Wykorzystanie w robotyzacji technik ręcznego spawania – ruchami zakosowymi, do przodu i do tyłu, a także połączenia tych ruchów z prostymi ściegami (elipsy i łuki) – jest utrudnione ze względu na brak wiedzy na temat wpływu techniki spawania na strukturę metalograficzną spoiny. W systemach zrobotyzowanych na strukturę wpływa się raczej przez zastosowanie impulsowania prądu i stosowanie prądu zmiennego niesymetrycznego, umożliwiającego zmianę szybkości stapiania elektrody. W spawaniu ręcznym na temperaturę jeziorka wpływa się intuicyjnie, poprzez wybieranie miejsca dodawania zimnej kropli metalu, szybkość i kształt zakosów.
Wpływ techniki spawania MAG na procesy cieplneNa rysunku 1 pokazano wpływ techniki spawania na temperaturę jeziorka i szybkość chłodzenia spoiny. Wykonując końcem drutu ruchy poprzeczne (Rys. 1b), do przodu i do tyłu (Rys. 1a) oraz łącząc te ruchy (Rys. 1c, e), można zmieniać nagrzanie podłoża, szybkość chłodzenia i temperaturę jeziorka (rozrost ziaren). Wykonując ruchy boczne, zmniejszamy szybkość chłodzenia, przytrzymując drut przy brzegu jeziorka, zatrzymujemy topienie i nagrzewamy podłoże do temperatury zwilżalności, zwiększając szybkość ruchów bocznych zmniejszamy temperaturę jeziorka. Ruchy do przodu i do tyłu (posuwisto-zwrotne) pozwalają zmniejszyć szybkość chłodzenia spoiny, nagrzewają podłoże do temperatury zwilżalności i regulują temperaturę jeziorka (szybkością ruchów). Ruchy proste, w zależności od szybkości spawania (położenie łuku w stosunku do jeziorka), chłodzą lub grzeją jeziorko i nie grzeją materiału (Rys. 1d). Zarówno ruchy poprzeczne, jak i ruchy posuwisto-zwrotne zwiększają jeziorko, co powoduje lepsze nagrzewanie podłoża do temperatury zwilżalności i unikanie podtopień.
Połączenie tych ruchów z odpowiednim miejscem przytrzymania drutu (w celu dodawaniu zimnej kropli) może chłodzić jeziorko, nagrzewać podłoże do temperatury zwilżalności (Rys. 1e) i regulować szybkość chłodzenia.
W przypadku ruchów prostych materiał będzie się rozpływał po zastosowaniu impulsowego źródła prądu.
Wysoka temperatura jeziorka powoduje, że spada odporność korozyjna (spoina jest czarna od utworzonej warstwy tlenkowej) i wzrasta skłonność do pękania na gorąco. W przypadku ruchów posuwisto-zwrotnych, ruch do przodu powoduje topnienie podłoża i zabieranie z jeziorka ciepła topnienia, a ruch do tyłu powoduje nagrzewanie podłoża i obniżanie temperatury jeziorka zimną kroplą spływającą z drutu.
Jeżeli połączymy te ruchy końca elektrody, uzyskamy kształt elipsy. Aby nie nagrzewać jeziorka, a nagrzać podłoże do temperatury zwilżalności, przytrzymanie drutu musi wówczas odbywać się przy ściankach głęboko w rowku, w trakcie ruchu do przodu. Przy wykonywaniu szybkich ruchów bocznych, lub do przodu i do tyłu, uzyskuje się głębokie wtopienie i chłodzenie jeziorka ciepłem topienia (ciepło łuku topi podłoże). W przypadku wykonywania wolnych ruchów wtopienie maleje, a temperatura jeziorka rośnie (ciepło łuku ogrzewa jeziorko). Dlatego też przy zwiększeniu prądu spawania (aby stopiwo nie spływało), należy wykonywać szybsze ruchy. Korzystając z tych zależności, możemy regulować procesy cieplne spawania.
W trakcie tradycyjnego kursu spawania spawacze wykonują wypełnienie w pozycji pionowej prądem 120 A, spawacze zawodowi wykonują te złącza prądem 130-160 A, a profesjonalni spawacze w stoczniach spawają w pozycji sufitowej prądem 180 A. Z tego wynika, że spawacze stoczniowi muszą spawać bardzo szybkimi ruchami i bardzo szybko reagować, w zależności od obrazu jeziorka.
W celu skutecznego spawania stali austenitycznej żaroodpornej tradycyjnym źródłem prądu wystarczy zastosować technikę stosowaną przy półautomatycznym spawaniu aluminium źródłem impulsowym, czyli technikę spawania z ruchami do przodu i do tyłu.
Jak pokazuje rysunek 1d, poprzez zmianę szybkości ruchu do przodu możemy zmienić głębokość wtopienia, a tym samym zmieniać proporcje pomiędzy ilością ciepła zużytego na topienie, a ilością ciepła zużytego na nagrzewanie jeziorka. Duża powierzchnia podłużnego jeziorka umożliwia nagrzanie stali austenitycznej (o niskiej przewodności cieplnej) do temperatury zwilżalności, co pozwala uniknąć wystąpienia podtopień.
Aby spawacz mógł skutecznie regulować procesy cieplne przy spawaniu, musi zmienić nie tylko trajektorię końca elektrody, ale również szybkość ruchów i czas przytrzymania elektrody (dodanie zimnej kropli).
Proporcje pomiędzy ilością ciepła zużytego na grzanie, a ilością ciepła zużytego na topienie można regulować również poprzez zmianę parametrów spawania. Wynika z tego, że techniką spawania można naprawić sytuację, w której źle dobrane zostały parametry spawania lub zastosowano nieodpowiednie urządzenie spawalnicze. Na procesy cieplne spawania wpływa również sposób przenoszenia metalu. Przy spawaniu łukiem natryskowym w tradycyjnej spawarce, spawanie jest możliwe tylko w pozycji podolnej. Sposoby przenoszenia metalu w zależności od parametrów spawania i rodzaju materiału spawanego podano w osobnym artykule [7].
W przypadku spawania impulsowego we wszystkich pozycjach występuje natryskowe przenoszenie kropli.
Jak pokazuje rysunek 1f, aby granicę jeziorka „przesuwać” po grzebiecie poprzedniego ściegu, szerokość ściegów bocznych w pozycji naściennej musi wynosić 1/3 szerokości jeziorka, a w pozycji pionowej 1/2 szerokości jeziorka. Wynika z tego, iż przy spawaniu blachy o grubości 15 mm w pozycjach PF i PC, ilość ściegów tworzących lico musi się różnić. W pozycji PF lico musi wynosić trzy ściegi, natomiast w pozycji PC – cztery ściegi.
Wpływ technologii i urządzeń do spawania GMAW na strukturę metalograficzną spoiny
Stopy niklu spawa się z wykorzystaniem urządzeń elektrycznych z funkcjami elektronicznymi zapewniającymi zimne jeziorko. Stale kriogeniczne 9% Ni spawa się łukiem zanurzonym (przez wciskanie elektrody do jeziorka), elektrodą otuloną zasadową, prądem zmiennym. W przypadku stali austenitycznych, dodatek chromu zmniejsza skłonność do pękania na gorąco na tyle, że można je spawać za pomocą MAG (w mieszance argonowej 2% O2 lub 2% CO2 lub 2% H2). Stale chromowe martenzytyczne i ferrytyczne spawa się zazwyczaj w mieszance argonu z 2% zawartością tlenu. Ze względu na hartowanie i pękanie wodorowe nie wolno ich spawać mieszanką z wodorem. W Hiszpanii opracowano mieszankę z 2% zawartością CO2 i 1% zawartością H2, która umożliwia głębokie wtopienie i nie powoduje pęknięć wodorowych przy spawaniu stali austenityczno-ferrytycznych (duplex). Przy spawaniu stali austenitycznych zastosowanie mieszanki z 2% wodoru daje korzystniejsze wtopienie niż przy wykorzystaniu innych mieszanek.
W celu zapobiegania przegrzaniu materiału stale austenityczne żaroodporne spawa się prądem impulsowym łukiem natryskowym (Rys. 2c) – w czasie prądu impulsu topimy drut i materiał spawany, a w czasie prądu bazy łuk elektryczny nie topi drutu lecz nagrzewa materiał do temperatury zwilżalności. Jak widać na rysunku 2b, w czasie impulsu ciekły metal jest odsuwany ciśnieniem łuku na boki (gazy łuku penetrują coraz większą głębokość), a w czasie prądu bazy ciekły metal napływa do krateru. Ponieważ w tak krótkim czasie drut niewiele przybliży się do jeziorka, łuk wydłuża się i skraca, zmieniając napięcie, które równocześnie stanowi miernik głębokości wtopienia [6].
Według producentów spawarek, impulsowe spawanie nie nadaje się do spawania stali drobnoziarnistych ze względu na zbyt dużą chwilową temperaturę jeziorka. Stale nierdzewne nie mają takiej struktury, jak stale drobnoziarniste i ta temperatura jeziorka jest wystarczająca. Nie spawa się ich także tak dużymi prądami i szybkościami spawania, jak stale drobnoziarniste.
W celu uniknięcia problemu z transkrystaliczną strukturą metalu stosuje się podwójny impuls, który kontroluje warunki krystalizacji (Rys. 2c). Innym sposobem spawania MAG stali austenitycznych jest stosowanie urządzeń z funkcjami elektronicznymi do spawania zimnym jeziorkiem przez formowanie napięcia i formowanie prądu zamiast sztywnej i opadającej charakterystyki statycznej: ForceArc (głębokie wtopienie), coldArc, CMT (zimne jeziorko) i STT.
Jak opisano w artykule dotyczącym spawalności stopów miedzi [2], przyczyną wzrostu temperatury jeziorka jest narastanie prądu zwarcia i ogromna chwilowa moc w momencie zajarzenia się łuku.
Innym sposobem obniżenia temperatury jeziorka jest spawanie MIG prądem zmiennym niesymetrycznym (Rys. 2a). Dzięki ustawieniu funkcji offset (stosunek udziału wielkości prądu o biegunowości dodatniej do prądu o biegunowości ujemnej) i balansu (stosunek czasu trwania prądu o biegunowości dodatniej do czasu trwania prądu o biegunowości ujemnej), można przy ustalonym natężeniu prądu i napięciu łuku elektrycznego zwiększyć szybkość stapiania drutu i tym samym obniżać temperaturę jeziorka. Jeżeli oś poziomą X przesuniemy do góry, to z prądu stałego impulsowego uzyskamy prąd zmienny niesymetryczny (Rys. 2a, b). Takie urządzenia są stosowane w automatach spawalniczych firm Lincoln i ESAB oraz japońskich zrobotyzowanych systemach MAG.
Rysunek 3 pokazuje wpływ funkcji offset i balansu na przekrój ściegu przy spawaniu MAG prądem zmiennym.
Przy zwiększaniu powierzchni prądu dodatniego (na rysunku po lewej stronie) wzrasta głębokość wtopienia i maleje nadlew, natomiast przy zwiększaniu powierzchni prądu ujemnego (zmiana balansu i funkcji offset na rysunku po prawej) maleje głębokość wtopienia, a wzrasta nadlew. W momencie zmniejszenia częstotliwości prądu zwiększa się wtopienie, a przy zwiększaniu częstotliwości prądu łuku wtopienie maleje.
Z publikacji o wpływie impulsu spawarki MIG na strukturę metalograficzną [1] wynika, że w przypadku pojedynczego impulsu następuje rozdrobnienie ziarna stopu aluminium w nadlewie. W przypadku spawania aluminium nie należy dodawać kropli po bokach (spowodowałoby to przyklejenie), ale należy dodać ją w środku jeziorka spawalniczego, ze względu na bardzo dużą przewodność cieplną. Należy również wykonywać ruchy do przodu i do tyłu z przytrzymaniem z tyłu, w celu spłynięcia kropli. Taka technika spawania pozwala spawać stal austenityczną żaroodporną bez stosowania spawania impulsowego, gdyż umożliwia ona również obniżenie temperatury jeziorka.
Biurokratyczna kontrola struktury metalograficznej spoiny
Stale czarne energetyczne i konstrukcyjne oraz stale białe martenzytyczne i ferrytyczne pękają wodorowo na zimno poprzez ziarna. Stale czarne niklowe kriogeniczne oraz stale białe austenityczne pękają na gorąco w wyniku przegrzania (rozrostu ziarna) po granicach ziaren na skutek skurczu i niskotopliwych frakcji (energia pękania rośnie z rozbudową granic ziaren). Stale czarne drobnoziarniste (wysokowytrzymałe do 1300 MPa) i stale białe: dupleks i superdupleks pękają na zimno i na gorąco.
Na polskich uczelniach technicznych, w oparciu o teorię punktowego i liniowego źródła ciepła oraz doświadczenie w spawaniu automatycznymm, uczy się studentów, że spawanie „zakosowe” daje większą energię liniową i mniejszą udarność stali konstrukcyjnych niż spawanie wielościegowe. Tymczasem w praktyce znane są przypadki, że przy odpowiednim wyszkoleniu spawaczy w szybkiej intuicyjnej analizie jeziorka, spoiny zakosowe bardzo grubych blach ze stali S355J2 mogą mieć większą udarność niż spoiny wielościegowe. Z kolei niektórzy twierdzą, że na wielkość ziarna wpływa energia na centymetr spoiny i temperatura międzyściegowa. Praktyka jednak wykazuje, że na pękanie na gorąco znacznie efektywniej wpływa długość łuku elektrycznego, szybkość stapiania drutu i sterowana elektronicznie lub poprzez szybkość zakosów głębokość wtopienia. Problem tkwi w ręcznym sterowaniu temperaturą jeziorka i szybkością chłodzenia strefy wpływu ciepła.
W równaniach różniczkowych wymiany ciepła w czasie spawania istnieje człon związany z przewodnictwem cieplnym oraz człon związany z odbieraniem ciepła topienia. Równań różniczkowych opisujących procesy cieplne nie da się rozwiązać analitycznie bez pominięcia jednego z członów. Jeżeli pominiemy ciepło topnienia wówczas równanie bardzo dobrze określa szybkości hartowania się spoiny wykonanej ze stali nierdzewnej ferrytycznej i martezytycznej. W tym przypadku parametrem opisującym to spawanie będzie:
Jeżeli pominiemy człon związany z przewodnością cieplną, to równanie bardzo dobrze opisywać będzie stale austenityczne skłonne do przegrzewania materiału poddanego spawaniu. W tym przypadku parametrem opisującym ten proces jest ilość energii na kilogram spoiny:
Istnieje zależność pomiędzy energią ciepła/kg spoiny Em a energią liniową El:
Często zdarza się, iż w przedrukach zagranicznych publikacji mylone są pojęcia energii/kg Em spoiny z energią liniową El. Ten błąd występuje np. w reklamach firm, które deklarują rejestrację energii liniowej, zamiast deklarować energię/kg spoiny, gdyż układ elektroniczny spawarki określa szybkość stapiania drutu. Jeżeli w wyniku złego tłumaczenia musimy ograniczyć energię liniową, trzeba będzie zmniejszyć prąd, co obniży stabilność łuku i spowoduje zwiększenie ilości wad. Jeżeli mamy spawarki prądu zmiennego, to aby zmniejszyć Em przy tym samym prądzie spawania, możemy zwiększyć posuw drutu, a tym samym zwiększyć przekrój ściegu, obniżając przy tym temperaturę jeziorka. Dawniej z powodu braku odpowiednich spawarek na rynku, stosowano spawarki z dwoma drutami (z dodatkowym zimnym drutem wprowadzanym do jeziorka, tak jak przy spawaniu TIG) [7].
Norma ISO 15614 nie zezwala na handel technologiami lecz nakłania każdą firmę do badania technologii i techniki spawania w zakresie wprowadzonego do spoiny ciepła. Europejczycy przez ciepło wprowadzone do spoiny rozumieją energię liniową, a Amerykanie – energię na kilogram spoiny. Szybkość zakosów i ruchów posuwisto-zwrotnych nie wpływa na energię liniową lecz wpływa na głębokość wtopienia i znacznie bardziej zmienia temperaturę jeziorka i strukturę, niż by to wynikało ze zmiany energii wprowadzonej na kilogram spoiny. Zastosowanie drutu proszkowego zamiast drutu litego (rurka się szybciej topi niż pręt) nie zmniejsza energii liniowej lecz zmniejsza temperaturę jeziorka i rozdrabnia ziarno.
Wnioski
- Ruchy zakosowe poprzeczne końca drutu spawalniczego zmniejszają szybkość chłodzenia (niwelują hartowanie i naprężenia w trakcie spawania) i zwiększają zwilżalność jeziorka spawalniczego.
- Ruchy końca drutu spawalniczego do przodu i do tyłu zmniejszają temperaturę jeziorka i zwiększają jego zwilżalność do podłoża.
- Prąd spawania nie powoduje wzrostu temperatury jeziorka gdy wzrostowi prądu towarzyszą szybsze ruchy.
- Napięcie i długość łuku zwiększają temperaturę jeziorka, a zwiększona (spawarka prądu zmiennego lub spawanie dwoma drutami) szybkość stapiania drutu zmniejsza temperaturę jeziorka.
Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali
Elżbieta Pawlik
Adam Jastrzębski
Spaw-Projekt
Michał Witek
Technolkonstrzebski Co Sp. z o.o.
Piotr Śliwiński
PAAL Metal Sp. z o.o.
Waldemar Felsaj
SKM Sp. z o.o.
Literatura:
[1] E. Tasak, A. Jastrzebski, The influence of pulsation of the MIG arc on the structure of aluminium alloy welds, Welding International Vol. 26, No. 12,2012
[2] R. Jastrzębski, J. Szczerba, W. Kalandyk, P. Szczepański, I. Jastrzębska, K. Trześniewski: Spawalność miedzi, cz. 2, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr 1-2, 2015
[3] Dale E. Malcolm: A revolutionary new welding power source, Canadian Welding Association Journal, 3. 2006
[4] E. Tasak: Metalurgia spawania, Wydawnictwo JAK, Kraków 2008
[5] D. Cyganek, L. Gardyński, M. Adamiak, H. Padula, R. Jastrzębski, K. Trześniewski, G. Cios: Technologia spawania stopów aluminium metodą MIG, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr 11, 2012
[6] Z. Wang, Y.M. Zhang, L. Wu: Pomiar i określenie ugięcia powierzchni jeziorka spawalniczego oraz głębokości wtopienia spoiny w pulsacyjnym spawaniu MIG/MAG, Przegląd Spawalnictwa nr 3/2013
[7] R. Krawczyk: Zakresy parametrów spawania w zależności od sposobu przenoszenia metalu w łuku spawalniczym, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 4/2014
artykuł pochodzi z wydania 7/8 (94/95) lipiec/sierpień 2015
