52. Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza: Zaawansowane Technologie Spawalnicze

Od nowoczesnych pojazdów samochodowych oczekuje się wysokiego poziomu bezpieczeństwa i niskiej masy. Obydwa te wymagania są najlepiej spełnione, jeśli zastosuje się w karoserii odpowiednie do wymagań materiały o różnych własnościach. Jednoczesne zastosowanie różnorodnych materiałów konstrukcyjnych jest wyzwaniem dla technologii spajania.

Kompetencje personelu spawalniczego są istotnym elementem wpływającym na wytwarzanie bezpiecznych, odpowiedzialnych i ekonomicznych wyrobów spawanych. Dotyczy to całego personelu zaangażowanego w produkcję wyrobów spawanych.  Spełnienie wymagań norm ISO 3834 i ISO 14731 daje wytwórcy pewność, że jego działania w zakresie kompetencji spawalniczych są na właściwej drodze. W związku z tym, normy te powinny być szerzej stosowane i częściej przywoływane w umowach kontraktowych. Europejska Federacja Spawalnicza (EWF)  i Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa (IIW) opracowały system kwalifikowania i certyfikowania personelu, w którym zastosowano najlepsze wzory z zakresu potwierdzania kompetencji. EWF opublikowało również odpowiednie dokumenty poruszające zagadnienia bezpieczeństwa i ochrony zdrowia oraz ochrony środowiska w spawalnictwie. Wytwórca ma możliwość poddania się ocenie na zgodność z wymaganiami w ramach wdrażania Systemu EWF/IIW na zgodność z normą ISO 3834.

Pęknięcia zmęczeniowe inicjowane są zwykle w spoinach w wyniku wysokich naprężeń pozostających i zmian geometrii wprowadzających koncentratory naprężeń. Jednym z rozwiązań, mogącym zwiększyć wytrzymałość zmęczeniową złączy spawanych jest zastosowanie spoiw o niskiej temperaturze przemiany (LTT – ang. Low Transformation Temperature). Materiały te zmniejszają możliwość powstawania naprężeń spawalniczych poprzez wykorzystanie plastyczności przemiany, powodując skompensowanie skurczu termicznego, co prowadzi do wydłużenia trwałości zmęczeniowej. Przebadano trzy rodzaje spoiw LTT, o różnej zawartości Ni i Cr i o niskiej temperaturze początku przemiany martenzytycznej (M_s). Wyniki badań zmęczeniowych wykazały znaczny wzrost wytrzymałości zmęczeniowej badanych złączy, zarówno doczołowych, jak i ze spoinami pachwinowymi dla wszystkich trzech kombinacji spoiw. Stwierdzono wyraźną współzależność pomiędzy niższą temperaturą przemiany, zmniejszeniem naprężeń spawalniczych oraz zwiększeniem wytrzymałości zmęczeniowej. Efekt działania spoiw LTT był wyraźniej zależny od temperatury przemiany metalu spoiny niż od jej składu chemicznego. Ważnym czynnikiem było wymieszanie materiału rodzimego podczas spawania jednościegowego, gdzie temperatura M_s  wzrosła o ok. 70 ^oC w porównaniu do M_s odpowiednich stopiw. Spoiwo 13Cr 6Ni określono jako najbardziej obiecujące nie tylko ze względu na charakterystykę zmęczeniową, lecz również ze względu na odporność na pękanie gorące i zimne, wytrzymałość, udarność i ciągliwość.

Obecnie prace naprawcze okrętowych mechanizmów napędowych wykonywane są głównie za pomocą spawania metodą TIG. Ze względu na konieczność dodatkowej obróbki spoin, wiąże się to z dużym nakładem pracy i kosztów. W ramach projektu badawczego zajmowano się ręcznym spawaniem naprawczym za pomocą lasera impulsowego różnych materiałów stosowanych w mechanizmach napędowych statków. Prace dotyczyły główniemateriału C45 dla różnych części maszyn i brązu aluminiowego dla śrub napędowych i obejmowały następujące zagadnienia:

• określenie warunków odbioru tego rodzaju napraw wykonywanych za pomocą ręcznych systemów laserowych;
• ustalenie właściwych nastaw parametrów;
• opracowanie podstaw do zatwierdzania tej nowej technologii.

Przedstawiono możliwości i właściwości ręcznego laserowego spawania naprawczego małych wad powierzchniowych. Objaśniono wykorzystany system laserowy i jego obsługiwanie. Podano sposób postępowania podczas opracowywania procesu napraw i uzyskane wyniki. Omówiono kroki, jakie należy przedsięwziąć, aby uzyskać dopuszczenie tej technologii do napraw maszyn okrętowych.

Przedstawiono wyposażenie i zakres działalności Centrum Technologii Laserowych Instytutu Spawalnictwa. Podano w zarysie zakres prowadzonych badań związanych ze spawaniem laserowym, spawaniem metodami hybrydowymi, wiązką ogniskowaną w dwóch punktach i spawaniem z materiałem dodatkowym. Zaprezentowano zastosowania przemysłowe technologii spawania laserowego na przykładzie elementów z różnych gałęzi przemysłu.

Jednym ze sposobów zwiększenia sprawności termicznej wymienników ciepła jest rozwinięcie powierzchni poprzez stosowanie ożebrowania w rurach wymiennikowych. Rury ożebrowane cechują się dużą długością spoiny na 1 mb rury. Obecnie są one wykonywane poprzez automatyczne spawanie metodą MAG. W budowie urządzeń dla energetyki stosuje się coraz częściej nowe rozwiązania technologiczne, np. spawanie laserowe. W pracy przedstawiono wyniki prób spawania laserem światłowodowym dyskowym o mocy 8 kW rur ożebrowanych na nowym zautomatyzowanym stanowisku opracowanym i wdrożonym w Energoinstalu S.A. Stanowisko umożliwia spawanie z prędkością liniową dochodzącą do 24 m/min, a więc prawie dziesięciokrotnie szybciej w stosunku do spawania metodą MAG. Istotne znaczenie ma również brak konieczności stosowania materiałów dodatkowych do spawania oraz mniejsze zużycie gazu osłonowego. Uzyskuje się ciągłe spoiny z pełnym przetopieniem, równomiernym licem i prawidłowym kształtem, których twardość spełnia wymagania przepisów dla urządzeń ciśnieniowych.

Rysunki i wnioski w prezentacji oparto na studium „Wartość dodana w produkcji i zastosowaniu technik łączenia w Niemczech i w Europie” – kwiecień 2009 (dane z roku 2007). Prezentowana analiza trendów obejmuje: Niemcy, Francję, Włochy, Anglię, Polskę, Holandię oraz Unię Europejską dla dwóch okresów jej rozwoju. Wartość produkcji, wartość dodaną i liczbę zatrudnionych podano dla:

• wytwarzania w zakresie technik łączenia i
• zastosowania technik łączenia.

Wytwarzanie w zakresie technik łączenia obejmuje produkcję urządzeń i systemów oraz dóbr i świadczenie usług (spawanie, lutowanie, natryskiwanie termiczne, klejenie, cięcie, urządzenia i systemy technologii laserowej, roboty i systemy zrobotyzowane, materiały dodatkowe do wszystkich procesów spajania, ochronę środowiska i zdrowia, urządzenia do badań i szkolenie).Podkreślono, że techniki łączenia stanowią kluczowy czynnik napędowy dla rynków wzrostu, a aktywność badawcza w obszarze materiałów, łączenia i spawania odzwierciedla trendy w dziedzinie przyszłych zastosowań tych technik.

Przedstawiono wyniki pomiarów promieniowania optycznego powstającego podczas spawania stopów aluminium elektrodami otulonymi przy natężeniu prądu 150 A, 175 A i 200 A. Podczas badań mierzono promieniowanie nadfioletowe (UV-A, UV-B i UV-C), widzialne i podczerwone (IR-A). Badania pokazały, że wraz ze wzrostem natężenia prądu wzrasta również moc świetlna promieniowania.

Przedstawiono wyniki badań wpływu grubości blach spawanych doczołowo w jednym przejściu na wartość odkształceń kątowych. Badania przeprowadzono na drodze eksperymentu oraz symulacji numerycznej na blachach ze stali nierdzewnej w gatunku 304 o grubości 1, 1,5, 2 i 3 mm, które spawano doczołowo w jednym przejściu metodą TIG. Odkształcenie kątowe wyznaczono przy użyciu metody elementów skończonych (MES) w oparciu o trójwymiarowy model termo-sprężysto-plastyczny. Porównano wyniki odkształceń kątowych dla wszystkich badanych przypadków i określono wpływ grubości łączonych elementów na wartość odkształcenia kątowego. W celu weryfikacji modelu numerycznego wykonano pomiar temperatury podczas procesu spawania oraz odkształceń kątowych na złączach rzeczywistych. Wyniki badań wykazały, że grubość łączonych elementów ma wpływ zarówno na wartość, jak i rodzaj odkształceń. Przeprowadzone badania pokazały również, iż zmniejszenie grubości elementu wpływa na zwiększenie odkształcenia kątowego.

Zbadano wpływ warunków zrobotyzowanego napawania nadstopem na osnowie Inconel 625 głowic wysokoprężnych silników okrętowych wykonanych ze staliwa 13CrMo4-5 na mikrostrukturę i odporność na korozję gazową ich warstwy wierzchniej. Wielościegowe napawanie MIG przeprowadzono z zastosowaniem robota Panasonic PerformArc przy dwóch poziomach ilości wprowadzonego ciepła napawania Q = 620 J/mm oraz Q = 2100 J/mm w osłonie argonu. Określono mikrostrukturę, skład chemiczny i fazowy napoin i ich odporność na wysokotemperaturowe utlenianie oraz skład chemiczny i fazowy wytworzonych zgorzelin. Określono wpływ zawartości pierwiastków pochodzących z materiału rodzimego na odporność na utlenianie.

Przedstawiono metodykę pomiaru temperatury w badaniach przemian strukturalnych w stali w warunkach spawalniczych. W metodyce badawczej małogabarytowa próbka poddawana jest symulowanym cyklom cieplnym spawania i dokonywany jest pomiar jednocześnie trzech wielkości charakterystycznych tj.: temperatury próbki, strumienia magnetycznego i rozszerzalności termicznej. Dla pomiaru tych wielkości próbka jest nagrzewana w sposób bezkontaktowy za pomocą lamp grzewczych. Małe gabaryty badanej próbki wymagają specjalnego podejścia do pomiaru wspomnianych parametrów, a w szczególności temperatury. Zaproponowany pomiar temperatury jest kluczowy z punktu widzenia omawianej metodyki badawczej z uwagi na późniejszą analizę pozostałych parametrów w funkcji temperatury. Dla opisanych warunków metodyki badawczej opracowano model MES. Badano i analizowano wskazania i rozkład temperatury dla różnych warunków tj.: typu i materiału zastosowanej termopary oraz średnicy przewodów termoparowych. Wyniki obliczeń MES zostały zweryfikowane eksperymentalnie. W wyniku badań określono wymagania dla uzyskania najdokładniejszych wskazań temperatury na stanowisku badawczym.

Przedstawiono nową technologię spawania podzespołów lokomotyw o dużych przekrojach blach i profili stalowych przy użyciu rutylowego drutu proszkowego. Określono jakość złączy wykonanych metodą MAG drutem proszkowym (136) w osłonie mieszaniny gazów 18 % CO₂ i 82 % Ar  w odniesieniu do dotychczasowej metody spawania drutem litym (135). Ocenę złączy spawanych przeprowadzono na podstawie prób technologicznych, pomiarów twardości oraz na podstawie badań metalograficznych i badań nieniszczących (VT, MT i UT). Oceniono dobrze złącza wykonywane nawet przez spawaczy o mniejszych kwalifikacjach i to w pozycjach przymusowych.

Przedmiotem badań było otrzymywanie metodą plazmową napoin na osnowie stopu NiSi2B z dodatkami węglików metali IVB i VIB grupy układu okresowego na podłożu ze stali niskostopowej S355J0. Analiza oddziaływań międzyfazowych oraz struktury napoin wykazała, iż odmienny charakter oddziaływania węglików metali obu grup z ciekłym stopem niklu wpływa na rozmieszczenie i udział cząstek fazy umacniającej w matrycy. Wykazano, iż rozmieszczenie twardych cząstek, zbliżone do równomiernego, ma miejsce w powłokach umacnianych węglikami metali grupy VIB układu okresowego pierwiastków. Objętościowy udział węglików tytanu i cyrkonu zwiększa się wraz ze wzrostem natężenia prądu, natomiast w powłokach zawierających węgliki chromu, molibdenu i wolframu ich udział maleje, co związane jest z odmiennym mechanizmem oddziaływania z ciekłą osnową.

Światowe tendencje rozwojowe technologii lutowania twardego płomieniowego, indukcyjnego i piecowego oraz lutospawania. Nowe osiągnięcia badawczo – rozwojowe Instytutu Spawalnictwa w zakresie powyższych metod lutowania. Analiza stanu normalizacji europejskiej dotyczącej lutowania twardego.

Przeprowadzono próby podgrzewania kilku gatunków stali do różnych wartości temperatury, mające na celu określenie skuteczności i wydajności ww. paliw gazowych oraz rozpoznanie ich potencjalnie szkodliwych skutków dla własności materiału. Badano możliwość wykorzystania poszczególnych gazów do ogrzewania, suszenia i podgrzewania wstępnego. Omówiono wpływ poszczególnych gazów na tworzenie się wody kondensacyjnej na powierzchni podgrzewanych elementów i w konsekwencji na ich korozję. Najbardziej korzystnym gazem okazał się acetylen. Badania własności mechanicznych oraz próba twardości wykazały, że podgrzewanie nie powoduje przewidywanych szkodliwych skutków dla obrabianych materiałów, a zwłaszcza kruchości wodorowej. Stwierdzono, że podgrzewanie wstępne jest procesem niezbędnym w przetwórstwie stali konstrukcyjnych o podwyższonej i wysokiej wytrzymałości.

Celem weryfikacji energii liniowej spawania w procesach MIG/MAG Puls i MIG/MAG Standard przeprowadzono badania, w których porównano ilość ciepła wprowadzanego do materiału spawanego. Analizą objęto skutki cieplne wywołane różnym sposobem wprowadzania ciepła przy tej samej energii liniowej spawania. Zastosowano tradycyjny pomiar energii liniowej oraz właściwszy – z uwzględnieniem współczynnika mocy. Badania potwierdziły konieczność uwzględniania wymienionego współczynnika dla prawidłowego oszacowania mocy łuku, a tym samym i energii, w przypadku, gdy moc łuku stanowi iloczyn wartości średnich prądu i napięcia łuku.

Przedstawiono zastosowanie spawania laserowego w seryjnej i masowej produkcji półfabrykatów w przemyśle motoryzacyjnym. Omówiono podstawy spawania laserowego, główne warianty organizacji stanowisk produkcyjnych, wymagania i trudności w odpowiednim przygotowaniu brzegów elementów do spawania oraz kontrolę jakości podczas spawania. Porównano wydajność stanowisk spawania laserowego zorganizowanych w sposób powiązany z wielkością serii produkcyjnych. Przykłady stanowisk do spawania blach z kręgów, elementów amortyzatorów i specjalnych elementów profilowych wskazują na uniwersalne możliwości spawania laserowego w zastosowaniu do masowego wytwarzania wyrobów o wysokiej jakości, zróżnicowanych pod względem rozwiązań konstrukcyjnych.

Zbadano wpływ zawartości wodoru dyfundującego, struktury metalu, intensywności utwierdzenia i stanu naprężenia na prawdopodobieństwo tworzenia pęknięć zimnych w połączeniach spawanych stali gat. 14HG2SAFD, a także wpływ technologii spawania na stan naprężenia sztywno zamocowanych połączeń spawanych wielościegowo. Opracowano zasady spawalniczych technologii remontu budowli inżynierskich i wielkogabarytowych węzłów maszyn i mechanizmów o długotrwałym okresie eksploatacji.

Przedstawiono wyniki badań nad przydatnością techniki z użyciem ściegów odpuszczających do spawania manganowo – molibdenowo – niklowej stali SQV2A, przeznaczonej do budowy zbiorników ciśnieniowych. Wyniki badań wykazały możliwość uzyskania poprawy własności mechanicznych obszaru SWC w złączu po wykonaniu trzech spawanych warstw, a nie jak do tej pory sześciu. Precyzyjnie kontrolowane cykle cieplne, o zdefiniowanych temperaturach maksymalnych w szczególnych obszarach złącza, mogą podczas spawania wielowarstwowego być stosowane do przywrócenia własności mechanicznych w krytycznych rejonach SWC zamiast typowej obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT).

Przedstawiono wyniki badań przyczyn niskiej plastyczności w czasie technologicznej próby spłaszczania. Ustalono, że występują następujące czynniki decydujące o niskiej plastyczności i pękaniu zgrzein:

• zawalcowania w pobliżu brzegu blachy,
• zanieczyszczenie stali wtrąceniami niemetalicznymi (głównie siarczkami),
• nieusunięte tlenki w procesie spęczania zgrzeiny,
• zbyt wolne chłodzenie po normalizowaniu strefy zgrzewania i tworzenie się w obszarach segregacji pasm wysp M-A ułożonych równolegle do linii zgrzania.

W próbie spłaszczania rury pasma wtrąceń niemetalicznych, zawalcowania i pasma wysp M-A są miejscami powstawania typowych pęknięć lamelarnych.

Przedstawiono sposób wytwarzania i własności stali obrabianych termomechanicznie. Przeprowadzono badania własności spoin oraz SWC stali S700MC o grubości 10 mm spawanej metodą GMA drutem litym Mn4Ni1,5CrMo o średnicy 1,0 mm. Przeprowadzona analiza składu chemicznego materiału rodzimego, stopiwa i spoiny wykazała wyraźne różnice w równoważniku węgla, co może wpływać na własności wytrzymałościowe i plastyczne złączy spawanych. Badania metalograficzne, rentgenowska analiza składu chemicznego oraz rentgenowska analiza fazowa wykazały niejednorodność strukturalną i chemiczną złączy spawanych ze stali S700 MC.

Przedstawiono wymagania arkusza drugiego normy PN-EN 1090-2:2009 dla producentów wytwarzających stalowe konstrukcje budowlane oraz zmiany, jakie ta norma wprowadza w stosunku do obowiązującej jeszcze normy budowlanej PN-B 06200:2002. Podkreślono znaczenie posiadania przez wytwórcę zakładowej kontroli produkcji oraz rolę jednostek notyfikowanych w procesie wytwarzania konstrukcji budowlanych kończącym się wydaniem deklaracji zgodności i naniesieniem znaku CE na wyrób. Przedstawiono tok postępowania w zakładzie prowadzący do uzyskania certyfikatu dla zakładowej kontroli produkcji. Podkreślono znaczenie posiadania w zakładzie certyfikatu systemu jakości w spawalnictwie na zgodność z wymaganiami normy PN-EN ISO 3834-2:2007.

Aluminium stanowi niezastąpiony materiał w produkcji samochodów. Pierwszy raz ten materiał zastosowała firma AUDI w produkcji pierwszej generacji samochodu AUDI A8-ASF. Do spawania konstrukcji z aluminium potrzebne są właściwe procesy i dobrze wyszkoleni pracownicy z dużym doświadczeniem. W produkcji lekkich konstrukcji aluminiowych stosowane są różne metody spajania. Do spawania znajdują zastosowanie różne procesy, np. spawanie promieniem światła i spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazów, z szeregiem nowych udoskonaleń. Interesujące nowe aspekty wynikają z zastosowania nowych gazów osłonowych zawierających różne dodatki helu do argonu. Ich zaletą jest mniejsza porowatość spoin i osiągalna większa prędkość spawania. Obecnie nowe procesy spawania znalazły zastosowanie w przemyśle samochodowym: CMT (Cold Metal Transfer) i ColdArc. Z uwagi na specjalny mechanizm przenoszenia kropli metalu, procesy te wykazują szereg zalet, jak np. małą ilość wprowadzanego ciepła i mniejsze odkształcenia podczas spawania cienkościennych konstrukcji.

Przedstawiono przebieg i wyniki badań technologicznych spawania złączy doczołowych blach ze stopów aluminium o grubości od 0,5 do 40,0 mm z zastosowaniem łuku z podwójną pulsacją. Celem tych badań było między innymi porównanie jakości i estetyki spoin oraz własności złączy z wynikami uzyskanymi dla złączy wykonanych metodami niskoenergetycznymi (cienkie blachy) oraz łukiem pulsującym (blachy o grubości powyżej 2,0 mm).

Przedstawiono wyniki badań złączy spawanych ze stopów aluminium 6005A/T6 oraz 6082/T6, z których wykonano, między innymi, podłogi wagonów metra. Połączenia te spawano z użyciem najnowocześniejszych urządzeń spawalniczych. Dzięki specjalnym, mikroprocesorowym rozwiązaniom sterującym podawaniem drutu spawalniczego oraz parametrami prądowymi, uzyskano wysokiej jakości złącza, spełniające wszystkie wymagania normy PN-EN 15085. Aby zwiększyć wydajność procesu produkcyjnego, zastosowano odmianę metody spawania MIG, tzw. SynchroPuls, a wyniki porównano z tymi, które uzyskano w badaniach złączy spawanych metodą MIG Puls.

Przedstawiono wybrane wyniki badań porównawczych warunków i właściwości odmian spawania w pozycji PF metodą MAG, takich jak MAG Standard i SpeedUp. Porównywano następujące właściwości: wydajność spawania, charakterystyki dynamiczne źródeł zasilania, geometrię oraz makrostrukturę uzyskanych spoin.

Ze względu na różnorodną budowę poszczególnych typów mikropaneli, stosowanych w budowie kadłubów statków, istnieje potrzeba programowania robotów spawalniczych z uwzględnieniem ruchów w przestrzeni. Programowanie to odbywa się przed rozpoczęciem produkcji, co niekorzystnie wpływa na jej elastyczność. Aby spełnić wymagania wysokiej elastyczności i automatycznego programowania linii produkcyjnej mikropaneli, opracowano i wdrożono do produkcji bardzo szybki system trójwymiarowego przetwarzania obrazu. W artykule opisano działanie tego systemu składającego się z kamery video i źródła promieniowania laserowego, pozwalającego na pomiar kształtu spawanych elementów w przestrzeni. Podano podstawowe zalety tego systemu zapewniające wysoką elastyczność produkcji przy dużej dokładności odwzorowania.