47. Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Osiągnięcia i perspektywy w spawalnictwie

Przedstawiono zharmonizowany system EWF wdrażający normy europejskie dotyczące zarządzania jakością, ochrony środowiska i zapewnienia bezpieczeństwa pracy w spawalnictwie. Artykuł określa także sposób prowadzenia oceny przez Autoryzowane Organizacje Krajowe (ANBCC), certyfikujące w imieniu EWF spełnienie wymagań jakościowych, system zarządzania ochroną środowiska i system zarządzania bezpieczeństwem pracy w zakładach produkcji spawalniczej.

W ciągu ostatnich kilku lat pojawiło się kilka nowych opracowań w dziedzinie spawania wiązką o skoncentrowanej energii. W artykule przedstawiono te opracowania, podając ich zasadę, możliwości i przykłady zastosowania. Opisano spawanie elektronowe bez stosowania próżni. Opisano spawanie laserowe z podawaniem materiału dodatkowego, spawanie hybrydowe laser-MIG, spawanie z odchyleniem wiązki lasera. Przedstawiono nowe kierunki w spawaniu laserowym: lasery Nd:YAG pompowane diodowo, lasery włóknowe i diodowe.

Przedstawiono prace prowadzone w Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach nad technologią spawania laserowego blach karoseryjnych ocynkowanych o zróżnicowanej grubości, typu tailored blanks, wymienników ciepła, rur zwijanych oraz modułów sprzęgieł magnetycznych. Opisano podstawowe wymagania stawiane tego typu złączom. Omówiono różne techniki spawania laserowego, takie jak spawanie z podwójnym ogniskowaniem wiązki i spawanie hybrydowe.

Procesy spajania (spawanie, zgrzewanie, lutowanie) odbywają się w podwyższonej temperaturze, z reguły w obecności ciekłej fazy metalicznej, a więc w warunkach aktywacji termicznej, czego zresztą zwykle sobie nie uświadamiamy. W referacie wprowadzono pojęcie aktywacji procesu i przedstawiono własną klasyfikację rodzajów aktywacji z energetycznego punktu widzenia. W oparciu o nią przedyskutowano atrakcyjne możliwości obniżenia energochłonności spajania w wyniku aktywacji innej niż termiczna i przedstawiono praktyczne przykłady takich procesów.

Podano wyniki badań przeprowadzonych na 30 doświadczalnych stalach nierdzewnych poddanych dwom próbom laboratoryjnym skłonności do pęknięć likwacyjnych. W badaniach zastosowano japoński symulator spawalniczych cykli cieplnych i odkształceniowych Thermorestor-W oraz rosyjską próbę LTP 1 6/TIG. Zaproponowano wstępne kryteria oceny skłonności stali do pęknięć likwacyjnych (3 stopnie). Porównano uzyskane wyniki badań ze wskaźnikami L, DH i ECr/ENi wyliczonymi w oparciu o skład chemiczny stali.

Remonty konstrukcji podwodnych wymagają stosowania odpowiednich technologii spawania pod wodą i procedur kontroli. Ze względu na duże zagrożenie bezpieczeństwa istotne znaczenie dla wykonywania tych zadań ma wysoko wykwalifikowany personel, włączając nurków oraz zespół pracowników na powierzchni. Specjalnie zaprojektowany sprzęt o dużym stopniu złożoności jest podstawą pomyślnego wykonania zadań. Badania nad doskonaleniem i zastosowaniem spawania podwodnego i badań nieniszczących zostały znacznie zintensyfikowane w ostatniej dekadzie. Zagadnienia te są szczególnie ważne w Chorwacji z powodu wzmożonego natężenia transportu ropy naftowej i wydobycia gazu ziemnego na Adriatyku. W Katedrze Konstrukcji Spawanych Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Architektury Morskiej Uniwersytetu w Zagrzebiu wykonywane są liczne projekty z dziedziny prac podwodnych. W artykule omówiono główne prace z zakresu spawania i badań nieniszczących pod wodą.

Opisano badania procesu napawania i spawania metodą TIG gorącym drutem w pozycji PA i PC. Zastosowano stabilne i zsynchronizowane pulsujące nagrzewanie drutu. Przeprowadzono badania technologiczne spawania i napawania stali 11 523 oraz stali austenitycznych 17 249 i Acx 315 z zastosowaniem spoiwa na bazie niklu (THERMANIT NICHRO 82) i spoiwa austenitycznego (ESAB OK Autrod 16.32), mające na celu określenie wpływu warunków i parametrów spawania na jakość spoin i napoin. Oceniono własności spoin i napoin, uzyskanych przy parametrach zapewniających wydajność stapiania powyżej 2 kg/h.

Zbadano wpływ parametrów zrobotyzowanego napawania na jakość napoin z nadstopu inkonel 625 na głowicach wysokoprężnych silników okrętowych wykonanych ze staliwa 13CrMo4-5. Wielościegowe napawanie MIG przeprowadzono z zastosowaniem robota PANASONIC PerformArc przy dwóch poziomach energii liniowej: E=620 J/mm i E=2100 J/mm, w osłonie argonu. Rejestrowano obraz termowizyjny ściegu. Określono: parametry geometryczne, jakość za pomocą badań penetracyjnych, makro i mikroskopowych, mikrostrukturę, skład chemiczny napoin oraz rozkład twardości na przekroju poprzecznym. Zastosowanie zrobotyzowanego napawania wyeliminowało pęknięcia napoin i korzystnie wpłynęło na geometrię, równomierność składu chemicznego, prawidłowość mikrostruktury napoin i powtarzalność wyników napawania.

Spalanie odpadów w energetyce wymaga stosowania napawania stopiwami niklowymi elementów narażonych na procesy korozji. Jako stopy Ni wykorzystuje się głównie stopy inkonel 625 i 686. W pracy przedstawiono wyniki prób napawania rur ze stali 15Mo3 stopem inkonel 686, stwierdzając przydatność technologii napawania metodą MIG.

Przedstawiono wyniki badań wpływu energii liniowej napawania i kierunku oraz kąta pochylenia uchwytu w procesie napawania zrobotyzowanego GMA drutem proszkowym cermetalowym EnDOtec DO*11, z ruchem wahadłowym uchwytu, na jakość i kształt napoin oraz udział materiału podłoża w napoinie. Określono odporność na zużycie ścierne napoin wielowarstwowych.

Omówiono zgrzewanie iskrowe z perspektywicznym ujęciem procesu zgrzewania doczołowego z wyiskrzaniem pulsującym grubych elementów z wysokowytrzymałych i utwardzonych cieplnie stopów aluminiowych. Przedstawiono zalety tego procesu oraz wskazano urządzenia do jego realizacji. Opisano schemat strukturalny komputerowego systemu operatywnej kontroli i rejestracji parametrów zgrzewania stopów aluminiowych.

Przytoczono wyniki badań doświadczalnych pól akustycznych i cieplnych powstających podczas półautomatycznego spawania elektrodą topliwą w osłonie gazowej z drobno- i grubo kroplowym przenoszeniem ciekłego metalu w łuku spawalniczym. Wykazano, że w pierwszym przypadku występują drgania jeziorka spawalniczego o wielkiej częstotliwości, które w określonych warunkach mogą powodować tworzenie się korzystniejszej mikrostruktury oraz mogą być wykorzystywane do diagnostyki zakłóceń i sterowania parametrami procesu spawania.

Scharakteryzowano współczesny stan techniki zgrzewania rezystancyjnego, podając przykłady nowoczesnych opracowań z zakresu urządzeń i materiałów. Przedstawiono aktualne wymagania odnośnie zapewnienia jakości zgrzewanych elementów i omówiono zasadę działania systemu kontroli, nadzorowania i regulowania jakości oraz stosowane do tego metody i urządzenia. Zwrócono uwagę na konieczność właściwego szkolenia w dziedzinie zgrzewania rezystancyjnego. Omówiono strukturę systemu szkolenia opracowanego przez DVS, które swoim zakresem obejmuje różne poziomy, począwszy od inżyniera aż do operatora urządzeń.

Badano wpływ azotu, dodawanego do mieszanki osłonowej na bazie argonu, na skłonność do pęknięć gorących stopów niklu NiCr25FeAlY, NiCr23Fe, NiCr29Fe i NiCr21Co12Mo podczas spawania metodą TIG i MIG. Badania przeprowadzono na materiale podstawowym o grubości 5 mm za pomocą próby pękania z programowanym odkształcaniem, przetapiając blachę metodą TIG i wykonując napoiny metodą MIG prądem pulsującym. Zbadano również wpływ azotu na udarność stopiwa oraz przeprowadzono badania mikrostruktury za pomocą mikroskopii elektronowej. Badania wykazały, że azot wywiera korzystny wpływ na ograniczenie pęknięć gorących przy spawaniu metodą TIG i MIG w stopach NiCr25FeAlY i NiCr23Fe, które uzyskują wysoką żaroodporność i odporność na pełzanie w wyniku utwardzenia pierwotnymi węglikami chromu. Badania stopów NiCr29Fe i NiCr21Co12Mo, które uzyskują wysoką wytrzymałość głównie przez umocnienie roztworowe, nie wykazały wyraźnego wpływu zawartości azotu w gazie osłonowym na powstawanie gorących pęknięć. Nie wykazano również w sposób jednoznaczny wpływu zawartości azotu w gazie osłonowym na udarność stopiwa badanych stopów.

Wysokowytrzymała stal austenityczna CrMnN o małej zawartości niklu NirostaR H400 dzięki metastabilnej strukturze austenitycznej ulega silnemu umocnieniu na zimno, tak że już niewielkie stopnie odkształcenia powodują znaczny wzrost wytrzymałości. Z uwagi na te własności stal ta nadaje się szczególnie do zastosowań w pojazdach szynowych i samochodowych. Niniejszy artykuł informuje o zachowaniu się stali NirostaR H400 podczas spawania metodą MAG i lutowania przy zastosowaniu metody MIG. Jako materiał porównawczy służyła nierdzewna standardowa stal austenityczna 1.4301. Przedstawiono wyniki badań metalograficznych złączy spajanych, opisano problematykę stapiania górnej krawędzi blach podczas spawania cienkościennych złączy zakładkowych oraz wpływ ilości wprowadzonego ciepła przy spawaniu metodą MAG, w zależności od odległości od spoiny, na odkształconą strukturę materiału rodzimego.

Większości wad i niezgodności spawalniczych można uniknąć przez właściwe wyszkolenie operatorów, rejestrację parametrów spawania i ich kontrolę, odpowiednie nastawienie parametrów i przygotowanie elementów do spawania, jak również przez optymalizację procesu spawania, stosując odpowiednio dobrane atmosfery ochronne. Zarządzanie jakością wymaga, z konieczności, dobrej oceny całkowitych kosztów i zarządzania warsztatem spawalniczym.

Szeroko rozpowszechniony wśród spawaczy pogląd dotyczący gazów osłonowych jest taki, że są one mniej więcej wszystkie jednakowe, a zmiana gazu nie wpływa znacząco na spoinę. Wskutek tego gaz osłonowy jest postrzegany jako nieunikniona konieczność w procesach spawania w osłonie gazów oraz jako towar, który może być zakupiony gdziekolwiek i za możliwie niską cenę. Ale czy gazy osłonowe chronią tylko jeziorko spawalnicze przed dostępem powietrza? Czy prawdą jest, że gazy osłonowe można dowolnie zmieniać i że najtańszy spełni swoje zadanie? Czy to naprawdę jest takie proste – kupienie tańszego gazu pozwoli zaoszczędzić pieniądze? W artykule omówiono bezpośredni wpływ gazu osłonowego na proces spawania. Wykazano, że właściwy wybór gazu osłonowego jest głównym czynnikiem wpływającym na jakość złącza spawanego oraz wydajność procesu spawania. Autor ma nadzieję, że po przeczytaniu tego artykułu nastąpi zmiana poglądu na temat gazu osłonowego, przestanie on być traktowany jako zło konieczne i zacznie być postrzegany jako cenne narzędzie. Ponadto przedstawiono korzyści płynące z wyboru odpowiedniego gazu osłonowego na przykładzie spawania m.in. metodami TIG, MIG, MAG i MAG tandem stali niestopowych, wysokostopowych oraz aluminium i jego stopów.

Przedstawiono ideę oceny jakościowej zgrzein punktowych dla cienkościennych elementów stalowych badanych metodą ultradźwiękową. Podano przebiegi odbić sygnału ultradźwiękowego dla typowych poprawnych i wadliwych zgrzein. Stwierdzono, że badania ultradźwiękowe mogą być zastosowane do oceny jakości zgrzein w cienkościennych konstrukcjach stalowych, spotykanych w wielu gałęziach przemysłu, głównie w przemyśle samochodowym. Ponadto przedstawiono jedną z nowatorskich metod obserwacji przebiegu procesu zgrzewania rezystancyjnego punktowego w czasie rzeczywistym. Oparta jest ona na pomiarze parametrów przechodzącej przez zgrzeinę fali ultradźwiękowej. Przeprowadzone badania wykazały, iż omawiana metoda pozwala na uzyskanie jednoznacznej informacji o stanie powstającego jądra zgrzeiny. Uzyskane w ten sposób  dane mogą być użyte, nie tylko w celu oceny jakości powstającej zgrzeiny, ale również sterowania przebiegiem całego procesu. Zapewnianie wysokiej jakości zgrzein jest niewątpliwie bardzo istotnym zagadnieniem, szczególnie wobec masowego zastosowania tej technologii w wielu gałęziach przemysłu. Szerokie zainteresowanie rozwiązaniami, pozwalającymi kontrolować przebieg procesu tworzenia się jądra zgrzein wynika głównie z możliwości ograniczenia wpływu zakłóceń na proces (przyczyn występowania niezgodności w  powstających złączach) a nie, jak to dotychczas miało miejsce, jedynie obserwacji ich skutków, po fakcie powstania zgrzeiny.

Spawanie i zgrzewanie doczołowe i na zakładkę blach i płyt aluminiowych z miedzianymi jest utrudnione ze względu na znaczne różnice temperatur topnienia, twardości oraz przewodności elektrycznej i cieplnej tych metali. Do ich łączenia konieczne jest stosowanie specjalnych zabiegów technologicznych, pozwalających na uzyskiwanie połączeń o wysokiej i powtarzalnej jakości. W artykule przedstawiono opracowane w Instytucie Spawalnictwa sposoby zgrzewania tarciowego metodą FSW elementów wykonanych z miedzi i aluminium. Zestawiono wyniki badań nad zgrzewaniem doczołowym płyt o grubości od 3 do 10 mm i na zakładkę blachy aluminiowej z płytą miedzianą. Przedstawiono wyniki badań metaloznawczych i wytrzymałościowych. Pozytywne wyniki stosowania metody FSW do łączenia blach i płyt Al+Cu pozwalają przypuszczać, że metoda ta znajdzie wkrótce szerokie zastosowanie w przemyśle.

Podano krótką charakterystykę krajowej energetyki i uzasadniono konieczność jej modernizacji. Zamieszczono wyniki badań spawalności stali T/P23, T24, T/P92, E911 i HCM12A w postaci wykresów CTPc-S i własności symulowanej strefy wpływu ciepła oraz wyniki badań skłonności do pęknięć wyżarzeniowych. Dla złączy spawanych rur ze stali P23, T92, P92, E911 i HCM12A podano warunki spawania, własności mechaniczne, wyniki badań metalograficznych i pomiaru twardości. Stwierdzono, że badane złącza rur wykonane zgodnie ze sprawdzoną technologią spawania i obróbki cieplnej charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi i plastycznymi oraz wymaganą odpornością na kruche pękanie.

W związku z coraz częstszym wykorzystywaniem technologii spawalniczych do nowych celów, postanowiono zbadać możliwości zastosowania źródeł o dużej gęstości mocy do obróbki powierzchniowej odlewów z żeliwa, a także określić strukturę i własności warstwy przetopionej oraz wpływ struktury wyjściowej na uzyskane wyniki. Materiałem do badań było żeliwo szare z grafitem płatkowym o różnej strukturze osnowy (ferrytycznej i perlitycznej), lecz takim samym składzie chemicznym. Żeliwa przetopiono laserem oraz łukiem elektrycznym (TIG) i poddano je badaniom metalograficznym na mikroskopie optycznym oraz elektronowym. Przeprowadzono rentgenowską analizę fazową, określono twardość oraz odporność na ścieranie przetopionej warstwy. Przeprowadzone badania pozwoliły na stwierdzenie, że struktura warstwy wierzchniej zależy od struktury wyjściowej materiału oraz, że oba rodzaje obróbki powodują wzrost własności użytkowych warstwy wierzchniej, jednakże w różnym stopniu.

Badania stanu naprężeń po spawaniu dokonano dla elementów tarczowych ze stali niskowęglowej, łączonych spoinami czołowymi. Do nieniszczących badań naprężeń pospawalniczych zastosowano metodę wykorzystującą efekt Barkhausena. Metoda ta po uprzednim skalowaniu, pozwala na uzyskanie danych ilościowych o składowych stanu naprężeń. Wyniki badań eksperymentalnych porównano z rezultatami otrzymanymi z obliczeń numerycznych, dokonanych metodą elementów skończonych (MES). Wykonane badania i testy numeryczne wykazały zbieżność rezultatów i przydatność metody eksperymentalnej do oceny naprężeń po spawaniu.