RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 175594 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 306949 (22) Data zgłoszenia: 25.01.1995 (51) IntCl6: B23K 33/00 B23K 9/02 (54) Sposób spajania części metalowych za pomocą spawania lukowego (30) Pierwszeństwo: 29.01.1994,EP,94101332.8 (73) Uprawniony z patentu: Asea Brown Boveri AG, Baden, CH (43) Zgłoszenie ogłoszono: 07.08.1995 BUP 16/95 (72) Twórca wynalazku: Gottfried Kuhnen, Oberrohrdorf, CH (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 29.01.1999 WUP 01/99 (74) Pełnomocnik: Tylińska Irena, POLSERVICE PL 175594 B1 (57) 1. Sposób spajania części metalowych za pomocą spawania łukowego dającego spoinę o małej objętości, w którym utworzone przez szczelinę brzegi spajanych części łączy się ściegami przylegającymi naprzemiennie do jednego i do drugiego brzegu i wykonywanymi łukiem krytym, znamienny tym, że w spajanych ze sobą częściach metalowych (1, 2) tworzy się łączącą się ze szczeliną (4) skrajną szczelinę (9) oraz próg centrujący (10) ustalający początkowo wzajemne położenie tych części, u spodu spoiny kształtuje się takie zgrubienie odciążeniowe (11), które określa zadane miejsce przetopienia (12) przy spawaniu, i że przed spawaniem łukiem krytym brzegi (13, 14) ukształtowane przez skrajną szczelinę (9) spaja się wielowarstwowymi ściegami (15) rozciągającymi się na całej szerokości (b) skrajnej szczeliny (9) i wykonywanymi w pełni automatycznie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych albo elektrodą topliwą w osłonie gazu ochronnego.
Sposób spajania części metalowych za pomocą spawania lukowego Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób spajania części metalowych za pomocą spawania łukowego dającego spoinę o małej objętości, w którym utworzone przez szczelinę brzegi spajanych części łączy się ściegami przylegającymi naprzemiennie do jednego i do drugiego brzegu i wykonywanymi łukiem krytym, znamienny tym, że w spajanych ze sobą częściach metalowych (1, 2) tworzy się łączącą się ze szczeliną (4) skrajną szczelinę (9) oraz próg centrujący (10) ustalający początkowo wzajemne położenie tych części, u spodu spoiny kształtuje się takie zgrubienie odciążeniowe (11), które określa zadane miejsce przetopienia (12) przy spawaniu, i że przed spawaniem łukiem krytym brzegi (13, 14) ukształtowane przez skrajną szczelinę (9) spaja się wielowarstwowymi ściegami (15) rozciągającymi się na całej szerokości (b) skrajnej szczeliny (9) i wykonywanymi w pełni automatycznie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych albo elektrodą topliwą w osłonie gazu ochronnego. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zgrubienie odciążeniowe (11) o szerokości (c), która stanowi około trzykrotność jego wysokości (d). 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się skrajną szczelinę (9), której wysokość (e) stanowi sześcio- do dziesięciokrotność jej szerokości (b), ale co najmniej 40 mm. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy spawaniu elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych lub elektrodą topliwą w osłonie gazu ochronnego stosuje się drut spawalniczy, którego średnica stanowi piątą część do czwartej części szerokości (b) skrajnej szczeliny (9), ale wynosi co najmniej 0,8 mm i co najwyżej 1,6 mm. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przy spawaniu elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych lub elektrodą topliwą w osłonie gazu ochronnego spawa się prądem o natężeniu od 200 do 300 A i z posuwem od 50 do 200 mm na minutę, w zależności od temperatury podgrzania. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wykonuje się obróbkę z temperaturą podgrzania powyżej 200 C, w zależności od udziału pierwiastków stopowych. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gaz ochronny stosuje się argon albo argon z maksimum 8% wodoru albo mieszankę argon-hel z 30 do 70% argonu, reszta hel. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosuje się mieszankę argon-hel zawierającą 50% argonu i 50% helu. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób spajania części metalowych za pomocą spawania łukowego ze spoiną o małej objętości (spawanie wąskoszczelinowe). Znany jest z niemieckiego opisu patentowego nr DE 26 33 829 sposób spajania części metalowych za pomocą spawania łukowego ze spoiną o małej objętości. Spajane i tworzące wąską szczelinę części spawa się najpierw na ich styku metodą elektronową, plazmową, laserową lub w osłonie argonu elektrodą nietopliwą, w wyniku czego powstaje spoina bazowa ze spoiwem lub bez spoiwa. Następnie brzegi spajanych części spawa się łukiem krytym, przy czym ścieg dochodzi naprzemiennie do jednego i do drugiego brzegu szczeliny oraz nakłada się na ściegi niżej położone w środkowej trzeciej części szczeliny i następuje stopienie tylko jednego brzegu, a szerokość szczeliny jest równa czterokrotnej średnicy używanego drutu spawalniczego, gęstość prądu w tym drucie podczas spawania łukiem
175 594 3 krytym wynosi 50 A/mm2, a prędkość spawania projektuje się tak, że energia odcinkowa przy średnicy drutu 2,5 mm wynosi 8,5 kj/cm, przy średnicy drutu 3 mm -12,5 kj/cm i przy średnicy drutu 4,0 mm - 22 kj/cm. Sposób ten jest szczególnie przydatny do łączenia osiowo-symetrycznych korpusów maszyn wielkogabarytowych. Sposób według niemieckiego opisu patentowego DE 26 33 829 nadaje się również dobrze do łączenia grubościennych elementów konstrukcyjnych, które są dostępne tylko z jednej strony i nie mogą być spawane od strony grani. Preferowanym zastosowaniem sposobu jest łączenie odkuwek w postaci tarcz i cylindrów wydrążonych, które wykorzystuje się do budowy wirników turbin parowych i gazowych, do sprężarek oraz do turbogeneratorów. Zaleta tego sposobu polega na tym, że w miejscu połączenia spajanych części powstaje drobnoziarnista struktura pozbawiona wtrąceń. Zarówno w stopiwie jak i w strefie wpływu ciepła nie istnieje już struktura pierwotna, dzięki czemu zbędne jest późniejsze wyżarzanie normalizujące lub ulepszanie. Natomiast wadą tej metody jest to, że daje się ona zastosować tylko do pracy półautomatycznej. Poza tym spoina bazowa musi być wykonywana pionowo w strefie grani i powinna mieć określoną głębokość, żeby na przykład spawany wirnik nie wygiął się, gdy spawa się go później poziomo łukiem krytym. Wynalazek próbuje wyeliminować te wady. U jego podstaw leży zadanie zwiększenia w porównaniu do stanu techniki efektywności wykonywania spoin o małej objętości i najwyższej jakości, którymi można łączyć nawet skomplikowane przedmioty o dużej objętości, a w szczególności przedmioty dostępne do spawania tylko z jednej strony, przy czym proces spawania jest całkowicie zautomatyzowany. Zgodnie z wynalazkiem uzyskuje się to dzięki temu, że w spajanych ze sobą częściach metalowych tworzy się obok szczeliny jeszcze skrajną szczelinę i próg centrujący, który ustala początkowo wzajemne usytuowanie tych części, u spodu spoiny kształtuje się takie zgrubienie odciążeniowe, które określa zadane miejsce przetopienia przy spawaniu, i że przed spawaniem łukiem krytym brzegi skrajnej szczeliny spaja się wielowarstwowymi ściegami rozciągającymi się na całej szerokości skrajnej szczeliny i wykonywanymi elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych (metoda TIG) albo elektrodą topliwą w osłonie gazu ochronnego (metoda MIG). Następnie brzegi szczeliny spaja się ze sobą znaną metodą spawania łukiem krytym. Zalety tego wynalazku trzeba wiedzieć między innymi w tym, że skrajną szczelinę można spawać automatycznie, co zwiększa efektywność tej metody. Uzyskuje się spoiny o najwyższej jakości, a więc nie jest potrzebna dodatkowa obróbka cieplna spajanych przedmiotów. W szczególności można łączyć ze sobą elementy, które są dostępne do spawania tylko z jednej strony. Korzystnie jest, gdy zgrubienie odciążeniowe ma szerokość około trzykrotnie większą od jego wysokości. Dzięki temu przy spawaniu powstają podtopienia po obu stronach ściegu, a więc tylko poza przekrojem nośnym. Poza tym korzystnie jest, gdy stosuje się skrajną szczelinę, której wysokość jest sześciodo dziesięciokrotnością jej szerokości, ale wynosi co najmniej 40 mm. Ponieważ w miarę narastania wysokości spoiny zwiększa się doprowadzanie ciepła, to tylko przy takich wymiarach jest możliwość wykonania ostatniego ściegu tylko jedną warstwą, co pozwala na pełną automatyzację procesu spawania. Wreszcie do spawania metodą TIG lub też MIG stosuje się korzystnie drut spawalniczy, którego średnica stanowi piątą część do czwartej części szerokości skrajnej szczeliny, ale co najmniej 0,8 mm i co najwyżej 1,6 mm. Dzięki temu drut jest pewnie prowadzony i spawanie jest wykonane prawidłowo. Poza tym spawanie metodą TIG lub MIG wykonuje się korzystnie prądem o natężeniu od 200 do 300 A i z posuwem od 50 do 200 mm na minutę, w zależności od temperatury podgrzania, która wynosi korzystnie powyżej 200 C.
4 175 594 Wreszcie korzystnym jest, gdy jako gaz ochronny wykorzystuje się argon lub argon z maks. 8% wodoru albo mieszankę argon-hel z 30 do 70%, korzystnie 50%, argonu, reszta hel. Dzięki temu można wytworzyć spoiny o doskonałej jakości. Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia spajane części w strefie spoiny w ujęciu schematycznym. Na rysunku przedstawiono schematycznie przekrój spajanych części w strefie spoiny. Łączone ze sobą części metalowe oznaczono przez 1 i 2, ich naprzeciwległe równoległe brzegi w szczelinie 4 oznaczono przez 5 i 6 a w skrajnej szczelinie 9 przez 13 i 14. Po stronie niedostępnej dla spawania (na przykład strona wewnętrzna brył wydrążonych) spajane części metalowe 1, 2 stykają się ze sobą na wrębie centrującym 10, który pozwala ustalić ich wzajemne usytuowanie. U spodu spoiny ukształtowano zgrubienie odciążeniowe 11 wyznaczające zadane miejsce przetopienia 12, tak że przy spawaniu następuje wymuszone stopienie progu 10. Podtopienia występują wtedy tylko po obu stronach ściegu, natomiast przekrój nośny nie ma takich podtopień, co wpływa korzystnie na wytrzymałość materiału. Wrąb centrujący 10 w tym przykładzie realizacji ma wysokość h 5 mm, zgrubienie odciążeniowe 11 ma szerokość c ogółem 40 mm i wysokość d 15 mm. Kąt α między linią poziomą i krawędzią zgrubienia wynosi 15. Dzięki takim wymiarom geometrycznym uzyskuje się stopienie progu centrującego 10 w ściśle określonym zakresie parametrów spawania. Równoległe brzegi 13, 14 spajanych części w skrajnej szczelinie 9 o szerokości b wynoszącej w tym przykładzie 5 mm i o wysokości e około 40 mm spawa się całkowicie automatycznie metodą TIG (spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych). Ściegi 15 sięgają przy tym od jednego brzegu 13 do naprzeciwległego brzegu 14, a więc następuje każdorazowo stopienie obu brzegów przedmiotu spawanego. Po doprowadzeniu łuku elektrycznego w wymaganą pozycję nie jest już potrzebna żadna zmiana, tak że spawanie może przebiegać automatycznie. W metodzie TIG wykorzystuje się drut spawalniczy o średnicy 1,2 mm. Obróbkę wykonuje się przy natężeniu prądu w zakresie od 200 do 300 A i z posuwem od 50 do 200 mm na minutę, zależnie od temperatury podgrzania. Jako gaz obojętny stosuje się argon. Oczywiście w innych przykładach realizacji wykorzystuje się również mieszankę argonu z maksimum 8% wodoru albo mieszankę argonu i 30 do 70% helu, przy czym optymalne wyniki uzyskuje się wykorzystując argon i hel z identycznym udziałem procentowym. Spawanie metodą TIG daje spoiny o doskonałej jakości. Jeżeli natomiast w innym przykładzie realizacji wykorzystuje się do spawania skrajnej szczeliny 9 metodę MIG, to ze względu na rozpryskiwanie się cząstek metalu w strefie łuk/gaz ochronny/-jeziorko spawalnicze trzeba liczyć się z pewnym zanieczyszczeniem rurki doprowadzającej drut spawalniczy, dyszy gazu ochronnego i brzegów rowków spawalniczych a także z osadzaniem się żużla na powierzchni ściegów. Mogą więc występować braki wtopu, co pogarsza jakość spoiny w skrajnej szczelinie 9 w porównaniu z metodą TIG. Po stworzeniu takiej "spoiny bazowej" utworzoną przez brzegi 5 i 6 szczelinę 4 o szerokości a< 16 mm zamyka się w znany ze stanu techniki sposób, spawając łukiem krytym tak, że nakłada się naprzemiennie ściegi 7 na brzeg 6 i ściegi 8 na brzeg 5 spajanych przedmiotów. Ściegi te nakładają się na siebie w środkowej trzeciej części szczeliny 4. Dzięki odpowiedniemu położeniu osiowemu drutu spawalniczego zapewnia się podczas spawania stapianie jednocześnie tylko jednego z brzegów 5 lub 6. Pozwala to uzyskać korzystną strukturę, utrzymywany jest stały skład stopiwa w całym przekroju spoiny a naprężenia przy ochładzaniu mieszczą się w dopuszczalnych granicach. W rzeczywistych warunkach spawania okazuje się, że szerokość spoiny w skrajnej szczelinie 9 zwiększa się w miarę wzrostu ilości ściegów 15 wykonywanych metodą TIG lub MIG. Jest to spowodowane małą wydajnością stapiania elektrody w metodzie TIG lub MIG i coraz większym doprowadzaniem ciepła. Oznacza to, że skrajna szczelina 9 może mieć tylko określoną maksymalną wysokość e, gdyż w przeciwnym razie nie można już pokryć skrajnej szczeliny 9 tylko jedną warstwą spawalniczą, a więc nie byłoby możliwe automatyczne spawanie.
175 594 5 Sposób według wynalazku można zastosować zarówno do korpusów osiowo-symetrycznych jak też do innych grubościennych części metalowych, w szczególności do takich, które są dostępne tylko z jednej strony i nie mogą być spawane od strony grani, na przykład płyty, rury, tarcze i cylindry drążone z nisko- lub wysokostopowych materiałów metalicznych. Preferowanym zastosowaniem jest produkcja wirników do maszyn przetwarzających energię, które są zbudowane z wydrążonych korpusów wirujących albo korpusów mających wytoczenia po stronie czołowej, na przykład z tarczowych lub cylindrycznych odkuwek o jednakowej wytrzymałości lub jednakowej grubości. Odkuwki te spaja się najpierw pionowo w "strefie grani", tzn. w strefie skrajnej szczeliny 9, opisaną wyżej metodą TIG lub MIG. Potem spawa się ostatecznie wirnik poziomo łukiem krytym w strefie szczeliny 4. Żeby nie było przy tym wygięć wirnika, pierwsza spoina musi mieć określoną głębokość, a więc skrajna szczelina 9 musi mieć określoną wysokość e. Wysokość e skrajnej szczeliny 9 powinna stanowić według wynalazku 6- do 10-krotność jej szerokości b i wynosi co najmniej 40 mm. Metoda spawania TIG w skrajnej szczelinie 9 jest szczególnie przydatna do spajania części ze stopów niklowych, gdyż w metodzie tej powstają bardzo małe strefy wpływu ciepła i materiały te są narażone na wady przede wszystkim w tej strefie. Dzięki temu można uzyskać doskonałą jakość spoiny.
175 594 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł