PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA ANNA GROCHOWSKA WPŁYW METOD I TECHNOLOGII SPAWANIA NA KSZTAŁTOWANIE JAKOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH STALI NIERDZEWNEJ

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA ANNA GROCHOWSKA WPŁYW METOD I TECHNOLOGII SPAWANIA NA KSZTAŁTOWANIE JAKOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH STALI NIERDZEWNEJ THE INFLUENCE OF WELDING METHODS AD TECHNOLOGIES ON THE QUALITY OF STAINLESS STEEL WELDED JOINTS nr albumu: Promotor: dr inż. Marek Kamiński Warszawa, marzec

2 Abstract Choosing the welding method is a result of careful analysis which primarily includes achieved quality of joints, but also the potential financial effort needed to implement the method and further production forecasts. The present paper discusses the most common industrial methods of producing steel joints and presents the metallurgical processes occurring in the material during the formation of weld. It also presents an analysis of selected properties of the weld on basis of three joints made of steel St12T using three different methods the traditional (manual), robotized and electron beam welding. Obtained results are summarized in qualitative terms, taking into account the potential cost of implementing the method. 2

3 Pragnę złożyć serdecznie podziękowania mojemu promotorowi, dr inż. Markowi Kamińskiemu, za wszystkie cenne rady i wspaniałą atmosferę w trakcie pisania pracy naukowej. Szczególnie dziękuję prof. dr hab. inż. Jerzemu Jeleńkowskiemu, który zainspirował mnie do dalszego zgłębiania zagadnień metaloznawczych i którego wsparcie oraz poświęcony czas przyczyniły się do powstania niniejszej pracy. Jednocześnie pragnę podziękować firmie Metal Expert Sp. z o.o. S.K.A. za udostępnienie materiałów do badań i analiz oraz wszelkie konsultacje dotyczące procesów wytwórczych w przemyśle energetycznym. 3

4 1. Spis treści I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA 2. Cel i zakres pracy Przegląd procesów spawalniczych Wprowadzenie Zagadnienie gęstości energii Procesy spawalnicze Materiały spawalnicze Przegląd metod spawalniczych Spawanie gazowe (OAW oxyacetylene welding) Spawanie elektrodami otulonymi (SMAW shielded metal arc welding) Spawanie metodą TIG (GTAW gas tungsten arc welding) Spawanie plazmowe (PAW plasma arc welding) Spawanie w osłonie gazów ochronnych (GMAW gas metal arc welding) Spawanie łukowe drutem rdzeniowym (FCAW flux core arc welding) Spawanie łukiem krytym (SAW submerged arc welding) Spawanie elektrożużlowe (ESW electroslag welding) Spawanie wiązką elektronów (EBW elektron beam welding) Spawanie laserowe (LBW laser beam welding) Przepływ ciepła w procesie spawania Wprowadzenie Źródła ciepła Płomień gazowy Łuk elektryczny Źródła ciepła o dużej gęstości energii Procesy cieplne spawania Reakcje chemiczne w procesie spawania Reakcje gaz-metal Pęcherze gazowe Azot Tlen Wodór Reakcje żużel-metal Przepływ cieczy i parowanie metali w spawaniu Przepływ cieczy w łukach Przepływ cieczy w jeziorkach spawalniczych Parowanie metali Krystalizacja złączy spawanych Podstawy procesu krystalizacji Krzepnięcie czystych metali Krzepnięcie stopów Krystalizacja spoin Tworzenie się jeziorka spawalniczego i jego kształt Charakterystyka krystalizacji metalu spoiny Wpływ parametrów spawania na strukturę spoiny Kontrola jakości złączy spawanych Metoda wizualna (badanie makroskopowe) PT metoda penetracyjna

5 8.3. MT metoda magnetyczno-proszkowa PN-EN ET badania wiroprądowe UT metoda ultradźwiękowa Obserwacje metalograficzne zgładów Pomiar twardości w przekroju złącza Bibliografia II. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 10. Wprowadzenie Spoina wykonana metodą tradycyjną Metodyka wykonania spoiny Wyniki badań makroskopowych... Błąd! Nie zdefiniowano zakładki Wyniki badań mikroskopowych Badania mikrotwardości Spoina wykonana metodą zrobotyzowaną Badania makroskopowe Badania mikroskopowe Badania mikrotwardości Spoina wykonana metodą elektronową Badania makroskopowe Badania mikroskopowe Podsumowanie i wnioski

6 1. Cel i zakres pracy Celem pracy jest przedstawienie wpływu metod i technologii spawania na kształtowanie jakości złączy spawanych stali nierdzewnej. 2. Przegląd procesów spawalniczych 2.1. Wprowadzenie Procesy spawalnicze były znane już w starożytności (w starożytnym Rzymie spawano rury ołowiane). Rozwój współczesnego spawalnictwa rozpoczął się w końcu XIX w., amerykański wynalazca E. Thomson 1877 zbudował pierwszą zgrzewarkę elektryczną oporową. N.N. Benardos 1882 wynalazł spawanie łukowe elektrodą węglową. W 1888 udoskonalił je N.G. Sławianow przez zastosowanie topliwej elektrody metalowej. Spawanie termitowe wynalazł 1899 H. Goldschmidt. Pierwszy palnik acetylenowo-tlenowy skonstruował 1901 Francuz Ch. Picard. W 1928 w Polsce powstał pierwszy na świecie spawany most wg projektu S. Bryły. W latach 30-tych wynaleziono metodę spawania elektrodą wolframową w osłonie gazów szlachetnych i spawanie maszynowe łukiem krytym. W 1950 J.O. Paton wprowadził spawanie elektrożużlowe, a 1956 J.A. Stohr - elektronowe. Obecnie spawanie znajduje zastosowanie we wszystkich dziedzinach przemysłu. W zakresie spawalnictwa rozwija się współpraca międzynarodowa, w 1948 założono Międzynarodowy Instytut Spawalnictwa (Institut International de la Soudure), do którego Polska należy od 1956r. Spawanie jest procesem łączenia materiałów, w którym stosuje się przetopienie materiału bazowego do wytworzenia spawu. Wyróżniamy trzy główne rodzaje procesów spawalniczych: 1. Spawanie gazowe Spawanie acetylenowo-tlenowe 2. Spawanie łukowe Spawanie elektrodami otulonymi Spawanie elektrodą wolframową Spawanie łukiem plazmowym Spawanie elektrodą gazową Spawanie łukowe drutem rdzeniowym Spawanie łukiem krytym Spawanie elektrożużlowe 3. Spawanie wiązkami energii Spawanie elektronowe Spawanie laserowe (OAW oxy-acetylene welding) (SMAW shielded metal arc welding) (GTAW gas-tungsten arc welding) (PAW plasma arc welding) (GMAW gas-metal arc welding) (FCAW flux-cored arc welding) (SAW submerged arc welding) (ESW electroslag welding) (EBW electron beam welding) (LBW laser beam welding). 6

7 W w/w podziale należy zauważyć, że w przypadku spawania elektrożużlowego, w całym procesie nie bierze udziału łuk spawalniczy. W związku z tym jest ono tylko częściowo spawaniem łukowym. Umownie zostało zaklasyfikowane jako łukowe Zagadnienie gęstości energii Źródła ciepła dla spawania gazowego, łukowego lub wiązką energii to kolejno płomień gazowy, łuk elektryczny lub wiązka wysokiej energii. Moc wymienionych wiązek zwiększa się począwszy od płomienia gazowego, poprzez łuk elektryczny, na wiązce energii kończąc. Wraz ze zwiększeniem gęstości źródła, zapotrzebowanie materiału spawanego na samo ciepło maleje. Detal ogrzewany przez płomień gazowy nagrzewa się wolniej i zanim nastąpi przetopienie, duża część ciepła płomienia jest wydatkowana do otoczenia strefy spawanej. Konsekwencją tego jest często nadmierne nagrzewanie, które może wywołać uszkodzenie detalu, osłabienie jego parametrów i Rysunek 1: Wpływ gęstości energii na wkład ciepła do materiału (Kou Sindo - Welding Metallurgy) zniekształcenie. Jednocześnie należy zauważyć, że ten sam materiał wystawiony na wpływ mocno zogniskowanej wiązki elektronów lub lasera może ulec topnieniu lub nawet odparowaniu, formując głębokie jeziorko spawalnicze natychmiastowo, w konsekwencji czego zanim większość ciepła zostanie odprowadzona do otoczenia strefy spawanej, operacja spawania zostaje ukończona. Można w związku z tym powiedzieć, że zalety zwiększenia koncentracji źródła ciepła to głębsza penetracja spawu, wyższa prędkość spawania, lepsza jakość spawu przy jednocześnie zmniejszonej liczbie defektów. 7

8 Procesy spawalnicze W poniższej tabeli zestawiono i podsumowano metody spawania rekomendowane dla poszczególnych materiałów i gatunków stali. Ze względu na tematykę pracy, największy nacisk w dalszej części pracy położony zostanie na metody spawania najbardziej użyteczne w przypadku stali nierdzewnej. Tabela 1: Procesy spawalnicze i ich zastosowanie Materiał Grubość SMAW SAW GMAW FCAW GTAW PAW ESW OFW EBW LBW < 3 mm x x x x x x x Stale węglowe 3-6 mm x x x x x x x x 6-19 mm x x x x x x x > 19 mm x x x x x x x Stale niskostopowe Stale nierdzewne Żeliwo Stopy niklu Stopy aluminium < 3 mm x x x x x x x 3-6 mm x x x x x x x 6-19 mm x x x x x x > 19 mm x x x x x x < 3 mm x x x x x x x x 3-6 mm x x x x x x x x 6-19 mm x x x x x x x > 19 mm x x x x x x < 3 mm x x 3-6 mm x x 6-19 mm x x x x x > 19 mm x x x x x < 3 mm x x x x x x x 3-6 mm x x x x x x x 6-19 mm x x x x x x > 19 mm x x x x < 3 mm x x x x x x 3-6 mm x x x x 6-19 mm x x x > 19 mm x x Materiały spawalnicze Najistotniejszym materiałem stosowanym do spawania jest elektroda spawalnicza, inaczej pręt, drut zwojowy, taśma itp. wykonana jest z metalu lub węgla, i stosowana do zajarzania i utrzymywania łuku elektrycznego w procesie spawania i procesach pokrewnych. W zależności od metody spawania, przedmiotów spawanych itp. stosuje się różne typy elektrod: topliwe, nietopliwe, otulone, gołe itp. Każdy typ elektrody spawalniczej dzieli się na kilka lub kilkanaście odmian i rodzajów, wykonanych w różnych grubościach i mających różne zastosowanie. Najpopularniejsze i najczęściej stosowane są elektrody spawalnicze topliwe, otulone. Umownie podzielić można elektrody na nietopliwe i topliwe. Elektrody nietopliwe w procesie spawania nie topią się, lecz utrzymują łuk elektryczny, który topi brzegi spawanego metalu, a jednocześnie topi drut dostarczany do spoiny. Natomiast elektrody topliwe topią się w łuku elektrycznym i tworzą spoinę. Do elektrod nietopliwych należą elektrody węglowe, grafitowe i 8

9 wolframowe. Elektrody węglowe i grafitowe stosowane są do cięcia blach, np. pod wodą, a także do spawania ręcznego cienkich blach. Elektrody wolframowe stosowane są do spawania i cięcia metali w atmosferach gazów ochronnych (argonu, helu, wodoru). Średnice ich wynoszą od l do 8 mm. Temperatura topnienia wolframu wynosi 3370 o C (3643 K). Elektrody topliwe są wykonane z materiału bardzo zbliżonego składem chemicznym do łączonych tworzyw. Rozróżnić można nieotulone (goły drut); otulone (drut pokryty warstwą otuliny); rdzeniowe (topnik znajduje się w środku). Wszystkie rodzaje elektrod są znormalizowane. Elektrody stalowe otulone do spawania stali niskowęglowych i niskostopowych według PN-88/M dzieli się na następujące grupy: z otuliną kwaśną, oznaczone symbolem A; z otuliną kwaśno-rutylową - AR; z. otuliną zasadową - B; z otuliną rutylową, cienko- i średnio-otuloną - R; z otuliną rutylową, grubo-otuloną - RR; z otuliną celulozową - C; z otuliną utleniającą- O. z otuliną innego rodzaju - S. Otuliny kwaśne zawierają tlenki żelaza, manganu, krzemianów oraz sproszkowane żelazo. Otuliny zasadowe zawierają związki zasadowe, np. węglany wapniowe i magnezowe, a także fluoryt, Otuliny rutylowe zawierają naturalny rutyl TiO 2 w ilości około 25 %. Zasadnicze funkcje otuliny to: Ochrona wytworzenie gazowej tarczy chroniącej przed dostępem atmosfery, wydzielającej się gdy elektroda zostaje ogrzana. Odtlenianie - wprowadzenie do obszaru spawania pierwiastków odtleniających, wiążących azot i rafinujących ciekły metal spoiny Dodanie metalu dostarcza elementy stopowe do jeziorka spawalniczego, co pomaga kontrolować skład chemiczny spoiny. Stabilizacja łuku elektrycznego - poprzez zwiększenie jego przewodności elektrycznej Przegląd metod spawalniczych Spawanie gazowe (OAW oxyacetylene welding) Spawanie gazowe polega na stapianiu brzegów metali łączonych przez nagrzewanie płomieniem powstającym ze spalania się gazu palnego w atmosferze dostarczanego tlenu. Spawanie 9

10 acetylenowo tlenowe (OAW oxyacetylene welding) jest często stosowanym typem spawania gazowego ze względu na wysoką temperaturę płomienia. Główną zaletą spawania acetylenotlenowego jest fakt, że wyposażenie niezbędne do przeprowadzenia spawania jest proste w obsłudze, przenośne i niedrogie. Z tych względów stosuje się je przede wszystkim do prac remontowych i rewitalizacyjnych. Ze względu na niewielką moc płomienia, szybkość spawania jest bardzo niska a całkowity wkład ciepła na jednostkę objętości materiału pozostaje na wysokim poziomie, powodując w konsekwencji dużą strefę wpływu ciepła i spore odkształcenia spawalnicze. Spawanie acetylenowo-tlenowe nie jest rekomendowane do metali stopowych, a ze względu na słabą jakość złącza, najczęściej nie stosuje się go przy spawaniu konstrukcji stalowych. Biorąc pod uwagę marginalną pozycję tej metody spawania w świetle tematyki pracy, nie będzie ona szerzej omawiana Spawanie elektrodami otulonymi (SMAW shielded metal arc welding) Spawanie łukowe elektrodą otuloną, oprócz nazwy SMAW, nazywane jest również metodą MMA (Manual Arc Welding) i jest to najstarsza i najbardziej uniwersalna metoda spawania łukowego. W tej metodzie wykorzystywana jest elektroda otulona, która składa się z metalowego rdzenia pokrytego sprasowaną otuliną. Pomiędzy końcem elektrody a spawanym materiałem wytwarzany jest łuk elektryczny. Zajarzenie łuku ma charakter kontaktowy poprzez dotknięcie końca elektrody do materiału spawanego. Uchwyt elektrody, będący metalowym zaciskiem, jest połączony z jednym źródłem mocy, a element spawany z drugim źródłem. Topiąca się otulina elektrody wydziela gazy, które chronią płynny metal przed wpływem atmosfery a następnie krzepnie i tworzy na powierzchni jeziorka żużel, który chroni krzepnący metal spoiny przed wpływem otoczenia. Po ułożeniu jednego ściegu żużel należy mechanicznie usunąć. Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną jest procesem, w którym trwałe połączenie uzyskuje się przez stopienie ciepłem łuku elektrycznego topliwej elektrody otulonej i materiału spawanego. Łuk elektryczny jarzy się między rdzeniem elektrody pokrytym otuliną i spawanym materiałem. Elektroda otulona przesuwana jest ręcznie przez operatora wzdłuż linii spawania i ustawiona pod pewnym kątem względem złącza. Spoinę złącza tworzą stopione ciepłem łuku rdzeń metaliczny elektrody, składniki metaliczne otuliny elektrody oraz nadtopione brzegi materiału spawanego(rodzimego). Udział materiału rodzimego w spoinie, w zależności od rodzaju spawanego metalu i techniki spawania, wynosić może 10-40%. Łuk spawalniczy może być zasilany prądem przemiennym lub prądem stałym z biegunowością ujemną lub dodatnią. Osłonę łuku stanowią gazy i ciekły żużel powstałe w wyniku rozpadu otuliny elektrody pod wpływem ciepła łuku. Skład osłony gazowej w zależności od składu chemicznego otuliny, stanowią CO 2, CO, H 2 O oraz produkty ich rozpadu. Spawanie rozpoczyna się po zajarzeniu łuku między elektrodą otuloną a spawanym przedmiotem; intensywne ciepło łuku, o temperaturze w środku łuku dochodzącej do 6000 K, stapia elektrodę, której metal przenoszony jest do jeziorka spoiny. Przenoszenie metalu rdzenia elektrody otulonej w łuku spawalniczym może odbywać się w zależności od rodzaju otuliny, grubokroplowo, drobnokroplowo lub nawet natryskowo. 10

11 Ilość tworzącego się gazu i żużla osłaniających łuk oraz ich skład chemiczny zależą od rodzaju otuliny elektrody i jej grubości. Stosuje się otuliny o różnej grubości w stosunku do średnicy rdzenia, a ich nazwy: rutylowe, kwaśne, zasadowe, fluorkowe, cyrkonowe, rutylowozasadowe, celulozowe itd., zależne są od właściwości chemicznych składników otuliny. Elektrody produkowane są zwykle o średnicy rdzenia w zakresie 1,6 do 6,0 mm i długości od 250 do 450 mm. Podstawowa różnica w stosunku do innych metod spawania polega na tym, że w tej metodzie elektroda ulega skróceniu. W większości pozostałych metod długość elektrody pozostaje przez cały czas niezmieniona i odległość pomiędzy uchwytem a elementem spawanym jest przez cały czas stała. W metodzie SMAW, aby utrzymać stałą odległość pomiędzy elektrodą a jeziorkiem spawalniczym, uchwyt elektrody musi być przez cały czas przesuwany w kierunku spawanego elementu co powoduje, że umiejętności spawacza odgrywają szczególną rolę. Zalety i wady metody Korzyścią stosowania tej metody jest możliwość spawania różnych rodzajów i gatunków metali i stopów, spawanie praktycznie w każdej pozycji i w warunkach polowych (przy niewielkim wietrze), na wysokościach a nawet pod wodą. Ze względu na to jest metodą często stosowaną podczas prac remontowych i w warunkach polowych. Przebieg procesu spawania w znacznym stopniu uzależniony jest od umiejętności operatora (spawacza). Ustalone w warunkach technologicznych spawania konkretnej konstrukcji parametry spawania stanowią dla operatora dane wyjściowe, do których dostosowuje swe doświadczenie spawalnicze i zdolności manualne. Niestety, osłona gazowa w metodzie SMAW jest niewystarczająca dla metali reaktywnych, takich jak aluminium czy tytan. Ograniczeniem jest również fakt, że otulina ma tendencję do przegrzewania się i spadania, kiedy stosowane są wyższe napięcia przy spawaniu. Limitowana długość elektrody (około 35 cm) wymaga jej wymiany, co zmniejsza dynamikę i szybkość całego procesu spawania Spawanie metodą TIG (GTAW gas tungsten arc welding) TIG (ang. tungsten inert gas) lub GTAW (gas tungsten arc welding) to metoda łączenia materiałów poprzez ogrzewanie ich łukiem wytworzonym pomiędzy nietopliwą elektrodą wolframową a materiałem spawanym. Uchwyt utrzymujący wolframową elektrodę jest połączony ze zbiornikiem gazu ochronnego oraz ze źródłem energii. Elektroda wolframowa jest zazwyczaj w kontakcie z chłodzoną wodą miedzianą obudową, która łączona jest z kablem spawalniczym. Dzięki temu nie tylko pobierany ze źródła prąd jest dostarczany do elektrody, ale również elektroda jest chłodzona aby zapobiec jej przegrzaniu. Detal spawany podłączony jest do odrębnego źródła prądu. Gaz osłonowy jest kierowany poprzez dyszę w stronę jeziorka spawalniczego aby chronić je przed wpływem atmosfery. Ochrona od wpływu atmosfery jest znacznie lepsza niż w metodzie SMAW, ponieważ bezpośrednio na jeziorko kierowane są gazy obojętne (argon, hel). Pomimo stosowania powszechnie nazwy TIG (tungsten inert gas), w wyjątkowych przypadkach stosuje się również gazy 11

12 reaktywne do osłony (np. azot, którego zadaniem jest podwyższenie temperatury łuku i umożliwienie dzięki temu spawania z dużymi prędkościami miedzi i jej stopów, często bez podgrzania wstępnego) dlatego w niniejszej pracy częściej stosowane będzie częściej określenie GTAW, które wydaje się bardziej uniwersalnym. Podczas tej metody spawania spoiwo zwykle jest dostępne w postaci drutu, doprowadzanego w miarę potrzeby do brzegu jeziorka. Rysunek 2: Spawanie GTAW: a) całościowo b) szczegóły obszaru spawania [Kou Sindo - Welding Metallurgy] Elektrody nietopliwe do spawania TIG są podstawowym elementem obwodu spawania i od ich cech eksploatacyjnych zależy w dużym stopniu jakość spawania oraz ekonomiczność procesu. Cechy te to łatwość zajarzenia łuku i stabilność jarzenia się łuku, trwałość oraz szybkość zużycia elektrody. Elektrody nietopliwe wytwarzane są z czystego wolframu lub ze stopów wolframu. Materiał dodatkowy do spawania TIG może mieć postać drutu, pałeczki, taśmy lub wkładki stapianej bezpośrednio w złączu. Do spawania ręcznego stosowane są druty lub pręty proste o średnicy 0,5, 9,5 mm i o długości mm. Jako materiały dodatkowe do spawania TIG w większości przypadków stosowane są materiały o tym samym składzie chemicznym, co spawany materiał. W niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie materiału dodatkowego o wyraźnie różnym składzie chemicznym od spawanego materiału. I tak np. do spawania stali odpornych na korozję typu 9% Ni stosuje się stopy niklu; mosiądze spawa się brązami aluminiowymi, fosforowymi lub krzemowymi. Zazwyczaj dąży się jednak do tego, aby materiał dodatkowy miał lepsze własności niż materiał spawany. Wady i zalety metody Spawanie GTAW jest odpowiednie dla łączenia nawet cienkich materiałów ze względu na możliwość limitowania nakładów ciepła. Pozwala na regulowanie i kontrolowanie rozmiarów 12

13 przetopu i ilości dodawanego materiału spawalniczego. Jest jednocześnie bardzo czystym procesem spawalniczym, co pozwala mu być stosowanym do spawania reaktywnych metali, takich ja tytan, aluminium czy magnez. Należy jednak pamiętać, że w przypadku przekroczenia optymalnych natężeń prądu, elektroda wolframowa może ulec topieniu i zanieczyścić spaw wolframem. Wydajność spawania jest stosunkowo niska, ale może zostać przyspieszona poprzez wstępne podgrzanie dodawanego drutu (TIG-Hot Wire), kiedy poprzez drut również jest przekazywany prąd elektryczny powodujący jego podgrzanie. Nagrzewany oporowo drut jest stapiany z większą prędkością, tworząc jeziorko spawalnicze o dużej objętości, tłumiące" przetopienie materiału podłoża. W części praktycznej niniejszej pracy zostanie omówione złącze spawane stali nierdzewnej wykonane w sposób zrobotyzowany metodą TIG-Hot Wire w celu osiągnięcia najwyższej jakości spoiny Spawanie plazmowe (PAW plasma arc welding) Spawanie plazmowe to metoda spawania z wykorzystaniem ogniskowania łuku elektrycznego. Do wytworzenia plazmy, czyli zjonizowanego gazu wymagane jest nagrzanie go do dostatecznie wysokiej temperatury. Podobnie jak podczas spawania metodą GTAW (TIG), łuk przy spawaniu plazmowym powstaje pomiędzy nietopliwą elektrodą wolframową, a materiałem podstawowym. Temperatury występujące w łuku w metodzie GTAW są rzędu C, a kolumna łuku ma kształt stożka. Natomiast przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania poza zawężeniem łuku jest wzrost jego temperatury do około C. Gaz ten wypływając z dyszy jako zjonizowany strumień o wysokiej temperaturze niesie olbrzymią energię, która jest niezbędna do spawania z oczkiem. Taka technika spawania pozwala w jednym przejściu wykonać spoinę w materiale o grubości od 3 do 15 mm, z bardzo korzystnym zarysem wtopienia i minimalnym odkształceniu po spawaniu. Umożliwia także uzyskiwanie prędkości spawania o 40 80% wyższe niż przy metodzie TIG. Rysunek 3: Porównanie przekroju spawu wykonanego metodą PAW oraz metodą GTAW [Welding Handbook, Courtesy of American Welding Society] Zalety i wady metody Spawanie PAW można traktować jako ulepszoną wersję metody GTAW. Posiadając zogniskowany łuk elektryczny, PAW jest mniej wrażliwy na zmiany długości łuku podczas ręcznego spawania i wymaga mniejszych umiejętności operatora spawarki niż GTAW. Krótka 13

14 długość łuku w GTAW może powodować przypadkowe zetknięcie elektrody z jeziorkiem spawalniczym i zanieczyszczenie go, co nie występuje w PAW, gdzie elektroda jest zagłębiona w dyszy. Penetracja spawów jest głębsza niż w GTAW, a prędkości spawania mogą być wyższe. Niemniej jednak spawanie metodą PAW jest bardziej skomplikowane ze względu na konstrukcję palnika. Wymaga odpowiedniej konfiguracji elektrody, pozycjonowania i odpowiedniego ustalenia emisji gazów ochronnych, co zazwyczaj realizuje się poprzez specjalne konsole kontrolne. Ze względu na to koszt wyposażenia jest droższy niż w przypadku GTAW Spawanie w osłonie gazów ochronnych (GMAW gas metal arc welding) Spawanie GMAW jest metodą topienia i łączenia materiałów poprzez ogrzewanie je łukiem wytworzonym pomiędzy stale doprowadzanym drutem, będącym jednocześnie elektrodą. Osłona łuku oraz jeziorka spawalniczego często wytwarzana jest przez doprowadzenie gazu obojętnego (argon lub hel), stąd stosowane jest określenie MIG (metal-inert gas) lub reaktywnego (CO 2 ), stąd określenie MAG (metal-active gas). Dokładna osłona łuku jarzącego się między elektrodą topliwą a spawanym materiałem zapewnia, że spoina formowana jest w bardzo korzystnych warunkach. Spawanie MIG zastosowane więc może być do wykonania wysokiej jakości połączeń wszystkich metali, które mogą być łączone za pomocą spawania łukowego. Należą do nich stale węglowe i niskostopowe, stale odporne na korozję, aluminium, miedź, nikiel i ich stopy. Spawanie MIG/MAG polega na stapianiu materiału spawanego i materiału elektrody topliwej ciepłem łuku elektrycznego jarzącego się pomiędzy elektrodą topliwą i spawanym przedmiotem, w osłonie gazu obojętnego lub aktywnego. Metal spoiny formowany jest z metalu stapiającego się drutu elektrodowego i nadtopionych brzegów materiału spawanego. Podstawowe gazy ochronne stosowane do spawania MIG/MAG to gazy obojętne argon, hel oraz gazy aktywne; CO 2, H 2, O 2, N 2, i NO, stosowane oddzielnie lub tylko jako dodatki do argonu czy helu. Elektroda topliwa w postaci drutu pełnego, zwykle o średnicy od 0,5 mm, podawana jest w sposób ciągły przez specjalny system podający, z prędkością w granicach 2,5 m/min. Palnik chłodzony może być wodą lub powietrzem. W przeciwieństwie do GTAW, spawanie MIG/MAG prowadzone może być prądem stałym lub przemiennym we wszystkich pozycjach. Obecnie prawie wyłącznie stosuje się spawanie MIG/MAG prądem stałym z biegunowością dodatnią. Spawanie prowadzone jest jako półautomatyczne zmechanizowane, automatyczne lub w sposób zrobotyzowany. Dzięki dużej uniwersalności procesu i łatwości regulacji, spawanie MIG/MAG pozwala na wykonywanie różnorodnych konstrukcji z różnych metali i stopów w warunkach warsztatowych i montażowych, we wszystkich pozycjach. Zalety i wady metody Tak samo jak GTAW, GMAW jest bardzo czystą metodą spawania, szczególnie przy doprowadzeniu gazu obojętnego. Przewyższa GTAW pod względem ekonomii spawania i szybkości wykonywania spawu. Niestety, palniki GMAW mogą być wielkogabarytowe, co utrudnia dotarcie do trudno dostępnych obszarów spawanych. 14

15 Spawanie łukowe drutem rdzeniowym (FCAW flux core arc welding) Spawanie łukowe drutem rdzeniowym (proszkowym), FCAW (Flux-Cored Arc Welding) to metoda spawania, podobna do metody GMAW, z tą różnicą, że drut wewnątrz jest wypełniony topnikiem lub substancją chemiczną wytwarzająca podczas spawania gazy ochronne. Metoda ta jest także nazywana metodą MAG, chociaż jest tu zasadnicza różnica w sposobie podawania topnika, gdyż w MAG-u jest on podawany z zewnątrz. Tą metodą spawa się także stale stopowe. Do spawania stali stopowych używa się drutu z rdzeniem metalowym, w którym oprócz topnika znajdują się sproszkowane metale, takie jak nikiel, chrom itp. Zalety i wady metody Spawanie FCAW łączy w sobie zalety spawania elektrodą otuloną i metodą MAG, pozwalając na osiągnięcie bardzo dużej wydajności w związku z brakiem potrzeby częstej zmiany elektrody i nie wymagania wysokich kwalifikacji od spawacza. Jego wadami jest wyższa cena drutu spawalniczego w stosunku do technik konwencjonalnych i konieczność konstruowania dedykowanych spawarek gwarantujących możliwość zmiany biegunowości Spawanie łukiem krytym (SAW submerged arc welding) Metoda SAW polega na łączeniu elementów metalowych za pomocą elektrody w otulinie granulowanego topnika. Z powodu wytwarzania wysokiej temperatury przez łuk elektryczny, topnik stapiając się tworzy ochronną warstwę żużla pokrywającego spoinę i nie dopuszcza do utlenienia spawu. Tego typu proces spawania prowadzi się zwykle za pomocą w pełni zautomatyzowanego sprzętu, dostępne są także ręcznie prowadzone uchwyty. Dla zwiększenia wydajności spawania stosuje się rozwiązanie z kilkoma elektrodami. Metoda spawania łukiem krytym, dzięki bardzo dużej szybkości spajania, bardzo dobrze nadaje się do wykonywania długich prostoliniowych złączy w pozycji podolnej. Metoda jest często stosowana w trakcie produkcji zbiorników ciśnieniowych, w zakładach chemicznych, w trakcie wytwarzania dużych konstrukcji stalowych, w pracach naprawczych oraz w przemyśle stoczniowym. Zalety i wady metody Zaletami tej metody jest dobra jakość uzyskanej spoiny i dobra wydajność pracy w połączeniu z wysoką sprawnością energetyczną i dobrymi warunkami pracy spawacza. Podczas spawania nie wydzielają się również szkodliwe opary spawalnicze. Niestety aby spawać w pozycji innej niż pozioma, należy stosować specjalne oprzyrządowanie, w praktyce niestosowane ze względu na trudności konstrukcyjne. Przed spawaniem topnik musi być odpowiednio osuszony i przygotowany, a metoda może być zastosowana jedynie wewnątrz hal produkcyjnych. 15

16 Spawanie elektrożużlowe (ESW electroslag welding) Metoda EWS polega na spawaniu elektrodą topliwą, podczas gdy ciepło niezbędne do stapiania metalu wytwarzane jest wskutek oporu jaki stawia prądowi roztopiony żużel. Tak jak w SAW, w procesie ESW stopiony żużel ochrania topiony metal przed wpływem atmosfery, jednocześnie rafinując go. Jak zostało wspomniane na początku, ESW nie stricte procesem spawania łukowego ze względu na istnienie łuku tylko podczas inicjacji procesu. Gdy temperatura żużla wzrasta i tym samym zwiększa się jego przewodność elektryczna, łuk gaśnie, a prąd elektryczny przepływa przez płynny żużel. Ponieważ płynny żużel posiada pewną rezystancję, w wyniku przepływu prądu powstaje energia cieplna niezbędna do prowadzenia procesu spawania. Zalety i wady metody Dzięki zastosowaniu EWS można osiągnąć bardzo dużą wydajność spawania przy jednocześnie niskim koszcie przygotowania złącza. Pozwala na spawanie bardzo grubych materiałów przy jednym przejściu i zapewnia minimalne naprężenia poprzeczne w spawie. Niewątpliwie wadą metody jest fakt, że stosowane duże ilości energii przyczyniają się do powolnego stygnięcia złącza, w wyniku czego w strefie wpływu ciepła występuje duży rozrost ziarna. Udarność materiału w strefie wpływu ciepła jest niewystarczająca, aby spełnić wymagania stawiane konstrukcjom spawanym z gwarantowaną odpornością na pęknięcia w niskich temperaturach, czyli z odpornością na pęknięcia kruche Spawanie wiązką elektronów (EBW elektron beam welding) Spawanie wiązką elektronów wykorzystywane jest w przemyśle lotniczym i kosmicznym ze względu na ponadprzeciętnie wysoką jakość otrzymywanych spoin. Spoina ma charakter nożowy z minimalną strefą wpływu ciepła. Osiągnięcie tak wysokiego standardu spawania wymaga wytworzenia skoncentrowanej wiązki energii zawierającej podniesione do stanu wysokiej aktywności elektrony. Wygenerowana wewnątrz działa elektronowego wiązka uderza w obrabiany przedmiot z prędkością bliską 30-70% prędkości światła, zamieniając swoją kinetyczną energię na ciepło, które jest w stanie rozgrzać materiał do temperatur bliskich C. Otrzymane w ten sposób skoncentrowane ciepło penetruje materiał na bardzo duże głębokości, umożliwiając tworzenie połączeń elementów o znacznej grubości, osiągającej nawet 20 cm. Ze względu na silne skupienie i wysoką stabilność strumienia elektronów, całkowity nakład ciepła na materiał jest o wiele niższy niż w innych metodach spawalniczych, co skutkuje bardzo niewielką strefą wpływu ciepła w materiale. Wytworzenie spoiny następuje przez stopienie brzegów materiałów, eliminując potrzebę zastosowania spoiwa, a zatem redukuje ilość wykorzystywanego w produkcji materiału. Zastosowanie źródła ciepła w postaci wiązki elektronów wiąże się z wysokim skoncentrowaniem energii na małej powierzchni oraz możliwością łatwego jej sterowania i dozowania. Duża koncentracja energii wiązki wynika z zamiany energii kinetycznej elektronów na 16

17 ciepło, co jest procesem natychmiastowym w porównaniu do procesów nagrzewania metalu w wyniku przewodnictwa, które mają zastosowanie przy spawaniu gazowym lub elektrycznym. Wykorzystywany w EBW sposób skoncentrowania ciepła na powierzchni detalu umożliwia otrzymanie spoin bardzo wąskich i głębokich. Uzyskanie wąskiej spoiny, a więc małej ilości stopionego materiału, zmniejsza zapotrzebowanie na niezbędne do tego procesu ciepło, a to z kolei zapewnia mniejszy skurcz złącz spawanych i redukuje powstałe naprężenia spawalnicze, nierzadko pozwalając uniknąć konieczności obróbki wykańczającej. Powstające odkształcenia są nieznaczne, ponieważ obrabiany obszar ochładza się błyskawicznie na skutek bardzo dużych różnic temperaturowych pomiędzy strefą nagrzaną, a pozostałą częścią materiału. Spawanie elektronowe przeprowadza się przede wszystkim w warunkach wysokiej próżni, aby umożliwić swobodny ruch elektronów i w pełni wykorzystać ich energię, osiągając maksymalną głębokość spawu przy możliwości znacznego (nawet do 150 cm) oddalenia wyrzutni od materiału. Jednocześnie zastosowanie tego typu warunków gwarantuje uzyskanie całkowicie wolnej zanieczyszczeń spoiny. Na skutek redukcji cząsteczek tlenków znajdujących się w obrabianym metalu, w procesie spawania w komorze próżniowej zachodzi pasywacja spoiny, uniemożliwiająca jej dalsze utlenianie. Wysoka próżnia wymaga wyposażenia w odpowiednio szczelną i wytrzymałą komorę spawalniczą, zaopatrzoną w pompy do odprowadzania powietrza. Nowoczesne komory spawalnicze osiągają rozmiary od 0,5 do 60 m 3 i oferują różnorodne systemy pomp pozwalające na uzyskanie próżni w krótkim czasie, jednocześnie posiadając systemy CNC pozwalające na precyzyjne wyliczanie i kontrolę parametrów procesu. Odpowiednie zaprojektowanie i sterowanie tego typu procesem spawalniczym może umożliwić nie tylko osiągnięcie maksymalnej jakości spawu, ale też zminimalizować koszty produkcji ze względu na dużą wydajność tej technologii, dobrą szybkość spawania, wyeliminowanie ośrodków chłodzących. Spawanie wiązką elektronów w próżni ograniczone jest wymiarami komory próżniowej. Próbując rozszerzyć zakres zastosowania metody spawania elektronowego, zaprojektowane zostało spawanie w warunkach częściowej próżni lub spawanie bezpróżniowo (w atmosferze gazowej). Obydwie metody stają wobec problemu rozpraszania się pracy wiązki podczas przebywania przez nią zadanej drogi w atmosferze gazowej, co w rezultacie skutkuje zmniejszeniem maksymalnej odległości wyrzutni i znacznym zredukowaniem dopuszczalnej grubości detalu (do 4-5 cm). Spawanie w atmosferze gazowej lub w próżni częściowej może zatem być zastosowane do łączenia części o dowolnych rozmiarach, ze względu na wyeliminowanie czynnika komory spawalnicze, ale niezbyt dużej grubości. Zalety spawania wiązką elektronów pozwalają na szeroki zakres jej zastosowania pod względem doboru spawanych materiałów. Metoda umożliwia łączenie materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak molibden czy wolfram, metali aktywnych, tak jak tytan lub cyrkon, a także znacznie różniących się od siebie właściwościami (kombinacje wolfram-miedź, Cu- Ni, St37-CuZn lub CuBe). W rezultacie stają się osiągalne połączenia, których produkcja w sposób konwencjonalny byłaby nieopłacalna, niepraktyczna lub wręcz niemożliwa. W porównaniu do konwencjonalnych metod spawania, w których proces ograniczony jest koniecznością zapewnienia łatwego dostępu do miejsc spawanych i dużą pracochłonnością 17

18 wykonania spoin, spawanie elektronowe zapewnia dotarcie do trudno dostępnych miejsc materiału i nieporównywalnie większą prędkość wykonania spoiny (do 100 mm/sek). Odpowiednio zautomatyzowany proces EBW pozwala też wykluczyć czynnik operatora spawarki i osiągnąć w pełni powtarzalny proces efektywnego spawania przy dużych szybkościach. Uzyskana spoina jest bardzo wąska, czysta, błyszcząca i regularna. Porównując metodę spawania wiązką elektronów do typowych metod spawania (spawanie łukowe lub gazowe) warto zauważyć, że prawie wszystkie stosowane stale i stopy żaroodporne po stopieniu tracą swoje własności wytrzymałościowe. Zastosowanie wiązki elektronów do łączenia materiałów pozwala na przeprowadzenie procesu zarówno przed obróbką cieplną elementów, jak i po ostatecznej obróbce. Analizy materiałowe pozwalają stwierdzić, że uzyskane spoiny posiadają własności porównywalne do otaczającego je materiału. Właściwości wiązki elektronów jako metody spawania wykorzystuje się zarówno w przemyśle elektronicznym i precyzyjnym, jak i lotniczym, samochodowym, energetycznym oraz wszędzie tam, gdzie zachodzi konieczność wytworzenia mocnych spoin w materiałach o skomplikowanych kształtach. W elektronice jest to jedyna technologia, która pozwala na uzyskanie pożądanej wytrzymałości statycznej i dynamicznej połączeń niklowych z elektrodą aluminiową w elementach półprzewodnikowych. Spawanie elementów cienkościennych wykorzystuje się podczas wytwarzania konstrukcji przekładkowych ze stali austenitycznej lub tulejek molibdenowych. Technologia znajduje też szerokie zastosowanie w spawaniu elementów cienkościennych z częściami o znacznej grubości, tworząc spoiny spełniające wysokie wymagania w zakresie wytrzymałości. Z dużym powodzeniem spawanie wiązką elektronów stosuje się również w zakresie regeneracji, modernizacji i naprawy braków w skomplikowanych częściach maszyn, poprzez dokonywanie spawania pęknięć zmęczeniowych w miejscach trudno dostępnych lub wspawywanie elementów usztywniających, a niekiedy nawet usuwanie złamanych części narzędzi z głębokich otworów poprzez punktowe stopienia i odparowania metalu. Zalety i wady metody Spawanie wiązką elektronów w porównaniu z konwencjonalnymi metodami oferuje zupełnie nowe perspektywy w kwestii kombinacji materiałów, geometrii łączonych elementów i kosztów produkcji. Metoda EBW jest najbardziej precyzyjną z dostępnych metod spawalniczych, ale stosowanie jej zazwyczaj wymaga poniesienia wysokich nakładów finansowych. W związku z tym jest wykorzystywana do wąskiego zakresu materiałów i rodzajów złączy, a na rynku europejskim wciąż pozostaje rzadkością. W części teoretycznej niniejszej pracy zostanie omówione złącze spawane stali nierdzewnej wytworzone przy pomocy wiązki elektronów Spawanie laserowe (LBW laser beam welding) 18

19 LBW to rodzaj metody spawania polegającego na stapianiu obszaru styku wiązką promieni laserowych. Spawanie takie prowadzone jest w osłonie gazu obojętnego i zapewnia dużą wytrzymałość spoin. Spawanie laserowe wykorzystuje wiązkę o dużej gęstości energii (około 1 MW/cm²). Efektem LBW jest mała szerokość strefy wpływu ciepła i niskie oddziaływania temperatury na konstrukcję, szybkie odprowadzanie ciepła i stygnięcie spoiny. Możliwa do uzyskania szerokość uzyskiwanych spoin to 0.2mm do 13mm, praktycznie wykorzystywane są głównie spoiny o małych szerokości. Głębokość penetracji materiału przez wiązkę laserową jest proporcjonalna do energii zasilania, ale zależy również od lokalizacji punktu skupienia wiązki. Maksymalizacje przenikania wiązki uzyskuje się, gdy punkt skupienia znajduje się nieco poniżej powierzchni łączonych materiałów. Spawanie laserowe stosowane jest do spawania stali stopowych, wysokowytrzymałych stali niskostopowych (HSLA), stali węglowych, aluminium i tytanu. Zalety i wady metody Niewątpliwymi zaletami metody LBW jest wysoka gęstość mocy, małe odkształcenia spawalnicze, wąska spoina, wąska strefa wpływu ciepła w materiale. Jednocześnie zastosowanie LBW pozwala na osiągnięcie wysokiej prędkości i czystości procesu, nie wymaga spoiwa i pozwala spawać materiały trudno spawalne w sposób efektywny. Jest również łatwe do zautomatyzowania. 3. Przepływ ciepła w procesie spawania 3.1. Wprowadzenie Przepływ ciepła może w sposób wymierny wpływać na przemiany fazowe zachodzące w trakcie spawania, a więc również na osiągniętą w rezultacie mikrostrukturę i właściwości złącza spawanego. Jest również odpowiedzialny za naprężenia wewnętrzne w spawie oraz zniekształcenia. Przebieg zjawisk cieplnych jest bardzo złożony i uzależniony od wielu zmiennych parametrów, z których najważniejszymi są; postać źródła ciepła, jego moc i gęstość mocy, czas działania, sposób przemieszczania się oraz kształt, wielkość i własności fizyczne spawanego metalu. Może odbywać się trójwymiarowo (X,Y,Z), dwuwymiarowo (X,Y) albo jednowymiarowo (X). O przepływie ciepła decyduje temperatura, moc i gęstość mocy źródła ciepła. Ukształtowanie się pola temperatury jest uzależnione od tego, czy źródło ciepła jest chwilowe, czy ciągłe oraz czy jest nieruchome (zgrzewanie punktowe i elektronitowanie), czy też ruchome (przesuwa się z określoną prędkością względem nagrzewanego przedmiotu). Wreszcie na ukształtowanie się pola temperatury wpływają własności fizyczne metalu oraz kształt nagrzewanego przedmiotu. Najważniejszą rolę odgrywa tu przewodzenie ciepła, w dalszej kolejności ciepło właściwe i pojemność cieplna. Ciepło doprowadzane do ciała w dowolnym punkcie rozprzestrzenia się, aż do momentu całkowitego wyrównania temperatury w każdym punkcie tego ciała. Zależnie od ilości doprowadzonego ciepła oraz wielkości i kształtu ciała (ciało masywne lub cienka płyta) mogą zaistnieć dwa przypadki: 19

20 1. jeżeli ciało ma znaczną masę, ma również znaczną pojemność cieplną i jeżeli ładunek cieplny jest stosunkowo mały, to można przyjąć, że całe ciepło rozprzestrzenia się w masie ciała na zasadzie przewodzenia; 2. jeżeli ciało jest płaskie (cienka płyta), czyli ma stosunkowo niedużą pojemność cieplną, i jeżeli ładunek cieplny jest stosunkowo duży wówczas część ciepła rozprzestrzenia się w masie ciała na zasadzie przewodzenia, a część ciepła przez płaszczyznę graniczną ciała przenika do otaczającej atmosfery. Rozprzestrzenianie się ciepła w jednorodnej masie ciała odbywa się od źródła we wszystkich kierunkach z jednakową szybkością. Pod wpływem fali ciepła rozprzestrzeniającej się w masie metalu, metal zostanie nagrzany w każdym punkcie do pewnej maksymalnej temperatury, po czym następuje proces odwrotny - stygnięcie. Zmiany temperatury w funkcji czasu w każdym z punktów ciała, znajdujących się w zasięgu pola i temperatury, nazywa się cyklem cieplnym. Cechami charakterystycznymi cyklu cieplnego są: szybkość nagrzewania i szybkość chłodzenia, maksymalna temperatura, jaką dany punkt osiąga, oraz czas, w którym określony punkt ciała przebywa powyżej pewnej zadanej temperatury. Wszystkie te wielkości decydują o strukturalnej budowie metalu oraz. mają bezpośredni wpływ na powstawanie w nim wad, np. pęknięć. Dlatego też istotną sprawą dla spawalnika jest poznanie możliwości regulacji cyklu cieplnego i dokonywanie zmian poszczególnych jego wartości wg potrzeby. Stosunek ciepła zużytego na stopienie metalu podstawowego do ilości ciepła doprowadzanego do materiału podstawowego wyraża współczynnik cieplny topienia ηt. Jest on zależny od intensywności doprowadzenia ciepła do masy metalu, co jest związane z prędkością spawania, własnościami fizycznymi i wielkością masy metalu podstawowego oraz energią liniową łuku elektrycznego. Można wykazać. na drodze teoretycznych obliczeń. że przy nagrzewaniu ciału masywnego' punktowym źródłem ciepła przesuwającym się po jego powierzchni, współczynnik cieplny topienia ηt == 0,368, a przy nagrzewaniu cienkiej płyty liniowym źródłem ciepła ηt =0,484. Sumaryczna ilość ciepła zużytego na stopienie materiału podstawowego - S stanowiącego spoinę i nagrzanie w tym czasie strefy do niej przyległej jest zależna od energii liniowej źródła ciepła, gęstości mocy, prędkości spawania oraz od masy nagrzewanego przedmiotu i własności fizycznych metalu. Dlatego też np. do spawania blachy tej samej grubości łukiem elektrycznym ilość zużytej energii elektrycznej jest znacznie większa aniżeli w przypadku spawania wiązką elektronów. Rysunek 4: Rozkład temperatury t zużycie energii cieplnej na stopienie materiału podstawowego S stanowiącego spoinę i nagrzanie w tym czasie strefy do niej przyległej w 20

21 przypadku spawania: a) elektronowego. b) ręcznego łukiem krytym, c) elektrożużlowego; T - rozkład temperatury w momencie przetopienia materiału podstawowego o przekroju S, Q - ilość ciepła zużyta na stopienie materiału podstawowego i nagrzanie w tym czasie strefy do niej przyległej [Kou Sindo - Welding Metallurgy] 3.2. Źródła ciepła Na ogół procesy spawalnicze prowadzone są przy użyciu skupionych źródeł ciepła powodujących miejscowe nagrzewanie do temperatury uzależnionej od właściwości materiału rodzimego. Temperatura ta przypadku spawania klasycznego zawsze przekracza temperaturę topnienia metalu, natomiast w większości wypadków zgrzewania powinna być na tyle wysoka, aby umożliwić w miejscu łączenia łatwy przebieg odkształceń plastycznych oraz procesów dyfuzyjnych. Spawalnicze źródło ciepła oprócz oddziaływania korzystnego może również wywierać oddziaływanie niekorzystne, dlatego też należy dążyć do tego, żeby nieodzowna ilość ciepła została wprowadzona w sposób najbardziej zlokalizowany. Uzyskuje się wówczas stopienie lub nagrzanie metalu do wymaganej temperatury jedynie w minimalnie koniecznej objętości. Unika się przez to nadmiernych strat ciepła, a skutki niezamierzone oddziaływania cieplnego sprowadza się do minimum. W dalszej części pracy zostaną omówione najczęściej spotykane źródła ciepła w spawalnictwie Płomień gazowy To stosunkowo elastyczne i uniwersalne źródło ciepła, które jest łatwe do regulowania w dość szerokim zakresie mocy. Jest stosowany do nie tylko do spawania, ale też do napawania, cięcia, zgrzewania, lutowania, metalizacji i innych zabiegów. Węglowodorem przeznaczonym do spawania jest prawie wyłącznie acetylen. Gazy spawalnicze spalane są w zasadzie lub niekiedy w atmosferze powietrza. Ciepło przenika do przedmiotu głównie przez konwekcję, przez promieniowanie przenika jedynie do 15%. Ilość tlenu potrzebną do spalenia całkowitego jednostki objętościowej gazu, można wyliczyć z równań chemicznych spalania i dla acetylenu wynosi 2,5. Temperatura płomienia gazowo-tlenowego jest większa niż gazowo-powietrznego o nawet 1000 C, ponieważ obecny w płomieniu azot pochłania ciepło do ogrzewania nie biorąc udziału w reakcji spalania. Im większa jest temperatura topnienia, grubość i przewodność cieplna metalu, tym większe ilości gazów musi doprowadzić palnik do strefy spawania. Należy pamiętać, że przy spalaniu się gazu o małej szybkości spalania (inne niż acetylen), zwiększenie szybkości wypływu gazu ponad określone granice powoduje zdmuchnięcie płomienia. Szybkość wypływu gazu palnego nie może być również zbyt mała, aby nie nastąpiło cofnięcie płomienia do palnika. Najczęściej do spawania metali stosowany jest płomień acetylenowo-tlenowy, który oprócz najwyższej temperatury i największej szybkości spalania, ma szereg zalet, takich jak np. spalanie 21

22 dwustopniowe i możliwość regulowania przez to charakteru płomienia od utleniającego, przez neutralny, do nawęglającego; korzystny rozkład temperatury w płomieniu; małe zużycie tlenu na jednostkę acetylenu oraz łatwą regulację charakteru płomienia. Płomień wodorowo-tlenowy jest mało stosowany do spawania metali, jakkolwiek może być stosowany do spawania np. ołowiu i aluminium. W wyniku spalania się wodoru w tlenie wytwarza się para wodna i wydziela się ciepło na l mol wodoru kj, uwzględniając ciepło na parowanie wody lub 284,7 kj, jeżeli produktem spalania jest woda. Jeżeli spalanie wodoru jest całkowite, to maksymalna temperatura płomienia może osiągnąć 2870 o C. Przy takim spalaniu nie tworzy się jednak strefa redukująca w płomieniu, zawierająca wodór i z tych względów płomień taki jest mało przydatny w spawalnictwie. Jeżeli do spalania wodoru doprowadzi się tylko połowę ilości tlenu, wynikającą z równania stechiometrycznego spalania, to wówczas wydzieli się tylko 121,4 kj na l mol wodoru. Temperatura takiego płomienia wynosi wtedy ok o C, czyli jest o ok. 300 C niższa od temperatury promienia przy spalaniu całkowitym i ok. 600 C niższa od temperatury płomienia acetylenowego. Mimo więc, że płomień zawiera wtedy znaczne ilości wodoru, przez co ma charakter bardziej redukujący, to niska temperatura płomienia i związana z tym mała prędkość spawania uniemożliwiają zastosowanie takiego płomienia do spawania stali Łuk elektryczny Łuk elektryczny jest wyładowaniem elektrycznym w gazach. Zajarzanie łuku przy spawaniu elektrycznym polega na potarciu lub uderzeniu końcem elektrody o spawany przedmiot i szybkim jej uniesieniu na odpowiednią wysokość. W chwili styku, na skutek oporu elektrycznego, elektroda nagrzewa się. Pod wpływem temperatury i silnego pola elektrycznego zachodzi zjawisko termoemisji elektronów z powierzchni elektrody. Elektrony te zderzają się z atomami gazu w silnym polu elektrycznym między elektrodą a przedmiotem powodując jonizację gazu, która przekształca się w jonizację lawinową, niezbędną do jarzenia łuku elektrycznego. Łuk elektryczny jest stosowany w większości procesów spawania, ponieważ stanowi bardzo skoncentrowane źródło ciepła o bardzo wysokiej temperaturze, dochodzącej w osi luku do o C, zwłaszcza w łukach plazmowych. Spawalniczy łuk elektryczny można opisać, podając jego charakterystykę statyczną, elastyczność oraz ugięcie w polu elektromagnetycznym. Charakterystyka statyczna łuku jest to zależność między natężeniem prądu a napięciem jarzenia łuku, przy stałej jego długości, Napięcie jarzenia jest sumą napięć: anodowego, katodowego oraz napięcia w słupie łuku. Elastyczność łuku jest to zdolność do jarzenia się bez względu na pewne zmiany jego długości. Jako kryterium elastyczności l kr przyjmuje się maksymalną długość, przy której nie następuje zanik łuku. Spawalniczy łuk zasilany prądem stałym mu dużą stabilność i elastyczność w przeciwieństwie do luku prądu przemiennego, który gaśnie i zajarza się z częstotliwością prądu zasilającego. Elastyczność łuku zależy od: rodzaju prądu, napięcia biegu jałowego źródła, natężenia prądu spawania, grubości otuliny i zawartości w niej składników jonizujących. Ugięcie łuku polega na odchyleniu słupa łuku od osi elektrody, spowodowanym 22

23 oddziaływaniem sił pola magnetycznego. Pole to powstaje w wyniku przepływu prądu przez obwód spawania. Ugięcie łuku nie występuje w przypadku, gdy miejsce doprowadzenia prądu do przedmiotu spawanego pokrywa się z osią elektrody oraz przy spawaniu prądem zmiennym (ugięcie jest wówczas praktycznie pomijalne). Zbyt duże ugięcie luku może spowodować nierównomierne przetopienie spoiny, nierówne lico itp. wady, dlatego należy dążyć do wyeliminowania tego zjawiska Źródła ciepła o dużej gęstości energii Do źródeł ciepła o bardzo dużej gęstości energii zaliczamy łuk plazmowy, wiązkę elektronów i wiązkę lasera. Strumieniami tymi można spawać jednym przejściem nieukosowane blachy i przedmioty o grubości od kilku mikrometrów do ponad 300 mm. Różnią się one od konwencjonalnych strumieni cieplnych w spawaniu tym, że ich gęstość wynosi powyżej 10 9 W/m 2. Proces spawania źródłami ciepła o takiej gęstości charakteryzują następujące wspólne cechy: drążenie w ciekłym jeziorku otworu (keyhole), zwykle przez całą głębokość jeziorka i spawanych przedmiotów, parowanie jeziorka w obszarze otworu, bardzo wąskie spoiny przez całą grubość spawanych przedmiotów, niska wartość współczynnika kształtu (stosunek szerokości do głębokości spoiny) wynosząca od 0,02 do 1 (rośnie w miarę zmniejszania się grubości blach), bardzo małe odkształcenia złącza, bardzo mała ilość metalu w spoinie, możliwość spawania nieukosowanych przedmiotów, bardzo duża szybkość spawania. Gęstość strumieni cieplnych potrafi dochodzić do wysokości W/m2. Jeśli gęstość jest mniejsza niż 10 6 W/m2, proces topienia podczas spawania prawie nie występuje, natomiast w czasie spawania strumieniami o gęstości powyżej W/m2, proces parowania jeziorka jest zbyt intensywny, aby można było uzyskać dobrą jakość spoiny (następuje proces usuwania metalu, czyli cięcie). Jeśli moc strumieni cieplnych oscyluje poniżej tej wartości, pojawia się ciśnienie wiązki i parowanie metalu odpowiednie do wytworzenia oczka (kanału parowego). Przyjmuje się, że w wyniku parowania w jeziorku spawalniczym tworzy się oczko, a ciepło przewodzenia wiązki topi ściany metalu wokół powstałego otworu. Jednocześnie ciśnienie tej wiązki chroni oczko przed zalaniem go roztopionym metalem jeziorka Procesy cieplne spawania Skoncentrowane źródła ciepła o znacznej mocy nie tylko wykazują oddziaływanie korzystne, stapiając lub uplastyczniając brzegi łączonych elementów, ale też powodują skutki ujemne, będące wynikiem nierównomiernego rozkładu temperatur w czasie cyklu spawania. Nierównomierność ta pociąga za sobą efekty wtórne w postaci zmian strukturalnych w obszarze 23

24 złącza spawanego oraz powstawanie naprężeń i odkształceń pozostających w wykonanej konstrukcji. Dlatego też umiejętność przewidywania rozkładu temperatur w spawanym elemencie staje się kwestią podstawową. Pole temperatur, określone za pomocą izoterm, zależy od kształtu oraz wymiarów spawanych części i ma charakter przestrzenny w grubych elementach, płaski w blachach i cienkich płytach, a liniowy w prętach i elektrodach. Można je opisywać za pomocą równań uwzględniających współczynniki przewodzenia ciepła materiału, gęstość, temperaturę, czas i wiele innych czynników. Doświadczalnie określane pola temperatur w prostych złączach spawanych wykazują na ogół zgodność z obliczeniami teoretycznymi wykonanymi na podstawie wzorów, co potwierdza możliwość praktycznego wykorzystania tych obliczeń do wyznaczania pól temperatur. Pod wpływem fali ciepła przekazywanej materiałowi spawanemu przez ruchome źródło ciepła materiał w każdym punkcie ogrzewany jest do określonej temperatury maksymalnej i następnie chłodzony. Wywołuje to określone zmiany strukturalne, w wyniku których makroskopowo złącze spawane można podzielić na trzy wyraźne obszary: spoinę, strefę wpływu ciepła (SWC lub HAZ heat affected zone) oraz materiał rodzimy. 4. Reakcje chemiczne w procesie spawania 4.1. Reakcje gaz-metal Podczas spawania w spawanym materiale mogą rozpuszczać się azot, tlen i wodór, które mogą mieć wpływ na stabilność otrzymanej spoiny. Gazy te zazwyczaj pochodzą z powietrza, z materiałów eksploatacyjnych takich jak gaz osłonowy czy topnik i lub samego detalu z powodu jego zanieczyszczenia. Należy pamiętać, że stopione metale reagują prawie z każdym gazem z wyjątkiem gazów szlachetnych oraz obojętnych. Dlatego właśnie argon i hel są używane do ochrony przed atmosferą w spawaniu MIG. Pierwszą, a niekiedy najważniejszą zmianą metalurgiczną, która zachodzi w następstwie wytworzenia się jeziorka spawalniczego, jest adsorpcja gazu z atmosfery łuku lub płomienia i następująca później reakcja gazu z ciekłym metalem i gazami w niej zawartymi. Wzajemne oddziaływanie gazu i metalu może przebiegać dwojako: 1. reakcji egzotermicznej wytwarzającej trwały związek chemiczny 2. rozpuszczania fizycznego (endotermicznego) W wyniku reakcji pierwszego typu może pojawić się kruchość wykonanego złącza (tzw. skażenie jeziorka spawalniczego) albo tworzenie się żużla lub zgorzeliny powierzchniowej, co może być fizyczną przeszkodą w procesie spawania, szczególnie w przypadku reakcji, w których związek tworzyć będzie trwałą błonkę na powierzchni jeziorka spawalniczego. Należy zatem zapobiegać dostępowi gazu do cieczy albo dodawać topnik, który rozpuści lub rozproszy produkty reakcji. Druga postać reakcji, rozpuszczanie endotermiczne, nie powstrzymuje topienia, ale może wywoływać porowatość w wyniku przesycenia jeziorka gazem lub w następstwie reakcji między dwoma gazami. W niektórych przypadkach może ono wywołać również kruchość strefy wpływu ciepła. Mechanizm rozpuszczania endotermicznego ma szczególne znaczenie przy spawaniu. 24

25 Pęcherze gazowe Rozpuszczone w ciekłym metalu gazy w wielu przypadkach intensywnie reagują z poszczególnymi składnikami znajdującymi się w cieczy, tworząc wtrącenia niemetaliczne. Jeżeli obniży się temperatura metalu, część rozpuszczonych gazów wydziela się jednak z roztworu i może być uwięziona w metalu podczas jego krzepnięcia. Rozpuszczone tlenki często reagują z węglem tworząc nierozpuszczalne zarówno w ciekłym metalu, jak i w zastygniętym metalu pęcherze. Porowatości wewnątrz spoiny nie tylko ujemnie wpływają na jej wytrzymałość, ale również szczelność, ponieważ niekiedy nawet pojedyncze pęcherze kanalikowe zarodkujące w rejonie grani i rosnące do powierzchnia lica spoiny mogą zaważyć na trwałości spoiny. Do czynników wpływających na powstawanie pęcherzy gazowych należy zaliczyć reakcje metalurgiczne, które są związane z tworzeniem się produktów reakcji w postaci gazowej dużą zawartość azotu i wodoru w atmosferze łuku dużą zawartość siarki w stopiwie dużą szybkość krzepnięcia spoiny W celu zmniejszenia porowatości spoiny należy: starannie czyścić powierzchnie brzegów łączonych elementów stosować dobrze wysuszone elektrody otulone i topniki dobrać właściwe parametry spawania starannie odtlenić i odgazować spoiwo zmniejszyć szybkość krzepnięcia Azot Obecność azotu w strefie spawania jest zazwyczaj rezultatem nieprawidłowej ochrony przed atmosferą (powietrzem). Niekiedy jednak azot jest dodawany celowo do obojętnego gazu ochronnego jako stabilizator austenitu dla stali nierdzewnych austenitycznych i stali typu duplex. Zwiększenie jego zawartości w spawie zmniejsza obecność ferrytu i redukuje ryzyko pękania przy krzepnięciu. Zawartość azotu w metalu spawanym może znacząco wpłynąć na jego własności mechaniczne. Azotki żelaza (Fe 4 N) w sieci ferrytu przybierają iglasty kształt, który staje się idealnym zaczątkiem pęknięć. Badania wykazują, że wraz ze zmniejszeniem ilości azotu, rośnie udarność stali. Jeżeli w czasie chłodzenia po spawaniu azotki nie zdążą się wydzielić, to spoina jest przesycona azotem, który z biegiem czasu gromadzi się wokół defektów strukturalnych, powodując istotną zmianę właściwości mechanicznych. Towarzyszy temu wzrost twardości, spadek plastyczności i udarności spoiny w miarę jej eksploatacji, co składa się na tzw. zjawisko starzenia, które występuje szczególnie intensywnie, kiedy zawartość azotu przekracza 0,04-0,05%. 25

26 Aby zapobiegać obecności azotu, często dodaje się do drutu spawalniczego związki wiążące azot, takie jak tytan, aluminium lub krzem. Rysunek 5: Obecność Fe4N w sieci ferrytu [Kou Sindo - Welding Metallurgy] Tlen Najintensywniejsze utlenianie zachodzi podczas spawania gołym drutem lub elektrodami cienko otulonymi, gdy tlen z otaczającego powietrza ma dostateczny dostęp do jeziorka metalu. Podczas spawania łukiem krytym, elektrodami otulonymi lub w atmosferze gazów ochronnych możliwości utleniania są znacznie ograniczone, co nie znaczy, że ten proces nie zachodzi. Źródłem tlenu reagującego z płynnym metalem spoiny może być otaczające powietrze (niedostateczne zabezpieczenie jeziorka), reakcje rozkładu niektórych związków chemicznych wchodzących w skład otuliny i topników, tlenki znajdujące się na powierzchni spawanego metalu lub tlenki znajdujące się w chemicznie aktywnym płynnym żużlu, które mogą przechodzić do stopiwa. Tlen utlenia węgiel i inne elementy stopowe znajdujące się w ciekłym metalu, zmieniając ich przewidzianą rolę, zmniejszając twardość i tworząc wydzielenia. Należy jednak pamiętać, że niewielkie ilości drobnych tlenków mogą funkcjonować jako miejsca zarodkowania dla ferrytu drobnopłytkowego, a przez to mogą polepszać ciągliwość spoiny. Zawartość tlenu może też wpływać na natężenie prądu spawania, ponieważ zwiększa się liczba drobnych kropel przenoszonych z elektrody do jeziorka, a tym samym i powierzchnia styku metalu z tlenem zawartym w powietrzu. Zabezpieczenie przed przenikaniem tlenu do spoiny stanowią: ochrona gazu obojętnego oraz dobór składu chemicznego otuliny i topników wprowadzających odtleniacze Wodór Wodór w złączach spawanych może pochodzić z różnych źródeł: z wilgoci z produktów rozkładu celulozy z otuliny elektrody ze smaru na powierzchni spawanego materiału lub elektrody z ochraniającego gazu. 26

27 Jego głównym źródłem jest jednak wilgoć i para wodna, które reagując z ciekłymi metalami, utleniają je i nasycają wodorem. Zawartość wodoru określa się przeważnie w spoinach (stopiwach) stalowych. Jego obecność w stali wywołuje porowatość wodorową, kruchość wodorową i powstawanie pęknięć zimnych wodorowych. Aby obniżyć zawartość wodoru w spoinach, należy: suszyć elektrody, topnik oraz krawędzie łączone przed spawaniem, co eliminuje źródło wodoru oczyścić drut do spawania i powierzchnię ze smaru stosować wieloskładnikowe osłony gazowe, których składniki wiążą wodór unieszkodliwić wodór znajdujący się w łuku elektrycznym poprzez związanie go w trwały związek chemiczny. Topniki i otuliny zasadowe są bardzo wrażliwe na wilgoć i dlatego przed użyciem ich do spawania należy je suszyć. Po właściwym osuszeniu nawet wystawienie elektrod na działanie powietrza o wilgotności 80% przez 24 godziny nie wpływa znacznie na wzrost zawartości wodoru w metalu spoiny Reakcje żużel-metal Żużle spawalnicze powstają podczas topienia elektrod otulonych przy spawaniu łukiem pod topnikiem, spawaniu żużlowym, spawaniu w atmosferze dwutlenku węgla i mieszanek gazowych utleniających, spawaniu w powietrzu drutami proszkowymi (rdzeniowymi) oraz spoiwami metalowymi zawierającymi stopowe składniki żużlotwórcze, a także przy acetylenowym spawaniu gazowym z użyciem topników, proszków i past. Powstające żużle mogą być kwaśne, zasadowe i obojętne, mniej lub bardziej aktywne w zależności od rodzaju spawanej stali. Żużle jako lżejsze od metalu pokrywają roztopiony metal, chroniąc go przed działaniem otaczającej atmosfery i jednocześnie mogą wchodzić z nim w różne reakcje. Żużle spawalnicze spełniają więc następujące funkcje: chronią metal przed nasyceniem gazami - głównie tlenem i wodorem zmniejszają szybkość krzepnięcia metalu i ułatwiają przez to wydzielenie się gazów i wtrąceń niemetalicznych z ciekłego metalu reagują z ciekłym metalem i w wyniku tego zmniejszają lub zwiększają stężenie składników w metalu (np. C, S, P, Si, Mn) działają rafinująco oraz ułatwiają spawanie i układanie spoin. Oprócz tlenków w skład żużla wchodzą sole obojętne CaF 2, Na 3 AlF 4, KF, NaF, LiF, NaCl itp. 27

28 5. Przepływ cieczy i parowanie metali w spawaniu 5.1. Przepływ cieczy w łukach Jak wspomniano wcześniej, przy spawaniu łukowym elektrodą może być materiał topliwy lub nietopliwy. Przy spawaniu elektrodą nietopliwą nie następuje przenoszenie metalu w łuku. Topienie się dodatkowego metalu jest rezultatem zanurzania drutu do jeziorka spawalniczego. Przy spawaniu elektrodami otulonymi przenoszenie metalu w łuku może być, w zależności od rodzaju otuliny grubo-kroplowe, drobno-kroplowe lub natryskowe. Krople różnej wielkości przemieszczają się w łuku, a rodzaj otuliny decyduje o sposobie topienia się. Siły elektromagnetyczne są główną przyczyną powodującą przenoszenie metalu w łuku. Siła Lorentza, wywodząca się z zaciskającego działania na slup łuku pola magnetycznego, jest skierowana zawsze w kierunku spawanego materiału i niezależnie od kierunku przepływu prądu, co jest związane z geometrią kształtu łuku i topiących się kropel. Siła ta jest proporcjonalna do natężenia prądu w łuku i dlatego ze wzrostem natężenia prądu prędkość przepływu materii w łuku wyraźnie wzrasta i może wynosić do 10 5 cm/s. Jednokierunkowe przemieszczanie się materii od elektrody punktowej do elektrody powierzchniowej (niezależnie od biegunowości i pozycji spawania) odbywa się również na skutek wyższej temperatury i ciśnień oraz wrzenia metalu przy elektrodzie punktowej. Różnica ciśnień przy elektrodzie i materiale rodzimym sprzyja rozchylaniu się łuku stożkowo w kierunku elektrody powierzchniowej. Plazma ma również wpływ na przenoszenie metalu w luku, przyspieszając odrywanie i przenoszenie się kropli przez tarcie oraz poprzez różnicę temperatur i ciśnień Przepływ cieczy w jeziorkach spawalniczych Ciekły metal znajdujący się w jeziorku spawalniczym jest intensywnie mieszany w wyniku działania: siły wyporu siły Lorentza różnicy napięć powierzchniowych ciekłego metalu o różnej temperaturze strumienia łuku plazmowego Siła wyporu (rys. 6 a,b). Gęstość płynnego metalu ρ obniża się wraz ze wzrostem temperatury T. Ponieważ źródło ciepła znajduje się powyżej środka powierzchni jeziorka spawalniczego, temperatura w punkcie znajdującym się w centralnej części jeziorka jest wyższa niż w punktach znajdujących się przy jego granicach. Grawitacja powoduje przepływ metalu w głąb jeziorka. W rezultacie metal opada w dół wzdłuż powierzchni wtopienia, a wypływa wzdłuż osi symetrii jeziorka. Siła Lorentza (rys. 6 c,d). Działanie siły Lorentza można przeanalizować na przykładzie spawania metodą GTAW prądem stałym z biegunowością ujemną. Łuk elektryczny jarzący się pomiędzy końcem elektrody nietopliwej a środkiem jeziorka wytwarza pole magnetyczne powodujące działanie siły Lorentza. Siła ta przemieszcza ciekły metal w głąb jeziorka wzdłuż osi symetrii. Metal transportowany jest w dół wzdłuż osi jeziorka, a wypływa w górę przy powierzchni wtopienia. Drugim bardzo ważnym efektem działania siły Lorentza jest jej wpływ na głębokość 28

29 jeziorka. Pod jej wpływem ciepło jest przenoszone od źródła do dołu jeziorka, co powoduje jego pogłębienie. Ruchy wywołane różnicą napięć powierzchniowych (rys. 6 e,f). Napięcie powierzchniowe ciekłego metalu maleje wraz ze wzrostem temperatury. Jak widać na załączonym rysunku, ciekły metal o wyższej temperaturze (niższym napięciu powierzchniowym) z punktu A jest przemieszczany od środka jeziorka w kierunku punktu B o niższej temperaturze (wyższym napięciu powierzchniowym). Jest to spowodowane różnicą napięć powierzchniowych. Przepływ cieczy odbywa się więc od środka na zewnątrz po powierzchni jeziorka, a następnie do środka pod powierzchnią. Ten rodzaj konwekcji nazywany jest także ruchem termo kapilarnym lub konwekcją Marangoniego. Ruchy wywołane strumieniem plazmy (rys. 6 g,h). Ruch plazmy z bardzo dużą prędkością wzdłuż powierzchni jeziorka w wyniku tarcia wywołuje ruchy cieczy na jego powierzchni. Ciecz porusza się tak samo jak pod wpływem różnicy napięć powierzchniowych. Dodatkową siłą działającą na powierzchnię jeziorka jest ciśnienie łuku, jednakże jego wartość podczas spawania metodą GTAW prądem 200A jest znikoma i może być pominięta w rozważaniach. Rysunek 6: Siły wywołujące konwekcję w ciekłym jeziorku spawalniczym: a), b) siła wyporu, c), d) siła Lorentza, e), f) siła wywołana różnicą napięć powierzchniowych, g), h) siła tarcia strumienia plazmy [Kou Sindo - Welding Metallurgy] 29

30 5.3. Parowanie metali Podczas spawania intensywne nagrzewanie powoduje odparowywanie metalu zarówno z przelatujących kropli, jak i z powierzchni jeziorka spawalniczego. Intensywność parowania jest ściśle związana z rodzajem i zawartością składników stopowych. Cynk, magnez i lit w każdej temperaturze parują szybciej niż aluminium, a mangan szybciej niż żelazo. Fakt ten wyjaśnia zmniejszenie zawartości składników stopowych w spoinach ze stopów aluminium i utratę manganu podczas spawania stali austenitycznych. 6. Krystalizacja złączy spawanych 6.1. Podstawy procesu krystalizacji Procesy krzepnięcia ciekłego metalu polegają na wzroście kryształów w rezultacie przyłączenia do ich powierzchni atomów z otaczającej cieczy. Jeśli dwie fazy, w szczególności ciekła i stała, znajdują się w stanie równowagi temperaturowej, to ich energie swobodne są w tej temperaturze równe. Przy obniżaniu temperatury poniżej równowagowej, mogą tworzyć się zarodki fazy stałej, które stają się centrami krystalizacji. Aby jednak zarodek był trwały, a proces krystalizacji przebiegał nieprzerwanie, konieczne jest, aby energia swobodna zarodka była mniejsza niż fazy wyjściowej. Możliwe jest to dopiero wówczas, kiedy zarodek osiągnie określoną wielość, nazywaną krytyczną. W zależności od formy zarodkowania (homogeniczna lub heterogeniczna) wyliczyć można wielkość krytyczną niezbędną do jego trwałego zaistnienia. W przypadku zarodkowania homogenicznego, zarodkami krystalizacji są grupy atomów fazy ciekłej, stanowiące zespoły bliskiego uporządkowania. Muszą one osiągnąć wielkość krytyczną, co na ogół wymaga dużych przechłodzeń. W ciekłych metalach na ogół występują zbyt małe przechłodzenia (ok. 1 C), aby możliwe było zarodkowanie homogeniczne. Jedynie metal rozdrobniony na bardzo małe krople można silnie przechłodzić nawet o 300 C, dzięki czemu w pojedynczych kroplach występują warunki umożliwiające zarodkowanie homogeniczne. W czystych metalach zarodki i ciecz mają jednakowy skład chemiczny, natomiast w stopach zagadnienie staje się bardziej złożone, ponieważ z warunków równowagi w danej temperaturze wynika, że zarodki i roztwór ciekły różnią się znacznie składem. W przypadku zarodkowania heterogenicznego, powstawanie zarodków następuje na powierzchniach fazy stałej stykającej się z cieczą. Zarodkowanie następuje na powierzchniach ścian naczynia, na drobnych cząstkach stałych zawieszonych w cieczy, jak wtrącenia niemetaliczne, nierozpuszczone zanieczyszczenia itp. Zarodkowanie może następować również na warstewce stałych tlenków znajdującej się na powierzchni ciekłego metalu. W takich warunkach krystalizacja przebiega przy znacznie mniejszym przechłodzeniu niż w przypadku zarodkowania homogenicznego. Zjawisko powstawania zarodków o orientacji analogicznej do orientacji krystalograficznej powierzchni podkładki nosi nazwę zarodkowania epitaksjalnego, natomiast wzrost zarodków (ziaren) o orientacji podkładki nazywamy krystalizacją epitaksjalną. 30

31 Krzepnięcie czystych metali Do nieprzerwanego (ciągłego) wzrostu fazy stałej konieczne jest, aby temperatura granicy podziału faz była niższa od temperatury równowagi w ciągu całego czasu trwania krystalizacji. Jest to możliwe tylko przy założeniu określonego gradientu temperatur między fazą stałą a ciekłą. Kiedy temperatura powierzchni rozdziału jest niższa od temperatury równowagowej, zachodzi proces krzepnięcia, a wydzielające się ciepło zmniejsza stopień przechłodzenia. Jeśli ciepło krzepnięcia nie jest odprowadzane (w następstwie przewodnictwa cieplnego), likwiduje ono bardzo szybko przechłodzenie i proces krzepnięcia się zatrzymuje. Jeżeli stworzy się takie warunki, że temperatura fazy ciekłej będzie niższa od temperatury fazy stałej (ujemny gradient temperatury), to znaczy ciepło krzepnięcia będzie odprowadzane do fazy ciekłej, ciecz będzie znajdować się w stanie przechłodzenia cieplnego. W takiej sytuacji równowaga płaskiej powierzchni międzyfazowej będzie niestabilna. Każde przypadkowe zniekształcenie powierzchni rozdziału znajdzie się w obszarze cieczy o większym przechłodzeniu i będzie rosło ze wzrastającą prędkością w przechłodzoną ciecz. Utrata stabilności przez płaski front krystalizacji prowadzi do tzw. wzrostu dendrytycznego, a proces krystalizacji nosi nazwę krystalizacji dendrytycznej. Charakteryzuje się ona wzrostem w określonych kierunkach krystalograficznych długich cienkich prętów, na których w regularnych odstępach wyrastają odgałęzienia boczne rosnące w odpowiednich kierunkach krystalograficznych Krzepnięcie stopów Teoretyczna temperatura krystalizacji metali o składzie chemicznym czystych pojedynczych metali lub stopów eutektycznych jest stała. Natomiast metale stopowe krystalizują w temperaturze określonej linią likwidusu i solidusu. Proces krystalizacji zaczyna się po pewnym przechłodzeniu cieplnym i stężeniowym spoiny. Kryształy powstające przy krzepnięciu pojedynczych czystych metali mają skład chemiczny ciekłego metalu. Natomiast skład chemiczny kryształów stopowych tworzących się przy danej temperaturze określa linia solidusu, a skład chemiczny cieczy - linia likwidusu. Przy dostatecznie wolnym stygnięciu skrzepniętych spoin następuje wyrównanie ich składu chemicznego na drodze dyfuzji. Szybkość procesu krystalizacji i wielkość ziarna zależą od szybkości tworzenia się zarodków i ich rozrostu. Ze zwiększeniem szybkości chłodzenia wzrasta liczba zarodków oraz szybkość krystalizacji i zmniejszają się wymiary ziaren. Największa szybkość krzepnięcia występuje w kierunku równoległym do odpływu ciepła. Zwykle długie słupowe kryształy dendrytyczne narastają falowo, prostopadle do linii stopienia materiału spawanego i dna jeziorka spawalniczego (rys. 2). Jest to najczęściej krystalizacja na powierzchniach elipsoidów i zaczyna się na częściowo roztopionych kryształach metalu rodzimego lub, poprzednich warstw. Ziarna rosną z przeciwległych stron, aż do zetknięcia się ze sobą. Dendryty są najczystszym metalem, natomiast w przestrzeniach między dendrytycznych jest najwięcej zanieczyszczeń. Przestrzenie między dendrytyczne są wzbogacone w składniki stopowe i różnego rodzaju fazy niskotopliwe. 31

32 6.2. Krystalizacja spoin Tworzenie się jeziorka spawalniczego i jego kształt Jeziorko spawalnicze powstaje z przetopienia materiału rodzimego i stopienia spoiwa. Zasadniczymi wymiarami jeziorka są długość, szerokość i głębokość. Najczęściej określa się długość jeziorka i jest ona proporcjonalna do energii liniowej źródła ciepła oraz niektórych własności fizycznych metalu. Dolna powierzchnia jeziorka, od strony materiału rodzimego, jest elipsoidalna. W zależności od kształtu ukosowania i metody spawania udział materiału rodzimego w spoinie może wynosić %., przy czym udział materiału rodzimego jest największy w spoinach wykonanych beż dodatku spoiwa. Przy spawaniu stali o dużej zawartości węgla i zanieczyszczeń (S, P, O) oraz stali i metali zawierających składniki pogarszające własności plastyczne spoin, udział materiału rodzimego w spoinach jest celowo ograniczany. Jeziorko spawalnicze przemieszcza się z prędkością spawania, przy czym równocześnie następuje topienie się metalu rodzimego na czole jeziorka spawalniczego i krystalizacja metalu falowo odsuwanego spod łuku w tylnej części jeziorka. Rysunek 7: Kształt jeziorka spawalniczego i układ krystalitów w spoinie przy spawaniu z małą i dużą prędkością [Kou Sindo - Welding Metallurgy] Charakterystyka krystalizacji metalu spoiny Szybkość tworzenia się i krystalizacja jeziorka zależą od energii liniowej źródła ciepła i własności fizycznych metali, a w tym przede wszystkim od temperatury i ciepła topnienia oraz przewodności cieplnej i ciepła właściwego metali. Na proces krystalizacji spoin wywiera duży wpływ napięcie powierzchniowe krzepnącego metalu, wielkość jeziorka spawalniczego, czystość ciekłego metalu, zawartość w nim gazów oraz metalicznych i niemetalicznych cząstek. Czynniki zewnętrzne, np. zastosowane wstrząsy mechaniczne, również wpływają na proces krystalizacji spoin. Aluminium, wapń, beryl, bor, cyrkon, tytan, wanad zwiększają zwykle liczbę zarodków i szybkość krystalizacji spoin stalowych. 32

33 Natomiast mangan. chrom, nikiel, kobalt, molibden, krzem, wolfram, węgiel nie mają istotnego wpływu na szybkość krystalizacji i wielkość ziaren spoin stalowych Wpływ parametrów spawania na strukturę spoiny Jak wiadomo, struktura spoiny w znacznym stopniu wpływa na jej własności mechaniczne, a szczególnie plastyczność. Ukształtowanie drobnych równoosiowych ziaren zapewnić może pożądaną wytrzymałość i ciągliwość w przeciwieństwie do efektu wywołanego przez obecność kolumnowo ułożonych ziaren. Równoosiowe drobne ziarna przynoszą następujące korzyści w spoinie: zmniejszają podatność spawanego metalu na pękanie podczas krzepnięcia zwiększają ciągliwość i udarność spoin Istnieją różne sposoby na osiągnięcie struktury drobnoziarnistej. Jednym z nich jest zwiększenie prędkości chłodzenia jeziorka spawalniczego. Może to być osiągnięte na drodze zmniejszania liniowej energii spawania im mniejsza energia liniowa, tym mniejsza objętość jeziorka spawalniczego. Przy krystalizacji małych objętości stopu wzrost kryształów słupkowych jest ograniczony i nie osiągają one znacznych wymiarów. Należy jednak pamiętać, że przy krystalizacji małych objętości ciekłego metalu w warunkach intensywnego odprowadzania ciepła może nastąpić podhartowanie, co znacznie pogorszy własności plastyczne. Polepszenie właściwości lanego metalu spoiny otrzymane w rezultacie rozdrobnienia struktury nie zawsze jest w stanie zapobiec pęknięciom wywołanym przez zwiększone naprężenia rozciągające, szczególnie kiedy spawany metal zawiera znaczne ilości domieszek sprzyjających segregacji. Dlatego przy spawaniu stali węglowych, niskostopowych oraz średniostopowych zmniejsza się szybkość chłodzenia, stosując wstępne podgrzewanie, zmniejszające wielkość naprężeń rozciągających. W tych przypadkach w których rozdrobnienie struktury osiąga się bez podwyższania szybkości chłodzenia, mechaniczne właściwości spoin i ich odporność na powstawanie pęknięć znacznie wzrastają. Innym sposobem rozdrobnienia struktury w procesie krystalizacji może być modyfikowanie jeziorka spawalniczego przez wprowadzenie drobnych, nierozpuszczalnych cząstek albo substancji powierzchniowo aktywnych. W pierwszym przypadku uzyskuje się większą liczbę zarodków, co pozwala na osiągnięcie większej drobnoziarnistości. W drugim, modyfikatory wprowadzane w procesie spawania powodują rozdrobnienie ziarna w wyniku zwiększania liczby heterogenicznych zarodków. Nowoczesną metodą utrzymania dobrej jakości spoiny jest spawanie prądem pulsującym. Zaletą tego procesu jest znaczne ochłodzenie jeziorka spawalniczego podczas przepływu prądu podstawowego o małym natężeniu. Dzięki temu spoina nie jest przegrzana, co w konsekwencji zwiększa prędkość krzepnięcia i powoduje rozdrobnienie ziaren. 7. Kontrola jakości złączy spawanych Do wykrywania, określania wymiarów niezgodności spawalniczych oraz oceny jakości złączy spawanych stosuje się wiele różnych badań, zarówno nieniszczących jak i niszczących. Ze 33

34 względu na ich szerokie spektrum, w niniejszej pracy wybrano i scharakteryzowano jedynie niektóre z nich, kierując się w wyborze zaobserwowaną praktyką przemysłową w zakładach produkcyjnych Metoda wizualna (badanie makroskopowe) Badania wizualne złączy spawanych polegają na dokładnych oględzinach ich powierzchni. Są najprostszym, najtańszym a często i najskuteczniejszym sposobem kontroli wyrobów. Z tego powodu są one obowiązkowo stosowane dla wszelkiego rodzaju konstrukcji. Podstawowym nośnikiem informacji w badaniach wizualnych jest fala elektromagnetyczna, czyli światło (promieniowanie optyczne), które wywołuje wrażenia wzrokowe. W praktyce oględziny zewnętrzne polegają na kontroli wzrokowej okiem nieuzbrojonym lub przy zastosowaniu przyrządów optycznych dających powiększenia najczęściej nieprzekraczające 20x, jak również na pomiarach kształtu i wymiarów spoin tak, aby sprawdzić, czy badane połączenia spełniają określone wymagania. Badania wizualne złączy spawanych można podzielić na: badania wizualne bezpośrednie, tzn. te badania, podczas których istnieje nieprzerwana ścieżka optyczna od oka obserwatora do obszaru badanego. Mogą one być wspomagane soczewkami, endoskopami, światłowodami, lusterkami itp. badania wizualne zdalne, tzn. te badania, podczas których ścieżka optyczna od oka obserwatora do obszaru badanego jest przerwana. Obejmują użycie fotografii, systemów wideo, systemów zautomatyzowanych oraz robotów. Wymagania dotyczące badań wizualnych reguluje norma PN-EN 970 Spawalnictwo. Badania nieniszczące złączy spawanych. Badania wizualne. Zgodnie z zawartymi w niej wymaganiami badania realizowane są z reguły na złączach gotowych, w takim stanie, w jakim je wykonano. W razie potrzeby można je wykonywać również w trakcie przygotowania elementów do spawania, podczas spawania, po naprawie złącz spawanych. Badania wizualne przeprowadzić należy w odpowiednich warunkach oświetlenia i z odpowiednim dostępem do złącza. Natężenie oświetlenia na powierzchni badanego złącza powinno wynosić co najmniej 250 lx, przy czym jego zalecana wartość wynosi 500 lx. Odległość pomiędzy okiem badającego a powierzchnią przeznaczoną do badania powinna mieścić się w zakresie do 600 mm (w praktyce mm), przy kącie widzenia nie mniejszym niż około 30. Badania z wykorzystaniem boroskopów, optycznych układów włóknowych, kamer itp. uznaje się za wymagania dodatkowe, które powinny wynikać z ustaleń pomiędzy stronami lub z postanowień normy wyrobu. Dla uzyskania dobrego kontrastu i efektu uwypukleń niezgodności w odniesieniu do podłoża zaleca się stosowanie dodatkowego źródła światła. W przypadkach wątpliwych badania wizualne powinny być uzupełnione innymi badaniami nieniszczącymi, umożliwiającymi wykrycie niezgodności powierzchniowych. Do badań wizualnych stosuje się takie przyrządy i sprawdziany jak liniały, przymiary lub taśmy miernicze z podziałką 1 mm lub dokładniejszą, różnego typu suwmiarki z noniuszami, szczelinomierze z końcówkami pomiarowymi do mierzenia w zakresie od 0,1-3mm ze stopniowaniem nie większym niż 0,1 mm, przyrządy do pomiaru promienia lub profilu, sprawdziany wysokości i głębokości, kątomierze, lusterka różnego typu, mikroskopy, lupy o 34

35 powiększeniach od 2 do 5, a nawet 10 razy, przy czym zaleca się, aby na soczewce była naniesiona skala, różnego rodzaju spoinomierze, w tym specjalnie skonstruowane na podstawie uzgodnień między stronami umowy. Wytwarzane współcześnie konstrukcje spawane charakteryzują się różnymi rozmiarami oraz, w wielu przypadkach, skomplikowanym kształtem. Powoduje to czasami, że wykonane połączenia stają się niedostępne i niemożliwe jest przeprowadzenie badań wizualnych tych złączy tylko przy pomocy wzroku operatora. Rozwiązaniem tej sytuacji jest endoskopia polegająca na przesyłaniu obrazu trudno dostępnych miejsc badanej powierzchni do oka obserwatora. Stosowane obecnie endoskopy można podzielić na dwie grupy endoskopy ze sztywnym przewodem (boroskopy) i giętkim (fiberoskopy), na końcu których znajduje się okular. Najnowszymi urządzeniami w technice endoskopii są wideoskopy. Wzierniki światłowodowe są zastępowane urządzeniami wykorzystującymi sposób elektronicznej transmisji obrazów. Urządzenia te umożliwiają uzyskanie ostrych obrazów badanych obszarów oddających wiernie kolory lub czarno-białych i przedstawianych na monitorach. Oględziny zewnętrzne (badania wizualne) wspomagają inne metody badań nieniszczących, takie jak badania penetracyjne, magnetyczno-proszkowe, badania szczelności czy badania przy zastosowaniu metody prądów wirowych, służąc do wykrywania i rejestracji zjawisk zachodzących w wyniku tych badań PT metoda penetracyjna Badania penetracyjne należą do najstarszych metod nieniszczącego badania różnych materiałów metalowych i niemetalowych. Nadają się do badania praktycznie wszystkich materiałów oprócz silnie porowatych. W spawalnictwie wykorzystuje się je do wykrywania niezgodności spawalniczych (nieciągłości materiału) wychodzących na powierzchnię złącza spawanego. Badania penetracyjne wykonuje się zwykle po przeprowadzeniu badań wizualnych złączy i usunięciu z ich powierzchni nieakceptowanych niezgodności spawalniczych. MECHANIZM DZIAŁANIA Mechanizm działania badań penetracyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska włoskowatości (kapilarności), które polega na wnikaniu cieczy do wąskich przestrzeni i wznoszeniu się w nich nawet wbrew sile ciężkości. Jeżeli, przykładowo, do naczynia z cieczą wstawi się rurki o niewielkich średnicach wewnętrznych (włoskowate, kapilarne, to w rurki te wejdzie ciecz, a jej poziom w rurkach będzie tym wyższy, im mniejsza będzie średnica rurki. Zjawisko włoskowatości wykazują tylko niektóre ciecze, a mianowicie te, które zwilżają materiał kapilary. O tym, czy dana ciecz zwilża materiał, informuje kąt, jaki tworzy menisk cieczy z materiałem kapilary nazywany kątem zwilżania. Kąt zwilżania zależy od szeregu czynników temperatury, czasu, dokładności oczyszczenia powierzchni oraz jej chropowatości. Zwilżanie polepsza się w przypadku, gdy zachodzi na powierzchni badanej bardziej chropowatej, natomiast obecność na powierzchni ciała stałego cienkiej warstwy innego ciała (np. tłuszczu) może całkowicie zwilżalność zmienić. W obiektach rzeczywistych odpowiednikami rurki kapilarnej są nieciągłości wychodzące na badaną powierzchnię w postaci pęknięć, przyklejeń, porów, wżerów itp. W szczelinie ciecz 35

36 zwilżająca penetruje w głąb nawet wtedy, jeżeli usunie się ją całkowicie z powierzchni. Jest to spowodowane pojawieniem się dwóch sił kapilarnych, których wypadkowa jest skierowana w głąb szczeliny. Ciecz najpierw wypełnia część węższą szczeliny, wypychając powietrze przez część szerszą na zewnątrz, co prowadzi do całkowitego wypełnienia pęknięcia. Nałożenie na powierzchnię w nieciągłości której wniknęła ciecz środka porowatego, powoduje utworzenie szeregu menisków lokalnych, charakteryzujących się różnym kształtem i różnymi krzywiznami. Każdy z tych menisków wywołuje ciśnienie kapilarne o kierunku przeciwnym do kierunku wnikania cieczy zwilżającej. Pod działaniem sumy tych ciśnień ciecz wnikająca (penetrująca) opuszcza obszar nieciągłości, wychodząc na powierzchnię obiektu i tworząc obraz nieciągłości (wskazanie). PRZEBIEG BADANIA Warunki badania obejmuje norma PN-EN 571-1, wyszczególniając następujące fazy: przygotowanie i czyszczenie wstępne nanoszenie penetrantu nanoszenie wywoływacza kontrolę rejestrację czyszczenie końcowe Przebieg badania rozpoczyna się od dokładnego usunięcia z powierzchni badanych spawów rdzy, zgorzeliny, żużla, smarów, farb itp. przy pomocy czyszczenia mechanicznego, chemicznego lub ich kombinacji. Na wysuszoną powierzchnię nanosi się za pomocą rozpylania, pędzlem, polewania, maczania lub zanurzenia łatwo wsiąkliwy płyn nazywany penetrantem, który na zasadzie włoskowatości wchodzi w najmniejsze nieciągłości badanego elementu. Penetrant utrzymuje się na powierzchni badanej przez pewien czas, nazywany czasem penetracji, dobierany w zależności od własności penetrantu, temperatury nanoszenia, materiału badanego, rodzaju nieciągłości. Czas penetracji wynosi zazwyczaj od 5 do 60 minut w zakresie temperatur od 10 do 50 C, ale nigdy na tyle długo, aby dopuścić do wyschnięcia penetrantu. Po zakończeniu fazy penetracji nadmiar penetrantu usuwa się z zastosowaniem odpowiedniej techniki zmywania lub przecierając szmatką zwilżoną wodą, ewentualnie rozpuszczalnikiem. Poprawne usuwanie nadmiaru penetrantu potrafi nastręczać wielu trudności, ponieważ niedokładne jego usunięcie wiąże się z pogorszeniem widzialności wskutek zmniejszenia kontrastu albo zamazanie wskazań drobnych. Zbyt intensywne usunięcie penetrantu może wywołać jego usunięcie z nieciągłości i nieprawidłowość badania. Po usunięciu penetrantu nanosi się niezwłocznie biały wywoływacz, który w przypadku istnienia nieciągłości wywabia je z nich penetrant i na białym tle wskazuje obecność w postaci linii lub punktu. Czas potrzebny do powstania wyraźnych wskazań nazywa się czasem wywoływania i powinien wynosić od 10 do 30 minut, o ile nie określono inaczej. Zaleca się przeprowadzać pierwszą obserwację bezpośrednio po nałożeniu wywoływacza, a ostateczną po upływie czasu wywoływania, co pozwala na lepszą interpretację wskazań. PREPARATY DO BADAŃ 36

37 Do wykonywania badań penetracyjnych stosuje się zestawy preparatów składające się zazwyczaj z trzech składników penetrantu, zmywacza i wywoływacza. Wyróżnia się trzy typy penetrantów (I, II, III), pięć sposobów usuwania nadmiaru penetrantu z badanej powierzchni (A E) i pięć rodzajów wywoływaczy (a e). Podstawowe oznaczenie zestawu penetracyjnego składa się z oznaczenia penetrantu, sposobu zmywania i oznaczenia wywoływacza. Penetranty różnią się swoimi składami. Większość z nich stanowi mieszaninę lub roztwór barwnika ograniczonego z pochodnymi benzenu oraz dodatkami substancji powierzchniowo czynnych. Rozróżnić można preparaty barwne, zawierające dużą ilość barwników oraz i fluorescencyjne, w których składzie znajduje się dodatek luminoforu MT metoda magnetyczno-proszkowa PN-EN 1290 Metoda magnetyczno-proszkowa jest jedną z metod badań elektromagnetycznych. Tak jak w przypadku innych metod z tej kategorii, wykorzystuje zjawiska towarzyszące wzbudzaniu pola elektromagnetycznego w obiekcie przeznaczonym do kontroli. W kontrolowanym obiekcie wzbudza się pole magnetyczne i przeszukuje tzw. lokalne, magnetyczne pola rozproszenia, powstające nad powierzchnią obiektu w miejscu występowania lub bezpośredniej bliskości niezgodności spawalniczych. Badania przeprowadza się wyłącznie na obiektach z materiału ferromagnetycznego, które wprowadza się w obręb pola magnetycznego (namagnesowuje). Stan namagnesowania w postaci magnetycznych linii sił w obiekcie, który nie posiada nieciągłości w strukturze, jest regularny. W przypadku pojawienia się nieciągłości, np. pęknięć wychodzących na powierzchnię, przebieg linii sił w otoczeniu niezgodności ulega zakłóceniu. Przejawia się to tym, że linie sił omijają niezgodność część linii zagęszcza się w materiale, część natomiast wychodzi na zewnątrz obiektu. Konfiguracja takiego lokalnego pola magnetycznego jest taka, jak pola wytworzonego przez bieguny magnetyczne N i S rozmieszczone na brzegach nieciągłości. Lokalne pole magnetyczne, które powstaje nad powierzchnią namagnesowanego obiektu w pobliżu nieciągłości materiału dochodzących do powierzchni lub leżących pod nią nosi nazwę magnetycznego pola rozproszenia. Najsilniej wykrywalne w badaniach są nieciągłości dochodzące do powierzchni (niezgodności powierzchniowe). Te nieciągłości, które znajdują się pod powierzchnią wywołują znacznie słabsze pole. Im większe oddalenie od powierzchni obiektu, tym pole jest słabsze. O bezwzględnej wielkości pola rozproszenia decyduje wielkość i kształt niezgodności spawalniczej oraz jej orientacja względem sił wzbudzonego w obiekcie pola magnetycznego. Najkorzystniejszym do wykrycia niezgodności jest przypadek, gdy płaszczyzna nieciągłości jest skierowana prostopadle do kierunku wzbudzonego pola. W metodzie magnetyczno proszkowej magnetyczne pola rozproszenia wykrywa się za pomocą drobnoziarnistego, ferromagnetycznego proszku, który nanosi się na powierzchnię badanego obiektu podczas jego namagnesowania. Magnetyczne pole rozproszenia, które jest polem silnie niejednorodnym, wywiera na cząsteczki proszku stosunkowo dużą siłę skierowaną do powierzchni obiektu, tzn. do miejsca, w którym linie sił tego pola przecinają badaną powierzchnię. Siła ta jest tak duża, że gromadzenie się cząstek następuje nawet pomimo ich intensywnego ruchu. Skupiska proszku odwzorowują zatem swoim kształtem rzeczywisty kształt niezgodności, będących przyczyną pól rozproszenia i są nazywane defektografami proszkowymi. Badania magnetyczno proszkowe stosowane być mogą wyłącznie dla materiałów 37

38 ferromagnetycznych. Pozwalają skutecznie wykrywać nieciągłości zalegające pod powierzchnią na głębokości rzędu kilku milimetrów, mające postać pęknięć, naderwań, zakuć, zawalcowań, łusek, niemetalicznych wtrąceń itp. PRZEBIEG BADANIA Na pełny cykl badania magnetyczno-proszkowego składają się: przygotowanie powierzchni rozmagnesowanie wstępne wzbudzenie pola magnetycznego oględziny powierzchni rejestracja wyników badań rozmagnesowanie końcowe czyszczenie końcowe Operacje polegające na wzbudzaniu pola, nanoszeniu proszku i oględzinach powierzchni konieczne są do realizacji badania, natomiast pozostałe realizuje się w zależności od potrzeby. Jeśli jest to wymagane, po badaniu należy obiekt zabezpieczyć przed działaniem korozji. Urządzenie wzbudzające pole, wyposażone w przyrządy ułatwiające realizację czynności składających się na przebieg badania, nazywa się defektoskopem magnetyczno-proszkowym lub po prostu defektoskopem magnetycznym. Z uwagi na bardzo różną postać defektoskopów istnieje ich podział na defektoskopy prądowe, strumieniowe i uniwersalne. Defektoskopy prądowe są źródłem prądu o dużym natężeniu i wzbudzają pole magnetyczne za pomocą elektrod lub cewek uformowanych przez kable. Defektoskopy strumieniowe zawierają elektromagnes jarzmowy, który podczas badania przykładany jest do elementu, w wyniku czego jego strumień magnetyczny zostaje wprowadzony do partii materiału znajdującej się między biegunami. Defektoskopy uniwersalne natomiast są połączeniem defektoskopów prądowych ze strumieniowymi są w stanie wzbudzić w badanym obiekcie pole kołowe i podłużne. W ich skład zwykle wchodzi źródło prądu przemiennego o dużym natężeniu i elektromagnes jarzmowy. Zwykle są urządzeniami stacjonarnymi. Do badania obiektów, w których występują duże niezgodności, stosuje się proszek ferromagnetyczny w postaci pyłu (suchy), którym obsypuje się (lub rozpyla) na powierzchni badanej. Najczęściej proszki suche mają naturalny kolor (brązowy, czarny) lub są barwione na kolor jasnoszary lub żółty. W badaniu obiektów o małych niezgodnościach stosuje się proszki w postaci zawiesiny w wodzie, nafcie lub oleju o małej lepkości. W tej metodzie, nazywanej metodą mokrą, stosuje się proszki najczęściej w kolorze czarnym lub fluoryzujące. Zawiesiny nanosi się na powierzchnię detalu przez polewanie, zanurzanie lub natryskiwanie. Z uwagi na wygodę realizacji ten ostatni sposób stosowany jest najczęściej w praktyce przemysłowej. Do doboru parametrów magnesowania oraz oceny jakości proszków służą próbki odniesienia. Umożliwiają one dobór i sprawdzenie sposobu wzbudzania pola magnetycznego oraz jakości proszku lub zawiesiny magnetycznej. 38

39 7.4. ET badania wiroprądowe Badania wiroprądowe stosuje się do wykrywania powierzchniowych i podpowierzchniowych niezgodności spawalniczych w złączach spawanych ze stali o różnych strukturach, miedzi, aluminium, tytanu i ich stopów, cyrkonu itp. Badania te, zwane również metodą prądów wirowych, są oparte na zjawisku indukcji magnetycznej. Prądy wirowe powstają w obiekcie przewodzącym prąd elektryczny pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, wytworzonego przez cewkę zasilaną prądem zmiennym wysokiej częstotliwości. Wzbudzone w złączu prądy wirowe wytwarzają z kolei, zgodnie z regułą Lentza, własne pole magnetyczne, które oddziałuje na pierwotne pole cewki powodując powstanie pola wypadkowego zmieniającego własności elektryczne (impedancję) cewki. Kształt ścieżek przepływu prądów wirowych zależy od elektromagnetycznych własności obiektów badanych, w tym od występujących w obiektach nieciągłości. Prądy wirowe wyszukują miejsca o większej przewodności i opływają nieciągłości obiektów. Dla uzyskania dużej czułości wykrywania nieciągłości powierzchniowych konieczne jest użycie stosunkowo dużych częstotliwości pracy przetwornika tym większej, im mniejsza przewodność materiału i jego przenikalność magnetyczna. Jednocześnie im wyższa częstotliwość pracy przetwornika, tym mniejsza głębokość wnikania prądów wirowych do obiektu. PRZEBIEG BADANIA Badane złącze wprowadza się w zmienne pole magnetyczne cewki spełniające funkcję czujnika, zasilanej prądem przemiennym. Pod wpływem tego pola w złączu indukują się prądy wirowe, które wytwarzają własne pola skierowane przeciwnie do pola cewki. W rezultacie w obrębie cewki powstaje pole wypadkowe różne od pierwotnego. Obecność nieciągłości w złączu powoduje lokalne zakłócenia w przepływie prądów wirowych, ponieważ wzrasta lokalna rezystancja materiału. Z tego powodu niezgodności wykrywane są przez pomiar zmian własności elektrycznych cewki wzbudzającej. Urządzenia do badań wiroprądowych składają się z sond służących do wytwarzania zmiennego natężenia pola magnetycznego i odbioru informacji i wielkości tego pola, generatora zmiennej częstotliwości, o stabilnej amplitudzie i odpowiednim natężeniu prądu, przetwornika pomiarowego przetwarzającego informację przechodzącą z sondy na sygnał użyteczny, wskaźników pozwalających ocenić wielkość zmian występujących w badanym obiekcie, układów rejestrujących i sterujących segregacją lub znakowaniem wyrobów itp. Jednym z istotnych środków technicznych w defektoskopii wiroprądowej są próbki odniesienia (wzorce). Rekomenduje się gromadzenie i posiadanie przez użytkowników aparatury wiroprądowej próbek odniesienia z nieciągłościami naturalnymi dla danej klasy obiektów. Próbki takie mogą być wykorzystane do sprawdzenia poprawności działania aparatury, ustawiania parametrów jej pracy (częstotliwości, wzmocnienia, relacji fazowych). Natomiast próbki odniesienia z nieciągłościami sztucznymi stosowane są do ustalenia nastaw parametrów defektoskopów wiroprądowych. Stosowane są również próbki uniwersalne (do doboru i oceny urządzeń wiroprądowych, a w szczególności przetworników) wykonane z materiału reprezentującego daną grupę materiałową, jak np. stal niskowęglowa, stopy miedzi, aluminium i tytanu. 39

40 Wadą badań wiroprądowych jest to, że przy wysokich częstotliwościach prądu magnesującego głębokość wnikania prądów wirowych jest niewielka (efekt naskórkowości) czyli ogranicza się do małych przekrojów badanych lub do kontroli nieciągłości (niezgodności) powierzchniowych. Natomiast przy niskich częstotliwościach maleje wykrywalność niezgodności. Zaletą metody jest możliwość bardzo szybkiego, 100% badania wyrobów w wielkoseryjnej produkcji, np. przy produkcji rur ze szwem, zgrzewanych lub spawanych UT metoda ultradźwiękowa Badania ultradźwiękowe informują o stanie, w jakim znajduje się cała objętość kontrolowanego elementu oraz pozwalają na określenie ilości, wielkości i rozmieszczenia nieciągłości w materiale. Wykorzystują zjawiska towarzyszące rozchodzeniu się fal o częstotliwości ultradźwiękowej, tzn. większej od granicy słyszalności ucha ludzkiego (ponad 16 tys. Hz lub ponad 20 tys. Hz). Tego typu metody są powszechnie uznane i stosowane w przemyśle hutniczym, maszynowym i transporcie, w kontroli jakości produkowanych wyrobów i półwyrobów oraz do wykrywania i obserwacji zachowania się niezgodności w pracujących już konstrukcjach. W badaniach ultradźwiękowych stosuje się fale o częstotliwości od ok. 50 khz do kilku MHz (niekiedy nawet do 1 GHz). Do badań złączy spawanych najczęściej stosuje się od 0,5 MHz do 10 MHz, ze szczególnym naciskiem na przedział pomiędzy 2 MHz do 5 MHz. Fale ultradźwiękowe to drgania mechaniczne cząsteczek ośrodka, w którym się rozchodzą, wokół położenia równowagi. Różnią się miedzy sobą kierunkiem ruchu cząsteczek ośrodka w stosunku do kierunku rozchodzenia się fali. Jedynymi ośrodkami, w których możliwe jest rozchodzenie się wszystkich rodzajów fal ultradźwiękowych, są ciała stałe. Podstawowe, najczęściej stosowane rodzaje fal ultradźwiękowych to fale podłużne, fale poprzeczne, fale powierzchniowe (Rayleigha), fale płytowe (Lamba), fale Love a, fale podpowierzchniowe. Fale podłużne są falami, w których cząstki ośrodka drgają zgodnie z kierunkiem rozchodzenia się fali. Drganiom tym towarzyszą zmiany ciśnienia akustycznego oraz zmiany gęstości ośrodka. Mogą one rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Fale poprzeczne to tzw. fale ścinania. Cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do ich kierunku rozchodzenia się. Drganiom towarzyszą naprężenia ścinające. W falach poprzecznych nie występują zmiany gęstości ośrodka i rozchodzą się one tylko w ośrodkach stałych. Fale powierzchniowe to fale, w których cząstki ośrodka drgają zarówno w kierunku ich rozchodzenia się, jak i w kierunku prostopadłym do tego kierunku. Z tego powodu wypadkowy ruch cząstek odbywa się po elipsie. Rozchodzą się one po swobodnej powierzchni ośrodka stałego, którego grubość jest znacznie większa od długości fali. Za pomocą fal powierzchniowych można badać tylko warstwę blisko powierzchni. Fale płytowe są falami, które rozchodzą się w elementach ograniczonych powierzchniami równoległymi, o grubości porównywalnej z długością fali. Mogą przebiegać w ośrodkach cienkościennych na wiele sposobów, zależnie od sposobu ich wzbudzania. Mają postać symetryczną lub asymetryczną. Fale Love a to poprzeczne fale, które rozchodzą się w cienkich warstwach materiału znajdujących się na podłożu z innego materiału (powłoki, warstwy galwaniczne, hartowane, nawęglane, azotowane itp.). Podczas ich przechodzenia cząstki ośrodka drgają w płaszczyznach równoległych do powierzchni warstwy. 40

41 Fale podpowierzchniowe są falami, które otrzymuje się dobierając tak kąt padania fali podłużnej na powierzchnię ciała stałego, aby kąt załamywania fali wynosił 90. Ich cechą charakterystyczną jest brak czułości na nierówności powierzchni. Fale podpowierzchniowe pozwalają na wykrywanie nieciągłości materiału na głębokości kilku milimetrów pod powierzchnią badania. Fale ultradźwiękowe wytwarza się w przetwornikach głowic ultradźwiękowych. Wykorzystywane są przy tym takie zjawiska fizyczne jak zjawisko piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, zjawisko elektromagnetycznego oddziaływania prądów wirowych lub np. promień lasera. Zjawisko piezoelektryczne polega na powstawaniu ładunków elektrycznych na powierzchni materiału poddanego ściskaniu lub rozciąganiu. Jest ono odwracalne po przyłożeniu ładunku elektrycznego następuje odkształcenie (zmiana wymiaru) materiału. Zatem zmienne napięcie powoduje drgania przetwornika w rytm zmian tego napięcia. Jeśli wysokie napięcie podamy w postaci krótkiego impulsu, to drgania przetwornika będą trwały jeszcze po zniknięciu impulsu elektrycznego. Przetwornik będzie drgał z częstotliwością drgań własnych. Przetworniki piezoelektryczne najwydajniej pracują przy częstotliwości rezonansowej. W przypadku płytki o równoległych ściankach rezonans występuje wtedy, gdy grubość płytki jest równa wielokrotności połowy długości fali. Na przetworniki piezoelektryczne najczęściej stosuje się kryształy naturalne (kwarc, turmalin), sztuczne (siarczan litu), polikrystaliczne materiały ceramiczne lub niektóre tworzywa sztuczne. Niektóre metale, takie jak kobalt, nikiel lub ich stopy przejawiają zjawisko magnetostrykcji, które polega na zmianie wymiarów materiału pod wpływem pola magnetycznego. Rozróżnia się dwa rodzaje magnetostrykcji liniową, zachodzącą wtedy, gdy odkształceniu nie towarzyszy zmiana objętości, oraz objętościową. Zjawisko jest niezależne od kierunku pola magnetycznego, więc wytworzone fale ultradźwiękowe charakteryzują się częstotliwością dwukrotnie wyższą od częstotliwości zmian pola magnetycznego. Odbiór fal ultradźwiękowych następuje dzięki zjawisku magnoelastycznemu, polegającemu na zmianie parametrów magnoelastycznych (wsp. magnetostrykcji, natężenie pola magnetycznego) pod wpływem fal sprężystych. Elektromagnetyczne przetworniki akustyczne składają się z cewki wywołującej w przedmiocie metalowym prądy wirowe oraz z magnesu wytwarzającego pole magnetyczne. Oddziaływanie prądów wirowych z polem magnetycznym powoduje powstanie w zewnętrznej warstwie metalu naprężeń mechanicznych. Naprężenia te z kolei powodują powstanie fal ultradźwiękowych o takiej samej częstotliwości jak częstotliwość zmian prądu w cewce wytwarzającej prądy wirowe. Zmieniając kierunek zewnętrznego pola magnetycznego w stosunku do kierunku prądów wirowych można wytwarzać różne rodzaje fal ultradźwiękowych. Wadą przetwornika elektromagnetycznego jest mała sprawność przemiany elektrycznej na falę ultradźwiękową. Wzbudzanie fal ultradźwiękowych można zrealizować również poprzez wykorzystanie silnych impulsów światła wysyłanych przez laser. Wysokoenergetyczny impuls światła laserowego spowoduje szybkie, udarowe nagrzewanie powierzchni materiału, a ze wzrostem temperatury wiąże się zmiana objętości. Ponieważ powierzchnia nagrzana w stosunku do całkowitej objętości materiału jest bardzo mała, materiał szybko powraca do stanu wyjściowego. Cykliczne zmiany temperatury nagrzewanego punktu powodują zmiany objętości i mogą stać się źródłem fali ultradźwiękowej. Rejestracja zmian powierzchni materiału, wywołanych docierającą do niej falą ultradźwiękową, odbywa się za pomocą odpowiedniego układu optycznego (układu luster oświetlanych promieniem lasera). 41

42 SPRZĘT DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH Ogólnie ujmując można podzielić sprzęt do badań na: aparaturę stacjonarną ściśle dopasowaną do wykonywania, często w sposób zautomatyzowany, jednego określonego rodzaju badań, np. urządzenie do badań zanurzeniowych, urządzenie do badań kolejowych zestawów kołowych itp. urządzenia przenośne, które można podzielić na uniwersalne (np. defektoskop ultradźwiękowy) i specjalistyczne (grubościomierz, urządzenie do pomiaru naprężeń itp.) W stacjonarnych urządzeniach często, jako część składową, wykorzystuje się uniwersalne defektoskopy ultradźwiękowe pełniące rolę układu pomiarowego. Pozostałe części składowe urządzenia to układy sterujące, wykonawcze, rejestrujące i przetwarzające dane uzyskane z pomiarów. Najczęściej wykorzystywany w przemyśle defektoskop ultradźwiękowy służy do pobudzania przetwornika głowicy ultradźwiękowej do drgań, czyli do emisji fali ultradźwiękowej oraz do nasłuchu za pośrednictwem głowicy powracających sygnałów, tzn. ech. Sygnały te po wzmocnieniu i odpowiedniej obróbce są uwidocznione na ekranie defektoskopu. Główne podzespoły urządzenia to ekran, generator impulsów synchronizujących, nadajnik impulsów, generator podstawy czasu, odbiornik impulsów ze wzmacniaczem decybelowym. Obecnie defektoskopy ultradźwiękowe coraz częściej tworzone są z myślą o stosowaniu techniki cyfrowej do rejestracji i przetwarzani odbitych sygnałów ultradźwiękowych. Defektoskopy z przetwarzaniem cyfrowym różnią się od analogowych układem zobrazowania. Posiadają możliwość realizacji wielu funkcji pomiarowych i dodatkowych (archiwizowanie wyników badań, katalogowanie parametrów głowic i materiałów badanych, wydruk protokołów badań lub możliwość ich przesyłania na odległość). Urządzeniem połączonym z defektoskopem jest głowica ultradźwiękowa, czyli odpowiednio zabudowany i dostrojony elektrycznie przewodnik piezoelektryczny. Jej głównymi elementami są: obudowa, która spełnia rolę uchwytu, osłony i konstrukcji nośnej, płytka czołowa chroniąca przewodnik przed bezpośrednim stykiem z badaną powierzchnią, przetwornik piezoelektryczny, masa tłumiąca (tłumi niepożądane drgania własne przetwornika oraz fale trafiające do głowicy), gniazdo do podłączenia przewodu łączącego z defektoskopem oraz cewka, czyli element dostrajający aparat do rezonansu z pojemnością elektryczną przewodnika i kabla. Najpowszechniej stosuje się głowice normalne fal podłużnych, podwójne fal podłużnych i pojedyncze skośne fal poprzecznych, a także podwójne skośne fal poprzecznych i pojedyncze fal powierzchniowych. W zależności od specyfiki badania używa się głowic o różnych częstotliwościach, wymiarach, kształcie powierzchni przylegania itp., ale najczęściej spotyka się częstotliwości głowic rzędu od 0,5 do 10 MHz. Głowice charakteryzują takie parametry, jak częstotliwość drgań przewodnika, rodzaj wytwarzanych fal, kąt załamania, kąt rozbieżności i szerokość wiązki fal w materiale, która najczęściej podawana jest dla stali, a także wymiary przetwornika. Podział głowic ultradźwiękowych ukierunkował się na względy jakościowe, co związane jest z powtarzalnością charakterystyk technicznych, zgodnością parametrów głowic z wartościami deklarowanymi przez producenta oraz wysoką niezawodnością. Do budowy głowic wciąż opracowuje się nowe materiały piezoelektryczne i wykorzystuje nowe rozwiązania konstrukcyjne. 42

43 Dzięki temu następuje ciągłe zwiększanie ich rozdzielczości, czułości i zmniejszanie martwej strefy. Jednym z rozwiązań, na które warto zwrócić uwagę, są głowice z przetwornikami foliowymi, które pomimo dużych wymiarów przetwornika, mają bardzo małą martwą strefę, a jednocześnie rozdzielczość lepszą od głowic konwencjonalnych. Dodatkową ich zaletę jest duża różnica między wysokością odbieranego echa a poziomem szumów. Jednym z najnowszych rozwiązań są głowice z przetwornikami mozaikowymi, które pozwalają na elektroniczne sterowanie wiązką ultradźwiękową. Rozmiary elementów składowych przetwornika mozaikowego są mniejsze od jednej dziesiątej długości fali. Każdy z elementów jest dołączony do oddzielnego, elektronicznie sterowanego nadajnika i odbiornika. Elektroniczne sterowanie realizowane jest przez komputer według programów umożliwiających zmianę czasu pobudzania poszczególnych elementów a także zmianę amplitudy i kształtu impulsów pobudzających. Umożliwia to sterowanie w szerokim zakresie kształtem i orientacją fal ultradźwiękowych, a więc np. na dynamiczne ogniskowanie w wybranych odległościach czy omiatanie wiązką wybranego sektora materiału. WZORCE DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH Aby uzyskać jak największą powtarzalność wyników badań ultradźwiękowych, potrzebne jest posiadanie próbek wzorcowych, do których można każdorazowo odnosić wskazania uzyskane podczas badań. Wzorce umożliwiają kontrolę i ustawienie parametrów aparatury na wymaganym poziomie, dzięki czemu uzyskuje się powtarzalność wyników badań. Wzorce dzielimy na dwie grupy pierwszą z nich stanowią wzorce do ustawiania parametrów aparatury i do ich kontroli na czas badania. Są to próbki o znormalizowanym kształcie i ściśle określonych własnościach materiału, z którego są wykonane. Do drugiej grupy wzorców można zaliczyć wzorce zawierające sztuczne powierzchnie odbijające reflektory odniesienia w różnej postaci, np. otworków płaskodennych, przelotowych otworków cylindrycznych lub nacięć różnego kształtu. Służą one do nastawiania czułości badania i sporządzania tzw. krzywych odległościowej korekcji amplitudy, które ułatwiają i przyspieszają badanie. ŚRODKI SPRZĘGAJĄCE Drgania emitowane przez głowicę do materiału badanego zapewniają sprzężenie akustyczne. Najmniejsza nawet szczelina powietrzna działa jak bariera akustyczna, powodując niemalże całkowite odbicie fal od granicy głowica-powietrze. Dla wyeliminowania powietrza zalegającego pomiędzy powierzchniami głowicy i badanego elementu, stosuje się środek sprzęgający. Najczęściej stosowanymi środkami sprzęgającymi są: woda powodująca korozję, która przed zastosowaniem powinna odstać w celu wyeliminowania zawartych w niej pęcherzyków powietrza olej lub inny smar stały bardzo dobry środek sprzęgający, ale niedopuszczalny do stosowania przed malowaniem powierzchni badanej i spawaniem roztwór kleju malarskiego lub kleju do tapet szczególnie wygodny przy badaniu powierzchni stromych, łatwo usuwalny po wyschnięciu, powodujący jednak korozję, niekiedy intensywną inne środki specjalne np. z inhibitorem korozji, do wysokich temperatur itp. 43

44 W przypadku głowic z przetwornikami wykonującymi drgania poprzeczne wymienione środki sprzęgające nie są przydatne. Zaleca się wówczas stosowanie środków o bardzo dużej lepkości, tj. żywica czy miód. O poprawnym sprzężeniu akustycznym podczas badania głowicą normalną świadczy impuls dna badanego elementu, który jest widoczny na ekranie defektoskopu w trakcie badania. Sytuacja przedstawia się zupełnie inaczej podczas badania głowicą skośną. Tutaj brak jest impulsu dna i dlatego warto zwrócić szczególną uwagę na zapewnienie dobrego sprzężenia akustycznego. METODY I TECHNIKI BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH W badaniach ultradźwiękowych wyróżniamy następujące metody badan: metoda cienia/przepuszczania metoda echa metoda rezonansu metoda TOFD (Time of Flight Diffraction) metoda SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) Podczas stosowania metody cienia posługujemy się dwoma głowicami o jednakowych parametrach, z których jedna jest nadajnikiem, a druga odbiornikiem. Jeśli głowice ustawimy naprzeciw siebie, to sygnał wprowadzany do materiału przez głowicę nadawczą powinien dotrzeć do głowicy stanowiącej odbiornik. Podczas badania metodą cienia dysponujemy następującymi możliwościami: w przypadku, gdy w materiale pomiędzy głowicami nie występują nieciągłości, to do głowicy odbiornika dociera cała fala ultradźwiękowa wysłana z głowicy nadawczej w przypadku, gdy w materiale między głowicami występują nieciągłości mniejsze od szerokości wiązki ultradźwiękowej (która przesłania/odbija/ część wiązki fali) to do głowicy odbiorczej dociera część fali wysłanej przez głowicę nadawczą, natomiast odbierany sygnał jest słabszy i niższy od sygnału uzyskanego dla materiału bez nieciągłości jeżeli występuje brak sprzężenia między materiałem badanym a głowicami lub w materiale między głowicami występuje nieciągłość większa od szerokości wiązki ultradźwiękowej, to fala wysyłana przez głowicę nadawczą nie dociera w ogóle do głowicy odbiorczej. Przeprowadzając badania materiałowe, zależy nam nie tylko na wykryciu nieciągłości ale również na określeniu jej położenia i wielkości. W przypadku, gdy w materiale znajduje się nieciągłość mniejsza od szerokości wiązki, jest to niemożliwe. Ze względu na rozbieżność wiązki ultradźwiękowej ta sama nieciągłość, znajdując się w różnej odległości od głowicy odbiorczej, będzie przesłaniała większą lub mniejszą część tej wiązki. Zatem do głowicy odbiorczej również będzie docierała różna część wiązki wysyłanej. Pojawiający się na ekranie defektoskopu sygnał będzie posiadał wysokość proporcjonalną wyłącznie do odległości nieciągłości od głowicy, natomiast o wielkości nieciągłości nie można wnioskować w sposób prawidłowy. Oprócz wariantu podstawowego metody cienia, można zastosować dwie głowice skośne ustawione po tej samej stronie materiału. Odległość między głowicami musi być ściśle określona, powinny być one ustawione tak, aby wiązka fal ultradźwiękowych wysyłana z głowicy nadawczej, po odbiciu od przeciwległej powierzchni materiał, trafiła do głowicy odbiorczej. Sposób ten 44

45 nazywany jest metodą tandem. W metodzie echa wykorzystuje się pojedynczą głowicę, która początkowo stanowi nadajnik impulsów, a następnie zostaje przełączona i odgrywa rolę odbiornika. Sygnał wysyłany przez głowicę do materiału odbija się od nieciągłości lub od przeciwległej powierzchni i wraca do głowicy. Mierząc czas upływający od momentu wysłania impulsu do momentu jego powrotu można określić, w oparciu o znajomość prędkości fali ultradźwiękowej w materiale, odległość głowicy od przeszkody. Na podstawie wysokości echa niezgodności na ekranie defektoskopu można określić jej przybliżony wymiar. Najmniejsza wielkość niezgodności jaką możemy wykryć przy pomocy fal ultradźwiękowych zależy od fali, czyli od częstotliwości drgań przetwornika głowicy. Jeśli wymiary nieciągłości są mniejsze od połowy długości fali, to fala ultradźwiękowa omija tę nieciągłość prawie się nie odbijając, a tylko nieznacznie ulegając rozproszeniu. Wykrywalność nieciągłości materiału zależy także od ich odległości od głowicy. Zjawisko to wynika z charakterystyki wiązki ultradźwiękowej w materiale oraz tłumienia. W niewielkiej odległości od głowicy w polu bliskim występują lokalne minima i maksima ciśnienia akustycznego fali. Dalej, w polu dalekim, wiązka fal jest rozbieżna i ciśnienie fali spada wraz ze wzrostem odległości. Jeżeli dodatkowo uwzględni się wpływ tłumienia fali w materiale, to okaże się, żen nieciągłości znajdujące sięga daleko lub za blisko od głowicy są niemożliwe do wykrycia. Innym czynnikiem wpływającym na wykrywalność niezgodności podczas badań ultradźwiękowych jest zdolność nieciągłości do odbijania fali ultradźwiękowej. Zdolność ta zależy od kształtu nieciągłości, chropowatości jej powierzchni, a także od kąta padania wiązki fal na tą powierzchnię. Kształt nieciągłości może spowodować skupienie lub rozproszenie wiązki fal ultradźwiękowych, a co za tym idzie wzmocnienie lub osłabienie echa odbitego docierającego do głowicy. Niezgodności o dużej chropowatości powierzchni powodują silne rozproszenie wiązki, ale istnieje duże prawdopodobieństwo, że pomimo niekorzystnego ułożenia powierzchni odbijającej względem fali ultradźwiękowej część sygnału odbitego dotrze do głowicy. Powierzchnia o małej chropowatości będzie dobrze odbijać padającą na nią wiązkę fal ultradźwiękowych. Jednak przy niekorzystnym, skośnym ustawieniu powierzchni względem wiązki echo odbite od powierzchni może nie dotrzeć do odbiornika. Metoda rezonansu znalazła zastosowanie do pomiarów grubości i polega na wzbudzaniu w materiale fali stojącej, wchodzącej w rezonans z długością fali. Ma to miejsce wówczas, gdy spełniony jest warunek, że grubość materiału jest wielokrotnością połowy długości fali. W metodzie rezonansu nadawane jest zwykle fala ciągła. Metoda TOFD wykorzystuje zjawisko dyfrakcji fal ultradźwiękowych do wykrywania i oceny niezgodności. Do badań stosuje się dwie głowice skośne na fale podłużne, umieszczone po obu stronach spoiny poza SWC, przy czym jedna głowica pracuje jako nadawcza, a druga jako odbiorcza. Z głowicy nadawczej wysyła się falę ultradźwiękową, która w swoim przekroju obejmuje cały obszar badany, tj. spoinę i SWC. Do głowicy odbiorczej dociera sygnał z kontrolowanego obszaru podczas badania rejestrowane są impulsy fal ultradźwiękowych, które zostały rozproszone na krawędziach niezgodności. Badania złączy spawanych polega na zmechanizowanym przesuwaniu układu głowic wzdłuż złącza i rejestrowaniu w pamięci mikrokomputera spróbkowanych przebiegów ultradźwiękowych w określonych punktach na długości złącza (tj. co 1 lub 2 mm). Zalety metody TOFD to lepsza wykrywalność niezgodności w porównaniu z klasyczną metodą ultradźwiękową, duża prędkość wykonywania badań (do 5 m/s), zmniejszenie wymagań dotyczących przeszkolenia personelu wykonującego badania i zmniejszenie kosztów kontroli. Podstawową jej wadą jest niska rozdzielczość występująca w obszarze 45

46 podpowierzchniowym w porównaniu z wysoką rozdzielczością w głębi materiału. Trudne jest także określenie rodzajów niezgodności. Metoda SAFT wiążę technikę skaningowego pozyskiwania sygnału z odpowiednim algorytmem obróbki sygnału. Istnieje kilka odmian prowadzenia badań metodą SAFT. Jedna z nich polega na pozyskaniu sygnału wraz z danymi ze skanera, przetworzeniu go na postać cyfrową, zapamiętaniu kolejnych sygnałów, korekcji czasu odbioru każdego z sygnałów, obróbce sygnału za pomocą specjalnego algorytmu, komputerowej rekonstrukcji obrazu wady. Metoda umożliwia jednocześnie filtrację szumów strukturalnych, co jest niezbędne przy badaniu grubych spoin austenitycznych. Układ do badań składa się z dwóch głowic nadawczej i odbiorczej, ustawionych skośnie w stosunku do osi spoiny. Odległość wad od głowicy jest duża, dlatego wykrywa się je wiązką kilkukrotnie odbitą od powierzchni wady. Stąd nazwa odmiany metody multisaft. Ilość odbić wiązki jest zależna od orientacji i kształtu wady. Informacja jest wykorzystywana przez komputer do rekonstrukcji obrazu wady. PRZYGOTOWANIE DO BADAŃ ULTRADŹWIĘKOWYCH Przed przystąpieniem do badań należy posiadać informacje na temat gatunku badanej stali, przygotowania i wymiarów złącza, technologii spawania, sposobu przeprowadzenia ewentualnych napraw lub obróbki cieplnej złączy, kryteriów akceptacji, procedury działań korygujących w przypadku istnienia wskazań nieakceptowanych. Wszystkie złącza przeznaczone do badań należy wcześniej poddać badaniom wizualnym na całej długości połączenia. Do badań należy przygotować również obiekt badany, zwracając szczególną uwagę na jakość powierzchni, po której będzie poruszać się głowica oraz zapewnienie możliwości swobodnego przesuwania głowicy na całej długości i szerokości obszaru. Najtrudniejszym z badań ultradźwiękowych jest badanie spoin pachwinowych, które nie jest jeszcze opanowane ze względu na brak odpowiednich głowic zarówno normalnych, jak i skośnych, które pozwoliłyby na dokładne określenie linii wtopienia. Niejednokrotnie można uzyskać zbliżone obrazy oscyloskopowe w przypadku występowania, jak i nieobecności wady. Stąd zasadnicze trudności w wykrywaniu w tego typu połączeniach groźnych wad takich jak braki przetopu czy przyklejenia. Badania spoin pachwinowych mogą podjąć jedynie operatorzy posiadający długą praktykę w badaniach ultradźwiękowych. Należy wówczas stosować wzorce połączeń ze spoinami pachwinowymi z wykonywanymi sztucznie wadami typu brak przetopu czy przyklejenie w celu ułatwienia interpretacji obrazów oscyloskopowych rzeczywistych wad. Bardzo specyficzne jest również badanie UT spoin austenitycznych, ponieważ wymaga ona zastosowania odpowiedniej techniki badań i sprawia określone trudności. Główną trudnością jest wysokie tłumienie związane z dendrytyczną budową struktury spoiny oraz dużą wielkością ziaren nawet w spoinach wielowarstwowych. Niesprzyjająca struktura spoiny jest również przyczyną uzyskiwania fałszywych wskazań (wady pozorne). Istnieją różne opinie na temat sposobu przeprowadzania badań ultradźwiękowych spoin austenitycznych. Połączenia spawane elementów o małej grubości, a zwłaszcza spoiny wąskie, przy badaniu których ciepło zostało szybko odprowadzone, mają przeważnie strukturę drobnoziarnistą i dlatego nie występują specjalne trudności przy badaniu tych spoin za pomocą fal ultradźwiękowych. W spoinach austenitycznych blach grubych długość ziaren przekracza niejednokrotnie 10 mm, a szerokość 1 mm. Ziarna te stwarzają trudności w badaniach UT. Głównymi przyczynami tłumienia wiązki fal są rozpraszanie 46

47 na granicach ziaren, transformacja rodzajów fal, zjawisko odchylania kierunku wiązki fal i fałszywe wskazania wad. Poznanie własności akustycznych spoin austenitycznych pozwoliło na opracowanie sposobów badań umożliwiających sprawdzenie jakości tych spoin z dostateczną czułością. Wyniki dotychczas przeprowadzonych prac wskazują, że spoiny czołowe o grubości do mm można badań stosując klasyczne głowice skośne na falę poprzeczną. Spoiny o grubościach powyżej 25 mm zaleca się badań głowicami skośnymi na falę podłużną, przez zastosowanie bardzo krótkich impulsów fal. Dobre wyniki badań daje wykorzystanie fal poprzecznych spolaryzowanych równolegle do powierzchni, z której wyprowadzane są fale, lub zastosowanie technik wykorzystujących elektroniczną obróbkę sygnałów do wizualizacji wad. W badaniach zmechanizowanych połączeń stali austenitycznych stosowane są także układy skanujące z głowicami wirującymi. Procedury badań połączeń spawanych ze stali austenitycznych należy opierać na wynikach badań odpowiedniej liczby złączy próbnych wykonanych przy tych samych parametrach i posiadających wady sztuczne lub naturalne. Istotny jest dostęp do spoiny z obydwu stron, obrobiona powierzchnia lica spoiny oraz znajomość orientacji ziaren Obserwacje metalograficzne zgładów Obserwacje metalograficzne prowadzi się w celu: ustalenia struktury spoin (pierwotnej i wtórnej) struktury i zasięgu stref wpływu ciepła struktury materiału rodzimego wykrycia wad mikroskopowych (strukturalnych) Na podstawie struktury można ocenić gatunek materiałów rodzimych, przybliżone wartości własności mechanicznych w poszczególnych strefach złącza spajanego oraz przybliżone zawartości węgla w stalach węglowych. Wady mikroskopowe, które są możliwe do wykrycia, to nieciągłości materiału (mikropęknięcia, wtrącenia niemetaliczne i metaliczne, przyklejenia i uszkodzenia korozyjne) oraz nieprawidłowość strukturalne (strefy zahartowane w złączach stali niskowęglowych, segregacja składników strukturalnych, gruboziarnistość związana z przegrzaniem materiału, efekty starzenia, wydzielenia węglików na granicach ziaren w strefie wpływu ciepła stali austenitycznych itp.) PRZYGOTOWANIE ZKŁADÓW METALOGRAFICZNYCH Próbki do badań mikroskopowych wymagają dokładnego szlifowania (papiery ścierne o ziarnistości 800 lub 1000), a następnie polerowania powierzchni zgładu sposobem mechanicznym, elektrochemicznym lub chemicznym. Małe próbki przed przystąpieniem do przygotowania zgładów metalograficznych mocuje się w specjalnych uchwytach, ułatwiających zarówno ich prawidłowe przygotowanie do badań, jak i obserwację na mikroskopie. Innym sposobem przygotowania próbek mniejszych jest ich inkludowanie w tworzywach sztucznych. Do tego celu stosuje się polichlorek winylu, metakrylan metylu lub żywice poliestrowe. Polerowanie mechaniczne zgładów metalograficznych przeprowadza się na urządzeniach wyposażonych w tarcze obrotowe pokryte suknem lub filcem (polerkach)/ Polerowanie prowadzi się stosując jako materiał ścierny wodną zawiesinę tlenku glinu lub pasty diamentowe. Jego celem 47

48 jest usunięcie rys powstałych podczas szlifowania próbki na papierze ściernym o najmniejszej ziarnistości. Jakość przygotowywanego zgładu sprawdza się przy użyciu mikroskopu. Polerowanie ręczne prowadzi się stosując niewielki docisk próbki, aby uniknąć powierzchniowego zgniotu, zwłaszcza przy polerowaniu metali o niewielkiej twardości (stale niskowęglowe, aluminium lub miedź). Prowadzone na przemian polerowanie i trawienie jest jednym ze środków zaradczych przed wystąpieniem warstwy utwardzonej na powierzchni zgładu. Powierzchnia zgładu powinna być płaska, wolna od pofałdowań i nierówności powierzchni w celu umożliwienia ustawienia ostrości podczas obserwacji mikroskopowych. Próbki wypolerowane przemywa się wodą i alkoholem, a następnie suszy w strumieniu powietrza. Oprócz polerowania ręcznego stosuje się polerowanie na stanowisku zautomatyzowanym pozwalającym na złożone ruchy zgładu podczas polerowania. Na zgładach wypolerowanych (nietrawionych) dokonuje się niekiedy obserwacji metalograficznych, np. wtrąceń niemetalicznych w stopach metali. Polerowanie elektrolityczne ma wiele zalet w porównaniu z polerowaniem mechanicznym, z których najważniejsze jest uniknięcie gniotu powierzchniowego. Pewną niedogodność stanowią prace przygotowawcze i dobór właściwych parametrów polerowania. Przy polerowaniu elektrolitycznym wykorzystuje się zjawisko wyrównywania anody podczas elektrolizy. Próbka polerowana stanowi więc anodę, a katoda jest wykonana najczęściej ze stali kwasoodpornej. Ponieważ w skład wielu elektrolitów wykorzystywanych do polerowania wchodzi kwas nadchlorowy, mający skłonność do samozapłonu w przypadkach przegrzania, elektrolizer jest chłodzony przy wykorzystaniu dodatkowego naczynia z cieczą chłodzącą i np. skruszonym lodem lub wężownicy z przepływającą wodą. Polerowanie chemiczne polega na wyrównaniu powierzchni zgładu wskutek oddziaływania odczynników chemicznych o określonej temperaturze. Polerowaną próbkę przygotowaną wstępnie na polerce mechanicznej zanurza się przez określony czas w odczynniku, po czym płucze w bieżącej wodzie i alkoholu, a następnie suszy strumieniem powietrza. Polerowanie chemiczne stosuje się w celu przyspieszenia polerowania, zwłaszcza stopów jednofazowych. Najlepsze wyniki uzyskuje się dla miedzi i jej stopów. Trawienie zgładów metalograficznych przeprowadza się w celu ujawnienia ich struktury. Najczęściej w badaniach metalograficznych mikroskopowych stosuje się trawienie chemiczne lub elektrolityczne. Działanie odczynnika trawiącego polega na jego lokalnym oddziaływaniu na granice ziaren oraz niejednakowej szybkości rozpuszczania różnych faz badanego stopu, co powoduje wytworzenie odpowiedniego kimroreliefu lub zmiennego (kontrastowego) zabarwienia różnych faz w wyniku ich utleniania lub pokrywania powierzchni cienkimi warstewkami faz lub związków chemicznych powstałych podczas trawienia. Nierównomierności powstałe w wyniku trawienia powodują różny stopień rozpraszania promieni świetlnych, w wyniku czego można obserwować ciemniejsze i jaśniejsze obszary struktur. Trawienie przeprowadza się najczęściej w wodnych lub alkoholowych roztworach kwasów, zasad i soli. Trawienie chemiczne polega na zanurzeniu badanej próbki (zgładu) w odczynniku chemicznym, a następnie wypłukaniu w bieżącej wodzie i alkoholu i wysuszeniu w strumieniu powietrza. Trafienie elektrolityczne przeprowadza się umieszczając zgład w elektrolicie przy jednoczesnym przepływie prądu przez elektrolit. Niekiedy trawienie elektrolityczne prowadzi się łącznie z polerowaniem elektrolitycznym. SPRZĘT DO BADAŃ Do badań metaloznawczych najczęściej stosuje się mikroskop ze skierowanym ku górze 48

49 obiektywem, nad którym umieszczony jest stolik przedmiotowy. Pozwala to na wygodną obserwację próbek o nieregularnym kształcie. Oświetlenie powierzchni próbki następuje za pomocą oświetlacza poprzez obiektyw mikroskopu. Nowoczesne mikroskopy metalograficzne zaopatrzone są z reguły w urządzenia do fotografowania obserwowanych struktur. Zasadnicze elementy optyczne mikroskopu to: oświetlacz, obiektyw i okular. Zadaniem oświetlacza jest skierowanie na powierzchnię próbki dostatecznie silnej i równomiernej wiązki światła. Źródłem światła może być żarówka stosowana zwykle przy obserwacji, lampa łukowa lub ksenonowa czy rtęciowa, stosowane przy wykonywaniu fotografii. Aby zapewnić równomierne oświetlenie całej obserwowanej powierzchni próbki, wiązka światła przechodzi przez szereg przesłon i soczewek oraz filtrów barwnych. Cały ten układ jest umieszczony w uchwycie prostopadle do osi optycznej mikroskopu. Wiązka światła, wychodząca z oświetlacza, pada w tubusie mikroskopu na płytkę płaskorównoległą, która odbija część promieni i przez obiektyw mikroskopu kieruje ku powierzchni zgładu. Pozostała część promieni przechodzi przez płytkę i jest pochłaniana przez ściankę tubusa. Promienie odbite od zgładu przechodzą powtórnie przez obiektyw i płytkę i trafiają do okularu. Zamiast płytki płaskorównoległej można stosować pryzmat. Pryzmat daje jaśniejsze światło niż płytka, lecz pogarsza nieco jakość obrazu (zmniejsza zdolność rozdzielczą); stosowany jest głównie przy powiększeniach mniejszych niż 500 krotne. Zarówno płytka, jak i pryzmat (w mniejszym stopniu) dają oświetlenie prawie prostopadłe do powierzchni szlifu. W niektórych badaniach korzystne jest stosowanie oświetlenia skierowanego skośnie do zgładu. Ujawniają się wtedy pewne szczegóły niewidoczne lub słabo widoczne przy świetle prostopadłym. Tego rodzaju obserwację nazywamy obserwacją w ciemnym polu. Nazwa pochodzi stąd, że gładka powierzchnia szlifu jest w mikroskopie ciemna, a jedynie miejsca wystające lub wklęsłe widoczne są jako jasne linie lub punkty. Do obserwacji w ciemnym polu stosuje się w oświetlaczu specjalną przysłonę pierścieniową, a zamiast płytki płaskorównoległej lustro pierścieniowe. Promienie odbite od tego lustra trafiają do specjalnego pierścieniowego zwierciadła paraboliczne, które kieruje wiązkę światła skośnie na powierzchnię szlifu. Przy obserwacji w polu ciemnym jak gdyby negatyw obrazu jasnego elementy, które tam były widoczne jako jasne tu są ciemne i na odwrót. Można dzięki temu łatwiej zaobserwować pewne szczegóły trudno dostrzegalne w polu jasnym. W niektórych przypadkach np.: przy badaniu wtrąceń niemetalicznych w metalu, potrzebne jest światło spolaryzowane. Umieszcza się wówczas w korpusie oświetlacza polaryzator, a w tubusie mikroskopu, przed okularem, analizator. Przy dużych powiększeniach, rzędu 2000 razy, można zwiększyć kontrast oglądanych elementów mikrostruktury, stosując obiektywy do immersji i olejki immersyjne Pomiar twardości w przekroju złącza Twardością określa się odporność materiału na lokalne odkształcenia trwałe, które powstają na powierzchni badanego materiału wskutek wciskania w nią drugiego twardego ciała zwanego wgłębnikiem. W zależności od wielkości odkształcenia spowodowanego wnikaniem wgłębnika rozróżnia się pomiary makro- i mikrotwardości. Badając przedmiot na twardość makro określamy twardość materiału jako całości, zaś przy badaniu mikrotwardości określamy twardość poszczególnych składników strukturalnych danego materiału. Pomiary prowadzone są przy użyciu twardościomierzy o nieskomplikowanej budowie zapewniających odpowiednią szybkość pomiaru i powtarzalność wyników. Do pomiarów makrotwardości najczęściej stosuje się metody Brinella, 49

50 Rockwella i Vickersa. Do pomiarów mikrotwardości, szczególnie w przypadku złączy spawanych, stosuje się najczęściej metodę Vickersa, dlatego na opisanie tej metody zostanie położony największy nacisk. Należy jednak pamiętać, że twardość nie jest stałą materiałową, a więc porównywanie twardości jest możliwe tylko w zakresie jednej metody pomiaru. Pomiar twardości metodą Vickersa opisany jest w normie PN-EN ISO Jako wgłębnik stosuje się diamentowy ostrosłup prawidłowy o podstawie kwadratowej i określonym kącie pomiędzy przeciwległymi powierzchniami bocznymi. Wgłębnik wciska się w badaną powierzchnię z określoną siłą obciążoną F. Zmierzoną twardość oznacza się HV. Rysunek 8: Zasada pomiaru twardości metodą Vickersa Twardość Vickersa jest proporcjonalna do ilorazu siły obciążającej i pola powierzchni odcisku, którego kształt przyjmuje się jako ostrosłup prosty o podstawie kwadratowej i o takim samym kącie, jaki ma wgłębnik. Podczas badania twardości mierzone są długości przekątnych odcisku powstałego na powierzchni. Twardość oblicza się wg wzoru: HV = stała (siła obciążająca/pole powierzchni odcisku), gdzie: stała 0,102 ~ 1/9,80665 (gdzie 9,80665 stanowi współczynnik przeliczeniowy z kg na N). Przekształcając wzór, osiągamy przybliżoną metodę kalkulacji twardości HV = 0,1891 F/d2, gdzie F jest siłą obciążającą, a d średnicą arytmetyczną z wartości dwóch długości przekątnych odcisku (d1, d2) Metoda Vickersa stosowana jest do pomiaru makro- i mikrotwardości dla trzech różnych zakresów sił obciążających, zgodnie z poniższą tabelą. 50

51 Tabela 2: Zakres siły obciążającej Zakres siły obciążającej Symbol twardości Oznaczenie F > 49,03 > HV5 Próba twardości Vickersa 1,961 < F < 49,03 od HV 0,2 do < HV5 Próba twardości Vickersa przy małej sile obciążającej 0,09807 < F < 1,961 od HV 0,01 do < HV 0,2 Próba mikrotwardości Vickersa Obniżenie wartości siły obciążającej stosowanej podczas pomiaru twardości zwiększa rozrzut wyników pomiaru. Dotyczy to szczególnie pomiarów mikrotwardości i pomiarów przy małej sile obciążającej. Zwiększenie rozrzutu wyników spowodowane jest wówczas błędem pomiarów długości przekątnych odcisku. Zaznacza się, że przy pomiarach mikrotwardości Vickersa mało prawdopodobne jest określenie średniej wartości przekątnej z dokładnością większą niż 0,001 mm. Na ogół pomiar twardości przeprowadza się w temperaturze otoczenia w zakresie od 10 C do 35 C. Do próbki umieszczonej w sztywnej podporze doprowadza się wgłębnik do styku z jej powierzchnią, a następnie obciąża siłą w kierunku prostopadłym do powierzchni. Czas od przyłożenia siły obciążającej do osiągnięcia przez nią pełnej wartości nominalnej nie powinien być krótszy niż 2 s i dłuższy niż 8 s. W próbach twardości przy małej sile obciążającej i próbach mikrotwardości przybliżona prędkość przemieszczania się wgłębnika nie powinna przekraczać 0,2 mm/s. Podczas pomiaru czas obciążenia powinien wynosić od 10 s do 15 s. Do zalet pomiaru twardości metodą Vickersa zalicza się dużą porównywalność tej metody z inną popularnie stosowaną metodą Brinella, możliwość uzależnienia twardości HV od wytrzymałości na rozciąganie Rm, możliwość stosowania jej do materiałów o różnej twardości, małą głębokość odcisków, fakt, że zmiana ustawienia próbki nie wpływa znacznie na wyniki pomiarów. Do wad pomiaru twardości tą metodą zalicza się małą wydajność pomiaru, skomplikowaną budowę twardościomierza i znaczny wpływ chropowatości na wyniki pomiarów. Pomiar twardości złączy spawanych opisuje norma PN-EN i według niej badane będą wszystkie próbki omawiane w praktycznej części pracy. Do pomiarów stosuje się zazwyczaj pomiar metodą Vickersa. Pomiaru dokonuje się zwykle na przekrojach poprzecznych metalowych złączy, a próby twardości wykonywane mogą być w postaci rzędu odcisków lub jako pojedyncze odciski. Przekrój poprzeczny próbki należy uzyskać za pomocą cięcia mechanicznego, zwykle poprzecznie do złącza spawanego. Operację cięcia i dalszego przygotowania próbki należy przeprowadzać ostrożnie, aby uniknąć utwardzenia powierzchni próbki. Badaną powierzchnię próbki zazwyczaj przygotowuje się przez trawienie, tak aby uzyskać dokładny pomiar przekątnej docisku w różnych strefach spawanego złącza. W trakcie pomiarów określa się twardość spoiny, strefy wpływu ciepła i materiału podstawowego. Cykl cieplny procesu spawania wywiera wpływ na przemiany zachodzące w strefie wpływu ciepła zwiększając lub zmniejszając jej utwardzenie. Zbytnia twardość SWC związana jest z obniżeniem jej ciągliwości i grozi powstawaniem w niej pęknięć. Wpływ cyklu cieplnego spajania wyraźnie występuje w większości spajanych złączy ze stali. Praktycznie nie dotyczy natomiast złączy spawanych z aluminium, miedzi, niklu, tytanu i cyrkonu oraz ich stopów, a także tych gatunków stali, które nie są wrażliwe na utwardzenie strefy wpływu ciepła. 51

52 8. Bibliografia Bibliografia [1] Sindo Kou Welding Metallurgy, Second Edition, 2003 [2] Tasak E. Metalurgia Spawania, wydanie 1 [3] Mazur M. Podstawy spawalnictwa, Gliwice 1993 [4] Praca zbiorowa; Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo WNT Warszawa, [5] Grochowska A. Spawanie elektronowe, Stal Metale i Nowe Technologie, numer 9-10/2009, strona 14. II. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA 9. Wprowadzenie W części doświadczalnej pracy przeprowadzono badania próbek stali nierdzewnej St12T spawanej trzema różnymi metodami: 1. Metodą tradycyjną, ręczną (GMAW, TIG) 2. Metodą zrobotyzowaną (TIG-Hot Wire) 3. Metodą elektronową Stal St12T (X22CrMoV12-1, ) jest stalą stosowaną do produkcji odkuwek łopatek turbin oraz innych elementy i części turbin pracujących w temperaturze do 600 o C. Skład chemiczny stali St12T (%) wg EN 10302:2002 C Mn Si P S Cu Cr Ni Mo V 0,18 0,24 0,40 0,90 0,18 0,24 Max. 0,025 Max 0,015-11,00 12,50 0,30 0,80 0,80 1,20 0,25 0,35 Skład chemiczny drutu spawalniczego 20 MVW-IG (spawanie met. ręczną i zrobotyzowaną) C Mn Si Cr Mo V 0,21 0, ,3 1,0 0,3 W stalach żarowytrzymałych chrom wywiera istotne oddziaływanie antykorozyjne, natomiast rola molibdenu sprowadza się do zwiększania odporności na pełzanie. Należy również pamiętać, że chrom i molibden jako pierwiastki ferrytotwórcze stabilizują fazy alfa zwężając obszar austenitu. Węgiel natomiast jest pierwiastkiem austenitotwórczym. Najważniejszym jednak skutkiem wprowadzenia chromu do stali jest przemieszczenie punktu S przemiany eutektoidalnej w kierunku mniejszej koncentracji węgla, co powoduje zwężenie obszaru alfa+gamma. Węgiel tworzy z chromem węgliki o małej szybkości rozpuszczania się w austenicie, dlatego temperatura austenityzacji dla tych stali jest wyższa aniżeli dla stali węglowych. Wynika stąd również konieczność podgrzewania stali chromowych przed hartowaniem do temperatur powyżej 1000 o C. Należy również oczekiwać, że przy spawaniu, wskutek szybkiego nagrzewania i chłodzenia w spawalniczym cyklu ciekłym, węgliki chromu nie powinny ulegać całkowitemu rozpuszczaniu w austenicie. 52

53 Przy dużych szybkościach chłodzenia w omawianej stali powstają struktury martenzytyczne. Przy mniejszych szybkościach chłodzenia występują struktury bainityczne lub bainit i ferryt. Po wygrzewaniu tej stali przez okres około 3 h w temperaturze około 700 o C następuje przemiana perlityczna. Tak więc przy spawaniu acetylenowo-tlenowym bez podgrzewania wstępnego, kiedy chwilowa szybkość chłodzenia spoiny osiąga wartość rzędu 6K/s, powstaje głównie struktura bainityczna lub bainityczno-ferrytyczna. Natomiast przy spawaniu łukowym bez podgrzewania szybkość chłodzenia metalu spoiny wynosi K/s i wówczas wytwarzane są struktury martenzytyczno-bainityczne z wtrąceniami ferrytu. Stal St12T należy do stali o wysokiej hartowności, a zatem również skłonności do pękania. Dlatego w praktyce spawalniczej konieczne jest stosowanie podgrzewania wstępnego w celu uniknięcia struktur hartowniczych. Proces technologiczny spawania tych metali uwzględnia zawsze podgrzewanie wstępne do około 300 o C. Obróbka cieplna złączy spawanych ma na celu rozpad przesyconego austenitu, w przypadki kiedy konstrukcja spawana nie posiada znacznej sztywności. Polega na nagrzaniu do temperatury około 600 o C, a następnie chłodzeniu w powietrzu. Jeżeli występują elementy o znacznej grubości, proces chłodzenia powinien gwarantować równomierność spadku temperatury w całej objętości powierzchni. Należy pamiętać, że spawanie tego typu stali bez podgrzewania prowadziłoby do wytworzenia struktur martenzytycznych. Dlatego niezbędne jest podgrzewanie wstępne oraz wygrzewanie końcowe. 10. Spoina wykonana metodą tradycyjną Metodyka wykonania spoiny Zgodnie z opisaną w pkt. 10 technologią, materiał został wstępnie podgrzany do temperatury 300 o C a następnie spawany dwoma metodami przetopienie za pomocą TIG (GTAW), zaś główna część spoiny czołowej za pomocą MAG (GMAW) Badania makroskopowe Rysunek 9: Przekrój złącza spawanego 53

54 10.3. Wyniki badań mikroskopowych Na potrzeby obserwacji mikroskopowych próbka wytrawiona została odczynnikiem Mi5Fe sporządzonym zgodnie z normą PN-61/H , o składzie: 1g kwasu pikrynowego, 5 ml kwasu solnego, 100 ml etanolu. Badania mikroskopowe przeprowadzono na przekroju złącza w obszarach obejmujących spoinę, strefy wpływu ciepła i materiały rodzime blach. Mikrostruktura materiału na całym badanym obszarze złożona jest z bainitu z wydzieleniami węglików. Poza obszarem grani spoiny widoczna jest budowa dendrytyczna spoiny, w obszarze grani występują ziarna równoosiowe. W strefach wpływu ciepła w obszarze grani spoiny występuje znaczne rozdrobnienie ziarna byłego austenitu. Zaobserwować można również bardzo drobne wydzielenia węglikowe. 54

55 Zdjęcie 1: Obszar spoiny spawanie ręczne, pow. 50x. Struktura dendrytyczna z pojedynczym żużlem. Zbyt małe powiększenie uniemożliwia charakteryzowanie struktury. Zdjęcie 2: SWC, spawanie ręczne, pow. 1000x. Struktura bainityczna z wydzieleniami węglików oraz niewielkimi wtrąceniami ferrytu o morfologii allotriomorficznej i Widmannstattena. 55

56 Zdjęcie 3: Materiał rodzimy, spawanie ręczne 100x. Pakiety listew ferrytu bainitycznego z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików, dobrze zarysowane pierwotne granice ziaren austenitu. Różnice w kontraście sąsiednich pakietów listew są rezultatem innej ich orientacji przestrzennych. Zdjęcie 4: Materiał rodzimy, spawanie ręczne 1000x. Na granicach byłych pierwotnych ziaren austenitu widoczne listwy ferrytu allotriomorficznego. 56

57 Zdjęcie 5: SWC spawanie ręczne 1000x. Słabo ujawniające się pakiety listew ferrytu bainitycznego z dyspersyjnymi wydzieleniami węglików, dobrze zarysowane granice pierwotnych ziaren austenitu. Zdjęcie 6: Obszar spoiny (przetopienie z użyciem TIG), spawanie ręczne 1000x. Struktura bainityczna z wydzieleniami węglików oraz pewne ilości cienkich listew ferrytu allotriomorficznego na pierwotnych granicach ziaren austenitu. 57

58 10.4. Badania mikrotwardości Pomiary twardości sposobem Vickersa HV10 przeprowadzono wzdłuż linii pomiarowych jak pokazano na rysunku poniżej. Odciski wykonano w spoinie, strefach wpływu ciepła i materiale rodzimym. Rysunek 10: Lokalizacja obszarów pomiarów twardości. Rezultaty pomiarów przedstawiono w tabeli poniżej: Lokalizacja Obszar Materiał rodzimy 1 Strefa wpływu ciepła 2 Spoina 3 Strefa wpływu ciepła 4 Materiał rodzimy 5 Twardość HV10 Linia I Linia II , 342, , 321, , 327, , 324, Spoina wykonana metodą zrobotyzowaną. Spawanie przeprowadzono za pomocą robota przemysłowego spawającego metodą TIG-Hot Wire. 58

59 11.1. Badania makroskopowe Rysunek 11: Przekrój złącza spawanego Badania mikroskopowe Na potrzeby obserwacji mikroskopowych próbka wytrawiona została odczynnikiem Mi5Fe sporządzonym zgodnie z normą PN-61/H , o składzie: 1g kwasu pikrynowego, 5 ml kwasu solnego, 100 ml etanolu. Zdjęcie 7: Strefa przejściowa SWC/spoina. Spawanie zautomatyzowane, 50x. Małe powiększenie nie pozwala na charakteryzowanie struktury. 59

60 Zdjęcie 8: Obszar skrzepnięcia spoiny, spawanie zautomatyzowane, pow. 1000x. Struktura bainityczna z wydzieleniami węglików z siatką ferrytu na pierwotnych granicach ziaren austenitu Badania mikrotwardości Pomiary twardości sposobem Vickersa HV10 przeprowadzono wzdłuż linii pomiarowych jak pokazano na rysunku poniżej. Odciski wykonano w spoinie, strefach wpływu ciepła i materiale rodzimym. Rysunek 12: Lokalizacja obszarów pomiarów twardości 60

61 Rezultaty pomiarów przedstawiono w tabeli poniżej: Lokalizacja Obszar Materiał rodzimy 1 Strefa wpływu ciepła 2 Spoina 3 Strefa wpływu ciepła 4 Materiał rodzimy 5 Twardość HV10 Linia I Linia II , 329, , , 312, , 322, Spoina wykonana metodą elektronową Badania makroskopowe Badania mikroskopowe Na potrzeby obserwacji mikroskopowych próbka wytrawiona została odczynnikiem Mi5Fe sporządzonym zgodnie z normą PN-61/H , o składzie: 1g kwasu pikrynowego, 5 ml kwasu solnego, 100 ml etanolu. 61

62 Zdjęcie 9: Przejście między SWC a spoiną, spawanie elektronowe 500x. Wyraźnie zaznaczona strefa przejściowa między strukturą bainityczną w SWC a dendrytyczną strukturą w spoinie Zdjęcie 10: Spoina, spawanie elektronowe 500x. Struktura dendrytyczna typu bainitycznego 62

63 Zdjęcie 11: Przejście między spoiną a SWC, spawanie elektronowe pow. 200x. U góry struktura dendrytyczna w spoinie, u dołu struktura bainityczna w SWC ze strefą częściowego przetopu obu materiałów. Zdjęcie 12: Środek spoiny, spawanie elektronowe 100x. Struktura dendrytyczna na styku dwu frontów krystalizacji 63

64 Zdjęcie 13: Granica SWC i spoiny, spawanie elektronowe, powiększenie 1000x. Jak wyżej, osie dendrytów o niewykształconej morfologii Zdjęcie 14: Obszar zastygłego jeziorka, spawanie elektronowe 200x. Obszar na styku trzech stref: spoiny u wierzchołka zastygłego jeziorka, SWC i materiału rodzimego. Dendrytyczna struktura w spoinie, przegrzana struktura bainitu w SWC, powiększenie nie upoważnia do określenia struktury materiału rodzimego. 64

65 Zdjęcie 15: Obszar zastygłego jeziorka, spawanie elektronowe 100x. Obraz jak wyżej, obejmuje większy obszar materiału rodzimego. Struktura nie nadaje się do zobrazowania. Zdjęcie 16: Obszar zastygłego jeziorka, spawanie elektronowe 1000x. W strefie częściowego przetopu na granicy spoina/ SWC żyłkowe wtrącenia ferrytu 65

66 13. Podsumowanie i wnioski Jakość połączeń spawanych stali nierdzewnej, rozumiana jako wytrzymałość spoiny oraz materiałów wokół niej, zależeć może od wielu czynników, takich jak przygotowanie materiału, metoda spawania, ilość i koncentracja dostarczanej energii, łączone materiały, materiał elektrody lub topnika, geometria i projekt połączenia, czy związki między wyżej wymienionymi czynnikami. W niniejszej pracy, analizując jakość trzech przedstawionych połączeń spawanych wykonywanych trzema różnymi metodami, w szczególności zwrócono uwagę na powstały obszar strefy wpływu ciepła, wielkość spoiny, ewentualne zdefektowanie materiału oraz jego przegrzanie, brak wtrąceń tlenkowych. Zwrócono również uwagę na stabilność i powtarzalność parametrów spoin wytwarzanych daną metodą, a także bezpieczeństwo i higienę pracy. Należy podkreślić, że wszystkie trzy omówione metody pozwoliły na osiągnięcie jakości spawów akceptowalnej dla przemysłu energetycznego i każda z technologii jest kwalifikowana do wykorzystywania w tej branży. Rysunek 13: Porównanie rozkładów twardości w spoinach 66