WTRĄCENIE MIEDZI W SPOINIE- CZY DA SIĘ WYKRYĆ RADIOGRAFICZNIE? Jan Kielczyk ENERGOMONTAŻ-PÓŁNOC TSiL Sp. z o.o. Wtrącenie miedzi (Cu) w spoinie posiadające numer odniesienia 3042 w normie PN-EN ISO 6520-1 [1] jest niedopuszczalne dla poziomów jakości B, C i D w normie PN-EN ISO 5817 [2] i dla poziomów akceptacji 1, 2 i 3 w normie PN-EN ISO 10675-1 [3]. Niedopuszczalne jest również w normie PN-EN 1090 [4] dla wszystkich klas wykonania konstrukcji, tj. klasy EXC1, EXC2, EXC3 i EXC4. Oceniając radiogramy złączy spawanych przez wiele lat nigdy nie spotkałem się z obecnością wtrącenia miedzi. Również inne osoby oceniające rutynowo radiogramy, z którymi rozmawiałem, nie miały takiego przypadku. Czy wobec tego wtrącenie miedzi nie występuje w spoinie, czy oceniający radiogramy niewłaściwie interpretują tą nieciągłość? Rys. 1 Fotografia złącza od strony lica
Dla sprawdzenia, jak wtrącenie miedzi obrazowane jest na radiogramie wykonano złącze spawane łączące dwie blachy o grubości 6 mm ze stali węglowej metodą TIG z użyciem spoiwa z drutu DMoIG (miedziowany). W kilku miejscach celowo wprowadzono drut z miedzi elektrolitycznej zamiast DMoIG. Poniżej fotografia złącza od strony lica (Rys. 1) i od strony grani (Rys. 2). Rys. 2 Fotografia złącza od strony grani Spoina jest równomierna bez lokalnych pogrubień lica i wycieków w grani. Wykonano radiogram złącza stosując następujące parametry: aparat rentgenowski ERESCO ognisko Ø 3 mm napięcie/natężenie 140 kv/4.5 ma klasy C3 symbol MX125 odległość ogniskowa 750 mm czas ekspozycji 2 min. Przeprowadzono digitalizację radiogramu korzystając z urządzenia GE FS50 (Rys. 3).
Rys. 3 Zdigitalizowany radiogram złącza spawanego Obszary o zmniejszonym zaczernieniu odpowiadają wtrąceniu miedzi. Kilka osób, które nie oglądały złącza spawanego i nie znały sposobu jego wykonania nie wskazało na obecność miedzi. Porównanie wyglądu złącza z radiogramem powinno wskazywać, że obecność obszarów o zmniejszonym zaczernieniu jest trudne do wyjaśnienia. Widoczne na radiogramie liczne pęcherze i pęknięcia nie występują w normalnie wykonanej spoinie. Ze złącza spawanego wycięto próbkę w taki sposób, że jeden przekrój odpowiada obszarowi z obniżonym zaczernieniem (Rys.4) a drugi przekrój obszarowi z normalnym zaczernieniem (Rys.5). Rys. 4 Obraz przekroju próbki z obecnością miedzi
Rys. 5 Obraz przekroju próbki bez miedzi Na Rys. 6 widoczny jest obraz mikroskopowy (powiększenie 200x) obszaru przejścia od wtrącenia miedzi do podstawowej części spoiny. Rys. 6 Obraz mikroskopowy spoiny-przejście od wtrącenia miedzi do podstawowej części spoiny Widoczne jest mikropęknięcie biegnące od wtrącenia miedzi do materiału spoiny. Miedź może być wprowadzona do spoiny w następujący sposób: ze spoiwa. Stopiwo elektrody ES 20-24-4CuB zawiera 1,3% Cu a elektrody ES 23-28-3CuB 3% Cu. Stopiwo drutu do spawania w osłonie argonu NiCu1-Ig zawiera 0,4% Cu. Wszystkie
druty do spawania w osłonie gazów ochronnych pokryte są metodą galwaniczną cienką warstwą miedzi, która ma za zadanie ochronę przed korozją drutu w czasie przechowywania oraz ułatwienie kontaktu elektrycznego z palnikiem w czasie spawania. Przejście miedzi z warstwy ochronnej jest mało prawdopodobne ze względu na bardzo małą grubość warstwy ochronnej i ze względu na niższą temperaturę parowania miedzi niż żelaza; przy spawaniu gazowym przez dotknięcie palnikiem do płynnego jeziorka spoiny; w czasie spawania na podkładce miedzianej; przez dyfundowanie miedzi z materiału spawanego do spoiny. Miedź wprowadzana jest do niektórych stali celem zwiększenia odporności na działanie ośrodków chemicznie czynnych jak również podwyższenia przewodnictwa cieplnego. Przykładem jest stal kotłowa miedziowo-niklowo-molibdenowo-tytanowa o symbolu 18CuNMT, w której zawartość miedzi wynosi 0,90-1,20%. W stali tej występuje pasmowatość w rozmieszczeniu miedzi (segregacja), co widać na Rys. 7 Rys.7Autoradiogram złącza spawanego ze stali kotłowej 18CuNMT. Znacznik Cu64 [5]
Aby wykonać autoradiogram miedź znakowano radioizotopem Cu64 przez aktywację wyciętej próbki. Następuje reakcja Cu63(n,γ)Cu64. Izotop Cu64 ma okres półrozpadu 12,88 godziny. Emituje promieniowanie β o średnich energiach 0,657 (19%) MeV i 0,571 (39%) MeV oraz promieniowanie γ. Obraz powstaje przez naświetlanie błony. Segregacja miedzi w materiale spawanym przewyższa znacznie segregację w spoinie. Nie obserwuje się dyfundowania miedzi z materiału do spoiny. Terminem segregacja określa się w metalurgii zjawisko, którego efektem jest niejednorodność składu chemicznego w poszczególnych składnikach strukturalnych. Powodowana przez segregację niejednorodność pγrowadzi do powstawania karbów strukturalnych, które są przyczyną spiętrzenia naprężeń i w efekcie obniżają własności wytrzymałościowe. Spoiny z wtrąceniami miedzi mają skłonność do pękania. Przeprowadzono rentgenowską mikroanalizę spektralną obszaru przejścia z materiału rodzimego do miedzi w spoinie (Rys 8) oraz oszaru przejścia z miedzi do zasadniczej części spoiny (Rys.9).
Rys.8. Przejście stal-miedź
Rys. 9. Przejście miedż-zasadnicza część spoiny
Badania przeprowadzono za pomocą Skaningowego Mikroskopu Elektronowego DSM 942 (Zeiss, Niemcy) z przystawką do mikroanalizy rtg metodą EDS QUANTAX 400 (Bruker, Niemcy). Rys. 10 pokazuje fotografię makro przekroju poprzecznego spoiny. Złącze przed wycięciem próbki poddane zostało badaniu radiograficznemu. Oceniający radiogram z wielu firm generalnie wskazywali na obecność pęcherzy, dwie firmy doszukały się wad o charakterze płaskim. Fotografia makro wskazuje na obecność pęknięć o charakterze likwacyjnym, pęcherzy gazowych i wtrącenia miedzi. Obecność miedzi w spoinie wywołuje powstawanie pęcherzy i pęknięć. Jako pustki są dobrze widoczne na radiogramie. Niewielkie wtrącenia miedzi, ze względu na małą różnicę gęstości między miedzią i żelazem, szczególnie przy większej grubości spoiny, nie są na radiogramie rozpoznawalne. Rys. 10 Fotografia makro spoiny z obecnością miedzi, pęcherzy i pęknięć [6] Porównanie własności fizycznych żelaza i miedzi pokazuje Tabela 1. Własności fizyczne Fe Cu l.at. A 26 29 Ciężar atomowy Ma 55,847 63,54 Gęstość w temp. 20 0 C g/cm 3 7,87 8,94 Temperatura topnienia ts 0 C 1535 1083 Temperatura wrzenia 0 C 3000 2600 Utajone ciepło topnienia w temp. t s cal/g 66,2 48,9 Tabela 1 Własności fizyczne żelaza i miedzi
Przy prawidłowo przeprowadzanym procesie spawania wystąpienie wtrącenia miedzi w spoinie jest mało prawdopodobne. Masowo przeprowadzane badania mikroskopowe egzaminacyjnych złączy spawanych na uprawnienia spawaczy nigdy nie wykazały obecności miedzi w spoinie. Jeśli nawet wtrącenie miedzi w spoinie wystąpi, to mała różnica gęstości, a więc i różnica w liniowym współczynniku pochłaniania promieniowania w stali i miedzi spowoduje, że obecność wtrącenia miedzi w spoinie nie zostanie jednoznacznie przy ocenie radiogramu stwierdzona. Podziękowania: kol. mgr Sławomirowi Jóźwiakowi z ndt-system za przeprowadzenie digitalizacji radiogramu; kol. dr.bożenie Sartowskiej dr. Lechowi Walisiowi z Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej za przeprowadzenie rentgenowskiej mikroanalizy rentgenowskiej złącza spawanego. Literatura: [1] PN-EN ISO 6520-1:2009 Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach. Część 1: Spawanie [2] PN-EN ISO 5817:2009 Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych [3] PN-EN ISO 10675-1:2013-12 Badania nieniszczące spoin. Kryteria akceptacji badań radiograficznych. Część 1: Stal, nikiel, tytan i ich stopy [4] PN-EN 1090-2:2009 Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część2: Wymagania techniczne dotyczące kostrukcji stalowych [5] Lech Waliś Segregacja miedzi w stopach żelaza z węglem praca doktorska [6] Art.-autor nie zidentyfikowany