Wpływ parametrów spawania na kształt oraz mikrostrukturę złączy spawanych metodą mag stali s235jr

Coraz wyższe wymagania jeśli chodzi o złącza spawane wiążą się z koniecznością odpowiedniego doboru parametrów spawania w celu uzyskania spoiny jak najwyższej jakości. Wymagania te mogą zostać spełnione przy wykorzystaniu zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych, które zapewniają stabilność, a także powtarzalność parametrów łuku na całej długości wykonywanej spoiny.

Nowoczesne urządzenia wyposażone w układy pomiarowe parametrów łuku mają możliwość korekty tych parametrów w czasie rzeczywistym podczas procesu, co znacznie polepsza jakość złącza, jak również, w zależności od geometrii spawanego wyrobu, szybkiej zmiany parametrów na inne. Przedmiotem pracy były ocena doczołowych złączy spawanych wykonanych metodą spawania łukiem zwarciowym i pulsującym, jak również dobór parametrów procesu.

Materiał do badań

Materiałem do badań były doczołowe złącza blach o grubości 2 mm ze stali S235JR wykonane z wykorzystaniem drutu G3Si1. Skład chemiczny materiału podstawowego oraz dodatkowego został przedstawiony odpowiednio w tab. 1 i 2.

Złącza spawane: wykonanie

Złącza spawane zostały wykonane na zrobotyzowanym stanowisku spawalniczym wyposażonym w robota Kawasaki RA006L oraz źródło spawalnicze, które ma możliwość spawania zarówno łukiem zwarciowym, jak i łukiem pulsującym. Spawanie wykonano metodą MAG (135 wg EN ISO 4063) w osłonie gazu Ferroline X4 (96% Ar, 4% O₂). Złącza wykonano jako złącza doczołowe ze spoinami czołowymi. Spawanie wykonano na blachach o grubości 2 mm i wymiarach 50 x 100 mm. Z wykonanych złączy spawanych o długości 100 mm wycięto wiązką laserową próbki o wymiarach 40 x 55 mm, które wykorzystano do dalszych badań.

Wykonano 12 złączy łukiem zwarciowym, a także 16 złączy łukiem pulsującym. Na etapie doboru parametrów zmieniano następujące parametry procesu: napięcie, natężenie, jak również prędkość spawania. Duża liczba zmienianych parametrów wpłynęła na możliwość zaobserwowania zmian kształtu spoiny, będącego podstawą do zakończenia eksperymentu. Dla porównania poszczególnych prób spawania posłużono się energią liniową spawania przy wykorzystaniu współczynnika sprawności metody k = 0,8. Energię liniową wyznaczono w oparciu o wzór (1):

 (1)

Wyniki badań

Badania wizualne (VT) zostały przeprowadzone okiem nieuzbrojonym. Obserwacjom zostały poddane wszystkie wykonane złącza spawane, z czego zostały wybrane dwa, które zostały poddane dalszym badaniom: próbka nr 11 wykonana łukiem zwarciowym  (CW), która została wykonana w sposób poprawny, oraz próbka numer 4, wykonana łukiem pulsującym (PULS), która posłużyła jako przykład złącza wykonanego w sposób błędny. Wykonane badania próbki nr 11 (CW) ujawniły równe lico, pełne wtopienie, a także nie zaobserwowano odprysków (rys. 1). W złączu numer 4 (PULS) zaobserwowano charakterystyczną łuskowatość lica spoiny wynikającą ze stosowania różnej wartości prądu bazowego i prądu w impulsie. To znalazło odzwierciedlenie w nagrzewaniu i topieniu metalu spoiny. Próbka przedstawiona na rys. 2 stanowi złącze z silnie zarysowaną łuskowatością, która jest spowodowana niewłaściwymi parametrami procesu spawania (nierówne lico, brak wtopienia).

Czytaj też >> Spawanie laserowe złączy zakładkowych jedno- oraz różnoimiennych − analiza problemu

Badania mikro- i makroskopowe

Badania makroskopowe potwierdziły poprawny kształt lica oraz grani w przypadku próbki wykonanej łukiem zwarciowym. Natomiast w łuku pulsującym potwierdzono brak wtopienia, jak również przesunięcie brzegów łączonego materiału.

Badania mikroskopowe poprowadzono przy pomocy mikroskopii świetlnej. Szczegółowej analizie poddano złącza nr 11 (CW) i nr 4 (PULS). Obserwacje prowadzono w charakterystycznych obszarach złącza, czyli w: materiale rodzimym, strefie wpływu ciepła oraz spoinie. We wszystkich złączach spawanych ze względu na stosowanie tego samego materiału podstawowego i dodatkowego zaobserwowano podobne struktury. W we wszystkich obszarach obserwowano strukturę ferrytyczno-perlityczną o różnej budowie [2]. W spoinie występowały kryształy kolumnowe, ułożone w kierunku odprowadzenia ciepła, gdzie na granicy pomiędzy nimi występował ferryt Widmastattena, a w rdzeniach występował ferryt płytkowy, a także drobnopłytkowy (rys. 4). W przypadku złącza wykonanego łukiem pulsującym zaobserwowano niewielkie ilości niezgodności spawalniczych, jak pustki gazowe czy przyklejenia, które nie były ujawnione w badaniach makroskopowych (rys. 5) [2].

Wnioski: uzyskane złącza

Wykonane badania pozwoliły ujawnić następujące wnioski:

1. Zarówno spawanie łukiem zwarciowym, jak i łukiem pulsującym pozwala na uzyskanie złącza wysokiej jakości.
2. Zastosowanie różnego sposobu wprowadzania ciepła wymusza stosowanie odmiennych parametrów prądowo-napięciowych przy zastosowaniu takiego samego gatunku stali, a także materiału dodatkowego.
3. Robotyzacja procesu spawania zapewnia poprawny kształt spoiny na całej długości złącza, co wskazuje na zachowanie stabilnych warunków procesu.

Referat pt. „Wpływ parametrów spawania na kształt oraz właściwości złączy spawanych metodą MAG stali S235JR” autorstwa Natalii Leśniak został wygłoszony na LVI Konferencji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH w Sekcji Inżynierii Spajania, wyróżniony przez Sieć Badawczą Łukasiewicz – Instytut Spawalnictwa i przez Polskie Towarzystwo Spawalnicze.

Opiekun naukowy referatu:
dr inż. Lechosław Tuz. Badania wykonano w ramach pracy: 16.16.110.663 (zadanie 5)

Piśmiennictwo

1. Brózda J.: Stale konstrukcyjne i ich spawalność. Instytut Spawalnictwa, Gliwice 2009.
2. Tasak E.: Metalurgia spawania. Wydawnictwo JAK, Kraków 2008.

Natalia Leśniak
Koło Naukowe Metaloznawców
Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej
Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica

dr inż. Lechosław Tuz
Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica

Galeria

Zobacz więcej