Dr Jerzy Haduch w 1987 r. udowodnił korelację pomiędzy wadliwością spoin a stopniem stabilności łuku uzyskanym na drodze dynamicznej analizy charakterystyk prądowo-napięciowych łuku. Gdy charakterystyka miała kształt trójkąta, to łuk był stabilny i spoina była bez wad, a gdy charakterystyka miała kształt przypominający literę L, to łuk był niestabilny i powstawały wady zewnętrzne i wewnętrzne. W 2004 r. w Japonii na corocznej konferencji Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa badacze australijscy zaprezentowali zastosowanie tych badań do dynamicznej kontroli jakości zrobotyzowanego spawania części samochodowych.
Opracowując technikę spawania warto pamiętać o następujących zasadach [2]:
- Topiący się metal podłoża i drut spływający w postaci kropel odbierają ciepło topienia i obniżają temperaturę jeziorka.
- Topienie następuje w wyniku fizycznego kontaktu gorących gazów z metalem, a grzanie podłoża następuje poprzez przewodnictwo cieplne z jeziorka do podłoża. Długi czas grzania to utrudnienie topienia podłoża poprzez izolację termiczną stopionego drutu, wzrost temperatury jeziorka i większe wymieszanie topionego podłoża z drutem.
- Do topienia metalu służy zewnętrzna część gazów przepływających w łuku na skutek różnicy temperatur, a do grzania wewnętrzna część gazów. Powierzchnia boczna łuku elektrycznego jest źródłem strat ciepła i podobnie jak temperatura podłoża decyduje o napięciu łuku.
- Wtopienie zależy od ciśnienia gorących gazów docierających do podłoża, a więc maleje ze wzrostem długości łuku, wielkości jeziorka i kąta rozwarcia łuku elektrycznego. Duże wtopienie obniża temperaturę jeziorka. Ciekły metal jest ściągany palnikiem z góry na dół, dzięki napięciu powierzchniowemu i w dolnej części trajektorii ruchu krzepnie grubsza warstwa (spoina pachwinowa wykonywana łukami do góry jest wklęsła, a łukami do dołu jest wypukła).
Wykonanie lica przy spawaniu elektrodą otuloną
Typowymi wadami występującymi przy spawaniu elektrodą otuloną są zażużlenia i porowatość. Ta ostatnia występuje w przypadku nieodpowiedniego suszenia wyprażającego elektrod otulonych [3].
Stale austenityczne można spawać elektrodami rutylowymi. Elektroda otulona, podobnie jak w przypadku drutu proszkowego, jest mało skłonna do generowania trudno wykrywalnych radiograficznie przyklejeń. Dlatego spawanie elektrodą zasadową jest stosowane do spawania kolektorów parowych, wodnych elektrowni parowych i rafinerii. Elektroda zasadowa pozwala spawać krótkim łukiem i zimnym jeziorkiem spawalniczym, a w przypadku spawania stali kriogenicznych elektrodami niklowymi pozwala także nawet na wciskanie elektrody do jeziorka, aż do oparcia o jego dno. Aby precyzyjnie wykonywać lico należy zmieniać grubość układanej warstwy przez zmianę trajektorii ruchu elektrody (Rys. 2d). W przypadku spawania elektrodą rutylową w pionie, te możliwości są dużo mniejsze niż przy spawaniu elektrodą zasadową. Aby nie było przyklejeń i zażużleń należy zajarzyć łuk, wydłużyć go i po spłynięciu żużla skrócić, aby nie spłynął ciekły metal. Następnie trzeba cofnąć elektrodę w celu dopasowania się do zakończenia ściegu, a następnie tak prowadzić elektrodę, aby przytrzymywać ją przy brzegach głęboko w rowku i wyprowadzać na zewnątrz, celem formowania lica (Rys. 2c). Przed zakończeniem ściegu, aby wyprowadzić gazy i zapobiec porowatości, należy cofnąć elektrodę o 12 mm. Zbyt długi łuk powoduje wzrost temperatury jeziorka, ruchy konwercyjne, mieszające ciekły metal z żużlem, i powstawanie wad zwanych zażużleniami. Aby przy elektrodach rutylowych stosowanych do spawania stali austenitycznej uzyskać efekt zaciskania łuku jak na rysunku 1, łuk musi być dłuższy.
W rezultacie, możliwe jest wprowadzenie elektrody do jeziorka, podczas gdy łuk przez sekundę pozostaje zapalony pod otuliną (Rys. 1).
W ten sposób zmniejszamy temperaturę cieczy i mieszanie się materiału dodatkowego ze stopów niklu, i materiału podstawowego ze stali kriogenicznej 9%Ni, oraz jednocześnie – temperaturę jeziorka. Pozwala to na spawanie bez pęknięć stali kriogenicznych używanych np. w instalacjach przeznaczonych do przechowywania ciekłego skroplonego gazu ziemnego LNG. 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.
Wykonanie lica przy spawaniu MIG/MAG
Typowymi wadami tej metody są przyklejenia i pory, przy zbyt dużym pochyleniu uchwytu lub prędkości wiatru, większej od szybkości wypływu gazu z dyszy, czyli większej niż 2 m/s . Przy spawaniu wielościegowym MAG, aby uzyskać wtopienie, koniec elektrody prowadzimy po największym zagłębieniu pomiędzy ściegami i krawędziami rowka [3]. Aby uzyskać gładkie lico, granicę jeziorka prowadzimy po grzbiecie poprzedniego ściegu (Rys. 2a). Jeżeli rowek pozostały do zamknięcia spoiny na dnie jest zbyt wąski, to należy go rozszlifować tarczą o grubości co najmniej 3 mm, a w przypadku spawania drutem proszkowym rutylowym – tarczą o grubości 5 mm. W przypadku spawania wielowarstwowego w pionie drutem litym stali napięciem 20-22 V, należy wykonywać elektrodą ruchy boczne i elektrodę przytrzymywać głęboko w rowku przy brzegu, najlepiej w tempie walca wiedeńskiego (na 1 przesuwamy, na 2 i 3 przytrzymujemy – Rys. 2d).
W przypadku spawania aluminium spawamy napięciem 23-25 V metodą pchania (w lewo) na podkładce ze stali austenitycznej, wykonujemy ruchy posuwisto-zwrotne z przytrzymaniem w tyle, celem dodania kropli w środku jeziorka (Rys. 2a). Pozwala to unikać karbów, zwanych podtopieniami. Metoda MAG pełnym drutem jest bardzo wrażliwa na przyklejenia, dlatego należy kontrolować, aby ślad po łuku był na początku jeziorka spawalniczego.
Aby zabezpieczyć się przed przyklejeniami międzyściegowymi (obciążenia dynamiczne) należy stosować drut proszkowy rutylowy szybkokrzepnący i spawać metodą ciągnięcia, jak przy spawaniu elektrodą otuloną (w prawo). Drut proszkowy ze względu na większą szybkość topienia rurki niż pręta obniża temperaturę jeziorka i doskonale nadaje się do spawania stali austenitycznych, bez konieczności stosowania znacznie droższej spawarki impulsowej. W przypadku drutu proszkowego o średnicy 1,2 mm, aby nie powstały zażużlenia należy ustawić napięcie 24 V i prąd powyżej 180 A, i wykonywać trzy razy szybsze ruchy w górnej części dużego jeziorka, zachowując wolny wylot elektrody 25-30 mm, czyli dwa razy większy niż w przypadku drutu litego (Rys 2c). Zbyt krótki wolny wylot elektrody drutu proszkowego powoduje zażużlenia, a zbyt duża wartość prądu powoduje porowatość spoin. W przypadku fazowania na 1/2 V spawanie MAG prowadzi do opierania się jej dyszy o rowek i nawet po jej spłaszczeniu, zbyt duży wolny wylot elektrody prowadzi do powstawania przyklejeń. Aby nie dopuścić do przyklejeń należy stosować funkcję ArcForce i spawarki EWM (wtopienie do 8 mm i spawanie przy kącie rowka 30° i spawania blachy o grubości 12 mm dwustronnie bez fazowania) lub spawanie drutem proszkowym 136. Drutami metalicznymi możemy spawać np. rury o małej średnicy. Drutem proszkowym metalicznym nie można spawać w zakresie kroplowym tylko zwarciowym prądami do 130A i natryskowym, prądami powyżej 250 A, w pozycji podolnej i nabocznej. Wtedy uzyskuje się wtopienie 3 mm i zgodnie z normą EN1090-2 można zmniejszyć wymiar spoiny pachwinowej o 2 mm, co zmniejsza ilość potrzebnego stopiwa, dwukrotnie kompensując wyższą cenę drutu.
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. Ponadto, przy spawaniu drutem litym aby umożliwić dłuższe nagrzewanie do temperatury zwilżalności, należy zatrzymać topienie przez dodawanie zimnej kropli, która spływa na krawędzie ściegu wskutek przytrzymywania elektrody po bokach (Rys. 2b). 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, gdzie jeziorko krzepnie w całej objętości.
Z kolei spawanie drutem proszkowym rutylowym wymaga szybkich i wąskich ruchów zakosowych, bez przytrzymywania elektrody po bokach (Rys. 2c). 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, co było korzystne np. przy spawaniu złączy na 1/2 V na Stadionie Narodowym w Warszawie. 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.
Przy spawaniu MAG należy prowadzić elektrodę po największym zagłębieniu, prostopadle do powierzchni rury, tak szybko, aby dolna granica jeziorka przetapiała dolną krawędź lub była prowadzona po największej wypukłości poprzedniego ściegu, a górna granica jeziorka była prowadzona w połowie rowka, 2 mm od górnej krawędzi lub przetapiała górną krawędź rowka [2]. Największym niebezpieczeństwem w spawaniu drutem proszkowym rur austenitycznych jest kontakt jeziorka z dyszą i w konsekwencji zassanie i spłynięcie jeziorka. Należy też pamiętać, że szybkość oddawania ciepła w przypadku rur austenitycznych jest bardzo mała. Spłynięcie jeziorka nastąpi gdy temperatura podłoża przekroczy 250 °C lub szybkość spawania będzie niewystarczająca.
W płaszczyźnie spawania palnik musi być pochylony pod kątem 7-15° w stosunku do ścianki rury w kierunku ciągnięcia. Drut proszkowy doskonale nadaje się do spawania w pozycjach przymusowych stali wysokowytrzymałych S690QL. Wtedy nie wolno wykonywać zakosów, tylko spawać ściegami o szerokości 12 mm. Ponieważ nie ma drutów proszkowych do spawania dźwigów ze stali S960MT, spawamy je drutem litym z prędkością 500 mm/min., dobierając prąd do grubości tak, aby nie przekroczyć granicznych energii na funt spoiny. Większość firm dźwigowych umie to robić w pozycji podolnej. W UDT Kraków, korzystając z doświadczeń szkolonych w Instytucie Łączenia Metali spawaczy z firm zbrojeniowych, wdrożono też naprawy takich dźwigów w pozycji pionowej i naściennej.
Wykonanie lica przy spawaniu TIGDo typowych wad tej metody spawania należy porowatość spoin. Metoda TIG, dzięki temu, że topienie drutu jest niezależne od parametrów spawania, pozwala precyzyjnie regulować głębokość wtopienia i temperaturę jeziorka, i doskonale nadaje się do wykonywania przetopów bez mikropęknięć i o dużym zapasie na odkształcenie [3]. Dlatego też jest powszechnie stosowana do spawania rur i wykonywania przetopów. Metoda TIG nadaje się też do usuwania podtopień przez przetapianie krawędzi lica. Ponieważ metoda ta jest skłonna do porowatości, nie wolno stosować do niej drutu do spawania MAG i do spawania gazowego, a argon musi być czystości co najmniej 99,995 %, a drut musi być z wytopu odgazowanego próżniowo (litera W). Metodą TIG spawa się w lewo. Aby ułożyć metodą TIG warstwę wypełniającą należy nagrzać materiał do temperatury zwilżalności, utrzymując dłuższy łuk i nagrzewając dłużej, dodając drut po bokach. Topiący się drut odprowadza ciepło, zatrzymuje topienie podłoża i zapobiega spływaniu jeziorka. Rury austenityczne bardzo wolno oddają ciepło. W szczególnych przypadkach mogą być chłodzone sprężonym powietrzem.
W przypadku stali dodawanie drutu podczas wykonywania lica powinno następować po bokach jeziorka, a w przypadku aluminium drutu dodaje się w środku jeziorka, podczas cofania uchwytu, i drut wyciąga się z jeziorka podczas przesuwania łuku do przodu (ruchy elektrodą wolframową posuwisto-zwrotne, jak przy spawaniu aluminium MIG z rysunku 4).
W pozycji naściennej wystarczy dodawać drut w górnej części jeziorka. Długość łuku decyduje o temperaturze jeziorka. Najlepiej ją kontrolować poprzez obserwację mierników napięcia łuku. Przy spawaniu aluminium o dużej przewodności cieplnej napięcie może wynosić 16 V, przy spawaniu stali czarnej może wynosić 12 V, a przy spawaniu stali austenitycznej, stali duplex i stali energetycznej P91 napięcie powinno być mniejsze od 10 V, przy spawaniu tytanu powinno wynosić 8 V, a przy spawaniu stopów niklu 5-7 V. Do spawania tytanu wykorzystywane są specjalne uchwyty z podwójną osłoną jeziorka spawalniczego i nagrzanej blachy, ale spawanie dużych konstrukcji wykonywane jest przez spawaczy w specjalnych kombinezonach, w namiotach wypełnionych argonem.
Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali
dr inż. Ilona Jastrzębska
Spaw-Projekt Kraków
Adam Jastrzębski
Laboratorium Spawalnicze Spaw-Projekt Sp. z o.o
Autorzy dziękują Rafałowi Stobieckiemu z firmy KILEN, Tobiaszowi Czajkowskiemu z firmy Bud-Projekt, Pawłowi Jedleckiemu z WG System i Piotrowi Śliwińskiemu z firmy STAR-KOP Stal za cenne uwagi.
Literatura:
[1] R. Jastrzębski , G. Padula , D. Cyganek, Z. Prusak: Odkodowanie i instalowanie wyczucia inżynierskiego na przykładzie szkolenia inżynierów polską metodą ILM do budowy zbiorników na ciekły gaz ziemny LNG, Dozór Techniczny Nr 1/2018[2] Z. Prusak, K. Zychowicz, A. Tuz, A. Jastrzębski, R. Jastrzębski: Próba opisania ręcznego spawania na podstawie zainspirowanego biologią i rzymskim językiem pisania obrazów komputerowego modelu typów zdolności, Dozór Techniczny Nr 1/2018[3] R. Jastrzębski, I. Pawlik: Wady połączeń spawanych, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, nr 12/2011[4] R. Jastrzębski, Z. Prusak, R. Brozek, A. Jastrzębski: Un simulador de entrenamiento de operadores de robots en máscara de soldadura computarizada dotada de realidad aumentada, prezentacja przygotowana na Konferencję Hiszpańskiego Stowarzyszenia Spawalniczego CESOL “22JORNADAS as TÉCNICAS DE SOLDADURA Y TECNOLOGÍAS DE UNIÓN”, Madryt, 12-14 czerwiec 2018[5] T. Michałowski, T. Zaczek, R. Jastrzębski, D. Mołdrzyk: Obliczenia połączeń spawanych konstrukcji ramowych, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie, nr 10/2011artykuł pochodzi z wydania 6 (129) czerwiec 2018
