201208_PSpaw.pdf 45Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Ryszard Pakos Kwalifikowanie technologii spawania prętów do zbrojenia betonu rainforced concentrate bars welding technology qualifying Dr inż. Ryszard Pakos – Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie. Streszczenie W artykule przedstawiono kryterium podziału prętów do zbrojenia betonu oraz klasy i gatunki prętów zbrojeniowych, omówiono zagadnienia związane z tech- nologią wytwarzania oraz ich spawalnością. W części badawczej opisano procedurę kwalifikowania technologii spawania prętów na podstawie aktualnych norm. abstract The article presents the criterion for the allocation of reinforced concrete bars, classes and grades of rein- forcing bars, discusses issues related to manufacturing technology and their weldability. The research part descri- bes the procedure for qualifying of welding of reinforced concentrate bars based on current standards. Wstęp Do kwalifikowania technologii spawania prętów żebrowanych do zbrojenia betonu wykorzystuje się badania nieniszczące i niszczące, takie jak: bada- nia wizualne, makroskopowe, penetracyjne, bada- nia na rozciąganie oraz twardości. nie ma jednej normy, która w pełni opisywałaby proces kwalifiko- wania technologii spawania prętów żebrowanych. Procedura kwalifikowania opisana jest w dwóch od- rębnych normach: En ISO 17660-1:2008 Spawanie – Spawanie/zgrzewanie stali zbrojeniowej – Część 1: Złącza spawane/zgrzewane nośne oraz normę En ISO 15614-1: 2008 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali – Badania technologii spawania – Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu. Trze- ba jednak zaznaczyć, że każda z tych norm opisuje tylko część zaleceń. Bazowanie na jednej z nich nie zapewnia pełnego kwalifikowania technologii spa- wania prętów żebrowanych. norma En ISO 17660-1:2008 zawiera zalecenia dotyczące badań na rozciąganie i zginanie, a En ISO 15614-1:2008 – badań wizualnych, badań penetracyj- nych, badaniu twardości. Opracowanie jednej komplet- nej normy, która opisywałaby proces kwalifikowania spawania prętów żebrowanych, byłoby ułatwieniem omawianej procedury. Pręty zbrojeniowe używane są w konstrukcjach żelbetowych, tj. konstrukcjach z betonu i ułożo- nych w nim prętów ze stali zbrojeniowej. Ilość stali w konstrukcjach żelbetowych jest niewielka i na ogół nie przekracza 5% ich całkowitej objętości, jednak wprowadzenie prętów stalowych do konstrukcji be- tonowej umożliwia osiąganie bardziej wytrzyma- łych konstrukcji o większych wymiarach. Zadaniem prętów zbrojeniowych nośnych, rozdzielczych, strzemion oraz siatek stosowanych do konstruk- cji betonowych jest ich wspólne przenoszenie sił, głównie rozciągających i poprzecznych, występu- jących podczas pracy konstrukcji. Wytrzymałość betonu na rozciąganie jest bardzo mała, zatem można przyjmować, że obciążenie rozciągające w konstrukcjach żelbetowych jest przenoszone tyl- ko przez pręty zbrojeniowe. Zbrojenie stosowane jest również w przypadku występowania dużych naprężeń ściskających i ograniczonych wymiarów przekroju betonu. Wówczas mogą występować nie- korzystne dla konstrukcji żelbetowych zbyt duże naprężenia wywołane skurczem betonu i zmianami temperatury. Klasy i gatunki Zgodnie z Pn-89/H-84023/06 stale do zbroje- nia betonu dzieli się na 5 klas. Pręty zbrojeniowe, w zależności od klasy, rozróżnia się pod względem układu i nachylenia żeber na pobocznicy pręta. na rysunku 1 przedstawiono pręty do zbrojenia 46 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Rys. 1. Pręty zbrojeniowe ze stali: a) pręty gładkie (klasa A-0 i A-I), b) pręty żebrowane – dwa żebra jednoskośne (klasa A-II, stal St50b), c) pręty żebrowane (klasa A-II dla gatunku 18G2-b), d) pręty żebro- wane – tzw. „dwa żeberka na jodełkę” (klasa A-III dla 34GS), e) pręty żebra (klasa A-IIIn dla gatunku 20G2VY-b) [7] Fig. 1. Steel reinforced concentrate bar: a) plain bars (class A-0 and A-I), b) ribbed reinforcing bar – two skewed ribs (class A-II, grade St50b), c) ribbed reinforcing bar (Class A-II species 18G2-b), d) ribbed reinforcing bar (Class A-III to grade 34GS), e) ribbed rein- forcing bar (class A-IIIn species 20G2VY-b) [7] Rys. 2. Klasy i gatunki stali wg Pn-B-03264 oraz dwa gatunki nie- ujęte w normie – RB500W i BST500S (klasa AIIIn) [7] Fig. 2. Classes and grades acc. to Pn-B-03264 and 2 not included in standard – RB500W and BST500S (class AIIIn) [7] betonu oraz ich układy użebrowania, natomiast na rysunku 2 pokazano klasy stali i przyporządkowa- ne im gatunki wg Pn-B-03264, oraz dodatkowe dwa gatunki nieujęte w normie – RB500W i BST500S (w ramach klasy AIIIn). W klasie A-0 produkowane są pręty okrągłe gład- kie ze stali St0S. W klasie A-I — pręty okrągłe gład- kie o innych właściwościach mechanicznych i tech- nologicznych zaliczane do gatunków St3SX i St3SY. Pręty zbrojeniowe w klasie A-ll mają na powierzchni ukształtowane dwa żebra podłużne, biegnące równo- legle do długości pręta. Pręty w klasie A-III są rów- nież żebrowane, podobnie jak w klasie A-II, z tym że żebra poprzeczne usytuowane są w tzw. „jodełkę” i nachylone do żeber podłużnych z jednej strony prę- ta pod kątem ok. 60°, a z drugiej strony pod kątem 300°. Pręty 20G2VY produkowane w klasie A-IIIn, dla odróżnienia ich od prętów 34GS, mają nawalcowane dodatkowe odcinki żeber podłużnych między żebera- mi poprzecznymi. W tablicy I przedstawiono gatunki i klasy stali do zbrojenia betonu wraz z ich podstawowymi właściwo- ściami mechanicznymi oraz przydatnością do spajania, scharakteryzowaną maksymalną zawartością węgla i równoważnikiem węgla Ce. W Polsce najczęściej używanymi gatunkami stali są: 18G2-b, 34GS, RB500, RB500W, BSt500S. tablica I. Charakterystyczne właściwości stali przeznaczonej na pręty zbrojeniowe [6] table I. Typical properties of steel for reinforced concentrate bar [6] Norma Gatunek stali Klasa stali Zakres średnic, mm Cmax % Ce Wymagane właściwości mechaniczne prętów Re lub R0.2 min, MPa Rm, MPa A5 min, % Kąt gięcia/średnica trzpienia gnącego P n -8 2/ H -9 32 15 P n -8 9/ H -8 40 23 .6 P n -H -8 40 23 -6 /A 1: 19 96 St-0b A-0 5.5÷40 0,23 - 220 310÷550 22 180°/2 d St3Sx-b St3Sy-b A-I 0,22 - 240 370÷460 24 180°/2 d St50B A-II 6÷32 0,40 - 355 min.490 17 180°/3 d 18G2-b 0,22 0,48 490÷620 20 180°/3 d 20G2Y-b 6÷28 0,23 0,48 180°/2 d 25G2S A-III 6÷40 0,29 0,58 395 min. 590 14 90°/3 d 35G2Y 6÷20 0,35 0,59 410 16 90°/3 d 34GS 6÷32 0,36 0,59 410 90°/3 d 20G2VY A-IIIn 6÷28 0,23 0,52 490 590÷780 13 90°/4 d S er ia n or m P n -I S O 6 93 5 RB300 A-IIIn 6÷40 brak brak 300 min. 330 16 160°/2÷4 d RB400 RB400W 0,22 0,50 400 min. 440 14 160°/2.5÷5 d RB500 RB500W 0,24 0,52 500 min. 550 14 160°/3÷6 d D In 48 8 BSt420S BSt500S 6÷28 (32) 0,22 - 420 min. 500 10 180°/5÷8 d 0,22 - 500 min. 550 10 180°/5÷8 d P n - E n V 10 08 0 B500A 6÷16 0,24 0,52 500 min. 1,05xRe 2.5 90°/5÷10 d B500B 6÷40 0,24 0,52 500 min. 1,08xRe 5 90°/5÷10 d 47Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Metody wytwarzania Stal zbrojeniowa wytwarzana jest przez huty i zakła- dy przetwórstwa hutniczego w postaci prętów gładkich i żebrowanych, walcówki i drutu w kręgach z powierzch- nią gładką lub żebrowaną oraz jako siatki zgrzewane maszynowo z prętów lub z odcinków drutów. Postęp w technologii wytwarzania wyrobów sta- lowych do zbrojenia betonu był ukierunkowany w minionych kilkunastu latach na uzyskanie zwięk- szonej wytrzymałości i granicy plastyczności, przy jednocześnie dobrej plastyczności i spajalności. Rozwój technologii walcowania i przetwórstwa hut- niczego pozwala obecnie na uzyskanie żądanego kształtu i wymiarów wyrobów hutniczych z dużą do- kładnością wymiarową. Tradycyjna technologia wytwarzania prętów lub walcówki do zbrojenia betonu polega na walcowaniu na gorąco i naturalnym chłodzeniu w powietrzu po walcowaniu. Uzyskanie wysokiej granicy plastyczno- ści prętów możliwe jest w wyniku zastosowania jednej z następujących technologii: – obróbki cieplnej bezpośrednio po walcowaniu (przy- spieszone chłodzenie), realizowanej z zastosowa- niem jednej z następujących odmian umacniania cieplnego: TEmPCORE, QTB; – walcowania z regulowaną temperaturą prętów ze stali mikrostopowych, np. z mikrododatkiem wana- du i niobu; – umacniania na zimno prętów przez skręcanie, roz- ciąganie i/lub nagniatanie użebrowania. najczęściej stosowane są technologie TEmPCORE i QTB. W technologii tEMPCORE, która obejmuje obrób- kę cieplną z wykorzystaniem ciepła walcowania, pod- wyższenie właściwości mechanicznych prętów uzy- skuje się w wyniku zahartowania i samoodpuszczenia zewnętrznej warstwy pręta przechodzącego po zakoń- czeniu walcowania przez linię intensywnego chłodzenia wodnego oraz w wyniku rozdrobnienia struktury fer- rytyczno-perlitycznej w środkowej strefie pręta. Skład chemiczny stali na pręty żebrowane do zbrojenia be- tonu podany w normie Pn-ISO 6935-2 określa do- puszczalne zawartości pierwiastków podstawowych (C, mn, Si), resztkowych (Cr, V, mo, Cu, ni, Sb, Sn), domieszek szkodliwych (S, P), gazów (n2, H2, O2) oraz maksymalną wartość równoważnika węgla Ce. Skład chemiczny stali wytwarzanych w kraju metodą umoc- nienia cieplnego, wg Pn-ISO 6935-2:1998 oraz wg projektu Pn-En 10080:2007, podano w tablicy II. Zastosowanie technologii TEmPCORE przynosi znaczne efekty: – ekonomiczne (obniżenie kosztów produkcji prętów), – technologiczne (produkcja wysokiej jakości prętów ze stali o Re min – 500 mPa, A5 = 15% oraz o bardzo dobrej spawalności i zgrzewalności), – konstrukcyjne (znaczne zmniejszenie liczby i masy prętów stosowanych w konstrukcjach żelbetowych), – jakościowe (polepszenie jakości powierzchni prę- tów przez zmniejszenie grubości zgorzeliny, zmniej- szenie braków na skutek uszkodzenia powierzchni prętów, zapewnienie większej prostości prętów), – organizacyjne (zmuszenie producentów prętów do przestrzegania ostrych wymagań narzuconych przez systemy jakości), – rynkowe (eliminacja z rynku produkcji prętów o ograniczonej spawalności i zgrzewalności). technologia QtB (Quenching and Tempering Bars) opracowana przez firmę DAnIELI jest odpowied- nikiem metody kontrolowanego chłodzenia TEmP- CORE. Zapewnia ona uzyskanie podwyższonych właściwości wytrzymałościowych prętów ze stali nisko- węglowych przez zastosowanie w linii walcowania na gorąco odpowiedniego systemu trójfazowego kontrolo- wanego chłodzenia prętów. Pod względem struktury wewnętrznej pręt poddany takiej obróbce cieplnej wykazuje przypowierzchniową warstwę martenzytu odpuszczonego, podczas gdy rdzeń pręta składa się z ferrytu i perlitu oraz struktur pośrednich. Dzięki zastosowaniu technologii QTB uzyskuje się poprawę parametrów technicznych prętów: – wysoką wytrzymałość na rozciąganie, – dobrą spawalność dzięki możliwości zmniejszania zawartości węgla przy zachowaniu wysokiej umow- nej granicy plastyczności, – dobrą zginalność bez występowania mikropęknięć na powierzchni pręta, – bardzo dobrą charakterystykę zachowania się prę- tów w warunkach zmęczeniowych, osiąganą dzięki wysokiej plastyczności powierzchniowej warstwy martenzytu, co pozwala na wykorzystywanie prętów z QTB w elementach konstrukcyjnych poddawa- nych obciążeniom dynamicznym, tablica II. Wymagany skład chemiczny stali na pręty żebrowane wg Pn-ISO 6935-2:1998 i Pn-En 10080:2007 table II. Required chemical composition of steel for reinforced concentrate bar acc. to Pn-ISO 6935-2:1998 and Pn-En 10080:2007 numer normy Gatunek stali maksymalna zawartość pierwiastka, % masy C mn Si P S n Ce Pn-ISO 6935-2 RB300, RB400 RB500 - - - 0,060 (0,050)1) 0,060 (0,050)1) - - RB400W, RB500W 0,22 1,60 0,60 0,050 0,050 0,012 0,50 (0,55)2 Pn-En 10080:2007 B500A, B500B 0,24 - - 0,055 0,055 0,013 0,52 1) norma Pn-ISO 6935-2/AK:1998 ogranicza zawartość P i S do poziomu 0,050% 2) Dla prętów RB400W i RB500W o średnicy powyżej 32 mm dopuszcza się 0,25%C i Ce max – 0,55% 48 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 – dzięki wysokiej stabilności cieplnej struktury podda- nej obróbce cieplnej charakterystyka zachowania się prętów z QTB podczas pożaru nie odbiega od wła- ściwości prętów walcowanych metodą klasyczną. na rysunku 3 przedstawiono uproszczony schemat procesu technologii QTB wraz z wykresem temperatu- ra – fazy chłodzenia pręta żebrowanego. Spawalność na spawalność stali prętów żebrowanych decydu- jący wpływ ma skład chemiczny (wyrażony wartością równoważnika węgla Ce), obecność wodoru dyfundują- Rys. 3. Schemat przebiegu procesu technologii QTB [14] Fig. 3. Scheme of QTB process [14] cego oraz średnica pręta. norma budowlana B-03264 oraz normy przedmiotowe na wytwarzanie spawal- nych prętów ograniczają wartość równoważnika Ce do 0,50%. Wzrost grubości prętów zwiększa ryzyko pod- hartowań w strefie wpływu ciepła (SWC), co w obecno- ści naprężeń spawalniczych oraz naprężeń pochodzą- cych od obciążeń zewnętrznych może spowodować pęknięcie zimne. W przypadku nowoczesnych prętów żebrowanych nie występuje ryzyko pękania gorącego, nagłego czy lamelarnego. Pęknięcia kruche ze względu na korzyst- ną strukturę materiału pręta (obecność odpuszczone- go martenzytu o niskiej twardości) nie powinny stano- wić zagrożenia. Przydatność stali zbrojeniowej do łączenia za po- mocą spawania łukowego lub zgrzewania oporowego podano w tablicy III. Spawalność „zadowalająca” ozna- cza możliwość połączenia prętów przy zachowaniu odpowiednich warunków wykonania oraz przeprowa- dzenia badań wstępnych, natomiast spawalność „nie- dostateczna” lub (utrudniona) oznacza, że stal, z uwa- gi na skład chemiczny, stwarza trudności w połączeniu metodami spawania i zgrzewania, jednak nie uniemoż- liwia połączenia prętów innymi metodami. Rodzaje połączeń spawanych Połączenia spawane prętów zbrojeniowych można podzielić na złącza spawane nośne i złącza spawane nienośne (rys. 4). Złącza nośne są to złącza spawa- ne stosowane do przenoszenia specyficznych obcią- żeń ze stali zbrojeniowej. Złącza spawane nienośne są to złącza, których wytrzymałość jest nieuwzględ- niana przy projektowaniu konstrukcji do zbrojenia betonu. Zadaniem nieobciążonego złącza spawa- nego jest zwykle zapewnienie wzajemnego położe- nia elementów do zbrojenia betonu podczas produk- cji, transportu i betonowania. Stosowane połączenia spawanych prętów zbrojeniowych można podzielić tablica III. Ogólna charakterystyka spawalności krajowych stali zbrojeniowych [10] table. III. Typical weldability of domestic steels for reinforced concentrate bars [10] Klasa stali Gatunek stali Spawalność lub zgrzewalność stali zbrojeniowej przy zastosowaniu spawania łukowego zgrzewania oporowego doczołowego punktowego A-0 St0S-b dobra (do d = 25 mm) dobra A-I St3SX-b dobra (do d = 25 mm) dobra St3SY-b dobra dobra PB 240 utrudniona brak danych A-II St50B dobra (wymaga przeprowadzania wstępnych prób zgrzewalności) niedostateczna 18G2-b dobra dobra 20G2Y-b zadowalająca zadowalająca A-III 25G2S utrudniona zadowalająca 25G2Y zadowalająca 34GS dobra (zgrzewanie prętów prostych) RB 400 brak danych RB400 W bardzo dobra bardzo dobra RB 500 utrudniona brak danych RB 500W bardzo dobra bardzo dobra 49Przegląd sPawalnictwa 8/2012 na następujące rodzaje złączy: doczołowe, zakładko- we, nakładkowe, krzyżowe, złącza z innym elementem stalowym, złącza inne. Metody spawania norma En ISO 17660:2008 Spawanie – Spawanie/ zgrzewanie stali zbrojeniowej podaje zalecane średni- ce prętów do zbrojenia betonu dla różnych rodzajów Rys. 4. Klasyfikacja złączy spawanych wg rodzaju Fig. 4. Welded joint type classification tablica IV. Zalecane metody spajania prętów do zbrojenia betonu [2] table IV. Recommended methods for rainforced concentrate bars welding [2] numer metody spajania wg Pn-En ISO 4063 (nazwa metody spajania) Rodzaj złącza spajanego Zakres średnic prętów dla złączy, mm nośnych1) nienośnych2) 21 (zgrzewanie punktowe oporowe) zakładkowe nie ma zastosowania 5÷50 23 (zgrzewanie garbowe) krzyżowe 5÷20 5÷50 24 (zgrzewanie iskrowe), 25 (zgrzewanie zwarciowe) doczołowe 5÷50 nie ma zastosowania 42 (zgrzewanie tarciowe) doczołowe, doczołowe z inną stalą 6÷50 nie ma zastosowania 47 (zgrzewanie gazowe; płomieniowe) doczołowe 6÷50 nie ma zastosowania 111 (spawanie łukowe elektrodą otuloną) 114 (spawanie łukowe drutem proszkowym samoosłonowym) 135 (spawanie łukowe metodą mAG) 136 (spawanie łukowe drutem proszkowym w atmosferze gazu aktywnego) doczołowe bez podkładki ≥16 nie ma zastosowania doczołowe z podkładką ≥12 nie ma zastosowania zakładkowe 6÷50 6÷50 nakładkowe 6÷50 nie ma zastosowania krzyżowe 6÷50 6÷50 doczołowe z inną stalą 6÷50 6÷50 1) Złącza spajane wykonane z prętów do zbrojenia betonu, stosowane do przenoszenia głównych obciążeń przez pręty oraz elementy stalowe połączone z prętami. 2) Złącza spajane, których wytrzymałość nie jest brana pod uwagę w fazie projektowania konstrukcji zbrojeniowej; służą tylko do utrzymania elementów zbrojenia we właściwej pozycji podczas wytwarzania, transportu i montażu konstrukcji. i stopni odpowiedzialności złączy spajanych stosowanych w praktyce budowlanej. W tablicy IV przedstawiono zalecane metody spajania prętów do zbrojenia betonu. W teorii pręty zbrojeniowe można łączyć kilko- ma metodami spawania (procesy 111, 135, 136 wg Pn-En ISO 4063), ale praktycznie metodą najczęściej stosowaną przez wykonawców jest metoda ręcznego spawania elektrodą otuloną (111), która w warunkach zarówno warsztatowych, jak i na placu budowy ma sporo zalet w porównaniu z pozostałymi, tj. łatwość transportu źródeł inwertorowych do kolejnych stano- wisk w czasie pracy, wyeliminowanie butli gazowych, większą odporność na podmuchy wiatru oraz mniejszą awaryjność od bardziej skomplikowanych półautoma- tów spawalniczych mIG/mAG. Badania złączy próbnych i kryteria oceny Złącza próbne określa się na podstawie analizy projektu konstrukcyjnego obiektu, dla którego bę- dzie wykonywane uznanie/kwalifikowanie technologii spawania. Analizie podlegają następujące elementy złączy nośnych: grupy (gatunki) stali spawanych ele- mentów konstrukcji zbrojenia (pręty, blachy), śred- nica prętów, grubość blach, typy połączeń, rodzaj i grubość spoin. na podstawie tych danych należy wybrać złącza reprezentatywne dla występujących połączeń, gru- bości spoin i materiałów, uwzględniając zakres kwa- lifikowania. W praktyce projektanci dążą do unifikacji konstrukcji zbrojenia, co zmniejsza liczbę zmiennych parametrów, a w wielu przypadkach może nawet ozna- czać jeden typ pręta nośnego (gatunek, średnica) z jednym typem połączenia. 50 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Zakres badań złączy próbnych przedstawiono w ta- blicy V. Badania nieniszczące (nDT) zaleca się wykonać najwcześniej po upływie 24 h po zakończeniu spawania w celu ujawnienia ewentualnych pęknięć zimnych. Badania niszczące wykonuje się na złączach, które uzyskały pozytywny wynik badań nieniszczących (nDT). W praktyce jest istotne, aby badania zostały wykonane przez akredytowane laboratorium, a badania nienisz- czące przez certyfikowany personel. W wyniku obserwacji złącza można określić charak- ter krystalizacji pierwotnej materiału spoiny, niezgod- ności spawalnicze wewnętrzne i zewnętrzne, jakość wtopienia metalu spoiny w materiał łączony, szerokość strefy wpływu ciepła oraz makrostrukturę materiału podstawowego. W przypadku badań wykonywanych na złączach prętów zbrojeniowych zakres potrzebnych badań przedstawiono w tablicy V. Liczba złączy próbnych jest pochodną zakresu ba- dań, co oznacza, że dla technologii spawania prętów spoinami czołowymi potrzeba 8 złączy, a dla prętów ze spoinami pachwinowymi 4 złącza, z wyjątkiem złączy krzyżowych, które wymagają 7 próbek (próby twardo- ści można wykonać na próbkach makroskopowych po wykonaniu fotografii). Dla złączy ze spoinami czołowymi długość próbek do badań mechanicznych przyjmuje się rzędu 300 mm. Dla złączy ze spoinami pachwinowymi długość próbek do próby rozciągania powinna być większa, rzędu 700÷800 mm. tablica V. Zakres badań złączy próbnych i dotyczące ich wymagania [3-5] table V. The range of tests for test-joint and requirement for it [3-5] Złącze próbne Rodzaj badań Zakres badań Wymagania pręt + pręt ze spoiną czołową badania wizualne (VT) 100% B wg En ISO 5817 badania na pęknięcia powierzchniowe: PT/mT 100% B wg En ISO 5817 badania radiologiczne (RT) 100% B wg En ISO 5817 próba rozciągania 3 próbki zerwanie w materiale1) próba zginania 4 próbki kąt zginania 120°2 badania makroskopowe 1 próbka B wg En ISO 5817 próba twardości HV105) 1 próbka dopuszczalna maksymalna twardość3 pręt + pręt ze spoiną pachwinową* badania wizualne (VT) 100% C wg En ISO 58174) badania na pęknięcia powierzchniowe: PT/mT 100% C wg En ISO 5817 próba rozciągania 3 próbki zerwanie w materiale1) badania makroskopowe 2 próbki C wg En ISO 5817 próba twardości HV 105) 2 próbki dopuszczalna maksymalna twardość3) pręt + blacha, spoina pachwinowa badania wizualne (VT) 100% C wg En ISO 5817 badania na pęknięcia powierzchniowe: PT/mT 100% C wg En ISO 5817 badania makroskopowe 2 próbki C wg En ISO 58174) próba twardości HV 105) 2 próbki dopuszczalna maksymalna twardość3) *) Dla złączy skrzyżowanych wymagana jest dodatkowo próba ścinania (3 próbki). 1) W przypadku zerwania w spoinie: Rm > od minimalnej wartości wytrzymałości dla danej stali, dla spoin pachwinowych należy uwzględnić współczynnik ścinania. 2) 2 próbki z rozciąganiem lica, 2 próbki z rozciąganiem grani. 3) Dopuszczalna maksymalna twardość HV 10: 350 – dla stali grupy 1 i 2 wg ISO/TR 15608; 420 – dla stali grupy 3 wg ISO/TR 15608. 4) Próbki pobrać z obu końców spoiny. 5) Próbę twardości wykonać na próbkach makroskopowych, po wykonaniu fotografii. Do prób spawania prętów zbrojeniowych należy do- brać materiały dodatkowe, które: – zapewniają stopiwo o granicy plastyczności Re min równej, a w praktyce bezpieczniej – o 10÷15% wyższej od granicy plastyczności łączonych prętów. Jest to szczególnie ważne przy spawaniu prętów ze stali wysokowytrzymałej; – mają dobre technologiczne właściwości spawalni- cze, czyli charakteryzują się dobrym równomiernym stapianiem, zapewniają równomierne kształtowanie spoiny oraz małą ilość rozprysków; – są uznane przez instytucje dozoru technicznego, np.: UDT, TÜV, DB lub morskie towarzystwa klasyfi- kacyjne; – mają kartę katalogową z danymi technologicznymi oraz dokument kontroli wg normy En 10204 – tzw. certyfikat wytwórcy; – w przypadku elektrod otulonych, dodatkowo, są do- stępne w opakowaniach próżniowych, co eliminuje problem z suszeniem, kłopotliwy na budowie. Badania własne złącza próbnego W celu zobrazowania procesu kwalifikowania prę- tów żebrowanych przedstawiono badanie złącza wy- konanego na pręcie żebrowanym o średnicy 25 mm. Pręty połączono w złączu zakładkowym jednostron- ną spoiną pachwinową w pozycji podolnej (PA) 51Przegląd sPawalnictwa 8/2012 - rysunek 5. na podstawie En ISO 17660-1:2008 oraz En ISO 15614-1:2008 przeprowadzona została proce- dura kwalifikowania technologii spawania prętów że- browanych do zbrojenia betonu. Rys. 5. Przekrój połączenia zakładkowego jednostronnego prętów wykonanego w pozycji podolnej (PA) Fig. 5. Cross section of overlap joint of bars made in the flat welding position (PA) tablica VI. Charakterystyka badanego pręta table. VI. Characteristic of tested rainforced concentrate bar Pręt zbrojeniowy Wyrób Stan Przeznaczenie Gatunek norma Wymiar, mm A pręt gorąco walcowany okrągły żebrowany surowy do zbrojenia betonu BSt500S DIn488-1:84/DIn 488-2:86 25 tablica VII. Skład chemiczny oraz właściwości mechaniczne badanego pręta zbrojeniowego table VII. Chemical composition and mechanical boroperties of tested rainfroced concentrate bar Pręt zbrojeniowy Skład chemiczny wytopu, % Równoważnik węgla CeC mn Si P S Ce ni Cu mo V n A 0,21 0,9 0,14 0,014 0,035 0,09 0,09 0,3 0,02 0,002 0,009 0,41 Równoważnik węgla Ce wg wzoru Ce = C + mn/6 + (Cr + mo + V)/5 + (ni + Cu)15 Właściwości mechaniczne Rm, n/mm 2 Re, n/mm 2 Rm/Re A10, % Agt, % 680 573 1,19 18,2 10,5 tablica VIII. metody spawania badanych prętów table. VIII. Welding mehods of tested rainforced concentrate bars Pręt zbrojeniowy metoda spawania Pn-En ISO 4063 Rodzaj wykonanej spoiny Pn-En 287-1 Pozycja spawania Pn-En ISO 6947 Rodzaj użytej elektrody Klasa elektrody Wg En 757 A 111 FW PF OK. 74.78 E 55 4 mn mo B 3 2 H5 tablica IX. Wyniki badania wizualnego złącza spawanego pręta zbrojeniowego o średnicy 25 mm table. IX. Results of visual testing of welded joint of reinforced concentrate bar with diameter of 25 mm numer próbki Lico/grań Pn-En ISO 6520-1:2009 / Pn-En ISO 5817:2009 101 102 103 104 402 504 507 508 509 510 512 514 515 5011 5012 5013 InnE Wynik A.1 L B B A.2 L B A.3 L B B A.4 L B tablica X. Wyniki badania na rozciąganie złącza zakładkowego pręta o średnicy 25 mm table X. Results of tensile test of overlap joint of reinforced concentrate bars with diameter of 25 mm numer próbki Średnica badanego pręta, mm Rm, mPa An, mm 2 An x Rm, kn Fmax, kn miejsce pęknięcia Wynik A.1 Ø 25 550,0 490,9 270,0 325,0 m pozytywny A.2 Ø 25 550,0 490,9 270,0 325,5 m pozytywny A.3 Ø 25 550,0 490,9 270,0 325,0 m pozytywny gdzie: An – nominalne pole przekroju poprzecznego pręta w mm 2 ; Fmax – maksymalna siła rozciągająca, n; Rm – nominalna wytrzymałość na rozciąganie pręta, n/mm2 wg DIn 488-1 09/84; m – materiał; S – spoina Charakterystyka badanego pręta W celu przeprowadzenia kwalifikowania technolo- gii spawania prętów żebrowanych do zbrojenia beto- nu wykonano badania nieniszczące (nDT) i niszczą- ce: wizualne (VT), penetracyjne (PT), wytrzymalości Rys. 6. Próbka do badania złącza zakładkowego (badanie na rozcią- ganie) zgodnie z Pn En-ISO 17660-1:2008 Fig. 6. Sample for testing with overlap joints (tensile test) acc. to En ISO 17660-1:2008 52 Przegląd sPawalnictwa 8/2012 na rozciąganie, twardości i makroskopowe. Badania wykonano zgodnie z zaleceniami zawartymi w nor- mach: – En ISO 17660-1 – Spawanie/zgrzewanie stali zbroje- niowej – Część 1: Złącza spawane/zgrzewane nośne, – En ISO 15614-1 – Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali – Badanie technologii spawania – Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu. Wyniki badań wg EN ISO 17660-1 i EN ISO15614-1 Zgodnie z wytycznymi norm badania laboratoryjne rozpoczęto po upływie 24 h od zakończenia spawania. Po przeprowadzeniu badania wizualnego zgod- nie z wytycznymi Pn-En 17637 stwierdzono (tabl. IX), że złącze wykonane z pręta o średnicy 25 mm spełnia wymagania jakościowe, a uzyska- ny poziom akceptacji określono jako wysoki (B) wg Pn-En ISO 5817:2009. niezgodności określono zgodnie z Pn-En 6520. Jedyną znalezioną niezgod- nością była nierówność lica, która ma niewielki wpływ na jakość i poprawność złącza. Rys. 7. makrostruktura złącza zakładkowego pręta o średnicy 25 mm – próbki A.1 i A.2 Fig. 7. macrostructure of overlap joint of reinforced concentrate bars with diameter of 25 mm – samples A.1 and A.2 Rys. 8. miejsca badania twardości na próbce A.1 Fig. 8. Hardness measurement points in sample A.1 tablica XI. Wyniki badania twardości dla próbki A.1 table. XI. Sample A.1 hardness measurement results Rząd 1 lico Rząd 2 grań Punkt pomiarowy HV 10 Punkt pomiarowy HV 10 1 208 materiał rodzimy 1 183 materiał rodzimy 2 214 2 185 3 233 3 190 4 205 SWC 4 222 SWC 5 178 5 184 6 210 6 189 7 202 7 183 8 211 8 204 9 213 spoina 9 215 spoina 10 208 10 239 11 217 11 225 12 208 12 215 13 217 13 204 14 214 14 218 15 213 SWC 15 204 SWC 16 202 16 217 17 199 17 204 18 207 18 190 19 207 19 207 20 282 materiał rodzimy 20 198 materiał rodzimy 21 277 21 191 22 264 22 182 Rys. 9. Wykres rozkładu twardości w poszczególnych punktach po- miarowych Fig. 9. Hardness distribution in measurements points 53Przegląd sPawalnictwa 8/2012 Badania penetracyjne nie wykazały niezgodności na badanych próbkach. Poziom akceptacji zgodnie z Pn-En ISO 23277:2010 został określony na poziomie 1. Badanie wytrzymałości na rozciąganie zostało wy- konane zgodnie z wymaganiami zawartymi w normie, nie było potrzeby badania dwóch dodatkowych próbek. Wszystkie próby uzyskały wynik pozytywny (tabl. X), co oznacza, że spełniony został warunek przedstawio- ny w normie, mówiący, że wartość maksymalnej siły rozciągającej dla badanych próbek ma być wyższa od iloczynu nominalnego przekroju poprzecznego pręta oraz nominalnej wytrzymałości pręta na rozciąganie, tj. 550 mPa. W każdej z próbek miejscem pęknięcia nie była spoina, lecz materiał rodzimy, co oznacza, że wytrzymałość spoiny była większa od wytrzymałości materiału rodzimego. Badanie makroskopowe zostało wykonane zgodnie z warunkami określonymi w normie. na próbkach A.1 i A.2, widocznych na rysunku 6, nie znaleziono nie- zgodności w postaci: pęknięcia, porowatości, a re- gularny kształt każdej powierzchni próbki świadczy Wnioski Przeprowadzenie procesu kwalifikowania techno- logii spawania prętów żebrowanych do zbrojenia be- tonu możliwe jest tylko przy jednoczesnym wykorzy- staniu En ISO 17660-1:2008 oraz En ISO 15614-1: 2008. Korzystanie tylko z jednej z wymienionych norm nie daje możliwości kwalifikacji. Zastosowana technologia wykonywania połączeń spoinami pachwinowymi prętów ze stali BSt500S elektrodami otulonymi OK 74.78 (E 55 2 mn mo B 32) Literatura [1] Pn-H-84023-06:1989 Stal określonego zastosowania. Stal do zbrojenia betonu – gatunki. [2] En ISO 17660-1:2008 Spawanie – Spawanie/ zgrzewanie sta- li zbrojeniowej – Część 1: Złącza spawane/zgrzewane nośne. [3] En ISO 17660-2:2008 Spawanie – Spawanie/zgrzewanie stali zbrojeniowej – Część 2: Złącza spawane/zgrzewane nie- nośne. [4] En ISO 15614-1: 2008 Specyfikacja i kwalifikowanie tech- nologii spawania metali – Badania technologii spawania – Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu. [5] Pn-En ISO 17637:2011 Badania nieniszczące złączy spawa- nych -- Badania wizualne złączy spawanych. [6] Pn-En ISO 5817:2009 Spawanie – Złącza spawane ze sta- li, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką) – Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych. [7] Pn-En ISO 6520-1:2009 Spawanie i procesy pokrewne – Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach – Część 1: Spawanie. [8] ISO 3452-1:2008 non-destructive testing – Penetrant testing – Part 1: General principles. o poprawnie wykonanym złączu. na każdej z próbek widać linię wtopienia między materiałem dodatkowym a materiałem rodzimym, wtopienie ma regularny i pra- widłowy kształt. Spoina ma wyraźne, równomierne wtopienie oraz wyraźne, równomierne ściegi. Strefa wpływu ciepła (SWC) również jest równomierna. Badanie twardości wykonano zgodnie z wymaga- niami zawartymi w normie. Wszystkie próby uzyskały wynik pozytywny, tj. żadna próbka nie przekroczyła dopuszczalnej twardości HV (zgodnie z tabl. XI) wg Pn En ISO 15614-1:2008. W badaniu próbki A.1 stwierdzono, że został do- brany prawidłowy materiał dodatkowy, twardości są zbliżone do wartości materiału rodzimego, jakim jest pręt. Wyniki mieszczą się w zakresie dopuszczalnej twardości, tj. maksymalnie do 380 HV. Dobrze dobra- ny materiał dodatkowy i wykonanie złącza zgodnie z pWPS pozwoliły osiągnąć twardość spoiny nieodbie- gającą znacznie od twardości prętów. Tym samym brak znacznych wahań twardości w konstrukcji prętowej nie wpłynie na jej jakość. zapewnia spełnienie wymagań normy Pn-En ISO 15614-1:2008. Spawana stal BSt500S, z uwagi na korzystny skład chemiczny, ma dobre właściwości spawalnicze, a zatem można ją stosować na typowe rozwiązania konstrukcyjne węzłów spawanych przy ograniczeniu energii liniowej łuku, co zabezpiecza złącze spawane przed przegrzaniem i spadkiem właściwości wytrzy- małościowych w strefie spawania. [9] Ferenc K.: Technika spawalnicza w praktyce. Poradnik inży- niera, konstruktora i spawacza, Verlag Dashofer, 2009. [10] Ferenc K. Ferenc J.: Konstrukcje spawane – projektowanie połączeń. WnT, Warszawa, 2000. [11] Szubryt m.: Wymagania dotyczące spawania i odbioru kon- strukcji z prętów zbrojeniowych. Przykład rozbieżności po- między zaleceniami norm a praktyką. Biuletyn Instytutu spa- walnictwa, 2004 nr 6, s. 51-58. [12] Saperski marek: Procedura kwalifikowania technologii spa- wania prętów żebrowanych do zbrojenia betonu. Biuletyn In- stytutu Spawalnictwa, 2010 nr 1, s. 59-63. [13] Zeman m.: Spajanie nowoczesnyh prętów żebrowanych do zbrojenia betonu w gatunku RB500W o granicy plastyczności powyżej 500 mPa. Biuletyn Instytytutu Spawalnictwa, 2004 nr 1, s. 49-55. [14] Zeman m.: nowe wymagania jakościowe dotyczące spajania prętów do zbrojenia betonu. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2005 nr 1, s. 33-43.