Termicky zušlechtěné betonářské oceli jsou betonářské oceli vyráběné tvářením za tepla řízeně ochlazované. Tyto oceli je možno spojovat v určitých případech i tupými nosnými svarovými spoji v průměrech tyčí „d“ min. 16 mm za předpokladu dodržení technologických podmínek stanovených ve WPS zkouškou postupu svařování (WPQR) podle normy ČSN EN ISO 17660-1. Tupé svarové spoje nejsou vhodné pro betonářské oceli tvářené za studena.

Všeobecně

V ČR platí pro dodávání betonářských ocelí norma ČSN 420139. Tato norma byla vypracována v sou ladu s evropskou normou EN 10080:2005 převzatou jako ČSN EN 10080:2005 (421039) a doplňuje tu to evropskou normu o značky svařitelných žebírkových ocelí pro výztuž do betonu určených k používání v ČR. Norma ČSN 420139 se musí používat spolu s normou ČSN EN 10080:2005. Žebírkové oceli uvedené v ČSN 420139, které mají ve svém označení (podle EN 10027-1) jako koncové písmeno „B“, jsou oceli vyráběné technologií řízeného ochlazování z doválcovací teploty, při kterém je ocelová tyč na výstupu z válců prudce zachlazena vodou a tím povrchově zakalena. Nedojde zde tedy k úplnému prokalení v celém průřezu tyče. Po výstupu z chladícího úseku je tato povrchově zakalená tyč popuštěna vnitřním teplem svého dosud žhavého jádra. Takto termicky zušlechtěná tyč má mez klu zu blízkou mezi pevnosti, přičemž její pevnost je vyšší v povrchové vrstvě, zatímco jádro tyče zůstává houževnaté.

Svařitelnost betonářské oceli

Hlavními faktory ovlivňujícími její svařitelnost jsou: chemické složení oceli vyjádřené uhlíkovým ekviva lentem Ceq (CEV), způsob výroby oceli a v neposlední řadě použitá technologie svařování. Posouzení svařitelnosti betonářské oceli provádí každý její výrobce v ČR v souladu s ČSN EN 17660-1 dle metodiky TP 193, kap. 4. Platnost zkoušky svařitelnosti je podmíněna zkouškami akreditovanou la boratoří, postup zkoušky je stanoven TP 193, čl. 4.4.1. Zkouška svařitelnosti platí pouze pro jednotlivou značku oceli podle rozdělení TP 193, Tab.16. Délka platnosti zkoušky svařitelnosti je 2 roky s tím, že v případě změny technologie výroby, tvaru žebírek, chemického složení a pod. musí být provedena nová zkouška, jejíž platnost je opět 2 roky.

Výrobci žebírkové betonářské oceli uvádějí maximálně přípustné obsahy prvků C, P, S, N. Největší vliv na svařitelnost má obsah uhlíku, který sice zvyšuje pevnost (Rm) a tvrdost (HV), ale plastické vlastnosti (Agt) snižuje a současně zvyšuje riziko zakalení při svařování a tím vznik trhlin za studena. Mez maxi málního množství martenzitu vzniklého v TOO se orientačně zjišťuje měřením tvrdosti, která nesmí pře kročit 350 HV10. Proto je zde uhlík omezen na Cmax = 0,22 % hm. v tavbě. Aby byla co nejméně poško zena zušlechtěná povrchová vrstva tyče, je třeba minimalizovat vnesené teplo od svařování použitím co nejmenšího tepelného příkonu Q a omezením teploty Interpass na max 400 °C. Velké množství vneseného tepla způsobí zhrubnutí zrna v TOO (zejména ohřev nad 700 °C) a tím dojjde k snížení pevnosti a meze kluzu svarového spoje. Současně je třeba nepoužívat přídavné materiály, které poskytují svarový kov bainitický nebo martenzitický s vysokými hodnotami meze pevnosti a kluzu, ale s nízkými plastickými vlastnostmi.

Svařování betonářské oceli

Svarové spoje betonářské oceli mohou být nosné (ČSN EN ISO 17660-1) nebo nenosné (ČSN EN ISO 17660-2). Nosné svarové spoje jsou takové, které slouží k přenosu stanovených zatížení mezi tyčemi betonářské oceli nebo mezi tyčemi betonářské oceli a jinými částmi konstrukce. Jako nosné svarové spoje mohou být i technologicky nutné spoje s nimiž je dále manipulováno (např. jeřábem). Nenosné svarové spoje jsou spoje, s nimiž se ve statickém výpočtu neuvažuje. Slouží převáž ně k fixaci betonářské oceli v bednění. Výrobci, kteří svařují v dílnách nebo na montáži nosné svarové spoje z betonářské oceli musí splňovat vhodné kvalitativní požadavky stanovené v EN ISO 3834-3 spolu s požadavky této části EN ISO 17660 (viz rovněž přílohu D).

Druhy nosných svarových spojů:

• Tupé spoje
• Přeplátované spoje s přesahem
• Spoje s příložkami
• Křížové spoje
• Svarové spoje s bočním přeplátováním
• Spoje příčné koncové desky

Druhy nenosných svarových spojů:

• Přeplátované stehové spoje
• Křížové spoje

Úkosy pro tupé svarové spoje (svarové plochy) se připravují mechanicky (např. broušením) nebo řezá ním kyslíkem s následným obroušením. Podle TP 193 se pro svařování betonářských ocelí používá zásadně metoda 111 dle ČSN EN ISO 4063 jak ve výrobně, tak na montáži. Použít metody 114, 135, 136 je možno pouze ve výrobně a to se sou hlasem objednatele. Betonářské oceli podle ČSN 420139 se obvykle svařují bez předehřevu. Předehřev (min 100 °C) je nut ný při teplotách vzduchu minus 5°C až 0°C. Svařovat při nižší teplotě než minus 5°C je nepřípustné.

Nosné tupé svarové spoje betonářské oceli

Podle TP 193 se nosnými tupými spoji mohou svařovat všechny betonářské oceli vyráběné válcováním za tepla řízeně ochlazované a rovněž betonářské oceli korozivzdorné. Pro betonářské oceli tvářené za studena se tento typ svaru nedoporučuje, protože vlivem tepla ze svařování dojde k lokální degradaci zpevnění (ocel se odpevní) v TOO.

Technologické nároky na zhotovení nosných tupých svarových spojů

Nutno předeslat, že výrobci, kteří používají svařování pro výrobu betonářské výztuže, se nosným tupým svarům povětšinou vyhýbají a dávají přednost jiným typům svarových spojů (přeplátovaným nebo s pří ložkami). Důvodem této skutečnosti je náročnost na technologickou kázeň nutnou pro zhotovení jakost ního svarového spoje podle příslušné WPS. Tuto technologickou kázeň bude (vzhledem ke znalosti po měrů na stavbách) ve většině případů třeba „oddozorovat“ oprávněným pracovníkem svařečského do- zoru (I/EWE nebo I/EWT).

Při nedodržení technologie, vzniká vysoké riziko svarového spoje, který nebude mít požadované me chanické vlastnosti v důsledku příliš vysoké teploty a vneseného tepla a rovněž s častým výskytem jak povrchové, tak vnitřní nehomogenity svarového kovu. Proto je také konzervativní přístup některých ústředních stavebních orgánů k těmto typům svarových spojů betonářských ocelí pochopitelný.

Z toho, co bylo uvedeno vyplývá, že nosné tupé spoje betonářských ocelí se nebudou používat a ani nepoužívají v širokém měřítku, ale své užití mohou mít v určitých případech např. pro získání širších mezer k betonáži nebo i jinde, kde bude použití jiných typů spojů nevhodné. Důležitou roli zde hraje ta ké pečlivé čištění svarových ploch a přilehlých povrchů svarového spoje před svařováním od rzi, mastnoty,barvy a jiných nečistot, ale to platí pro všechny typy svarových spojů betonářských ocelí.

Zkoušky nosného tupého svarového spoje

Program zkoušek byl zvolen tak, aby v sobě zahrnoval i zkoušení pro kvalifikaci postupů svařování be tonářské oceli, jak je předepisuje norma ČSN EN ISO 17660-1, kap.11. Pro zkoušený spoj byl zvolen úkos pro oboustranný tupý V-svar dle normy ČSN EN ISO 17660-1 a po loha svařování PF.

Použitý základní materiál: BSt 500 S (DIN 488-1,2) d=16 mm. Odpovídá oceli B 500 B (ČSN 420139, EN 10080:2005). Inspekční certifikát 3.1 (ČSN EN 10204:2005) vystavený výrobcem Arcelor Mittal dne 01.10.2007 pod č. 31007/2007 – viz Obr.1.

Použitý přídavný materiál: E-B 127 (ESAB) průměr 2,5 mm, EN ISO 2560-A: E 50 A B. Product Data Sheet, Reg. date: 2006-06-15, Reg. no: EN003404, ESAB MÓR Kft Hungary – viz Obr.2.

Podle ČSN EN ISO 17660-1, čl. 7.2 musí být nominální mez kluzu v tahu přídavných materiálů pro svařování stejná nebo vyšší, než mez kluzu svařované betonářské oceli, což je zde splněno (RePM = 500Mpa a rovněž ReZM = 500Mpa).

Metoda svařování: 111 – ruční obloukové svařování obalenou elektrodou (ČSN EN ISO 4063).

Kvalifikace svařeče:

• ČSN EN 287-1 111 P FW 2.2 B t10 PF ml
• ČSN EN ISO 17660-1 111 BW-B 2.2 B d16 PF bs
• ČSN EN ISO 17660-1 111 FW-LJ 2.2 B d16 PF ml

Postup svařování: WPS (ČSN EN ISO 17660-1, ČSN EN ISO 15609-1): č. BO/08 – viz Obr.3.

Hodnota uhlíkového ekvivalentu byla určena ze vztahu: Ceq = CEV = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15 (%)

Pro základní materiál je dle analyzy z tavby č. 76409Y:

Ceq = CEV = 0,42 < 0,50 % hm. ( = povolená tavbová hodnota dle ČSN 420139)

Tepelný příkon Q byl stanoven podle ČSN E3N 1011-1:

Q = k . (U.I) / v . 10-3 (kJ . mm-1)

kde k........koeficient tepelné účinnosti metody svařování (pro metodu svařování 111 je k=0,8)

• U.......svařovací napětí (V)
• I.........svařovací proud (A)
• v........svařovací rychlost (mm.s-1)

Teplota Interpass: max 400 °C

Z důvodu odzkoušení vlivu opravy vad svařováním u tupého svaru tohoto typu oceli, byly na přechodu krycí svarové housenky u tyčí S2, L2 a tyče pro zkoušku makro/mikrostruktury M uměle vytvořeny (imi továny) vady typu zápalů cca 1,5 mm hloubky a cca 8 mm délky), které byly opraveny stejnými paramet ry svařování, jako vlastní svar – viz WPS na Obr.3. a makrostrukturu na Obr.12. Svařené tyče pro zkoušku tahem jsou na Obr.4. Svařené tyče pro zkoušku ohybem jsou na Obr.5.

Druhy zkoušek svarového spoje a počty zkušebních tyčí:

• Vizuální kontrola – 8 kusů svařených dvojic tyčí
• Zkouška tahem – 3 kusy nesvařeného základního materiálu, tyče ozn. Z1, Z2, Z3
• Zkouška tahem – 3 kusy svarových spojů, tyče ozn. S1, S2, S3
• Zkouška ohybem – 3 kusy svarových spojů, tyče ozn. L1, L2, L3
• Zkouška tvrdosti – 1 kus svarového spoje, tyč ozn. T
• Zkouška makro/mikrostruktury – 1 kus svarového spoje, tyč ozn. M

Výsledky zkoušek

Vizuální kontrola: Všechny svarové spoje odpovídají ČSN EN ISO 5817/C Zkouška tahem: Byla provedena na zkušebním zařízení v TZÚS, akredit. zkuš. laboratoř č. 1018.1, zkuš. teplota 20 °C – viz Tab.1. Pracovní diagram základního materiálu je na Obr.6. a svarového spoje na Obr.7.

Zkušební tyče základního materiálu ozn. Z1, Z2, Z3 po provedené zkoušce tahem jsou znázorněny na Obr.8.

Zkušební tyče svarových spojů ozn.S1, S2, S3 po provedené zkoušce tahem jsou znázorněny na Obr.9.

Zkouška ohybem: Byla provedena plynulým ohybem svarových spojů, zkuš. teplota 20 °C, viz Tab.2.

Zkušební tyče svarových spojů po provedené zkoušce ohybem jsou znázorněny na Obr.10. a Obr.11.

Zkouška tvrdosti: Byla provedena v obou krycích vrstvách dvojitého V-svaru a také v jeho středu na příč svarového spoje. Způsob provedení zkoušky byl dle ČSN EN 1043-1. Výsled ky zkoušky tvrdosti jsou uvedeny v Tab.3.

Zkouška makrostruktury: Zkušební vzorek svarového spoje byl vyleštěn a naleptán 10 % vodným roz tokem HNO3 , aby došlo k zvýraznění jednotlivých svarových housenek. Na svarovém spoji nebyly ve svarovém kovu nalezeny žádné vady typu dutin, stu dených spojů a trhlin – Obr.12. Na povrchu vzorku je dobře patrná zpevněná vrstva základního materiálu, v blízkosti svaru tepelně ovlivněná – Obr.13.

Zkouška mikrostruktury:

Mikročistota dle ČSN EN ISO 4697 - základní materiál: Sulfidy A 1,5; Oxidy D 2 - svarový kov : Sulfidy A 0,5 až 1; Oxidy D3 Na základě výsledku ze stanovení mikronečistot lze konstatovat, že svarový spoj je z hlediska mikro čistoty vyhovující.

Mikrostruktura základního materiálu (ZM): Struktura feriticko-perlitická s perlitem jehlicovitým v jádře vzorku (Obr.14., Obr.15.). Zpevněná povrchová vrstva podél celého obvodu základního materiálu je tvořena perlitem s podílem dolního bainitu (Obr.16). Mikrostruktura tepelně ovlivněné oblasti (TOO): Na rozhraní tepelně neovlivněného a ovlivněného zá kladního materiálu vede vnesené teplo od svařování ke zjemnění zrna a koagulaci perlitických lamel (Obr.17, Obr.18). Dalším zvýšením teploty směrem k hranici natavení svarovým kovem dochází k ná růstu velikosti zrna (Obr.19.). V oblasti, kde teplota přesáhla Ac3 , je struktura feriticko-perlitická Wid mannstättenova (Obr.20.) až k hranici natavení (Obr.21.). Mikrostruktura svarového kovu (SK): U vícehousenkového svaru dochází při kladení dalších housenek svaru k přežíhání housenky předcházející housenkou následující, takže vnitřní housenky svaru mají jemnozrnnou strukturu feriticko-perlitickou (Obr.22.). Krycí housenky mají výrazně usměrněnou kolum nární feriticko-perlitickou strukturu (Obr.23.).

Závěr

Tato práce se týká nosných tupých svarových spojů žebírkové betonářské oceli BSt 500 S dle normy DIN 488 – 1,2 (odpovídá oceli B 500 B dle ČSN 420139, ČSN EN 10080:2005).

Dosažené mechanické hodnoty svarového spoje jsou vyšší, než požadované pro základní materiál tj. ocel BSt 500 S a to i přesto, že vlivem tepelného cyklu svařování a také tuhosti vlastního svarového spoje došlo k poklesu Rm, poměru Rm/Re a Agt vůči hodnotám naměřeným na základním (nesvařova- ném) materiálu.

K těmto poklesům v TOO základního materiálu dojde vlivem svařování vždy a výsledné hodnoty závi sí výrazně na reálně použité technologii svařování a výchozích hodnotách základního materiálu. V průměru poklesly Rm o 4%, Rm/Re o 5%, Agt o 39,4%. Re se (nepatrně) v průměru zvýšila o 2%.

Na základě zjištěných výsledků a také provozních zkušeností lze pro reálné podmínky výroben a mon táží doporučit svařovat tupé nosné spoje termicky zušlechtěných betonářských ocelí metodou 111 teprve od jmenovitého průměru tyče d >16 mm.

Literatura

[1] ČSN EN ISO 17660-1 (050326) Svařování betonářské oceli – Část 1: Nosné svarové spoje, 2007.

[2]ČSN EN 10080 (421039) Ocel pro výztuž do betonu – Svařitelná betonářská ocel – Všeobecně, 2007.

[3] ČSN 420139 Ocel pro výztuž do betonu – Svařitelná žebírková betonářská ocel – Všeobecně, 2007.

[4] Pošvářová, M.: Technické podmínky TP 193 Svařování betonářské výztuže a jiné typy spojů: mono- grafie: Mott MacDonald Praha 2008.

[5] SVÚM a.s.: Technická zpráva č.8300175, Praha 2008.

[6] Nekolný, Novák, Plíva: Příručka svařování betonářské výztuže. SNTL Praha, 1979.

Autor článku vyslovuje poděkování svařečským školám AZ WELD Plzeň a SŠT Zelený pruh Praha za spolupráci.

Tabulky.doc

Článek - obrázky.doc