16 października 2021



Nowe technologie związane z budową konstrukcji rurowych o dużej rozpiętości
Spawanie konstrukcji rurowych wymaga od firm coraz to nowych umiejętności. W przypadku spawania blachy do rury w węźle konstrukcyjnym podczas robienia przetopu od strony blachy powstanie karb. Zważywszy na to, że stale S460, S690, S890 są bardziej narażone na działanie karbu, aby tego uniknąć, należy zastosować szczelinę 5 mm (jak pokazuje rys. 1) i najpierw wykonać napoinę, a poźniej przetop do wcześniej wykonanej napoiny. Jeżeli rura ma dużą grubość to, przy fazowaniu na 1/2 V dysza do MAG opiera się o rowek i wolny wylot elektrody wynosi powyżej 25 mm. rys1Tak duży wolny wylot elektrody przy tradycyjnym spawaniu MAG powoduje przyklejenia. Aby zapobiec przyklejeniom, należy do przetopu stosować drut proszkowy metaliczny lub funkcję coldArc, a do wypełnienia drut proszkowy rutylowy szybko krzepnący lub spawarkę z funkcją forceArc (rys. 1). Warto też zwrócić uwagę na inne parametry spawania drutem proszkowym i spawarkami elektronicznymi firmy EWM.
W przypadku spawania konstrukcji rurowych platform wiertniczych i konstrukcji stadionów niemałą trudność sprawia uznanie technologii i uprawnienie spawaczy do spawania złączy rozgałęzionych pod kątem 30 stopni (rys. 2). rys2_aZe znanych metod spawania tylko spawarki z głębokim wtopieniem umożliwiają spawanie z rowkiem 30 stopni zamiast 60 stopni i przy wolnym wylocie elektrody do 50 mm. W przypadku drutów proszkowych trzeba stosować specjalny zabieg napawania ząbka na ściankach rury, aby lokalnie kąt rowka wynosił 60 stopni.
rys.2_bKiedyś, gdy w tradycyjnych spawarkach prąd był proporcjonalny do prędkości topienia drutu, do obliczania szerokości strefy uplastycznienia nie musieliśmy brać pod uwagę ciepła topienia i o szerokości strefy naprężeń spawalniczych (naprężeń równych granicy plastyczności) wg naukowców decydowała energia liniowa.
Jednakże spawacze rafinerii wiedzieli, że skrócenie łuku (obniżenie napięcia) i topienie większej ilości drutu obniżało temperaturę jeziorka, co objawiało się złotym nalotem spoiny nierdzewnej przy napięciu 8V, zamiast czarnego nalotu przy klasycznym napięciu TIG 15 V. Dzisiaj, gdy przez zastosowanie elektroniki spawarek bez zmiany napięcia i prądu możemy zmieniać posuw drutu, czyli odbierać z jeziorka spawalniczego więcej ciepła topienia, trzeba wprowadzić pojęcie idealnej, spoiny czyli rowka z nadtopionymi krawędziami zalanego metalem o temperaturze topnienia. Taką idealną spoinę określa energia potrzebna do stopienia kilograma drutu, czyli stosunek energii liniowej do przekroju spoiny ściegu spawalniczego (rys. 2).


wz_1
Zwiększenie przekroju spoiny uzyskujemy przez wzrost szybkości stapiania drutu (prąd zmienny prostokątny niesymetryczny; drut proszkowy) lub przez zwiększenie głębokości wtopienia.
Jak pokazano na rysunku 2 przyczyną problemów przy klasycznym spawaniu jest narastanie prądu zwarcia i gwałtowny wzrost mocy w wyniku wzrostu napięcia po zajarzeniu łuku. Objawia się to wyrzucaniem kropli wywołując niestabilność osłony gazowej oraz przegrzaniem jeziorka spawalniczego.
Receptą na to jest automatyczne elektroniczne obniżenie prądu po zajarzeniu łuku w metodzie coldArc (stosowanej do wykonywania przetopu przy szczelinie do 12 mm) i obniżanie napięcia przy wzroście prądu w metodzie forceArc, stosowanej do spawania złączy teowych stali S690 i S890 dźwignic i naczep.
Zmniejszenie napięcia skraca łuk i podobnie jak przy spawaniu TIG stali austenitycznych, zwiększa wtopienie i szybkość stapiania drutu, którego krople chłodzą łuk zawężając go i ponownie zwiększając głębokość wtopienia nawet do 8 mm, przy spoinie pachwinowej o grubości 3 mm wykonanej metodą ciągnięcia.
Nie zawsze mamy do dyspozycji spawarkę, która kosztuje 11 tysięcy euro. Musimy się wtedy posiłkować klasycznymi metodami jak np. drut proszkowy. Rurka drutu proszkowego ma większą powierzchnię grzania od pełnego drutu, przez co się szybciej topi i zabiera z jeziorka ciepło topienia. Dużo większa ilość metalu w małych kropelkach swoją powierzchnią boczną chłodzi i zawęża łuk, co zwiększa wtopienie-tradycyjnych spawarek i dodatkowo obniża temperaturę jeziorka.
Jak pokazano na rysunku 2 – wykonana metodą forceArc spoina pachwinowa o wymiarze 3 mm daje efektywny przekrój na ścinanie o wymiarze 8 mm. Poza tym technologia EWM daje tak zimne jeziorko, że stopiwo nie miesza się ze stopionym materiałem podstawowym. Trzy razy tańszy drut o granicy plastyczności 460 MPa, w stosunku do drutu o granicy plastyczności stopiwa 690 Mpa, daje przy spawaniu stali S690 wytrzymałość na rozciąganie 740 MPa, nawet przy klasie wadliwości spoin D, wystarczającej do spawania naczep samochodowych.
rys.3W przypadku tradycyjnego szczepiania rury ze stali normalizowanej gatunku X52N-API5L, ze względu na możliwość wystąpienia pęknięć w spoinach szczepnych, należy przetop badać metodą magnetyczno-proszkową. Podczas wykonywania przetopu drutem rdzeniowym z wypełnieniem metalicznym gatunku NST MC-R uchwyt należy prowadzić prostopadle do powierzchni rury, lub odchylić go o niewielki kąt w kierunku spawania (rys. 3). Łuk elektryczny należy prowadzić na początku jeziorka. W trakcie wykonania przetopu powinno być cały czas widoczne oczko. Uchwytem wykonujemy ruchy boczne w kształcie łuków. Ze względu na przemieszczanie się ciepła z dołu do góry w pozycji naściennej PC i HL-045, zakosy (ruchy boczne) prowadzimy od rury górnej do dolnej, z przytrzymaniem przy krawędzi rury dolnej i prawie bez przytrzymania przy krawędzi rury górnej. Ciepło przechodząc z dołu do góry powoduje, że krawędź górna szybciej się topi niż dolna. Tab. 2 Przykładowe parametry spawania Stali S690QL wg EN 10137. Edax Projekt ZłotówSpawanie drutem proszkowym w porównaniu ze spawaniem elektrodą otuloną wymaga bardziej dynamicznych ruchów bocznych (zakosów) i trzy razy szybszego przemieszczania się łuku pomiędzy krawędziami kojarzącego się spawaczom z ruchem szybkiego uciekania z łukiem elektrycznym do dobrze odprowadzających ciepło krawędzi. Zakosy nie mogą być zbyt duże, gdyż wzrost szerokości zakosów zmniejsza prędkość spawania, zwiększa energię liniową i poprzez rozrost ziaren prowadzi do spadku udarności (energia łamania).
W trakcie wykonywania tej operacji należy usunąć kratery, w których najprawdopodobniej powstały mikropęknięcia. Po przetopie należy przeszlifować celem usunięcia cienkiej warstwy tlenków wytwarzanej przy spawaniu drutem metalicznym proszkowym. Występujące nierówności należy wyrównać, aby poprzedni ścieg był w miarę płaski i występujące zagłębienia nie były większe niż maksymalna głębokość wtopienia 3 mm.
Aby dobrze wykonać lico (drutem proszkowym rutylowym gatunku SF3-AM) musimy pozostawić rowek o głębokości 2 mm z ostrymi dobrze, widocznymi w świetle łuku spawalniczego, krawędziami. Wykonywanie ściegów zakosowych w pozycji PF powinno odbywać się w takim zakresie prędkości, że zmiana nie będzie wpływała na wielkość jeziorka, lecz na ilość cieczy pod łukiem, a przez położenie końca elektrody w stosunku do jeziorka można będzie zmieniać ilość ciepła wprowadzanego do materiału (początek, koniec jeziorka).
Bardzo ważne jest pochylenie elektrody w stosunku do krawędzi. Rysunek 4 przedstawia pochylenie elektrody w trakcie wykonywania poszczególnych ściegów w pozycji naściennej. Ponieważ największe wtopienie jest wtedy, gdy oś elektrody jest prostopadła do powierzchni przetapianej ścianki, w celu należytego wtopienia podczas układania ściegów należy przeginać uchwyt na ścianki. Przyjmuje się, że szerokość ściegu nie powinna przekraczać trzech I x 3/40.
rys.4Gdy rura jest pochylona pod kątem 45 stopni należy odejść od naturalnych kierunków pionu i poziomu. Kierunkami odniesienia mają być: prosta prostopadła do ścianki rury, styczna do rury i oś rur. Poprzez zmianę trajektorii ruchu można w sposób ciągły zmieniać grubość warstwy i wyrównywać ściegi. Ze względu na niską temperaturę jeziorka wynikającą z odbierania ciepła przez dużą ilość zimnego stopiwa szybko topionego drutu w kształcie rurki, można w pozycji PF ułożyć znacznie grubszą warstwę niż drutem pełnym i elektrodą zasadową. Ilustruje to rysunek 4.


rys.5

W tabeli 2 pokazano przykładowe parametry spawania stali S690 w pozycji przymusowej PH (wg znowelizowanej normy EN287-1) i naściennej PC. rys.6Zdjęcia (rys. 5 i 6) pokazują praktyczne spawanie blachy węzłowej do rury w pozyci sufitowej oraz uzyskaną spoinę.


Ryszard Jastrzębski

Instytut Łączenia Metali Kraków

fot.: Mariusz Jaworski

Autor dziękuje Hannie Masalskiej za pomoc
w przygotowaniu artykułu.

Literatura:
1. Japan Welding Society: Yōsetsu gakkai-hen, Yōsetsu, setsugō gijutsu tokuron (Metody spawania oraz urządzenia spawalnicze), Shinpan, Wydawnictwo Sanpō, 2008
2. Edmund Tasak: Metalurgia spawania, Patria, Kraków 2008
3. Japan Welding Society: Metalurgia Spawania, Wydawnictwo Sanpō, 1978
4. G. Padula, R. Jastrzębski, J. Nowacki, Z. Latała: Decodificación de los conocimientos prácticos como un paso más hacia la creación de software de apoyo para el análisis microscópico cualitativo de las juntas. Materiały konferencyjne EUROJOIN 6, Santiago de Compostela str. 627- 644
5. R. Jastrzębski: Nadzór i kontrola prac spawalniczych, Materiały szkoleniowe firmy PTPUH Technolkonstrzębski
 Co Sp. z o.o., 2002