Spawanie stali typu duplex w budowie pojazdów szynowych

Spawanie stali typu duplex w budowie pojazdów szynowych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Zastosowanie stali nierdzewnych w konstrukcjach pojazdów szynowych rozpoczęło się w latach 30 ubiegłego wieku. W Stanach Zjednoczonych firma Budd Company skonstruowała pierwsze wagony, do budowy których zastosowano stal nierdzewną. Dużą zaletą zastosowania tej grupy stali są m.in. trwałość i łatwość konserwacji. Zalety te spowodowały, że stała się ona standardowym materiałem w przemyśle budowy taboru szynowego w Stanach Zjednoczonych i Japonii a następnie w wielu innych krajach świata.

Obecnie stal nierdzewna posiada szeroki wachlarz zastosowań m.in. w budowie pojazdów dla kolei regionalnych, tramwajów czy wagonów metra. Dobór materiałów oraz wymagań konstrukcyjnych uzależniony jest od warunków w jakich tabor szynowy będzie pracował. Stal tego typu powinna znaleźć zastosowanie tam, gdzie kluczowymi wymaganiami są odporność na korozję, trwałość, odporność na uderzenia, łatwość czyszczenia, konserwacji oraz estetyka pojazdu. Nie bez znaczenia jest również ochrona środowiska i wysoki stopień recyklingu. Mimo że istnieje ponad 200 gatunków stali nierdzewnych, tylko część z nich jest wykorzystywana w budowie pojazdów szynowych.

Szerokie zastosowanie na elementy konstrukcyjne, głównie elementy szkieletu wagonu znalazła stal 1.4003 (EN 10088). Jest to chromowa stal nierdzewna stanowiąca dobrą alternatywę dla stali węglowych w przypadku elementów pracujących w umiarkowanym środowisku korozyjnym. Stal austenityczną 1.4318 oraz 1.4301 wykorzystano w budowie metra DT5 w Hamburgu [1]. Coraz częściej przy wytwarzaniu pojazdów szynowych znajdują zastosowanie stale typu duplex. Stale tego typu stosuje się zarówno na elementy szkieletu wagonu, jak i na odpowiedzialne elementy podwozia. Zastosowanie stali w gatunku LDX 2101 daje konstruktorowi możliwość uzyskania granicy plastyczności o 60% większej od wartości granicy plastyczności dla stali ferrytycznej 1.4003 (tablica 1) oraz o 45% większej wytrzymałości na rozciąganie. Odporność na korozję stali LDX 2101 jest porównywalna z odpornością austenitycznej stali nierdzewnej w gatunku 1.4404 i jest znacząco większa niż stali 1.4003.

W konstrukcjach pojazdów szynowych, oprócz połączeń jednoimiennych stali typu duplex, dość często występują połączenia mieszane stali typu duplex ze stalami S355 czy S500. Istotnym jest więc wybór technologii spawania zapewniający uzyskanie wymaganych własności i klasy jakości spoiny.

Cel i zakres badań

Celem badań był dobór optymalnej technologii spawania dla połączenia stali 1.4462 ze stalą S500MC wg schematu pokazanego na rysunku 1 - wymagana klasa jakości spoiny to CP B wg PN-EN 15085 [5]. Zgodnie z tą normą, dla tej klasy jakości spoiny obowiązuje klasa badania spoiny CT 2. Kwalifikowanie technologii spawania przeprowadzono zgodnie z normami: PN-EN ISO 15614-1 [6] oraz PN-EN 15085 i uzupełniono je badaniami metalograficznymi mikroskopowymi.

Sposób przygotowania do spawania złącza oraz kolejność układania poszczególnych ściegów przedstawiono w tablicy 2.

Złącza wykonano odpowiednio przy użyciu metody MAG (proces 135 z łukiem pulsującym) stosując drut lity G 23 12 L Si oraz metody MAG (proces 136 z łukiem standardowym) z zastosowaniem drutu proszkowego Cromacore DW 329A (tablica 3).

Dla drutu G 23 12 L Si zastosowano, jako osłonę, mieszankę ISO 14175-M12-ArC-2,5 (87,5%Ar +2,5%CO2), natomiast dla drutu T 22 9 3 N L R M/C 3 mieszankę ISO 14175-M21-ArC-18 (82%Ar +18%CO2).

Przeprowadzone badania

Wykonane próbne złącza spawane poddano badaniom nieniszczącym (VT, PT i RT). Dla badanych złączy uzyskano poziom jakości B wg normy PN-EN ISO 5817 [7]. Następnie ze złączy pobrano próbki do badań niszczących.

Zakres badań niszczących obejmował:
  • statyczną próbę rozciągania złącza spawanego (próbki R1 i R2),

  • próbę zginania (rozciąganie strony lica GL1 i GL2 oraz grani GG1 i GG2),

  • badania udarności,

  • badania makroskopowe (próbka MA),

  • badania mikroskopowe (próbka MI),

  • pomiary twardości (próbka MA).
Badania wytrzymałości na rozciąganie

Badano wytrzymałość złącza spawanego na rozciąganie (Rm) oraz przeprowadzono ocenę uzyskanych wyników pod względem wymaganej minimalnej wartość Rm dla materiału rodzimego (MR) - S500MC, która wynosi 550 MPa wg normy PN-EN 10149-2 [8]. Przeprowadzone badania wykazały, że wszystkie złącza spawane uległy zerwaniu poza spoiną, wykazując wytrzymałość na rozciąganie wyraźnie wyższą od minimalnej wartości przewidzianej dla materiału rodzimego (wartość średnia wyznaczona na podstawie dwóch pomiarów). Wyniki próby statycznego rozciągania badanych złączy spawanych zamieszczono w tablicy 4.

Badania udarności spoiny i SWC

Na próbkach Charpy V o standardowym przekroju (10 x 10 mm) wyznaczono wartości pracy łamania spoiny i SWC. Wymagania konstrukcyjne określają minimalną wartość pracy łamania SWC przy użyciu próbek o przekroju normalnym (10 x 10 mm) na poziomie 27J w temperaturze -20oC. Wyniki próby udarności badanych złączy spawanych zamieszczono w tablicy 5. Uzyskane wyniki pracy łamania spoiny i SWC są wyraźnie wyższe niż wartości wymagane przez przywołane powyżej normy.

Próba zginania

Próbę zginania z rozciąganiem lica i grani spoiny wykonano zgodnie z normami
PN-EN ISO 15614-1 i PN-EN 910 [9] przy zastosowaniu trzpienia gnącego o średnicy 70 mm. Według postanowień normy PN-EN ISO 15614-1, kryterium pozytywnego wyniku próby jest uzyskanie kąta gięcia 180o, bez wystąpienia rys i pęknięć na rozciąganej powierzchni próbki. Uzyskane podczas badań wyniki zarówno dla drutu litego, jak i proszkowego (tablica 6) spełniają wymagania ww. normy.

Pomiar twardości złączy spawanych

Pomiary twardości przeprowadzono metodą Vickersa zgodnie z wymaganiami norm PN-EN 1043-2 [10] oraz PN-EN ISO 15614-1. Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN ISO 15614-1 maksymalna twardość dla zastosowanej kombinacji materiałów podstawowych nie powinna przekroczyć 380 HV10. W tablicy 7 przedstawiono rozmieszczenie punktów pomiaru twardości oraz wyniki tych pomiarów. Wszystkie uzyskane wartości są niższe od dopuszczalnych.

Badania metalograficzne makroskopowe

Badania przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN 1321 [11]. Jako kryterium oceny przyjęto poziom jakości B wg normy PN-EN ISO 5817, które zostało spełnione dla badanych złączy próbnych. W tablicy 8 przedstawiono wynik badań metalograficznych makroskopowych w postaci zdjęć makrostruktur.

Wyniki badań metalograficznych mikroskopowych

Badania metalograficzne mikroskopowe przeprowadzone zgodnie z normą PN-EN 1321 nie wykazały żadnych mikropęknięć i potwierdziły prawidłową mikrostrukturę we wszystkich strefach złącza doczołowego wykonanego z kombinacji stali w gatunku 1.4462 + S500MC. W tablicy 9 przedstawiono ich wyniki w postaci zdjęć i opisów struktur występujących w charakterystycznych strefach złącza spawanego dla złącza wykonanego przy użyciu materiału dodatkowego w postaci drutu litego, natomiast w tablicy 10 przedstawiono wyniki dla złącza wykonanego przy użyciu drutu proszkowego.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania pozwoliły na wybór optymalnej technologii spawania badanych połączeń. Za wyborem drutu proszkowego jako alternatywy dla drutu litego przemawiały:
  • mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia niezgodności spawalniczych,

  • równomierne wtopienie,

  • większa wydajność w porównaniu do spawania drutem litym.
Zarówno podczas spawania drutem proszkowym, jak i drutem litym z zastosowaniem łuku pulsującego uzyskano połączenia spawane bez rozprysków. Zastosowanie spawania drutem proszkowym wymagało odpowiedniego przeszkolenia spawaczy. Zadanie to zostało wykonane z powodzeniem, mimo że w pierwszym etapie szkolenia w złączach próbnych pojawiały się nieliczne niezgodności przedstawione na rysunku 2.

Wymagana klasa jakości badanych elementów (CP B wg PN-EN 15085) została potwierdzona na podstawie badań kolejnych podzespołów - klasa badania spoiny CP 2.

W oparciu o ww. normę założono (oprócz 100% badań VT) wykonanie 100% badań penetracyjnych (PT) i radiograficznych (RT) dla pierwszych 5 sztuk zespołów w serii. Ponieważ wyniki badań NDT były pozytywne, to kolejne zespoły badano przy założeniu 25% badań na wykrywanie pęknięć powierzchniowych i 10% badań objętościowych RT. Założono również, że w przypadku uzyskania negatywnych wyników badań PT lub RT dla kolejnych podzespołów, częstotliwość badań powróci każdorazowo do założeń początkowych.

Wnioski
  • W wykonanych połączeniach spawanych nie stwierdzono występowania niezgodności spawalniczych.

  • Badania metalograficzne makro i mikroskopowe potwierdziły prawidłową budowę złączy spawanych zarówno przy użyciu drutu litego, jak i proszkowego.

  • Praca łamania w temperaturze -20oC poszczególnych obszarów złączy spawanych drutem litym jest średnio dwukrotnie wyższa od pracy łamania złączy spawanych drutem proszkowym.

  • Wyniki badań złączy spawanych spełniają wymagania przedstawione w normie PN- EN ISO 15614-1 oraz PN-EN 15085.
Literatura

[1] Railcars in Stainless Steel. A Sustainable Solution for Sustainable Public Transport. International Stainless Steel Forum 2010.
[2] Mirski Z., Jędrzejuk M.: Spawanie odpowiedzialnych podzespołów lokomotyw drutem proszkowym. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2010, nr 5.
[3] PN-EN 10088-1:2007 Stale odporne na korozję. Część 1: Gatunki stali odpornych na korozję.
[4] Materiały informacyjne firmy OUTOKUMPU
[5] PN-EN 15085:2007 Kolejnictwo. Spawanie pojazdów szynowych i ich części składowych. Część 1 - 5.
[6] PN-EN ISO 15614-1:2008 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali. Badanie technologii spawania. Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu.
[7] PN-EN ISO 5817:2009 Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych.
[8] PN-EN 10149-2:2000 Wyroby płaskie walcowane na gorąco ze stali o podwyższonej granicy plastyczności do obróbki plastycznej na zimno. Warunki dostawy wyrobów walcowanych termomechanicznie.
[9] PN-EN 910:1999 Spawalnictwo. Badania niszczące spawanych złączy metali. Próby zginania. (Uwaga: norma aktualna w chwili przeprowadzania badań, obecnie norma wycofana i zastąpiona przez normę PN-EN ISO 5173:2010 Badania niszczące spoin w materiałach metalowych. Badanie na zginanie).
[10] PN-EN 1043-2:2000 Spawalnictwo. Badania niszczące metalowych złączy spawanych. Próba twardości. Próba mikrotwardości złączy spawanych łukowo.
[11] PN-EN 1321:2000 Spawalnictwo. Badania niszczące metalowych złączy spawanych. Badania makroskopowe i mikroskopowe złączy spawanych.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Spawanie stali typu duplex w budowie pojazdów szynowych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!