Z publikacji o wpływie impulsu spawarki MIG na strukturę metalograficzną [1] wynika, że w przypadku pojedynczego impulsu następuje rozdrobnienie ziarna stopu aluminium w nadlewie. W przypadku spawania aluminium nie należy dodawać kropli po bokach (spowodowałoby to przyklejenie), ale należy dodać ją w środku jeziorka spawalniczego, ze względu na bardzo dużą przewodność cieplną. Należy również wykonywać ruchy do przodu i do tyłu z przytrzymaniem z tyłu, w celu spłynięcia kropli. Taka technika spawania pozwala spawać stal austenityczną żaroodporną bez stosowania spawania impulsowego, gdyż umożliwia ona również obniżenie temperatury jeziorka.

Biurokratyczna kontrola struktury metalograficznej spoiny
Stale czarne energetyczne i konstrukcyjne oraz stale białe martenzytyczne i ferrytyczne pękają wodorowo na zimno poprzez ziarna. Stale czarne niklowe kriogeniczne oraz stale białe austenityczne pękają na gorąco w wyniku przegrzania (rozrostu ziarna) po granicach ziaren na skutek skurczu i niskotopliwych frakcji (energia pękania rośnie z rozbudową granic ziaren). Stale czarne drobnoziarniste (wysokowytrzymałe do 1300 MPa) i stale białe: dupleks i superdupleks pękają na zimno i na gorąco.

Rys. 3 Wpływ funkcji offset, balansu i wolnego wylotu elektrody na kształt ściegu [3]

Na polskich uczelniach technicznych, w oparciu o teorię punktowego i liniowego źródła ciepła oraz doświadczenie w spawaniu automatycznymm, uczy się studentów, że spawanie „zakosowe” daje większą energię liniową i mniejszą udarność stali konstrukcyjnych niż spawanie wielościegowe. Tymczasem w praktyce znane są przypadki, że przy odpowiednim wyszkoleniu spawaczy w szybkiej intuicyjnej analizie jeziorka, spoiny zakosowe bardzo grubych blach ze stali S355J2 mogą mieć większą udarność niż spoiny wielościegowe. Z kolei niektórzy twierdzą, że na wielkość ziarna wpływa energia na centymetr spoiny i temperatura międzyściegowa. Praktyka jednak wykazuje, że na pękanie na gorąco znacznie efektywniej wpływa długość łuku elektrycznego, szybkość stapiania drutu i sterowana elektronicznie lub poprzez szybkość zakosów głębokość wtopienia. Problem tkwi w ręcznym sterowaniu temperaturą jeziorka i szybkością chłodzenia strefy wpływu ciepła.
W równaniach różniczkowych wymiany ciepła w czasie spawania istnieje człon związany z przewodnictwem cieplnym oraz człon związany z odbieraniem ciepła topienia. Równań różniczkowych opisujących procesy cieplne nie da się rozwiązać analitycznie bez pominięcia jednego z członów. Jeżeli pominiemy ciepło topnienia wówczas równanie bardzo dobrze określa szybkości hartowania się spoiny wykonanej ze stali nierdzewnej ferrytycznej i martezytycznej.  W tym przypadku parametrem opisującym to spawanie będzie:

Jeżeli pominiemy człon związany z przewodnością cieplną, to równanie bardzo dobrze opisywać będzie stale austenityczne skłonne do przegrzewania materiału poddanego spawaniu. W tym przypadku parametrem opisującym ten proces jest ilość energii na kilogram spoiny:

Istnieje zależność pomiędzy energią ciepła/kg spoiny Em, a energią liniową El:

gdzie: S – przekrój ściegu, El – energia linowa, Em – energia/kg spoiny.

Często zdarza się, iż w przedrukach zagranicznych publikacji mylone są pojęcia energii/kg Em spoiny z energią liniową El. Ten błąd występuje np. w reklamach firm, które deklarują rejestrację energii liniowej, zamiast deklarować energię/kg spoiny, gdyż układ elektroniczny spawarki określa szybkość stapiania drutu. Jeżeli w wyniku złego tłumaczenia musimy ograniczyć energię liniową, trzeba będzie zmniej­szyć prąd, co obniży stabilność łuku i spowoduje zwiększenie ilości wad. Jeżeli mamy spawarki prądu zmiennego, to aby zmniejszyć Em przy tym samym prądzie spawania, możemy zwiększyć posuw drutu, a tym samym zwiększyć przekrój ściegu, obniżając przy tym temperaturę jeziorka. Dawniej z powodu braku odpowiednich spawarek na rynku, stosowano spawarki z dwoma drutami (z dodatkowym zimnym drutem wprowadzanym do jeziorka, tak jak przy spawaniu TIG) [7].
Norma ISO 15614 nie zezwala na handel technologiami lecz nakłania każdą firmę do badania technologii i techniki spawania w zakresie wprowadzonego do spoiny ciepła. Europejczycy przez ciepło wprowadzone do spoiny rozumieją energię liniową, a Amerykanie – energię na kilogram spoiny. Szybkość zakosów i ruchów posuwisto-zwrotnych nie wpływa na energię liniową lecz wpływa na głębokość wtopienia i znacznie bardziej zmienia temperaturę jeziorka i strukturę, niż by to wynikało ze zmiany energii wprowadzonej na kilogram spoiny. Zastosowanie drutu proszkowego zamiast drutu litego (rurka się szybciej topi niż pręt) nie zmniejsza energii liniowej lecz zmniejsza temperaturę jeziorka i rozdrabnia ziarno.

Wnioski
a/ Ruchy zakosowe poprzeczne końca drutu spawalniczego zmniejszają szybkość chłodzenia (niwelują hartowanie i naprężenia w trakcie spawania) i zwiększają zwilżalność jeziorka spawalniczego.
b/ Ruchy końca drutu spawalniczego do przodu i do tyłu zmniejszają temperaturę jeziorka i zwiększają jego zwilżalność do podłoża.

c/ Prąd spawania nie powoduje wzrostu temperatury jeziorka gdy wzrostowi prądu towarzyszą szybsze ruchy.
d/ Napięcie i długość łuku zwiększają temperaturę jeziorka, a zwiększona (spawarka prądu zmiennego lub spawanie dwoma drutami) szybkość stapiania drutu zmniejsza temperaturę jeziorka.

Ryszard Jastrzębski
Instytut Łączenia Metali

Elżbieta Pawlik
Adam Jastrzębski
Spaw-Projekt

Michał Witek
Technolkonstrzebski Co Sp. z o.o.

Piotr Śliwiński
PAAL Metal Sp. z o.o.

Waldemar Felsaj
SKM Sp. z o.o.

Literatura:

1. E. Tasak, A. Jastrzebski, “The influence of pulsation of the MIG arc on the structure of aluminium alloy welds”, Welding International Vol. 26 No. 12,2012
2. R. Jastrzębski, J. Szczerba, W. Kalandyk, P. Szczepański, I. Jastrzębska, K. Trześniewski: „Spawalność miedzi, cz. 2”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr 1-2, 2015
3. Dale E. Malcolm: “A revolutionary new welding power source”, Canadian Welding Association Journal, 3. 2006
4. E. Tasak: “Metalurgia spawania”, Wydawnictwo JAK, Kraków 2008
5. D. Cyganek, L. Gardyński, M. Adamiak, H. Padula,
6. R. Jastrzębski, K. Trześniewski, G. Cios: „Technologia spawania stopów aluminium metodą MIG”, Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie nr 11, 2012
7. Z.Wang, Y.M.Zhang, L.Wu: Pomiar i określenie ugięcia powierzchni jeziorka spawalniczego oraz głębokości wtopienia spoiny w pulsacyjnym spawaniu MIG/MAG”, Przegląd Spawalnictwa nr 3/2013
8. R. Krawczyk: „Zakresy parametrów spawania w zależności od sposobu przenoszenia metalu w łuku spawalniczym”, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 4/2014

artykuł pochodzi z wydania 7/8 (94/95) lipiec/sierpień 2015

Czytaj także:

Wybrane aspekty produktywnego skrawania na wieloosiowych obrabiarkach CNC; cz. 5

Wiercenie głębokich otworów (deep hole drilling); cz. 3: Wpływ parametrów skrawania na kształt wióra

Obliczenia połączeń spawanych konstrukcji ramowych

Samochodowe miasto. Edukacja i biznes motoryzacyjny w Autostadt