JAKOCI ZCZY SPAWANYCH STALI NIERDZEWNEJ
THE INFLUENCE OF WELDING METHODS AD TECHNOLOGIES ON THE
QUALITY OF STAINLESS STEEL WELDED JOINTS
nr albumu: 216765
Warszawa, marzec 2011
2
Abstract
Choosing the welding method is a result of careful analysis which primarily includes achieved
quality of joints, but also the potential financial effort needed to implement the method and further
production forecasts. The present paper discusses the most common industrial methods of
producing steel joints and presents the metallurgical processes occurring in the material during the
formation of weld. It also presents an analysis of selected properties of the weld on basis of three
joints made of steel St12T using three different methods – the traditional (manual), robotized and
electron beam welding. Obtained results are summarized in qualitative terms, taking into account
the potential cost of implementing the method.
3
promotorowi, dr in. Markowi Kamiskiemu, za
wszystkie cenne rady i wspania atmosfer w trakcie
pisania pracy naukowej.
Jelekowskiemu, który zainspirowa mnie do dalszego
zgbiania zagadnie metaloznawczych i którego
wsparcie oraz powicony czas przyczyniy si do
powstania niniejszej pracy.
Expert Sp. z o.o. S.K.A. za udostpnienie materiaów
do bada i analiz oraz wszelkie konsultacje dotyczce
procesów wytwórczych w przemyle energetycznym.
4
1. Spis treci
I. CZ TEORETYCZNA
2. Cel i zakres pracy ......................................................................................................................... 6 3. Przegld procesów spawalniczych ............................................................................................... 6
3.1. Wprowadzenie ....................................................................................................................... 6 3.1.1. Zagadnienie gstoci energii .......................................................................................... 7 3.1.2. Procesy spawalnicze ...................................................................................................... 8
3.1.3. Materiay spawalnicze .................................................................................................... 8 3.2. Przegld metod spawalniczych ............................................................................................. 9
3.2.1. Spawanie gazowe (OAW – oxyacetylene welding) ....................................................... 9 3.2.2. Spawanie elektrodami otulonymi (SMAW – shielded metal arc welding) .................. 10 3.2.3. Spawanie metod TIG (GTAW – gas tungsten arc welding) ....................................... 11 3.2.4. Spawanie plazmowe (PAW – plasma arc welding) ...................................................... 13 3.2.5. Spawanie w osonie gazów ochronnych (GMAW – gas metal arc welding) ............... 14
3.2.6. Spawanie ukowe drutem rdzeniowym (FCAW – flux core arc welding) ................... 15 3.2.7. Spawanie ukiem krytym (SAW – submerged arc welding) ........................................ 15 3.2.8. Spawanie elektroulowe (ESW – electroslag welding) ............................................. 16 3.2.9. Spawanie wizk elektronów (EBW – elektron beam welding) .................................. 16
3.2.10. Spawanie laserowe (LBW – laser beam welding) .................................................... 18 4. Przepyw ciepa w procesie spawania ........................................................................................ 19
4.1. Wprowadzenie ..................................................................................................................... 19
4.2.1. Pomie gazowy ........................................................................................................... 21 4.2.2. uk elektryczny............................................................................................................ 22 4.2.3. róda ciepa o duej gstoci energii .......................................................................... 23
4.3. Procesy cieplne spawania .................................................................................................... 23 5. Reakcje chemiczne w procesie spawania ................................................................................... 24
5.1. Reakcje gaz-metal ............................................................................................................... 24
5.1.3. Tlen .............................................................................................................................. 26 5.1.4. Wodór ........................................................................................................................... 26
5.2. Reakcje uel-metal ............................................................................................................ 27
6. Przepyw cieczy i parowanie metali w spawaniu ....................................................................... 28
6.1. Przepyw cieczy w ukach ................................................................................................... 28 6.2. Przepyw cieczy w jeziorkach spawalniczych ..................................................................... 28 6.3. Parowanie metali ................................................................................................................. 30
7. Krystalizacja zczy spawanych ................................................................................................. 30 7.1. Podstawy procesu krystalizacji ........................................................................................... 30
7.1.1. Krzepnicie czystych metali ........................................................................................ 31 7.1.2. Krzepnicie stopów ...................................................................................................... 31
7.2. Krystalizacja spoin .............................................................................................................. 32 7.2.1. Tworzenie si jeziorka spawalniczego i jego ksztat ................................................... 32 7.2.2. Charakterystyka krystalizacji metalu spoiny ............................................................... 32
7.2.3. Wpyw parametrów spawania na struktur spoiny ...................................................... 33
8. Kontrola jakoci zczy spawanych ........................................................................................... 33
8.1. Metoda wizualna (badanie makroskopowe) ........................................................................ 34 8.2. PT – metoda penetracyjna ................................................................................................... 35
5
8.3. MT – metoda magnetyczno-proszkowa – PN-EN 1290 ..................................................... 37 8.4. ET – badania wiroprdowe .................................................................................................. 39
8.5. UT – metoda ultradwikowa ............................................................................................. 40 8.6. Obserwacje metalograficzne zgadów ................................................................................. 47 8.7. Pomiar twardoci w przekroju zcza .................................................................................. 49
9. Bibliografia ................................................................................................................................ 52
II. CZ DOWIADCZALNA
11.1. Metodyka wykonania spoiny............................................................................................... 53 11.2. Wyniki bada makroskopowych .................................... Bd! Nie zdefiniowano zakadki.
11.4. Badania mikrotwardoci ...................................................................................................... 58 12. Spoina wykonana metod zrobotyzowan. ............................................................................. 58 12.1. Badania makroskopowe ...................................................................................................... 59 12.2. Badania mikroskopowe ....................................................................................................... 59 12.3. Badania mikrotwardoci ...................................................................................................... 60
13. Spoina wykonana metod elektronow................................................................................... 61 13.1. Badania makroskopowe ...................................................................................................... 61 13.2. Badania mikroskopowe ....................................................................................................... 61
6
Celem pracy jest przedstawienie wpywu metod i technologii spawania na ksztatowanie jakoci
zczy spawanych stali nierdzewnej.
2. Przegld procesów spawalniczych
2.1. Wprowadzenie
Procesy spawalnicze byy znane ju w staroytnoci (w staroytnym Rzymie spawano rury
oowiane). Rozwój wspóczesnego spawalnictwa rozpocz si w kocu XIX w., amerykaski
wynalazca E. Thomson 1877 zbudowa pierwsz zgrzewark elektryczn oporow. N.N. Benardos
1882 wynalaz spawanie ukowe elektrod wglow. W 1888 udoskonali je N.G. Sawianow przez
zastosowanie topliwej elektrody metalowej. Spawanie termitowe wynalaz 1899 H. Goldschmidt.
Pierwszy palnik acetylenowo-tlenowy skonstruowa 1901 Francuz Ch. Picard. W 1928 w Polsce
powsta pierwszy na wiecie spawany most wg projektu S. Bryy. W latach 30-tych wynaleziono
metod spawania elektrod wolframow w osonie gazów szlachetnych i spawanie maszynowe
ukiem krytym. W 1950 J.O. Paton wprowadzi spawanie elektroulowe, a 1956 J.A. Stohr -
elektronowe.
spawalnictwa rozwija si wspópraca midzynarodowa, w 1948 zaoono Midzynarodowy Instytut
Spawalnictwa (Institut International de la Soudure), do którego Polska naley od 1956r.
Spawanie jest procesem czenia materiaów, w którym stosuje si przetopienie materiau
bazowego do wytworzenia spawu. Wyróniamy trzy gówne rodzaje procesów spawalniczych:
1. Spawanie gazowe
2. Spawanie ukowe
Spawanie elektrod wolframow (GTAW – gas-tungsten arc welding)
Spawanie ukiem plazmowym (PAW – plasma arc welding)
Spawanie elektrod gazow (GMAW – gas-metal arc welding)
Spawanie ukowe drutem rdzeniowym (FCAW – flux-cored arc welding)
Spawanie ukiem krytym (SAW – submerged arc welding)
Spawanie elektroulowe (ESW – electroslag welding)
3. Spawanie wizkami energii
7
W w/w podziale naley zauway, e w przypadku spawania elektroulowego, w caym procesie
nie bierze udziau uk spawalniczy. W zwizku z tym jest ono tylko czciowo spawaniem
ukowym. Umownie zostao zaklasyfikowane jako ukowe.
2.1.1. Zagadnienie gstoci energii
róda ciepa dla spawania gazowego, ukowego lub wizk energii to kolejno pomie
gazowy, uk elektryczny lub wizka wysokiej energii. Moc wymienionych wizek zwiksza si
poczwszy od pomienia gazowego, poprzez uk elektryczny, na wizce energii koczc. Wraz ze
zwikszeniem gstoci róda, zapotrzebowanie materiau spawanego na samo ciepo maleje. Detal
ogrzewany przez pomie gazowy nagrzewa si wolniej i zanim nastpi przetopienie, dua cz
ciepa pomienia jest wydatkowana do otoczenia strefy spawanej. Konsekwencj tego jest czsto
nadmierne nagrzewanie, które moe wywoa uszkodzenie detalu, osabienie jego parametrów i
znieksztacenie. Jednoczenie naley zauway, e ten sam materia wystawiony na wpyw mocno
zogniskowanej wizki elektronów lub lasera moe ulec topnieniu lub nawet odparowaniu, formujc
gbokie jeziorko spawalnicze natychmiastowo, w konsekwencji czego zanim wikszo ciepa
zostanie odprowadzona do otoczenia strefy spawanej, operacja spawania zostaje ukoczona. Mona
w zwizku z tym powiedzie, e zalety zwikszenia koncentracji róda ciepa to gbsza penetracja
spawu, wysza prdko spawania, lepsza jako spawu przy jednoczenie zmniejszonej liczbie
defektów.
Rysunek 1: Wpyw gstoci energii na wkad ciepa do materiau
(Kou Sindo - Welding Metallurgy)
W poniszej tabeli zestawiono i podsumowano metody spawania rekomendowane dla
poszczególnych materiaów i gatunków stali. Ze wzgldu na tematyk pracy, najwikszy nacisk w
dalszej czci pracy pooony zostanie na metody spawania najbardziej uyteczne w przypadku stali
nierdzewnej.
Tabela 1: Procesy spawalnicze i ich zastosowanie
Materia Grubo SMAW SAW GMAW FCAW GTAW PAW ESW OFW EBW LBW
Stale wglowe
3-6 mm x x x x x x x x
6-19 mm x x x x x x x
> 19 mm x x x x x x x
Stale
niskostopowe
6-19 mm x x x x x x
> 19 mm x x x x x x
Stale
nierdzewne
< 3 mm x x x x x x x x
3-6 mm x x x x x x x x
6-19 mm x x x x x x x
> 19 mm x x x x x x
eliwo
Stopy niklu
6-19 mm x x x x x x
> 19 mm x x x x
Stopy
aluminium
3-6 mm x x x x
6-19 mm x x x
> 19 mm x x
Najistotniejszym materiaem stosowanym do spawania jest elektroda spawalnicza, inaczej
prt, drut zwojowy, tama itp. wykonana jest z metalu lub wgla, i stosowana do zajarzania i
utrzymywania uku elektrycznego w procesie spawania i procesach pokrewnych. W zalenoci od
metody spawania, przedmiotów spawanych itp. stosuje si róne typy elektrod: topliwe, nietopliwe,
otulone, goe itp.
Kady typ elektrody spawalniczej dzieli si na kilka lub kilkanacie odmian i rodzajów,
wykonanych w rónych grubociach i majcych róne zastosowanie. Najpopularniejsze i
najczciej stosowane s elektrody spawalnicze topliwe, otulone.
Umownie podzieli mona elektrody na nietopliwe i topliwe. Elektrody nietopliwe w
procesie spawania nie topi si, lecz utrzymuj uk elektryczny, który topi brzegi spawanego
metalu, a jednoczenie topi drut dostarczany do spoiny. Natomiast elektrody topliwe topi si w
uku elektrycznym i tworz spoin. Do elektrod nietopliwych nale elektrody wglowe, grafitowe i
9
wolframowe. Elektrody wglowe i grafitowe stosowane s do cicia blach, np. pod wod, a take
do spawania rcznego cienkich blach. Elektrody wolframowe stosowane s do spawania i cicia
metali w atmosferach gazów ochronnych (argonu, helu, wodoru). rednice ich wynosz od l do 8
mm. Temperatura topnienia wolframu wynosi 3370 o C (3643 K).
Elektrody topliwe s wykonane z materiau bardzo zblionego skadem chemicznym do
czonych tworzyw. Rozróni mona
rdzeniowe (topnik znajduje si w rodku).
Wszystkie rodzaje elektrod s znormalizowane. Elektrody stalowe otulone do spawania stali
niskowglowych i niskostopowych wedug PN-88/M-69433 dzieli si na nastpujce grupy:
z otulin kwan, oznaczone symbolem A;
z otulin kwano-rutylow - AR;
z. otulin zasadow - B;
z otulin rutylow, grubo-otulon - RR;
z otulin celulozow - C;
z otulin utleniajc- O.
Otuliny kwane zawieraj tlenki elaza, manganu, krzemianów oraz sproszkowane elazo. Otuliny
zasadowe zawieraj zwizki zasadowe, np. wglany wapniowe i magnezowe, a take fluoryt,
Otuliny rutylowe zawieraj naturalny rutyl TiO2 w iloci okoo 25 %.
Zasadnicze funkcje otuliny to:
si gdy elektroda zostaje ogrzana.
Odtlenianie - wprowadzenie do obszaru spawania pierwiastków odtleniajcych, wicych
azot i rafinujcych cieky metal spoiny
Dodanie metalu – dostarcza elementy stopowe do jeziorka spawalniczego, co pomaga
kontrolowa skad chemiczny spoiny.
2.2. Przegld metod spawalniczych
Spawanie gazowe polega na stapianiu brzegów metali czonych przez nagrzewanie
pomieniem powstajcym ze spalania si gazu palnego w atmosferze dostarczanego tlenu. Spawanie
10
gazowego ze wzgldu na wysok temperatur pomienia. Gówn zalet spawania acetyleno-
tlenowego jest fakt, e wyposaenie niezbdne do przeprowadzenia spawania jest proste w
obsudze, przenone i niedrogie. Z tych wzgldów stosuje si je przede wszystkim do prac
remontowych i rewitalizacyjnych. Ze wzgldu na niewielk moc pomienia, szybko spawania jest
bardzo niska a cakowity wkad ciepa na jednostk objtoci materiau pozostaje na wysokim
poziomie, powodujc w konsekwencji du stref wpywu ciepa i spore odksztacenia spawalnicze.
Spawanie acetylenowo-tlenowe nie jest rekomendowane do metali stopowych, a ze wzgldu na
sab jako zcza, najczciej nie stosuje si go przy spawaniu konstrukcji stalowych. Biorc pod
uwag marginaln pozycj tej metody spawania w wietle tematyki pracy, nie bdzie ona szerzej
omawiana.
metal arc welding)
Spawanie ukowe elektrod otulon, oprócz nazwy SMAW, nazywane jest równie metod
MMA (Manual Arc Welding) i jest to najstarsza i najbardziej uniwersalna metoda spawania
ukowego. W tej metodzie wykorzystywana jest elektroda otulona, która skada si z metalowego
rdzenia pokrytego sprasowan otulin. Pomidzy kocem elektrody a spawanym materiaem
wytwarzany jest uk elektryczny. Zajarzenie uku ma charakter kontaktowy poprzez dotknicie
koca elektrody do materiau spawanego. Uchwyt elektrody, bdcy metalowym zaciskiem, jest
poczony z jednym ródem mocy, a element spawany z drugim ródem. Topica si otulina
elektrody wydziela gazy, które chroni pynny metal przed wpywem atmosfery a nastpnie
krzepnie i tworzy na powierzchni jeziorka uel, który chroni krzepncy metal spoiny przed
wpywem otoczenia. Po uoeniu jednego ciegu uel naley mechanicznie usun.
Spawanie ukowe rczne elektrod otulon jest procesem, w którym trwae poczenie
uzyskuje si przez stopienie ciepem uku elektrycznego topliwej elektrody otulonej i materiau
spawanego. uk elektryczny jarzy si midzy rdzeniem elektrody pokrytym otulin i spawanym
materiaem. Elektroda otulona przesuwana jest rcznie przez operatora wzdu linii spawania i
ustawiona pod pewnym ktem wzgldem zcza. Spoin zcza tworz stopione ciepem uku rdze
metaliczny elektrody, skadniki metaliczne otuliny elektrody oraz nadtopione brzegi materiau
spawanego(rodzimego). Udzia materiau rodzimego w spoinie, w zalenoci od rodzaju spawanego
metalu i techniki spawania, wynosi moe 10-40%.
uk spawalniczy moe by zasilany prdem przemiennym lub prdem staym z
biegunowoci ujemn lub dodatni. Oson uku stanowi gazy i cieky uel powstae w wyniku
rozpadu otuliny elektrody pod wpywem ciepa uku. Skad osony gazowej w zalenoci od skadu
chemicznego otuliny, stanowi CO2, CO, H2O oraz produkty ich rozpadu. Spawanie rozpoczyna si
po zajarzeniu uku midzy elektrod otulon a spawanym przedmiotem; intensywne ciepo uku, o
temperaturze w rodku uku dochodzcej do 6000 K, stapia elektrod, której metal przenoszony jest
do jeziorka spoiny. Przenoszenie metalu rdzenia elektrody otulonej w uku spawalniczym moe
odbywa si w zalenoci od rodzaju otuliny, grubokroplowo, drobnokroplowo lub nawet
natryskowo.
11
Ilo tworzcego si gazu i ula osaniajcych uk oraz ich skad chemiczny zale od
rodzaju otuliny elektrody i jej gruboci. Stosuje si otuliny o rónej gruboci w stosunku do
rednicy rdzenia, a ich nazwy: rutylowe, kwane, zasadowe, fluorkowe, cyrkonowe, rutylowo-
zasadowe, celulozowe itd., zalene s od waciwoci chemicznych skadników otuliny. Elektrody
produkowane s zwykle o rednicy rdzenia w zakresie 1,6 do 6,0 mm i dugoci od 250 do 450 mm.
Podstawowa rónica w stosunku do innych metod spawania polega na tym, e w tej
metodzie elektroda ulega skróceniu. W wikszoci pozostaych metod dugo elektrody pozostaje
przez cay czas niezmieniona i odlego pomidzy uchwytem a elementem spawanym jest przez
cay czas staa. W metodzie SMAW, aby utrzyma sta odlego pomidzy elektrod a jeziorkiem
spawalniczym, uchwyt elektrody musi by przez cay czas przesuwany w kierunku spawanego
elementu co powoduje, e umiejtnoci spawacza odgrywaj szczególn rol.
Zalety i wady metody
Korzyci stosowania tej metody jest moliwo spawania rónych rodzajów i gatunków
metali i stopów, spawanie praktycznie w kadej pozycji i w warunkach polowych (przy niewielkim
wietrze), na wysokociach a nawet pod wod. Ze wzgldu na to jest metod czsto stosowan
podczas prac remontowych i w warunkach polowych. Przebieg procesu spawania w znacznym
stopniu uzaleniony jest od umiejtnoci operatora (spawacza). Ustalone w warunkach
technologicznych spawania konkretnej konstrukcji parametry spawania stanowi dla operatora dane
wyjciowe, do których dostosowuje swe dowiadczenie spawalnicze i zdolnoci manualne.
Niestety, osona gazowa w metodzie SMAW jest niewystarczajca dla metali reaktywnych, takich
jak aluminium czy tytan. Ograniczeniem jest równie fakt, e otulina ma tendencj do
przegrzewania si i spadania, kiedy stosowane s wysze napicia przy spawaniu. Limitowana
dugo elektrody (okoo 35 cm) wymaga jej wymiany, co zmniejsza dynamik i szybko caego
procesu spawania.
welding)
TIG (ang. tungsten inert gas) lub GTAW (gas tungsten arc welding) to metoda czenia
materiaów poprzez ogrzewanie ich ukiem wytworzonym pomidzy nietopliw elektrod
wolframow a materiaem spawanym. Uchwyt utrzymujcy wolframow elektrod jest poczony
ze zbiornikiem gazu ochronnego oraz ze ródem energii. Elektroda wolframowa jest zazwyczaj w
kontakcie z chodzon wod miedzian obudow, która czona jest z kablem spawalniczym. Dziki
temu nie tylko pobierany ze róda prd jest dostarczany do elektrody, ale równie elektroda jest
chodzona aby zapobiec jej przegrzaniu. Detal spawany podczony jest do odrbnego róda prdu.
Gaz osonowy jest kierowany poprzez dysz w stron jeziorka spawalniczego aby chroni je przed
wpywem atmosfery. Ochrona od wpywu atmosfery jest znacznie lepsza ni w metodzie SMAW,
poniewa bezporednio na jeziorko kierowane s gazy obojtne (argon, hel). Pomimo stosowania
powszechnie nazwy TIG (tungsten inert gas), w wyjtkowych przypadkach stosuje si równie gazy
12
reaktywne do osony (np. azot, którego zadaniem jest podwyszenie temperatury uku i
umoliwienie dziki temu spawania z duymi prdkociami miedzi i jej stopów, czsto bez
podgrzania wstpnego) – dlatego w niniejszej pracy czciej stosowane bdzie czciej okrelenie
GTAW, które wydaje si bardziej uniwersalnym.
Podczas tej metody spawania spoiwo zwykle jest dostpne w postaci drutu, doprowadzanego w
miar potrzeby do brzegu jeziorka.
Rysunek 2: Spawanie GTAW: a) caociowo b) szczegóy obszaru spawania [Kou Sindo - Welding Metallurgy]
Elektrody nietopliwe do spawania TIG s podstawowym elementem obwodu spawania i od
ich cech eksploatacyjnych zaley w duym stopniu jako spawania oraz ekonomiczno procesu.
Cechy te to atwo zajarzenia uku i stabilno jarzenia si uku, trwao oraz szybko zuycia
elektrody. Elektrody nietopliwe wytwarzane s z czystego wolframu lub ze stopów wolframu.
Materia dodatkowy do spawania TIG moe mie posta drutu, paeczki, tamy lub wkadki
stapianej bezporednio w zczu. Do spawania rcznego stosowane s druty lub prty proste o
rednicy 0,5, 9,5 mm i o dugoci 500-1000mm. Jako materiay dodatkowe do spawania TIG w
wikszoci przypadków stosowane s materiay o tym samym skadzie chemicznym, co spawany
materia. W niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie materiau dodatkowego o
wyranie rónym skadzie chemicznym od spawanego materiau. I tak np. do spawania stali
odpornych na korozj typu 9% Ni stosuje si stopy niklu; mosidze spawa si brzami
aluminiowymi, fosforowymi lub krzemowymi. Zazwyczaj dy si jednak do tego, aby materia
dodatkowy mia lepsze wasnoci ni materia spawany.
Wady i zalety metody
Spawanie GTAW jest odpowiednie dla czenia nawet cienkich materiaów ze wzgldu na
moliwo limitowania nakadów ciepa. Pozwala na regulowanie i kontrolowanie rozmiarów
13
spawalniczym, co pozwala mu by stosowanym do spawania reaktywnych metali, takich ja tytan,
aluminium czy magnez. Naley jednak pamita, e w przypadku przekroczenia optymalnych
nate prdu, elektroda wolframowa moe ulec topieniu i zanieczyci spaw wolframem.
Wydajno spawania jest stosunkowo niska, ale moe zosta przyspieszona poprzez wstpne
podgrzanie dodawanego drutu (TIG-Hot Wire), kiedy poprzez drut równie jest przekazywany prd
elektryczny powodujcy jego podgrzanie. Nagrzewany oporowo drut jest stapiany z wiksz
prdkoci, tworzc jeziorko spawalnicze o duej objtoci, „tumice" przetopienie materiau
podoa.
W czci praktycznej niniejszej pracy zostanie omówione zcze spawane stali nierdzewnej
wykonane w sposób zrobotyzowany metod TIG-Hot Wire w celu osignicia najwyszej jakoci
spoiny.
Spawanie plazmowe to metoda spawania z wykorzystaniem ogniskowania uku
elektrycznego. Do wytworzenia plazmy, czyli zjonizowanego gazu wymagane jest nagrzanie go do
dostatecznie wysokiej temperatury. Podobnie jak podczas spawania metod GTAW (TIG), uk przy
spawaniu plazmowym powstaje pomidzy nietopliw elektrod wolframow, a materiaem
podstawowym. Temperatury wystpujce w uku w metodzie GTAW s rzdu 6 000°C, a kolumna
uku ma ksztat stoka. Natomiast przy spawaniu plazmowym uk jest ogniskowany dziki
specjalnie zaprojektowanej dyszy chodzonej wod. Zalet takiego rozwizania poza zaweniem
uku jest wzrost jego temperatury do okoo 20 000°C. Gaz ten wypywajc z dyszy jako
zjonizowany strumie o wysokiej temperaturze niesie olbrzymi energi, która jest niezbdna do
spawania z oczkiem. Taka technika spawania pozwala w jednym przejciu wykona spoin w
materiale o gruboci od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym
odksztaceniu po spawaniu. Umoliwia take uzyskiwanie prdkoci spawania o 40–80% wysze
ni przy metodzie TIG.
Rysunek 3: Porównanie przekroju spawu wykonanego metod PAW oraz metod GTAW [Welding Handbook,
Courtesy of American Welding Society]
Zalety i wady metody
Spawanie PAW mona traktowa jako ulepszon wersj metody GTAW. Posiadajc
zogniskowany uk elektryczny, PAW jest mniej wraliwy na zmiany dugoci uku podczas
rcznego spawania i wymaga mniejszych umiejtnoci operatora spawarki ni GTAW. Krótka
14
dugo uku w GTAW moe powodowa przypadkowe zetknicie elektrody z jeziorkiem
spawalniczym i zanieczyszczenie go, co nie wystpuje w PAW, gdzie elektroda jest zagbiona w
dyszy. Penetracja spawów jest gbsza ni w GTAW, a prdkoci spawania mog by wysze.
Niemniej jednak spawanie metod PAW jest bardziej skomplikowane ze wzgldu na
konstrukcj palnika. Wymaga odpowiedniej konfiguracji elektrody, pozycjonowania i
odpowiedniego ustalenia emisji gazów ochronnych, co zazwyczaj realizuje si poprzez specjalne
konsole kontrolne. Ze wzgldu na to koszt wyposaenia jest droszy ni w przypadku GTAW.
2.2.5. Spawanie w osonie gazów ochronnych (GMAW – gas
metal arc welding)
Spawanie GMAW jest metod topienia i czenia materiaów poprzez ogrzewanie je ukiem
wytworzonym pomidzy stale doprowadzanym drutem, bdcym jednoczenie elektrod. Osona
uku oraz jeziorka spawalniczego czsto wytwarzana jest przez doprowadzenie gazu obojtnego
(argon lub hel), std stosowane jest okrelenie MIG (metal-inert gas) lub reaktywnego (CO2), std
okrelenie MAG (metal-active gas).
Dokadna osona uku jarzcego si midzy elektrod topliw a spawanym materiaem
zapewnia, e spoina formowana jest w bardzo korzystnych warunkach. Spawanie MIG zastosowane
wic moe by do wykonania wysokiej jakoci pocze wszystkich metali, które mog by czone
za pomoc spawania ukowego. Nale do nich stale wglowe i niskostopowe, stale odporne na
korozj, aluminium, mied, nikiel i ich stopy. Spawanie MIG/MAG polega na stapianiu materiau
spawanego i materiau elektrody topliwej ciepem uku elektrycznego jarzcego si pomidzy
elektrod topliw i spawanym przedmiotem, w osonie gazu obojtnego lub aktywnego. Metal
spoiny formowany jest z metalu stapiajcego si drutu elektrodowego i nadtopionych brzegów
materiau spawanego. Podstawowe gazy ochronne stosowane do spawania MIG/MAG to gazy
obojtne argon, hel oraz gazy aktywne; CO2, H2, O2, N2, i NO, stosowane oddzielnie lub tylko jako
dodatki do argonu czy helu. Elektroda topliwa w postaci drutu penego, zwykle o rednicy od 0,5
mm, podawana jest w sposób cigy przez specjalny system podajcy, z prdkoci w granicach 2,5
m/min. Palnik chodzony moe by wod lub powietrzem.
W przeciwiestwie do GTAW, spawanie MIG/MAG prowadzone moe by prdem staym
lub przemiennym we wszystkich pozycjach. Obecnie prawie wycznie stosuje si spawanie
MIG/MAG prdem staym z biegunowoci dodatni. Spawanie prowadzone jest jako
póautomatyczne zmechanizowane, automatyczne lub w sposób zrobotyzowany. Dziki duej
uniwersalnoci procesu i atwoci regulacji, spawanie MIG/MAG pozwala na wykonywanie
rónorodnych konstrukcji z rónych metali i stopów w warunkach warsztatowych i montaowych,
we wszystkich pozycjach.
Zalety i wady metody
Tak samo jak GTAW, GMAW jest bardzo czyst metod spawania, szczególnie przy
doprowadzeniu gazu obojtnego. Przewysza GTAW pod wzgldem ekonomii spawania i szybkoci
wykonywania spawu. Niestety, palniki GMAW mog by wielkogabarytowe, co utrudnia dotarcie
do trudno dostpnych obszarów spawanych.
15
arc welding)
Spawanie ukowe drutem rdzeniowym (proszkowym), FCAW (Flux-Cored Arc Welding) to
metoda spawania, podobna do metody GMAW, z t rónic, e drut wewntrz jest wypeniony
topnikiem lub substancj chemiczn wytwarzajca podczas spawania gazy ochronne. Metoda ta jest
take nazywana metod MAG, chocia jest tu zasadnicza rónica w sposobie podawania topnika,
gdy w MAG-u jest on podawany z zewntrz.
T metod spawa si take stale stopowe. Do spawania stali stopowych uywa si drutu z
rdzeniem metalowym, w którym oprócz topnika znajduj si sproszkowane metale, takie jak nikiel,
chrom itp.
Zalety i wady metody
Spawanie FCAW czy w sobie zalety spawania elektrod otulon i metod MAG,
pozwalajc na osignicie bardzo duej wydajnoci w zwizku z brakiem potrzeby czstej zmiany
elektrody i nie wymagania wysokich kwalifikacji od spawacza. Jego wadami jest wysza cena drutu
spawalniczego w stosunku do technik konwencjonalnych i konieczno konstruowania
dedykowanych spawarek gwarantujcych moliwo zmiany biegunowoci.
2.2.7. Spawanie ukiem krytym (SAW – submerged arc welding)
Metoda SAW polega na czeniu elementów metalowych za pomoc elektrody w otulinie
granulowanego topnika. Z powodu wytwarzania wysokiej temperatury przez uk elektryczny, topnik
stapiajc si tworzy ochronn warstw ula pokrywajcego spoin i nie dopuszcza do utlenienia
spawu. Tego typu proces spawania prowadzi si zwykle za pomoc w peni zautomatyzowanego
sprztu, dostpne s take rcznie prowadzone uchwyty. Dla zwikszenia wydajnoci spawania
stosuje si rozwizanie z kilkoma elektrodami. Metoda spawania ukiem krytym, dziki bardzo
duej szybkoci spajania, bardzo dobrze nadaje si do wykonywania dugich prostoliniowych
zczy w pozycji podolnej. Metoda jest czsto stosowana w trakcie produkcji zbiorników
cinieniowych, w zakadach chemicznych, w trakcie wytwarzania duych konstrukcji stalowych, w
pracach naprawczych oraz w przemyle stoczniowym.
Zalety i wady metody
Zaletami tej metody jest dobra jako uzyskanej spoiny i dobra wydajno pracy w
poczeniu z wysok sprawnoci energetyczn i dobrymi warunkami pracy spawacza. Podczas
spawania nie wydzielaj si równie szkodliwe opary spawalnicze. Niestety aby spawa w pozycji
innej ni pozioma, naley stosowa specjalne oprzyrzdowanie, w praktyce niestosowane ze
wzgldu na trudnoci konstrukcyjne. Przed spawaniem topnik musi by odpowiednio osuszony i
przygotowany, a metoda moe by zastosowana jedynie wewntrz hal produkcyjnych.
16
2.2.8. Spawanie elektroulowe (ESW – electroslag welding)
Metoda EWS polega na spawaniu elektrod topliw, podczas gdy ciepo niezbdne do
stapiania metalu wytwarzane jest wskutek oporu jaki stawia prdowi roztopiony uel. Tak jak w
SAW, w procesie ESW stopiony uel ochrania topiony metal przed wpywem atmosfery,
jednoczenie rafinujc go. Jak zostao wspomniane na pocztku, ESW nie stricte procesem
spawania ukowego ze wzgldu na istnienie uku tylko podczas inicjacji procesu. Gdy temperatura
ula wzrasta i tym samym zwiksza si jego przewodno elektryczna, uk ganie, a prd
elektryczny przepywa przez pynny uel. Poniewa pynny uel posiada pewn rezystancj, w
wyniku przepywu prdu powstaje energia cieplna niezbdna do prowadzenia procesu spawania.
Zalety i wady metody
Dziki zastosowaniu EWS mona osign bardzo du wydajno spawania przy
jednoczenie niskim koszcie przygotowania zcza. Pozwala na spawanie bardzo grubych
materiaów przy jednym przejciu i zapewnia minimalne naprenia poprzeczne w spawie.
Niewtpliwie wad metody jest fakt, e stosowane due iloci energii przyczyniaj si do
powolnego stygnicia zcza, w wyniku czego w strefie wpywu ciepa wystpuje duy rozrost
ziarna. Udarno materiau w strefie wpywu ciepa jest niewystarczajca, aby speni wymagania
stawiane konstrukcjom spawanym z gwarantowan odpornoci na pknicia w niskich
temperaturach, czyli z odpornoci na pknicia kruche.
2.2.9. Spawanie wizk elektronów (EBW – elektron beam
welding)
minimaln stref wpywu ciepa.
wizki energii zawierajcej podniesione do stanu wysokiej aktywnoci elektrony. Wygenerowana
wewntrz dziaa elektronowego wizka uderza w obrabiany przedmiot z prdkoci blisk 30-70%
prdkoci wiata, zamieniajc swoj kinetyczn energi na ciepo, które jest w stanie rozgrza
materia do temperatur bliskich 25 000°C. Otrzymane w ten sposób skoncentrowane ciepo
penetruje materia na bardzo due gbokoci, umoliwiajc tworzenie pocze elementów o
znacznej gruboci, osigajcej nawet 20 cm. Ze wzgldu na silne skupienie i wysok stabilno
strumienia elektronów, cakowity nakad ciepa na materia jest o wiele niszy ni w innych
metodach spawalniczych, co skutkuje bardzo niewielk stref wpywu ciepa w materiale.
Wytworzenie spoiny nastpuje przez stopienie brzegów materiaów, eliminujc potrzeb
zastosowania spoiwa, a zatem redukuje ilo wykorzystywanego w produkcji materiau.
Zastosowanie róda ciepa w postaci wizki elektronów wie si z wysokim
skoncentrowaniem energii na maej powierzchni oraz moliwoci atwego jej sterowania i
dozowania. Dua koncentracja energii wizki wynika z zamiany energii kinetycznej elektronów na
17
ciepo, co jest procesem natychmiastowym w porównaniu do procesów nagrzewania metalu w
wyniku przewodnictwa, które maj zastosowanie przy spawaniu gazowym lub elektrycznym.
Wykorzystywany w EBW sposób skoncentrowania ciepa na powierzchni detalu umoliwia
otrzymanie spoin bardzo wskich i gbokich. Uzyskanie wskiej spoiny, a wic maej iloci
stopionego materiau, zmniejsza zapotrzebowanie na niezbdne do tego procesu ciepo, a to z kolei
zapewnia mniejszy skurcz zcz spawanych i redukuje powstae naprenia spawalnicze, nierzadko
pozwalajc unikn koniecznoci obróbki wykaczajcej. Powstajce odksztacenia s nieznaczne,
poniewa obrabiany obszar ochadza si byskawicznie na skutek bardzo duych rónic
temperaturowych pomidzy stref nagrzan, a pozosta czci materiau.
Spawanie elektronowe przeprowadza si przede wszystkim w warunkach wysokiej próni,
aby umoliwi swobodny ruch elektronów i w peni wykorzysta ich energi, osigajc
maksymaln gboko spawu przy moliwoci znacznego (nawet do 150 cm) oddalenia wyrzutni
od materiau. Jednoczenie zastosowanie tego typu warunków gwarantuje uzyskanie cakowicie
wolnej zanieczyszcze spoiny. Na skutek redukcji czsteczek tlenków znajdujcych si w
obrabianym metalu, w procesie spawania w komorze próniowej zachodzi pasywacja spoiny,
uniemoliwiajca jej dalsze utlenianie.
Wysoka prónia wymaga wyposaenia w odpowiednio szczeln i wytrzyma komor
spawalnicz, zaopatrzon w pompy do odprowadzania powietrza. Nowoczesne komory spawalnicze
osigaj rozmiary od 0,5 do 60 m 3 i oferuj rónorodne systemy pomp pozwalajce na uzyskanie
próni w krótkim czasie, jednoczenie posiadajc systemy CNC pozwalajce na precyzyjne
wyliczanie i kontrol parametrów procesu. Odpowiednie zaprojektowanie i sterowanie tego typu
procesem spawalniczym moe umoliwi nie tylko osignicie maksymalnej jakoci spawu, ale te
zminimalizowa koszty produkcji ze wzgldu na du wydajno tej technologii, dobr szybko
spawania, wyeliminowanie orodków chodzcych.
Próbujc rozszerzy zakres zastosowania metody spawania elektronowego, zaprojektowane zostao
spawanie w warunkach czciowej próni lub spawanie bezpróniowo (w atmosferze gazowej).
Obydwie metody staj wobec problemu rozpraszania si pracy wizki podczas przebywania przez
ni zadanej drogi w atmosferze gazowej, co w rezultacie skutkuje zmniejszeniem maksymalnej
odlegoci wyrzutni i znacznym zredukowaniem dopuszczalnej gruboci detalu (do 4-5 cm).
Spawanie w atmosferze gazowej lub w próni czciowej moe zatem by zastosowane do czenia
czci o dowolnych rozmiarach, ze wzgldu na wyeliminowanie czynnika komory spawalnicze, ale
niezbyt duej gruboci.
Zalety spawania wizk elektronów pozwalaj na szeroki zakres jej zastosowania pod
wzgldem doboru spawanych materiaów. Metoda umoliwia czenie materiaów o wysokiej
temperaturze topnienia, takich jak molibden czy wolfram, metali aktywnych, tak jak tytan lub
cyrkon, a take znacznie rónicych si od siebie waciwociami (kombinacje wolfram-mied, Cu-
Ni, St37-CuZn lub CuBe). W rezultacie staj si osigalne poczenia, których produkcja w sposób
konwencjonalny byaby nieopacalna, niepraktyczna lub wrcz niemoliwa.
W porównaniu do konwencjonalnych metod spawania, w których proces ograniczony jest
koniecznoci zapewnienia atwego dostpu do miejsc spawanych i du pracochonnoci
18
zautomatyzowany proces EBW pozwala te wykluczy czynnik operatora spawarki i osign w
peni powtarzalny proces efektywnego spawania przy duych szybkociach. Uzyskana spoina jest
bardzo wska, czysta, byszczca i regularna.
Porównujc metod spawania wizk elektronów do typowych metod spawania (spawanie
ukowe lub gazowe) warto zauway, e prawie wszystkie stosowane stale i stopy aroodporne po
stopieniu trac swoje wasnoci wytrzymaociowe. Zastosowanie wizki elektronów do czenia
materiaów pozwala na przeprowadzenie procesu zarówno przed obróbk ciepln elementów, jak i
po ostatecznej obróbce. Analizy materiaowe pozwalaj stwierdzi, e uzyskane spoiny posiadaj
wasnoci porównywalne do otaczajcego je materiau.
Waciwoci wizki elektronów jako metody spawania wykorzystuje si zarówno w
przemyle elektronicznym i precyzyjnym, jak i lotniczym, samochodowym, energetycznym oraz
wszdzie tam, gdzie zachodzi konieczno wytworzenia mocnych spoin w materiaach o
skomplikowanych ksztatach. W elektronice jest to jedyna technologia, która pozwala na uzyskanie
podanej wytrzymaoci statycznej i dynamicznej pocze niklowych z elektrod aluminiow w
elementach póprzewodnikowych. Spawanie elementów cienkociennych wykorzystuje si podczas
wytwarzania konstrukcji przekadkowych ze stali austenitycznej lub tulejek molibdenowych.
Technologia znajduje te szerokie zastosowanie w spawaniu elementów cienkociennych z
czciami o znacznej gruboci, tworzc spoiny speniajce wysokie wymagania w zakresie
wytrzymaoci.
Z duym powodzeniem spawanie wizk elektronów stosuje si równie w zakresie
regeneracji, modernizacji i naprawy braków w skomplikowanych czciach maszyn, poprzez
dokonywanie spawania pkni zmczeniowych w miejscach trudno dostpnych lub wspawywanie
elementów usztywniajcych, a niekiedy nawet usuwanie zamanych czci narzdzi z gbokich
otworów poprzez punktowe stopienia i odparowania metalu.
Zalety i wady metody
kosztów produkcji. Metoda EBW jest najbardziej precyzyjn z dostpnych metod spawalniczych,
ale stosowanie jej zazwyczaj wymaga poniesienia wysokich nakadów finansowych. W zwizku z
tym jest wykorzystywana do wskiego zakresu materiaów i rodzajów zczy, a na rynku
europejskim wci pozostaje rzadkoci.
W czci teoretycznej niniejszej pracy zostanie omówione zcze spawane stali nierdzewnej
wytworzone przy pomocy wizki elektronów.
2.2.10. Spawanie laserowe (LBW – laser beam welding)
19
LBW to rodzaj metody spawania polegajcego na stapianiu obszaru styku wizk promieni
laserowych. Spawanie takie prowadzone jest w osonie gazu obojtnego i zapewnia du
wytrzymao spoin.
Spawanie laserowe wykorzystuje wizk o duej gstoci energii (okoo 1 MW/cm²).
Efektem LBW jest maa szeroko strefy wpywu ciepa i niskie oddziaywania temperatury na
konstrukcj, szybkie odprowadzanie ciepa i stygnicie spoiny. Moliwa do uzyskania szeroko
uzyskiwanych spoin to 0.2mm do 13mm, praktycznie wykorzystywane s gównie spoiny o maych
szerokoci. Gboko penetracji materiau przez wizk laserow jest proporcjonalna do energii
zasilania, ale zaley równie od lokalizacji punktu skupienia wizki. Maksymalizacje przenikania
wizki uzyskuje si, gdy punkt skupienia znajduje si nieco poniej powierzchni czonych
materiaów.
niskostopowych (HSLA), stali wglowych, aluminium i tytanu.
Zalety i wady metody
Niewtpliwymi zaletami metody LBW jest wysoka gsto mocy, mae odksztacenia
spawalnicze, wska spoina, wska strefa wpywu ciepa w materiale. Jednoczenie zastosowanie
LBW pozwala na osignicie wysokiej prdkoci i czystoci procesu, nie wymaga spoiwa i pozwala
spawa materiay trudno spawalne w sposób efektywny. Jest równie atwe do zautomatyzowania.
3. Przepyw ciepa w procesie spawania
3.1. Wprowadzenie
Przepyw ciepa moe w sposób wymierny wpywa na przemiany fazowe zachodzce w
trakcie spawania, a wic równie na osignit w rezultacie mikrostruktur i waciwoci zcza
spawanego. Jest równie odpowiedzialny za naprenia wewntrzne w spawie oraz znieksztacenia.
Przebieg zjawisk cieplnych jest bardzo zoony i uzaleniony od wielu zmiennych parametrów, z
których najwaniejszymi s; posta róda ciepa, jego moc i gsto mocy, czas dziaania, sposób
przemieszczania si oraz ksztat, wielko i wasnoci fizyczne spawanego metalu. Moe odbywa
si trójwymiarowo (X,Y,Z), dwuwymiarowo (X,Y) albo jednowymiarowo (X).
O przepywie ciepa decyduje temperatura, moc i gsto mocy róda ciepa.
Uksztatowanie si pola temperatury jest uzalenione od tego, czy ródo ciepa jest chwilowe, czy
cige oraz czy jest nieruchome (zgrzewanie punktowe i elektronitowanie), czy te ruchome
(przesuwa si z okrelon prdkoci wzgldem nagrzewanego przedmiotu). Wreszcie na
uksztatowanie si pola temperatury wpywaj wasnoci fizyczne metalu oraz ksztat
nagrzewanego przedmiotu. Najwaniejsz rol odgrywa tu przewodzenie ciepa, w dalszej
kolejnoci ciepo waciwe i pojemno cieplna.
Ciepo doprowadzane do ciaa w dowolnym punkcie rozprzestrzenia si, a do momentu
cakowitego wyrównania temperatury w kadym punkcie tego ciaa. Zalenie od iloci
doprowadzonego ciepa oraz wielkoci i ksztatu ciaa (ciao masywne lub cienka pyta) mog
zaistnie dwa przypadki:
20
1. jeeli ciao ma znaczn mas, ma równie znaczn pojemno ciepln i jeeli adunek
cieplny jest stosunkowo may, to mona przyj, e cae ciepo rozprzestrzenia si w masie
ciaa na zasadzie przewodzenia;
2. jeeli ciao jest paskie (cienka pyta), czyli ma stosunkowo niedu pojemno ciepln, i
jeeli adunek cieplny jest stosunkowo duy wówczas cz ciepa rozprzestrzenia si w
masie ciaa na zasadzie przewodzenia, a cz ciepa przez paszczyzn graniczn ciaa
przenika do otaczajcej atmosfery.
Rozprzestrzenianie si ciepa w jednorodnej masie ciaa odbywa si od róda we
wszystkich kierunkach z jednakow szybkoci. Pod wpywem fali ciepa rozprzestrzeniajcej si w
masie metalu, metal zostanie nagrzany w kadym punkcie do pewnej maksymalnej temperatury, po
czym nastpuje proces odwrotny - stygnicie. Zmiany temperatury w funkcji czasu w kadym z
punktów ciaa, znajdujcych si w zasigu pola i temperatury, nazywa si cyklem cieplnym.
Cechami charakterystycznymi cyklu cieplnego s: szybko nagrzewania i szybko chodzenia,
maksymalna temperatura, jak dany punkt osiga, oraz czas, w którym okrelony punkt ciaa
przebywa powyej pewnej zadanej temperatury. Wszystkie te wielkoci decyduj o strukturalnej
budowie metalu oraz. maj bezporedni wpyw na powstawanie w nim wad, np. pkni. Dlatego
te istotn spraw dla spawalnika jest poznanie moliwoci regulacji cyklu cieplnego i
dokonywanie zmian poszczególnych jego wartoci wg potrzeby.
Stosunek ciepa zuytego na stopienie metalu podstawowego do iloci ciepa
doprowadzanego do materiau podstawowego wyraa wspóczynnik cieplny topienia ηt. Jest on
zaleny od intensywnoci doprowadzenia ciepa do masy metalu, co jest zwizane z prdkoci
spawania, wasnociami fizycznymi i wielkoci masy metalu podstawowego oraz energi liniow
uku elektrycznego. Mona wykaza. na drodze teoretycznych oblicze. e przy nagrzewaniu ciau
masywnego' punktowym ródem ciepa przesuwajcym si po jego powierzchni, wspóczynnik
cieplny topienia ηt == 0,368, a przy nagrzewaniu cienkiej pyty liniowym ródem ciepa ηt =0,484.
Sumaryczna ilo ciepa zuytego na stopienie materiau podstawowego - S stanowicego spoin i
nagrzanie w tym czasie strefy do niej przylegej jest zalena od energii liniowej róda ciepa,
gstoci mocy, prdkoci spawania oraz od masy nagrzewanego przedmiotu i wasnoci fizycznych
metalu. Dlatego te np. do spawania blachy tej samej gruboci ukiem elektrycznym ilo zuytej
energii elektrycznej jest znacznie wiksza anieli w przypadku spawania wizk elektronów.
Rysunek 4: Rozkad temperatury t zuycie energii cieplnej na stopienie materiau
podstawowego S stanowicego spoin i nagrzanie w tym czasie strefy do niej przylegej w
21
przypadku spawania: a) elektronowego. b) rcznego ukiem krytym, c) elektroulowego; T -
rozkad temperatury w momencie przetopienia materiau podstawowego o przekroju S, Q -
ilo ciepa zuyta na stopienie materiau podstawowego i nagrzanie w tym czasie strefy do
niej przylegej [Kou Sindo - Welding Metallurgy]
3.2. róda ciepa
Na ogó procesy spawalnicze prowadzone s przy uyciu skupionych róde ciepa
powodujcych miejscowe nagrzewanie do temperatury uzalenionej od waciwoci materiau
rodzimego. Temperatura ta przypadku spawania klasycznego zawsze przekracza temperatur
topnienia metalu, natomiast w wikszoci wypadków zgrzewania powinna by na tyle wysoka, aby
umoliwi w miejscu czenia atwy przebieg odksztace plastycznych oraz procesów
dyfuzyjnych.
oddziaywanie niekorzystne, dlatego te naley dy do tego, eby nieodzowna ilo ciepa zostaa
wprowadzona w sposób najbardziej zlokalizowany. Uzyskuje si wówczas stopienie lub nagrzanie
metalu do wymaganej temperatury jedynie w minimalnie koniecznej objtoci. Unika si przez to
nadmiernych strat ciepa, a skutki niezamierzone oddziaywania cieplnego sprowadza si do
minimum.
W dalszej czci pracy zostan omówione najczciej spotykane róda ciepa w
spawalnictwie.
3.2.1. Pomie gazowy
To stosunkowo elastyczne i uniwersalne ródo ciepa, które jest atwe do regulowania w
do szerokim zakresie mocy. Jest stosowany do nie tylko do spawania, ale te do napawania,
cicia, zgrzewania, lutowania, metalizacji i innych zabiegów. Wglowodorem przeznaczonym do
spawania jest prawie wycznie acetylen. Gazy spawalnicze spalane s w zasadzie lub niekiedy w
atmosferze powietrza. Ciepo przenika do przedmiotu gównie przez konwekcj, przez
promieniowanie przenika jedynie do 15%. Ilo tlenu potrzebn do spalenia cakowitego jednostki
objtociowej gazu, mona wyliczy z równa chemicznych spalania i dla acetylenu wynosi 2,5.
Temperatura pomienia gazowo-tlenowego jest wiksza ni gazowo-powietrznego o nawet
1000°C, poniewa obecny w pomieniu azot pochania ciepo do ogrzewania nie biorc udziau w
reakcji spalania. Im wiksza jest temperatura topnienia, grubo i przewodno cieplna metalu, tym
wiksze iloci gazów musi doprowadzi palnik do strefy spawania. Naley pamita, e przy
spalaniu si gazu o maej szybkoci spalania (inne ni acetylen), zwikszenie szybkoci wypywu
gazu ponad okrelone granice powoduje zdmuchnicie pomienia. Szybko wypywu gazu palnego
nie moe by równie zbyt maa, aby nie nastpio cofnicie pomienia do palnika.
Najczciej do spawania metali stosowany jest pomie acetylenowo-tlenowy, który oprócz
najwyszej temperatury i najwikszej szybkoci spalania, ma szereg zalet, takich jak np. spalanie
22
jednostk acetylenu oraz atw regulacj charakteru pomienia.
Pomie wodorowo-tlenowy jest mao stosowany do spawania metali, jakkolwiek moe by
stosowany do spawania np. oowiu i aluminium. W wyniku spalania si wodoru w tlenie wytwarza
si para wodna i wydziela si ciepo na l mol wodoru 242.8 kJ, uwzgldniajc ciepo na parowanie
wody lub 284,7 kJ, jeeli produktem spalania jest woda. Jeeli spalanie wodoru jest cakowite, to
maksymalna temperatura pomienia moe osign 2870 o C. Przy takim spalaniu nie tworzy si
jednak strefa redukujca w pomieniu, zawierajca wodór i z tych wzgldów pomie taki jest mao
przydatny w spawalnictwie. Jeeli do spalania wodoru doprowadzi si tylko poow iloci tlenu,
wynikajc z równania stechiometrycznego spalania, to wówczas wydzieli si tylko 121,4 kJ na l
mol wodoru. Temperatura takiego pomienia wynosi wtedy ok. 2500 o C, czyli jest o ok. 300°C
nisza od temperatury promienia przy spalaniu cakowitym i ok. 600°C nisza od temperatury
pomienia acetylenowego. Mimo wic, e pomie zawiera wtedy znaczne iloci wodoru, przez co
ma charakter bardziej redukujcy, to niska temperatura pomienia i zwizana z tym maa prdko
spawania uniemoliwiaj zastosowanie takiego pomienia do spawania stali.
3.2.2. uk elektryczny
uk elektryczny jest wyadowaniem elektrycznym w gazach. Zajarzanie uku przy spawaniu
elektrycznym polega na potarciu lub uderzeniu kocem elektrody o spawany przedmiot i szybkim
jej uniesieniu na odpowiedni wysoko. W chwili styku, na skutek oporu elektrycznego, elektroda
nagrzewa si. Pod wpywem temperatury i silnego pola elektrycznego zachodzi zjawisko
termoemisji elektronów z powierzchni elektrody. Elektrony te zderzaj si z atomami gazu w
silnym polu elektrycznym midzy elektrod a przedmiotem powodujc jonizacj gazu, która
przeksztaca si w jonizacj lawinow, niezbdn do jarzenia uku elektrycznego. uk elektryczny
jest stosowany w wikszoci procesów spawania, poniewa stanowi bardzo skoncentrowane ródo
ciepa o bardzo wysokiej temperaturze, dochodzcej w osi luku do 30000 o C, zwaszcza w ukach
plazmowych.
elastyczno oraz ugicie w polu elektromagnetycznym.
Charakterystyka statyczna uku jest to zaleno midzy nateniem prdu a napiciem
jarzenia uku, przy staej jego dugoci, Napicie jarzenia jest sum napi: anodowego,
katodowego oraz napicia w supie uku. Elastyczno uku jest to zdolno do jarzenia si bez
wzgldu na pewne zmiany jego dugoci. Jako kryterium elastycznoci lkr przyjmuje si
maksymaln dugo, przy której nie nastpuje zanik uku. Spawalniczy uk zasilany prdem staym
mu du stabilno i elastyczno w przeciwiestwie do luku prdu przemiennego, który ganie i
zajarza si z czstotliwoci prdu zasilajcego. Elastyczno uku zaley od: rodzaju prdu,
napicia biegu jaowego róda, natenia prdu spawania, gruboci otuliny i zawartoci w niej
skadników jonizujcych.
Ugicie uku polega na odchyleniu supa uku od osi elektrody, spowodowanym
23
oddziaywaniem si pola magnetycznego. Pole to powstaje w wyniku przepywu prdu przez obwód
spawania. Ugicie uku nie wystpuje w przypadku, gdy miejsce doprowadzenia prdu do
przedmiotu spawanego pokrywa si z osi elektrody oraz przy spawaniu prdem zmiennym (ugicie
jest wówczas praktycznie pomijalne). Zbyt due ugicie luku moe spowodowa nierównomierne
przetopienie spoiny, nierówne lico itp. wady, dlatego naley dy do wyeliminowania tego
zjawiska.
3.2.3. róda ciepa o duej gstoci energii
Do róde ciepa o bardzo duej gstoci energii zaliczamy uk plazmowy, wizk
elektronów i wizk lasera. Strumieniami tymi mona spawa jednym przejciem nieukosowane
blachy i przedmioty o gruboci od kilku mikrometrów do ponad 300 mm. Róni si one od
konwencjonalnych strumieni cieplnych w spawaniu tym, e ich gsto wynosi powyej 10 9 W/m
2 .
drenie w ciekym jeziorku otworu (keyhole), zwykle przez ca gboko jeziorka i
spawanych przedmiotów,
bardzo wskie spoiny przez ca grubo spawanych przedmiotów,
niska warto wspóczynnika ksztatu (stosunek szerokoci do gbokoci spoiny)
wynoszca od 0,02 do 1 (ronie w miar zmniejszania si gruboci blach),
bardzo mae odksztacenia zcza,
moliwo spawania nieukosowanych przedmiotów,
bardzo dua szybko spawania.
W/m2. Jeli gsto jest
mniejsza ni 10 6 W/m2, proces topienia podczas spawania prawie nie wystpuje, natomiast w
czasie spawania strumieniami o gstoci powyej 10 13
W/m2, proces parowania jeziorka jest zbyt
intensywny, aby mona byo uzyska dobr jako spoiny (nastpuje proces usuwania metalu, czyli
cicie). Jeli moc strumieni cieplnych oscyluje poniej tej wartoci, pojawia si cinienie wizki i
parowanie metalu odpowiednie do wytworzenia oczka (kanau parowego). Przyjmuje si, e w
wyniku parowania w jeziorku spawalniczym tworzy si oczko, a ciepo przewodzenia wizki topi
ciany metalu wokó powstaego otworu. Jednoczenie cinienie tej wizki chroni oczko przed
zalaniem go roztopionym metalem jeziorka.
3.3. Procesy cieplne spawania
Skoncentrowane róda ciepa o znacznej mocy nie tylko wykazuj oddziaywanie
korzystne, stapiajc lub uplastyczniajc brzegi czonych elementów, ale te powoduj skutki
ujemne, bdce wynikiem nierównomiernego rozkadu temperatur w czasie cyklu spawania.
Nierównomierno ta pociga za sob efekty wtórne w postaci zmian strukturalnych w obszarze
24
konstrukcji. Dlatego te umiejtno przewidywania rozkadu temperatur w spawanym elemencie
staje si kwesti podstawow.
Pole temperatur, okrelone za pomoc izoterm, zaley od ksztatu oraz wymiarów
spawanych czci i ma charakter przestrzenny w grubych elementach, paski w blachach i cienkich
pytach, a liniowy w prtach i elektrodach. Mona je opisywa za pomoc równa
uwzgldniajcych wspóczynniki przewodzenia ciepa materiau, gsto, temperatur, czas i wiele
innych czynników. Dowiadczalnie okrelane pola temperatur w prostych zczach spawanych
wykazuj na ogó zgodno z obliczeniami teoretycznymi wykonanymi na podstawie wzorów, co
potwierdza moliwo praktycznego wykorzystania tych oblicze do wyznaczania pól temperatur.
Pod wpywem fali ciepa przekazywanej materiaowi spawanemu przez ruchome ródo ciepa
materia w kadym punkcie ogrzewany jest do okrelonej temperatury maksymalnej i nastpnie
chodzony. Wywouje to okrelone zmiany strukturalne, w wyniku których makroskopowo zcze
spawane mona podzieli na trzy wyrane obszary: spoin, stref wpywu ciepa (SWC lub HAZ –
heat affected zone) oraz materia rodzimy.
4. Reakcje chemiczne w procesie spawania
4.1. Reakcje gaz-metal
Podczas spawania w spawanym materiale mog rozpuszcza si azot, tlen i wodór, które
mog mie wpyw na stabilno otrzymanej spoiny. Gazy te zazwyczaj pochodz z powietrza, z
materiaów eksploatacyjnych takich jak gaz osonowy czy topnik i lub samego detalu z powodu
jego zanieczyszczenia. Naley pamita, e stopione metale reaguj prawie z kadym gazem z
wyjtkiem gazów szlachetnych oraz obojtnych. Dlatego wanie argon i hel s uywane do
ochrony przed atmosfer w spawaniu MIG.
Pierwsz, a niekiedy najwaniejsz zmian metalurgiczn, która zachodzi w nastpstwie
wytworzenia si jeziorka spawalniczego, jest adsorpcja gazu z atmosfery uku lub pomienia i
nastpujca póniej reakcja gazu z ciekym metalem i gazami w niej zawartymi.
Wzajemne oddziaywanie gazu i metalu moe przebiega dwojako:
1. reakcji egzotermicznej wytwarzajcej trway zwizek chemiczny
2. rozpuszczania fizycznego (endotermicznego)
W wyniku reakcji pierwszego typu moe pojawi si krucho wykonanego zcza (tzw.
skaenie jeziorka spawalniczego) albo tworzenie si ula lub zgorzeliny powierzchniowej, co
moe by fizyczn przeszkod w procesie spawania, szczególnie w przypadku reakcji, w których
zwizek tworzy bdzie trwa bonk na powierzchni jeziorka spawalniczego. Naley zatem
zapobiega dostpowi gazu do cieczy albo dodawa topnik, który rozpuci lub rozproszy produkty
reakcji.
wywoywa porowato w wyniku przesycenia jeziorka gazem lub w nastpstwie reakcji midzy
dwoma gazami. W niektórych przypadkach moe ono wywoa równie krucho strefy wpywu
ciepa. Mechanizm rozpuszczania endotermicznego ma szczególne znaczenie przy spawaniu.
25
4.1.1. Pcherze gazowe
Rozpuszczone w ciekym metalu gazy w wielu przypadkach intensywnie reaguj z
poszczególnymi skadnikami znajdujcymi si w cieczy, tworzc wtrcenia niemetaliczne. Jeeli
obniy si temperatura metalu, cz rozpuszczonych gazów wydziela si jednak z roztworu i moe
by uwiziona w metalu podczas jego krzepnicia. Rozpuszczone tlenki czsto reaguj z wglem
tworzc nierozpuszczalne zarówno w ciekym metalu, jak i w zastygnitym metalu pcherze.
Porowatoci wewntrz spoiny nie tylko ujemnie wpywaj na jej wytrzymao, ale równie
szczelno, poniewa niekiedy nawet pojedyncze pcherze kanalikowe zarodkujce w rejonie grani
i rosnce do powierzchnia lica spoiny mog zaway na trwaoci spoiny.
Do czynników wpywajcych na powstawanie pcherzy gazowych naley zaliczy
reakcje metalurgiczne, które s zwizane z tworzeniem si produktów reakcji w postaci
gazowej
du zawarto siarki w stopiwie
du szybko krzepnicia spoiny
stosowa dobrze wysuszone elektrody otulone i topniki
dobra waciwe parametry spawania
zmniejszy szybko krzepnicia.
atmosfer (powietrzem). Niekiedy jednak azot jest dodawany celowo do obojtnego gazu
ochronnego jako stabilizator austenitu dla stali nierdzewnych austenitycznych i stali typu duplex.
Zwikszenie jego zawartoci w spawie zmniejsza obecno ferrytu i redukuje ryzyko pkania przy
krzepniciu.
Zawarto azotu w metalu spawanym moe znaczco wpyn na jego wasnoci
mechaniczne. Azotki elaza (Fe4N) w sieci ferrytu przybieraj iglasty ksztat, który staje si
idealnym zacztkiem pkni. Badania wykazuj, e wraz ze zmniejszeniem iloci azotu, ronie
udarno stali.
Jeeli w czasie chodzenia po spawaniu azotki nie zd si wydzieli, to spoina jest
przesycona azotem, który z biegiem czasu gromadzi si wokó defektów strukturalnych, powodujc
istotn zmian waciwoci mechanicznych. Towarzyszy temu wzrost twardoci, spadek
plastycznoci i udarnoci spoiny w miar jej eksploatacji, co skada si na tzw. zjawisko starzenia,
które wystpuje szczególnie intensywnie, kiedy zawarto azotu przekracza 0,04-0,05%.
26
Aby zapobiega obecnoci azotu, czsto dodaje si do drutu spawalniczego zwizki wice
azot, takie jak tytan, aluminium lub krzem.
Rysunek 5: Obecno Fe4N w sieci ferrytu [Kou Sindo - Welding Metallurgy]
4.1.3. Tlen
Najintensywniejsze utlenianie zachodzi podczas spawania goym drutem lub elektrodami
cienko otulonymi, gdy tlen z otaczajcego powietrza ma dostateczny dostp do jeziorka metalu.
Podczas spawania ukiem krytym, elektrodami otulonymi lub w atmosferze gazów ochronnych
moliwoci utleniania s znacznie ograniczone, co nie znaczy, e ten proces nie zachodzi. ródem
tlenu reagujcego z pynnym metalem spoiny moe by otaczajce powietrze (niedostateczne
zabezpieczenie jeziorka), reakcje rozkadu niektórych zwizków chemicznych wchodzcych w
skad otuliny i topników, tlenki znajdujce si na powierzchni spawanego metalu lub tlenki
znajdujce si w chemicznie aktywnym pynnym ulu, które mog przechodzi do stopiwa.
Tlen utlenia wgiel i inne elementy stopowe znajdujce si w ciekym metalu, zmieniajc
ich przewidzian rol, zmniejszajc twardo i tworzc wydzielenia. Naley jednak pamita, e
niewielkie iloci drobnych tlenków mog funkcjonowa jako miejsca zarodkowania dla ferrytu
drobnopytkowego, a przez to mog polepsza cigliwo spoiny. Zawarto tlenu moe te
wpywa na natenie prdu spawania, poniewa zwiksza si liczba drobnych kropel
przenoszonych z elektrody do jeziorka, a tym samym i powierzchnia styku metalu z tlenem
zawartym w powietrzu.
dobór skadu chemicznego otuliny i topników wprowadzajcych odtleniacze.
4.1.4. Wodór
z wilgoci
ze smaru na powierzchni spawanego materiau lub elektrody
z ochraniajcego gazu.
27
Jego gównym ródem jest jednak wilgo i para wodna, które reagujc z ciekymi metalami,
utleniaj je i nasycaj wodorem.
Zawarto wodoru okrela si przewanie w spoinach (stopiwach) stalowych. Jego obecno w stali
wywouje porowato wodorow, krucho wodorow i powstawanie pkni zimnych
wodorowych.
suszy elektrody, topnik oraz krawdzie czone przed spawaniem, co eliminuje ródo
wodoru
oczyci drut do spawania i powierzchni ze smaru
stosowa wieloskadnikowe osony gazowe, których skadniki wi wodór
unieszkodliwi wodór znajdujcy si w uku elektrycznym poprzez zwizanie go w trway
zwizek chemiczny.
Topniki i otuliny zasadowe s bardzo wraliwe na wilgo i dlatego przed uyciem ich do
spawania naley je suszy. Po waciwym osuszeniu nawet wystawienie elektrod na dziaanie
powietrza o wilgotnoci 80% przez 24 godziny nie wpywa znacznie na wzrost zawartoci wodoru
w metalu spoiny.
4.2. Reakcje uel-metal
topnikiem, spawaniu ulowym, spawaniu w atmosferze dwutlenku wgla i mieszanek gazowych
utleniajcych, spawaniu w powietrzu drutami proszkowymi (rdzeniowymi) oraz spoiwami
metalowymi zawierajcymi stopowe skadniki ulotwórcze, a take przy acetylenowym spawaniu
gazowym z uyciem topników, proszków i past. Powstajce ule mog by kwane, zasadowe i
obojtne, mniej lub bardziej aktywne w zalenoci od rodzaju spawanej stali.
ule jako lejsze od metalu pokrywaj roztopiony metal, chronic go przed dziaaniem otaczajcej
atmosfery i jednoczenie mog wchodzi z nim w róne reakcje.
ule spawalnicze speniaj wic nastpujce funkcje:
chroni metal przed nasyceniem gazami - gównie tlenem i wodorem
zmniejszaj szybko krzepnicia metalu i uatwiaj przez to wydzielenie si gazów i
wtrce niemetalicznych z ciekego metalu
reaguj z ciekym metalem i w wyniku tego zmniejszaj lub zwikszaj stenie skadników
w metalu (np. C, S, P, Si, Mn)
dziaaj rafinujco oraz uatwiaj spawanie i ukadanie spoin.
Oprócz tlenków w skad ula wchodz sole obojtne – CaF2, Na3AlF4, KF, NaF, LiF, NaCl itp.
28
5.1. Przepyw cieczy w ukach
Jak wspomniano wczeniej, przy spawaniu ukowym elektrod moe by materia topliwy
lub nietopliwy. Przy spawaniu elektrod nietopliw nie nastpuje przenoszenie metalu w uku.
Topienie si dodatkowego metalu jest rezultatem zanurzania drutu do jeziorka spawalniczego. Przy
spawaniu elektrodami otulonymi przenoszenie metalu w uku moe by, w zalenoci od rodzaju
otuliny grubo-kroplowe, drobno-kroplowe lub natryskowe. Krople rónej wielkoci przemieszczaj
si w uku, a rodzaj otuliny decyduje o sposobie topienia si.
Siy elektromagnetyczne s gówn przyczyn powodujc przenoszenie metalu w uku. Sia
Lorentza, wywodzca si z zaciskajcego dziaania na slup uku pola magnetycznego, jest
skierowana zawsze w kierunku spawanego materiau i niezalenie od kierunku przepywu prdu, co
jest zwizane z geometri ksztatu uku i topicych si kropel. Sia ta jest proporcjonalna do
natenia prdu w uku i dlatego ze wzrostem natenia prdu prdko przepywu materii w uku
wyranie wzrasta i moe wynosi do 10 5 cm/s. Jednokierunkowe przemieszczanie si materii od
elektrody punktowej do elektrody powierzchniowej (niezalenie od biegunowoci i pozycji
spawania) odbywa si równie na skutek wyszej temperatury i cinie oraz wrzenia metalu przy
elektrodzie punktowej. Rónica cinie przy elektrodzie i materiale rodzimym sprzyja rozchylaniu
si uku stokowo w kierunku elektrody powierzchniowej.
Plazma ma równie wpyw na przenoszenie metalu w luku, przyspieszajc odrywanie i
przenoszenie si kropli przez tarcie oraz poprzez rónic temperatur i cinie.
5.2. Przepyw cieczy w jeziorkach spawalniczych
Cieky metal znajdujcy si w jeziorku spawalniczym jest intensywnie mieszany w wyniku
dziaania:
strumienia uku plazmowego
Sia wyporu (rys. 6 a,b). Gsto pynnego metalu ρ obnia si wraz ze wzrostem
temperatury T. Poniewa ródo ciepa znajduje si powyej rodka powierzchni jeziorka
spawalniczego, temperatura w punkcie znajdujcym si w centralnej czci jeziorka jest wysza ni
w punktach znajdujcych si przy jego granicach. Grawitacja powoduje przepyw metalu w gb
jeziorka. W rezultacie metal opada w dó wzdu powierzchni wtopienia, a wypywa wzdu osi
symetrii jeziorka.
Sia Lorentza (rys. 6 c,d). Dziaanie siy Lorentza mona przeanalizowa na przykadzie
spawania metod GTAW prdem staym z biegunowoci ujemn. uk elektryczny jarzcy si
pomidzy kocem elektrody nietopliwej a rodkiem jeziorka wytwarza pole magnetyczne
powodujce dziaanie siy Lorentza. Sia ta przemieszcza cieky metal w gb jeziorka wzdu osi
symetrii. Metal transportowany jest w dó wzdu osi jeziorka, a wypywa w gór przy powierzchni
wtopienia. Drugim bardzo wanym efektem dziaania siy Lorentza jest jej wpyw na gboko
29
jeziorka. Pod jej wpywem ciepo jest przenoszone od róda do dou jeziorka, co powoduje jego
pogbienie.
Ruchy wywoane rónic napi powierzchniowych (rys. 6 e,f). Napicie
powierzchniowe ciekego metalu maleje wraz ze wzrostem temperatury. Jak wida na zaczonym
rysunku, cieky metal o wyszej temperaturze (niszym napiciu powierzchniowym) z punktu A jest
przemieszczany od rodka jeziorka w kierunku punktu B o niszej temperaturze (wyszym napiciu
powierzchniowym). Jest to spowodowane rónic napi powierzchniowych. Przepyw cieczy
odbywa si wic od rodka na zewntrz po powierzchni jeziorka, a nastpnie do rodka pod
powierzchni. Ten rodzaj konwekcji nazywany jest take ruchem termo kapilarnym lub konwekcj
Marangoniego.
Ruchy wywoane strumieniem plazmy (rys. 6 g,h). Ruch plazmy z bardzo du
prdkoci wzdu powierzchni jeziorka w wyniku tarcia wywouje ruchy cieczy na jego
powierzchni. Ciecz porusza si tak samo jak pod wpywem rónicy napi powierzchniowych.
Dodatkow si dziaajc na powierzchni jeziorka jest cinienie uku, jednake jego warto
podczas spawania metod GTAW prdem 200A jest znikoma i moe by pominita w
rozwaaniach.
Rysunek 6: Siy wywoujce konwekcj w ciekym jeziorku spawalniczym: a), b) – sia
wyporu, c), d) – sia Lorentza, e), f) – sia wywoana rónic napi powierzchniowych, g), h) –
sia tarcia strumienia plazmy [Kou Sindo - Welding Metallurgy]
30
Podczas spawania intensywne nagrzewanie powoduje odparowywanie metalu zarówno z
przelatujcych kropli, jak i z powierzchni jeziorka spawalniczego. Intensywno parowania jest
cile zwizana z rodzajem i zawartoci skadników stopowych. Cynk, magnez i lit w kadej
temperaturze paruj szybciej ni aluminium, a mangan szybciej ni elazo. Fakt ten wyjania
zmniejszenie zawartoci skadników stopowych w spoinach ze stopów aluminium i utrat manganu
podczas spawania stali austenitycznych.
6. Krystalizacja zczy spawanych
6.1. Podstawy procesu krystalizacji
Procesy krzepnicia ciekego metalu polegaj na wzrocie krysztaów w rezultacie
przyczenia do ich powierzchni atomów z otaczajcej cieczy. Jeli dwie fazy, w szczególnoci
cieka i staa, znajduj si w stanie równowagi temperaturowej, to ich energie swobodne s w tej
temperaturze równe. Przy obnianiu temperatury poniej równowagowej, mog tworzy si zarodki
fazy staej, które staj si centrami krystalizacji. Aby jednak zarodek by trway, a proces
krystalizacji przebiega nieprzerwanie, konieczne jest, aby energia swobodna zarodka bya mniejsza
ni fazy wyjciowej. Moliwe jest to dopiero wówczas, kiedy zarodek osignie okrelon wielo,
nazywan krytyczn. W zalenoci od formy zarodkowania (homogeniczna lub heterogeniczna)
wyliczy mona wielko krytyczn niezbdn do jego trwaego zaistnienia. W przypadku
zarodkowania homogenicznego, zarodkami krystalizacji s grupy atomów fazy ciekej, stanowice
zespoy bliskiego uporzdkowania. Musz one osign wielko krytyczn, co na ogó wymaga
duych przechodze. W ciekych metalach na ogó wystpuj zbyt mae przechodzenia (ok. 1°C),
aby moliwe byo zarodkowanie homogeniczne. Jedynie metal rozdrobniony na bardzo mae krople
mona silnie przechodzi nawet o 300°C, dziki czemu w pojedynczych kroplach wystpuj
warunki umoliwiajce zarodkowanie homogeniczne. W czystych metalach zarodki i ciecz maj
jednakowy skad chemiczny, natomiast w stopach zagadnienie staje si bardziej zoone, poniewa
z warunków równowagi w danej temperaturze wynika, e zarodki i roztwór cieky róni si
znacznie skadem. W przypadku zarodkowania heterogenicznego, powstawanie zarodków nastpuje
na powierzchniach fazy staej stykajcej si z ciecz. Zarodkowanie nastpuje na powierzchniach
cian naczynia, na drobnych czstkach staych zawieszonych w cieczy, jak wtrcenia niemetaliczne,
nierozpuszczone zanieczyszczenia itp. Zarodkowanie moe nastpowa równie na warstewce
staych tlenków znajdujcej si na powierzchni ciekego metalu. W takich warunkach krystalizacja
przebiega przy znacznie mniejszym przechodzeniu ni w przypadku zarodkowania
homogenicznego.
(ziaren) o orientacji podkadki nazywamy krystalizacj epitaksjaln.
31
Do nieprzerwanego (cigego) wzrostu fazy staej konieczne jest, aby temperatura granicy
podziau faz bya nisza od temperatury równowagi w cigu caego czasu trwania krystalizacji. Jest
to moliwe tylko przy zaoeniu okrelonego gradientu temperatur midzy faz sta a ciek. Kiedy
temperatura powierzchni rozdziau jest nisza od temperatury równowagowej, zachodzi proces
krzepnicia, a wydzielajce si ciepo zmniejsza stopie przechodzenia. Jeli ciepo krzepnicia nie
jest odprowadzane (w nastpstwie przewodnictwa cieplnego), likwiduje ono bardzo szybko
przechodzenie i proces krzepnicia si zatrzymuje.
Jeeli stworzy si takie warunki, e temperatura fazy ciekej bdzie nisza od temperatury
fazy staej (ujemny gradient temperatury), to znaczy ciepo krzepnicia bdzie odprowadzane do
fazy ciekej, ciecz bdzie znajdowa si w stanie przechodzenia cieplnego. W takiej sytuacji
równowaga paskiej powierzchni midzyfazowej bdzie niestabilna. Kade przypadkowe
znieksztacenie powierzchni rozdziau znajdzie si w obszarze cieczy o wikszym przechodzeniu i
bdzie roso ze wzrastajc prdkoci w przechodzon ciecz. Utrata stabilnoci przez paski front
krystalizacji prowadzi do tzw. wzrostu dendrytycznego, a proces krystalizacji nosi nazw
krystalizacji dendrytycznej. Charakteryzuje si ona wzrostem w okrelonych kierunkach
krystalograficznych dugich cienkich prtów, na których w regularnych odstpach wyrastaj
odgazienia boczne rosnce w odpowiednich kierunkach krystalograficznych.
6.1.2. Krzepnicie stopów
metali lub stopów eutektycznych jest staa. Natomiast metale stopowe krystalizuj w temperaturze
okrelonej lini likwidusu i solidusu. Proces krystalizacji zaczyna si po pewnym przechodzeniu
cieplnym i steniowym spoiny. Krysztay powstajce przy krzepniciu pojedynczych czystych
metali maj skad chemiczny ciekego metalu. Natomiast skad chemiczny krysztaów stopowych
tworzcych si przy danej temperaturze okrela linia solidusu, a skad chemiczny cieczy - linia
likwidusu. Przy dostatecznie wolnym stygniciu skrzepnitych spoin nastpuje wyrównanie ich
skadu chemicznego na drodze dyfuzji.
Szybko procesu krystalizacji i wielko ziarna zale od szybkoci tworzenia si
zarodków i ich rozrostu. Ze zwikszeniem szybkoci chodzenia wzrasta liczba zarodków oraz
szybko krystalizacji i zmniejszaj si wymiary ziaren. Najwiksza szybko krzepnicia
wystpuje w kierunku równolegym do odpywu ciepa. Zwykle dugie supowe krysztay
dendrytyczne narastaj falowo, prostopadle do linii stopienia materiau spawanego i dna jeziorka
spawalniczego (rys. 2). Jest to najczciej krystalizacja na powierzchniach elipsoidów i zaczyna si
na czciowo roztopionych krysztaach metalu rodzimego lub, poprzednich warstw. Ziarna rosn z
przeciwlegych stron, a do zetknicia si ze sob.
Dendryty s najczystszym metalem, natomiast w przestrzeniach midzy dendrytycznych jest
najwicej zanieczyszcze. Przestrzenie midzy dendrytyczne s wzbogacone w skadniki stopowe i
rónego rodzaju fazy niskotopliwe.
Jeziorko spawalnicze powstaje z przetopienia materiau rodzimego i stopienia spoiwa.
Zasadniczymi wymiarami jeziorka s dugo, szeroko i gboko. Najczciej okrela si
dugo jeziorka i jest ona proporcjonalna do energii liniowej róda ciepa oraz niektórych
wasnoci fizycznych metalu. Dolna powierzchnia jeziorka, od strony materiau rodzimego, jest
elipsoidalna.
W zalenoci od ksztatu ukosowania i metody spawania udzia materiau rodzimego w
spoinie moe wynosi 10÷100%., przy czym udzia materiau rodzimego jest najwikszy w
spoinach wykonanych be dodatku spoiwa.
Przy spawaniu stali o duej zawartoci wgla i zanieczyszcze (S, P, O) oraz stali i metali
zawierajcych skadniki pogarszajce wasnoci plastyczne spoin, udzia materiau rodzimego w
spoinach jest celowo ograniczany.
nastpuje topienie si metalu rodzimego na czole jeziorka spawalniczego i krystalizacja metalu
falowo odsuwanego spod uku w tylnej czci jeziorka.
Rysunek 7: Ksztat jeziorka spawalniczego i ukad krystalitów w spoinie przy spawaniu z
ma i du prdkoci [Kou Sindo - Welding Metallurgy]
6.2.2. Charakterystyka krystalizacji metalu spoiny
Szybko tworzenia si i krystalizacja jeziorka zale od energii liniowej róda ciepa i
wasnoci fizycznych metali, a w tym przede wszystkim od temperatury i ciepa topnienia oraz
przewodnoci cieplnej i ciepa waciwego metali.
Na proces krystalizacji spoin wywiera duy wpyw napicie powierzchniowe krzepncego
metalu, wielko jeziorka spawalniczego, czysto ciekego metalu, zawarto w nim gazów oraz
metalicznych i niemetalicznych czstek. Czynniki zewntrzne, np. zastosowane wstrzsy
mechaniczne, równie wpywaj na proces krystalizacji spoin. Aluminium, wap, beryl, bor,
cyrkon, tytan, wanad zwikszaj zwykle liczb zarodków i szybko krystalizacji spoin stalowych.
33
Natomiast mangan. chrom, nikiel, kobalt, molibden, krzem, wolfram, wgiel nie maj istotnego
wpywu na szybko krystalizacji i wielko ziaren spoin stalowych.
6.2.3. Wpyw parametrów spawania na struktur spoiny
Jak wiadomo, struktura spoiny w znacznym stopniu wpywa na jej wasnoci mechaniczne,
a szczególnie plastyczno. Uksztatowanie drobnych równoosiowych ziaren zapewni moe
podan wytrzymao i cigliwo w przeciwiestwie do efektu wywoanego przez obecno
kolumnowo uoonych ziaren. Równoosiowe drobne ziarna przynosz nastpujce korzyci w
spoinie:
zwikszaj cigliwo i udarno spoin
Istniej róne sposoby na osignicie struktury drobnoziarnistej. Jednym z nich jest
zwikszenie prdkoci chodzenia jeziorka spawalniczego. Moe to by osignite na drodze
zmniejszania liniowej energii spawania – im mniejsza energia liniowa, tym mniejsza objto
jeziorka spawalniczego. Przy krystalizacji maych objtoci stopu wzrost krysztaów supkowych
jest ograniczony i nie osigaj one znacznych wymiarów. Naley jednak pamita, e przy
krystalizacji maych objtoci ciekego metalu w warunkach intensywnego odprowadzania ciepa
moe nastpi podhartowanie, co znacznie pogorszy wasnoci plastyczne.
Polepszenie waciwoci lanego metalu spoiny otrzymane w rezultacie rozdrobnienia
struktury nie zawsze jest w stanie zapobiec pkniciom wywoanym przez zwikszone naprenia
rozcigajce, szczególnie kiedy spawany metal zawiera znaczne iloci domieszek sprzyjajcych
segregacji. Dlatego przy spawaniu stali wglowych, niskostopowych oraz redniostopowych
zmniejsza si szybko chodzenia, stosujc wstpne podgrzewanie, zmniejszajce wielko
napre rozcigajcych. W tych przypadkach w których rozdrobnienie struktury osiga si bez
podwyszania szybkoci chodzenia, mechaniczne waciwoci spoin i ich odporno na
powstawanie pkni znacznie wzrastaj.
jeziorka spawalniczego przez wprowadzenie drobnych, nierozpuszczalnych czstek albo substancji
powierzchniowo aktywnych. W pierwszym przypadku uzyskuje si wiksz liczb zarodków, co
pozwala na osignicie wikszej drobnoziarnistoci. W drugim, modyfikatory wprowadzane w
procesie spawania powoduj rozdrobnienie ziarna w wyniku zwikszania liczby heterogenicznych
zarodków.
Nowoczesn metod utrzymania dobrej jakoci spoiny jest spawanie prdem pulsujcym.
Zalet tego procesu jest znaczne ochodzenie jeziorka spawalniczego podczas przepywu prdu
podstawowego o maym nateniu. Dziki temu spoina nie jest przegrzana, co w konsekwencji
zwiksza prdko krzepnicia i powoduje rozdrobnienie ziaren.
7. Kontrola jakoci zczy spawanych
Do wykrywania, okrelania wymiarów niezgodnoci spawalniczych oraz oceny jakoci
zczy spawanych stosuje si wiele rónych bada, zarówno nieniszczcych jak i niszczcych. Ze
34
wzgldu na ich szerokie spektrum, w niniejszej pracy wybrano i scharakteryzowano jedynie
niektóre z nich, kierujc si w wyborze zaobserwowan praktyk przemysow w zakadach
produkcyjnych.
Badania wizualne zczy spawanych polegaj na dokadnych ogldzinach ich powierzchni.
S najprostszym, najtaszym a czsto i najskuteczniejszym sposobem kontroli wyrobów. Z tego
powodu s one obowizkowo stosowane dla wszelkiego rodzaju konstrukcji.
Podstawowym nonikiem informacji w badaniach wizualnych jest fala elektromagnetyczna, czyli
wiato (promieniowanie optyczne), które wywouje wraenia wzrokowe.
W praktyce ogldziny zewntrzne polegaj na kontroli wzrokowej okiem nieuzbrojonym lub
przy zastosowaniu przyrzdów optycznych dajcych powikszenia najczciej nieprzekraczajce
20x, jak równie na pomiarach ksztatu i wymiarów spoin tak, aby sprawdzi, czy badane
poczenia speniaj okrelone wymagania.
badania wizualne bezporednie, tzn. te badania, podczas których istnieje nieprzerwana
cieka optyczna od oka obserwatora do obszaru badanego. Mog one by wspomagane
soczewkami, endoskopami, wiatowodami, lusterkami itp.
badania wizualne zdalne, tzn. te badania, podczas których cieka optyczna od oka
obserwatora do obszaru badanego jest przerwana. Obejmuj uycie fotografii, systemów
wideo, systemów zautomatyzowanych oraz robotów.
Wymagania dotyczce bada wizualnych reguluje norma PN-EN 970 „Spawalnictwo.
Badania nieniszczce zczy spawanych. Badania wizualne”. Zgodnie z zawartymi w niej
wymaganiami badania realizowane s z reguy na zczach gotowych, w takim stanie, w jakim je
wykonano. W razie potrzeby mona je wykonywa równie w trakcie przygotowania elementów do
spawania, podczas spawania, po naprawie zcz spawanych.
Badania wizualne przeprowadzi naley w odpowiednich warunkach owietlenia i z
odpowiednim dostpem do zcza. Natenie owietlenia na powierzchni badanego zcza powinno
wynosi co najmniej 250 lx, przy czym jego zalecana warto wynosi 500 lx. Odlego pomidzy
okiem badajcego a powierzchni przeznaczon do badania powinna mieci si w zakresie do 600
mm (w praktyce 100-600 mm), przy kcie widzenia nie mniejszym ni okoo 30°.
Badania z wykorzystaniem boroskopów, optycznych ukadów wóknowych, kamer itp.
uznaje si za wymagania dodatkowe, które powinny wynika z ustale pomidzy stronami lub z
postanowie normy wyrobu. Dla uzyskania dobrego kontrastu i efektu uwypukle niezgodnoci w
odniesieniu do podoa zaleca si stosowanie dodatkowego róda wiata. W przypadkach
wtpliwych badania wizualne powinny by uzupenione innymi badaniami nieniszczcymi,
umoliwiajcymi wykrycie niezgodnoci powierzchniowych.
Do bada wizualnych stosuje si takie przyrzdy i sprawdziany jak liniay, przymiary lub
tamy miernicze z podziak 1 mm lub dokadniejsz, rónego typu suwmiarki z noniuszami,
szczelinomierze z kocówkami pomiarowymi do mierzenia w zakresie od 0,1-3mm ze
stopniowaniem nie wikszym ni 0,1 mm, przyrzdy do pomiaru promienia lub profilu,
sprawdziany wysokoci i gbokoci, ktomierze, lusterka rónego typu, mikroskopy, lupy o
35
powikszeniach od 2 do 5, a nawet 10 razy, przy czym zaleca si, aby na soczewce bya naniesiona
skala, rónego rodzaju spoinomierze, w tym specjalnie skonstruowane na podstawie uzgodnie
midzy stronami umowy.
oraz, w wielu przypadkach, skomplikowanym ksztatem. Powoduje to czasami, e wykonane
poczenia staj si niedostpne i niemoliwe jest przeprowadzenie bada wizualnych tych zczy
tylko przy pomocy wzroku operatora. Rozwizaniem tej sytuacji jest endoskopia polegajca na
przesyaniu obrazu trudno dostpnych miejsc badanej powierzchni do oka obserwatora.
Stosowane obecnie endoskopy mona podzieli na dwie grupy – endoskopy ze sztywnym
przewodem (boroskopy) i gitkim (fiberoskopy), na kocu których znajduje si okular.
Najnowszymi urzdzeniami w technice endoskopii s wideoskopy. Wzierniki wiatowodowe s
zastpowane urzdzeniami wykorzystujcymi sposób elektronicznej transmisji obrazów.
Urzdzenia te umoliwiaj uzyskanie ostrych obrazów badanych obszarów oddajcych wiernie
kolory lub czarno-biaych i przedstawianych na monitorach.
Ogldziny zewntrzne (badania wizualne) wspomagaj inne metody bada nieniszczcych,
takie jak badania penetracyjne, magnetyczno-proszkowe, badania szczelnoci czy badania przy
zastosowaniu metody prdów wirowych, suc do wykrywania i rejestracji zjawisk zachodzcych
w wyniku tych bada.
7.2. PT – metoda penetracyjna
materiaów oprócz silnie porowatych. W spawalnictwie wykorzystuje si je do wykrywania
niezgodnoci spawalniczych (niecigoci materiau) wychodzcych na powierzchni zcza
spawanego. Badania penetracyjne wykonuje si zwykle po przeprowadzeniu bada wizualnych
zczy i usuniciu z ich powierzchni nieakceptowanych niezgodnoci spawalniczych.
MECHANIZM DZIAANIA
Mechanizm dziaania bada penetracyjnych opiera si na wykorzystaniu zjawiska
woskowatoci (kapilarnoci), które polega na wnikaniu cieczy do wskich przestrzeni i wznoszeniu
si w nich nawet wbrew sile cikoci. Jeeli, przykadowo, do naczynia z ciecz wstawi si rurki o
niewielkich rednicach wewntrznych (woskowate, kapilarne, to w rurki te wejdzie ciecz, a jej
poziom w rurkach bdzie tym wyszy, im mniejsza bdzie rednica rurki.
Zjawisko woskowatoci wykazuj tylko niektóre ciecze, a mianowicie te, które zwilaj
materia kapilary. O tym, czy dana ciecz zwila materia, informuje kt, jaki tworzy menisk cieczy z
materiaem kapilary nazywany ktem zwilania. Kt zwilania zaley od szeregu czynników –
temperatury, czasu, dokadnoci oczyszczenia powierzchni oraz jej chropowatoci. Zwilanie
polepsza si w przypadku, gdy zachodzi na powierzchni badanej bardziej chropowatej, natomiast
obecno na powierzchni ciaa staego cienkiej warstwy innego ciaa (np. tuszczu) moe
cakowicie zwilalno zmieni.
badan powierzchni w postaci pkni, przykleje, porów, werów itp. W szczelinie ciecz
36
zwilajca penetruje w gb nawet wtedy, jeeli usunie si j cakowicie z powierzchni. Jest to
spowodowane pojawieniem si dwóch si kapilarnych, których wypadkowa jest skierowana w gb
szczeliny. Ciecz najpierw wypenia cz wsz szczeliny, wypychajc powietrze przez cz
szersz na zewntrz, co prowadzi do cakowitego wypenienia pknicia.
Naoenie na powierzchni w niecigoci której wnikna ciecz rodka porowatego,
powoduje utworzenie szeregu menisków lokalnych, charakteryzujcych si rónym ksztatem i
rónymi krzywiznami. Kady z tych menisków wywouje cinienie kapilarne o kierunku
przeciwnym do kierunku wnikania cieczy zwilajcej. Pod dziaaniem sumy tych cinie ciecz
wnikajca (penetrujca) opuszcza obszar niecigoci, wychodzc na powierzchni obiektu i
tworzc obraz niecigoci (wskazanie).
przygotowanie i czyszczenie wstpne
Przebieg badania rozpoczyna si od dokadnego usunicia z powierzchni badanych spawów
rdzy, zgorzeliny, ula, smarów, farb itp. przy pomocy czyszczenia mechanicznego, chemicznego
lub ich kombinacji. Na wysuszon powierzchni nanosi si za pomoc rozpylania, pdzlem,
polewania, maczania lub zanurzenia atwo wsikliwy pyn nazywany penetrantem, który na
zasadzie woskowatoci wchodzi w najmniejsze niecigoci badanego elementu.
Penetrant utrzymuje si na powierzchni badanej przez pewien czas, nazywany czasem
penetracji, dobierany w zalenoci od wasnoci penetrantu, temperatury nanoszenia, materiau
badanego, rodzaju niecigoci. Czas penetracji wynosi zazwyczaj od 5 do 60 minut w zakresie
temperatur od 10 do 50°C, ale nigdy na tyle dugo, aby dopuci do wyschnicia penetrantu.
Po zakoczeniu fazy penetracji nadmiar penetrantu usuwa si z zastosowaniem
odpowiedniej techniki zmywania lub przecierajc szmatk zwilon wod, ewentualnie
r