevádzková spoľahlivosť výrobných
zariadení v chemickom priemysle a energetike, ISBN 978-80-227-3806-4
28
ENGINEERING.SK
STROJE A TECHNOLÓGIE
FROM RESEARCH TO PRACTICE
The objective of project “Testing the suitability of the processing a laboratory
developed biodegradable material by the injection technology and material
preparation for operational tests in the transfer of research results into practice”
consisted in the transfer of research results into industrial practice in the field
of development for biodegradable mixtures based on polymers from renewable
resources. The project continues in the results of research and development
for laboratory mixture based on polylactic acid (PLA) in combination with
polyhydroxybutyrate (PHB). PHOTO: EDITORSHIP SOURCE
he Polymer Institute of the Slovak Academy of Sciences and The
Institute of Polymer Materials of Faculty of Chemical and Food
Technology, Slovak University of Technology collaborate on the
solution of the indicative formula for a mixture of polymers and suitable
additives. On the base of this formula it is possible by variation of the mixture composition in a relatively wide range to modify predominately rheological and physico-mechanical properties of the polymeric material according to a specific technology, as well as according to the requirements
demanded for the finished product. This is a genuine solution, protected
by patent application. An initial level was a formula for mixture of biodegradable plastics with significantly increased ductility and flexibility and
with a relatively large variability of properties according to the requirements of the processor. The composition of mixtures is protected by the
Slovak patent application and the WPT application was also filed. The mixture according to the above-mentioned patent applications was adapted in
the framework of other projects for processing with an extrusion on film
and thermoforming whereby the project beginning the mixture has not
been modified for injection technology. Latter mentioned technology is essential for the production of many products, and requires from the material to have certain special technological parameters. The project was precisely aimed at the detailed solution of this technology.
Biopolymers and polymers, derived from renewable sources of raw materials, are known for their specific properties, not only processing, but also
physico-mechanical ones. It is necessary to solve optimal rheological melt
properties as well as processing stability in the melted state for the successful
introduction of such materials into industrial practice. The main objective
of the project was specified the development, or modification of the developed formula so as to allow processing of the material by injection technology.
The project solution was divided into three phases. In the framework of the
first phase there were prepared 13 mixtures and by the optimization procedure there was chosen an indicative formula, which has got its characteristics
suitable for production the selected prototype of a bottle caps. Subsequently
there were tested rheological properties of the mixture which then were modified to the flow properties meet the demands of injection technology. In
the second phase there was produced enough granulation product from two
types of material potentially suitable for injection. Finally there were performed operational tests of injection in the manufacturing plant.
In the framework of the laboratory development there were prepared 13
mixtures with different proportion of PLA/PHB as well with different concentration of the additives. A planned experiment was chosen as a method
of experimentation, namely the two-factor five-level scheme. Mixtures were prepared in a laboratory twin-screw extruder at an average temperature
of the melt 160 °C. In a single-screw device with a chill roll attachment there were produced foil samples from granulates. These samples were used
for testing the mechanical properties. The rheological measurements were
performed in a capillary rheometer at 180 °C. A viscosity at a shear rate of
1260 s-1 was derived from the flow curves. The mechanical properties there were derived from the yield strength, ultimate tensile strength at break,
Young’s modulus and relative elongation at break.
On the base of measured values of individual property it was found that in the
reference range of the composition there is able to achieve relatively variable
combinations of properties for the studied mixture. The yield strength varies
in a very wide range from 1.0 MPa to 48.8 MPa, which increases with increasing content of PHB and decreases with increasing content of a modifier.
Ultimate tensile strength at break ranges from the value of 9.9 MPa to the
value 35.4 MPa. However, it is important that in either case the relative
elongation at break has not fallen below 279 %. This finding provides very
good toughness of the material in comparison with pure PLA or pure PHB.
The flow curves were evaluated from processing characteristics. These
curves were measured with capillary rheometer and then the measured
apparent flow curves were corrected using Rabinowitsch and Bagley correction. For the optimization experiment there was calculated a viscosity at a shear rate of 1260 s-1from the individual curves. Then this viscosity was evaluated as an output processing parameter.
The above-mentioned experiments and the results showed that the boundaries for mixture composition were chosen appropriately. Because in
the observed range of the experiment there are such mixtures which their mechanical characteristics fully satisfy the essential requirements with
regard to polymers intended for packaging, in particular for the production of injection molded products.
Based on the optimization process there were selected two formulas, the basic optimization criterion was sufficient stability of the relative elongation at
Fig.1: Dependence of the yield strength on the storage time for optimized mixtures
[x-axis – t(hours)]
Fig.2: Dependence of the strength at break on the storage time for optimized mixtures
[x-axis – t(hours)]
T
48
LABORATORY DEVELOPMENT OF MIXTURES BASED ON PLA/HB
ENGINEERING.SK
Fig. 3: The dependence of the relative elongation at break on the storage time of optimized
mixtures [x-axis – t(hours)]
Fig. 4: The flow curves of PP and mixtures No.1 at the various temperatures
In legend: “vzorka” – i.e. sample
break according to standing period. In Fig.1 to Fig.3 there are shown the dependences of the individual properties on the storage time for both samples.
As can be seen from these results, during the test period there is a decrease of the yield strength however there is an increase of the strength at break. According to the keeping a satisfactory ductility of mouldings from this
material it is important that practically there is no change in the relative
elongation at break either after 150 hours of storage, whereas this property
decreases to 5÷10 % within 20÷30 storage hours in the case of PLA.
From the point of view for mechanical properties it is possible to say that
there were successful defined two formulas. These formulas are based on
the biodegradable polymers from renewable sources of raw materials that
potentially meet the requirements for products of packaging technology.
In terms of injection processing technology there was needed in other laboratory development to continue in the testing a suitability of processing parameters. The flow curves of PP were measured for this reason.
PP is commonly used e.g. for injection moulding of caps for some PET
bottles. The measured curves were then compared with the flow curves
of materials which we proposed. Measurement results of the flow curves
for both samples are shown in Fig.4 and Fig.5.
For both samples it is possible to obtain rheological properties which are
very similar of PP, but at substantially higher temperatures than the processing temperature for this type of polymers. That is why it was necessary to find different ways for viscosity decrease as the temperature increases in order to avoid thermal degradation of the biodegradable material.
This modification was performed by means of extra additive, below identified as P. The flow curves are shown in Fig. 6
biodegradable plastics. It is possible to eject mouldings from both mixtures. During the experiments it was shown that injection temperature
can be reduced to 170 °C. It was also necessary to reduce the temperature of the coolant in a mould and to extend cooling time. As well the injection conditions were found that it was possible to inject polymer during running automated mould pressing cycle. In terms of processing the
cooling a mouldings in the mould has proved to be critical. In the future
it will be necessary to optimize the mould temperature and cooling duration. Also, quite often there was a “freeze” of an inlet system. Within the
test the made products showed a sufficient ductility and the satisfactory mechanical properties. In the future it will be necessary to resolve geometry of inlet system as well as a cooling mode of a moulding. Globally the operational tests were evaluated like successful ones. However, it is
necessary to consider a modification of the mould as well as to do a possible adjustment of material formula with respect to a particular product.
TESTING IN OPERATION
Based on the obtained results it can be concluded that in the laboratory
conditions the prepared and optimized mixture meet the required criteria. Subsequently there was performed the industrial verification of processability for these two materials in the operating moulding machine.
For these tests there were produced from 5 to 20 kg for every type of the
mixture in the pilot twin screw extruder.
In the company Esox there were the made mixtures tested for their processing suitability with the injection technology. An injection moulding machine, equipped with a mould of cap for PET bottles, was set
for processing PP. Following the setting of the injection cycle the PP
was exchange consecutively with one and then the other mixture of
Fig. 5: The flow curves of PP and mixtures No.2 at the various temperatures
In legend: “vzorka” – i.e. sample
STROJÁRSTVO / STROJÍRENSTVÍ 5/2013
CONCLUSION
The project objectives are met throughout the intended range. In laboratory conditions there were prepared the mixtures which for their processing properties are suitable for testing at the operational conditions.
The operating experiment showed that the mixtures can be processed
without special difficulties by injection technology at common operating
devices. The success of experiment was confirmed predominately the evidence that the test mixture can also be suitable for a work in the automated mould pressing cycle.
At present it is now possible for a wide variety of products to choose the
most appropriate alternative from formulas that are covered by patent
applications. Project experiences allow each such selected formula modified for injection technology in operating conditions. •
The project was funded by grants of the Ministry of Education, Science,
Research and Sport of the Slovak Republic.
(Prepared – mm– according to Final expertise report of the project.)
Fig. 6: The flow curves of tested material at the various temperatures in comparison
with the flow curves of PP
49
Download

Máj 2013 - Strojárstvo