45. Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Wpływ spawalnictwa na jakość i konkurencyjność gospodarki

Podano przegląd, z punktu widzenia DYS, obecnego stanu spawalnictwa w Niemczech, jak również kierunków jego przyszłego rozwoju. Należy jednakże wziąć pod u wagę, że obecnie pełny przegląd dostępny jest jedynie w ograniczonych wąskich dziedzinach. Przedstawiona analiza oparta jest na informacjach dostępnych z Komisji Technicznej DYS, Działu Badawczego DVS, bieżącej działalności gospodarczej DYS i jego instytutów oraz w niektórych przypadkach na niepełnej ocenie literatury. Artykuł uzupełniony został infom1acjami pochodzącymi z rzemiosła oraz z działalności szkoleniowej i konsultacyjnej DYS. Układ artykułu odpowiada głównym gałęziom przemysłu, w których stosuje się spawanie. Przegląd zakończono badaniem gospodarczego znaczenia spawalnictwa i technik pokrewnych.

Na podstawie serii nom1 europejskich EN JSO 14922 przedstawiono wymagania jakościowe stawiane zakładom produkcyjnym stosującym proces natryskiwania cieplnego. Przedstawiono również wymagania stawiane personelowi natryskiwania cieplnego – nadzorowi i metalizatorom w normach europejskich EN 13214 i EN 14918. Omówiono system kształcenia i certyfikowania personelu natryskiwania cieplnego opracowany przez Europejską Federację Spawalniczą (EWF), który dostosowany jest do wymagań wymienionych wyżej norm.

Techniki wytwarzania bazujące na technologiach spawalniczych przechodzą etap ciągłego rozwoju, opartego w głównej mierze na mechanizacji procesów spawalniczych. Rozwój ten łączy się również ze stosowaniem wysokowydajnych metod spawania. Przedstawiono wybrane przykłady zwiększenia wydajności spawania w zakresie metod spawania lukowego, jak również możliwości sprzęgania różnych procesów i istniejący w tej dziedzinie potencja ł dalszego rozwoju technologii spawalniczych.

Pod wpływem dyrektyw europejskich, np. dyrektywy dotyczącej maszyn lub urządzeń ciśnieniowych, następuje dalsza konsolidacja Europy. Wprowadzaniu tych dyrektyw towarzyszy, z reguły, powstanie szeregu norm zhamonizowanych. Ale jak zapewnić. aby we wszystkich krajach przebiegało ono tak samo i bez zniekształcania zasad konkurencji? Czy w przyszłości świat będzie posiadał dalej tylko dwa systemy certyfikacji personelu backu1nicniszczqcych: normę 473 i normę SNTTC-1 A, czy może powstanie jeszcze jedna alternatywa – wg normy ISO 97 12. która umożliwi globalną harmonizację? Jak przedstawiają się inne systemy szkolenia. konkurencyjne do europejskiej metody scentralizowanego certyfikowania personelu badań nieniszczących i jakie zasady uznawania będą funkcjonowały w świecie pomiędzy jednostkami certyfikującymi? Referat jest próbą odpowiedzi, przynajmniej częściowo, na przedstawione pytania oraz wskazuje przewidywane trendy.

Wyższa wydajność, wysoka i powtarzalna j a kość oraz poprawa środowiska pracy stały się główną siłą napędową ciągłych ulepszeń w spawalnictwie. Obecnie celem najważniejszym stało się zapewnienie zrównoważonego rozwoju. W referacie dokonano przeglądu stanu świadomości z zakresu ochrony środowiska, środków służących poprawie stanu środowiska oraz programu nauczania dla koordynatorów ds. ochrony środowiska. Przedstawiono przykłady zastosowania spawania w stoczniach, elektrowniach wiatrowych i przemyśle samochodowym o zmniejszonych skutkach dla środowiska. Omówiono sytuację w dziedzinie oznaczania wyrobów dla spawalnictwa, których producenci deklarują uwzględnianie wymogów ochrony środowiska. Deklaracje takie są oczekiwane i s potykają się z uznaniem całego otoczenia przedsiębiorstw: właściciel i, nabywców akcji, pracowników, dostawców i społeczeństwa.

Osnową referatu jest dyskusja postawionego w tytule pytania. Na podstawie informacji literaturowych i wybranych wyników badań własnych przedstawiono trendy rozwojowe w zakresie materiałowym i procesowym dla podwyższenia właściwości złączy w relacji do spajanych materiałów.

Podczas prefabrykacji dużych elementów dla budownictwa okrętowego powstają miejscowe pęknięcia przy końcu długich spoin czołowych w wyniku nagłego wzrostu poprzecznych naprężeń spawalniczych. Za pomocą programu ANS YS liczono metodą elementów skończonych zmieniające się w czasie spawania długich blach miejscowe przemieszczenia występujące wzdłuż spoiny i mierzono je za pomocą specjalnego czujnika. Sprawdzono i porównano wyniki szeregu zmian w zakresie konstrukcji i zestawienia elementów do spawania w celu uzyskania jednostronnych spoin czołowych o dużej długości bez pęknięć krystalizacyjnych. Obecność pęknięć gorących wykrywano metodą badań nieniszczących w oparciu o decyzję tak/nie. Prędkość poprzecznego przemieszczania przy końcu spoiny oddziałuje jako specjalne kryterium pękania gorącego. Podsumowanie wyników badań stanowi wykres służący do oceny ryzyka powstawania pęknięć gorących w spoinach wykonywanych łukiem krytym metodą tandem na elementach o dużych wymiarach.

Przedstawiono wybrane wyniki badań właściwości stali o wysokiej wytrzymałości poddanych różnym symulowanym, pojedynczym i złożonym, cyklom cieplnym. Stwierdzono, że wzrost czasu chłodzenia w zakresie t_X/5 powoduje równoczesny spadek udarności i twardości. Te niekorzystne zmiany związane są z tworzeniem się wysp M-A oraz procesami utwardzania wydzieleniowego ferrytycznej osnowy.

System MQC (MERKLE Quality Control) wprowadza nowy standard kontroli parametrów spawania lukowego. System pomiaru i monitorowania umożliwia kontrolę ośmiu różnych parametrów, które mogą być mierzone i sprawdzane na zgodność z wartościami i dopuszczalnymi oraz automatycznie rejestrowane. Niezależne sensory będące integralną częścią systemu są albo wbudowane w urządzenie spawalnicze albo umieszczone w oddzielnej obudowie. Oprogramowanie może być zainstalowane w standardowym komputerze osobistym (PC) z systemem „Windows” i może być wykorzystywane albo w oddzielnych jednostkach albo pracować w konfiguracji sieciowej.

Przeprowadzono analizę właściwości p o łączeń lutowanych próżniowo płytek węglokostali Ferro – Titanit Nicro 128 z nierdzewną stalą utwardzaną wydzieleniowo 14 -5 PH spoiwem BNi2, zastosowanych w konstrukcji powierzchni tnących wielkogabarytowych filier do granulacji polietylenu. Określono także strukturę połączeń lutowanych.

Rozwój technologii twardego lutowania płomieniowego, indukcyjnego oraz piecowego w atmosferach kontrolowanych i próżni. Przykłady praktycznych zastosowań i kierunki ich rozwoju w różnych gałęziach przemysłu. Nowe normy materiałowe oraz wymagania dla planowania i sterowania jakością w produkcyjnych procesach lutowania twardego.

Przedstawiono model próby klinowej, pomocny w optymalizacji procesu lutowania materiałów o różnych właściwościach fizycznych. Przeprowadzono próbę klinową dla następujących par materiałów lutowanych: kompozyt na bazie węglika krzemu SiC 30 – stop molibdenowy TZM i grafit o budowie kompozytowej CFC 222 – TZM. Na podstawie analizy metalograficznej budowy lutowiny wybrano z próby klinowej szerokości szczelin bez udziału twardych faz międzymetalicznych i przeniesiono je na złącza równoległe.

Zaawansowane supertwarde materiały (SHM – superhard materials) na bazie regularnego azotku boru (CBN- cubic boron nitride) oraz polikrystalicznego diamentu (PCD – polycrystalline diamond) stwarzają możliwości wytwarzania nowych efektywnych narzędzi. Optymalną metodą uzyskiwania połączeń SHM – podłoże jest lutowanie z zastosowaniem łutów adhezyjno-aktywnych. Badania dotyczyły wykonania połączeń SHM – stal (lub twarde stopy na bazie węgliku wolframu) z zastosowaniem nagrzewania wiązką elektronów. Badano przebieg procesów chemicznych i fizycznych zachodzących podczas lutowania SHM do podłoża. Dla układ u CBN-lut charakterystycznym jest aktywne oddziaływa nie fizyko-chemiczne, które jest wynikiem wzajemnej dyfuzji składników fazy stałej i ciekłej oraz tworzenie się związków chemicznych na granicy podziału.

Omówiono metody optymalizacji parametrów technologicznych procesu uzyskiwania wieloskładnikowych stopów stosowanych do produkcji materiałów spawalniczych, w tym otulin elektrodowych oraz drutów proszkowych. Analizę prowadzono z pomocą oprogramowania do obliczeń równowagi termodynamicznej (MTData, Astra) oraz metod statystycznych obróbki danych.

Przeprowadzono analizę teoretyczną i modelowanie numeryczne wzajemnego oddziaływania skoncentrowanej wiązki laserowej (SWL) i łuku plazmowego (ŁP) w hybrydowych procesach obróbki materiałów. Ustalono, że specjalny rodzaj wyładowania w atmosferze gazu może występować przy zwykłych warunkach w układzie „SWL- ŁP”. To kombinowane wyładowanie laserowo-łukowe różni się zarówno od konwencjonalnego łuku plazmowego, jak i od wyładowani a optycznego podtrzymywanego przez promieniowanie lasera. Kombinowane wyładowanie może stanowić podstawę stworzenia nowej klasy urządzeń plazmowych: zintegrowanych plazmotronów plazmowych laserowo-łukowych do hybrydowego spawania, cięcia, napawania, obróbki powierzchni itd. Opisane zostały zasady i metody obliczania takich urządzeń. Opracowano prototypy zintegrowanych plazmotronów do napawania proszkowego (laser CO₂ – łuk plazmowy) oraz do spawania (laser Nd:YAG lub diodowy- łuk mikroplazmowy). Przeprowadzono też eksperymenty dla określenia technologicznych możliwości tych plazmotronów.

Jakość gazów odgrywa decydującą rolę w charakterze pracy układu laserowego i wydajności procesów laserowych. Cięcie laserowe można zaszeregować wśród procesów odzwierciedlających stan wiedzy w dziedzinie techniki, podczas gdy spawanie laserowe ciągle przechodzi poważne etapy rozwoju i znajdowania nowych zastosowań. Stan ten odzwierciedlają gazy o odpowiedniej jakości do cięcia laserowego, jak tlen, azot i w pewnym zakresie argon oraz mieszanki gazowe specjalnie opracowane do spawania laserowego, stosownie do zastosowania, typu lasera, wymagań jakościowych itp. CO₂ jest jednym z reaktywowanych komponentów gazów do spawania laserowego, który okazał się cenny przy spawaniu półwyrobów wykonywanych na zamówienie, a także zwiększa szybkość spawania laserami diodowymi stosowanymi do spawania z głębokim wtopieniem.

Omówiono nową wersję niemieckiej normy DIN 18800-7. „Konstrukcje stalowe – wytwarzanie i kwalifikowanie wytwórców”. Zwrócono uwagę na nowe zasady i interpretacje dotyczące: dokumentacji wykonawczej i kont rolnej, materiałów podstawowych i dodatkowych, połączeń spawanych i śrubowych, oceny połączeń spawanych i inne. Przedstawiono nowe zasady kwalifikowania przedsiębiorstw.

Przedstawiono wyniki badań wpływ u parametrów spawania metodami TIG i A-TIG złączy doczołowych blach ze stali austenitycznej X5CrNii 8- IO, o grubości 4, 6, 8 oraz 10 mm wg EN 10028-2, na kształt spoin. Złącza wykonane metodą A-TIG poddano ponadto badaniom wytrzymałościowym i plastycznym oraz określono twardość poszczególnych stref złącza. Stwierdzono. że efektywność stosowania topnika aktywującego jest tym większa, im większe jest natężenie prądu i prędkość spawania. Badania własności mechanicznych złączy wykonanych metodą A-TIG wykazały, że niezależnie od parametrów spawania, spełniają one wymagania ujęte w normie EN 10028-2 w odniesieniu do stali austenitycznej X5CrNi 18- 10.

Przeprowadzono próby spawania i obróbki cieplnej rur ożebrowanych wykonanych jako połączenia spawane taśmy w gatunku 10Cr 12 z rurami ze stali P91 metodą MAG drutem elektrodowym nisko i wysokostopowym. Uzyskane wyniki pozwoliły na opracowanie techno logii wytwarzania spawanych rur ożebrowanych.

Przeprowadzono ocenę struktur nieprzekrystalizowanych spoin za pomocą sieci neuronowych. Stwierdzono możliwość automatycznej oceny ilościowej takich struktur. Najlepsze wyniki reprezentacji mikrostruktury uzyskano przy zastosowaniu klasyfikatora wejść w postaci cech obrazów. Zastosowana metodyka oceny struktur zapewnia poprawną ocenę ilościową struktur nieprzekrystalizowanych spoin.

Referat zawiera analizę możliwości i przegląd sposobów zwiększania wydajności procesów spawania przy użyciu automatów i robotów. Omówiono m.in. wykorzystanie tzw. „synergicznego zimnego drutu” oraz drutów rdzeniowych do spawania lukiem krytym, a także drutów z rdzeniem metalicznym do spawania zrobotyzowanego w przemyśle motoryzacyjnym. Scharakteryzowano zalecane materiały spawalnicze i opisano szereg przykładowych zastosowań. Przedstawiono także oprogramowanie do kalkulacji kosztów spawania.

Podano podstawowe cechy nowej metody zgrzewania, mianowicie zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny (Friction Stir Welding – FSW). Zwrócono uwagę na kierunki rozwoju urządzeń do zgrzewania, narzędzi uplastyczniających materiał w obszarze zgrzewania oraz samej technologii wykorzystującej zjawisko mieszania materiału w obszarze styku zgrzewanych elementów. Proces obecnie jeszcze rzadko wykorzystywany w praktyce przemysłowej podlega dynamicznemu rozwojowi i może służyć nie tylko do łączenia doczołowego blach z aluminium i jego stopów, ale także wielu innych materiałów, takich jak miedź, magnez, nikiel, tytan, a nawet stal. Szczególnie przydatny jest do łączenia materiałów trudno spawalnych, takich jak stopy odlewnicze czy aluminium z miedzią.

Opisano system kontroli i oceny jakości połączeń zgrzewanych z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Przedstawiono metodykę rejestracji charakterystycznych parametrów występujących w procesie zgrzewania rezystancyjnego, głównie prądu i napięcia zgrzewania. Wykazano, że występujące zmiany parametrów technologicznych procesu znajdują odzwierciedlenie w charakterze przebiegu parametrów elektrycznych. System oceny jakości zgrzeiny działający w oparciu o porównywanie kształtów przebiegu parametrów wraz z prowadzoną wcześniej ocenę jakości poszczególnych zgrzein umożliwia określenie cech aktualnie rejestrowanych parametrów, a tym samym jakości wykonywanych zgrzein.

Opisano wpływ przygotowania brzegów blach ze stali niestopowych i niskostopowych poprzez cięcie plazmą powietrzną na jakość z łączy spawanych. Przedstawiono wpływ cięcia plazmą powietrzną na zmiany strukturalne i chemiczne zachodzące w ciętym materiale. Przeprowadzono proces napawania i spawania metodą MAG blach przygotowywanych poprzez cięcie plazmą powietrzną z mechanicznym usunięciem strefy wpływu ciepła, z usunięciem warstwy tlenków i bez usuwania warstwy tlenków. Wykazano, że silne naazotowanie powierzchni w wyniku procesu cięcia plazmą powietrzną wpływa na powstawanie porowatości złączy spawanych metodą MAG. Porowatość ta pojawia się w warstwie graniowej spoiny i w linii wtopienia ściegów wypełniających.

Na blasze ze s ta li St3S układano napoiny metodą MIG półautomatem spawalniczym OPTYMAG 501 z cyfrową nastawą parametrów spawania i z zastosowaniem prądu pulsującego, zmieniając napięcie impulsu, częstotliwość impulsów i prędkość podawania drutu elektrodowego. W oparciu o wygląd napoin, charakteryzujących się gładkim licem i lekko wypukłym lub płaskim kraterem, ustalono zalecane parametry napawania brązu CuSn6 metodą MIG.