50. Jubileuszowa Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Nowoczesne Spawalnictwo

Przedstawiono informacje dotyczące wspólnego systemu Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa (MIS) i Europejskiej Federacji Spawalniczej (EWF) w zakresie szkolenia, kwalifikowania i certyfikowania personelu i wytwórców, którego celem jest ogólnoświatowa harmonizacja. Jedynym sposobem zapewnienia odbiorców, że produkcja spawalnicza i wyroby spełniają właściwe wymagania jakościowe jest wdrożenie normy EN ISO 3834. Ilekroć wytwórca powołuje się na zgodność z którymś z poziomów jakości ww. normy, to powinien zapewnić, że nadzoruje w pełni działalność spawalniczą dotyczącą wytwarzanego wyrobu lub prowadzonego procesu produkcyjnego. Personel, odpowiedzialny za działania spawalnicze powinien posiadać właściwy poziom kompetencji w zakresie stosowanych technologii, które określone są w normie EN ISO 14731 ”Nadzór spawalniczy – Wymagania i odpowiedzialność”.

W przyszłości, procesy technologiczne łączenia materiałów będą w przedsiębiorstwach przemysłowych kluczowymi elementami wpływającymi na szybki i równomierny przebieg produkcji i będą odgrywać nadzwyczaj ważną rolę we wszystkich jej fazach, od etapu projektowania wyrobu poprzez jego wytwarzanie i naprawy aż do recyklingu. Z tego względu, do opracowywania technologii łączenia należy podchodzić interdyscyplinarnie, aby pogodzić wymagania dotyczące wyrobu, technologii i materiału.

Uznane na całym świecie egzaminy kwalifikacyjne są wyjątkową cechą spawalnictwa organizowanego przez Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa. Wspierają one ustalenia dotyczące kwalifikacji personelu zawarte w krajowych i międzynarodowych normach technicznych. Metody zdobywania wiedzy są ciągle doskonalone poprzez formy szkolenia, w których stosuje się środki multimedialne i internet. Najnowszymi osiągnięciami w tej dziedzinie jest szkolenie na odległość, elektroniczne trenażery spawaczy i symulacja. Urządzenia służące do trenowania, tzw. „trenażery spawacza”, pokazują, że znane ze sportu wyczynowego metody szkolenia przebiegu ruchu są możliwe do zastosowania również w spawalnictwie. Rozwój kompleksowych i wielonarodowych powiązań produkcyjnych wymaga porównywalnych ofert dotyczących kształcenia personelu technicznego również w badaniach.

Opisano podstawy procesów laserowych spawania, lutowania miękkiego i twardego, napawania, wprowadzania pierwiastków stopowych i obróbki cieplnej oraz przeprowadzono analizę zalet i ograniczeń poszczególnych procesów. Przedstawiono wyniki badań doświadczalnych i przemysłowych nad zastosowaniem lasera HPDL ROFIN DL 020 do spawania złączy cienkich blach z różnych materiałów konstrukcyjnych, lutowania miękkiego i twardego miedzi, napawania narzędzi kuźniczych i zaworów, stopowania blachy ze stopu tytanu i płytki ze stopu magnezu, obróbki cieplnej matryc i stempli oraz przetapiania wad powierzchniowych łopatki turbiny z nadstopu niklu.

Przedstawiono ogólną charakterystykę technologii spawania laserowego w odmianie konwencjonalnej i w wybranych odmianach specjalnych. Podano przykłady przemysłowych zastosowań technologii spawania w odmianie podstawowej opracowanej w Instytucie Spawalnictwa. Omówiono prowadzone aktualnie badania w zakresie odmian specjalnych spajania laserowego dotyczące np.: spawania laserowego z ogniskowaniem wiązki w dwóch punktach, metod hybrydowych czy też lutospawania laserowego. Zwrócono uwagę na różnice występujące między poszczególnymi odmianami, przedstawiając zalety i niedostatki określonych technik spajania, warunkujące możliwości ich przemysłowego zastosowania.

Wykorzystanie laserów dużej mocy do spawania w układach hybrydowych gwałtownie wzrosło w ciągu ostatnich pięciu lat. Techniki te znalazły zastosowanie w przemyśle samochodowym, chemicznym, lotniczym i elektronicznym. W pracy przedstawiono wyniki prób łączenia paneli ścian szczelnych za pomocą hybrydowego spawania laserem włóknowym i metodą MAG w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych. Próby zostały przeprowadzone w Energoinstalu SA. Uzyskane wyniki pozwoliły na czterokrotny wzrost wydajności produkcji. Przeprowadzono również próby przemysłowe spawania laserowego rur ożebrowanych stosowanych w wymiennikach ciepła. Opracowana technologia pozwoliła na spawanie rur ożebrowanych z prędkością do 60 m/min z pełnym przetopem przy spełnieniu wymagań poziomu jakości B wg normy PN-EN ISO 5817.

Podano przegląd właściwości metalurgicznych stali austenityczno- ferrytycznych (duplex), wskazując zalety i wady obydwóch tych składników strukturalnych. Podano także skład chemiczny kilku gatunków stali duplex oraz spoiw do ich spawania i omówiono znaczenie poszczególnych składników stopowych. Przeanalizowano wpływ różnych gazów osłonowych na procesy spawania tych materiałów. Najważniejszym  czynnikiem przy spawaniu stali duplex jest utrzymanie jednakowego udziału w niej ferrytu i austenitu, co decyduje o własnościach spoiny. Zasadniczą uwagę poświęcono zagadnieniu, jak przy użyciu specjalistycznych gazów osłonowych można wpływać na stosunek ferrytu do austenitu w różnych procesach spawania, jak np. MIG/MAG i TIG, z użyciem lub bez użycia spoiwa, a także jak gazy osłonowe wpływają na własności, wygląd i geometrię spoiny oraz odporność na korozję. Omówiono i oceniono różne metody pomiaru zawartości ferrytu. Wspomniano  też o nowszych gatunkach stali duplex, jak tzw. „zubożone stale duplex”. Podano przykłady zastosowania niektórych mieszanek gazowych.

Opisano korzyści wynikające ze stosowania wysoko wydajnej odmiany procesu TIG, nazwanej TOPTIGTM, dokonując równocześnie porównania z tradycyjnym spawaniem metodami TIG i MAG. W połączeniu z odpowiednio dobranym gazem osłonowym, można osiągnąć wysoką prędkość spawania, brak rozprysku i doskonały wygląd spoiny. W niektórych wypadkach można tą metodą zastąpić spawanie MIG lub MAG, unikając w ten sposób kosztownej obróbki po spawaniu. Opisano konstrukcję palnika stosowanego przy spawaniu tą metodą oraz przebieg samego procesu.

Przedstawiono rolę gazów ochraniających jeziorko ciekłego metalu w procesie spawania łukowego przed dostępem powietrza atmosferycznego. Podano klasyfikację gazów osłonowych stosowanych do spawania i cięcia wg normy PN-EN 439 obowiązującej w Polsce od 1999 r. Zastosowanie nowych gatunków stali (np. duplex) spowodowało konieczność rozszerzenia normy o dodatkowe podgrupy z nowym składem gazu. Zmiany te ujmuje norma EN-ISO 14175:2008. Omówiono główne mieszanki gazowe oferowane przez Air Products, a znane pod marką handlową „Linx”.

Próba klasyfikacji czynników wpływających na zdrowie i bezpieczeństwo przy spawaniu, z podziałem na czynniki fizyczne, obejmujące promieniowanie, nagrzewanie, hałas, zagrożenia związane z prądem elektrycznym, pola elektromagnetyczne, środowiskowe warunki pracy oraz czynniki chemiczne, które obejmują gazy i substancje pyłowe wytwarzane podczas spawania (ogólnie objęte terminem „dymy spawalnicze”) oraz inne niebezpieczne substancje chemiczne stosowane we wszystkich etapach procesu produkcyjnego. Przedstawiono podejście do problemu oparte na pracach Komisji VIII Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa (MIS) „Zdrowie, bezpieczeństwo i środowisko”. Zwrócono szczególną uwagę na obecnie rozważane „gorące tematy”, obejmujące wpływ manganu zawartego w pyle spawalniczym na centralny system nerwowy, skutki gazów spawalniczych dla zdrowia, wyraźnie większe zagrożenie spawaczy rakiem płuc, poprawę warunków w miejscu pracy w celu zmniejszenia wpływu ergonomii na schorzenia mięśniowo-kostne dotykające wielu spawaczy.

Omówiono badania technologiczne i badania w obszarze inżynierii środowiska prowadzone dla niskoenergetycznych metod spawania łukowego w osłonie gazów, mianowicie metod CMT/ColdArc/STT.  Opisano zakres prowadzonych badań, który obejmował zmechanizowane spawanie i lutospawanie blach ze stali niestopowej S235J2 oraz blach ocynkowanych galwanicznie i ogniowo o grubości 1,5 mm. Przedstawiono wyniki badań wizualnych uzyskanych połączeń, badań wytrzymałości na rozciąganie spawanych złączy doczołowych, badań metalograficznych makrostruktury wybranych połączeń oraz badań wielkości emisji pyłu spawalniczego i gazów.

Omówiono osobliwości strukturalne i technologiczne stopów typu Ni-Cr-Zr o stałej zawartości cyrkonu 8,8 % at. Podkreślono, że stopy te mogą zostać użyte jako luty do lutowania żarowytrzymałych stopów niklu, zarówno w warunkach nagrzewania próżniowego, jak i łukowego. Zwrócono szczególną uwagę na korzyści wynikające ze stosowania kombinacji lutów kompozytowych oraz nagrzewania łukowego o optymalnych parametrach. Zaproponowano spoiwa o nowych składach do lutowania stopu międzymetalicznego g-TiAl, umożliwiające uzyskanie połączeń lutowanych o wymaganej wytrzymałości zbliżonej do wytrzymałości materiału podstawowego, zarówno w temperaturze 20 °C, jak i 700 °C, jak również zapewnienie wysokiej wytrzymałości w dłuższym przedziale czasowym.

Zamieszczono problematykę lutowania twardego aluminium i jego stopów przy użyciu lutów proszkowych AlSi12 z niekorozyjnym topnikiem. Podano różne sposoby zamykania rurek w lutach proszkowych, ich zalety i wady. Przedstawiono właściwości lutów proszkowych produkcji krajowej, z firmy Euromat Sp. z o. o. Luty te zastosowano między innymi do lutowania płomieniowego aluminiowych wymienników ciepła. Porównano tu lutowanie przy użyciu spoiw w tradycyjnej postaci z lutami proszkowymi. Podano różne sposoby przygotowania rurek aluminiowych do uzyskania złączy kielichowych. Uzyskane złącza poddano próbom szczelności, ocenie wizualnej a także badaniom makro- i mikroskopowym.

Podstawowe własności fizyko – chemiczne  i lutowność tytanu oraz jego stopów na osnowie faz międzymetalicznych. Lutowanie dyfuzyjne – zasada procesu i warunki stosowania. Wytrzymałość na ścinanie oraz struktury połączeń tytanu (Grade2) i stopu TiAl48Cr2Nb2 na osnowie fazy TiAl – g, lutowanych dyfuzyjnie z użyciem warstw przekładkowych ze spoiwa srebrnego do lutowania w gat. B-Ag72Cu-780 (AG 401), miedzi  (gat.CF032A) i niklu (Ni99,0). Parametry i warunki lutowania.

Przedstawiono obliczeniowe zasady i możliwości zastosowania obliczeniowej mechaniki spawania (OMS) w praktyce inżynierskiej. Celem OMS jest poszerzenie zdolności analizy ewolucji: temperatury, odkształceń i naprężeń w połączeniu spawanym wraz z ewolucją mikrostruktury. Pozwoliło to ustalić i rozwinąć metodologię badań spawalności z użyciem metod obliczeniowych. Numeryczna analiza spawalności mieści w sobie procedury modelowania procesu spawania: termodynamicznego, termomechanicznego i mikrostruktury. Rezultatem tejże analizy jest także stopień uwrażliwienia materiału (SU) poprzez parametry mechaniki pękania. Odporność na pękanie połączeń spawanych jest określona poprzez parametry: SU₁ = K_Ith / K_IC w warunkach pękania zimnego lub SU₂ = d/d_c lub J/J_c, SU₁ ¹ SU₂ w warunkach eksploatacyjnych. Z powyższego wynika, iż nie istnieje jeden parametr w sposób globalny określający stopień uwrażliwienia na proces spawania.

Podstawowym sposobem poprawy spawalności jest obniżenie zawartości węgla w stali. Wprowadzenie mikrododatków, w szczególności niobu, w połączeniu z kontrolowanym walcowaniem, pozwala na obniżenie zawartości węgla z równoczesnym zachowaniem wysokiej wytrzymałości stali. Stanowi to ogólną strategię produkcji niskostopowych stali o wysokiej wytrzymałości (HSLA), przy czym rzeczywiste opracowanie takich stali zależy od końcowego ich przeznaczenia i konkretnych technik spawania. W artykule przedstawiono i przedyskutowano rozmaite przykłady, w jaki sposób dodatek niobu może poprawić zachowanie się nowoczesnych stali o wysokiej wytrzymałości podczas ich spawania, biorąc pod uwagę różne metody spawania, jak np. spawane laserowe, rezystancyjne zgrzewanie punktowe i spawanie w osłonie gazów ochronnych. Poszczególne przykłady odnoszą się do przemysłu samochodowego, sektora ropy i gazu, jak również do konstrukcji ogólnego stosowania. Dla wybranych przypadków zwrócono również uwagę na ekonomiczny wpływ stosowania stali z mikrododatkiem niobu w dziedzinach o dużym udziale spawania.

Badania przeprowadzono na walcowanej w warunkach laboratoryjnych płycie próbnej oraz na stalach walcowanych w warunkach przemysłowych w postaci blachy i taśmy zwijanej na gorąco w kręgi. Zbadano odporność na kruche pękanie materiału rodzimego i symulowanych SWC, skłonność stali do powstawania zimnych pęknięć oraz własności złączy spawanych. Stwierdzono wysokie wartości pracy łamania materiału podstawowego oraz wystarczającą odporność na kruche pękanie SWC w złączach spawanych. Badane stale nie wykazują skłonności do powstawania zimnych pęknięć, co zostało potwierdzone próbą pękania Tekken o wysokim stopniu samoutwierdzenia.

Artykuł dotyczy modelowych prób ciśnieniowych rurociągów gazowych, które są odpowiednim sposobem do oceny ich żywotności i niezawodności naprawy. Zastosowanie modelowych prób ciśnieniowych przedstawiono dla przypadków naprawy rur pod ciśnieniem za pomocą takich metod, jak „zimna opaska” oraz „gorąca opaska”.

Przeprowadzono analizę charakteru pękania spoin w stalach mikrostopowych, w stalach bainitycznych niskostopowych oraz w połączeniach różnoimiennych stali T91 z 10CrMo9-10. Ustalono, że wodór wywołuje również powstawanie pęknięć gorących w procesie krzepnięcia spoin. Przeprowadzone badania pozwoliły opracować mechanizm pękania spoin na gorąco oraz dalszego ich rozwoju jako pęknięć zimnych zwłocznych. Zweryfikowano również opisywany w literaturze mechanizm powstawania pęknięć typu „chewron” wykazując, że początkiem pęknięć zimnych typu „chewron” są pęknięcia gorące, w których „magazynowany” jest wodór wywołujący po ostudzeniu spoin pęknięcia zwłoczne.

Wykonano próby napawania jedno- i wielościegowego stali niskostopowej 13CrMo4-5 nadstopem na osnowie niklu Inconel 625 dla dwóch poziomów energii liniowej napawania: E=620 J/mm i  E=2100 J/mm. W wyniku monitorowania kamerą termowizyjną temperatury w procesie napawania uzyskano dane do określenia cyklu cieplnego, temperatury międzyściegowej, czasu przerw w spawaniu niezbędnych do utrzymania założonej temperatury międzyściegowej, czasu t_8-5 dla stali i czasu t_11-5 dla napoin. Określono wpływ energii liniowej napawania na zmiany temperatury napoin. Wykazano pełną przydatność techniki termowizyjnej do analizy spawalniczego cyklu cieplnego napawania.

Przedstawiono wybrane metody oceny jakościowej zgrzein punktowych w cienkościennych elementach stalowych z wykorzystaniem fal ultradźwiękowych. Opisano tu najnowsze osiągnięcia w dziedzinie kontroli zgrzein punktowych w czasie rzeczywistym. Przedstawione metody oparte są na pomiarze wybranych parametrów fali ultradźwiękowej. Przeprowadzone badania wykazały, że można uzyskać jednoznaczną informację zarówno o stanie powstającego jądra zgrzeiny, jak i o przebiegu samego procesu łączenia.

Porównano wyniki badań zakładkowych złączy spawanych plazmowo i zgrzewanych rezystancyjnie punktowo blach ze stali X2CrNi12 o grubości: 0,8 + 0,8 mm; 0,8 + 1,0; 1,0 + 1,0 mm i 0,8 + 1,5 mm. Badania przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN ISO 15614-12, uwzględniając wymagania norm z serii DIN 6700. Uzyskane wyniki odniesiono do najnowszych wymagań dotyczących pojazdów szynowych, które ukazały się w 2007 roku, w serii norm europejskich PN-EN 15085. Stwierdzono, że przy wytwarzaniu taboru kolejowego można z powodzeniem zastosować zamiennie obie zbadane technologie łączenia. Podstawą jest wysoka jakość i wytrzymałość połączeń uzyskanych w trakcie przeprowadzonych badań wynikających z zakresu wyżej przywołanych norm. Atutem przemawiającym na korzyść spawania jest dużo niższa cena urządzenia do spawania plazmowego w porównaniu do bardzo drogiego portalu do zgrzewania.

Przedstawiono wybrane wyniki badań jakości złączy blach ze stopów aluminium serii 6000 zgrzanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW – Friction Stir Welding). Złącza wykonano na zgrzewarce zbudowanej na bazie konwencjonalnej frezarki. Ocenę jakości złączy przeprowadzono w oparciu o badania wizualne, wytrzymałościowe i zmęczeniowe, analizę budowy strukturalnej zgrzein i pomiary twardości. Celem badań było poznanie wpływu warunków zgrzewania na wytrzymałość doraźną i zmęczeniową złączy oraz budowę strukturalną zgrzein. Sprawdzono również wpływ szczeliny między zgrzewanymi płytami na jakość zgrzewania. Wyniki badań wskazują na dobrą zgrzewalność stopów aluminium serii 6000 metodą FSW. Poprawne złącza doczołowe, zakładkowe i teowe można uzyskać w szerokim zakresie parametrów zgrzewania, a wytrzymałość tych złączy jest zadowalająca. W celu uzyskania złączy o najwyższej jakości, elementy muszą być dociśnięte do siebie, a proces zgrzewania nie może być prowadzony z nadmierną prędkością.