201309_PSpaw_gjgy.pdf 50 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Kontrola jakości połączeń lutowanych Quality inspection of brazed joints  r in . Maciej ański – Instytut Spawalnictwa, Gliwice. A stract Specification of quality standards using for brazed joints. Imperfection which are most often in brazed joint and reasons for coming into existence. Review of clas- sic of non destructive testing (nDT) and destructive (DT). Usability of nDT and DT to examination of different type of brazed joints. Results of quality examination of brazed joints with the aim of active thermography as a modern non destructive testing method. treszczenie W artykule zawarto zestawienie norm jakościowych stosowanych dla połączeń lutowanych twardym lutem. Przedstawiono najczęściej występujące niezgodności lutownicze w połączeniach lutowanych i główne przy- czyny ich powstawania. Przeprowadzono przegląd kla- sycznych metod badań niszczących i nieniszczących oraz określono ich przydatność do badań połączeń luto- wanych w zależności od ich konstrukcji. Przedstawiono wyniki badań jakości połączeń lutowanych z wykorzy- staniem termografii aktywnej jako nowatorskiej metody badań nieniszczących. Wstęp Pomimo, że lutowanie należy do najstarszych me- tod spajania różnych materiałów, to nadal znajduje zastosowanie w wielu, nawet najbardziej rozwiniętych gałęziach przemysłu. W przypadku odpowiedzialnych połączeń lutowanych występujących w nowoczesnych produktach niezwykle istotnym problemem jest zapew- nienie ich odpowiedniej jakości. nawet nieznaczne niezgodności lub wady występujące w połączeniach lutowanych mogą powodować widoczne pogorszenie właściwości użytkowych połączeń, a tym samym całe- go wyrobu. Powstawaniu połączenia lutowanego towarzyszą różne zjawiska fizyczne i chemiczne, takie jak: re- dukcja i dysocjacja tlenków pokrywających niemal wszystkie metale i stopy wykorzystywane w technice, zjawiska kapilarne, dyfuzja i wzajemne rozpuszczanie się składników lutu i materiału łączonego oraz krysta- lizacja lutowiny. niewłaściwy przebieg któregokolwiek z tych zjawisk może być spowodowany np. przez źle oczyszczoną powierzchnię elementów lutowanych, wadliwą konstrukcję złącza, niewłaściwie dobranym topnikiem i lutem, niewłaściwą temperaturą i czasem lutowania itp., co może prowadzić do powstawania róż- nego rodzaju niezgodności lub wad. Dlatego dokładną kontrolę jakości powinno się prowadzić nie tylko dla gotowych złączy lutowanych, ale również na poszcze- gólnych etapach ich powstawania [1]. Niezgodno ci lutownicze Klasyfikację i rodzaje niezgodności lutowniczych po- wstających w połączeniach twardo lutowanych ujmuje Pn-En ISO 18279 Lutowanie twarde – Niezgodności w złączach lutowanych na twardo [2]. norma dodatko- wo określa poziom jakości połączeń lutowanych w za- leżności od rodzaju występujących niezgodności i ich geometrii. Podobnie jak w przypadku połączeń spawa- nych Pn-En ISO 18279 wyróżnia trzy poziomy jakości: B – dla wymagań ostrych, C – dla wymagań pośred- nich, D – dla wymagań łagodnych. W Pn-En ISO 18279 niezgodności lutownicze skla- syfikowane są w sześciu grupach: I – pęknięcia, II – pustki, III – wtrącenia stałe, IV – brak połączenia, V – niezgodności kształtu i wymiaru, VI – niezgodności różne. We wszystkich grupach do każdej niezgodności przyporządkowany jest odpowiedni symbol cyfrowo– -literowy (np. 1AAAC – pęknięcie w strefie dyfuzji). Maciej Różański 51Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Przykładowe niezgodności lutownicze wraz z ich ozna- czeniem wg Pn-En ISO 18279 przedstawiono na ry- sunku 1. adania niszcz ce zł czy lutowanych wg PN- N 12 3 Oprócz badań metalograficznych, pozostałe bada- nia niszczące dają informacje jedynie właściwościach mechanicznych badanych połączeń. Tylko na podsta- wie oględzin przełomu (fraktogramu) itp. można okre- ślić ewentualne występowanie niezgodności mogących wpływać na właściwości mechaniczne złącza. należy zawsze pamiętać, że kryteria oceny jakości połączeń lutowanych mogą być różne. W pewnych przypadkach wytrzymałość samego połączenia będzie miała zna- czenie drugorzędne – ważniejsza będzie jego szczel- ność lub przewodność elektryczna i wówczas zwykle nie będzie wymagane badanie wytrzymałości. W przypadku połączeń lutowanych rozróżnia się dwa podstawowe typy połączeń: zakładkowe i doczołowe. Przy czym w przypadkach, w których wymaga się pewnego poziomu wytrzymałości, połą- czenia powinny być projektowane jedynie jako połą- czenia zakładkowe, tak aby lutowina przenosiła ob- ciążenia ścinające. Rodzaje i sposoby prowadzenia badań niszczących podano w Pn-En 12797 Lutowa- nie twarde. Badania niszczące złączy lutowanych na twardo, w której opisano następujące metody badań: – statyczna próba na ścinanie, – statyczna próba na rozciąganie, – badania metalograficzne, – pomiary twardości, – próba odrywania, – próba zginania. Obszerny pęcherz gazowy Oznaczenie wg normy: 2LIAA niezgodność kształtu Oznaczenie wg normy: 5AAAA Wtrącenia topnikowe Oznaczenie wg normy: 3CAAA Pęknięcie Oznaczenie wg normy: 1AAAB nadmiar lutowiny twardej Oznaczenie wg normy: 6BAAA Erozja spoiwem Oznaczenie wg normy: 5FABA ys. 1. Przykładowe niezgodności lutownicze oraz ich oznaczenia wg Pn-En ISO 18279 ig. 1. Examples of brazed joints imperfections and their designation acc. to Pn-En ISO 18279 Zaznaczono przy tym, że dla pewnych przypad- ków żadna z wymienionych metod badań może nie być przydatna i wówczas wymagane będzie opraco- wanie badań dostarczających wymaganych informa- cji o właściwościach połączenia. tatyczna pr a na cinanie. norma określa przykładowe rodzaje próbek do badań (jedną z nich przedstawiono na rysunku 3a), przy czym jest to tylko propozycja, od której dopuszczalne są odstępstwa. Z normy jednak wynika, że konstrukcja próbek po- winna zapewnić występowanie jedynie naprężeń ści- nających w lutowinie. najłatwiejsza w realizacji, zapewniająca czyste ści- nanie lutowiny i oszczędne dysponowanie materiałem lutowanym jest próba ścinania połączenia lutowanego elementów walcowych lutowanych do czoła (rys. 2). Choć nie jest ona znormalizowana, to prostota realiza- cji zachęca do jej powszechnego stosowania. tatyczna pr a na rozci ganie polega na ob- ciążeniu próbki tak, aby w złączu lutowanym genero- wać jedynie naprężenia rozciągające bez zginania. W normie przedstawiono przykładowe złącze próbne, które może być zmienione w zależności od potrzeb (rys. 3b). należy pamiętać, że wyniki uzyskane w próbie wy- trzymałości na rozciąganie nie dają żadnych informacji o wytrzymałości badanego złącza w próbie ścinania. ys. 2. Statyczna próba „czystego” ścinania połączenia lutowanego ig. 2. Static shearing test of brazed joint 52 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 Pomiar twardo ci umożliwia określenie stanu me- talurgicznego materiału podstawowego, a w przypadku przeprowadzonej obróbki cieplnej daje informację o jej skuteczności. Pomiar twardości jest badaniem stan- dardowym, stosowanym np. w celu zbadania charak- terystyki dyfuzyjnej spoiwa oraz obecności faz między- metalicznych, często decydujących o jakości złącza. norma nie narzuca sposobu pomiaru twardości, ale zapisano w niej, że wyniki uzyskane różnymi metodami badań nie zawsze są porównywalne. adania nieniszcz ce zł czy lutowanych wg PN- N 12 4 Badania nieniszczące, podobnie jak w przypad- ku połączeń spawanych, stanowią bardzo przydat- ne narzędzia pomagające określić jakość połączeń uzyskanych w procesie lutowania. W Pn–En 12799 Lutowanie twarde – Badania nieniszczące złączy lutowanych na twardo do połączeń lutowanych wy- znaczono następujące badania nieniszczące: wizu- alne, ultradźwiękowe, radiograficzne, penetracyjne, szczelności, na obciążenie, termograficzne (termo- grafia aktywna). adania wizualne stanowią podstawową, najtań- szą, a często najskuteczniejszą metodę oceny jako- ści połączeń lutowanych. należy jednak pamiętać, że metoda ta umożliwia wykrycie tylko takich nie- zgodności lub wad w połączeniu lutowanym, które wychodzą na jego powierzchnię. Podstawowe nie- zgodności lub wady wykrywane za pomocą badań wizualnych to: pory powierzchniowe, pęcherze po- wierzchniowe, przemieszczenie kątowe elementów, erozja powierzchni złącza w wyniku oddziaływania lutu, niedobór lutu, nadmiar lutu, liniowe przemiesz- czenie elementów, nieregularna wypływka pachwi- nowa lutowiny itp. Pn–En 12799 wskazuje dodatko- wo inne określone jako różne niezgodności i wady powierzchni, takie jak: pozostałości topnika na po- wierzchni lutowiny, odpryski lutu na powierzchni ma- teriałów łączonych, nadmierne rozpłynięcie lutu, nie- usunięte pozostałości topnika. W normie tej podano niezbędne informacje i wy- tyczne dotyczące sposobu prowadzenia badań wizu- alnych, warunków technicznych oraz zapisu z badań. adania ultrad więkowe wg Pn–En 12799 pro- wadzone są najczęściej techniką echa, choć norma dopuszcza również realizację badań techniką prze- puszczania. W przypadku badań ultradźwiękowych, inaczej jak w przypadku badań wizualnych, możliwe jest wykrycie takich niezgodności lub wad jak: nie- pełne wpłynięcie lutu do szczeliny kapilarnej, duże pęcherze gazowe lub wtrącenia żużla, podłużne pęk- nięcia, małe pęcherze, niepełne zwilżenie powierzch- ni materiału podstawowego i pęknięcia poprzeczne. Przykład badania ultradźwiękowego instalacji ruro- wej metodą echa przedstawiono na rysunku 4. Pr a odrywania stanowi jedną z najprostszych metod badań mechanicznych, a jej podstawowym ce- lem jest określenie stopnia wypełnienia szczeliny lu- tem przez pomiar powierzchni miejsc niezwilżonych. W Pn–En 12797 podano sposób wykonania próbki i metodę jej odrywania (rys. 3c). Ponadto przy zastoso- waniu maszyny wytrzymałościowej próbę można trak- tować jako półilościową, dającą pewne wartości liczbo- we wyrażające wytrzymałość połączenia lutowanego. Pr a zginania daje informacje o zdolności złącza do przenoszenia momentu gnącego podczas eksplo- atacji. W tej próbie złącze lutowane jest odkształcane przez zginanie w celu określenia ciągliwości i odpor- ności na pęknięcie strefy wpływu ciepła, materiałów podstawowych i całej konstrukcji lutowanej. norma do- puszcza dwa sposoby realizacji próby zginania: przez zginanie swobodne lub zginanie kontrolowane wokół trzpienia (płyta z zaokrąglonym końcem) o odpowied- nim, określonym uprzednio promieniu (rys. 3d). Bada- niu poddaje się przeważnie złącza zakładkowe blach, ale również złącza doczołowe i skośne elementów o przekroju okrągłym. adania metalogra czne dzieli się na: badania makroskopowe przy powiększeniu do 30x i badania mikroskopowe przy powiększeniach od 50 do 2000x. ys. 3. Sposoby przygotowania próbek do badań ig. 3. Shapes of specimen for testing Badania makroskopowe umożliwiają określenie wad i niezgodności w złączach, takich jak np. pęcherze gazowe, wtrącenia topnika i pęknięcia, kształt geo- metryczny lutowiny oraz stopień wypełnienia szczeli- ny lutowniczej lutem. Badania metalograficzne mikro- skopowe umożliwiają wykrycie obecności wszelkiego rodzaju wtrąceń niemetalicznych, drobnych pęcherzy gazowych, mikropęknięć, ocenę struktury lutowiny i materiału podstawowego, szerokości strefy dyfuzyj- nej, obecności faz międzymetalicznych, wielkości zia- ren i innych. Pn-En 12797 zaleca, aby próbki do ba- dań metalograficznych przygotować tak, żeby złącze lutowane wykazywało zmienną szerokość, co ułatwia badanie metalograficzne. Ścinanie Rozciąganie Odrywanie Zginanie a c d 53Przegląd sPawalnictwa 9/2013 ys. 4. Badania ultradźwiękowe połączeń mufowych instalacji ru- rowej [5] ig. 4. Ultrasonic testing of bush joints in pipeline [5] adania radiogra czne – ich podstawą jest wy- korzystanie promieniowania rtg lub γ do wykrywania niezgodności w złączach lutowanych, co umożliwia rozpoznawanie krytycznych wewnętrznych niezgod- ności. Intensywność przenikania promieniowania zostaje zmieniona przy przejściu przez materiał i przez niezgodność w materiale. Wykonanie badań radiograficznych może być trudne, gdy współczyn- nik pochłaniania promieniowania X przez spoiwo jest podobny do współczynnika pochłaniania tego pro- mieniowania przez materiał podstawowy. Wówczas kontrast w miejscach występowania ewentualnych niezgodności może być bardzo nieznaczny. Przykła- dowe wyniki badań przedstawiono na rysunku 5. ys. 5. Radiogram połączenia mufowego rur z widocznymi pęche- rzami gazowymi lub wtrąceniami topnika [6] ig. 5. Radiogram of pipes brazed joint with visible gas cavities and flux inclusions adania penetracyjne umożliwiają wykrycie nie- zgodności wychodzących na powierzchnię lutowiny, przy czym rozdzielczość metody, ze względu na ob- raz niezgodności znacznie większy niż jej rzeczywi- sty rozmiar, jest znacznie większa niż w badaniach wizualnych. na rysunku 1 widać pęknięcie w połą- czeniu lutowanym, które w zasadzie było niewykry- walne za pomocą badań wizualnych i dopiero napeł- nienie badanego elementu penetrantem wskazało miejsce występowania niezgodności (pęknięcia). Tak więc badania penetracyjne stanowią również warto- ściowe narzędzie kontroli szczelności połączeń luto- wanych. norma wskazuje na problem całkowitego usunięcia odczynników z powierzchni elementów po badaniach, szczególnie gdy powierzchnia ta jest np. porowata. Wówczas podczas ponownego lutowania (jeżeli jest dozwolone) mogą występować utrudnie- nia związane z pogorszoną zwilżalnością powierzch- ni przez lut lub może dojść do powstania porowa- tości. Zwrócono również uwagę na konieczność dokładnego usunięcia pozostałości potopnikowych z powierzchni lutowanych przed badaniem, gdyż przeważnie wykazują one dużą porowatość i są przy- czyną niewłaściwych wskazań podczas badania. adanie szczelno ci prowadzone jest w celu określenia całkowitego natężenia przecieku obiektu lub złącza lutowanego, albo usytuowania miejsca przecieku. norma rozróżnia dwie podstawowe meto- dy badań szczelności: wykrywania wypływania gazu z obiektu przez złącze lutowane – badanie ciśnienio- we i wykrywania wpływania gazu do obiektu przez złącze lutowane na twardo – badanie próżniowe. Czułość drugiej metody jest o 10 rzędów wielkości większa niż pierwszej. Badania próżniowe prowadzi się z wykorzystaniem helu jako gazu znakującego i spektrometru masowego jako wykrywacza nie- szczelności. Badania ciśnieniowe wykonuje się me- todą pęcherzykową. adania termogra czne w ostatnim dziesięcio- leciu cieszą się coraz większym zainteresowaniem jako metoda badań materiałów inżynierskich wyko- rzystująca wymuszony nieustalony przepływ ciepła, określana często jako termografia aktywna. Metoda ta znajduje zastosowanie również w badaniach po- łączeń lutowanych. Termografia aktywna jest sku- teczną i efektywną metodą badań umożliwiającą wykrycie obszaru połączenia lutowanego, w którym doszło do nieprawidłowego (lub niecałkowitego) wy- pełnienia szczeliny lutowniczej. Metoda jest oparta na zasadzie nieustalonego przepływu ciepła (na drodze przewodzenia) przez lutowinę łączącą dwa elementy, przy czym skutkiem tego przepływu ciepła jest przejściowy rozkład temperatury na zewnętrznej powierzchni elementu znajdującego się po stronie przeciwległej do strony, na której powierzchnia jest nagrzewana. nagrzewanie powierzchni jednego z elementów odbywa się w sposób impulsowy celem wywołania nieustalonego przepływu ciepła, nato- miast uzyskany przejściowy rozkład temperatury na zewnętrznej powierzchni elementu analizowany jest z zastosowaniem kamery termowizyjnej. Wyniki ba- dań przykładowych złączy lutowanych prowadzonych z wykorzystaniem termografii aktywnej przedstawio- no na rysunku 6. 54 Przegląd sPawalnictwa 9/2013 ys. . Wyniki badań stopnia wypełnienia szczeliny lutowniczej z wykorzystaniem: a) badań radiograficznych, b) termowizji aktywnej [7] ig. . Results of the degree of brazing gap filling by solder with the use of: a) radiographic examination, b) active thermography examina- tion Podsumowanie niezgodności występujące w połączeniach lutowa- nych w większym lub mniejszym stopniu wpływają na ich właściwości użytkowe. Istotne z punktu widzenia jakości połączeń jest zatem umiejętne rozpoznanie występujących w nich niezgodności i oszacowanie ich wpływu na te właściwości. Klasyfikacji niezgodności lu- towniczych dokonano w Pn-En ISO 18279 Lutowanie twarde. Niezgodności w złączach lutowanych na twar- do. Określono w niej również zależność pomiędzy geo- metrią niezgodności i jej wielkością a poziomem jakości połączenia lutowanego. Pomocne w rozpoznawaniu rodzaju niezgodności są metody badań nieniszczą- cych, których zasady określa Pn-En 12799 Lutowa- nie twarde. Badania nieniszczące złączy lutowanych na twardo. Z kolei oceny właściwości mechanicznych połączeń lutowanych można dokonać na podstawie Pn-En 12797 Lutowanie twarde. Badania niszczące złączy lutowanych na twardo, określającej zasady pro- wadzenia badań niszczących połączeń lutowanych. Literatura [1] Ciszewski A., Radomski T.: Obróbka oraz łączenie tytanu i jego stopów, WnT, Warszawa 1984. [2} Pn-En ISO 18279:2008P Lutowanie twarde. niezgodności w złączach lutowanych na twardo. [3] Pn-En 12797:2002 Lutowanie twarde. Badania niszczące złą- czy lutowanych na twardo. [4] Pn-En 12799:2003 Lutowanie twarde. Badania nieniszczące złączy lutowanych na twardo. [5] www.olympus-ims.com, 24.06.2013 [6] www.cemosxray.com, 24.06.2013 [7] Pawlak S., Różański M., Muzia G.: Zastosowanie termogra- fii aktywnej do badań nieniszczących połączeń lutowanych, Przegląd Spawalnictwa, nr 2/2013, s. 24-28. a) b) apowied wydawnicza Komórkowa struktura i wyjątkowe cechy pian aluminio- wych są przyczyną problemów ich cięcia i spajania. W refera- cie przedstawione metody wytwarzania, strukturę, właściwości i zastosowania aluminiowych pian metalicznych. Scharakte- Jerzy Nowacki, Janusz Grabian, Sławomir Krajewski Pro lemy lutowania pian aluminiowych Referat wygłoszony na 4. Międzynarodowej Konferencji naukowo Technicznej Postęp w technologiach lutowania, Politechnika Wrocławska, Wrocław, 23-25 września 2013 r. Artykuł zostanie opublikowany w numerze 1/2014 Przeglądu Spawalnictwa. ryzowano również sposoby cięcia pian wodą i elektroiskrową, jako metod przygotowania krawędzi do lutowania oraz technik łączenia pian: mechanicznych i spawalniczych ze szczegól- nym naciskiem na ich lutowanie miękkie i twarde.