56. Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Spawalnictwo - zawsze można więcej

Technologia zgrzewania w stanie stałym jest szeroko rozpowszechniona i ma duży potencjał wzrożeniowy, zwłaszcza w tych miejcach, gdzie produkcja nie może być prowadzona z wykorzystaniem innych znanych technik spawalniczych. Friction Stir Welding (FSW) wykorzystuje do nagrzania metali i ich łączenia zjawiska tarcia. Dynamicznie się rozwija od jej wynalezienia w 1991 r. i nadaje się szczególnie do łączenia stopów aluminium, stopów miedzi i innych. Ma duże znaczenie dla sektora energetycznego. W artykule przedstawiono przykład zastosowania ww. technologii do zgrzewania elementów transformatorów elektrycznych, gdzie miedź zastąpiono aluminium, co jest szczególnie interesujące ze względu na potencjalne oszczędności. Udowodniono, że pomimo pewnych ograniczeń proces ten nadaje się do łaczenia cienkich blach aluminiowych i miedzianych. Szczególnie interesujące są techniki tarciowego modyfikowania powierzchni, ponieważ mogą poprawiać właściwości mechaniczne powierzchni materiału w ściśle określonym miejscu. Stosowanie modyfikacji tarciowej oraz wprowdzanie dodatkowego materiału mogą poprawiać odporność na ścieranie i właściwości antykorozyjne. Wytwarzanie kanałów metodą tarciową, tzw. FSC (ang. Friction Stir Channelling) jest nową techniką, która może znaleść szerokie zastosowanie w produkcji elementów chłodzących. Przedstawiono w niniejszym opracowaniu przykładową konstukcję takich dwóch, prototypowych wyrobów.

Technika klejenia zajmuje coraz ważniejszą pozycję w obszarze przemysłowo wprowadzonych technik łączenia. Wzrastające wymagania dotyczące wyrobów każdego rodzaju stwarzają konieczność opracowywania nowych materiałów i kombinacji materiałowych. Zdolność klejów, również do łączenia bardzo odmiennych materiałów prowadzi do ciągle nowych zastosowań. Zwykle zostają przy tym zachowane własności materiałów, bo w porównaniu do spawania lub lutowania, klejenie jest procesem łączenia ubogim w ciepło. Również inne słabości łączonych części, np. przy nitowaniu lub skręcaniu nie mają tu miejsca. Dalej, możliwe jest zintegrowanie z elementem konstrukcyjnym rzeczywistych właściwości połączenia, takich jak na przykład uszczelnienie w przypadku cieczy, tłumienie drgań lub ochrona korozyjna. Z drugiej strony, klejenie według normy ISO 9000 jest procesem specjalnym. Oznacza to, że jakości połączenia klejonego nie można w 100% zbadać metodami nieniszczącymi. Z tego powodu należy utrzymywać system zarządzania jakością, aby przez to można było uzyskać i zagwarantować wysoką jakość produkcji.

Spawanie laserowe oraz spawanie laserowe w połączeniu z procesami spawania łukowego (metoda hybrydowa laser-GMA) mają rosnące znaczenie dla zastosowań przemysłowych. Artykuł przedstawia przegląd najnowszych wyników badań mających na celu kwalifikowanie procesu spawania laserowego rur, spawania obwodowego rurociągów i spawania pojazdów szynowych. Produkcji rur i rurociągów jest obecnie możliwa z zastosowaniem technologii laserowych. Istnieją rozwiązania techniczne do wykonywania rur o złączach wzdłużnych i spiralnych. Technologie laserowe mogą być stosowane w fazie przedprodukcyjnej i w warunkach terenowych. Opracowano różne procedury spajania rur w zależności od ich średnicy i grubości ścianek. Przedstawiono przykłady zastosowań do transportu gazu i ropy naftowej oraz rurociągów do transportu wody. Spawanie laserowe pojazdów szynowych jest stosowane do spawania wózków i nadwozi wagonów. W zależności od zastosowania, spawanie laserowe było stosowane jako pojedynczy proces lub w połączeniu z GMAW. W przypadku spawania laserowego w produkcji pojazdów szynowych niezbędna jest bliska współpraca z projektantami. Przedstawiono przykłady świadczące o tym, że spawanie laserowe jest bezpieczną technologią, możliwą do stosowania w przypadku zaawansowanych rozwiązań.

W artykule przedstawiono strukturę i własności złączy spawanych wiązką laserową bez materiału dodatkowego stali obrabianej termomechanicznie o wysokiej granicy plastyczności S700MC o grubości 10 mm. Przeprowadzone badania nieniszczące pozwoliły sklasyfikować złącza w poziomie jakości B zgodnie z norma ISO 13919-1. Badania niszczące wykazały, że złącze charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie około 5% niższą niż wytrzymałość materiału rodzimego. Proces spawania laserowego bez dodatku spoiwa, powoduje w spoinie wzrost zawartości pierwiastków odpowiadających za umocnienie stali (Ti, Nb), co przyczynia się do obniżenia udarności spoiny. Udarność w spoinie spada poniżej dopuszczalnej wartości 27 J/cm².

Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną w Europie wymaga ciągłego poszukiwania nowych źródeł energii, rozwiązań konstrukcyjnych oraz technologicznych. Utrzymanie dotychczasowego poziomu produkcji energii elektrycznej wymaga modernizacji eksploatowanych jednostek oraz budowy nowych bloków na parametry nadkrytyczne i ultranadkrytyczne. Podwyższenie sprawności termicznej przy jednoczesnej redukcji kosztów energii możliwe jest dzięki zastosowaniu rur ożebrowanych na wymienniki ciepła. W pracy przedstawiono technologie wytwarzania rur ożebrowanych, ze szczególnym uwzględnieniem innowacyjnej technologii spawania laserowego opracowanej w Energoinstal S.A. Wykorzystanie laserów dyskowych dużej mocy pozwala na spawanie rur ożebrowanych ze stopów niklu, np. Inconel 625. Rury ożebrowane ze stopu Inconel 625 spawane laserowo są elementem wymienników ciepła o dużym potencjale stosowania, ze względu na żarowytrzymałość i żaroodporność. W artykule przedstawiono wyniki prób technologicznych spawania laserowego rur ożebrowanych ze stopu Inconel 625 przeprowadzone w Energoinstal S.A. Stwierdzono, że opracowana technologia spełnia wymagania i może być kwalifikowania wg PN EN 15614-11.

Scharakteryzowano zaawansowane stale bardzo wysokiej wytrzymałości o strukturze ferrytyczno-martenzytycznej typu DP, ferytyczno-bainitycznej z austenitem szczątkowym typu TRIP oraz stal do tłoczenia na gorąco. Badano selektywne umacnianie laserowe stali DP600, TRIP700 i 22MnB5 z zastosowaniem lasera DY044. Wyznaczono krzywe umocnienia dla materiału rodzimego oraz dla spoiny. Wyznaczono własności mechaniczne dla stali DP600, TRIP700 i 22MnB5 wzmacnianej przetopem wiązką laserową w zależności od głębokości przetopu. Zostały przygotowane i zweryfikowane modele numeryczne materiału rodzimego oraz spoiny.

Przedstawiono zagadnienia związane ze spawaniem stali wysokowytrzymałych AHSS (Advanced High Strength Steel). Przedstawiono zasady doboru materiału dodatkowego do spawania, wartości energii liniowej spawania oraz temperatury podgrzewania wstępnego. Przedstawiono warunki technologiczne spawania dla stali Weldox, Hardox i Domex.

Skład chemiczny stali o wysokiej wytrzymałości różni się znacznie od składu chemicznego materiałów dodatkowych i ich wymieszanie może wpływać na właściwości spoiny. Skutki tego wymieszania zostały zbadane dla złączy ze stali o granicy plastyczności 777 MPa i 1193 MPa, wykonanych przy zastosowaniu kilku metod spawania łukowego i materiałów dodatkowych o wytrzymałości > 800 MPa. Podczas badań wykonano złącza doczołowe blach o grubości 12 mm i zmierzono prędkości ich stygnięcia. Wszystkimi zastosowanymi metodami spawania wykonano złącza o wysokiej jakości, w których wymieszanie w spoinie wynosiło od 3% w przypadku elektrody otulonej do 73% dla metody hybrydowej Laser-GMAW. Struktura metalu spoiny składała się z martenzytu/ bainitu, przy czym proporcje poszczególnych faz mikrostruktury zależały od zawartości składników stopowych i prędkości stygnięcia. Dla wszystkich złączy blach Weldox 700 uzyskano za wysokie wartości wytrzymałości, dla złączy blach Weldox 1100 wartości te wynosiły >1000 MPa. Dla obu stali we wszystkich próbach rozciągania poprzecznego zerwanie nastąpiło w materiale podstawowym lub SWC. Mały stopień wymieszania, szybkie stygnięcie i spawanie w jednym przejściu zaowocowało większymi wartościami wytrzymałości. Udarność była mniejsza w złączach, w których wytrzymałość i stopień wymieszania był większy. Podsumowując, wiele metod spawania może z powodzeniem być stosowane do spawania stali o wysokiej wytrzymałości, należy jednak wziąć pod uwagę stopień wymieszania i prędkość stygnięcia przy optymalizacji właściwości wykonywanych złączy.

Stopy na osnowie niklu są stosowane w różnych dziedzinach przemysłu, np. w energetyce i petrochemii. Jedną z najczęściej stosowanych i sprawdzonych technologii zabezpieczenia powierzchni jest napawanie z zastosowaniem spoiwa ERNiCrMo3 (stop typu 625). W niniejszym artykule opisano proces napawania metodami: MIG/MG prądem pulsującym, MIG/MAG Tandem, CMT, CMT Twin, TIG z dodatkiem zimnego i gorącego drutu oraz laserowego. W każdym przypadku zastosowano spoiwo ERNiCrMo3. Badania wykonanych napoin obejmowały określenie zawartości żelaza w napoinie i rozkładu tego pierwiastka na całej grubości napoiny, a także wyznaczenie wydajności napawania dla wszystkich zastosowanych procesów.

Przedstawiono studium przypadków dotyczących awarii gazociągów wysokiego ciśnienia na terytorium Słowacji. Wszystkie opisane przypadki były spowodowane niezgodnościami spawalniczymi, obecnością miedzi, niejednorodnością mikrostruktury oraz czynnikami zewnętrznymi, takimi jak trzęsienia ziemi, osuwiska, które w efekcie doprowadziły do nadmiernego obciążenia rury dodatkowym momentem gnącym.

Omówiono wykorzystanie wiązki elektronów w spawalnictwie. Przedstawiono przykłady zastosowania wiązki elektronów w przemyśle uwzględniając spawanie, szybkie prototypowanie i teksturyzację powierzchni. Podano informacje dotyczące możliwych technik, jakie mogą być stosowane w trakcie spawania. Wskazano obszary praktycznego zastosowania technologii oraz jej zalety w porównaniu do innych metod spawania.

Ultrawysokowytrzymałe i zaawansowane technologicznie stale znajdują zastosowanie w produkcji pojazdów samochodowych, przy produkcji elementów karoserii, szczególnie w miejscach gdzie istotne jest bezpieczeństwo konstrukcji. Zmienne warunki produkcji mogą wpływać na stabilność procesu zgrzewania i przyczynić się do spadku jakości zgrzewania, która jest szczególnie ważna w przypadku wytwarzania odpowiedzialnych konstrukcji. Mimo dużej dokładności wykonywania elementów, zmienność procesu produkcyjnego może wynikać ze szczeliny między elementami. W przypadku zgrzewania te szczeliny muszą być wyeliminowane przed przepływem prądu zgrzewania. Wymagany docisk wstępny powoduje obciążenie cieplne i mechaniczne złącza, które może prowadzić do niezgodności w zgrzeinie, np. do pęknięć. Artykuł przedstawia przegląd procesu głębokiego tłoczenia elementów oraz poprzednie wyniki badań nad zgrzewaniem punktowym nowoczesnych stali o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości. Wyniki badań pokazują wpływ wielkości szczeliny na stabilność procesu zgrzewania, mikrostrukturę i geometrię zgrzeiny punktowej. Bazując na badaniach eksperymentalnych, zbadano wpływ czasu zgrzewania, rodzaju powłoki i wielkości szczeliny na jakość i własności mechaniczne złączy.

Przytoczono wyniki badań oraz opracowań IES im. E. O. Patona w obszarze zgrzewania prądem o podwyższonej częstotliwości oraz technologii rodzimych do łączenia, koagulacji, cięcia oraz obróbki termicznej tkanek żywych, jak również wyspecjalizowanych urządzeń do realizacji powyższych procesów. Opisano doświadczenia w zakresie stosowania opracowanych technologii i urządzeń w praktyce chirurgicznej.

Artykuł przedstawia wyniki badań prowadzonych celem rozwoju technologii spawania paneli typu stringer ze stopu tytanu z zastosowaniem spoin przetapiających zapewniających uzyskanie minimalnych odkształceń i naprężeń spawalniczych oraz wysoką trwałość przy obciążeniach cyklicznych. Złącza typu T były spawane z zastosowaniem spoin przetapiających na pełnowymiarowych próbkach za pomocą trzech metod: wiązką elektronów, zautomatyzowanym spawaniem elektrodą nietopliwą po warstwie topnika oraz zautomatyzowanym spawaniem zanurzoną elektrodą nietopliwą. W celu zmniejszenia naprężeń spawalniczych i odkształceń stosowano wstępne odkształcanie sprężyste elementów spawanych. Wszystkie rodzaje próbek zostały zbadane pod kątem ich wytrzymałości na cykliczne rozciąganie wzdłużne. Określono także wpływ procesów obróbki cieplnej, przekuwania mechanicznego i technologii naprawczych na ich trwałość. Na podstawie wyników badań pełnowymiarowych próbek przygotowano i zbadano partię paneli typu stringer o długości 1200 mm. Stwierdzono, że spawanie paneli typu stringer z wysokostopowego stopu tytanu VT-20 elektrodą nietopliwą po warstwie topnika z zastosowaniem wstępnego odkształcanie sprężystego i przekuwania mechanicznego o podwyższonej częstotliwości elementów spawanych zapewnia zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej w porównaniu do spawania wiązką elektronów i spawania zanurzoną elektrodą nietopliwą. Rozwój technologii może stanowić podstawę rozwoju wytwarzania spawanych paneli typu stringer z wysokowytrzymałych stopów tytanu na skalę przemysłową.

Badano efekt wpływu nanotlenków na rozkład wtrąceń niemetalicznych i strukturę metalu spoiny przy spawaniu stali niskostopowych. Ustalono, że przy wprowadzeniu do jeziorka spawalniczego 0,5% obj. nanotlenków aluminium i tytanu tworzy się struktura ferrytu iglastego o wysokich własnościach mechanicznych.

Oryginalny sposób wytwarzania dachów wielkogabarytowych (średnica 41 m) zbiorników na naftę. Gabaryty poszczególnych sekcji konstrukcji dachowej typu parasol zmniejszono przez ich podział na dwie części, co umożliwiło zwiększenie zakresu wytwarzania warsztatowego i ułatwiło transport oraz montaż, a w rezultacie zmniejszyło koszty wykonania. Rysunki złączy spawanych wykonywanych elektrodami otulonymi i drutem proszkowym samoosłonowym.

W artykule przedstawiono rys historyczny oraz dokonano krótkiego wprowadzenia do amerykańskich przepisów ASME BPVC dotyczących spawanych kotłów i zbiorników ciśnieniowych oraz urządzeń jądrowych. Na podstawie przepisów ASME Sec. VIII Div. 1 przedstawiono metodykę projektowania spawanego dwupłaszczowego zbiornika ciśnieniowego (autoklawu). Ze względu na brak metody obliczeniowej (obliczanie na podstawie wzorów) kompletnego zbiornika ciśnieniowego wg ASME Sec. VIII, Div. 1, obliczenia wykonano metodą numeryczną wg ASME Sec. VIII, Div. 2 Part 5. Wyniki obliczeń zestawiono w tablicach i na rysunkach oraz zobrazowano grafiką wygenerowaną numerycznie.

Przedstawiono zastosowanie prądu o zmiennej biegunowości do spawania elementów z różnych materiałów konstrukcyjnych o niewielkiej grubości. Przedstawiono przebieg i wyniki badań nad określeniem wpływu udziału składowej ujemnej w przebiegu prądu i napięcia łuku na geometrię spoiny, głębokość wtopienia oraz jakość połączeń spawanych.

Przedstawiono zagadnienie metalizacji ceramiki metodą tarciową opierając się na mechanizmie powstawania połączenia, w którym energia kinetyczna tarcia jest bezpośrednio zamieniana na ciepło i dostarczana w ściśle określonych porcjach do obszaru powstającego połączenia między warstwą a podłożem. Przedstawiono opracowany przez autorów proces metalizacji ceramiki przy użyciu tarcia. Zbadano i zaprezentowano wyniki badań mikrostruktury otrzymanych warstw metalizacyjnych.

Artykuł prezentuje wyniki badań dotyczących spawania cienkościennych blach ze stopu aluminium EN AW 7075. Przedstawiono przebieg badań technologicznych mających na celu określenie przydatności metody CMT i MIG-Pulse do spawania złączy doczołowych blach o grubości 2,0 mm ze stopu EN AW 7075. Omówiono podstawowe trudności związane ze spawaniem stopu serii 7xxx oraz przedstawiono specyfikę spawania metody o małej energii łuku oraz prądem pulsującym. Przedstawiono uzyskane, wybrane wyniki badań wytrzymałościowych i metalograficznych makroskopowych połączeń spawanych oraz dokonano ich szczegółowej analizy. Ponadto przeprowadzono próbę odporności na pękanie gorące „circle path”, a na uzyskanych w niej złączach przeprowadzono szczegółowe badania metalograficzne mikroskopowe i mikroanalizę składu chemicznego. Zwrócono uwagę, że metoda CMT zapewnia dobrą jakość i estetykę złączy spawanych blach ze stopu aluminium uznawanego za trudno spawalny.

W artykule przedstawiono mikrostrukturę oraz własności połączeń różnoimiennych rur ze stali 304HCu (X10CrNiCuNb18-9-3) i P92 (X10CrWMoVNb9-2) w stanie surowym po spawaniu oraz po obróbce cieplnej. Do spawania metodą TIG wykorzystano dwa materiały dodatkowe – drut Thermanit 304HCu oraz drut EPRI P87. Badania wykazały istotny wpływ wydłużenia czasu obróbki cieplnej na obniżenie twardości stali martenzytycznej i jej SWC oraz wzrost twardości stali austenitycznej, jej SWC i spoiny wykonanej spoiwem Thermanit 304HCu. Obserwacje mikroskopowe ujawniły występowanie strefy nawęglonej na linii wtopienia pomiędzy stalą P92 a spoiną utworzoną przy użyciu drutu Thermanit 304HCu.

Celem pracy było opracowanie technologii zgrzewania FSW elementów miedzianych o grubości powyżej 15 mm, możliwej do zastosowania w produkcji prądowych szyn przewodzących. Długość linii łączenia elementów szyn prądowych wynosi ok. 100 mm. W pierwszym etapie przeprowadzono badania FSP, czyli badania procesu uplastyczniania miedzi metodą FSW i tworzenia zwartej struktury zgrzeiny na płytach o grubości od 8 do 20 mm, a następnie zajęto się procesem zgrzewania FSW elementów miedzianych. W toku badań sprawdzono warunki uplastyczniania miedzi przy stosowaniu procesu FSW oraz opracowano narzędzia do zgrzewania i warunki prawidłowego prowadzenia procesu zgrzewania blach/płyt miedzianych o grubości do ok. 20 mm. Stwierdzono, że prawidłowo uformowane zgrzeiny powstają przy stosunkowo niskiej prędkości obrotowej narzędzia i dobrze chłodzonym oprzyrządowaniu mocującym elementy.

Podczas różnych prac spawalniczych pracownicy narażeni są na pracę związaną z hałasem słyszalnym i ultradźwiękowym. Pomimo ciągłego rozwoju i doskonalenia środków produkcji, robotyzacji prac spawalniczych oraz rozwoju środków ochrony pracowników przed pracą w hałasie, można stwierdzić, że ekspozycja na hałas w spawalnictwie stanowi wciąż jeden z głównych problemów. W artykule przedstawiono badania eksperymentalne wpływu warunków technologicznych procesu spawania łukowego elektrodą topliwą w osłonie gazów na poziom dźwięku generowanego w trakcie procesu. Omówiono wyniki badań dla wybranych 7 metod spawania łukowego w osłonie gazów: MAG, MAG Pulse, CMT (Cold Metal Transfer), ColdArc, RapidArc, MAG Double Pulse i AC Pulse. Analizowano zależności pomiędzy warunkami materiałowo-technologicznymi spawania a poziomem ciśnienia akustycznego dźwięku A oraz poziomem ciśnienia akustycznego w 1/3 oktawowych pasmach widma hałasu słyszalnego i ultradźwiękowego.

Przedstawiono aspekty teoretyczne i praktyczne modelowania numerycznego natryskiwania metodą Cold Spray. Wskazano główne obszary badawcze analiz numerycznych: modelowanie prędkości cząstek oraz modelowanie odkształcenia cząstki. Określono główne parametry rozważane podczas symulacji oraz wykazano na jakich zależnościach bazują analizy. Przedstawiono zalecane oprogramowanie, przykłady modelowania i wskazano na ich główne problemy. Zaprezentowano metody weryfikujące wyniki modelowania i oceniono ich przydatność w praktyce. Na koniec uzasadniono przydatność analiz numerycznych wykazując potencjał aplikacyjny metody Cold Spray.

Artykuł przedstawia zalety programowania metodą off-line zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych. Dla przykładu posłużono się oprogramowaniem DTPS (Desk Top Programming and Simulation System) firmy PANASONIC.

Scharakteryzowano obecnie stosowane techniki spawania podwodnego oraz problemy związane z uzyskiwaniem złączy o wymaganych własnościach. Przedstawiono wyniki badań spawalności stali o podwyższonej wytrzymałości w warunkach podwodnych. Wskazano główne kierunki badawcze oraz rozwój technologii spawalniczych zmierzających do ograniczenia wpływu niekorzystnych warunków spawania podwodnego oraz poprawy jakości złączy wykonywanych pod wodą.

Przedstawiono badania doświadczalne, których celem było porównanie warunków spawania i właściwości technologicznych spawania złączy doczołowych niskoenergetycznymi odmianami metody spawania elektrodą topliwą w osłonie gazów ochronnych: MAG Standard, MAG Puls, TwinPuls, SpeedPuls, SpeedUp, SpeedArc, SpeedRoot i SpeedCold. Porównano wydajność spawania w tych procesach oraz wpływ charakterystyk dynamicznych źródeł zasilania na geometrię oraz makrostrukturę spoin.

Dotychczasowe wyniki badań recepturowo – technologicznych prowadzonych w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach nad spoiwami i topnikami do lutowania twardego o ograniczonej szkodliwości. Właściwości lutownicze nowo opracowanych niskotopliwych, bezkadmowych spoiw srebrnych w postaci prętów z otuliną topnikową oraz topników niskofluorkowych. Jakość i właściwości wytrzymałościowe wykonanych nimi złączy lutowanych.