ASPEKTY JAKOŚCIOWE SPAWANIA OBROTOWYCH, …

TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu1/2015

17

ASPEKTY JAKOŚCIOWE SPAWANIA OBROTOWYCH, CIENKOŚCIENNYCH KORPUSÓW

Stanisław TUPAJ, Jerzy ŁUNARSKI

S t r e s z c z e n i e Wopracowaniuprzedstawiono teczynnikiprocesu technologicznegomontażukorpususpawanego,którewsposób istotnywpływająna jakośćproduktu finalnego.Wskazanonaposzczególneetapy technicznegoprzygotowaniaprodukcji iprocesutechnologicznegomającezazadaniezapewnićwłaściwewarunkiwykonaniaoperacji i zabiegów.Opisanowpływposzcze-gólnychczynnikówkonstrukcyjno-technologicznychnauzyskiwaneefekty jakościoweinaprzebiegprocesuprodukcyjnego.Podjętopróbęwyjaśnieniamechanizmuichoddziaływaniaorazpokazanosposobypoprawyjakościistabilizacjiprocesupro-dukcyjnego.Wartykulezwróconouwagęna fakt,żewadliwośćprocesówprojektowaniakonstrukcji i technologiipowodujewzrostkosztów,wydłużeniecykluprodukcyjnegoorazzakłócaprzepływprodukcjiidostawynaczas.

S ł o w a k l u c z o w ekorpusspawany,dokładnośćwymiarowo-kształtowa,warunkitechniczne(WT),zespółspawalniczy

Wstęp

Obecniepowszechnajestdążnośćfirmdoosiąganiakonkurencyjnejdoskonałościzapomocąinnowacyjności,właściwegodoboru technologiiorazodpowiedniegoza-rządzaniaprocesamiuruchomienia i realizacjiprodukcji(LeanManufacturing,SixSigma,ACEiinne).

Abyzapewnićkonkurencyjnośćwyrobu,należydążyćdo uzyskania wysokiej jakości przy relatywnie niskichkosztach.Należywięcposzukiwać–wprocesiewytwa-rzania– źródłowychprzyczynpowstawania niezgodno-ści.Organizacjaprodukcjiwczołowychfirmachlotniczychopierasięnaliniachprodukcyjnychdedykowanychrodzi-nomczęściizespołów,coznacznieułatwianadzorowa-nieposzczególnychprocesów.Jestwięcmożliweiopłacasię,abyjużwfazieuruchomieniaprodukcjinowejwersjiproduktuzwrócićuwagęnakluczoweelementyprocesu,któremogąbyćźródłembłędówiniezgodności.Potrzeb-na jest do tego odpowiednia wiedza i doświadczenietechnologów-projektantów, które wsparte bazami wie-dzydająoczekiwanyefekt.Niniejszyartykułmapomóc wosiąganiuwyżejprzedstawionychcelów.

1. Cechy technologiczne korpusów

Korpus jestelementemkonstrukcyjnymmaszyny luburządzeniałączącymwjednącałośćpozostałeelementy,równoważącymobciążenialubprzenoszącymjenapod-łoże[6].

Korpusy (rys. 1 i 2) są częściami maszyn, które z racji swej funkcji, jaką pełnią w konstrukcji, musząmieć zapewnioną dużą dokładność kształtowo-wymia-rową–szczególniewzakresiewarunkówwspółosiowo-ści, płaskości, równoległości, prostopadłości, położeniaorazbłędukształtu.Dodatkowymwymaganiem,opróczdokładności, jest konieczność zapewnienia wymaganej

wytrzymałościdoraźnejizmęczeniowejorazsztywnościprzy minimalizacji ciężaru zespołu. Materiały, z jakichwykonywane są cienkościenne korpusy obrotowe, toprzedewszystkimstaleodpornenakorozjęutwardzalnedyspersyjnieinieutwardzalne,żaroodporneorazodpor-nenakorozjęstopyniklu,stalewęgloweiniskowęglowe,utwardzalne dyspersyjnie stopy niklu. Proces technolo-gicznywytwarzania takichkorpusów jestwieloetapowy, prowadzonyzapomocąmontażunierozłącznegoróżny-mimetodamispawania.Poposzczególnychoperacjachspawalniczychrealizowanesąoperacjeobróbkiskrawa-niemmającenacelupoprawępowierzchnibazowychdodalszegomontażukorpusulubfinalnegomontażukorpu-suwwyrobie.

Rys. 1.Uproszczony schemat korpusu spawanego, oprac. napodstawie: [7, 8]; a, b, c, d – spoiny;Ø – średnice przedniej itylnejczęścikorpusu;L–długośćkorpusuFig.1.Simplifiedschemeofweldedcase[accordingto: [7,8]; a,b,c,d– fusionwelds;Ø–diameters frontandrearpartofcase;L–lengthofcase

TiAM_1_2015.indd 17 2015-02-27 08:46:30

1/2015TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

18

Zespołyspawalnicze–łączone(montowane)sązpo-szczególnychczęściipodzespołów,takichjakkołnierze,elementyblaszane tłoczone,elementyzwijanezblach,pierścienie,naby,króćce,rurki,dyfuzoryitp.zapomocąspawania oraz innych technik spajania, takich jak luto-wanie, zgrzewanie, klejenie. Główne procesy łączenianierozłącznego, jakie wykorzystywane są w montażukorpusów,to:

– spawaniewosłoniegazuobojętnego(GTAW-MA), – spawanieelektrodąotuloną–łukowo(SMAW), – spawaniemaszynoweelektrodąwolframowąwosło-

niegazuobojętnego(GTAW-ME), – spawanieręcznełukoweelektrodąmetalowąwosło-

niegazuobojętnego(GMAW-MA), – spawanie maszynowe łukowe elektrodą metalową

wosłoniegazuobojętnego(GMAW-ME), – spawaniewiązkąelektronów(EBW), – spawaniemaszynoweplazmowe (łukiemzewnętrz-

nym), – spawanieręczneplazmowe(łukiemzewnętrznym), – spawaniewiązkąlaserową(LBW), – spawanieorbitalneGTAW, – spawaniemikroplazmoweproszkowe(MPPW).Ponadtostosowanesątakieprocesy,jakzgrzewanie

rezystancyjne, lutowanie twarde i inne [5]. Istotną rolęw przygotowaniu produkcji korpusów odgrywa techno-logiczność konstrukcji, ponieważ wpływa ona zarównona jakość wyrobu, jak i koszty jego wytwarzania, a także na przepływ produkcji,dlategoważnejest,abyjuż na etapie konstruowania i opracowania technologiioraznastępnienaetapiewdrożeniawyrobudoproduk-cjikonstruktoritechnologposiadaliodpowiedniąwiedzę i doświadczeniepraktycznedotyczącemożliwych tech-nologiiichwytwarzaniaiwspółpracowalizesobąwtymzakresie.

Technologicznośćkonstrukcjiwodniesieniudokorpu-sówspawanychrozpatrujemyzpunktuwidzeniazarów-nokonstrukcjispawanych,montażu,jakiobróbkimecha-nicznej.Dogłównychwytycznychnależyzaliczyć[3]: – dogodnydostępelektrodydomiejscaspawania, – unikaniełączeniagrubychprzekrojówzcienkimize

względu na naprężenia, które mogą powodowaćpęknięciaspoinylubpęknięciawstrefiewpływucie-pła,

– unikanie stosowania cienkich i wąskich brzegów i ścięć z uwagi na niebezpieczeństwo przepaleniaich,

– usunięcie naprężeńpowstałychwprocesie spawa-nia – przez wyżarzanie – ponieważ dokładne po-wierzchniemusząbyćobrabianepospawaniu,

– stosowaniemateriałówoodpowiedniejspawalności(zewzględunaichskładchemiczny).

Poprzeprowadzeniuoperacjispawalniczychobrotowecienkościennekorpusypoddawanesąobróbcecieplnej.

Rys.2.SilnikturbinowyPT6A-140[7]Fig.2.TurbineenginePT6A-140[7]

2. Charakterystyczne elementy konstrukcji

Istnieje wiele odmian konstrukcji takich korpusów wzależności od przeznaczenia (silniki lotnicze turbino-we,przepływowe,wytwornicegazuitp.),rozwijanejmocyorazrozwiązańelementówwspółpracujących.Elementyskładowe są wcześniej wykonywane metodami kucia,walcowania,prasowania,obróbkiskrawaniem,apowy-konaniupoddawanesąkontroli(dokładnościkształtowo--wymiarowej,luminescencyjnej,rentgenowskiejiin.).Naokreślonych powierzchniach tych elementów pozosta-wianesąnaddatkinaobróbkępoczęściowymlubcałko-witymmontażukorpusuorazuwzględnianesąmożliwezmiany wymiarowe powodowane skurczem pospawal-niczym. Do ważniejszych elementów konstrukcji takichkorpusówmożnazaliczyćnastępujące:a) Kołnierze,pierścienie,korpusyłożyska,korpusydy-

fuzora,któresąjedno-lubwieloelementowymipod-zespołamiwytwarzanymiwprocesachobróbki pla-stycznej i skrawania.

b) Obudowyipłaszcze(wkształciewalcowymlubstoż-kowym), wykonywane z blachmetodami przeróbkiplastycznej(tłoczenie,zwijanie,roztłaczanie,gięcie),następniespawane.

c) Nabki,wewnętrzneizewnętrznewsporniki,łączniki,rurki – wykonywane różnymi technologiami (pręty,odlewy, odkuwki). Ich tolerancje wykonawcze są wprzedziale0,1–0,15mm,astrefyłączeniazkor-pusempodlegająściślejszejkontroli.

3. Przygotowanie produkcji korpusów

Przygotowanie produkcji bazuje zasadniczo na pro-cesie technologicznym. Na jego podstawie następujezamawianiemateriałówwyjściowych(półwyrobów)orazczęści handlowych (normalek). Części są zamawianew wyspecjalizowanych firmach (decyzja o kooperacjizapada wcześniej z udziałem służb technologicznych ihandlowych).Zostajerównieżuruchomionyprocesza-mawianiapomocywarsztatowych.Wszystkiewyżejwy-mienionedziałaniasązesobąskoordynowanewczasie–obowiązujetuzasadaJIT(ang.:just in time).

Procestechnologicznywykonaniakorpusujestwielo-etapowy,przyczymwkolejnychetapachrealizowanesązestawyoperacjiskładającychsięz:

TiAM_1_2015.indd 18 2015-02-27 08:46:31


19

a) kompletowania i sprawdzania części przeznaczo-nych do spawaniaw danym etapie (np. pierścieni,kołnierzy, korpusu dyfuzora, korpusu łożyska i in.),oczyszczania, montowania w przyrządzie spawal-niczym, spawania, kontroli spoin i dokładności,operacji korygująco-wykończeniowych (zwłasz-cza mechaniczna poprawa powierzchni bazowych,oczyszczaniespoin)orazwymaganychoperacjiob-róbkicieplnej,

b) wkońcowychetapachwykonaniakorpusuwykony-wanejestzgrzewanienabekiwsporników,lutowanierurek,obróbkacieplna,kontroladokładności,fluoro-scencyjna, szczelności orazwystawienie atestu ja-kościowego.

Dla spełnieniawymagań technicznychdużeznacze-niemakonstrukcjaidokładnośćwykonaniaprzyrządówspawalniczych,którepowinnyzapewniać:a) współśrodkowośćłączonychelementów,acozatym

idzie zachowanie warunku przesunięcia (ang.: off-set)łączonychścianek,

b) zamocowanie(docisk)elementówpodczasprocesuspawania,

c) odpowiednieodprowadzenieciepłazestrefyspawa-nia,

d) doprowadzenie gazu ochronnego od strony granispoiny.

Gdyłączoneelementysąbardziejzłożoneizachodzipotrzeba dokładnego usytuowania kątowego, przyrządmusi również zapewnić ten warunek. Aby oprzyrządo-waniespełniałoswefunkcje,koniecznajestwspółpracatechnologazkonstruktoremoprzyrządowania,np.wza-kresie rozwiązania problemu dokładności geometrycz-nychpowierzchnibazowychkorpusu.Wceluzachowa-nia warunku przesunięcia (offsetu) pomiędzy ściankąkołnierza i płaszcza, średnicę płaszcza wykonuje sięnieznaczniemniejsząodkołnierza,coumożliwiarozprę-żeniepłaszczadokładniedośrednicykołnierzawprzy-rządziespawalniczym.

4. Wymagania jakościowe względem spoin

Wymaganiajakościowewstosunkudospoinprzywo-łanesąnarysunkukonstrukcyjnymwpostaciuwag,sym-boli, wymiarów, warunków technicznych, przywołania

odpowiednich norm.Generalniemetal spoiny powinienłączyćsiępłynniezmetalemprzyległymwtakisposób,by nie tworzyły się karby.Podtopienia (podcięcia) orazwklęsłości(rys.3ai3b)niesądopuszczalne,ponieważobniżają żywotność konstrukcji. Przesunięcie (rys. 3c)jestdopuszczalnewzakresieokreślonymprzezrysunekkonstrukcyjnylubwarunkitechniczne.

Opróczwadgeometrycznychwskazanychna rys.3,dospotykanychwadmożnazaliczyć:błędywykonywa-nychwymiarów,kształtuipołożeniawzajemnego,wadyspoin(pęcherze,wtrącenianiemetaliczne,pęknięciaitp.)orazwadybudowystrukturalnejstrefspoin[2]istrefprzy-spoinowych.

Dokluczowychelementów jakości wytwarzanych kor-pusównależyzaliczyć:1. Dokładnośćwykonaniabaz(średnic,czółielemen-

tówkątowegoustalenia)orazutrzymanietejdokład-nościpoprzezcałyprocesprodukcyjnyczęściipod-zespołów.

2. Zachowanie zadanych tolerancji kształtu obudów(płaszczy)naetapieprocesówczęściipodzespołów.

3. Zachowanietolerancjiśrednicowych,długościowychoraztolerancjiinnychwielkościgeometrycznychdlaelementówprzyłączykołnierzy,pierścieni iobudów,którebędąpoddanespawaniu.

4. Zachowanie tolerancji średnicowych oraz tolerancjipołożeniaotworówpodnabywoperacjachwycina-nia.

5. Woperacjachspawalniczych,przyspełnionychww.warunkach, należy stosować ustalone parametry,potwierdzone doświadczalnie oraz technikę spa-wania, któraprzeciwdziałaprzewidywanymbłędomkształtuipołożenia.

Błędykształtuoprócztego,żewpływająnapogorsze-niewytrzymałościkorpusu,towpływająrównieżnajegoestetykęiztychwzględówniesądopuszczalne.

Poprawębłędówkształtuwykonujesięstosując,ope-racjęprostowaniaprzyużyciuspecjalnychnarzędzi,ope-racja musi być wykonana przed OC (obróbka cieplna)orazkontrolamiNDT(non-destructive testing).

Rys.3.Typoweniezgodnościspoinipołączeń:a)–podtopienie,b)–wklęsłość,c)–przesunięcieFig.3.Typicalnonconformityofweldsandjoins:a)–undercut,b)–concavity,c)–offset

TiAM_1_2015.indd 19 2015-02-27 08:46:31

1/2015TechnologiaiAutomatyzacjaMontażu

20

5. Infrastruktura systemu wytwórczego

Zapewnienie wymaganej konkurencyjności przy wy-twarzaniutegotypukorpusówuzależnionejestod:a) cyklurealizacjizleceniaodmomentu jegootrzyma-

niadokońcowejrealizacji,b) spełnienia wszystkich wymagań jakościowych za-

wartychwwarunkachtechnicznych,c) szczupłego wytwarzania (Lean Manufacturing) za-

pewniającegoracjonalnypoziomkosztówwytwarza-nia (uwzględniającychm.in. procesy projektowaniatechnologii ioprzyrządowania,wykonanieoprzyrzą-dowania,kosztymateriałów,robociznyiin.).

Celem spełnienia tych wymagań w odniesieniu doróżnych odmian tego typu korpusów projektowane są i konfigurowane dedykowane, elastyczne linie obrób-kowe z urządzeniami technologicznymi i pomocniczymoprzyrządowaniem, w których możliwa jest realizacjawszystkich koniecznych operacji, a w przypadku spe-cyficznychodmiankorpusówdo80–90%koniecznychoperacji (pozostałe, specyficzne operacje wykonywanesąwinnychstrefachsystemuwytwórczego).

Redukcjękosztówwytwarzaniatakichkorpusówuzy-skujesięprzez:a) ograniczeniedługościtrastransportowychikosztów

transportu,b) zastosowanie znacznej części oprzyrządowania

montowanego z uniwersalnych elementów składa-nych,

c) zapewnienie zdatności maszyn technologicznych ikoniecznychkompetencjipersonelucelemograni-czeniaewentualnychwadliwościistratztegotytułu,

d) utrzymywanie więzi kooperacyjnych z szeregiempodwykonawcówwykonującychnazlecenieelemen-tyskładowekorpusów,

e) stosowaniesprawdzonychidopracowanychoperacjiobróbkowych, spawalniczych i kontrolnych zapew-niającychspełnienieWT,

f) stosowanie szeregu specjalistycznych oprogramo-wańwspomagającychpraceprojektowe,planistycz-ne,ewidencyjne ikontrolneumożliwiająceredukcjępracochłonnościposzczególnychpracipolepszenieichjakości.

6. Montaż nierozłączny korpusów

Kluczowymi operacjami w wytwarzaniu rozpatrywa-nychkorpusówsąoperacjemontażunierozłącznegoróż-nymimetodamispawania idodatkowozgrzewaniaorazlutowania.Spełnieniewymagańuzależnionejestodwła-ściwegowykonaniaelementówskładowych,właściwegodoboru metody spawania i jej parametrów, dokładnejrealizacji poszczególnych operacji spawalniczych oraz przed-ipospawalniczych.Celemzapewnienianiezawod-ności funkcjonowania, po poszczególnych operacjachspawalniczych,jakrównieżinnych,stosowanesąróżne

formykontrolijakościowej,którejzakresjestuzależnionyodprawdopodobieństwapowstaniawad.

Do stosowanych w praktyce badań nieniszczących(NDT,ang.:Non-destructiveTest)mogąbyćstosowanenastępującemetodykontroli[1,4]:badaniawizualne(VT,ang.: Visual Testing); badania penetracyjne (PT, ang.:Penetrant Testing); badania szczelności (LT, ang.: Le-akproof Testing);badaniamagnetyczno-proszkowe(MT,ang.: Magnetic Testing);badaniaprądamiwirowymi(ET,ang.: Eddy-current Testing);badaniaradiograficzne(RT,ang.: Radiographic Testing); badania ultradźwiękowe(UT,ang.:Ultrasonic Testing).

Podczaskontroliwizualnej (VT)możnawykryćbrakiprzetopu, żużle, utlenienia, porowatości, podtopienia,wklęsłości, kratery, pęknięcia, przesunięcia, niezgodnąszerokośćspoiny,niezgodnąwysokośćitp.Kontrolaflu-orescencyjna (PT)umożliwiawykryciepęknięć iniecią-głościspoiny,kontrolarentgenowska(RT)ujawniawadywewnętrznespoiny,takiejakpęcherze,wtrącenia,niecią-głości.Istniejemożliwośćnaprawywiększościwykrytychniezgodności, przy czymnaprawamusi ściśle spełniaćwymagania(ograniczenia)przedmiotowejnormyspawal-niczejorazmusząbyćzachowanewszystkiepozostałewymagania jakościowe klienta. Naprawa prowadzonajest wg technologii przewodnikowej, wydłuża więc cyklprodukcji igenerujenowekoszty.Wadynienaprawialnei przypadki, gdy koszty naprawy przekraczają wartośćusterkowego zespołu, stanowią podstawę do wybrako-waniaczęści.

7. Podsumowanie i wnioski

Procesprodukcyjny korpusówspawanych lotniczychsilników turbinowychzewzględunaswójzłożonyprze-bieg i konieczność potwierdzenia każdej operacji musiprzebiegaćwgmarszrutytechnologicznejoraztechnolo-gii dla każdej części i zespołu, począwszy od procesuhutniczegopogotowywyrób.

Analiza realizowanych procesów produkcyjnych kor-pusówpozwala na sformułowanie następującychwnio-sków dotyczących czynników wpływających na jakośćkorpusów:a) Zapewnienie dobrej technologiczności konstrukcji

korpusu uwzględniającej cechy przewidywanychoperacji spawalniczych, obróbkowych i pomocni-czych, co wymaga dobrej znajomości technologiiwytwarzania przez projektanta korpusu, względnieścisłejwspółpracykonstruktoraztechnologiem.

a) Zapewnienie odpowiedniej dekompozycji proce-su technologicznego na poszczególne etapy wraz z opracowaniem racjonalnych konstrukcji przyrzą-dów spawalniczo-obróbkowych zapewniającychwłaściwebazowanieiwzajemneorientowaniełączo-nych elementów.

a) Uwzględnianiewprocesieprojektowaniatechnologiidanych empirycznych dotyczących różnych aspek-tów spawalności stosowanych materiałów i proce-

TiAM_1_2015.indd 20 2015-02-27 08:46:31


21

sówobróbkowych,gromadzonychwtrakcieurucha-mianiaprodukcjiorazrozwiązywaniaproblemów.

a) Stałe aktualizowanie standardów technologicznychzwiązanych z wytwarzaniem z uwzględnieniemprzyczynźródłowychposzczególnychwadzdarzają-cychsięwprocesachwytwórczychizastosowanychdziałańzapobiegawczych.

LITERATURA

1. Czuchryj J.: Kontrola jakości prac spawalniczych. WydawnictwoKaBe,Krosno2002.

2. DuPont J. N.: Welding of Nickel-Based Alloys for Energy Applications. Supplement to the WeldingJournal,vol.93,AmericanWeldingSocietyandtheWeldingResearchCouncil,february2014.

3. FeldM.:Technologia budowy maszyn.WydawnictwoNaukowePWN,Warszawa2000.

4. Ferenc J. K.:Spawalnictwo. Wydawnictwa Nauko-wo-Techniczne,Warszawa2007.

5. Pracazbiorowa:Lotnicze silniki turbinowe, konstruk-cja – eksploatacja – diagnostyka.BibliotekaNauko-waInstytutuLotnictwa,Warszawa2012.

6. SkawińskiP.:Technologia budowy maszyn. Politech-nika Warszawska – Wyd. internetowe, Warszawa2012.

7. http://www.pt6nation.com/en/articles/.8. http://www.pwc.ca/en/engines/engines.

_________________________Prof.drhab.inż.JerzyŁunarski–InstytutMechanizacjiBudownictwa iGórnictwaSkalnego,02-673Warszawa,ul.Racjonalizacji6/8,e-mail:[email protected] inż. Stanisław Tupaj – WSK „PZL-Rzeszów” orazdoktorant Katedry Technologii Maszyn i Inżynierii Pro-dukcji,WydziałBudowyMaszyniLotnictwa,Politechni-kaRzeszowska,Al.PowstańcówWarszawy12,35-959Rzeszów,e-mail:[email protected].

THE QUALITATIVE ASPECTS OF ROUND, THIN-WALLED BODIES

A b s t r a c tThepaperpresentsthefactorsofassemblyprocessoftheweldedcase,whichsignificantlyaffectthequalityofthefinalproduct.Thestudyalsoshows thevariousstagesof technicalpreparationofproduction,where theproperconditions for the imple-mentationofoperationsandtreatmentsoughttobeensuredinadvance.Theinfluenceofvariousfactorsonthequalityoftheproductionprocessaredescribed.Anattempttoclarifythemechanismofactionanddemonstratehowtoimprovethequalityandstabilityoftheproductionprocesswasmade.Thearticledrawsattentiontothefactthatthepoorqualityoftheproductionbringsaboutcostincreases,theextensionoftheproductioncycleanddisruptstheflowofproductionanddeliveryontime.

K e y w o r d sweldedcase,dimensional-shapingaccuracy,technicalspecifications(WT),weldingassembly

TiAM_1_2015.indd 21 2015-02-27 08:46:31

Documents

ASPEKTY JAKOŚCIOWE SPAWANIA OBROTOWYCH, …