23 czerwca 2018


W symulowaniu procesów spawania zwykle nie bierze się pod uwagę możliwości zmiany własności źródła prądu na skutek zmian dynamiki i kształtu trajektorii ruchu palnika. Spawacz może zmieniać takie własności źródła ciepła jak: zdolność do topienia drutu (obniżenie temperatury), zdolność do topienia podłoża (obniżanie temperatury jeziorka) oraz zdolność do nagrzewania jeziorka (położenie łuku w stosunku do jeziorka). A przez zmianę tych parametrów można w znaczący sposób wpływać na strukturę metalograficzną połączeń spawanych złączy ze stali i stopów aluminium.

Ryszard Jastrzębski, Adam Jastrzębski

Przy spawaniu rur austenitycznych i stali niklowych przewodnictwo cieplne metalu jest niskie, z tendencją do przegrzewania się (rozrost ziarna) i w przeciwieństwie do spawania stopów aluminium wymaga ścisłej kontroli temperatury jeziorka spawalniczego. Duża przewodność cieplna aluminium daje duży gradient temperatury i strukturę dendrytyczną, co wymaga spawania impulsowego. Aby nagrzać podłoże do temperatury zwilżalności należy wydłużyć jeziorko w kierunku poprzecznym (stal – ruchy zakosowe) lub wzdłużnym (aluminium – ruchy posuwisto-zwrotne). Ponadto, temperatura jeziorka zależy od szybkości spawania. Jeśli spawanie jest zbyt wolne, ilość drutu stopionego pod łukiem jest zbyt duża, co uniemożliwia dotarcie gazu do powierzchni metalu i powoduje przegrzewanie jeziorka spawalniczego.
Zbyt duża temperatura jeziorka powoduje z kolei nadmierne mieszanie się cieczy w jeziorku i wciąganie żużla do wnętrza jeziorka spawalniczego. W konsekwencji, zły skład chemiczny spoiny powoduje jej kruchość.
Wzrost szybkości spawania powoduje obniżenie temperatury jeziorka oraz łatwiejsze odrywanie się żużla i zapobiega mieszaniu się topionej powierzchni z topionym drutem.
Innym sposobem na obniżenie temperatury jeziorka jest dodawanie większej ilości drutu (TIG) oraz wzrost szybkości topienia drutu (spawanie drutem proszkowym w kształcie rurki).

Wykonywanie przetopu na złączach rur i zbiorników
Wytrzymałość złącza z częściowym przetopem (obliczenia na ścinanie) jest prawie dwa razy mniejsza niż złącze z pełnym przetopem (obliczenia na rozciąganie). Dlatego ważne jest, by ściegi przetopowe były poprawnie wykonane. Podczas wykonywania przetopu, ze względu na sztywność, prawie cały skurcz cieplny strefy nagrzanej do temperatury wyższej niż 600 °C powoduje odkształcenie plastyczne, lokalną utratę zapasu na odkształcenie oraz mikropęknięcia i zmniejszenie wytrzymałości zmęczeniowej, na skutek naprężeń wewnętrznych (cieplnych).

spawanie9procNI

Obecnie przetopy TIG w przemyśle energetycznym (na skutek dużego zapasu  na  odkształcenie gorącej spoiny) i przetopy wykonane drutem proszkowym rutylowym szybko krzepnącym na podkładce ceramicznej w przemyśle okrętowym (na skutek sześć razy większego przekroju poprzecznego) nie mają mikropęknięć i ich się nie wycina. W przypadku stali austenitycznych przetop może być wykonywany metodą TIG, MIG i MAG drutem proszkowym na podkładce ceramicznej lub elektrodą otuloną. W przypadku stali niklowych przetop wykonujemy elektrodą zasadową prądem zmiennym lub metodą TIG. W przypadku stopów aluminium przetop wykonuje się metodą TIG i MIG na podkładce ze stali austenitycznej.

1
Rys. 1    Budowa zbiorników na ciekłe gazy i na ropę; porównanie metod spawania [2]

Wykonywanie przetopu i warstwy wypełniającej metodą TIG
Metoda TIG nie wymaga żłobienia przetopu. Przetopienie materiału w przypadku rur austenitycznych o grubości 2 mm wymaga precyzyjnych ruchów końcem elektrody wzdłuż krawędzi przylegania, a czasami przeginania elektrody raz na jedną, raz na drugą ściankę. Temperatura jeziorka spawalniczego jest regulowana za pomocą strużki ciekłego metalu spływającego z drutu. Szeroki strumień zimnego metalu obniża temperaturę jeziorka, a wąski, powoduje jej wzrost. Możliwych jest kilka sposobów regulacji głębokości wtopienia i temperatury jeziorka przez precyzyjne przesuwanie elektrody wolframowej. Należy przy tym uważnie obserwować zapadanie się jeziorka pod ciśnieniem łuku. Przegrzane jeziorko musi zostać schłodzone płynnym metalem spływającym z drutu. Aby spoina była szczelna, ścieg powinien być o 1 cm dłuższy od obwodu spawanej rury. W przypadku rur w wysokociśnieniowych instalacjach tlenowych, mimo trudności, złącza rurowe o grubości 2 mm muszą być wykonywane dwoma ściegami. Drugi ścieg jest układany w rowku powstałym po zapadnięciu się ciekłego metalu w czasie wykonywania przetopu, bez materiału dodatkowego.
W przypadku grubych rur austenitycznych, drut musi stale dotykać powierzchni jeziorka spawalniczego w oczku, a łuk musi być wystarczająco krótki, aby można było przetopić drut i krawędzie, a ścieg nie był za szeroki. W tym celu spawacz musi koncentrować się na topieniu drutu, a nie krawędzi. W przypadku stali super dupleks w instalacjach jądrowych, spawacze muszą utrzymywać zimne jeziorko, co zmusza technologów do ustalenia szczeliny o szerokości 5 mm (drut dodaje się od środka rury przez szczelinę). Przetop wykonany przy zbyt gorącym jeziorku przy dużej szczelinie nie zostanie zaakceptowany w czasie badań radiograficznych. Przetop w spawaniu metodą TIG jest zbyt cienki, aby następna warstwa mogła być wykonana drutem proszkowym metodą MAG. Aby ułożyć warstwę wypełniającą metodą TIG należy nagrzać materiał do temperatury zwilżalności, utrzymując długi łuk i nagrzewając dłużej, dodając drut po bokach. Topiący się drut odprowadza ciepło, zatrzymuje topienie podłoża i zapobiega spływaniu jeziorka. Szybkość spawania musi być dobrana w ten sposób, aby metal się nie zapadł i nie powiększył przetopu. Rury austenityczne bardzo wolno oddają ciepło. W szczególnych przypadkach mogą być chłodzone sprężonym powietrzem.
W przypadku spawania stopów aluminium drut dodajemy przy cofaniu elektrody wolframowej. Gdy przetop wykonujemy metodą TIG na podkładce aluminiowej, to aby nie przepalić podkładki 2-milimetrowej, gazy łuku muszą się rozbijać na drucie, podczas przemieszczania elektrody wolframowej nad podkładką.

Wykonywanie przetopu na podkładce
Przy spawaniu na podkładce ze względu na brak możliwości przepychania ciekłego metalu na drugą stronę ciśnieniem gazów łuku krawędzie blach rowka muszą być fazowane na ostro i nie mogą mieć progu. Przy spawaniu drutem proszkowym na podkładce szczelina musi być większa od 5 mm, a przy spawaniu na podkładce elektrodą otuloną, w celu przetopienia krawędzi szczelina musi być większa od 9 mm po to, by można było wykonać trzy ściegi obok siebie. Najpierw przetapia się jedną krawędź, następnie wykonuje się ścieg przetapiający drugą krawędź tak, by ściegi mogły się swobodnie kurczyć, a potem wykonuje się trzeci ścieg, łączący dwa wcześniej wykonane, który już nie może się swobodnie kurczyć na skutek dużej sztywności złącza. Gdy szczelina jest za mała pierwsze warstwy pękają wskutek blokady skurczu poprzecznego. Zbyt grube blachy wykonujemy metodą kaskadową, po 50 mm.

Wykonywanie przetopu elektrodą zasadową
Elektrodą zasadową najczęściej spawa się zbiorniki kuliste. Rdzeń elektrody zasadowej topi się szybciej niż otulina. W rezultacie, możliwe jest wprowadzenie elektrody do jeziorka, podczas gdy łuk przez sekundę pozostaje zapalony pod otuliną. W ten sposób zmniejszamy temperaturę cieczy i mieszanie się materiału dodatkowego ze stopów niklu, i materiału podstawowego ze stali kriogenicznej 9%Ni, oraz temperaturę jeziorka. Pozwala to na spawanie bez pęknięć stali kriogenicznych używanych w instalacjach przeznaczonych do przechowywania ciekłego skroplonego gazu ziemnego LNG. W czasie wykonywania przetopu przy szerokiej szczelinie elektroda przesuwana jest do punktu przecięcia się granicy oczka i przedłużenia jednej z krawędzi szczeliny. Elektroda wprowadzana jest do jeziorka, gdzie kropla oddziela się i zalewa oczko. Następnie, elektroda wprowadzana jest głębiej o 1,5 mm, „stemplując” krzepnący ciekły metal w warstwie przetopowej. Elektroda przesuwana jest symetrycznie na drugą stronę szczeliny i operacja się powtarza. Metal jest zimniejszy niż zwykle ze względu na intensywne topienie rdzenia elektrody zasadowej.
Elektroda jest przesuwana na drugą krawędź i wprowadzana do jeziorka na głębokość połowy swojej średnicy. Jeziorko pulsuje z każdym wprowadzeniem elektrody. W przypadku wąskiej szczeliny metal jest przesuwany na granicę oczka, obok osi rowka. Kropla z końca elektrody jest zasysana siłą napięcia powierzchniowego, co powoduje zalewanie oczka. Otulina elektrody opiera się o krzepnący metal i po zagłębieniu przepycha metal o 1,5 mm w głąb. Następnie elektroda jest przesuwana o połowę swojej średnicy i znów zagłębiana w metal poprzedniej kropli. Za każdym razem jeziorko pulsuje wskutek zalewania go płynnym metalem pochodzącym z topionej elektrody.

Czytaj także:

Technologia spawalnia stopów aluminium metodą MIG Technologia spawalnia stopów aluminium metodą MIG
Większość stopów aluminium to materiały spawalne, mimo trudności związanych z błyskawicznym...
Spawanie TIG stali nierdzewnych Spawanie TIG stali nierdzewnych
Przemysłowe spawanie TIG wymaga aby rysy szlifierskie na elektrodzie wolframowej były wzdłużne (nie...
Projektowanie spoin we współczesnych technikach spawania Projektowanie spoin we współczesnych technikach spawania
Dotychczasowe podejście do projektowania połączeń spawanych sprowadza się do policzenia naprężeń i...
Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania stali Dobór materiałów dodatkowych do metod ręcznego spawania stali
Na dzisiejszym rynku prawie wszyscy światowi producenci materiałów spawalniczych sprzedają te same materia...