Čo znamená PWHT

19.3.2012 8:00 Ing. František Smatana

PWHT je anglická skratka pre dodatočnú úpravu tvrdosti hlavy koľajnice (post weld heat treatment). Úpravu tvrdosti hlavy koľajnice po zváraní som spomínal už párkrát (tuším), a naposledy v článku o zváraní koľajníc plynom (to netuším, ale určite viem). V dnešnom článku vám popíšem, ako sa táto činnosť robila na stavbách, ktorých som bol účastníkom. Konkrétne stavba VRT na Taiwane a metra v Dubaji.

Začneme ale inde. Stručne si povieme o tom, prečo sa vlastne niečo také ako úprava tvrdosti hlavy koľajnice po zváraní musí robiť. Ako dobre viete, pri stavbe zvršku sa používajú min 2 typy koľajníc; kto moje články číta pozorne a pamätá si, vie: podľa tvrdosti sú to koľajnice normálne (N) a nie nenormálne, ale s tvrdenou hlavou (HH, head hardened). N koľajnice s tvrdosťou HBW 260 až 300, HH koľajnice s HBW hlavy 350 až 390. Pre úplnosť doplním, že taiwanská VRT používala japonské koľajnice (JIS-60) a dubajské metro „európske“ (UIC54E1).

Výsledkom je, že pri zváraní koľajníc môžu nastať 3 možné kombinácie:

- normálna - normálna,
- normálna - tvrdená,
- tvrdená - tvrdená.

Ďalej máme 2 či 3 možnosti zvárania: odporové (FBW, flash-but welding), termitom (ATW, alumino-thermic welding) a teoreticky aj pomocou plynu (GPW, gas-pressure welding). FBW a GPW nemajú žiadne extra požiadavky pre zváranie koľajníc rôznej kvality, zatiaľ čo pri použití ATW sa musí použiť špeciálna zmes. Napr. pre japonské koľajnice JIS-60 boli použité zváracie dávky označené 60/Z-90SkV pre N koľajnice (trieda 260), a 60/Z-90SkV-HC pre HH koľajnice (trieda 350HT).

Pri všetkých troch sa však po zváraní kombinácie H-H musela robiť spomenutá úprava tvrdosti. A prečo? Stručná odpoveď je, že kvôli zmenám v štruktúre materiálu koľajnice vplyvom vysokej teploty. Samotná originálna HH koľajnica je na záver výroby tepelne upravená na povrchu hlavy, čím sa dosiahne zvýšená tvrdosť. Môžete to vidieť aj v nasledujúcom grafe, tvrdosť N koľajnice je nižšia a HH je vyššia, čo zrejme nikoho neprekvapí.

Zváraním HH koľajníc sa táto tvrdosť zníži. Teda presnejšie ona sa zníži vo zvare a jeho okolí. Angličtina má pre túto oblasť výraz heat affected zone (HAZ). Pozrite si nameraný priebeh tvrdosti v grafe, tam je to jasné. Takéto zníženie nie je prípustné, a preto sa musia robiť extra opatrenia, ktoré nám tvrdosť vrátia naspäť, na požadovanú úroveň.

Post weld heat treatment

Ja som sa stretol s 3 postupmi:

- japonský RTRI
- nemecký Elektro Thermit (ET)
- FBW

Neviem, či sú to oficiálne názvy; my sme ich používali na vyššie spomenutých projektoch. Rozdelil som ich tak len preto, lebo RTRI priniesli a používali Japonci (aj názov), druhý bol od firmy Elektro Thermit a tretí sme mali spolu s odporovou zváračkou. Japonský a nemecký postup sú si veľmi podobné, dané miesto sa musí nahriať (predpísaná doba nahrievania a vzdialenosť horáka od hlavy koľajnice) a následne kontrolovane ochladiť (prívodom kyslíka pod určitým tlakom po určitú dobu). Pri FBW sa len chladí. Aj táto činnosť sa musela, na všetkých projektoch, dokázať skúškami. Pozrime sa teraz na všetky 3 postupy trošku podrobnejšie.

RTRI

Tento používali Japonci pri stavbe VRT na Taiwane pre nimi realizované zvary HH koľajníc. Stručný postup (on iný skoro ani neexistuje, lebo celé je to jednoduché):

- proces začne, keď teplota čerstvo zvarených koľajníc klesne medzi 500 a 600oC
- nasadí sa nahrievací aparát, a zvar sa zohrieva predpísaným plameňom po dobu 90 sekúnd (teplota materiálu koľajnice
dosiahne asi 1 000 až 1 100oC)
- ihneď sa nasadí chladiaci aparát a pustí sa predpísaná dodávka kyslíka, chladí sa 4 až 5 minút.

Tým je úprava hotová.

ET

Kroky sú také isté, ako u japonského postupu. Rozdiel je v použitom náradí, trvaní jednotlivých činností a objemoch kyslíku a acetylénu. Ale hlavne v tom, že sa chladí bez dodávky chladiaceho plynu, len prikrytím zvaru chladiacim krytom. Úprava začína, keď teplota materiálu je nízka (povedzme okolo 40oC). Zohrievanie zvaru trvá asi 100 sekúnd a chladenie zhruba 2 minúty.

FBW

Používali sme ho pri odporovom (FBW) zváraní normálnych koľajníc do dlhých koľajnicových pásov na zváracích základniach v Dubaji. Zvárací agregát bol od americkej spoločnosti E.O.Paton, typ K900. Tu bol postup nasledovný: kontrolované chladenie špeciálnym chladičom muselo začať do 30 sekúnd po dokončení zvárania, a trvalo do 100 sekúnd. Chladilo sa stlačeným vzduchom, pri danom tlaku a množstve vzduchu.

Meranie tvrdosti

Nebudem to tu zbytočne komplikovať detailmi, len uvediem, že merať tvrdosť materiálu koľajnice môžete tromi postupmi: za prvý ďakujeme pánovi Vickersovi, za druhý pánovi Brinellovi a za tretí pánovi Rockwellovi . Štvrtý, jasne najvhodnejší, ktorý popísal pán Jára Cimrman, sa pre našu veľkú škodu nepoužíva (najskȏr preto, lebo jeho popis sa ešte neobjavil). A Jánošíkove meranie tvrdosti valaškou sa pre kovy nehodí.

Postup podľa Vickersa nájdete v norme EN ISO 6507-1. V Dubaji sme ho používali na preukázanie správnosti nášho PWHT postupu. Dokazovala sa ním kvalita testovacieho zvárania a meranie sa robilo v laboratóriu.

Na stavbe sme použili Brinellov postup, pre jeho jednoduchosť. Meralo sa prenosnou súpravou, ktorá síce nie je taká presná, ale zato máte výsledky ihneď. S jeho pomocou sme vybrali najvhodnejšiu dĺžku chladenia hlavy koľajnice. Pre vašu informáciu, vtedy sme skúšali 3 rôzne dĺžky chladenia: 80, 90 a 100 sekúnd. Ako najlepšie nám vyšlo 90 sekundové chladenie. To sa potom používalo pre pracovné zvary. A na záver, postup nájdete v norme EN ISO 6506-1. A veľmi pekný popis systému je ukázaný na anglickej Wikipédii. Keď sme testovali vzorky, merali sme tvrdosť materiálu v laboratóriu aj týmto spôsobom.

Popis postupu pána Rockwella si nájdite sami; my sme ho nepoužívali. Tuším sa v Európe nerozšíril (zrejme v duchu hesla „cudzie nechceme, svoje si nedáme“; ale tiež je pravda, že „všetkého moc škodí“).

Vyhodnotenie meraní nechám bez komentára úplne. Pre účely tohto článku nie sú podstatné. Kto chce či potrebuje, si ho musí naštudovať v spomínaných normách. Takisto len spomeniem, že firma Elektro Thermit ponúka novinku pre zváranie HH koľajníc – procedúru nazvanú HPW (high performance weld). Kde (ako mi povedal kolega – zvárač) sa použije len špeciálna zváracia dávka.

Tak, a to je všetko. Nič komplikované, všakže?

Kontrolná otázka: Kto správne odpovie, čo znamená skratka “HBW”, bude slávnostne zapísaný do knihy prádla.

Poznámka: Fotky merania tvrdosti už boli pripojené k článku popisujúcom stavbu metra v Dubaji.