201401_PSpaw_1489.pdf 2 Przegląd sPawalnictwa 1/2014 Tomasz Chmielewski Dariusz Golański Marek Węglowski Spawanie grubych blach miedzianych metodą MIg-SpeedPuls bez podgrzewania wstępnego Mig-speedPuls welding thick plates  of copper without preheating Stre zczenie W artykule przedstawiono wyniki badań doświad- czalnych, dotyczących spawania miedzi bez podgrze- wania wstępnego złączy doczołowych metodą MIG w odmianie SpeedPuls w pozycji PA. Omówiono spawal- ność miedzi, możliwość jej spawania bez podgrzewania wstępnego oraz wydajność spawania, geometrię i budo- wę makrostrukturalną uzyskanych spoin. Słowa kl czowe spawanie, miedź, MIG a tract This paper presents the results of experimental stud- ies devoted to copper MIG (SpeedPuls) welding in PA position without preheating. The article discussed the weldability of copper, possibility and performance of cop- per GMA welding without preheating. The geometry and macro-structure of obtained welds has been described. ey word : welding, copper, GMAW t p Charakterystyczne właściwości miedzi i jej stopów, np. wysokie przewodnictwo elektryczne i cieplne (do 10 razy większe niż stali), odporność na wiele agre- sywnych substancji chemicznych, dostatecznie dobre właściwości mechaniczne, a szczególnie dobre wła- ściwości plastyczne (nawet w obniżonej temperaturze) powodują, że miedź i jej stopy są w szczególnych wa- runkach trudnym do zastąpienia konstrukcyjnym two- rzywem metalowym. Mimo postępującego w szybkim tempie rozwoju urządzeń i metod spawalniczych, spawanie miedzi stanowi wciąż poważny problem techniczny i nie ma obecnie łatwej technologicznie metody spawania, któ- ra pozwalałaby łączyć konstrukcje spawane w prosty sposób. Trudności występujące podczas spawania miedzi związane są z jej właściwościami fizycznymi i charakterystyką metalurgiczną. Spawalno miedzi Wysokie przewodnictwo cieplne miedzi utrudnia lokal- ne doprowadzenie metalu do temperatury topnienia i two- rzenie kąpieli metalicznej, a przez to wymusza stosowa- nie źródeł energii o wysokim stopniu koncentracji energii lub podgrzewania przed spawaniem i podczas procesu. Podgrzewania przed spawaniem wymagają przedmioty o nawet nieznacznej grubości, tj. od ok. 3 mm. Kolejne właściwości fizyczne utrudniające proces technologicznego spawania to wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (ok. 50% większy niż dla stali) i znaczny skurcz odlewniczy. Są one głównymi przy- czynami powstawania w złączach spawanych znacz- nych naprężeń własnych, a w konsekwencji dużego odkształcenia, a nawet pęknięć konstrukcji charaktery- zujących się dużym stopniem utwierdzenia. Charakter reakcji metalurgicznych zachodzą- cych podczas spawania oraz duży wpływ obecności r a inż toma z C mielew ki pro P dr a inż ari z ola ki pro P – Politechnika Warszawska, dr inż arek glow ki – Rywal-RHC, Warszawa. Autor korespondencyjny/Corresponding author: t.chmielewski@wip.pw.edu.pl 3Przegląd sPawalnictwa 1/2014 niepożądanych domieszek i gazów mogą być przyczy- ną obniżenia odporności miedzi na powstawanie tzw. pęknięć gorących. Gazy te są z kolei główną przyczyną powstawania pęcherzy i porowatości w spoinach. Szczególnie niebezpieczna jest obecność w miedzi bizmutu i ołowiu, które nie tworzą z miedzią roztworów stałych, ale ich kruche i niskotopliwe wydzielenia na granicach ziaren są przyczyną pęknięć gorących. Szczególnie szkodliwą dla miedzi domieszką jest tlen, który tworzy z nią dwa typy tlenków: „czerwony” trwały podtlenek miedzi Cu2O i „czarny” nietrwały tle- nek miedzi CuO. Cu2O stanowi zwykle pozostałość z procesu wytwarzania i tworzy z miedzią eutektykę Cu2O+Cu o temperaturze topnienia wyższej niż czy- sta miedź (Ttop miedzi – 1083°C). Eutektyka w struk- turze pierwotnej (odlewy i spoiny) może tworzyć siatkę wzdłuż granic ziaren lub w wyniku przeróbki plastycznej występować w korzystniejszej postaci rozproszonej. W SWC Cu2O segreguje na granicach ziaren, a w spo- inie lokuje się na granicach kryształów słupkowych, powodując skłonność spoiny do kruchego pękania. Długie utrzymywanie miedzi w temperaturze bliskiej 1000°C skutkuje rozrostem ziarna i „nagromadzeniem” eutektyki i Cu2O, a usunięcie efektów przegrzania możliwe jest tylko w procesie hutniczym. Przegrzanie można rozpoznać czerwoną barwą kruchego przełomu materiału. Stężenie tlenu w połączeniu spawanym i SWC zale- ży od wielu czynników, m.in. od: gatunku miedzi, rodza- ju spoiwa, metody i technologii spawania (warunków wstępnego podgrzewania). W miedzi przeznaczonej do spawania stężenie tlenu nie powinno być wyższe niż ok. 0,015%. Przy czym należy zwrócić uwagę na to, że znaczna ilość tlenu może przeniknąć do obsza- ru spawania podczas wstępnego podgrzewania [3], na skutek dysocjacji CuO z warstwy wierzchniej. W takim przypadku spawanie miedzi pierwotnie nawet beztle- nowej może prowadzić do istotnego wzrostu stężenia tlenu w obszarze spawania. Między innymi z tego po- wodu podjęto próbę opracowania technologii spawania miedzi metodą MIG bez wstępnego podgrzewania. ar nki pawania W ramach prowadzonych prac sprawdzono kilka odmian MIG, jednak zadowalające rezultaty uzyskano jedynie podczas stosowania odmiany SpeedPuls. na rysunku 1 pokazano przebieg natężenia prądu spawania i napięcia łuku w czasie w odmianie Speed- Puls. Specyfika metody MIG-SpeedPuls polega na tym, że kształt impulsu natężenia prądu jest podobny do impul- su w odmianach Puls i TwinPuls tylko w pierwszej fazie narastania wartości natężenia prądu. W fazie amplitu- dowej prędkość narastania wartości natężenia prądu wyraźnie maleje. Podczas obniżania natężenia prądu w odmianie SpeedPuls jego spadek jest wolniejszy do ok. 2/3 wartości szczytowej (widoczny wyraźny uskok na wykresie), następnie opada podobnie jak w odmia- nie Puls. Dzięki takiemu kształtowaniu piku prądowego jego czas trwania jest r dłuższy [4÷6]. Podczas oceny charakteru przechodzenia kropli do kąpieli metalicznej, zarejestrowanego szybkobieżną kamerą 1024 PCI fir- my Photron, zaobserwowano drobnokropelkowe (stru- gowe) przechodzenie metalu. Może to zwiększyć ener- gię spawania i prędkość posuwu drutu elektrodowego [7] w stosunku do metody MIG Standard. Dodatkową zaletą metody jest to, że dzięki odpo- wiednio zaprogramowanej procedurze „odcinającej” krople, koniec drutu elektrodowego po procesie spa- wania ma stożkowy kształt, pozbawiony kropli zasty- gniętego metalu, utrudniającej ponowne zajarzenie łuku. Przed ponownym rozpoczęciem procesu spawa- nia nie występuje konieczność mechanicznego obcina- nia końcówki drutu elektrodowego. Proces spawania SpeedPuls jest jedną z nowszych odmian metody MIG (również MAG) przeznaczoną do wysokowydajnego spawania. Celem prowadzonych badań było uzyskanie wa- runków wykonania prawidłowego złącza spawanego doczołowego (spoina czołowa ukosowana na X gru- bości 10 mm) elektrolitycznej miedzi bez wstępnego podgrzewania. Badania wykonywano w laboratorium Zakładu Inży- nierii Spajania Politechniki Warszawskiej. W ramach badań wykonano złącza doczołowe z miedzi stosowa- nej na przewody elektryczne używane w elektrowniach wiatrowych. Do spawania zastosowano jako materiał dodatkowy drut spawalniczy Doex Copper Din 1733 SG-CuSn marki MOST o średnicy 1,2 mm [2], jako gazu osłonowego użyto argonu 5.0 Grupa I1 (wg Pn- En ISO 14175). Proces spawania prowadzono również w warunkach produkcyjnych, a uzyskaną wydajność porównywano z wydajnością spawania próbki wzorcowej wykonanej metodą TIG z podgrzewaniem wstępnym. Próby spa- wania wykonano ręcznie z zastosowaniem natężenia prądu spawania ok. 280 A. Do badań zastosowano urządzenia firmy LORCH: Saprom S (SpeedPuls). Ry 1 Przebieg zmian natężenia prądu spawania w funkcji czasu w metodzie MIG-SpeedPuls ig 1 Changes of welding current as a function of time in the MIG- SpeedPuls method 4 Przegląd sPawalnictwa 1/2014 Do badań próbnych zaprojektowano, a następnie wykonano stanowisko badawcze. Podczas badań zastosowano spawanie ręczne, podobnie jak w rzeczy- wistych warunkach prefabrykacji w firmie produkcyjnej. na rysunku 2 widać gotowe złącza spawane po ob- róbce mechanicznej oraz ogólny obraz konstrukcji. Ry 2 Płyta miedziana o grubości 10 mm z zaznaczonymi spoinami ig 2 The copper plate with a thickness of 10 mm with the joints ła ciwo ci złącza na rysunku 3 przedstawiono budowę złącza spa- wanego ze spoiną doczołową ukosowaną na X niesy- metrycznie. Mikrostrukturę w obszarze linii wtopienia przedstawiono na rysunku 4. Mikrostruktura spoiny jest właściwa dla spoin sto- pów miedzi. Podstawowe składniki mikrostruktury to kolumnowe kryształy, charakterystyczne dla struktury pierwotnej. Ich orientacja wynika z kierunku odprowa- dzania ciepła ze spoiny do materiału rodzimego. Ob- serwowana linia wtopienia jest regularna, wtopienie nieznaczne, a mimo to brak jest przyklejeń i innych wad wtopienia mogących występować podczas spa- wania bez wstępnego podgrzewania. Bardzo interesująca jest mikrostruktura obszaru wtopienia po stronie materiału rodzimego. Charakte- rystyczna strefa przegrzania (jaka występuje podczas spawania ze wstępnym podgrzewaniem) w tym przy- padku w zasadzie nie istnieje. Podczas wnikliwych badań struktury tego obszaru zaobserwowano jedynie nieznaczną rekrystalizację w pasmie o szerokości ok. 200 µm, gdzie średni wymiar ziarna wzrósł z ok. 80 do 150 µm. Jedynym zaobser- wowanym mankamentem uzyskiwanych połączeń był wyraźny nadlew lica, który w przypadku wymaganego usunięcia obniżał uzysk spoiwa. Ry 3 Makrostruktura spoiny czołowej X o grubości 10 mm spa- wanej metodą MIG-SpeedPuls bez podgrzewania wstępnego (linią przerywaną zaznaczono miejsca pomiaru twardości) ig 3 Macrostructure of butt weld X 10 mm MIG-SpeedPuls welded without preheating (dashed line shows location of hardness testing) W kolejnym etapie zbadano twardość w charakte- rystycznych obszarach spoiny i materiału podłoża. Pomiaru dokonano za pomocą mikroskopu z mikro- twardościomierzem – Leitz Wetzlar. Otrzymane wyniki posłużyły do wykonania wykresu rozkładu twardości w przekroju poprzecznym spoiny czołowej w linii za- znaczonej na rysunku 3. Ry 4 Mikrostruktura obszaru linii wtopienia ig 4 The microstructure of the fusion boundary area Ry 5 Rozkład twardości w przekroju poprzecznym złącza doczo- łowego spoina X ig 5 Distribution of hardness in the cross-butt weld X 5Przegląd sPawalnictwa 1/2014 na rysunku 5 przedstawiono rozkład twardości w próbce pobranej ze spoiny. na wykresie zaznaczono wartości średniej arytme- tycznej oraz odchylenia standardowego dla serii czte- rech niezależnych pomiarów. Ze względu na małą liczbę pomiarów (cztery) osta- teczny wynik został pomnożony przez tzw. współczyn- nik rozkładu t-Studenta o 3 stopniach swobody, na po- ziomie ufności 95%. Z przedstawionego wykresu wynika, że twardość materiału rodzimego w obszarze linii wtopienia prak- Literat ra [1] Chmielewski T., Golański D.: napawanie brązu berylowego stellitem metodą MCAW. Przegląd Spawalnictwa, nr 10/2011 s. 23-27. [2] Katalog RYWAL-RHC. Wydanie trzecie, Toruń 2011 r. [3] LEI Yu-cheng, YU Wen-xia, LI Cai-hui, CHEnG Xiao-nong.: Simulation on temperature field of TIG welding of copper wi- thout preheating. Trans. nonferrous Met. Soc. China 16, 838- 842, 2006. [4] Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: Porównanie wy- branych właściwości nowoczesnych spawalniczych inwerto- rowych źródeł energii przeznaczonych do spawania metodą MAG. 51. naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza, Dębe 22-24.10.2009. [5] Węglowski M., Chmielewski T.: Efektywność spawania w odmianach metody MAG na podstawie wybranych właści- wości spawalniczych, I Konferencja Polskiej Izby Producen- tów Urządzeń i Usług „nowoczesne Technologie Obróbki Metali”, Bydgoszcz, 31 marca-1 kwietnia 2011. [6] Węglowski M., Chmielewski T.: Badania właściwości urzą- dzeń z wewnętrzną przemianą częstotliwości przeznaczo- nych do spawania metodą MAG. XVII Międzynarodowa Kon- ferencja Spawalnicza Energetyków, Opole - Turawa, 20-23 kwietnia 2010. [7] Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: Porównanie właści- wości spawalniczych inwertorowych źródeł energii przezna- czonych do spawania metodą MAG. Przegląd Spawalnictwa nr 10/2009 s. 81-83. Pod mowanie Przeprowadzone badania dowodzą, że możli- we jest spawanie stosunkowo grubych blach mie- dzianych metodą MIG w odmianie SpeedPuls bez stosowania podgrzewania wstępnego. Uniknięcie wstępnego podgrzewania stopów miedzi przed spawaniem daje wymierne korzyści w postaci ogra- niczenia stężenia tlenu w obszarze spawania, od- kształcenia i naprężeń własnych złącza oraz znacz- nego skrócenia czasu potrzebnego do wykonania spoiny. Porównując wydajność spawania spoiny o gru- bości 10 mm z ukosowaniem na X metodą MIG- SpeedPuls do spawania tej spoiny metodą TIG z podgrzewaniem, stwierdzono ok. 4-krotny wzrost wydajności spawania mierzony masą stopionego spoiwa w jednostce czasu. Ważną cechą uzyskane- go połączenia jest brak wyraźnej strefy przegrzania występującej w większości przypadków spawania metodami łukowymi. tycznie nie uległa zmianie na skutek działania cyklu cieplnego spawania. Podczas stosowania tradycyjnego spawania z pod- grzewaniem wstępnym stopów miedzi, na skutek prze- grzania tej strefy i znacznej rekrystalizacji rejestruje się zwykle wyraźny nieodwracalny spadek twardości [1, 3]. W spoinie zaobserwowano duże różnice twardości przy jednoczesnym dużym odchyleniu standardowym. Wskazuje to na znaczne zróżnicowanie składników mi- krostruktury, w tym wymiarów i orientacji kryształów. Przegląd Spawalnictwa elding tec nology Re iew r r Przegląd Spawalnictwa uruchomił możliwość wolnego dostępu do pełnych treści artykułów w ramach Open Access Library. Artykuły w języku angielskim w formacie PDF zamieszczane są na tronie internetowej redakcji: www p paw p pl. Autorów zainteresowanych publikacją w Open Access Library prosimy o przesy- łanie artykułów w języku polskim i angielskim. W miesięczniku nastąpi publikacja w języku polskim, a tekst w języku angielskim zostanie zamieszczony na stronie internetowej.