201309_PSpaw_gjgy.pdf 45Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Jerzy Jakubowski Mariusz Bober Tomasz Rudaś Struktura złączy lutospawanych metodą CMt stali ocynkowanej ogniowo the structure of cMt brazed hot-dip galvanized   steel joints r in . erzy aku owski, dr in . Mariusz o er, Tomasz uda – Politechnika Warszawska. A stract The structure of hot-dip galvanized steel butt joints, ob- tained by the CMT low energy method was investigated. It has been shown that high quality joints are formed, with- out damaging the zinc coating near the weld. The zinc forms a solution of copper, and silicon segregate at the interface with the steel. In places where there is a small partial melting of the substrate the Fe-Si solutions are be- ing formed. treszczenie Badano strukturę złączy doczołowych stali ocynko- wanej ogniowo, otrzymanych niskoenergetyczną me- todą CMT. Wykazano, że tworzą się złącza o wysokiej jakości, bez naruszenia powłoki cynku w pobliżu spoiny. Cynk tworzy roztwór z miedzią, natomiast krzem segre- guje na granicy międzyfazowej ze stalą, a w miejscach, gdzie dochodzi do niewielkich nadtopień podłoża, two- rzą się roztwory Fe-Si. Wstęp Lutospawanie jako technologia spajania metali jest znane już od dawna, ale ostatnio rozwija się dy- namicznie. Obok dobrze znanych i wielokrotnie opi- sywanych, także w krajowej literaturze technicznej, technologii wykorzystujących „klasyczne” metody spa- wania łukowego w osłonie gazów, pojawiły się informa- cje o zastosowaniu do tego celu laserów, diodowego i dyskowego, a także niskoenergetycznych metod: ColdArc, STT i CMT (np. [1÷6]). Lutospawanie jest dobrą metodą łączenia blach ocynkowanych, z uwagi na zachowanie powłoki ochronnej w obszarze przylegającym do złącza, co nie jest możliwe przy spawaniu takich blach. Jednak i w tym przypadku należy wziąć pod uwagę to, że ty- powe spoiwa stosowane do tego celu na bazie miedzi mają temperaturę topnienia rzędu 1000ºC, natomiast temperatura topnienia i wrzenia czystego cynku wyno- si odpowiednio 419,5°C i 907°C. Z tego względu bla- chy z cieńszymi powłokami galwanicznymi na bazie cynku stwarzają mniej problemów niż blachy cynkowa- ne ogniowo. Lutospawanie blach ocynkowanych, w tym zwłasz- cza galwanicznie, może być prowadzone różnymi me- todami, o czym świadczą liczne publikowane wyniki badań, także krajowych: MIG/MAG [7, 8], TIG [3], PTA [9], laserem [10]. Szczególnie skuteczne są metody o niskiej, kontrolowanej energii liniowej [11], umożliwia- jące nawet lutospawanie stopami cynku o temperatu- rze topnienia zaledwie ok. 450ºC. W tym przypadku warstwa cynku pozostaje zupełnie nienaruszona w złą- czu (metoda ColdArc [6]). W ramach niniejszej pracy badano strukturę złączy blach stalowych z grubą powłoką cynku nałożoną me- todą ogniową, uzyskanych przy zastosowaniu nisko- energetycznej metody CMT. Przygotowanie pr ek Materiały do adań Próby lutospawania wykonano na ocynkowanych ogniowo blachach ze stali niskowęglowej GALV – DX52D+Z275-M-A-CE wg En 10346. Skład chemiczny tej stali oraz jej właściwości mechaniczne przedstawio- no w tablicach I i II. na rysunku 1a przedstawiono ciągłą powłokę cynku o grubości 19÷21 µm na powierzchni blachy, a na rysunku 1b mikrostrukturę stali. Widocz- ne są wyraźnie ukierunkowane na skutek przeróbki plastycznej ziarna ferrytu. 46 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Materiał dodatkowy do spawania stanowił drut lity CuSi3Mn o średnicy 1,0 mm wyprodukowany przez fir- mę Bedra. Skład chemiczny i właściwości mechanicz- ne tego drutu wg En 10204 zamieszczono w tablicach III i IV. Temperatura topnienia spoiwa CuSi3Mn nie przekraczała 1050ºC. Wykonanie zł czy Próby lutospawania wykonano na stanowisku zro- botyzowanym wyposażonym w robota przemysłowego IRp6. Przed procesem blachy dokładnie oczyszczono wodnym roztworem kwasu solnego. Wykonano serię Ta lica I. Skład chemiczny stali GALV – DX52D+Z275-M-A-CE wg atestu producenta i równowaćnik węgla Ce, % wag., reszta Fe Ta le I. Chemical composition of GALV – DX52D+Z275-M-A-CE steel acc.g to certificate of the manufacturer, % mas., Fe balance Ta lica II. Właściwości mechaniczne GALV – DX52D+Z275-M-A-CE Ta le II. Mechanical properties of GALV – DX52D+Z275-M-A-CE ys. 1. Struktura materiału rodzimego: a) widok naniesionej powłoki cynku, b) mikrostruktura blachy stalowej ig. 1. The structure of base material: a) the view of deposited zinc coating, b) the microstructure of steel shee Ta lica I . Właściwości mechaniczne drutu litego CuSi3Mn wg En 10204 Ta le I . Mechanical properties of CuSi3Mn solid wire acc. to En 10204 a C Mn P S Si Al nb Cu ni Ce 0,028 0,181 0,006 0,005 0,014 0,034 0,001 0,021 0,019 0,0605 Próbka Re, MPa Rm, MPa Amin, % 2719 259 334 33 2745 263 342 33 Cu Ag Al Mn Fe ni P Pb Si Sn Zn reszta do 0,05 do 0,01 0,75 – 0,95 do 0,10 do 0,05 do 0,02 do 0,01 2,80 – 2,95 do 0,05 do 0,10 Ta lica III. Skład chemiczny drutu litego CuSi3Mn wg En 10204, % wag. Ta le III. Chemical composition of CuSi3Mn solid wire acc. to En 10204, wt.%. Średnica drutu mm Rm, MPa A5, % 0,97–0,99 900–1100 1–5 Ta lica . Parametry procesu lutospawania Ta le . The parameters of CMT brazing I A U V Vsp mm/s Ve m/min Lw mm ΔL Δμ Q dm3/min Pozycja spawania S mm Gaz osłonowy 45 10,8 5 2,6 10÷12 10 -2 12 PA 1 Ar + 18% CO2 badań wstępnych dla różnych wariantów parametrów zmiennych, takich jak: I – natężenie prądu, U – napię- cie łuku, Vsp – prędkość lutospawania, Ve – prędkość podawania drutu elektrodowego, Lw – długość wolnego wylotu elektrody, ΔL – korekta długości łuku, Δµ – ko- rekta indukcyjności, Q – wydatek gazu, S – szerokość szczeliny. Badania wstępne wykazały, że istotnymi parametrami decydującymi o poprawności wykonania złącza są m.in.: szerokość szczeliny, rodzaj gazu osło- nowego oraz długość wolnego wylotu elektrody. Spa- wanie w osłonie czystego argonu nie przyniosło ocze- kiwanych efektów. Dodatek CO2 do argonu wpływał na zmniejszenie napięcia powierzchniowego stopiwa, a więc sprzyjał lepszemu kształtowaniu się spoiny. na podstawie badań wstępnych ustalono parametry proce- su, dla których otrzymywano poprawne spoiny (tabl. V). adania struktury zł czy adania makroskopowe Obserwacjom makroskopowym poddano wszystkie złącza lutospawane. Badania prowadzono wizualnie oraz z wykorzystaniem mikroskopu stereoskopowego. 47Przegląd sPawalnictwa 9/2013 na rysunku 2 przedstawiono widok przykładowej luto- spoiny od strony lica i grani. Od strony lica wyraźnie widoczna jest strefa, w której powłoka cynku uległa nadtopieniu, a następnie ponownie krystalizowała. Zarówno lico, jak i grań lutospoiny zostały prawidłowo uformowane. Od strony grani powłoka cynku jest ciągła i przylega do spoiny. Wybrane złącza lutospawane poddano statycznej próbie rozciągania. Przeprowadzone próby wykaza- ły, że właściwości mechaniczne złączy są wyższe niż materiału podstawowego. We wszystkich przypadkach zerwanie wystąpiło w materiale podstawowym. na ry- sunku 3 przedstawiono próbkę po rozciąganiu, a w ta- blicy VI wyniki tej próby. na rysunku 4 pokazano makrostrukturę lutospoiny od strony lica (a) i grani (b). Widoczny jest brak ubytków warstwy ochronnej. Morfologia powierzchni powłoki cyn- kowej świadczy o jej roztopieniu podczas procesu i po- nownej krystalizacji po przejściu źródła ciepła (rys. 4a). Lico i grań mają prawidłowe kształty. na przekrojach po- przecznych (rys. 4c) nie zaobserwowano niezgodności spawalniczych takich jak: pęknięcia, pęcherze gazowe lub porowatość. Granica międzyfazowa lut–podłoże jest ciągła. Zauważono tylko nieznaczne lokalne nadtopie- nie łączonych blach (rys. 4c). adania mikroskopowe Obserwacje mikroskopowe przeprowadzono na tra- wionych zgładach przekrojów poprzecznych. Do ob- serwacji i rejestracji mikrostruktury wykorzystano sta- nowisko wyposażone w mikroskop świetlny Olympus IX 70 z możliwością cyfrowego zapisu obrazu. Bada- no złącza od strony lica i grani (rys. 5). Szczegółowo obserwowano granicę międzyfazową materiał podło- ża – lutowina. Zauważono nieznaczny rozrost ziaren w materiale rodzimym tuż przy linii wtopienia (rys. 5a i b). Mikrostrukturę grani przedstawiono na rysun- kach 5c i 5d. Zaobserwowano łagodne przejście grani do materiału rodzimego oraz warstwę ochronną bez uszkodzeń. Ustalono, że występują dwa charak- terystyczne obszary na granicy międzyfazowej pod- łoże–lut. Pierwszy, kiedy powłoka cynku rozpuszcza się całkowicie w ciekłym spoiwie bez nadtopienia sta- lowego podłoża (rys. 5b) i drugi, kiedy topi się także warstwa cynku i jednocześnie nadtapia się lokalnie materiał podłoża (rys. 5a). Te dwa charakterystyczne obszary badano szcze- gółowo, stosując mikroskop skaningowy Joel 663 wy- posażony w spektrometr (WDS). W reprezentatywnych obszarach wykonano analizę jakościową powierzchnio- wych stężeń pierwiastków: Cu, Zn, Fe, Si oraz rozkład ys. 2. Spoina od strony: a) lica, b) grani ig. 2. The weld from: a) the face, b) the root ys. 3. Złącze po próbie rozciągania ig. 3. The joint after tensile testing nr próbki Szerokość – amm Grubość – b mm Maks. siła rozciągająca, kn Rm MPa 15 14,46 1,21 6,53 373 Parametry lutospawania: I – 45 A; U – 10,8 V; Vsp – 5 mm/s Ta lica I. Wyniki statycznej próby rozciągania Ta le I. The results of static tensile testing ys. 4. Makrostruktura połączenia lutospawanego: a) widok lica, b) widok grani, c) przekrój poprzeczny ig. 4. The macrostructure of the CMT brazed joint: a) face view, b) root view, c) transverse cross-section a a c tych pierwiastków wzdłuż linii prostopadłej do granicy międzyfazowej. na rysunku 6 przedstawiono mikro- strukturę granicy międzyfazowej z obszaru, gdzie topiła się powłoka cynku i mieszała z ciekłym lutem, a mate- riał podłoża nie nadtapiał się. Granica ta jest ciągła bez 48 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 widocznej warstwy przejściowej. na kolejnych zdjęciach pokazano rozkłady powierzchniowe stężeń analizo- wanych pierwiastków. Z badań tych wynika, że krzem wyraźnie segreguje w pobliżu granicy międzyfazowej, natomiast miedź i rozpuszczony cynk są równomiernie rozmieszczone w lutowinie, tworząc roztwór. ys. 5. Mikrostruktury lutospoiny z charakterystycznych obszarów badań od strony: a, b) lica, c, d) grani ig. 5. The microstructure of CMT braze with specific test areas from: a, b) the face, c, d) the root ys. . Mikrostruktura granicy międzyfazowej podłoże – lut z obsza- ru, w którym nie nastąpiło nadtopienie blachy stalowej, oraz rozkłady powierzchniowe stężeń podstawowych pierwiastków ig. . The microstructure of substrate – braze interfacial boundary from the region where there was no melting of steel sheet and the surface distribution of concentration of the base elements ys. . Mikrostruktura granicy międzyfazowej podłoże – lut z ob- szaru, w którym nastąpiło lokalne nadtopienie blachy stalowej, oraz rozkłady powierzchniowe stężeń podstawowych pierwiastków ig. . The microstructure of substrate – braze interfacial boundary from the region of local melting of steel sheet and the surface distri- bution of concentration of the base elements Mikrostrukturę granicy międzyfazowej materiał rodzi- my–lutowina dla przypadku, gdy dodatkowo dochodzi do lokalnego nadtopienia stalowego podłoża, przedsta- wiono na rysunku 7. Jakkolwiek granica ta jest ciągła, to wyraźnie widoczne są wydzielenia nowych faz. Roz- kłady powierzchniowe stężeń pierwiastków wskazują, że obszar ten jest bogaty w krzem i żelazo, natomiast miedź o większym powinowactwie do cynku tworzy z nim roztwór. Podsumowanie Lutospawanie z zastosowaniem niskoenergetycznej metody CMT przynosi zadowalające efekty w łączeniu blach ocynkowanych ogniowo, dając złącza o wysokiej jakości. Zredukowana wartość energii cieplnej wpro- wadzonej do złącza nie uszkadza warstwy cynkowej. Badania struktury złączy wskazują na ciągłą granicę lutowina–podłoże i brak porowatości spoiny. Cynk tworzy roztwór z miedzią, natomiast krzem segreguje na granicy z żelazem. W miejscach, gdzie doszło do niewielkiego, lokalnego nadtopienia podłoża, tworzy się roztwór Fe-Si. 49Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Literatura [1] Gawrysiuk W.: Technologia lutospawania łukowego. Zalece- nia technologiczne i przemysłowe przykłady zastosowania, Przegląd Spawalnictwa 3/2005, s.35-40. [2] Gawrysiuk W., Pfeifer T., Winiowski A.: Charakterystyka tech- nologii lutospawania łukowego MIG/MAG, Przegląd Spawal- nictwa 2-3/2005, s.7-20. [3] Górka J., Kupiec K.: Technologia lutospawania TIG stalowych ocynkowanych blach karoseryjnych, Biuletyn Instytutu Spa- walnictwa 4/2009, s.62-66. [4] Klimpel A., Górka J., Janicki D., Zyska T., Pniewska A.: Tech- nologia lutospawania laserowego stali austenitycznej, Prze- gląd Spawalnictwa 9/2007, s.63-70. [5] Banasik M., Stano S., Dworak J.: Lutospawanie laserowe na stanowiskach zrobotyzowanych, Biuletyn Instytutu Spawal- nictwa 5/2012, s.134-139. [6] De Dompablo M.: nowe rozwiązania w technologii spawania ColdArc i ForceArc, Przegląd Spawalnictwa 7-8/2009, s.12- 17. [7] Klimpel A., Czypryński A., Górka J.: Lutospawanie metodą GMA cienkich blach ocynkowanych, Przegląd Spawalnictwa 8-9/2004, s.81-85. [8] Różański M., Gawrysiuk W.: Lutospawanie MIG/MAG blach ocynkowanych i przykłady trudno spawalnych układów mate- riałowych, Przegląd Spawalnictwa 9/2007, s.7-12. [9] Klimpel A., Czypryński A., Górka J.: Lutospawanie plazmowe PTA złączy doczołowych stalowych blach karoseryjnych dwu- stronnie galwanizowanych cynkiem, Przegląd Spawalnictwa 9-10/2006, s.72-75. [10] Klimpel A., Czypryński A., Górka J.: Lutospawanie laserowe ocynkowanych blach karoseryjnych, Biuletyn Instytutu Spa- walnictwa 6/2006, s.39-43. [11] Matusiak J., Pfeifer T.: niskoenergetyczne metody spawania łukowego w osłonie gazów - wpływ warunków materiało- wo-technologicznych na jakość złączy i emisję zanieczysz- czeń do środowiska pracy, Biuletynu Instytutu Spawalnictwa 5/2008, s.85-92. Imię i nazwisko Kontakt do osoby zamawiającej: Adres nIP amawiam artykuły Nr zeszytu ..........., rok ............., strony ..................... Nr zeszytu ..........., rok ............., strony ..................... Nr zeszytu ..........., rok ............., strony ..................... Cena 1 artykułu z numeru archiwalnego w wersji elektronicznej: 21 zł (w tym 5% VAT) r r r r r r r r pspaw@ps.pl Wpłaty nale y dokona na rachunek ankowy Bank BPH S.A. Oddział w Warszawie 45 10 0 00 0000 3200 0043 1 3 Artykuły wysyłane s drog elektroniczn w ci gu 2 dni od otrzymania zam wienia. AK A Przegl d pawalnictwa AW IMP ul. Świętokrzyska 14a, 00-050 Warszawa tel.: 22 827 25 42, faks: 22 336 14 79 Podpis Firma N N Oświadczam, że jestem podatnikiem Vat i upoważniam firmę do wystawienia faktury bez podpisu Adres e-mail