Felhasználási területek: hegesztett szerkezet gyártóknak

ISMÉT UGYANAZ A JAVÍTÁS?

"JAVÍTSA MEG ÖRÖKRE" META-LAX-SZAL

Irta: Thomas Hebel
Bonal Technologies, Inc.
Southfield, Michigan USA

Sok fém alkatrész folyamatosan törik annak ellenére, hogy számtalan kísérlet történik a probléma megoldására. A törés bekövetkezhet közvetlenül a hegesztés után, röviddel a használatba vételt követően, emellett ugyanaz a hegesztési terület gyakori javításra szorulhat vagy egyszerűen nem tart addig, amíg az adott alkatrésznek a tervezett képességei szerint működnie kellene.

A REPEDÉS OKA ISMERT

A repedéseket okozó egyik fő ok a maradó feszültség. A maradó feszültség olyan belső nyomás, ami a termikus vagy a mechanikus erőltetett igénybevételt követően jelentkezik. (1) A termikus feszültséget egyfajta hő-sokk (gyors lehűtés) okozhatja a fémben, mint pl. a hegesztés, öntés, gépi megmunkálás és edzés. A mechanikus feszültség oka a szövet szerkezet (szemcsék) formájának kényszerű megváltoztatása, pl. hideg-hengerléskor, hajlításkor és kivágáskor.
A termikus feszültség háromféle problémát okoz:

  • Korai repedések
  • Vetemedés közvetlenül a gépi megmunkálás után
  • Késleltetett deformáció

A mechanikai feszültség, azaz a nem termikus feszültség, viszonylag könnyen kiszámítható és ellenőrizhető. A termikus feszültséggel ellentétben az ilyen vetemedési és elfáradási hiba többnyire előre megbecsülhető és az alkatrész tervezése során figyelembe vehető.

Így tehát a termikus feszültség csökkentése sokkal eredményesebb lehet a munkadarab teljesítménye szempontjából.
Ezért nagyon fontos a termikus feszültség csökkentése.
A repedési problémák csökkentése és megszüntetése érdekében a hegesztett munkadarabokat termikus és mechanikus úton mentesíthetjük a termikus feszültségtől (2). A múltban a feszültségmentesítés általános formája a hőkezelés volt. Bár a hőkezelés hatékony megoldás, több szempontból hátrányos is, úgymint az idő, a költség, a kezelés során keletkező vetemedés, a felületi oxidáció, a mechanikai tulajdonságok változása, valamint a méret-, és súlykorlátok miatt.

Egyéb feszültségmentesítő módszerek kézenfekvő okok miatt nem kerültek széles körű alkalmazásra; a természetes öregítésnek túl nagy az időigénye, a cryogenikus eljárás túlzottan költséges és méretkorlátokba ütközik, a zsugorítás (nyújtás?) és az összenyomás esetében pedig feltétel a munkadarab egyszerű formája.Marad a vibráció. A vibrációs feszültségmentesítést a fenti feltételek egyike sem korlátozza.

Figyelmeztetés: Amennyiben a vibrációs feszültségmentesítést alkalmazzuk, figyelembe kell venni, hogy - hasonlóan a hőkezeléshez - ebben az esetben is több különböző energiaszint lehetséges, de csak egy keskeny sáv tesz lehetővé következetesen hatékony eredményt.

Ez a beszámoló a repedések optimális sub-harmonikus vibrációval való kezelésére fókuszál. Sub-harmonikus vibráció kétféleképpen alkalmazható - feszültségmentesítő eljárásként és hegesztés közben hegesztés kondicionáló eljárásként.

A SUB-HARMONIKUS VIBRÁCIÓS TECHNOLÓGIA

 

A sub-harmonikus vibrációs technológiát a Bonal Tachnologies Inc., Southfield, Michigan cég fejlesztette ki a saját gépgyártó üzeméből (ld. 1. ábra).
Az eljárást, amit gyakran Meta-Lax-nak is neveznek, a termikus feszültségmentesítést helyettesítő eljárásaként fejlesztették ki. Az eljárás sikerének kritériuma az volt, hogy a sub-harmonikusan kezelt alkatrészek teljesítménye elérje vagy meghaladja a hővel feszültségmentesített hasonló alkatrészek teljesítményét.
A folyamatnak két alapelve van:
Feszültségmentesítő frekvenciaként sub-harmonikus energiát kell alkalmazni
A termikus feszültség alatt álló alkatrész harmonikus (rezonancia) görbéje eltolódik, és stabilizálódik egy új frekvencián, miután a hegesztett munkadarabban relaxálódik a termikus feszültség.

A Bonal felfedezte továbbá, hogy ugyanezt az eljárást hegesztés közben alkalmazva a repedéseknek igen ellenálló hegesztés alakul ki, és a hegesztési vetemedés is lecsökken.

MIKOR ALKALMAZZUNK SUB-HARMONIKUS VIBRÁCIÓT
A gyártó és karbantartó üzemek a termelés során egy vagy több alkalommal is használják a sub-harmonikus energiát, az alábbiak szerint:
A hegesztés során
A gyártás után (a gépi előmunkálás, durva megmunkálás előtt, vagy az alkalmazásba vételkor, amennyiben nem volt gépi megmunkálás)
A durva (elő-) megmunkálás és a készre munkálás között, különösen akkor, ha kis tűrésmezők az előírtak
A készre munkált alkatrészeken, sőt az összeszerelt alkatrészeken is használatba vétel előtt
Rendszeres időközönként az alkatrész teljes élettartama alatt, amennyiben melegítés és hűtés hatásának vannak kitéve

A hegesztési repedések esetében a feszültségmentesítés lecsökkenti a korai repedéseket. Korai repedések alatt bármilyen repedést értünk, ami alacsonyabb szinten (korábban) keletkezik, mint a hegesztett termék tervezett teljesítménye.

Miután a sub-harmonikus alkalmazásnak nincsenek negatív kísérő hatásai még a késztermék esetében sem, alkalmazását a leginkább előre látható repedési és vetemedési problémák előtt mérlegelni kell. Nagyon fontos az a tényező, hogy a sub-harmonikus feszültségmentesítés NEM változtatja meg észrevehetően a kezelt munkadarab mechanikai tulajdonságait. Amikor a hegesztett alkatrészeket hőkezeléssel feszültségmentesítjük, az anyag általában 10-35% keménység csökkenést szenved el. Összehasonlítás képen, ha sub-harmonikus feszültségmentesítést használunk a hőkezelés helyett, a hegesztett elemek esetében legalább 10-35% keménységi előnyhöz jutunk.
Figyelmeztetés: Amennyiben sub-harmonikus energiát használunk feszültségmentesítésre, csak a feszültségmentesítés előnyeinek elérése várható, nem pedig a hőkezelés során bekövetkező mechanikai tulajdonság-változások és a vetemedett részek kiegyenesítése. Amennyiben a lágyítás, vagy a kiegyenesítés a cél, akkor hőt kell alkalmazni.
Figyelmeztetés: Kifejezetten mechanikai feszültség alatt álló alkatrészek esetében ez az eljárás nem jó feszültségmentesítési eljárás.
Amennyiben a fém alkatrész kifejezett érzékenységet mutat a repedésre (mint pl. repedés keletkezése lehűtéskor, vagy az alkalmazott keménység csak egy hányada a tervezett keménységnek), feltétlenül ajánlott a sub-harmonius eljárás alkalmazása közvetlenül a hegesztés során. Ezt az eljárást "sub-harmonikus hegesztés-kondicionálásnak" nevezik. A sub-harmonikus hegesztés-kondicionálás repedésnek, vetemedésnek, torzulásnak ellenálló hegesztési területet eredményez, és mindez fennmarad a hegesztett elemek használati életciklusa alatt.

1. sz. szabály: SUB-HARMONIKUS ZÓNA

A fém alkatrészek indukált energia hatására harmonikus (rezonáns) reakciókat mutatnak (2. sz. ábra). Harmonikus (rezonancia) görbe akkor keletkezik, ha a gerjesztett alkatrész nem képes elnyelni több energiát az induktortól, és válaszként az arányostól eltérő amplitúdó elmozdulás következik be.

A Bonal felfedezte, hogy az az optimális frekvencia, ami megfelelő vibrációs energiát biztosít a feszültségmentesítéshez, a harmonikus (rezonancia) görbe kezdetén és közvetlen környékén van. A harmonikus (rezonancia) görbe világosan meghatározza a sub-harmonikus zónát. A sub-harmonikus zóna a harmonikus (rezonancia) görbe első alsó 1/3 része.

1987-ben Richard Skinner, PE, a Lockheed Missiles and Aerospace-től matematikailag is bebizonyította, hogy vibrációs feszültségmentesítésre a harmonikus (rezonancia) csúcsnál kicsit alacsonyabb frekvenciát kell alkalmazni (3).
Figyelmeztetés: A sub-harmonikus eljárás élesen különbözik más vibrációs technikáktól, amelyek a rezonancia görbe csúcsához tartozó frekvencia használatával próbálnak feszültségmentesíteni. Ez a feszültségmentesítési energiaszint megrongálhatja a struktúrát és csaknem mindig ellentmondásos, nem konzisztens eredményekhez vezet (4).
Amennyiben a munkadarab feszültségmentesítésére vibrációt alkalmazunk, a kezelőnek meg kell vizsgálnia a munkadarabot, hogy meghatározza a harmonikus csúcsfrekvenciát, majd ennek ismeretében be kell állítania a feszültségmentesítéshez alkalmas frekvenciát a sub-harmonikus zónában. A kezelés időtartama általában 15 és 30 perc között változik a munkadarab súlyától és anyagától függően.

2. sz. szabály: ELTOLÓDÁS

Minden fém alkatrész rendelkezik egy természetes harmonikus (rezonancia) csúccsal. Amennyiben az alkatrész termikus sokkhatásnak volt kitéve a megmunkálás alatt (ami a maradó feszültség oka), a rezonancia (harmonikus) csúcs egy természetellenes frekvencia helyen lesz. Sub-harmonikus vibráció alkalmazása esetén az alkatrészben semlegesítődik a hőfeszültség. Ebben az esetben a rezonancia csúcs eltolódik és stabilizálódik egy új frekvencia zónában. Ez a természetes rezonancia frekvencia.
Ez elképzelhető a lehangolódott hangszer analógiáján (termikus feszültség). Miután a hangszert felhangoltuk, ismét a természetes hangokat halljuk (feszültségmentes állapot).
A Bonal az első szabály alkalmazása során azonnal felfedezte ezt a jelenséget. Miután a rezonancia (harmonikus) görbe az új helyen stabilizálódott, a feszültségmentesítés előnyei konzisztens módon megmutatkoztak.
T.E. Wong és G.C. Johnson a University of California-Berkley professzorai 1987-ben megjelentetett cikkükben matematikai úton kimutatták, hogy a rezonancia görbe maradó feszültség miatti eltolódása, áthelyeződése, alkalmas lehet a feszültség megszűnésének igazolására (5).
Mivel a rezonancia görbe elmozdul, a kezelőnek rendszeresen ellenőrzéseket kell végeznie. Minden elmozdulás után a kezelő átállítja a feszültség mentesítő frekvenciát az új görbének megfelelő sub-harmonikus zónára, és elindítja a műveletet még 5-10 percre. Gyakorlatilag nem történik további elmozdulás. Az újabb ellenőrzés eredménye megegyezik az előzőével. Amennyiben ez bekövetkezik, a feszültségmentesítés a vibrációs induktor hatókörzetében elvégzettnek minősíthető. Ha a kezelendő hegesztett tárgy mérete túl nagy (nagyobb mint 15 láb - 5 m), a vibrációs induktor egy vagy több áthelyezése szükséges annak érdekében, hogy a feszültségmentesítés a tárgy minden részében megtörténjen.

SUB-HARMONIKUS HEGESZTÉS-KONDICIONÁLÁS

Amikor a sub-harmonikus feszültségmentesítést közvetlenül hegesztés közben alkalmazzuk (sub-harmonikus hegesztés-kondicionálás), az eredmény a hegesztés szemcseméretének finomodása lesz. Ez további előnyöket eredményez:

  • Kevesebb hegesztési repedés
  • Megnő a kifáradási élettartam
  • Csökken a hegesztési vetemedés
  • Csökken a porozitás

A sub-harmonikus hegesztés-kondicionállás további vizsgálata a következő eredményeket mutatta:

    • Mélyebb hegesztési behatolás
    • Csökken az átégetés és a porozitás
    • Egyenletesebb hegesztési varrat?
    • A hegesztő anyag ellenőrzése, irányítása egyszerűbbé válik minden helyzetben, és
    • Csökken a kifröccsenés.

A U.S. Department of Energy támogatásával 1989-ben elkészült egy tanulmány, amely a sub-harmonikus folyamatot, valamint kontrol mintadarabokat vizsgált összehasonlítva a hőkezeléses feszültségmentesítéssel. A sub-harmonikus eljárást mindkét formában alkalmazták: úgy mint feszültség mentesítést, és a hegesztési folyamat közben, mint hegesztési-kondicionálást. A vizsgálat megállapította, hogy "egyértelmű, hogy a Meta-Lax (sub-harmonikus) rendszer teljesítménye egyenértékű és összevethető a hőkezeléses feszültségmentesítéssel az A-36 szénacél esetében (6)." Az alábbiakban egy összefoglaló táblázatban bemutatjuk a DOE saját műszaki kiadványában (Tech Brief) ismertetett eredményeket (7).

Általában, amikor a fémeket hegesztik, a hegesztett terület és a hőhatásnak kitett zóna hajlamos a repedésekre. Abban az esetben, ha a hegesztés során a sub-harmonikus hegesztés-kondicionálást alkalmazzuk, a teljes hegesztett alkatrész kifáradásos élettartama jelentősen megnövekszik. Ez három okra vezethető vissza:

  • Finomabb hegesztési szemcse szerkezet. Ennek következményeként a hegesztett fém jobban ellenáll a repedéseknek, mint a nem kezelt (3. és 4. sz. ábrák).
  • Kisebb maradó feszültség a hőhatásnak kitett zónában. Mivel az olvadék szilárdulási rátája lecsökken, a hozamanyag egyenletesebben szilárdul meg teljes keresztmetszetében. Ez csökkenő vetemedés formájában jelentkezik, ami alacsony maradó feszültséget jelent a hőhatásnak kitett zónában. Ebből következően a hőhatásnak kitett zóna jobban ellenáll a repedezésnek, mint a hegesztés-kondicionálással nem kezelt hőhatásnak kitett zóna.
  • Az alapanyag feszültségmentesítése. Miközben a hegesztés tart, az alapanyagon is végbemegy a feszültségmentesítés. Ez az alapanyagot ellenállóvá teszi a korai repedésekkel, törésekkel szemben.

 

Miközben a hegesztés során sub-harmonikus vibrációs energiát alkalmazunk, három lépés javasolt:

  • A hegesztést megelőző feszültség-mentesítés, amely az egyébként alkalmazott teljes feszültség-mentesítésnek 1/2-2/3 idejéig tart.
  • Hegesztés-kondicionálás: a frekvenciát a rezonancia frekvencia görbe alsó szakaszának értékére kell beállítani és tartani a kezelés alatt, a hegesztés befejezéséig.
  • A hegesztés utáni lehűtés addig tartson, amíg a hegesztés utolsó területe is lehűl  200 oF alá.

1. sz. táblázat: Összefoglaló adatok a DE-FG01-89CE15412 Jelentésből


A-36 alacsony carbon tartalmú szén acél 30 nap pihentetés után

Hegesztés után

Meta-Lax a hegesztés alatt

Meta-Lax a hegesztés után

Termikus feszültség mentesítés

Húzószilárdság
(psi)

77,250

76,450

76,750

66,750

Charpy-hegesztés
(ft-lbs)

36.3

37.2

31.7

21.5

Charpy-hőhatásnak kitett zóna HAZ
(ft-lbs)

6.4

11.2

12

14.1

GYAKORLATI EREDMÉNYEK

A National Steel, Great Lakes Steel Divisonnál immár történelmi problémaként kezelték az elöl-hátul töltős edények töréseit (5. sz. ábra). A rozsdamentes T-1 anyagból készült élek, amelyeket alacsony carbon tartalmú acél edényhez hegesztettek, még 2 hónapot sem üzemeltek, amikor már kialakultak a rideg repedések. A 450-500 oF előmelegítés, a gondos tisztítás és a hegesztő mérnökök ajánlása szerinti sorrendben végzett hegesztés ellenére a rideg törések makacsul megmaradtak.

1991-ben a Great Lakes Steel a töltő edények javító hegesztése során elkezdte alkalmazni a sub-harmonikus hegesztés-kondicionálást. Marian Pittman hegesztő üzemvezető szerint: "egyáltalán nem tapasztalunk repedéseket a hegesztési területeken. Az élek előbb használódnak el, semmint eltörnének. Több mint 10 hónapot üzemelnek." Sikerült megnövelniük az élek hosszát is 5 inchről 8 inchre. Ennek eredményeként az edények használati ideje az új élek felhegesztéséig meghaladja a 14 hónapot.
Mr. Pittman további változásokat is megfigyelt, amióta alkalmazzák a sub-harmonikus hegesztés-kondicionálást. "Most már csak 125-200 oF előmelegítést alkalmazunk a hegesztés előtt, amit könnyen el tudunk végezni egyszerű hegesztő pisztollyal is. A hegesztés utáni vetemedések is csökkentek."
A Great Lakes Steel nem használ mindenre hegesztés-kondicionálást. Számos hegesztett szerkezetet a hegesztés után feszültségmentesítenek sub-harmonikus vibrációval. A "csésze gyűrű" egy kb. 12 láb - 4 m átmérőjű hegesztett gyűrű, amely a kemence szájnyílására van felszerelve, hogy megvédjen az öntés közbeni kifröccsenésektől. Ezt feszültségmentesítik, hogy elkerüljék a korai repedéseket. Mr. Pittman megjegyezte, hogy "régen a csésze gyűrűk mindig meghullámosodtak az extrém hőmérsékleti körülményektől. Ki kellett égetnünk, mielőtt lecseréltük őket. Most, miután alkalmazzuk a Meta-Lax feszültség mentesítést, a csésze gyűrűk megtartják sík formájukat a magas hőmérsékletek ellenére, és így is maradnak, míg el nem jön a csere ideje."
Build-A-Mould, Ltd. Oldcastle, Kanada folyamatos rideg töréseket tapasztalt a fröccsöntő gépekhez gyártott, 10,000 lb súlyú lapok gyártásakor a hegesztés utáni lehűtés során (7. sz. ábra). Horst Schmidt elhatározta, hogy alkalmazni fogják a Meta-Lax hegesztés-kondicionálást. Így emlékezik: "már az első 15 percben repedésmentesek voltak a hegesztések! Miután alkalmazzuk a sub-harmonikus vibrációt a hegesztés során, a hegesztő bármilyen sorrendben hegeszthet, ahogy akar. Javulást tapasztaltunk a hegesztés folyamatában, még a szűk helyeken is." Mr. Schmidt így összegezte tapasztalatait a Meta-Lax kapcsán: "A Meta-Lax alkalmazásával nagy sikereket értünk el a hegesztés minőségének javítása területén."

Összefoglalás

A múltban a természetes öregítést és a hőkezeléses eljárást használták a fém hegesztett alkatrészek feszültségmentesítésére. Ma már a Meta-Lax  sub-harmonikus vibrációs energia alkalmazása bebizonyította, hogy gyors, gazdaságos és ugyanolyan hatékony, mint a korábbi eljárások. A feszültség-mentesítésen túlmenően a sub-harmonikus eljárás közvetlenül a hegesztés során alkalmazható, a repedéseknek és vetemedéseknek jelentősen ellenálló hegesztett anyag előállítására. A Sub-harmonikus eljárás hatékonysága igazolást nyert a laboratóriumban, matematikai számítások alapján szakmérnökök által és az üzemi alkalmazások során olyan cégeknél, mint a National Steel és a Build-A-Mould.

Szakirodalmi hivatkozások

  • Lawrence Van Vlack, "Elements of materials Science",2nd Edition, Addison-Wesley,1967, p407.
  • Leonard P. Connor, "Welding handbook", Welding Technology, 8th Edition, AWS, 1989, p219.
  • Richard Skinner, PE, "An Investigation into theTheory Behind Sub-resonant Stress Relief," 1987, p10.
  • D.L. Cheever and E.W. Rowlands, "Vibrational Conditioning and Weldments: An exploratory Study," Control of Distortionand Residual Stress in Weldments, ASM, 1977, p22.
  • T.E. Wong&G.C. Johnson, "Ultrasonic Evaluation of the Nonlinearity of Metals from a Design Perspective," 1987, p15.
  • Richard Holdren, PE, "The Meta-Lax Method of Stress Reduction in Welds," U.S. DOE DE-FGO1-89CE15412, 1990, p33.
  • David Wilkinson, Meta-Lax Sterss Relief Process," Dept. Of Energy Tech Brief, SEMA, 1995.