W symulowaniu procesów spawania zwykle nie bierze się pod uwagę możliwości zmiany własności źródła prądu na skutek zmian dynamiki i kształtu trajektorii ruchu palnika. Spawacz może zmieniać takie własności źródła ciepła jak: zdolność do topienia drutu (obniżenie temperatury), zdolność do topienia podłoża (obniżanie temperatury jeziorka) oraz zdolność do nagrzewania jeziorka (położenie łuku w stosunku do jeziorka). A przez zmianę tych parametrów można w znaczący sposób wpływać na strukturę metalograficzną połączeń spawanych złączy ze stali i stopów aluminium.
Przy spawaniu rur austenitycznych i stali niklowych przewodnictwo cieplne metalu jest niskie, z tendencją do przegrzewania się (rozrost ziarna) i w przeciwieństwie do spawania stopów aluminium wymaga ścisłej kontroli temperatury jeziorka spawalniczego. Duża przewodność cieplna aluminium daje duży gradient temperatury i strukturę dendrytyczną, co wymaga spawania impulsowego. Aby nagrzać podłoże do temperatury zwilżalności należy wydłużyć jeziorko w kierunku poprzecznym (stal – ruchy zakosowe) lub wzdłużnym (aluminium – ruchy posuwisto-zwrotne). Ponadto, temperatura jeziorka zależy od szybkości spawania. Jeśli spawanie jest zbyt wolne, ilość drutu stopionego pod łukiem jest zbyt duża, co uniemożliwia dotarcie gazu do powierzchni metalu i powoduje przegrzewanie jeziorka spawalniczego.
Zbyt duża temperatura jeziorka powoduje z kolei nadmierne mieszanie się cieczy w jeziorku i wciąganie żużla do wnętrza jeziorka spawalniczego. W konsekwencji, zły skład chemiczny spoiny powoduje jej kruchość.
Wzrost szybkości spawania powoduje obniżenie temperatury jeziorka oraz łatwiejsze odrywanie się żużla i zapobiega mieszaniu się topionej powierzchni z topionym drutem.
Innym sposobem na obniżenie temperatury jeziorka jest dodawanie większej ilości drutu (TIG) oraz wzrost szybkości topienia drutu (spawanie drutem proszkowym w kształcie rurki).
Wykonywanie przetopu na złączach rur i zbiorników
Wytrzymałość złącza z częściowym przetopem (obliczenia na ścinanie) jest prawie dwa razy mniejsza niż złącze z pełnym przetopem (obliczenia na rozciąganie). Dlatego ważne jest, by ściegi przetopowe były poprawnie wykonane. Podczas wykonywania przetopu, ze względu na sztywność, prawie cały skurcz cieplny strefy nagrzanej do temperatury wyższej niż 600 °C powoduje odkształcenie plastyczne, lokalną utratę zapasu na odkształcenie oraz mikropęknięcia i zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej, na skutek naprężeń wewnętrznych (cieplnych).
Obecnie przetopy TIG w przemyśle energetycznym (na skutek dużego zapasu na odkształcenie gorącej spoiny) i przetopy wykonane drutem proszkowym rutylowym szybko krzepnącym na podkładce ceramicznej w przemyśle okrętowym (na skutek sześć razy większego przekroju poprzecznego) nie mają mikropęknięć i ich się nie wycina. W przypadku stali austenitycznych przetop może być wykonywany metodą TIG, MIG i MAG drutem proszkowym na podkładce ceramicznej lub elektrodą otuloną. W przypadku stali niklowych przetop wykonujemy elektrodą zasadową prądem zmiennym lub metodą TIG. W przypadku stopów aluminium przetop wykonuje się metodą TIG i MIG na podkładce ze stali austenitycznej.
Wykonywanie przetopu i warstwy wypełniającej metodą TIG
Metoda TIG nie wymaga żłobienia przetopu. Przetopienie materiału w przypadku rur austenitycznych o grubości 2 mm wymaga precyzyjnych ruchów końcem elektrody wzdłuż krawędzi przylegania, a czasami przeginania elektrody raz na jedną, raz na drugą ściankę. Temperatura jeziorka spawalniczego jest regulowana za pomocą strużki ciekłego metalu spływającego z drutu. Szeroki strumień zimnego metalu obniża temperaturę jeziorka, a wąski, powoduje jej wzrost. Możliwych jest kilka sposobów regulacji głębokości wtopienia i temperatury jeziorka przez precyzyjne przesuwanie elektrody wolframowej. Należy przy tym uważnie obserwować zapadanie się jeziorka pod ciśnieniem łuku. Przegrzane jeziorko musi zostać schłodzone płynnym metalem spływającym z drutu. Aby spoina była szczelna, ścieg powinien być o 1 cm dłuższy od obwodu spawanej rury. W przypadku rur w wysokociśnieniowych instalacjach tlenowych, mimo trudności, złącza rurowe o grubości 2 mm muszą być wykonywane dwoma ściegami. Drugi ścieg jest układany w rowku powstałym po zapadnięciu się ciekłego metalu w czasie wykonywania przetopu, bez materiału dodatkowego.
W przypadku grubych rur austenitycznych, drut musi stale dotykać powierzchni jeziorka spawalniczego w oczku, a łuk musi być wystarczająco krótki, aby można było przetopić drut i krawędzie, a ścieg nie był za szeroki. W tym celu spawacz musi koncentrować się na topieniu drutu, a nie krawędzi. W przypadku stali super dupleks w instalacjach jądrowych, spawacze muszą utrzymywać zimne jeziorko, co zmusza technologów do ustalenia szczeliny o szerokości 5 mm (drut dodaje się od środka rury przez szczelinę). Przetop wykonany przy zbyt gorącym jeziorku przy dużej szczelinie nie zostanie zaakceptowany w czasie badań radiograficznych. Przetop w spawaniu metodą TIG jest zbyt cienki, aby następna warstwa mogła być wykonana drutem proszkowym metodą MAG. Aby ułożyć warstwę wypełniającą metodą TIG należy nagrzać materiał do temperatury zwilżalności, utrzymując długi łuk i nagrzewając dłużej, dodając drut po bokach. Topiący się drut odprowadza ciepło, zatrzymuje topienie podłoża i zapobiega spływaniu jeziorka. Szybkość spawania musi być dobrana w ten sposób, aby metal się nie zapadł i nie powiększył przetopu. Rury austenityczne bardzo wolno oddają ciepło. W szczególnych przypadkach mogą być chłodzone sprężonym powietrzem.
W przypadku spawania stopów aluminium drut dodajemy przy cofaniu elektrody wolframowej. Gdy przetop wykonujemy metodą TIG na podkładce aluminiowej, to aby nie przepalić podkładki 2-milimetrowej, gazy łuku muszą się rozbijać na drucie, podczas przemieszczania elektrody wolframowej nad podkładką.
Wykonywanie przetopu na podkładce
Przy spawaniu na podkładce ze względu na brak możliwości przepychania ciekłego metalu na drugą stronę ciśnieniem gazów łuku krawędzie blach rowka muszą być fazowane na ostro i nie mogą mieć progu. Przy spawaniu drutem proszkowym na podkładce szczelina musi być większa od 5 mm, a przy spawaniu na podkładce elektrodą otuloną, w celu przetopienia krawędzi szczelina musi być większa od 9 mm po to, by można było wykonać trzy ściegi obok siebie. Najpierw przetapia się jedną krawędź, następnie wykonuje się ścieg przetapiający drugą krawędź tak, by ściegi mogły się swobodnie kurczyć, a potem wykonuje się trzeci ścieg, łączący dwa wcześniej wykonane, który już nie może się swobodnie kurczyć na skutek dużej sztywności złącza. Gdy szczelina jest za mała pierwsze warstwy pękają wskutek blokady skurczu poprzecznego. Zbyt grube blachy wykonujemy metodą kaskadową, po 50 mm.
Wykonywanie przetopu elektrodą zasadową
Elektrodą zasadową najczęściej spawa się zbiorniki kuliste. Rdzeń elektrody zasadowej topi się szybciej niż otulina. W rezultacie, możliwe jest wprowadzenie elektrody do jeziorka, podczas gdy łuk przez sekundę pozostaje zapalony pod otuliną. W ten sposób zmniejszamy temperaturę cieczy i mieszanie się materiału dodatkowego ze stopów niklu, i materiału podstawowego ze stali kriogenicznej 9%Ni, oraz temperaturę jeziorka. Pozwala to na spawanie bez pęknięć stali kriogenicznych używanych w instalacjach przeznaczonych do przechowywania ciekłego skroplonego gazu ziemnego LNG. W czasie wykonywania przetopu przy szerokiej szczelinie elektroda przesuwana jest do punktu przecięcia się granicy oczka i przedłużenia jednej z krawędzi szczeliny. Elektroda wprowadzana jest do jeziorka, gdzie kropla oddziela się i zalewa oczko. Następnie, elektroda wprowadzana jest głębiej o 1,5 mm, „stemplując” krzepnący ciekły metal w warstwie przetopowej. Elektroda przesuwana jest symetrycznie na drugą stronę szczeliny i operacja się powtarza. Metal jest zimniejszy niż zwykle ze względu na intensywne topienie rdzenia elektrody zasadowej.
Elektroda jest przesuwana na drugą krawędź i wprowadzana do jeziorka na głębokość połowy swojej średnicy. Jeziorko pulsuje z każdym wprowadzeniem elektrody. W przypadku wąskiej szczeliny metal jest przesuwany na granicę oczka, obok osi rowka. Kropla z końca elektrody jest zasysana siłą napięcia powierzchniowego, co powoduje zalewanie oczka. Otulina elektrody opiera się o krzepnący metal i po zagłębieniu przepycha metal o 1,5 mm w głąb. Następnie elektroda jest przesuwana o połowę swojej średnicy i znów zagłębiana w metal poprzedniej kropli. Za każdym razem jeziorko pulsuje wskutek zalewania go płynnym metalem pochodzącym z topionej elektrody.
Wykonywanie przetopu metodą MAG i MIG
Najprościej wykonać przetop drutem proszkowym metalicznym. Przy trudnościach z ustawieniem blach można stosować podkładki ceramiczne i drut proszkowy rutylowy, szybko krzepnący. Przy przestawieniu krawędzi przetop trzeba szlifować i podpawać. Warstwa przetopowa w szerokiej szczelinie jest wykonywana drutem litym przy użyciu prądu o niskim napięciu 17 V i prądzie 90A, przy małym jeziorku spawalniczym i ruchami zakosowymi, w kształcie wypukłych łuków (końcami do dołu) w tylnej części jeziorka, co jest niezgodne z przyzwyczajeniami spawaczy elektrycznych. Wykonanie warstwy przetopowej przy wąskiej szczelinie wymaga większego o 1 V napięcia łuku, dużego i gorącego jeziorka spawalniczego oraz prostoliniowych ruchów elektrodą w przedniej części jeziorka. Obniżenie temperatury łuku, zgodnie z definicją, zmniejsza ilość zderzeń przemieszczających gazy w kierunku prostopadłym do osi łuku, powodując zawężenie łuku.
Duża szybkość topienia metalicznego drutu proszkowego powoduje znaczne chłodzenie strefy łuku przez przemieszczanie się ogromnej ilości zimnych kropel; zmniejsza to kąt rozwarcia łuku i powierzchnię straty energii przez promieniowanie. W rezultacie prowadzi to do zmniejszenia napięcia łuku do 15 V. Ze względu na mały kąt rozwarcia łuku i duże wtopienie, i mimo wąskiej szczeliny, w przypadku wykonywania przetopu drutem proszkowym metalicznym należy spawać płaskimi ruchami zakosowymi (poprzecznymi) w przedniej części jeziorka.
Porównanie wykonywania lica na rurach austenitycznych drutem pełnym i proszkowym
Kąt rozwarcia łuku w spawaniu drutem proszkowym rutylowym jest dużo większy niż w przypadku drutu pełnego, a powierzchnia strat energii przez promieniowanie wymaga wyższego napięcia łuku 24 V (prąd 180 A zamiast prądu 160 A, stosowanego przy spawaniu drutem litym), które kompensuje tę stratę wytwarzaniem jonów. W rezultacie, technika spawania drutem proszkowym znacznie różni się od spawania drutem pełnym. Spawanie drutem pełnym wymaga szerokich ruchów zakosowych z przesuwaniem jeziorka z jednej krawędzi na drugą. Ponadto, aby umożliwić dłuższe nagrzewanie do temperatury zwilżalności, należy zatrzymać topienie przez dodawanie zimnej kropli, która spływa na krawędzie ściegu wskutek przytrzymywania elektrody po bokach. Gdy łuk jest po lewej stronie jeziorko krzepnie po prawej i wskutek zmiany przewodnictwa cieplnego całe ciepło z jeziorka przeniesione jest do strefy przegrzania, powodując niebezpieczny dla spoiny rozrost ziaren. Zjawisko to nie występuje w przypadku drutu proszkowego.
Z kolei spawanie drutem proszkowym rutylowym wymaga szybkich i wąskich ruchów zakosowych, bez przytrzymywania elektrody po bokach. Jeziorko jest duże i szerokie, i nie krzepnie, gdy palnik znajduje się po drugiej stronie. W spawaniu drutem pełnym koniec elektrody w czasie wykonywanie ruchów zakosowych jest zawsze w przedniej części jeziorka, a jeziorko przesuwa się wraz z ruchem zakosowym elektrody. W przypadku drutu proszkowego, aby otrzymać małą ilość cieczy pod łukiem, równą ilości cieczy w spawaniu drutem pełnym, należy wykonywać szybkie ruchy zakosowe w górnej części jeziorka. Szybkość zakosów i posuw muszą być tak dobrane, aby prowadzić łuk elektryczny po dużym jeziorku w jego przedniej części. Różnica w spawaniu drutem pełnym i proszkowym wynika również z potrzeby stopienia proszku ciepłem nagrzewania oporowego wolnego wylotu elektrody i z dużo większej szybkości topienia rurki drutu proszkowego niż pręta drutu litego. Wolny wylot elektrody w przypadku drutu proszkowego może mierzyć nawet dwadzieścia średnic elektrody, tzn. dwa razy więcej niż w to jest w spawaniu drutem pełnym. Jeśli wylot jest zbyt krótki lub zbyt długi, wygląd spoiny nigdy nie będzie zadowalający. Jeśli wylot elektrody jest zbyt krótki, proszek wewnątrz drutu nie zostanie przetopiony i pojawią się zażużlenia. Jeśli wylot jest za długi, zbyt rozgrzany proszek wypłynie z rurki, co pociągnie za sobą niestabilność procesu i pojawienie się porów.
Spawanie zbiorników ze stali z zawartością 9% niklu
Stal z 9% zawartością niklu jest stalą o polepszonych własnościach, z podwyższoną wytrzymałością na rozciąganie, o temperaturze eksploatacji do –196 °C i granicą plastyczności 690 N/mm2. Dopuszczalne naprężenia mogą osiągnąć jedną czwartą tej wielkości, ale nawet jeśli pojawią się uszkodzenia w strefach wpływu ciepła, to rozłożą się one w niskowytrzymałym metalu spoiny i dzięki temu nie powstaną pęknięcia kruche [2].
Zbiorniki wykonane ze stali z 9% niklu to najczęściej konstrukcje o powłokach dwuwarstwowych, naziemne, wolnostojące. W tabeli 1 podano stosowane w Japonii metody spawania zbiorników kriogenicznych.
Ponieważ stale kriogeniczne magnesują się, powodując niestabilność łuku, spawamy je prądem zmiennym. Jako materiały dodatkowe wykorzystuje się elektrody niklowe: 70% niklu, 15% chromu, 10% żelaza (spawanie elektrodą otuloną) lub 70% niklu, 20% molibdenu, 3% wolframu (spawanie automatyczne). Do spawania elektrodą otuloną wykorzystujemy elektrodę 70% niklu, 15% chromu, 10% żelaza, do spawania automatycznego TIG oraz spawania podtopnikiem – drut 70 % niklu, 20 % molibdenu, 3% wolframu [3].
Jeżeli do spawania automatycznego nie wykorzystamy odpowiedniego drutu, to powstaną pęknięcia na gorąco. Zaleca się, aby energia liniowa była jak najniższa (≤4,5 KJ/mm).
Temperatura topienia stopu niklu jest około 100 °C niższa od temperatury topienia materiału rodzimego, dlatego ścieg może łatwo ściekać na dół, a wtopienie może być małe; należy więc uważać na prowadzenie elektrody, oscylację drutu oraz skrupulatnie kontrolować parametry spawania. W trakcie prac nadzoruje się odmagnesowywanie (≤ 50 Gausów), obowiązuje zakaz używania listw magnetycznych, a także unika się pracy w środowisku o silnym magnetyzmie, na przykład pod linią wysokiego napięcia.
Przy spawaniu zbiorników z gazami unika się ręcznego spawania i stosuje się spawanie automatyczne z pełną walidacją procesu.
Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali
Adam Jastrzębski
Laboratorium Spawalnicze Spaw-Projekt
W artykule wykorzystano fragmenty referatu – R. Jastrzebski, P. Jastrzebski, A. Jastrzebski: Enseñanza de la física del soldeo a través de la imagen del modelo informático-jerárquico del cerebro humano, przedstawionego na Międzynarodowej Konferencji Spawalniczej CESOL w Hiszpanii, w 2008 r.
Literatura:
[1] Antonio Bermejo Romero, Avelino Vázquez González: Soldadura de Materiales Criogénicos, CESOL Hiszpania
[2] Japan Welding Society: Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze, Wydawnictwo Sanpō, 2008, Japonia
[3] Haruyoshi Suzuki; Hiroshi Tamura: Spawalnictwo, nauka o spawaniu, Wydawnictwo Sanpō 1978, Japonia
artykuł pochodzi z wydania 12 (123) grudzień 2017
