IIW International Conference High-Strength Materials Challenges and Applications 2-3 July 2015, Helsinki, Finland Συγκόλληση στενού διακένου για χάλυβες υψηλής αντοχής που χρησιμοποιούνται στα πλοία και ειδικά στα παγοθραυστικά. M. Pirinen, P. Kah, J. Martikainen,N.Rautiainen, M. Nallikari, E. Nykanen. Μετάφραση Επιμέλεια: Βράιλας Κωνσταντίνος Lapeenranta Univercity of Technology, Lapeenranta, Finland Arctech Helsinki Shipyard Oy, Helsinki, Finland Περίληψη 1.2 Προιόντα Kemppi Wise Την τελευταία δεκαετία οι χάλυβες υψηλής αντοχής έχουν κινήσει το ενδιαφέρον της βιομηχανίας μεταφορών, από τη σκοπιά της μείωσης του βάρους στις συγκολλητές κατασκευές. Στη ναυπηγική, όπως τα παγοθραυστικά, τα οποία λειτουργούν σε δύσκολο και κρύο περιβάλλον, είναι κρίσιμο να διασφαλιστεί ότι οι χάλυβες έχουν επαρκή αντοχή και πλαστικότητα στις χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπροσθέτως, οι μέθοδοι παραγωγής στις συγκολλήσεις πρέπει να είναι αποδοτικές. Η χρήση στενού διακένου σε τεχνολογίες όπως η συγκόλληση βυθιζόμενου τόξου, συγκόλληση βολφραμίου καθώς και η συγκόλληση τόξου πλάσματος στενού διακένου, έχουν προταθεί ως ένας τρόπος μείωσης των υλικών εναπόθεσης, του απαιτούμενου χρόνου και κόπου στη συγκόλληση. Η Φινλανδική εταιρία Kemppi Oy έχει αναπτύξει την οικογένεια λογισμικών Wise για βελτιωμένη συγκόλληση MIG/MAG. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει τα αποτελέσματα δοκιμής συγκόλλησης σε φρέζα 30 που έγινε σε Φινλανδικό χάλυβα υψηλής αντοχής PC E500 TMCP και S500 G2M και στο Ρωσικής κατασκευής F500W. Οι συγκολλήσεις πραγματοποιήθηκαν με τα λογισμικά Wise στο Arctech Helsinki Shipyard από επαγγελματίες συγκολλητές. Επιπροσθέτως, αποτελέσματα εξάγονται και συγκρίνονται στο χάλυβα E500 TM για 20, 10 και 5 φρέζα. Οι δοκιμές δείχνουν καλά αποτελέσματα, όμως απαιτείται περαιτέρω πειραματισμός ώστε να προσαρμοστούν στις πραγματικές συνθήκες ναυπηγικής. Ο εξοπλισμός συγκόλλησης έχει εξελιχθεί με την πάροδο του χρόνου. Επιπρόσθετα με τις βελτιώσεις στις μηχανές, έχει αναπτυχθεί και η τεχνολογία λογισμικών, που στοχεύει να παρέχει όφελος, ενσωματώνοντας την τελευταία λέξη της τεχνολογίας στον έλεγχο των παραμέτρων συγκόλλησης. Η οικογένεια προϊόντων Kemppi Wise αποτελείται από τέσσερις διαφορετικές λύσεις. Το WiseRoot, το WiseThin, το WisePenetration και το WiseFusion. Τα προϊόντα αυτά μπορούν να φορτωθούν στον εξοπλισμό Kemppi κατά την αγορά ή να προστεθούν αργότερα. Το WiseRoot είναι μια διεργασία χαμηλού τόξου για αυτοματοποιημένη και χειροκίνητη συγκόλληση ρίζας. Είναι σχεδιασμένη να λαμβάνει υπ' όψη ανοχές στο διάκενο που δημιουργείται από κακή συναρμολόγηση. Τροποποιεί την MIG/MAG για ποιοτική συγκόλληση ρίζας. Το WiseThin είναι μια διεργασία ψυχρού τόξου που είναι σχεδιασμένη για συγκόλληση λεπτών φύλλων λαμαρίνας και χαλκοκόλληση. Επιτυγχάνεται χαμηλότερη προσδιδόμενη θερμότητα, που οδηγεί σε χαμηλότερες παραμορφώσεις στα λεπτά φύλλα, επίσης παράγει λιγότερες εκτοξεύσεις μετάλλου και καλή ποιότητα στη συγκόλληση επιψευδαργυρωμένων μετάλλων. Το WisePenetration στοχεύει στο να λύσει προβλήματα σχετικά με το μήκος προεξοχής σύρματος όπως, φτωχή ανάμιξη μετάλλων, ανεπαρκής διείσδυση και υπερβολική εκτόξευση μετάλλων. Το λογισμικό είναι σχεδιασμένο για να παρέχει σταθερή ισχύ στο μπάνιο συγκόλλησης σε περίπτωση που αλλάζει η γωνία της τσιμπίδας ή η απόσταση του τεμαχίου, όπως φαίνεται στη Fig. 1. Το WiseFusion επιλύει το πρόβλημα του μήκους τόξου. Είναι σχεδιασμένο να διατηρεί το βέλτιστο μήκος τόξου και να διασφαλίζει σταθερή ποιότητα στην παλμική και την συγκόλληση εκτοξευόμενου τόξου (spray arc). 1.1 Εισαγωγή Η συγκόλληση παίζει κρίσιμο ρόλο στην ναυπήγηση πλοίων και θαλάσσιων κατασκευών και όπως και στην βαριά βιομηχανία, υπάρχει συνεχής απαίτηση για μείωση του βάρους, του κόστους και του χρόνου κατασκευής. Οι χάλυβες υψηλής αντοχής, οι καινοτόμες τεχνολογίες συγκόλλησης και τα λογισμικά όπως τα Wise της Kemppi Oy, βοηθούν τους κατασκευαστές να καλύψουν αυτές τις απαιτήσεις.
1.3 Συγκόλληση στενού διακένου Η συγκόλληση στενού διακένου (narrow gap welding NGW), ή συγκόλληση στενής φρέζας, αφορά σε μια τεχνική συγκόλλησης που μπορεί να εφαρμοσθεί σε πολλές συμβατικές τεχνικές συγκόλλησης. Στοχεύει στην μείωση του όγκου εναποτιθέμενου μετάλλου και τη μείωση του απαιτούμενου χρόνου συγκόλλησης. Με τις συμβατικές φρέζες τύπου V, ο όγκος εναπόθεσης και ο χρόνος αποπεράτωσης, αυξάνονται εκθετικά με την αύξηση του πάχους. Όταν χρησιμοποιείται μειωμένη γωνία φρέζας, ο όγκος εναπόθεσης καθώς και ο χρόνος αποπεράτωσης μειώνονται, ειδικά σε περίπτωση χρήσης διπλής (άνω-κάτω) φρέζας, όπως φαίνεται στις Fig. 2 και Fig. 3. Επιπροσθέτως, παράγει λιγότερες παραμορφώσεις και περισσότερο ομοιόμορφες ιδιότητες μετάλλου στη ραφή. Βελτιωμένες ιδιότητες μετάλλου παρατηρούνται στις ραφές στενού διακένου εξαιτίας της χαμηλότερης προσδιδόμενης θερμότητας καθώς και προοδευτικά καλύτερα κορδόνια συγκόλλησης σε πολλαπλά πάσα. Όπως προειπώθηκε, η συγκόλληση στενού διακένου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ποικιλία τεχνικών συγκόλλησης, οι οποίες όμως μοιράζονται μεταξύ τους κάποια κοινά χαρακτηριστικά, όπως: Ειδική διαμόρφωση ραφής Απαιτείται ειδική κεφαλή συγκόλλησης. Απαιτείται έλεγχος τόξου και παρακολουθηση ραφής. Τροποποιημένα αναλώσιμα ίσως απαιτηθουν. Τα πλεονεκτήματα της συγκόλλησης στενού διακένου παρατίθενται παρακάτω: Υψηλότερη παραγωγικότητα ως αποτέλεσμα λιγότερης διασταύρωσης ραφών. Δυνατότητα συγκόλλησης σε κάθε θέση. Μικρότερες παραμένουσες τάσεις και παραμορφώσεις, εξαιτίας της μικρότερης ποσότητας τηγμένου μετάλλου συγκόλλησης και λιγότερων θερμικών καταπονήσεων από τα διαδοχικά πάσα. Υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις και εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες της ραφής. Οικονομία στα υλικά εναπόθεσης και στην απαιτούμενη εργασία. Τα μειονεκτήματα της συγκόλλησης στενού διακένου παρατίθενται παρακάτω: Οι ειδικές κεφαλές συγκόλλησης και τα συστήματα ελέγχου είναι περισσότερο ακριβά και σύνθετα. Η τεχνολογία είναι πιο απαιτητική και χρειάζεται καλά εκπαιδευμένους χειριστές. Η προετοιμασία της ραφής πρέπει να γίνει με μεγάλη ακρίβεια για να διασφαλιστεί σταθερή ποιότητα σε όλο το μήκος της.
Το μαγνητικό φύσσημα μπορεί να δημιουργήσει επιπλοκές. Πιθανότητα μειωμένης ανάμιξης των υλικών συγκόλλησης. Πιθανόν να απαιτούνται ειδικά υλικά εναπόθεσης τα οποία είναι ακριβότερα. Στον τομέα της συγκόλλησης τόξου, η συγκόλληση στενού διακένου έχει χρησιμοποιηθεί με την τεχνική συγκόλλησης τόξου μετάλλου-αερίου (GMAW), την συγκόλληση βυθιζόμενου τόξου (SAW), την συγκόλληση σύρματος-βολφραμίου (GTAW), και την συγκόλληση τόξου σωληνωτού σύρματος (FCAW). H αρχική χρήση της συγκόλλησης στενού διακένου σε συγκόλληση τόξου μετάλλου-αερίου (NG-GMAW) ήταν σε μεγάλες μεταλλικές κατασκευές, όπως πλοία, δοχεία πιέσεως, εργοστάσια παραγωγής ενέργειας κτλ. Εξαιτίας των δυσκολιών στην αλλαγή θέσης τόσο μεγάλων κατασκευών η δυνατότητα συγκόλλησης σε κάθε θέση είναι πολύ σημαντική. Στην NG-GMAW, μπορούν να επιλεγούν διάφοροι τύποι ραφών συγκόλλησης, κάτι το οποίο εξαρτάται από τον τύπο συγκόλλησης και τη φύση της εφαρμογής. Το πιο απλό παράδειγμα είναι ευθύ, παράλληλου σόκορου διάκενο με κεραμικό. Το πάχος του διακένου επίσης μεταβάλλεται ανάλογα με τον τύπο συγκόλλησης και τον εξοπλισμό. Σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να χρησιμοποιηθεί απλή πηγή ρεύματος. Μια ατέλεια που μπορεί να παρατηρηθεί στη συγκόλληση NGW, είναι η ανεπαρκής ανάμιξη μετάλλων βάσηςηλεκτροδίου και ειδικά στα τοιχώματα. Επιπλέον ανάμιξη μετάλλων μπορεί να επιτευχθεί με διαχείριση του τόξου και του ηλεκτροδίου, όπως την καθοδήγηση του ηλεκτροδίου προς τα τοιχώματα και την ταλάντευσή του ή την περιστροφή του. Μια εναλλακτική είναι ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων συγκόλλησης. Επιπρόσθετα του ελέγχου του ρεύματος, της τάσης και της ταχύτητας σύρματος, άλλες παράμετροι όπως ο χρόνος στάσης και το πλάτος ταλάντευσης επηρεάζουν τη συγκόλληση. Η ανάμιξη μετάλλων μπορεί επίσης να ελεγχθεί με την σωστή τοποθέτηση των κορδονιών των πάσων, όπως φαίνεται στην Fig. 4. Ένα ή δύο κορδόνια ανά πάσο συγκόλλησης χρησιμοποιούνται συνήθως όπου η τσιμπίδα ξανά-τοποθετείται κάθε φορά ή γίνεται χρήση διπλής τσιμπίδας ταυτοχρόνως. 1.4 Διαμόρφωση φρέζας και διάκενο Γενικά η γωνία φρέζας είναι 40 έως 55 με στενό κενό ρίζας. Στη συγκόλληση στενού διακένου χρησιμοποιείται αυλάκι σόκορο ή φρέζα 10. Τυπικό κενό ρίζας είναι 6 9mm αλλά διαφέρει σημαντικά, ανάλογα με τον εξοπλισμό και την διεργασία συγκόλλησης. Αν γίνεται χρήση αυλακιού σόκορου (παράλληλες πλευρές), είναι απαραίτητη η χρήση κεραμικών συγκόλλησης. Υπάρχουν και άλλες διαμορφώσεις άκρων με στενό κενό οι οποίες παρουσιάζονται στην Fig. 5. 1.5 Παραγωγικότητα και οικονομία στη συγκόλληση στενού διακένου με σωληνωτό σύρμα (FC-NGAW). Η οικονομία στη συγκόλληση μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς και διάφορους τρόπους. Πολλές φορές, η βελτίωση των διεργασιών στοχεύει στη μείωση του χρόνου ολοκλήρωσης της συγκόλλησης, οπότε και το κόστος εργατικών, αυξάνοντας την αυτοματοποίηση ή το ρυθμό εναπόθεσης υλικού. Από την άλλη πλευρά το μέγεθος της ραφής oφελεί επίσης την οικονομία. Επίσης η βελτιστοποίηση της διαδικασίας μειώνει την ανάγκη για τελικούς ελέγχους ποιότητας. Ρυθμός εναπόθεσης είναι η ποσότητα μετάλλου που τοποθετείται στην ραφή στη μονάδα του χρόνου και αυτή η ποσότητα συνήθως χρησιμοποιείται για τον καθορισμό της παραγωγικότητας. Ο ρυθμός εναπόθεσης εξαρτάται από την επιλεχθείσα τεχνική συγκόλλησης, τα αναλώσιμα και τη διάμετρό τους, το ρεύμα συγκόλλησης και την απόσταση του ακροφυσίου. Όπως προαναφέρθηκε, όταν αυξάνεται το πάχος του
συγκολλούμενου υλικού αυξάνεται παράλληλα και η απαιτούμενη ποσότητα εναποτιθέμενου μετάλλου. Οι ερευνητές Cary και Helzer ισχυρίζονται ότι τα οικονομικά οφέλη της συγκόλλησης στενού διακένου επέρχονται όταν το πάχος του υλικού είναι από 38mm και πάνω. Ο ισχυρισμός τους βασίζεται στη χρήση λιγότερου μετάλλου για την ολοκλήρωση της συγκόλλησης. Ο Norrish, ωστόσο, δηλώνει πως το ελάχιστο πάχος υλικού για την συγκόλληση στενού διακένου ποικίλει και εξαρτάται από την τεχνική συγκόλλησης και τον τρόπο εφαρμογής, έτσι ώστε να εφαρμόζεται η NG-GMAW σε πάχη από 1522mm και πάνω. 2. Οι χάλυβες υψηλής αντοχής στη ναυπηγική. Η ναυπηγική βιομηχανία πάντα στοχεύει στην μείωση του βάρους και στην αποδοτικότητα στην κατανάλωση ενέργειας. Οι κατασκευές πλοίων έχουν γίνει ελαφρύτερες και μεγαλύτερες με σκοπό την οικονομία καυσίμου, την αύξηση του μεταφερόμενου όγκου και την γενικότερη βελτίωση της αποδοτικότητας των πλοίων. Την ίδια στιγμή απαιτούνται μειώσεις στο χρόνο παραγωγής και το κόστος. Για να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι γίνεται η χρήση προηγμένων υλικών όπως οι χάλυβες υψηλής αντοχής σε πολλές εφαρμογές. Ο ακριβής ορισμός του χάλυβα υψηλής αντοχής (HSS) διαφέρει ανάλογα με την προέλευση κατηγοριοποίησης. Η χρήση του RMRS (Russian Maritime Register of Shipping) είναι κοινή στην κατηγοριοποίηση των παγοθραυστικών και διαχωρίζει τους χάλυβες που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές υφάλων πλοίων σε τρεις κατηγορίες: Κοινοί χάλυβες, χάλυβες αντοχής και χάλυβες υψηλής αντοχής. Οι κοινοί χάλυβες έχουν ελάχιστη τάση διαρροής 235ΜPa. Οι χάλυβες αντοχής διαχωρίζονται σε τρεις κατηγορίες, αυτοί με ελάχιστη τάση διαρροής 315, 355 και 390 ΜPa αντίστοιχα. Χάλυβες με τάση διαρροής πάνω από 420 MPa θεωρούνται χάλυβες υψηλής αντοχής. Οι χάλυβες υψηλής αντοχής χωρίζονται σε έξι κατηγορίες ανάλογα με την ελάχιστη τάση διαρροής: 420, 460, 500, 550, 620 και 690 MPa. Κάθε κατηγορία έχει ένα βαθμό αντοχής σε κρούση σε διάφορες θερμοκρασίες: Α= +20 C, Β=0 C, C=-20 C, D=-40 C, και F=-60 C. Oι Oryshchenko και Khlusova έχουν κατηγοριοποιήσει τις απαιτήσεις για τους χάλυβες υψηλής αντοχής στη ναυπηγική ως ακολούθως: Ευρεία αντοχή (355-690 MPa) και υψηλή πλαστικότητα και ιξώδες με πάχος έως 70 mm. Υψηλή αντοχή στην ψαθυρή θραύση σε θερμοκρασίες έως -50 C. Υψηλή αντοχή σε στατική, δυναμική και κυκλική φόρτιση. Καλή συγκολλησιμότητα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αντίσταση στην ελασματική αποκόλληση συγκολλήσεων. Μεγάλη αντοχή στη θραύση. Αντοχή κατά της οξείδωσης και μηχανική αντοχή στο θαλασσινό νερό. Ομοιόμορφες μηχανικές ιδιότητες. Οι χάλυβες υψηλής αντοχής (HSS) παράγονται με τρεις διαφορετικές μεθόδους. Με θερμομηχανικό έλεγχο κατεργασίας (TMCP), βαφή και επαναφορά (QT), απλή βαφή (DQ). Οι απαιτούμενες τάσεις διαρροής μπορούν να επιτευχθούν και με τις τρεις μεθόδους, όμως επιτυγχάνεται διαφορετική μικροδομή του υλικού με αποτέλεσμα διαφορετικές μηχανικές ιδιότητες (ολκιμότητα, δυσθραυστότητα, συγκολλησιμότητα). Χάλυβες με υψηλή αντοχή, αλλά εξαιρετική συγκολλησιμότητα είναι συχνά οι πιο επιθυμητοί ώστε να επιτυγχάνεται συνολική αποδοτικότητα. Αυτές οι ιδιότητες μπορούν να επιτευχθούν με τις θερμομηχανικά ελεγχόμενες θερμικές κατεργασίες TMCP, όπου οι χάλυβες έχουν υψηλή αντοχή και δυσθραυστότητα αλλά χαμηλότερη εμβαπτότητα. Τέτοιοι χάλυβες έχουν χαμηλότερη πιθανότητα να παρουσιάσουν ψυχρή ρηγμάτωση και μπορούν να συγκολληθούν με μεγαλύτερα ποσά προσδιδόμενης θερμότητας. Η περιεκτικότητα σε άνθρακα της μεθόδου TMCP είναι της τάξης του 0,07-0,14% και το ισοδύναμο άνθρακα δεν είναι υψηλότερο από αυτό ενός λεπτόκοκκου χάλυβα με τάση διαρροής 355MPa. Τάσεις 500-700MPa μπορούν να επιτευχθούν μειώνοντας το μέγεθος του κόκκου, με έλαση του φύλλου σε θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης σε συνδυασμό με επιταχυνόμενη ψύξη. Η λεπτή και ομοιόμορφη μικροδομή του TMCP είναι μείγμα φερρίτη και μπαινίτη. Η μέθοδος βαφής και επαναφοράς (QT) χρησιμοποιείται για την παραγωγή χαλύβων εξαιρετικά υψηλής αντοχής έως 1100MPa. Αυτά τα επίπεδα αντοχής επιτυγχάνονται με υψηλότερη κραμμάτωση που οδηγεί σε μεγαλύτερη εμβαπτότητα. Η υψηλή εμβαπτότητα, από την άλλη πλευρά, ενέχει τον κίνδυνο να εμφανιστεί ψαθυρή θραύση ή/και ρηγμάτωση υδρογόνου στις συγκολλητές κατασκευές, ιδιαίτερα αν χρησιμοποιούνται λανθασμένες παράμετροι συγκόλλησης. Η μέθοδος QT, στοχεύει να παράξει μαρτενσιτική μικροδομή, με αποδεκτή μικρή περιεκτικότητα σε μπαινίτη. Η βαφή, πραγματοποιείται σε θερμοκρασίες 900-960 C. Επιταχυνόμενη ψύξη είναι απαραίτητη για την αποφυγή σχηματισμού ασθενέστερων μικροδομών. Η ψύξη των φύλλων λαμαρίνωνσε θερμοκρασίες κάτω των 300 C σε λίγα δευτερόλεπτα επιτυγχάνεται με λουτρά δέσμης νερού. Η επαναφορά της μαρτενσιτικής μικροδομής είναι απαραίτητη για την επίτευξη των ιδιοτήτων αντοχής και δυσθραυστότητας. Η απλή βαφή (DQ) δίνει τη δυνατότητα καλύτερου ελέγχου της μικροδομής του υλικού. Χρησιμοποιείται συχνά ο συνδυασμός έλασης και βαφής για τη μείωση του χρόνου κατεργασίας. Mε τη μέθοδο DQ επιτυγχάνεται υψηλότερη σκληρότητα με την ίδια χημική σύσταση χαμηλότερου ισοδύναμου άνθρακα με καλύτερη συγκολλησιμότητα.
2.1 Κανονισμοί, Πρότυπα και Κατηγοριοποίηση Η βιομηχανία της ναυπηγικής συνίσταται από πολλές και διάφορες σχολές κατηγοριοποίησης οι περισσότερες των οποίων είναι μέλη της IACS (International Association of Classification Societies). Ο ρόλος της IACS είναι να ενοποιήσει και να ρυθμίσει τους κανόνες και τις οδηγίες των μελών του. Ο ρόλος των σχολών είναι, να υποστηρίξει την ασφάλεια στις ναυπηγικές κατασκευές και να αποτρέψει την μόλυνση του περιβάλλοντος, ελέγχοντας ότι, τα πλεούμενα και οι θαλάσσιες κατασκευές, κατασκευάζονται σε συμφωνία με τους κανόνες και τους κανονισμούς, οι οποίοι βασίζονται σε εθνικά και διεθνή πρότυπα, τα οποία διαφέρουν μεταξύ τους. Πάνω από 90% του παγκόσμιου στόλου μεταφορών καλύπτονται από μέλη του IACS. 2.2 Θερμή ρηγμάτωση Η αναλογία πλάτους βάθους συγκόλλησης μπορεί να επηρεάσει την ρηγμάτωση. Στη συγκόλληση NGW η θερμή ρηγμάτωση είναι ένα αναμενόμενο σφάλμα αν δεν ληφθούν τα απαραίτητα μέτρα. Αν το κορδόνι συγκόλλησης είναι βαθύ και στενό, όπως φαίνεται στη Fig. 6, η συγκόλληση είναι υποκείμενη σε πιθανότητα κεντρικής ρηγμάτωσης, επειδή η γωνία ανάπτυξης κιονοειδούς μορφής των κόκκων, μεταξύ των δύο απέναντι πλευρών του μπάνιου συγκόλλησης, είναι πολύ μικρή. Αυτό επίσης βοηθά στις ακαθαρσίες να συγκεντρωθούν στο κέντρο του μπάνιου συγκόλλησης, στο τελικό στάδιο της στερεοποίησης, σχηματίζοντας συνθέσεις χαμηλού σημείου τήξης. Ρωγμές εμφανίζονται ευκολότερα κατά μήκος της κεντρικής γραμμής της συγκόλλησης, όταν αρχίζουν να αναπτύσσονται τάσεις, αν υπάρχουν ακόμα περιοχές τήγματος στα όρια των κόκκων. Η θερμή ρηγμάτωση μπορεί να αποφευχθεί με διάφορους τρόπους, όπως: Ρυθμίζοντας τις παραμέτρους συγκόλλησης έτσι ώστε η αναλογία πάχους-βάθους να είναι 1:1 ή μεγαλύτερη. Σχεδιάζοντας τη συγκόλληση έτσι ώστε οι τάσεις να είναι οι ελάχιστες δυνατές. Καθαρίζοντας τις ακαθαρσίες και τα εγκλείσματα μετάλλου από τις επιφάνειες συγκόλλησης. Χρήση χαλύβων χαμηλού άνθρακα. Αποφυγή μετάλλων βάσεως με περιεκτικότητα σε θείο και φώσφορο λιγότερο από 0,06%. Μείωση της διείσδυσης και της ταχύτητας συγκόλλησης. Αποφυγή κοίλων συγκολλήσεων. 3. Πειραματική δοκιμή Το πειραματικό σκέλος της εργασίας σκοπεύει να αποσαφηνίσει υπό ποιες συνθήκες, η μηχανοποιημένη συγκόλληση στενού διακένου με γεμιστό σύρμα και οι κλειστές γωνίες φρέζας, μπορούν να παράγουν ποιοτικώς αποδεκτά αποτελέσματα. Πρέπει να ληφθούν υπ' όψη πολλοί παράγοντες για την συγκόλληση χαλύβων υψηλής αντοχής ώστε να επιτευχθούν καλές συγκολλήσεις. Στην παρούσα περίπτωση ο περιοριστικός παράγοντας είναι η προσδιδόμενη θερμότητα, που περιορίστηκε στα 0.5, 2.0 και 2.5kJ/mm. Στο δεύτερο σκέλος της εργασίας ο περιοριστικός παράγοντας είναι και πάλι η προσδιδόμενη θερμότητα, η οποία έμεινε στα 2.0 kj/mm όπως προτείνει ο RMRS. 3.1 Σχεδιασμός πειράματος Το πρώτο σκέλος του πειράματος έγιναν συγκολλήσεις σε φρέζα 30, Fig 7 και Table 2, ενώ στο δεύτερο έγιναν πειράματα σε 20, 10 και 5 μοίρες γωνία φρέζας, Fig 8. Ο στόχος ήταν να βρεθούν οι βέλτιστες παράμετροι συγκόλλησης και να παραχθούν τεμάχια καλής ποιότητας, τα οποία αργότερα υποβλήθηκαν σε καταστροφικό έλεγχο. Όλες οι συγκολλήσεις έγιναν από έμπειρους συγκολλητές του Arctec Ηelsinki Shipyard. Οι συνθήκες ήταν όμοιες με τις τυπικές συνθήκες περιβάλλοντος συγκόλλησης παραγωγής.
5. Συμπεράσματα Ως μηχανή συγκόλλησης χρησιμοποιήθηκε η Kemppi FastMig X 450 Power source με τον τροφοδότη FastMig MXP 37 Pipe. Χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά WiseFusion και WisePenetration. Η συγκόλληση μηχανοποιήθηκε με το ESAB Railtrac. Χρησιμοποιήθηκαν τρεις ναυπηγικοί χάλυβες: 25mm πάχους Ε500 ΤΜ και Ε500 G2M και 38mm πάχους F500W. Τα αναλώσιμα που επιλέχθηκαν ήταν Filarc PZ6115 και Lincoln OS81K2-H. Και τα δυο είναι σωληνωτά σύρματα διαμέτρου 1.2mm. Το αέριο ήταν M21, 80% Ar + 20% CO2 και τα κεραμικά Kerback FS 271412 T. Όλες οι συγκολλήσεις καλύπτουν τις απαιτήσεις του RMRS. Το πρότυπο EN ISO 15614-1, είναι ο πιο διαδεδομένος τρόπος να εγκριθεί μια συγκόλληση με το WPS (Welding Procedure Specification). Το σχήμα και οι διαστάσεις είναι τέτοιες ώστε να μπορούν να πραγματοποιηθούν όλες οι μετέπειτα δοκιμές, καταστροφικές (DT) και μη-καταστροφικές (NDT). Όλες οι δοκιμές φαίνονται στο Table 7. Οι δοκιμές έγιναν για να εκτιμηθεί, πότε μια στενή γωνία φρέζας 30 μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συγκόλληση ναυπηγικών χαλύβων υψηλής αντοχής μεγάλου πάχους. Συμπερασματικά, αν οι διεργασίες συγκόλλησης και τα WPS που θα χρησιμοποιηθούν είναι τα ίδια αυτά της παρούσας εργασίας, είναι επιτρεπτό να γίνει χρήση στενού διακένου στη συγκόλληση ναυπηγικών χαλύβων υψηλής αντοχής. Η κατά 26% μικρότερη μάζα υλικού που προκύπτει κατά την αλλαγή από 45 σε 30 γωνία φρέζας επηρεάζει το κόστος από τα αναλώσιμα υλικά το χρόνο συγκόλλησης, το κόστος εργασίας και το πλήθος των σφαλμάτων συγκόλλησης. Σε μεγάλες συγκολλητές κατασκευές όπως τα παγοθραυστικά, η οικονομία που επιτυγχάνεται είναι αξιοσημείωτη. Τα αποτελέσματα στο χάλυβα E500 TM ακόμα και σε μικρότερες γωνίες φρέζας ήταν επιτυχή. Όλα τα δοκίμια στον χάλυβα Ε500 ΤΜ στις 20, 10 και 5 γωνία φρέζας είχαν εξαιρετικά αποτελέσματα. Αν και στις στενότερες γωνίες φρέζας των 20, 10 και 5 μπορούσε να πραγματοποιηθεί συγκόλληση επιτυχώς, η απουσία των WiseFusion και WisePenetration ήταν εμφανής. Η χρήση συγκόλλησης στενού διακένου προσφέρει οικονομία στη συγκόλληση. Η επιφάνεια προς προετοιμασία είναι περίπου 45 55 % μικρότερη στη φρέζα των 30, εξαρτώμενη από το πάχος του υλικού και το διάκενο σε σχέση με την τυπική γωνία των 45. Απαιτούνται λιγότερα πάσα συγκόλλησης και λιγότερα αναλώσιμα. Τα λογισμικά WiseFusion και WisePenetration είναι χρήσιμα, ιδιαίτερα κατά τη συγκόλληση παχύτερων ελασμάτων σε στενότερα διάκενα. To WiseFusion βοήθησε στη διατήρηση του βέλτιστου μήκους τόξου και την συγκέντρωση του, αποτρέποντας τη περιπλάνησή του μέσα στο διάκενο. Αυτό, σε συνδυασμό με τη σταθερή παροχή ισχύος από το WisePenetration, παρήγαγε ποιοτικές συγκολλήσεις. Η μηχανοποιημένη συγκόλληση στενού διακένου, του χάλυβα Ε500 ΤΜ, πάχους 25mm, στη θέση PF, με χρήση των λογισμικών Wise, ήταν δυνατή χωρίς ειδικό εξοπλισμό. Χωρίς τα λογισμικά Wise, συγκόλληση τόσο στενών διακένων θα ήταν πολύ δύσκολη. Ήταν ξεκάθαρο ότι έπρεπε να γίνουν περισσότερες ρυθμίσεις των παραμέτρων κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης. Τελικά παρήχθησαν καλής ποιότητας συγκολλήσεις, αν και αναγκαστικά, έγιναν μεγαλύτερα κενά αυλακιού από ότι αρχικά σχεδιάστηκε. 4. Αποτελέσματα Όλες οι δοκιμές έγιναν σύμφωνα με τα πρότυπα του RMPS. Τα αποτελέσματα ικανοποίησαν τις απαιτήσεις. Εκτός από αυτή την εργασία, περισσότερη έρευνα είναι απαραίτητη στις 20, 10 και 5 γωνία φρέζας πριν χρησιμοποιηθούν στην βιομηχανία. Η γωνία 30 χρησιμοποιείται στη κατασκευή παγοθραυστικών. Τα πειράματα κάμψης απέδειξαν ότι τα υλικά βάσης και τα εναποτιθέμενα υλικά είχαν καλή ανάμιξη και ότι οι συνδέσεις είχαν αρκετή πλαστικότητα ώστε να αντέξουν την κάμψη χωρίς να επέλθει θραύση ή άλλη αστοχία. Τα πειράματα εφελκυσμού ήταν ικανοποιητικά και ικανοποιούσαν τις απαιτήσεις του RMRS. Τα σημεία αστοχίας του χάλυβα E500 TM στα πειράματα εφελκυσμού είχαν κάποια διασπορά και ένα δοκίμιο έσπασε στη συγκόλληση. Παρόλα αυτά, τα αποτελέσματα
ήταν αποδεκτά, διότι τα δοκίμια υπερκάλυπταν τις απαιτήσεις τιμών αντοχής σε εφελκυσμό του υλικού βάσης. Τα πειράματα κρούσης αποκάλυψαν ότι η μηχανοποίηση δίνει ομοιόμορφα κατανεμημένες τιμές αντοχής σε κρούση με τις επιλεχθείσες τιμές προσδιδόμενης θερμότητας. Οι τιμές αντοχής σε κρούση του Ε500 ΤΜ ήταν πάνω από το όριο των 50J με μικρή διαφορά. Οι τιμές σκληρότητας ήταν κάτω από τις οριακές τιμές με μεγάλη διαφορά, έτσι ώστε η σκληρότητα να μην είναι πρόβλημα για τους χάλυβες και τους χρόνους ψύξης.