OKREŚLENIE MOŻLIWOŚCI OCENY JAKOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH Z TWORZYW SZTUCZNYCH NA PODSTAWIE ICH OBRAZU RADIOGRAFICZNEGO

Transkrypt

1 OKREŚLENIE MOŻLIWOŚCI OCENY JAKOŚCI ZŁĄCZY SPAWANYCH Z TWORZYW SZTUCZNYCH NA PODSTAWIE ICH OBRAZU RADIOGRAFICZNEGO Wprowadzenie Janusz Czuchryj Sławomir Sikora Ważne tworzywo konstrukcyjne, przeznaczone na różnego rodzaju wyroby gotowe lub półprodukty o dowolnym kształcie i wymiarach, stanowią materiały polimerowe, nazywane też tworzywami sztucznymi lub plastikami [1]. Tworzywa sztuczne są materiałami syntetycznymi wytwarzanymi z produktów naftowych w procesie polireakcji (np. polimeryzacji, polikondensacji) związków o małej masie cząsteczkowej nazywanych manomerami. Podczas reakcji manomery łączą się w makrocząsteczki budując tworzywo o nazwie manomeru z przedrostkiem poli, np. polietylen czy polipropylen. Z uwagi na, między innymi, mały ciężar, dużą plastyczność, odporność na korozję wyroby lub półprodukty z polimerów coraz powszechniej stosuje się, przykładowo, w przemyśle samochodowym, lotniczym, maszynowym, w produkcji sprzętu AGD, przy czym w wielu przypadkach zachodzi konieczność łączenia tych wyrobów przy pomocy spawania. Złącza, z założenia, powinny charakteryzować się jakością wykonania, umożliwiającą uzyskanie ich wysokiej trwałości eksploatacyjnej. W rzeczywistości wykonanie złączy bez niezgodności jest nieekonomiczne i trudno wykonalne. Z tego powodu opracowuje się kryteria odbiorowe, dopuszczające obecność w złączach spawanych pewnych niezgodności. Jednak obniżenie trwałości eksploatacyjnej złączy spowodowane tymi niezgodnościami musi być akceptowalne. Uwzględniając ten punkt widzenia podjęto prace, zmierzające do określenia możliwości oceny jakości złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych na podstawie ich obrazu na radiogramie. Złącza próbne do badań Spośród termoplastycznych tworzyw sztucznych szerokie zastosowanie w gospodarce światowej znajduje polipropylen (PP). Z tego powodu spawane złącza próbne wykonano z płyt polipropylenowych typu PP-H produkcji niemieckiej firmy DEHOPLAST. Zgodnie z załączonym dowodem dostawy polipropylen charakteryzował się następującymi własnościami: gęstość 0,92 g/cm 3, współczynnik topliwości (wg MFR 190/5) 0,6 g/10 min., wytrzymałość na rozciąganie 30 MPa, wydłużenie min. 8%, udarność 11 mj/mm 2, moduł sprężystości podłużnej min. 950 MPa. Spawanie ciągłe ekstruderem ręcznym przeprowadzono stosując następujące parametry: grubość układanego ściegu do 15 mm, temperatura masy uplastycznionej 200 do C, temperatura gorącego powietrza 250 do C, strumień gorącego powietrza min. 300 l/min., kąt ukosowania rowka spawalniczego na V w zależności od grubości płyty od 45 do Jako spoiwo zastosowano pręt typu TIPPLEN H890 o własnościach: wytrzymałość na rozciąganie 38 MPa, wydłużenie 13%, udarność 11 mj/mm 2, moduł sprężystości podłużnej 1300 MPa. Warunki spawania dobrano zgodnie z kartami technologicznymi firmy SZAGRU z Pszczyny. 1

2 Do badań wykonano 15 szt. doczołowych złączy spawanych o grubościach: 10, 15, 20, 25 i 30 mm, po 3 złącza z każdej grubości. Jedno złącze z danej grubości wykonano z pełnym przetopem, natomiast pozostałe z wkładką w postaci pręta stalowego symulującego ubytek przekroju nośnego o określonym wymiarze. Zaplanowane do badań złącza zestawiono w tablicy 1. Widok złączy, przykładowo, pokazano na rys.1. Tablica 1. Zestawienie złączy spawanych z polipropylenu do zaplanowanych badań. SZEROKOŚĆ PRÓBKI POWIERZ- OZNACZE- GRUBOŚĆ ŚREDNICA DO PRÓBY CHNIA L.P. NIE ZŁĄCZA PRĘTA PRZEKROJU ZŁĄCZA PRÓBKI PRZEWIDY- WANY UBYTEK PRZEKROJU ROZCIĄGA- NIA [mm] [mm] [mm] [mm] [%] /0 10/1,5 10/2,0 15/0 15/1,5 15/2,0 20/0 20/2,0 20/2,5 25/0 25/2,5 25/3,25 30/0 30/3,25 30/4, ,5 2,0-1,5 2,0-2,0 2,5-2,5 3,25-3,25 4, ,5 37,5 37, ,5 937,5 937, , , ,8 13,3 a) 2

3 b) c) d) Rys.1 Widok złączy spawanych z polipropylenu. a) złącze o grubości 10 mm z symulowanym ubytkiem przekroju równym 2 mm; b) złącze o grubości 15 mm z symulowanym ubytkiem przekroju równym 1,5 mm; c) złącze o grubości 20 mm z symulowanym ubytkiem przekroju równym 2 mm; d) d) złącze o grubości 30 mm z pełnym przetopem Przeprowadzone badania i ich wyniki Wykonane złącz spawane poddano badaniom radiograficznym według wcześniej uzyskanych doświadczeń [2]. Otrzymane na radiogramach obrazy poddano oględzinom, 3

4 których celem było rozpoznanie występujących w złączach niezgodności spawalniczych. Wyniki oględzin zestawiono w tablicy 2. Tablica 2. Wyniki oględzin radiogramów złączy spawanych z polipropylenu L.P. OZNACZE- NIE ZŁĄCZA OPIS OBRAZU NA RADIOGRAMIE I RADIO- GRAMU /0 W osi podłużnej spoiny widoczne liczne pęcherze gazowe. 10/1,5 1 w postaci pręta. 10/2,0 w postaci pręta. Na początku złącza możliwe przyklejenie brzegowe, natomiast w końcowej części złącza widoczne pęcherze gazowe. W osi podłużnej spoiny wyraźnie widoczne liczne pęcherze gazowe 15/0 i podłużne. Możliwe występowanie przyklejenia brzegowego prawie na całej długości złącza. 15/1,5 w postaci pręta. Na początku złącza widoczne pęcherze gazowe. Możliwe występowanie przyklejenia brzegowego (obraz ledwie 2 widoczny). 3 15/2,0 w postaci pręta. Widoczne drobne, sporadycznie występujące, pęcherze gazowe. Możliwe występowanie przyklejenia brzegowego (obraz słabo widoczny). Wyraźnie widoczny ubytek przekroju złącza na całej jego długości. 15/2,0 (U) * Z uwagi na ostrość obrazu lepsza niż na radiogramie 15/2,0 wzrost prawdopodobieństwa występowania przyklejenia brzegowego. 20/0 W osi podłużnej spoiny widoczne liczne pęcherze podłużne i gazowe. Widoczne również wyraźnie przyklejenia brzegowe. 20/2,0 w postaci pręta. Widoczne pęcherze gazowe i podłużne. Możliwe występowanie przyklejenia brzegowego (obraz słabo widoczny). Wyraźnie widoczny ubytek przekroju złącza na całej jego długości. 20/2,0 (U) * W pobliżu tego ubytku wyraźnie widoczne liczne pęcherze podłużne i gazowe. Lepiej niż na radiogramie 20/2,0 widoczne przyklejenia brzegowe. 20/2,5 w postaci pręta. Widoczne pęcherze gazowe i podłużne. Dość wyraźnie widoczne występowanie przyklejenia brzegowego. 20/2,5 (U) * Wyraźnie widoczny ubytek przekroju złącza na całej jego długości. Wyraźnie widoczne liczne pęcherze gazowe i podłużne oraz przyklejenia brzegowe. 4

5 /0 W osi spoiny widoczne duże pęcherze gazowe i podłużne. Wyraźny obraz przyklejenia brzegowego. 25/2,5 w postaci pręta. Słabo widoczne liczne pęcherze gazowe i podłużne. 4 25/2,5 (U) * Wyraźnie widoczny ubytek przekroju złącza na całej jego długości. Wyraźnie widoczne liczne pęcherze gazowe. Dość dobrze widoczne przyklejenie brzegowe. 25/3,25 w postaci pręta. Słabo 30/0 W spoinie widoczne liczne pęcherze gazowe i podłużne. Dość wyraźnie 5 30/3,25 w postaci pręta. W spoinie widoczna niewielka ilość pęcherzy gazowych. Dość dobrze widoczne duże przyklejenie brzegowe. 30/4,0 w postaci pręta. Dobrze widoczne pęcherze gazowe oraz duże przyklejenie brzegowe. * - złącza z usuniętą wkładką w postaci pręta stalowego. Z wykonanych złączy z tworzywa sztucznego, zgodnie z wymaganiami przedstawionymi w normie PN-EN [3], wycięto próbki do próby rozciągania. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie złączy spawanych z polipropylenu zestawiono w tablicy 3. Tablica 3. Wyniki badań wytrzymałości na rozciąganie złączy spawanych z polipropylenu. _ OZNA- Rm L.P. Rm CZENIE OPIS PRZEŁOMU PRÓBKI [MPa] PRÓBKI [MPa] /0/A 31,88 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze plastycznym. Brak wyraźnych niezgodności na powierzchni przełomu (możliwe ślady pęcherzy). 1 28,40 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym. 10/0/B 25,42 Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu widoczne wtrącenie usytuowane w przejściu lica spoiny do materiału spawanego (prawdopodobnie miejsce inicjacji pęknięcia). 10/0/C 27,89 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze mieszanym. Brak wyraźnych niezgodności na powierzchni przełomu (możliwe ślady pęcherzy gazowych). 5

6 Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła poza sztuczną 10/1,5/A 30,91 niezgodnością. Przełom o charakterze mieszanym. Możliwe przyklejenie brzegowe. 10/1,5/B 30,73 30,46 niezgodności. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu ślady drobnych przyklejeń. 10/1,5/C 29,75 niezgodności. Przełom o charakterze mieszanym. Brak widocznych (innych) niezgodności na powierzchni 1 przełomu. 10/2,0/A 29,50 niezgodności. Przełom o charakterze mieszanym. Możliwe niewielkie przyklejenie brzegowe. 10/2,0/B 24,52 26,38 Zerwanie w spoinie poza sztuczną niezgodnością. Przełom o charakterze mieszanym. Możliwe przyklejenie brzegowe. 10/2,0/C 25,11 niezgodności. Przełom o charakterze mieszanym. Możliwe przyklejenie brzegowe. Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła. Przełom o 15/0/A 17,13 charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu przyklejenie brzegowe. 15/0/B 20,69 22,84 Zerwanie w spoinie i w strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne przyklejenie brzegowe i pęcherz podłużny. 15/0/C 30,70 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu widoczne pęcherze gazowe. 2 15/1,5/A 29,20 niezgodności i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni widoczne przyklejenie brzegowe. 15/1,5/B 31,30 29,73 niezgodności i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu widoczne pęcherze gazowe. 15/1,5/C 28,69 niezgodności i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze plastycznym. Przyklejenie brzegowe na powierzchni przełomu. 6

7 /2,0/A 31,40 niezgodności. Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu 15/2,0/B 30,11 niezgodności. Przełom o charakterze mieszanym. Na 2 30,44 powierzchni przełomu Zerwanie w spoinie poza płaszczyzną sztucznej 15/2,0/C 29,80 niezgodności i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 20/0/A 30,10 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne pęcherze. Możliwe niewielkie przyklejenie brzegowe. 20/0/B 26,39 27,40 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne duże gazowe pęcherze. Możliwe przyklejenie brzegowe. 20/0/C 25,71 Zerwanie w spoinie. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne pęcherze gazowe i podłużne oraz przyklejenie brzegowe. Zerwanie w strefie wpływu ciepła I materiale spawanym 20/2,0/A 26,76 (poza płaszczyzną sztucznej wady). Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu 3 20/2,0/B 26,80 27,63 Zerwanie w spoinie, strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzna sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 20/2,0/C 29,64 niezgodności i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. 20/2,5/A 23,33 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzna sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu 20/2,5/B 24,88 24,69 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 20/2,5/C 25,86 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 7

8 /0/A 25,79 Zerwanie w spoinie poprzez strefę wpływu ciepła i materiał spawany. Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu widoczne wtrącenie. 25/0/B 28,45 25,08 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym. Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu, w pobliżu lica, widoczny uskok sugerujący występowanie przyklejenia w przejściu lica spoiny do materiału spawanego. 25/0/C 21,01 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 25/2,5/A 23,53 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 25/2,5/B 15,12 20,02 płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 4 widoczne duże przyklejenie brzegowe. Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o 25/2,5/C 21,41 charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne znaczne przyklejenie brzegowe oraz pęcherz podłużny. Zerwanie w strefie wpływu ciepła I materiale spawanym 25/3,25/A 22,24 (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu 25/3,25/B 19,85 18,63 Zerwanie w strefie wpływu ciepła i materiale spawanym (poza płaszczyzną sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu Zerwanie w strefie wpływu ciepła (poza płaszczyzną 25/3,25/C 13,79 sztucznej niezgodności). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne bardzo duże przyklejenie brzegowe. 8

9 /0/A 19,70 Zerwanie w materiale spawanym i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu nie stwierdzono widocznych niezgodności. 30/0/B 13,37 17,23 Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne duże przyklejenie brzegowe. 30/0/C 18,61 Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła. Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła. Przełom 30/3,25/A 16,46 o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu widoczne duże przyklejenie brzegowe. Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 30/3,25/B 19,29 płaszczyzną sztucznej nieciągłości). Przełom 15,74 o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu 5 Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 30/3,25/C 11,48 płaszczyzną sztucznej nieciągłości). Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu widoczne duże przyklejenie brzegowe. Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 30/4/A 17,39 płaszczyzną sztucznej nieciągłości). Przełom o charakterze plastycznym. Na powierzchni przełomu widoczne duże przyklejenie brzegowe. Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 30/4/B 21,55 16,44 płaszczyzną sztucznej nieciągłości). Przełom o charakterze mieszanym. Na powierzchni przełomu Zerwanie w spoinie i strefie wpływu ciepła (poza 30/4/C 10,37 płaszczyzną sztucznej nieciągłości). Przełom o charakterze kruchym. Na powierzchni przełomu widoczne duże przyklejenie brzegowe. Analiza wyników badań Z przeprowadzonych badań radiograficznych złączy spawanych z polipropylenu (tablica 2) wynika, że na uzyskanych radiogramach najłatwiej rozpoznawalna była niezgodność sztuczna w postaci wkładki z pręta stalowego. Dotyczy to zarówno złączy, w których wkładkę pozostawiono, jak i złączy, z których wkładkę usunięto. Zgodnie z przewidywaniami, w pierwszym przypadku niezgodność była wyraźnie widoczna jako jasna, 9

10 równomierna linia, natomiast w drugim jako wyraźna linia ciemna. Uwzględniając różnicę gęstości między stalą a tworzywem sztucznym wynik ten jest wynikiem oczywistym. Interesującego natomiast spostrzeżenia dokonano podczas porównywania obrazów radiograficznych tego samego złącza z pozostawioną i usuniętą wkładka stalową. Mianowicie, ilość szczegółów widocznych na radiogramie złącza z wkładką pozostawioną jest mniejsza niż na radiogramie złącza z wkładką usuniętą (rys.2). a) b) Rys.2 Radiogramy złącza spawanego z polipropylenu o grubości 25 mm: a) z wkładką z pręta stalowego, b) z usuniętą wkładką w postaci pręta. Efekt ten, prawdopodobnie, spowodowany jest czynnikiem psychologicznym, polegającym na dominacji obrazu wkładki nad obrazami innych niezgodności spawalniczych, np. pęcherzy czy trudno zauważalnych przyklejeń. Należy tu podkreślić, że jakość obrazów na rozpatrywanych radiogramach jest porównywalna. Z badań radiograficznych wynika również, że występujące w badanych złączach niezgodności spawalnicze to przede wszystkim pęcherze gazowe i przyklejenia brzegowe. W szczególności przyklejenia osiągają tak duże rozmiary, że dyskwalifikuje to całkowicie przydatność złącza do eksploatacji. Wyniki z badań radiograficznych znalazły potwierdzenie w wynikach przeprowadzonych badań wytrzymałościowych złączy spawanych z polipropylenu (tablica 3). Na przełomach próbek zaobserwowano obecność licznych przyklejeń brzegowych o różnej wielkości i pęcherzy gazowych lub podłużnych (rys.3). 10

11 a) b) c) d) 11

12 e) f) g) h) Rys.3 Przykłady niezgodności spawalniczych na przełomach złączy po próbie rozciągania: a) przyklejenie brzegowe, b) przyklejenie brzegowe i pęcherz podłużny, c) i d) duże przyklejenia brzegowe, e) i f) pęcherze gazowe g) duże pęcherze gazowe, h) pęcherze gazowe i podłużne oraz przyklejenie brzegowe. Jednym z celów przewidzianych do osiągnięcia podczas realizacji pracy było określenie wpływu ubytku przekroju nośnego złączy spawanych z polipropylenu na ich wytrzymałość na rozciąganie. Niestety, analiza wyników zestawionych w tablicy 3 nie pozwala na wyciągnięcie wiarygodnych wniosków z tego zakresu. Spowodowane jest to 12

13 faktem, że decydujący wpływ na tę wytrzymałość wywarły niezgodności spawalnicze w postaci przyklejeń i pęcherzy, a nie ubytek przekroju symulowany przez wkładkę z pręta stalowego. Zatem właściwych zależności w tej części badań nie udało się ustalić. Podsumowując należy stwierdzić, że złącza spawane z polipropylenu charakteryzowały się niską jakością wykonania. Znalazło to potwierdzenie zarówno w przeprowadzonych badaniach radiograficznych złączy, jak i badaniach wytrzymałościowych. Należałoby tu zadać pytanie: czy niska jakość złączy do badań była przypadkowa, czy też jest to powszechne zjawisko w produkcji przemysłowej. Odpowiedź na pytanie, zdaniem autorów referatu, może przynieść tylko kontrola złączy spawanych z tworzyw sztucznych (np. radiograficzna) wdrożona do powszechnej praktyki przemysłowej. Aby tę kontrolę zapewnić należy zdobyć doświadczenie w badaniach nieniszczących tego typu złączy oraz opracować odpowiednie kryteria ich odbioru. Literatura: 1. L. Dobrzański. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo.. Materiały inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego. WN-T. Gliwice Warszawa, J. Czuchryj, S. Sikora. Badania nieniszczące złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych. Referat wygłoszony na KKBR Popów 2004, Kule k/popowa r. 3. PN-EN :2002 Badania połączeń spawanych w półproduktach z tworzyw termoplastycznych. Część 2: Próba rozciągania. 13

14 14