EGZEMPLIFIKACJA TOMOGRAFICZNEJ METODY DO OCENY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ SPAWANYCH ZE STOPU EN 5754 H22

Transkrypt

1 Józef BŁACHNIO Artur KUŁASZKA Marek CHALIMONIUK Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych Piotr WOŹNY Wojskowe Zakłady Lotnicze nr 2 S.A. PRACE NAUKOWE ITWL Zeszyt 39, s , 2016 r. DOI /afit EGZEMPLIFIKACJA TOMOGRAFICZNEJ METODY DO OCENY JAKOŚCI POŁĄCZEŃ SPAWANYCH ZE STOPU EN 5754 H22 Jakość połączeń spawanych zależna jest od wielu czynników. Przedmiotowe normy określają warunki techniczne oceny jakościowej spawów, co stanowi podstawę do uznania połączenia za zgodne z wymaganiami lub wadliwe. W praktyce wykonanie połączenia spawanego całkowicie pozbawionego wad jest trudne. Do kontroli wewnętrznej struktury połączenia wykorzystać można nieniszczącą metodę z zastosowaniem przemysłowego tomografu komputerowego. Ta nowoczesna metoda diagnozowania łączy badanie rentgenowskie z zaawansowaną technologią komputerową. Podstawową zaletą tomografii komputerowej jest badanie obiektów w trzech wymiarach oraz możliwość wykonania rekonstrukcji przestrzennych. Celem artykułu jest omówienie wykorzystania tej metody do oceny jakości połączeń spawanych stopów aluminium. Możliwości tomografii komputerowej przedstawiono na przykładzie próbek spawalniczych wykonanych metodą TIG przy różnych parametrach procesu. Dokonano analizy jakości próbek wykazujących najmniejsze i największe zewnętrzne, jak również wewnętrzne wady spawalnicze. Słowa kluczowe: stopy aluminium, spawanie, wady spawalnicze, tomogram. 1. Wprowadzenie Wykonanie połączeń spawanych wiąże się z bezwzględnym spełnieniem wielu warunków gwarantujących bezpieczną eksploatację konstrukcji spawanej. Podstawowymi kryteriami są wytrzymałość i własności plastyczne połączenia spawanego, łączącego poszczególne elementy konstrukcji. Ze względu na korzystne właściwości, istotną rolę we współczesnych konstrukcjach odgrywają aluminium i jego stopy.

2 52 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY Duża podatność technologiczna oraz odporność korozyjna i chemiczna, a także stosunkowo niewielki ciężar właściwy decydują o atrakcyjności projektowej tego materiału. Z powyższych względów stopy aluminium wykorzystywane są w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, maszynowym, elektronicznym, spożywczym i chemicznym oraz w innych gałęziach przemysłu. W procesie wytwarzania typowych elementów często wykorzystuje się spajanie za pomocą technologii spawania. Spawanie to proces łączenia termicznego materiałów, głównie metali oraz ich stopów, przez ich miejscowe stopienie z dodawaniem lub bez dodawania spoiwa [4, 10,12]. Umiejętność właściwej oceny jakości połączenia spawanego jest podstawowym elementem zapewniającym jego bezpieczną i niezawodną eksploatację. Podstawową cechą stopów aluminium do obróbki plastycznej jest ich podatność na łączenie termiczne. Wynika ona z wielu właściwości, z których część ma korzystny wpływ na proces spawania, część zaś stanowi jego utrudnienie. Wysokie powinowactwo chemiczne z tlenem powoduje, że w kontakcie z powietrzem powierzchnie aluminium i jego stopów pokrywają się warstwą tlenku glinu Al2O3. Ta szczelna powłoka może być przyczyną powstawania wad spawalniczych, a nawet całkowicie uniemożliwić wykonanie połączenia. Rozpuszczanie się gazów w ciekłym aluminium i jego stopach jest przyczyną powstawania wad spawalniczych, najczęściej porowatości. Wysoki współczynnik przewodności cieplnej stanowi utrudnienie przy miejscowym nagrzewaniu i stapianiu metalu. W związku z tym w stosunku do elementów stalowych elementy ze stopów aluminium o podobnej grubości muszą być spajane np. wyższym prądem spawania, co ma zapewnić większą miejscową intensywność dostarczania ciepła. Z powodu dużego współczynnika rozszerzalności cieplnej aluminium występujący w procesie spawania skurcz jest przyczyną powstawania dużych naprężeń i odkształceń spawanych elementów oraz pęknięć w spoinach [4, 6]. Istotny wpływ na właściwości mechaniczne oraz spawalnicze stopów aluminium ma ich skład chemiczny. W badaniach stosowano stop aluminium do przeróbki plastycznej gatunku EN 5754 H22. Jego podstawowe właściwości są następujące: dobre właściwości mechaniczne oraz podwyższona odporność na korozję, szczególnie w środowisku morskim; zależność właściwości mechanicznych od zawartości magnezu, wraz ze wzrostem zawartości Mg zwiększa się wytrzymałość i twardość, natomiast obniża się plastyczność; obróbka plastyczna na zimno zwiększa wytrzymałość na rozciąganie; bardzo dobre właściwości spawalnicze, jednak ze względu na gorsze właściwości plastyczne wykazuje podwyższoną podatność na powstawanie pęknięć.

3 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Podstawowe metody spawania stopów aluminium i właściwości spoiny Podstawową i najczęściej stosowaną metodą spawania aluminium i jego stopów jest spawanie łukiem elektrycznym w osłonie gazowej przy pomocy elektrody topliwej i nietopliwej metoda MIG i TIG (rys. 1 i 2). W metodzie tej wykorzystuje się prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym oraz częstotliwości napięcia zasilającego 50/60 Hz. W czasie trwania jednego półokresu, gdy elektroda jest anodą, a katodą jest materiał spawany, występuje zjawisko czyszczenia katodowego strefy złącza. W czasie drugiego półokresu, gdy elektroda jest katodą, następuje jej chłodzenie oraz intensywne podgrzewanie jeziorka spawalniczego i topnienie materiału. W celu zapewnienia powtarzalnego zajarzenia łuku w półokresach, stosowane są impulsy prądu o wysokiej częstotliwości i napięciu w granicach V. Impulsy te jonizują przestrzeń, gdzie zajarzany jest łuk, umożliwiając ponowne zajarzenie łuku elektrycznego z małym opóźnieniem. Szczególnie ważną rolę odgrywa to w tej połówce cyklu, gdy elektroda stanowi biegun dodatni. W celu uzyskania skutecznego zjawiska czyszczenia katodowego stosuje się gazy osłonowe, takie jak argon, hel lub mieszaniny tych gazów, jednak to argon charakteryzuje się najwyższym współczynnikiem efektywności czyszczenia katodowego. Działanie gazu osłonowego polega na rozbijaniu powstałych podczas spawania warstw tlenków aluminium poprzez bombardowanie katody aluminiowej dodatnimi jonami gazu osłonowego [7, 12, 11]. Istnieją również inne metody spawania, ale ze względu na ograniczone zastosowanie są one coraz rzadziej wykorzystywane. Zaletą metody TIG i MIG jest możliwość spawania zarówno ręcznie, jak i w sposób półautomatyczny czy w pełni zautomatyzowany. Rys. 1. Przebieg procesu spawania metodą MIG [14]

4 54 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY Rys. 2. Przebieg procesu spawania metodą TIG [14] Skład chemiczny materiału spawanego oraz kształt i typ złącza decyduje o konieczności stosowania określonego gatunku spoiwa [12]. Przy doborze gatunku spoiwa należy uwzględniać skłonność spoiny do powstawania pęknięć. Na skład chemiczny spoiny wpływa stopień wymieszania zastosowanego spoiwa z roztopionym materiałem podstawowym. Im mniejszy stopień wymieszania, tym mniejsza skłonność spoiny do powstawania pęknięć. Podobnie zastosowanie spoiwa o temperaturze topliwości równej lub niższej od temperatury topliwości materiału spawanego w znacznym stopniu zmniejsza skłonność do powstawania pęknięć międzykrystalicznych w strefie wpływu ciepła. Spowodowane jest to mniejszymi naprężeniami skurczowymi powstającymi w czasie krystalizacji spoiny, gdy w strefie wpływu znajdują się niezakrzepnięte fazy o niższej temperaturze topliwości. Także stosując spoiwo o większej zawartości pierwiastków stopowych, można ograniczyć powstawanie pęknięć spoin. Im materiał spoiny jest bardziej plastyczny od materiału spawanego, tym mniejsze są naprężenia skurczowe powstające podczas stygnięcia. Ponadto przy doborze spoiwa należy uwzględnić wymagania wytrzymałościowe złącza spawanego, odporność na korozję i temperaturę pracy połączenia. Odporność na korozję uzyskuje się poprzez zapewnienie składu chemicznego spoiny takiego jak materiału spawanego lub poprzez zastosowanie spoiw o dużej czystości [12].

5 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Wyniki oceny jakości połączeń spawanych ze stopu EN 5754 H22 Do badań połączeń spawanych użyto blach ze stopu aluminium z magnezem EN 5754 H22, zaklasyfikowanego jako stop do przeróbki plastycznej o bardzo dobrych właściwościach spawalniczych [12]. Skład chemiczny wybranego materiału przedstawiono w tabeli 1, natomiast jego właściwości mechaniczne w tabeli 2. Skład chemiczny stopu EN 5754 H22 [atest producenta] Tabela 1 Rodzaj pierwiastka Zawartość pierwiastka [% wag.] Mg 3,21 Mn + Cr 0,35 Mn 0,31 Fe 0,38 Si 0,30 Cr 0,04 Zn 0,05 Cu 0,06 Inne razem max. 0,15 Al Pozostałość Właściwości mechaniczne stopu EN 5754 H22 [atest producenta] Tabela 2 Stan utwardzenia Wytrzymałość na rozciąganie Rm [MPa] Granica plastyczności Rp 0,2 [MPa] Wydłużenie A [%] H Przygotowano 12 zestawów próbek, każdy zestaw poddawano spawaniu metodą TIG, stosując inne parametry procesu. Ocenie poddano połączenia spawane doczołowe (rys. 3) blach o grubości 6 mm. Celem badań było uzyskanie spawu o jak najmniejszych wadach spawalniczych możliwych do oceny poprzez oględziny zewnętrzne. Zmianom podlegały: natężenie prądu spawania, wydatek gazu osłonowego oraz prędkość spawania i rodzaj spoiwa. Parametry spajania zestawiono w tabelach 3 6. Wyniki spajania przedstawiono na rys. 4 7.

6 56 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY Rys. 3. Przekrój poprzeczny połączenia doczołowego [5] Lico Grań SP I pr. 4 pr.3 pr. 2 Rys. 4. Próbki nr SP I pr.4; SP I pr.3; SP I pr.2 Tabela 3 Parametry procesu TIG dla próbek SP I pr.4; SP I pr.3; SP I pr.2 Próbka SP I Natężenie prądu [A] Wydatek gazu osłonowego [l/min] Rzeczywista prędkość spawania [m/min] Drut spawalniczy gat./ średnica ,045 AlMg3 2, ,044 AlMg3 2, ,06 AlMg3 2,4 Argon/Elektroda WT20 / Częstotliwość 90 Hz /balans -28

7 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Lico Grań SP II pr. 7 pr.2 pr. 1 Rys. 5. Próbki nr SP II pr.7; SP II pr.2; SP II pr.1 Tabela 4 Parametry procesu TIG dla próbek SP II pr.7; SP II pr.2; SP II pr.1 Próbka SP II Natężenie prądu [A] Wydatek gazu osłonowego [l/min] Rzeczywista prędkość spawania [m/min] Drut spawalnicz gat./ średnica ,039 AlMg3 2, ,035 AlMg3 2, ,05 AlMg3 2,4 Argon/Elektroda WT20 / Częstotliwość 90 Hz /balans -28 Lico Grań SP VII pr. 3 pr.2 pr. 1 Rys. 6. Próbki nr SP VII pr.3; SP VII pr.2; SP VII pr.1

8 58 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY Parametry procesu TIG dla próbek SP VII pr.3; SP VII pr.2; SP VII pr.1 Tabela 5 Próbka SP VII Natężenie prądu [A] Wydatek gazu osłonowego [l/min] Rzeczywista prędkość spawania [m/min] Drut spawalniczy gat./ średnica ,05 AlMg5 2, ,06 AlMg5 2, ,06 AlMg5 2,4 Argon/Elektroda WT20 / Częstotliwość 90 Hz /balans -10 Lico Grań SP VIII pr. 3 pr. 2 pr. 1 Rys. 7. Próbki nr SP VIII pr.3; SP VIII pr.2; SP VIII pr. 1 Parametry procesu TIG dla próbek SP VIII pr.3; SP VIII pr.2; SP VIII pr. 1 Tabela 6 Próbka SP VIII Natężenie prądu [A] Wydatek gazu osłonowego [l/min] Rzeczywista prędkość spawania [m/min] Drut spawalniczy Gat./ średnica ,015 AlMg5 2, ,012 AlMg5 2, ,01 AlMg5 2,4 Argon/Elektroda WT20 / Częstotliwość 90Hz /balans -10

9 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Do badań jakości spawów zastosowano metodę rentgenowskiej tomografii przemysłowej [2, 3, 8, 9, 13]. Oceny próbek dokonano na podstawie obrazów z tomografu komputerowego firmy GE model v tome x m300 z detektorem panelowym (rys. 8). próbka uchwyt obrotowy lampa Rys. 8. Próbka w uchwycie tomografu komputerowego [1] Na rys. 9 przedstawiono tomogramy połączenia spawanego, na których widoczny jest wyciek z grani spoiny (a) oraz podłużny pęcherzyk gazowy (b). Natomiast widok transparentny tej próbki ujawnia wadę wewnętrzną w postaci wtrąceń niemetalicznych w obrębie spawu (c). b a p Rys. 9. Tomogramy obrazujące strukturę wewnętrzną połączenia spawanego z zastosowaniem metody TIG próbka nr-sp I pr.3 (p podziałka) [1]

10 60 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY c Rys. 10. Obraz transparentny próbki nr. SP I pr.3 [1] Na rys. 11 przedstawiono tomogramy połączenia spawanego obarczonego niezgodnością spawalniczą dotyczącą kształtu. Niezgodność ta polega na braku przetopu (a) od strony grani do głębokości ok. 2 mm na całej długości połączenia oraz na przesunięciu elementów spawanych względem siebie. Natomiast obraz transparentny tej samej próbki nie wykazuje wewnętrznych wad spawalniczych (rys. 12). a a a p Rys. 11. Tomogramy obrazujące strukturę wewnętrzną połączenia spawanego z zastosowaniem metody TIG próbka nr SPII pr. 7 (p podziałka) [1]

11 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Rys. 12. Obraz transparentny próbki nr SPII pr.7 [1] Na rys. 13 przedstawiono tomogramy połączenia spawanego, na których ujawniono wadę wewnętrzną połączenia w postaci pojedynczego pęcherzyka gazowego o kulistym kształcie (a) oraz wyciek z grani spoiny (b). Ponadto zaobserwowano błąd kształtu połączenia w postaci uskoku spajanych elementów względem siebie (c). Obraz transparentny omawianej próbki ujawnił ponadto wewnętrzne wtrącenia niemetaliczne w objętości spawu (d). b c a p Rys. 13. Tomogramy obrazujące strukturę wewnętrzną połączenia spawanego z zastosowaniem metody TIG próbka nr SPVII pr. 2 (p podziałka) [1]

12 62 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY d Rys. 14. Obraz transparentny próbki nr SPVII pr.2 [1] a Rys. 15. Tomogramy obrazujące strukturę wewnętrzną połączenia spawanego z zastosowaniem metody TIG próbka nr SPVIII pr. 1 [1]

13 Egzemplifikacja tomograficznej metody do oceny jakości połączeń spawanych Z uzyskanych tomogramów (rys. 15) wynika, że połączenie nie wykazuje wad wewnętrznych poza pojedynczym pęcherzykiem powietrza o wielkości ok. 1 mm. Ponadto na obrazie transparentnym zaobserwowano pojedyncze wtrącenie niemetaliczne (b) (rys. 16). b Rys. 16. Obraz transparentny próbki nr. SPVIII pr.1 [1] 4. Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki badań rentgenowskim tomografem komputerowym dwóch próbek, które w wyniku oględzin zewnętrznych wykazywały największe (SP II pr.7) i najmniejsze (SP VIII pr.1) zewnętrzne niezgodności spawalnicze. Celem badań było ustalenie wpływu parametrów procesu spawania na jakość otrzymanych połączeń. Z przeprowadzonych analiz tomogramów można wnioskować, że zmiana gatunku drutu spawalniczego z AlMg3 (próbka SP II pr.7) na AlMg5 (próbka SPVIII pr.1) oraz podniesienie wartości natężenia prądu spawania z 130 A na 140 A przy jednoczesnym obniżeniu prędkości spawania spowodowały podniesienie jakości badanych połączeń (rys. 9 i 10). Ponadto zmieniono proporcje ustawienia balansu z -28% na -10%, co wpłynęło na lepsze czyszczenie warstwy wierzchniej aluminium z tlenków utrudniających spawanie (rys. 11 i 12).

14 64 Józef BŁACHNIO, Artur KUŁASZKA, Marek CHALIMONIUK, Piotr WOŹNY Przedstawione przykłady potwierdzają możliwość wykorzystania rentgenowskiej tomografii komputerowej i są dowodem na jej przydatność do oceny jakości połączeń spawanych. Dalsze badania wytrzymałościowe powinny potwierdzić właściwy kierunek zmian parametrów prowadzących do polepszenia właściwości połączeń spawanych badanego stopu aluminium. Literatura 1. Błachnio J., Kułaszka A., Chalimoniuk M., Giewoń J., Woźny P.: Raport z badań, ITWL, Warszawa Chalimoniuk M., Szczepanik R., Błachnio J.: The rate of decohesion of a gas turbine blade as assessed with the x-ray computed tomography (CT). Journal of KONES 2013, Vol. 20, No Cierniak R.: Tomografia komputerowa. Budowa urządzeń CT. Algorytmy rekonstrukcyjne. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa Ciszewski A., Radomski T., Szummer S.: Materiałoznawstwo, OWPW, Warszawa Czuchryj J., Kupisz B.: Badania złączy spawanych. Przegląd metod. KaBe, Krosno Dobrzański L.A.: Podstawy nauki o materiałach, WNT, Warszawa Ferenc K., Nita Z., Sobiś T.: Spawalnictwo, OWPW, Warszawa Jezierski G.: Radiografia przemysłowa. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa Kielczyk J.: Radiografia przemysłowa. Wydawnictwo Gamma, Warszawa Mizerski J.: Spawanie, wiadomości podstawowe. REA, Warszawa Mizerski J.: Spawanie w osłonie gazów metodą TIG. REA, Warszawa Pilarczyk J.: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo. WNT, Warszawa Ratajczyk E.: Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) do zadań przemysłowych. Pomiary, Automatyka, Robotyka 2012, nr 16(5) (pobrano: 6 czerwca 2016).