Wykorzystanie w robotyzacji technik ręcznego spawania – ruchami zakosowymi, do przodu i do tyłu, a także połączenia tych ruchów z prostymi ściegami (elipsy i łuki) – jest utrudnione ze względu na brak wiedzy na temat wpływu techniki spawania na strukturę metalograficzną spoiny. W systemach zrobotyzowanych na strukturę wpływa się raczej przez zastosowanie impulsowania prądu i stosowanie prądu zmiennego niesymetrycznego, umożliwiającego zmianę szybkości stapiania elektrody. W spawaniu ręcznym na temperaturę jeziorka wpływa się intuicyjnie, poprzez wybieranie miejsca dodawania zimnej kropli metalu, szybkość i kształt zakosów.

Ryszard Jastrzębski, Elżbieta Pawlik, Michał Witek, Adam Jastrzębski, Piotr Śliwiński, Waldemar Felsaj

Wpływ techniki spawania MAG na procesy cieplne
Na rysunku 1 pokazano wpływ techniki spawania na temperaturę jeziorka i szybkość chłodzenia spoiny. Wykonując końcem drutu ruchy poprzeczne (Rys. 1b), do przodu i do tyłu (Rys. 1a) oraz łącząc te ruchy (Rys. 1c, e), można zmieniać nagrzanie podłoża, szybkość chłodzenia i temperaturę jeziorka (rozrost ziaren). Wykonując ruchy boczne, zmniejszamy szybkość chłodzenia, przytrzymując drut przy brzegu jeziorka, zatrzymujemy topienie i nagrzewamy podłoże do temperatury zwilżalności, zwiększając szybkość ruchów bocznych zmniejszamy temperaturę jeziorka. Ruchy do przodu i do tyłu (posuwisto-zwrotne) pozwalają zmniejszyć szybkość chłodzenia spoiny, nagrzewają pod­łoże do temperatury zwilżalności i regulują temperaturę jeziorka (szybkością ruchów). Ruchy proste, w zależności od szybkości spawania (położenie łuku w stosunku do jeziorka), chłodzą lub grzeją jeziorko i nie grzeją materiału (Rys. 1d). Zarówno ruchy poprzeczne, jak i ruchy posuwisto-zwrotne zwiększają jeziorko, co powoduje lepsze nagrzewanie podłoża do temperatury zwilżalności i unikanie podtopień.

Rys. 1  Wpływ techniki spawania na temperaturę jeziorka i szybkość chłodzenia [3]

Połączenie tych ruchów z odpowiednim miejscem przytrzymania drutu (w celu dodawaniu zimnej kropli) może chłodzić jeziorko, nagrzewać podłoże do temperatury zwilżalności (Rys. 1e) i regulować szybkość chłodzenia.
W przypadku ruchów prostych materiał będzie się rozpływał po zastosowaniu impulsowego źródła prądu.
Wysoka temperatura jeziorka powoduje, że spada odporność korozyjna (spoina jest czarna od utworzonej warstwy tlenkowej) i wzrasta skłonność do pękania na gorąco. W przypadku ruchów posuwisto-zwrotnych, ruch do przodu powoduje topnienie podłoża i zabieranie z jeziorka ciepła topnienia, a ruch do tyłu powoduje nagrzewanie podłoża i obniżanie temperatury jeziorka zimną kroplą spływającą z drutu.
Jeżeli połączymy te ruchy końca elektrody, uzyskamy kształt elipsy. Aby nie nagrzewać jeziorka, a nagrzać podłoże do temperatury zwilżalności, przytrzymanie drutu musi wówczas odbywać się przy ściankach głęboko w rowku, w trakcie ruchu do przodu. Przy wykonywaniu szybkich ruchów bocznych, lub do przodu i do tyłu, uzyskuje się głębokie wtopienie i chłodzenie jeziorka ciepłem topienia (ciepło łuku topi podłoże). W przypadku wykonywania wolnych ruchów wtopienie maleje, a temperatura jeziorka rośnie (ciepło łuku ogrzewa jeziorko). Dlatego też przy zwiększeniu prądu spawania (aby stopiwo nie spływało), należy wykonywać szybsze ruchy. Korzystając z tych zależności, możemy regulować procesy cieplne spawania.
W trakcie tradycyjnego kursu spawania spawacze wykonują wypełnienie w pozycji pionowej prądem 120 A, spawacze zawodowi wykonują te złącza prądem 130-160 A, a profesjonalni spawacze w stoczniach spawają w pozycji sufitowej prądem 180 A. Z tego wynika, że spawacze stoczniowi muszą spawać bardzo szybkimi ruchami i bardzo szybko reagować, w zależności od obrazu jeziorka.

W celu skutecznego spawania stali austenitycznej żaroodpornej tradycyjnym źródłem prądu wystarczy zastosować technikę stosowaną przy półautomatycznym spawaniu aluminium źródłem impulsowym, czyli technikę spawania z ruchami do przodu i do tyłu.
Jak pokazuje rysunek 1d, poprzez zmianę szybkości ruchu do przodu możemy zmienić głębokość wtopienia, a tym samym zmieniać proporcje pomiędzy ilością ciepła zużytego na topienie, a ilością ciepła zużytego na nagrzewanie jeziorka. Duża powierzchnia podłużnego jeziorka umożliwia nagrzanie stali austenitycznej (o niskiej przewodności cieplnej) do temperatury zwilżalności, co pozwala uniknąć wystąpienia podtopień.
Aby spawacz mógł skutecznie regulować procesy cieplne przy spawaniu, musi zmienić nie tylko trajektorię końca elektrody, ale również szybkość ruchów i czas przytrzymania elektrody (dodanie zimnej kropli).
Proporcje pomiędzy ilością ciepła zużytego na grzanie, a ilością ciepła zużytego na topienie można regulować również poprzez zmianę parametrów spawania. Wynika z tego, że techniką spawania można naprawić sytuację, w której źle dobrane zostały parametry spawania lub zastosowano nieodpowiednie urządzenie spawalnicze. Na procesy cieplne spawania wpływa również sposób przenoszenia metalu. Przy spawaniu łukiem natryskowym w tradycyjnej spawarce, spawanie jest możliwe tylko w pozycji podolnej. Sposoby przenoszenia metalu w zależności od parametrów spawania i rodzaju materiału spawanego podano w osobnym artykule [7].
W przypadku spawania impulsowego we wszystkich pozycjach występuje natryskowe przenoszenie kropli.
Jak pokazuje rysunek 1f, aby granicę jeziorka „przesuwać” po grzebiecie poprzedniego ściegu, szerokość ściegów bocznych w pozycji naściennej musi wynosić 1/3 szerokości jeziorka, a w pozycji pionowej 1/2 szerokości jeziorka. Wynika z tego, iż przy spawaniu blachy o grubości 15 mm w pozycjach PF i PC, ilość ściegów tworzących lico musi się różnić. W pozycji PF lico musi wynosić trzy ściegi, natomiast w pozycji PC – cztery ściegi.

Wpływ technologii i urządzeń do spawania GMAW na strukturę metalograficzną spoiny
Stopy niklu spawa się z wykorzystaniem urządzeń elektrycznych z funkcjami elektronicznymi zapewniającymi zimne jeziorko. Stale kriogeniczne 9% Ni spawa się łukiem zanurzonym (przez wciskanie elektrody do jeziorka), elektrodą otuloną zasadową, prądem zmiennym. W przypadku stali austenitycznych, dodatek chromu zmniejsza skłonność do pękania na gorąco na tyle, że można je spawać za pomocą MAG (w mieszance argonowej 2% O2­ lub 2% CO2 lub 2% H2). Stale chromowe martenzytyczne i ferrytyczne spawa się zazwyczaj w mieszance argonu z 2% zawartością tlenu. Ze względu na hartowanie i pękanie wodorowe nie wolno ich spawać mieszanką z wodorem. W Hiszpanii opracowano mieszankę z 2% zawartością CO2 i 1% zawartością H2, która umożliwia głębokie wtopienie i nie powoduje pęknięć wodorowych przy spawaniu stali austenityczno-ferrytycznych (duplex). Przy spawaniu stali austenitycznych zastosowanie mieszanki z 2% wodoru daje korzystniejsze wtopienie niż przy wykorzystaniu innych mieszanek.

Rys. 2  Rodzaje impulsowania prądu i przejście z impulsu do prądu zmiennego niesymetrycznego [6]

W celu zapobiegania przegrzaniu materiału stale austenityczne żaroodporne spawa się prądem impulsowym łukiem natryskowym (Rys. 2c) – w czasie prądu impulsu topimy drut i materiał spawany, a w czasie prądu bazy łuk elektryczny nie topi drutu lecz nagrzewa materiał do temperatury zwilżalności. Jak widać na rysunku 2b, w czasie impulsu ciekły metal jest odsuwany ciśnieniem łuku na boki (gazy łuku penetrują coraz większą głębokość), a w czasie prądu bazy ciekły metal napływa do krateru. Ponieważ w tak krótkim czasie drut niewiele przybliży się do jeziorka, łuk wydłuża się i skraca, zmieniając napięcie, które równocześnie stanowi miernik głębokości wtopienia [6].
Według producentów spawarek, impulsowe spawanie nie nadaje się do spawania stali drobnoziarnistych ze względu na zbyt dużą chwilową temperaturę jeziorka. Stale nierdzewne nie mają takiej struktury, jak stale drobnoziarniste i ta temperatura jeziorka jest wystarczająca. Nie spawa się ich także tak dużymi prądami i szybkościami spawania, jak stale drobnoziarniste.
W celu uniknięcia problemu z transkrystaliczną strukturą metalu stosuje się podwójny impuls, który kontroluje warunki krystalizacji (Rys. 2c). Innym sposobem spawania MAG stali austenitycznych jest stosowanie urządzeń z funkcjami elektronicznymi do spawania zimnym jeziorkiem przez formowanie napięcia i formowanie prądu zamiast sztywnej i opadającej charakterystyki statycznej: ForceArc (głębokie wtopienie), coldArc, CMT (zimne jeziorko) i STT.
Jak opisano w artykule dotyczącym spawalności stopów miedzi [2], przyczyną wzrostu temperatury jeziorka jest narastanie prądu zwarcia i ogromna chwilowa moc w momencie zajarzenia się łuku.
Innym sposobem obniżenia temperatury jeziorka jest spawanie MIG prądem zmiennym niesymetrycznym (Rys. 2a). Dzięki ustawieniu funkcji offset (stosunek udziału wielkości prądu o biegunowości dodatniej do prądu o biegunowości ujemnej) i balansu (stosunek czasu trwania prądu o biegunowości dodatniej do czasu trwania prądu o biegunowości ujemnej), można przy ustalonym natężeniu prądu i napięciu łuku elektrycznego zwiększyć szybkość stapiania drutu i tym samym obniżać temperaturę jeziorka. Jeżeli oś poziomą X przesuniemy do góry, to z prądu stałego impulsowego uzyskamy prąd zmienny niesymetryczny (Rys. 2a, b). Takie urządzenia są stosowane w automatach spawalniczych firm Lincoln i ESAB oraz japońskich zrobotyzowanych systemach MAG.
Rysunek 3 pokazuje wpływ funkcji offset i balansu na przekrój ściegu przy spawaniu MAG prądem zmiennym.
Przy zwiększaniu powierzchni prądu dodatniego (na rysunku po lewej stronie) wzrasta głębokość wtopienia i maleje nadlew, natomiast przy zwiększaniu powierzchni prądu ujemnego (zmiana balansu i funkcji offset na rysunku po prawej) maleje głębokość wtopienia, a wzrasta nadlew. W momencie zmniejszenia częstotliwości prądu zwiększa się wtopienie, a przy zwiększaniu częstotliwości prądu łuku wtopienie maleje.