Pobierz cały artykuł

Bogdan PawłowskiJanusz KrawczykPiotr BałaSławomir ParzychMarek PaćkoJakość złączy spawanych rurociąguwody chłodzącej wykonanego ze staliaustenitycznej X6CrNiTi18-10Quality of welded joints of cooling water pipeline madeof austenitic steel X6CrNiTi18-10StreszczenieW artykule przedstawiono wyniki badań złączy spawanychrurociągu wody chłodzącej o średnicy 323,9x4mm wykonanego ze stali X6CrNiTi18-10 (1.4541). Badanoskład chemiczny spoiny oraz materiał rodzimy rurociągu,wykonano też badania radiograficzne i penetracyjne spoinoraz analizę zgładów metalograficznych spoin. Omówionoujawnione podczas badań niezgodności spawalniczeoraz przedstawiono możliwe przyczyny ich powstania.AbstractIn the article results of tests of welded joints of coolingwater pipeline of 232.9x4 mm diameter, made ofsteel X6CrNiTi18-10 (1.4541) were presented. Chemicalconstitution of fusion weld and pipeline native materialwere tested, as well as radiographic inspections, liquid-penetrantinspections and analysis of metallographicspecimens of fusion welds were performed. Welding imperfectionsdiscovered during tests were discussed andpossible causes of their arising were showed.WstępDr inż. Bogdan Pawłowski, dr inż. JanuszKrawczyk, dr inż. Piotr Bała, mgr inż. SławomirParzych, dr inż. Marek Paćko – Akademia Górniczo-Hutnicza.Austenityczne stale nierdzewne (zwane równieżstalami kwasoodpornymi) mają szerokie zastosowanie(stanowią najważniejszą grupę stali odpornychna korozję), gdyż poza wysoką odpornością korozyjnącharakteryzują się m.in. dużą ciągliwością, formowalnościąoraz spawalnością [1÷4]. Spawalności metalurgiczneji technologicznej austenitycznych stali nierdzewnychpoświęcono wiele prac badawczych [5÷9].Prowadzone są również intensywne badania mającena celu wykorzystanie do spawania stali austenitycznychtechnologii lutospawania laserowego [10]. Jednaknawet wprowadzenie najnowszych technik spawanianie zapewni wysokiej jakości złączy spawanych, jeślibędą one wykonywane niezgodnie z zasadami i bezzachowania należytej staranności, co prowadzi do powstawaniaróżnych niezgodności spawalniczych orazzwiązanych z tym strat materialnych.Autorzy chcieli określić przyczyny występowanianieszczelności połączeń spawanych rurociągu wodychłodzącej wykonanego ze stali austenitycznej X6Cr-NiTi18-10 oraz omówić przyczyny powstania ujawnionychniezgodności spawalniczych.Materiał do badańBadaniami objęto trzy wycięte fragmenty złączyspawanych rurociągu o średnicy 323,9x4 mm ze staliX6CrNiTi18-10 oznaczone jako próbki: T1, T2 i T3.Zgodnie z PN-EN 100088-1:2005 skład chemiczny badanejstali powinien mieścić się w zakresie (% wag.):≤0,08 C, ≤1,00 Si, ≤2,00 Mn, 0,045 P max, ≤0,015 S,17,0÷19,0 Cr, 9,0÷12,0 Ni, 5xC÷0,70 Ti.PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 4/20103

Badania składu chemicznego dostarczonych próbekwykonano na spektrometrze emisyjnym ARL 3460.Dla materiału rodzimego rurociągu uzyskano wyniki(% wag.): 0,03 C, 0,65 Si, 1,18 Mn, 0,028 P, 0,004 S,18,12 Cr, 0,16Mo, 9,22 Ni, 0,30 Ti.Na spektrometrze emisyjnym wykonano równieżanalizę składu chemicznego spoiny (% wag.):0,05 C, 0,75 Si, 1,57 Mn, 0,022 P, 0,006 S, 19,18 Cr,0,13 Mo, 9,71 Ni, 0,13 Ti.Na podstawie tych danych stwierdzono, że składchemiczny próbek badanej stali mieści się w zakresieprzewidzianym normą PN-EN 100088-1:2005.Skład chemiczny obszaru spoiny wskazuje, że dospawania użyto materiału dodatkowego (spoiwa) zestali 18-8 (bez dodatków stopowych ˗̶ stabilizatorów).Wyznaczono (wg danych literaturowych) równoważnikichromu R Cri niklu R Ni[2, 9, 11]. Dla materiałuspoiny wynoszą one odpowiednio: R Cr= 21,7 orazR Ni= 11,99. Iloraz R Cr/R Niwynosi 1,8, co wskazuje naniewielką skłonność do pęknięć gorących w spoinie(austenityczno-ferrytyczny charakter krzepnięcia spoiny)[2, 11].Niewłaściwe oprzyrządowanie i dopasowanie odcinkówrur przed spawaniem powoduje takie niezgodnościspawalnicze, jak: przesunięcie warstw spoiny,przesunięcie liniowe (niezgodność 507) oraz kątowe(niezgodność 508).Do badań metalograficznych użyto próbek T2 i T3.Wykonano po dwa zgłady metalograficzne (oznaczonejako 2.1 i 2.2 oraz 3.1 i 3.2) tak aby dwie z płaszczyznobserwacji metalograficznych przecinały obszary występowanianiezgodności spawalniczych ujawnionychw próbie penetracyjnej (rys. 2).Mikrostruktury pobranych próbek, obserwowanepod mikroskopem optycznym, przedstawiono na rysunkach4÷6.a)Badania nieniszcząceoraz mikroskopowe obserwacjeprzekrojów spoinyW dostarczonych trzech fragmentach złącza spawanegostwierdzono występowanie następującychniezgodności (sklasyfikowanych wg [12]). W grupie nr5 (Niezgodności spawalnicze dotyczące kształtu i wymiarów):504 – wyciek, 515 – wklęśnięcie grani, 516– porowatość grani, 5013 – podtopienie grani. Badaniaradiograficzne wykazały niezgodności z grupy nr 2(pustki): 2011 – pęcherz gazowy, 2014 – łańcuch pęcherzy,2015 – pęcherz podłużny; z grupy nr 4 (przyklejeniei brak przetopu): 401 – przyklejenie (brak wtopienia)oraz niezgodności z grupy nr 5 (niezgodnościspawalnicze dotyczące kształtu i wymiarów): 504 – wyciek,515 – wklęśnięcie grani, 5012 – podtopienie przerywane(rys. 1).Na próbkach wykonano również badania penetracyjne.Próbki T2 i T3 dały wynik dodatni. Na rysunku 2widoczne są punktowe zabarwienia wywoływacza odstrony lica na obu próbkach, co świadczy o występowaniuniezgodności wychodzących na powierzchnięspoiny.Dodatkowe badania makroskopowe dostarczonychzłączy spawanych w płaszczyźnie prostopadłej do osispoiny wykazały niestarannie wykonane centrowanieobu spawanych rur. Brak współosiowości (niezgodność507 – przesunięcie liniowe) wystąpił we wszystkich badanychpróbkach, a w próbce T3 przesunięcie osi spawanychrur wynosi prawie połowę grubości ścianki rur.Dodatkowo na próbkach T2 oraz T3 widoczna jest niezgodność508 – przesunięcie kątowe. Przykład tychniezgodności pokazano na rysunku 3.b)c)Rys. 1. Radiogram spoiny: a ˗̶ próbka T1, b ˗̶ próbka T2, c ˗̶ próbkaT3Fig. 1. Radiograph of the fusion weld: a - sample T1, b - sample T2,c - sample T34 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 4/2010

Poza stwierdzonymi już wcześniej (badania RTG,badania wizualne) niezgodnościami spawalniczymi,obserwacje zgładów metalograficznych obszarówspoin wykazały również niezgodność 4021 – niepełnyprzetop grani (rys. 5). Powstanie tej niezgodności jesta)Rys. 4. Wżer korozyjny powstały w miejscu niezgodności spawalniczej,próbka 2.1Fig. 4. Corrosion pit formed in a place of welding imperfection, sample2.1b)Rys. 5. Wżer korozyjny powstały w miejscu niezgodności spawalniczej,próbka 3.1Fig. 5. Corrosion pit formed in a place of welding imperfection, sample3.1Rys. 2. Wyniki badań penetracyjnych: a – próbka T2, b – próbka T3Fig. 2. Results of liquid-penetrant inspections: a – sample T2, b –sample T3a)Rys. 6. Mikrostruktura obszaru spoiny, próbka 3.2.Fig. 6. Microstructure of fusion weld area, sample 3.2.b)Rys. 3. Brak współosiowości spawanych rur: a ˗̶ próbka T2, b ˗̶ próbkaT3Fig. 3. Poor alignment of welded tubes: a – sample T2, b – sampleT3związane z niewłaściwie dobranymi parametrami spawaniaoraz brakiem osiowości spawanych odcinkówrur. Brak właściwego centrowania (współosiowości)spawanych odcinków rur jest widoczny na wszystkichzgładach metalograficznych (niezgodność 507 – przesunięcieliniowe widoczne na wszystkich obserwowanychzgładach metalograficznych, niezgodność 508– przesunięcie kątowe widoczne szczególnie wyraźniedla próbki 3.2 – rys. 6).Widoczne na rysunkach 4 i 5 wżery korozyjneutworzyły się w miejscach (powstałych w procesiespawania) pęcherzy (otwartych w kierunku grani),których utleniona powierzchnia została zaatakowanakorozyjnie.PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 4/20105

Przyczyny powstawania wadspawalniczych w rurociąguwody obiegowejGrupa nr 2 – PustkiObserwowane niezgodności spawalnicze z grupy nr2 – Pustki: 2011 – pęcherz gazowy, 2014 – łańcuch pęcherzy,2015 – pęcherz podłużny, mogą być skutkiemdziałania wilgoci zawartej w gazach osłonowych lub/oraz nieusuniętych zanieczyszczeń (np. smary, oleje).Grupa nr 4 – Przyklejenia i brak przetopuNiezgodność 401 – przyklejenie (brak wtopienia) wynikaz braku połączenia metalicznego pomiędzy materiałemrodzimym a metalem spoiny oraz między poszczególnymiściegami spoiny. Stwierdzono równieżwystąpienie niezgodności 4021, czyli niepełnego przetopujednej ze ścianek grani. Główną przyczyną występowaniatego typu niezgodności spawalniczych jest niewłaściwatechnologia spawania: nieodpowiedni kształtrowka spoiny, nieprawidłowe przygotowanie do spawaniamateriału podstawowego (centrowanie) i powierzchnipoprzednio ułożonego ściegu, źle dobrany kąt prowadzeniaelektrody, zbyt duża prędkość spawania, niewłaściwadługość łuku oraz zbyt małe natężenie prądu.Grupa nr 5 – Niezgodności spawalniczedotyczące kształtu i wymiarówUjawnione niezgodności spawalnicze: 504 – wyciek,507 – przesunięcie liniowe, 508 – przesunięciekątowe, 515 – wklęśnięcie grani, 516 – porowatośćgrani, 5012 – podtopienie przerywane, 5013 – podtopieniegrani są skutkiem nieprawidłowych warunkówtechnologicznych i techniki spawania oraz niewłaściwegooprzyrządowania i dopasowania przedmiotówprzed spawaniem.Zalecenia dotyczącespawania badanych rurze stali austenitycznychZgodnie z wytycznymi [13] końce rur stalowycho grubości ścianki 3,2 ÷ 22,2 mm powinny być przedspawaniem ukosowane na V z płaskim ścięciem, wgrysunku 7.Rury powinny być składane do spawania za pomocąspecjalnych urządzeń (stabilizatorów, pozycjonerów,centrowników) w celu umożliwienia ich odpowiedniegocentrowania oraz uniknięcia ewentualnej owalizacji.Zmniejsza to również ryzyko wystąpienia pęknięćpodczas krzepnięcia spoiny.Rys. 7. Przygotowanie końców rur stalowych do spawania, wg [13]Fig. 7. Preparation of steel tubes ends for welding according to [13]W celu uniknięcia utlenienia spoiny oraz materiałurodzimego od strony grani podczas spawania i związanejz tym utraty odporności na korozję, należy zapewnićdodatkową osłonę gazową tego obszaru (wprowadzićtzw. gaz formujący). Zgodnie z zaleceniami [14]podczas elektrycznego spawania łukowego (GTAW,GMAW) austenitycznych stali nierdzewnych gazemochronnym może być argon. Efektywność działaniaochronnego gazu formującego oraz jego oszczędnośćmożna zapewnić przez stosowanie: gas-stoperów,dysków, cylindrów lub podobnego osprzętu spawalniczegodo kontroli gazu formującego.Zgodnie z normą jako materiały dodatkowe dospawania stali nierdzewnej X6CrNiTi18-10 powinnybyć używane spoiwa wg normy PN-EN 12072 -G 19 9 Nb (dla metody GMAW – spawanie łukoweelektrodą metalową w osłonie gazu) lub W 19 9 Nb(dla metody GTAW – spawanie łukowe elektrodą wolframowąw osłonie gazu).WnioskiNa podstawie wykonanych badań można sformułowaćnastępujące wnioski:– Analiza składu chemicznego obszaru spoinywskazuje, że została użyta stal austenitycznatypu 18/8 bez dodatku tzw. pierwiastka stabilizacyjnego.Spoiwem zalecanym w procesie spawaniaaustenitycznych stali nierdzewnych stabilizowanychtytanem (jak stal X6CrNiTi18-10) jestspoiwo z dodatkiem niobu.– Przyczyną występowania niezgodności spawalniczychw badanych złączach rur ze stali X6CrNi-Ti18-10 była niewłaściwa metoda spawania. Dopowstania niezgodności spawalniczych mogły sięprzyczynić takie czynniki jak: zła jakość gazówosłonowych (zawilgocenie), brak osłony gazu formującego(zapewniającego ochronę grani), nieusuniętezanieczyszczenia (np. smary, oleje)oraz niewłaściwe parametry spawania.– Dodatkowym istotnym czynnikiem mogącym miećwpływ na powstanie niezgodności spawalniczychmogło być niewłaściwe zastosowanie lub nawetbrak niezbędnego oprzyrządowania spawalniczego,mającego za zadanie właściwe dopasowanie(wyosiowanie) spawanych odcinków rur.6 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA 4/2010

Literatura[1] Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów żelaza. PWN,Warszawa 1976.[2] Tasak E., Ziewiec A.: Spawalność materiałów konstrukcyjnych.Tom 1 Spawalność stali, Jak, Kraków 2009.[3] Własności stali odpornych na korozję. Euro-Inox ˗̶ The EuropeanStainless Steel Develepment Association, Bruksela,Belgia, ISBN 2-87997-083-0, 2002.[4] Blicharski M.: Inżynieria materiałowa. Stal, WNT, Warszawa2004.[5] Castro R., de Cadenet J.J.: Metalurgia spawania stali odpornychna korozję i żarowytrzymałych, WNT, Warszawa 1972.[6] Tasak E.: Spawalność stali, Fotobit, Kraków 2002.[7] Butnicki S.: Spawalność i kruchość stali, WNT, Warszawa1975.[8] Tasak E.: Metalurgia spawania, Jak, Kraków 2008.[9] Lippold J.C., Kotecki D.J.: Welding Metallurgy and Weldabilityof Stainless Steels, Wiley-Interscience, HobokenNJ, 2005.[10] Klimpel A., Górka J., Janicki D., Zyska T., Pniewska A.:Technologia lutospawania laserowego stali austenitycznej,Przegląd Spawalnictwa, 9/2007.[11] Kachowskij N.I.: Swarka wysokoliegerowanych staliej,Izd. Technika, Kijev 1975.[12] PN EN ISO 6520-1 Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacjageometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach.Część 1: Spawanie.[13] PN-ISO 6761:1996 Rury stalowe. Przygotowanie końcówrur i kształtek do spawania.[14] Spawanie stali nierdzewnych, Euro-Inox The European StainlessSteel Develepment Association, Bruksela, Belgia,ISBN 2-87997-009-1, kwiecień 2002.NA SPRZEDAŻStanowisko spawalniczez Robotem TA-1800WG PanasonicStanowisko spawalniczez Robotem TA-1800WG PanasonicPrzeznaczony do harmonijnej pracy ramienia robotaz obrotnikiem, pozycjonując i obracając elementy pozwalana spawanie najbardziej skomplikowanych detali.Ramie spawalnicze TA-1800WG Panasonic– spawanie w gazach ochronnych– spawanie MIG/MAG (możliwość TIG)– sterowanie CNC: G2 Panasonic– palnik (z urządzeniem czyszczącym) 45° firmy DINSE– 6 osi obrotu– udźwig 8 kg– zasięg ø 1796 mm– dokładność ramienia +/- 0,1 mmObrotnik PanaDicell– Maksymalna prędkość 10-16 obr/min– Udźwig obrotnika 500-1000 kg (rama + przyrząd + detal)– Zakres obrotu +/- 180° dla ramy lub +/-300° dla oprzyrządowania– Powtarzalność 0,05 mm– produkcja elementów o wymiarach: długość 2800 mm,szerokość 1000 mm, wysokość 800 mmPółautomaty spawalnicze Kemppi i Ozas– Spawanie metodą MIG/MAG/TIG– Półautomaty: KEMPACT PULSE 3000 KemppiMINIMAG 251 OzasMINIMAG 250 OzasFALTIG 161DC OzasStoły spawalnicze firmy Demmeler– 2 stoły spawalnicze o wymiarach:2000x1000 mm / 1200 x 2400 mm Demmeler– Oprzyrządowanie firmy DemmelerKontaktPrzedsiębiorstwo Wielobranżowe WISTA Witt i wspólnicy Spółka Jawna62-050 Mosinaul. Śremska 75Dtel. (61) 898 46 00www.wista.com.plPRZEGLĄD SPAWALNICTWA 4/20107