Autor-Agnieszka Kiszka, Rzeczoznawca, Inspektor, Specjalista ds. szkoleń technicznych.  

W swojej praktyce inżynierskiej spotykałam się z określeniem, że spoina pękła, ponieważ spawacze stosowali niewłaściwą energię liniową spawania. Czy jednak jest to poprawne zdiagnozowanie zaobserwowanego problemu?

Czym jest ilość wprowadzonego ciepła, a czym energia liniowa spawania?

Dlaczego wielkość ta jest istotna dla spawalników?

W poniższym tekście postaram się odpowiedzieć na zadane przeze mnie pytania.

     W przypadku spawania złączy cienkościennych, a także materiałów wrażliwych na ciepło przykładowo stali wysokostopowych, drobnoziarnistych czy stopów aluminium, zachodzi szczególna potrzeba wyznaczania energii liniowej spawania. W procesach spawalniczych ilość wprowadzonego ciepła powinna być kontrolowana. Energia liniowa spawania może  być wyznaczana z prostych zależności matematycznych, jednakże są one bardzo niedoskonałe i jedynie szacunkowe. 

Energia liniowa jest kluczową wielkością w procesie spawania, a ilość wprowadzonego ciepła istotnie wpływa na następujące własności złącza spawanego [1, 4]:

• Podatność na pękanie zimne i gorące,
• wielkość ziarna,
• struktura strefy wpływu ciepła,
• udarność,
• wytrzymałość na rozciąganie,
• twardość,
• odkształcenie złącza,
• geometria spoiny,
• głębokość wtopienia.

W publikacjach naukowych opisano zależność pomiędzy wartością energii liniowej
i jakością spoiny (napoiny). Z badań wynika, że zbyt wysoka ilość wprowadzonego ciepła może powodować przegrzanie lub przepalenie obszaru złącza. Z kolei zbyt niska ilość wprowadzonego ciepła wywołuje zahartowania w obszarze SWC lub braki przetopu [5,6] .

Wyznaczanie energii liniowej spawania

Energia liniowa spawania (E) jest jednym z podstawowych wyznaczników doboru warunków spawania.

Definiujemy ją jako wielkość pozwalającą na powiązanie parametrów procesu takich jak : natężenie prądu spawania, napięcie łuku i prędkość spawania [2]:

I_s – wartość średnia natężenia prądu spawania dla prądu jednokierunkowego lub wartość skuteczna prądu spawania dla prądu przemiennego

U_s – wartość średnia napięcia łuku dla prądu jednokierunkowego lub wartość skuteczna prądu spawania dla prądu przemiennego

v_s – prędkość spawania

Energię liniową spawania można powiązać z ilością wprowadzonego ciepła Q, stosując umowny współczynnik sprawności cieplnej procesu spawania h [2].

Rozbudowując wzór na energię liniową o współczynnik sprawności cieplnej mamy do czynienia z ilością wprowadzonego ciepła. Zatem wartości energii liniowej spawania i  ilości ciepła są ze sobą ściśle skorelowane.

     Ważną składową w ww. wzorze jest napięcie rzeczywiste łuku występujące między końcem drutu elektrodowego a spawanym detalem U_s. Nie ma bowiem  możliwości pomiaru napięcia rzeczywistego łuku. Kolejną wielkością w tym wzorze jest natężenie prądu spawania I_s. Parametr ten odpowiada rzeczywistej wartości prądu spawania, ale w tym wypadku mogą również występować przypadkowe błędy.

Do pomiarów i rejestracji przebiegów impulsowych możliwe jest zastosowanie oprzyrządowania, które nie daje jednak możliwości dokonania dokładnego pomiaru. Poza tym wartości natężenia prądu wyświetlane na urządzeniu do spawania są zazwyczaj wartościami chwilowymi bądź uśrednionymi. Zatem wartość ilości wprowadzonego ciepła obliczoną w oparciu o te dane należy traktować jako umowną.

Ponadto należy rozważyć, jakie wielkości parametrów prądowo-napięciowych można zastosować we wzorze do obliczeń energii liniowej: nastawione na urządzeniu, wyświetlane w trakcie trwania procesu spawania czy może wyświetlane na urządzeniu po zakończonym procesie?

     Trzeba także podkreślić, że w trakcie trwania procesu spawania występują również inne zmienne wywierające istotny wpływ na ilość ciepła wprowadzoną do złącza, należy do nich zaliczyć m.in. [1]:

• przebieg i biegunowość prądu spawania: rozważając łuk impulsowy zapewniający pulsacyjne wprowadzanie ciepła do złącza, a także łuk zwarciowy należy zwrócić uwagę na różnice w ilości wprowadzonego ciepła. W następstwie tych różnic dochodzi do zmian w szybkości krystalizacji ciekłego metalu. Z kolei zmienna biegunowość prowadzi do zmiany gęstości mocy w efekcie zmieniając ilość wprowadzonego ciepła,
• skład chemiczny spoiwa i materiału podstawowego: różne materiały konstrukcyjne mogą się diametralnie różnić przewodnością cieplną i przy doborze parametrów spawania należy uwzględnić te różnice. Dodatkowo należy także wziąć pod uwagę pojemność cieplną materiału spawanego,
• geometria złącza spawanego,
• średnica elektrody,
• temperatura otoczenia,
• temperatura podgrzewania wstępnego,
• rodzaj ukosowania,
• pozycja i kierunek spawania,
• długość wolnego wylotu elektrody;
• rodzaj i strumień objętości gazu osłonowego.

W związku z powyższym obliczeniowe wyznaczanie energii liniowej i ilości wprowadzonego ciepła wg zależności przedstawionych w niniejszej publikacji jest wysoce niedoskonałe. Dokładniejsza jest metoda wykorzystująca systemy monitorowania do pomiaru i rejestracji parametrów prądowo-napięciowych.

W literaturze opisano badania, z których wynika, że różnice w wartości energii linowej i ilości wprowadzonego ciepła,  obliczonej w sposób tradycyjny, a wyznaczoną przy wykorzystaniu systemu umożliwiającego rejestrację parametrów, sięgają nawet 30 % [3].

     Badano różne warianty spawania metodą MAG. Z obliczeń wynika, że identyczna wartość ilości ciepła wprowadzonego do złącza skutkuje różną geometrią spoiny dla różnych wariantów spawania metodą MAG.

Dodatkowo badania wykazały, że utrudniona jest jednoznaczna ocena wpływu ilości ciepła na geometrię spoiny bez uwzględnienia zmiennych takich jak prędkość podawania drutu czy prędkość spawania. W tym celu można zastosować system rejestracji parametrów wykorzystujący metody statystycznej kontroli procesu. System ten daje możliwość weryfikacji parametrów spawania i analizy przebiegu procesu w odniesieniu do jakości i powtarzalności zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i produkcyjnych. Zewnętrzne systemy monitorowania parametrów  stanowią istotne wsparcie dla technologa, gdyż dają możliwość dokładnego zbadania i analizy zmiennych związanych
z procesem łączenia. Opracowany algorytm pozwala na ocenę powtarzalności zarejestrowanych zmiennych.

W trakcie trwania spawania występuje znaczna fluktuacja parametrów prądowych, co jest efektem dużej dynamiki  procesu wynikającej ze złożoności zjawisk zachodzących w jarzącym się łuku spawalniczym.

Z kolei takie parametry jak prędkość podawania drutu i strumień objętości gazu osłonowego cechuje stałość i powtarzalność. Systemy monitorowanie parametrów spawania dają możliwość rejestracji fluktuacji wszystkich parametrów procesu.

      Stanowiska do monitorowania parametrów procesu spawania dzielimy na dwa rodzaje:

• jednostanowiskowe: mobilne przyrządy pomiarowe, spełniające funkcję zarówno rejestratora przebiegów, jak i dające możliwość wizualizacji zarejestrowanych zmiennych. Stanowiska te pozwalają na bieżącą kontrolę przebiegu procesu jednakże są ograniczone ilością zapisywanych danych. Możliwe jest zapisanie danych zarejestrowanych podczas wykonywania zaledwie kilkudziesięciu spoin. Ilość zapisanych danych jest uzależniona od częstotliwości próbkowania rejestrowanych przebiegów. Systemy jednostanowiskowe są przyrządami o raczej ograniczanych możliwości komunikacyjnych.
• wielostanowiskowe: są to systemy cechujące się nowoczesną, rozbudowaną konstrukcją o zróżnicowanej infrastrukturze sprzętowej i programowej. Dzięki zastosowaniu nowoczesnych algorytmów możliwa jest wnikliwa analiza procesu spawania. Metody oceny i analizy wykonywanych spoin opierają się na ocenie odchylenia monitorowanych zmiennych od parametrów zadanych lub wykorzystywane są metody statystycznej kontroli procesów. Urządzenia w przypadku zarejestrowania zakłóceń procesu sygnalizują to tuż po zakończeniu spawania.

      Zastosowanie systemów monitorowania i rejestrowania parametrów procesu spawania pozwala na analizę wartości natężenia prądu spawania i napięcia łuku. Dzięki rejestracji zmiennych w procesie spawania możliwe jest wyznaczenie energii liniowej spawania. Wartość energii liniowej ma wpływ na ilość wprowadzonego do złącza ciepła,  które powinno być ograniczone do minimum, w przypadku spawania złączy cienkościennych.

     Wprowadzenie do złącza zbyt dużej ilości ciepła może powodować niekorzystne zmiany
w jego obrębie. Odpowiedni dobór parametrów spawania mający na względzie również energię liniową pozwala uniknąć problemów technologicznych i niewłaściwego przebiegu procesu.  

Pozdrawiam serdecznie!

Agnieszka Kiszka

👉 Zapraszam na szkolenia-
✔KWALIFIKOWANIE TECHNOLOGII SPAWANIA, LUTOWANIA, NAPAWANIA – 20 kwietnia
✔SPAWALNOŚĆ WYBRANYCH MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH – 22 kwietnia

Literatura

1. Kensik R.: „Ocena energii liniowej w procesach MIG/MAG”. Przegląd Spawalnictwa, 9-10/2006.­­­­
2. PN-EN 1011-1:2009 „ Spawanie-Zalecenia dotyczące spawania metali- Część 1: Ogólne wytyczne dotyczące spawania łukowego”.
3. Kudła K., Wojsyk K.: „Normowana energia liniowa a ilość ciepła wprowadzonego podczas spawania”. Przegląd Spawalnictwa 12/2010.
4. Makles, K.: „Ocena ciepła wprowadzonego do złącza spawanego nowoczesnych odmianach procesu MIG/MAG”. Materiały konferencyjne. Sympozjum katedr i zakładów spawalnictwa pt.: „Nowoczesne zastosowania technologii spawalniczych”.
5. Kensik R., Kudła K.: „Moc impulsowego łuku spawalniczego”. Przegląd Spawalnictwa, 7-8/2000.
6. Lasnewich A.: „Control of melting rate and metal transfer in gas-shielded metal arc welding. Part I – control of electrode melting rate “. Welding Journal, 8/1958.