54. Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Spawalnictwo - osiągnięcia, potrzeby, wyzwania

Europejska Federacja Spawalnicza (EWF) uosabia platformę współpracy europejskiej w dziedzinie spawalnictwa. W artykule zwięźle przedstawiono główne wyniki działalności EWF, którymi są: rozwój Międzynarodowego/Europejskiego systemu szkolenia, kwalifikowania i certyfikowania, poprawa wizerunku spawania oraz udział w projektach finansowanych przez UE. Ponadto przedstawiono przykłady projektów wykonywanych przy współpracy z EWF.

Przedstawiono efekty zmian, jakie zaszły w spawalnictwie w okresie ostatnich 20 lat. Analizą objęto materiały dodatkowe do spawania, technologie spawania i poziom ich automatyzacji oraz badania naukowe w dziedzinie spawalnictwa. Określono słabe i mocne punkty obecnego spawalnictwa. Wyznaczono czynniki, od których zależeć będzie rozwój spawalnictwa w przyszłości.

Przedstawiony materiał dotyczy wybranych przypadków zniszczeń konstrukcji ze stali nierdzewnej, które miały miejsce na terenie Słowacji kilka lat temu. Stale nierdzewne wykazują znakomite właściwości, które są jednakże ograniczone odpowiednim ich zastosowaniem w danych warunkach (temperatura, medium robocze itp.). Zaprezentowane pęknięcia dotyczą realnych przypadków awarii w przemyśle petrochemicznym i cementowni. Wszystkie pęknięcia były spowodowane głównie nieodpowiednim podejściem technicznym. Zaproponowano możliwe środki zapobiegawcze.

Żaden z nowo opracowanych gatunków stali nigdy nie będzie szeroko stosowany i powszechnie akceptowany przez użytkowników, dopóki nie zostanie potwierdzona jego spawalność odbywająca się bez zbyt wielu ograniczeń. Nowoczesne stale typu duplex, poza nielicznymi gatunkami, spełniają powyższy wymóg. W ciągu ostatniej dekady grupa stali typu duplex została poszerzona o kilka nowych gatunków stali typu lean duplex oraz gatunków wysokostopowych typu hyper duplex. Większość dostępnych obecnie zaleceń dotyczących spawania stali typu duplex jest nadal zbliżona do tych z lat 90. ubiegłego wieku i to pomimo wprowadzenia do sprzedaży kilku nowych gatunków stali typu duplex oraz szerszego zastosowania nowych metod spawania, które nieco zmieniły postrzeganie tego, co jest możliwe do osiągnięcia. W niniejszym artykule omówiono aktualny stan zagadnienia spawalności stali typu duplex oraz aktualne trendy w spawaniu tych stali. Zawarte w artykule informacje wywodzą się z przesłanek pozyskanych od światowej społeczności spawalniczej, włączając w to użytkowników i producentów stali, materiałów dodatkowych do spawania oraz źródeł literaturowych.

Elektrownie zasilane paliwami kopalnymi oraz spalarnie odpadów wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej stawiają bardzo wysokie wymagania podzespołom kotłów energetycznych, takim jak: palenisko, kolektor, przegrzewacz i systemy rurowe. Wymagania te wynikają z ostrych warunków pracy poszczególnych elementów, narażonych na ścieranie i erozję. Dłuższą żywotność podzespołów kotła w takich warunkach może zapewnić tylko powłoka ochronna. Spośród wielu dostępnych rodzajów powłok ochronnych, największą niezawodnością charakteryzują się napoiny wykonane ze stopów na osnowie niklu. Długi czas eksploatacji zapewnia stop 625, charakteryzujący się odpornością na korozję i żaroodpornością. Metoda CMT (Cold Metal Transfer) zapewnia jednorodną grubość warstwy oraz bardzo niską zawartość żelaza w napoinie. Ze względu na niewielką ilość wprowadzonego ciepła i wynikające z tego niewielkie wymieszanie napoiny z materiałem podstawowym, metoda CMT, jako odmiana spawania elektrodą topliwą w osłonie gazów (GMAW), potwierdziła przydatność do tego typu zastosowań.

Podczas procesów spawania wydzielane są do środowiska pracy zanieczyszczenia pyłowe i gazowe, które zawierają liczne substancje niebezpieczne dla zdrowia pracowników. Szczególne zagrożenie zdrowia spawaczy towarzyszy procesom spawania stali odpornych na korozję. Związki chromu i niklu występujące w pyle spawalniczym zaliczane są do substancji o udowodnionym lub prawdopodobnym działaniu rakotwórczym. W artykule przedstawiono wyniki badań emisji pyłu, substancji kancerogennych i gazów wydzielających się przy spawaniu stali odpornych na korozję przy zastosowaniu innowacyjnych niskoenergetycznych metod spawania łukowego w osłonie gazów – CMT (Cold Metal Transfer) i ColdArc. Głównym celem poznawczym badań było określenie wielkości emisji zanieczyszczeń oraz analiza składu chemicznego pyłu przy spawaniu metodami łukowymi niskoenergetycznymi wybranych stali odpornych na korozję oraz wyznaczenie zależności pomiędzy warunkami technologicznymi procesów a emisją zanieczyszczeń i zawartością w pyle pierwiastków stanowiących zagrożenie kancerogenne dla zdrowia pracowników. Badania emisji zanieczyszczeń prowadzono dla dwóch gatunków stali odpornych na korozję: stali austenitycznej X5CrNi18-10 oraz stali chromowej ferrytycznej X6Cr17.

Analizowano wpływ procesów wydzieleniowych na spawalność stali. Przedstawiono wyniki badań połączeń zgrzewanych indukcyjnie stali L360MB. Stwierdzono, że przyczyną obniżenia udarności zgrzein tej stali były niekorzystne procesy wydzieleniowe związane z rozpadem faz umacniających, przesyceniem roztworu stałego i odkształceniem materiału w obszarze złącza. Wykazano również istotną skłonność do utwardzenia w czasie odpuszczania napoin o składzie chemicznym stali 7CrMoVTiB10-10 (T24) oraz spoin stali różnoimiennych X10CrMoVNb9-1 (T91) i 10CrMo9-10 (T22). Skłonność do utwardzania napoin stali 7CrMoVTiB10-10 (T24) zależy od energii liniowej napawania i metody napawania. Efekt twardości wtórnej w spoinach złączy różnoimiennych stali T91 i T22 ścian szczelnych kotła może wystąpić już w czasie ich spawania.

Przedstawiono charakterystykę spawania pod wodą metodą lokalnej komory suchej. Na postawie badań eksperymentalnych oceniono możliwość zastosowania w warunkach spawania pod wodą drutu proszkowego przeznaczonego do spawania na powietrzu. Przeprowadzono analizę budowy strukturalnej oraz rozkładów twardości złączy spawanych. Stwierdzono, że zastosowany materiał dodatkowy umożliwia poprawne wykonanie złączy spawanych w warunkach podwodnych.

Występowanie pęknięć lamelarnych w ściankach elementów konstrukcyjnych jest uwarunkowane układem naprężeń strukturalnych w wyrobach walcowanych oraz niskimi wskaźnikami plastyczności i ciągliwości w kierunku grubości blachy w połączeniu z wieloosiowym stanem naprężeń, który pojawia się przy spawaniu, montażu i eksploatacji konstrukcji stalowych w miejscach złączy pachwinowych. Warunki tworzenia naprężeń strukturalnych zarówno w skali mikro, jak i makro występują w procesie produkcji walcówki. Wykluczenie tych mankamentów, nawet przy stosowanych obecnie nowoczesnych, przodujących technologiach jest praktycznie niemożliwe. Celem opracowania było znalezienie sposobu ograniczenia negatywnego wpływu tego zjawiska, gdyż koszt usunięcia następstw spowodowanych pęknięciami jest znacznie większy, aniżeli prowadzenie prac profilaktycznych.

Rozpatrzono ogólne zasady procesu spalania wodoru z tlenem w płomieniu spawalniczym. Przytoczono informacje o podstawach sterowania charakterystykami technologicznymi płomienia wodorowo-tlenowego powstającego przy spalaniu mieszanki wytwarzanej przez generatory elektrolityczno-wodne. Oceniono możliwość zastosowania płomienia wodorowo-tlenowego do spawania, lutowania i cięcia metali.

Omówiono badania opracowanego w NTUU „KPI” procesu napawania i spawania stali średniowęglowych i średniostopowych bez podgrzewania wstępnego. Istota procesu polega na zmniejszeniu prędkości chłodzenia w krytycznym przedziale najmniejszej stabilności austenitu w wyniku obróbki powierzchni ściegu ciepłem łuku dodatkowego sterowanego magnetycznie. Takie wyżarzanie wahadłowe zapewnia prawie 5-krotne obniżenie prędkości chłodzenia i tym samym otrzymanie bardziej plastycznych struktur oraz eliminację pęknięć zimnych. Przedstawiono schemat nowego procesu, podano informacje o zmianach strukturalnych i własnościach.

Przedstawiono wyniki badań struktury i własności spoin wykonanych przy zastosowaniu różnych materiałów dodatkowych. Badania przeprowadzono na złączach doczołowych rur oraz złączach typu rura-płaskownik. Ściegi graniowe w złączach doczołowych rur wykonano spoiwem o strukturze austenitycznej EPRI P87 oraz spoiwem P 24-IG, natomiast złącza doczołowe rura-płaskownik wykonano automatycznie łukiem krytym spoiwem Union S P24 + topnik UV 305 i S1CrMo2 + topnik UV 305. Badania wykazały, że wykonanie przetopu spoiwem austenitycznym ERPI P87 daje lepszą jakość warstwy graniowej, bez obecności mikropęknięć gorących. Natomiast złącza typu rura-płaskownik, niezależnie od stosowanych materiałów dodatkowych, uzyskują wysokie własności wytrzymałościowe.

Omówiono doświadczenia zdobyte podczas spawania połączeń jednorodnych stali austenitycznej TEMPALOY A-3 oraz połączeń mieszanych stali TEMPALOY A-3 ze stalą T91 z wykorzystaniem materiału EPRI87. Przeprowadzono badania niszczące i nieniszczące zgodnie z zakresem przedstawionym w normie PN-EN ISO 15614-1. Wszystkie z przebadanych złączy odznaczają się wysoką jakością, co zostało potwierdzone przez wyniki badań. Są to jedne z nielicznych badań tego gatunku stali na świecie.

W przemyśle energetycznym spawane połączenia doczołowe rur najczęściej wykonuje się przy użyciu kombinacji metod TIG i MMA. W większości przypadków po spawaniu wymagane jest przeprowadzenie obróbki cieplnej. W niektórych przypadkach przeprowadzenie takiej obróbki jest jednak utrudnione lub wręcz niemożliwe. Jednym ze sposobów umożliwiających wyeliminowanie obróbki cieplnej przy jednoczesnym uzyskaniu wymaganych własności złącza jest zastosowanie podczas spawania tzw. techniki ściegów odpuszczających. W publikacji zaprezentowano wyniki badań połączeń doczołowych rur wykonanych w sposób konwencjonalny oraz przy użyciu techniki ściegów odpuszczających. Przedstawiono wyniki badań nieniszczących (VT, PT, RT) i niszczących (próba statycznego rozciągania, badanie na zginanie, pomiar twardości, pomiar pracy łamania, badania metalograficzne makro- i mikroskopowe) połączeń spawanych wykonanych ze stali PB2.

Porównano inwertorowe źródła prądu stosowane do spawania łukowego z rozwiązaniem MICOR zastosowanym w budowie nowoczesnych urządzeń. Przedstawiono rys ewolucyjny zasilaczy inwertorowych oraz wpływ ich budowy i zastosowanych rozwiązań na właściwości użytkowe.

Omówiono proces lutospawania laserowego prowadzony na stanowisku zrobotyzowanym wyposażonym w laser dyskowy i głowicę z dotykowym systemem śledzenia styku złączy. Uwzględniono podstawowe aspekty sprzętowe i technologiczne lutospawania na takim stanowisku złączy zakładkowych. Przedstawiono badania z wykorzystaniem fotograficznej rejestracji przebiegu procesu.

Duży, ciągle rosnący udział metod spawania w osłonach gazów ochronnych w produkcji spawalniczej oraz konieczność uzyskiwania połączeń wysokiej jakości sprawia, że coraz większym zainteresowaniem cieszą się nowoczesne odmiany technologii MIG/MAG, w których stosuje się impulsowe zmiany natężenia prądu, napięcia łuku lub/i posuwu drutu elektrodowego. Przeprowadzone analizy i badania eksperymentalne potwierdzają tezę, że zmiany chwilowych wartości prądu i napięcia łuku istotnie wpływają na sposób wprowadzenia ciepła, co skutkuje zróżnicowaną geometrią wtopienia i szybkością chłodzenia spoin przy zachowaniu stałych wartości podstawowych parametrów spawania, tj. prądu spawania i napięcia łuku. Autorzy proponują stosowanie odmiennego od dotychczasowego sposobu obliczania podstawowych parametrów spawania dla przebiegów niesymetrycznych, a zatem i wynikowego ciepła wprowadzonego. Pozwoli to na właściwe szacowanie mocy łuku i energii liniowej spawania.

Atmosfera ochronna z zakresu od nisko-utleniającej (M20 zgodnie z ISO 14175) do wysoko utleniającej (C1 zgodnie z ww. normą) w procesach spawania niestopowych stali węglowych metodą MAG może zawierać różne ilości CO₂. Zawartość CO₂ ma znaczący wpływ na sposób przenoszenia kropli metalu, intensywność rozprysku, wygląd spoiny i jeziorka spawalniczego, emisję par i gazów, a także na wydajność i powstawanie niezgodności powierzchniowych. Wykorzystując technikę szybkiego filmowania, wykonuje się prezentacje różnych rodzajów łuku dla różnych składów atmosfery ochronnej, a odpowiednie techniki prowadzenia procesu pozwalają na uzyskanie dużej wydajności i dobrej jakości spoin przy istniejących technologiach wytwarzania łuku. Uzyskane wyniki potwierdzają, że szeroki i zoptymalizowany zakres składu gazów osłonowych używanych do spawania metodą MAG niestopowych stali węglowych i stali miękkich spełnia wymagania praktycznie wszystkich procesów produkcji wyrobów z metalu, pod warunkiem, że dostarczane gazy osłonowe dokładnie odpowiadają specyfikacjom.

Istnieje skoordynowane wzajemne oddziaływanie między normami podstawowymi (EN 3834 łącznie z EN ISO 9001) oraz normami dotyczącymi zastosowania (EN 1090-2, EN 15085 i EN 13445). W ten sposób zapewniony został skoordynowany przebieg procesu produkcyjnego w czasie i przestrzeni oraz zapewniona została zakładana jakość produkcji. Oznacza to, że między tymi normami występuje określona współzależność. Współzależność norm podstawowych i norm dotyczących zastosowania stwarza obszerną podstawę dla rozpoznania wspólnych zasad, które w określonych sytuacjach mogą umożliwić budowę elastycznego i bardziej skutecznego systemu zapewnienia jakości w spawalnictwie. Taki zintegrowany system może być szczególnie przydatny dla przedsiębiorstw o szerokiej palecie produkowanych wyrobów, które przy uwzględnieniu różnorodnych norm dotyczących zastosowania wchodzą w obszar prawnie regulowany ale także dla przedsiębiorstw w obszarze nie uregulowanym prawnie, które zmierzają do zorganizowania systemu zarządzania jakością.

Wieloczęściowa norma europejska EN 15085 ujednoliciła wymagania dotyczące wytwarzania pojazdów szynowych i ich części składowych a także ujednoliciła zasady kwalifikowania wytwórców tych wyrobów. W Niemczech powstała baza danych „on-line” istotnych danych spawalniczych dotyczących budowy pojazdów szynowych i ich napraw, która wywodzi się z bazy danych normy DIN 6700 opracowanej i utrzymywanej przez Schweisstechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Halle. Niemieckie jednostki certyfikujące wytwórców są zobowiązane do wprowadzenia do Rejestru on-line wszystkich certyfikowanych wytwórców stopni CL1, CL2 i CL4, przechowywania treści certyfikatów i informowania w możliwie krótkim terminie o występujących zmianach. Zainteresowanie Rejestrem-online EN 15085 zgłosiły także państwa członkowskie skupione w European Committee for Welding of Railway Vehicles, w tym także Polska.

Metoda FSW jest coraz szerzej stosowana w różnych gałęziach światowego przemysłu, przede wszystkim do łączenia stopów aluminium w przemyśle samochodowym, stoczniowym, lotnictwie i przemyśle kosmicznym. Do kontroli warunków zgrzewania oraz wykrywania wad i niezgodności w zgrzeinie mogą być stosowane różne metody. Ostatnio budowane i rozwijane są systemy kontroli „on-line” procesu zgrzewania, oparte o badania warunków mechanicznych zgrzewania – system LowStir, badania procesu tworzenia zgrzeiny za pomocą kamer wizyjnych i termowizyjnych oraz badania ultradźwiękowe zgrzein laserowym systemem LUT. Celem opracowywania systemów kontroli procesu zgrzewania FSW jest umożliwienie oceny na bieżąco jakości tworzonej zgrzeiny oraz wykrywania ewentualnych wad powstających już na etapie wytwarzania konstrukcji na stanowisku zgrzewalniczym. Pozwoli to na wyeliminowanie elementów wadliwych z produkcji.

Przedstawiono wyniki badań porównawczych procesu quasi-statycznego zgniatania profili cienkościennych łączonych metodami zgrzewania oporowego punktowego i przetłaczania. Do badań wykorzystano nowoczesne stale konstrukcyjne, jak DP, HSLA czy TRIP, o zróżnicowanej grubości. Badania wykazały, iż istnieje wpływ rodzaju materiału oraz jego grubości na energochłonność cienkościennych profili stalowych. Stwierdzono również, że w przypadku materiałów o wysokiej plastyczności, jak stale DC i HSLA, połączenia przetłaczane rzadziej ulegają zniszczeniu podczas zgniotu próbek w stosunku do stali o wysokiej wytrzymałości, jak np. DP800 czy DP1000. Energia pochłonięta podczas spęczania próbek łączonych techniką przetłaczania jest zbliżona do energii pochłoniętej przez analogiczne elementy zgrzewane punktowo. Istotne różnice w energochłonności badanych profili cienkościennych obserwowano, kiedy połączenia ulegały zniszczeniu lub dochodziło do utraty spójności materiału. Fakty te pozwalają stwierdzić, iż możliwe jest zastosowanie połączeń przetłaczanych w cienkościennych elementach energochłonnych po uwzględnieniu ich specyficznych właściwości już na etapie projektowania konstrukcji pochłaniającej energię zderzenia.

Przedstawiono metodykę modelowania za pomocą metody elementów skończonych naprężeń własnych powstałych w czasie procesów termicznego nakładania powłok na podłoża. Modelowanie przeprowadzono dwuetapowo: etap pierwszy – dynamiczny – polegał na rozwiązaniu zagadnienia zderzenia pojedynczych cząstek materiału powłoki z podłożem, a etap drugi – statyczny – na termomechanicznej, nieliniowej analizie symulacji procesu poprzez tworzenie przyrastających podwarstw w czasie, aż do uzyskania powłoki o określonej grubości i schładzania całości. Obliczenia przeprowadzono dla kołowych próbek składających się z tytanowej powłoki (o trzech grubościach) naniesionej na podłoże ceramiczne Al2O3 metodą detonacyjną. Model obliczeniowy został zweryfikowany eksperymentalnie przez pomiary ugięcia próbki po jej schłodzeniu do temperatury pokojowej. Otrzymano dobrą zgodność wyników numerycznych ugięć układu powłoka – podłoże z doświadczalnymi.

We wszystkich dziedzinach produkcji obserwuje się stały wzrost wymagań dotyczących jakości złączy spawanych. Wysokie wymagania prowadzą w konsekwencji do przygotowywania większej liczby eksperymentalnych lub prototypowych złączy kontrolnych, przed spawaniem konstrukcji finalnej. Badania i prototypy mają na celu określenie odpowiedniej technologii spawania, rodzaju materiału, warunków podgrzewania wstępnego, parametrów spawania, warunków umocowania i optymalizacji procesu spawalniczego. Oczywiście próby i prototypy podrażają proces produkcji. Ostatnio w obszarze przygotowania produkcji i podczas samej produkcji często stosowana jest symulacja numeryczna spawania, która wsparta pomiarami eksperymentalnymi może symulować proces spawania w sposób bardzo blisko odzwierciedlający rzeczywistość.

Przedstawiono budowę i klasyfikację budowanych na świecie obiektów typu „offshore” (głównie platform wiertniczych) oraz materiały, z jakich są wykonane. Omówiono normy związane z remontami, naprawami i modernizacją konstrukcji tego typu. Opisano przykłady zastosowania metody elementów skończonych (MES) jako wsparcie dla konstruktora i technologa. Podano przykłady postępowania przy planowaniu i opracowywaniu technologii napraw metodami spawalniczymi wybranych elementów platform. Przybliżono technologię spawania podwodnego.

Przedstawiono wyniki badań spawalności stali ulepszonych cieplnie o granicy plastyczności powyżej 1000 MPa. Badania przeprowadzono na blachach o grubości 10 mm wykonanych ze stali w gatunku Weldox 1100 i Weldox 1300. Badania obejmowały określenie własności mechanicznych stali i budowy mikrostrukturalnej oraz przeprowadzenie badań spawalności stali w oparciu o próby symulacyjne cykli cieplnych spawania przy wykorzystaniu symulatora cykli cieplno-odkształceniowych. Wyznaczono również wykresy przemian austenitu CTPc-S. Badania symulacyjne wykazały, że spawalność stali ulepszonych cieplnie Weldox 1100 i Weldox 1300 jest ograniczona.