PS 5 2016 WWW.pdf 89PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 5/2016 Wybrane możliwości technologiczne hybrydowej metody spawania Plasma-MAG Selected technology abilities of Plasma-MAG hybrid welding process Mgr inż. Jacek Szulc – SupraElco Warszawa; dr hab. inż. Tomasz Chmielewski, prof. PW.; dr inż. Marek Węglowski – Akademia Spawania, Józefów. Autor korespondencyjny/Corresponding author: t.chmielewski@wip.pw.edu.pl Streszczenie W artykule scharakteryzowano innowacyjną metodę spawania hybrydowego będącą ekonomiczną alternatywą dla spawania hybrydowego laser-MAG. Przedstawiono wy- brane możliwości technologiczne oraz wybrane wyniki ba- dań metalograficznych spoin czołowych wykonywanych metodą wysokowydajnego spawania hybrydowego Plasma- MAG. Przedstawiono korzyści techniczne i ekonomiczne wy- nikające z zastosowania opisanego rozwiązania. Słowa kluczowe: spawanie hybrydowe; spoiny czołowe; metalografia Abstract The article describes an innovative method of hybrid welding being economical alternative to welding hybrid la- ser-MAG. Selected technological capabilities and selected results of metallographic butt welds made by means of high- plasma hybrid welding MAG has been presented. The paper presents technical and economic benefits resulting from the use of the described solution. Keywords: hybrid welding; butt welds; metallography Wstęp Spawanie hybrydowe zgodnie z definicją Międzynarodo- wego Instytutu Spawalnictwa polega na połączeniu i jedno- czesnym stosowaniu dwóch różnych pod względem źródła ciepła metod spawania. Dodatkowym warunkiem uznania metody spawania za hybrydową jest tworzenie za pomo- cą kilku źródeł ciepła wspólnego jeziorka spawalniczego. Najczęściej spotykane hybrydy spawalnicze bazują na po- łączeniu lasera z innym spawalniczym źródłem ciepła, np. GTA, GMA lub nagrzewaniem indukcyjnym [1÷3]. Połączenie spawania plazmowego i GMA (Gas Metal Arc) z pozoru nie spełnia tego warunku, gdyż w obu przypadkach mamy do czynienia z łukiem elektrycznym. Należy jednak zwrócić uwagę, iż pomimo tego, że oba źródła ciepła bazują na łuku elektrycznym, to jednak znacznie się od siebie różnią. Spo- sób nagrzewania materiału rodzimego w metodach opar- tych na łuku „swobodnym” ma charakter przewodnościowy, a łuk plazmowy w wysokim stopniu zjonizowany o wysokiej temperaturze i gęstości mocy umożliwiającej powstanie kanału parowego (ang. keyhole) przekazuje ciepło do ma- teriału spawanego w głównej mierze poprzez bombardowa- nie elektronami anody (choć mechanizm przewodnościowy również funkcjonuje), w związku z czym nagrzewanie ma- teriału ma charakter gwałtowny i następuje w wyniku po- chłaniania energii strumienia elektronów na skutek zderzeń elektronów z siecią krystaliczną materiału. Poziom ener- gii kinetycznej elektronów, zamienianej w energię cieplną na skutek zderzenia, zależy od stopnia jonizacji i wartości Jacek Szulc, Tomasz Chmielewski, Marek Węglowski napięcia przyśpieszającego. Dwa z pozoru podobne źró- dła energii spawania w różny sposób przekazują ciepło do materiału obrabianego. Spawanie plazmowe w technice kanału parowego (keyhole PAW) ma istotną przewagę wobec metod spawania łukowego (np. GTA, czy GMA) pod wzglę- dem głębokości „wtopienia”, poziomu i stanu naprężeń wła- snych w złączu [4]. Pomimo, iż gęstość mocy w porównaniu do spawania laserowego (LBW) i wiązką elektronów (EBW) jest niższa, to spawanie plazmowego w technice kanału parowego jest bardziej ekonomiczne pod względem energe- tycznym (wyższa sprawność źródła energii) oraz z punktu widzenia kosztów przygotowania brzegów do spawania, z tego powodu często znajduje zastosowanie w przemyśle. Spawanie hybrydowe Plasma+MAG Uwarunkowania ekonomiczne rynku spawalniczego sty- mulują poszukiwanie nowych wysokowydajnych oraz cha- rakteryzujących się wysoką jakością metod spawania przy jednocześnie spełnionym warunku umiarkowanych kosztów procesu. Konwencjonalne metody spawalnicze przy swej du- żej różnorodności, niestety nie są doskonałe, a ich indywidu- alne charakterystyczne cechy predysponują do określonych zastosowań. Jeśli określona metoda spawania wyróżnia się jakąś specyficzną zaletą, to zwykle jest to okupione rów- nie ważnym mankamentem. Przykładem może być wysoka przeglad Welding Technology Review 90 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 5/2016 jakość spoin wykonanych metodą TIG przy niskiej wydaj- ności spawania (stapiania), bądź wysoka wydajność metod opartych na wiązkach energetycznych, kojarząca się nieste- ty z wysokimi kosztami przygotowania brzegów do spawa- nia oraz niską sprawnością energetyczną źródła (np. laser). W spawalniczych systemach hybrydowych z reguły sto- suje się metody o skrajnie różnych właściwościach. Takie podejście umożliwia uzyskanie wysokiej wydajności proce- su spajania poprzez jednoczesne wykorzystanie i wzmoc- nienie zalet obu łączonych metod oraz minimalizowanie ograniczeń charakterystycznych dla zastosowanych metod, wtedy gdy występują osobno. Łuk plazmowy umożliwia pre- cyzyjne przetopienie grani spoiny spoin o dużej grubości, której jakość decyduje o jakości całej spoiny, a metoda MAG umożliwia wydajne wypełnienie rowka spawalniczego i ufor- mowanie wypukłego lica. Połączenie obu głowic w hybrydę umożliwia wspólne prowadzenie, lepsze wykorzystanie cie- pła generowanego przez oba źródła, a także wspólną osłonę gazową strefy spawania i hybrydowej głowicy. Obecnie w hybrydowych systemach spawalniczych najczęstsze zastosowanie znajduje LASER współpracują- cy z łukowymi metodami spawania w osłonie gazów, naj- częściej MAG, MIG, TIG. Korzyści ze stosowania hybrydy laser-GMA polegają na połączeniu charakterystycznych dla lasera, wysokiej wydajności stapiania, dużej głęboko- ści wtopienia oraz niskiego udziału spoiwa w stopiwie, ze stosunkowo wysoką tolerancją na jakość przygotowa- nych do spawania brzegów charakterystyczną dla metod łukowych. Poza szeregiem zalet opisanej hybrydy trudno po- minąć bardzo wysokie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne systemów laserowych oraz stosunkowo niską sprawność energetyczną, które w pewnym stopniu niwelują ekonomicz- ne korzyści spawania hybrydowego [1,2,5÷9]. Generalnie, metody spawania hybrydowego umożliwiają wykonanie połączenia z łagodnym cyklem cieplnym (spoina stosunkowo wolno stygnie) i zmniejszają wymagania wobec przygotowania szczeliny rowka spawalniczego w stosunku do metod wiązkowych. Metody spawania hybrydowego cha- rakteryzuje wysoka prędkość spawania w stosunku do in- dywidualnych możliwości poszczególnych metod spawania Niskotemperaturowa plazma znajduje częste zastosowanie w napawaniu modyfikacyjnym i regeneracyjnym powierzch- ni części maszyn [10÷13] oraz jest stosowana w technice z otwartym kanałem parowym do spawania grubych elemen- tów konstrukcyjnych. Spawanie plazmowe kojarzy się z wy- soką wydajnością spawania, jednak wymaga precyzyjnego i kosztownego przygotowania brzegów, a wymaganie to w wa- runkach przemysłowych jest często niewykonalne, zwłaszcza podczas spawania konstrukcji wielkogabarytowych. Sposo- bem na rozwiązanie problemów ze stosowaniem w przemyśle spawania plazmowego w kontekście tolerancji geometrycznej brzegów przygotowanych do spawania, może być spawanie hybrydowe Plasma-GMA. Połączenie zalet obu metod prowa- dzi do uzyskania wysokiej wydajności spawania przy obniże- niu (w stosunku do metod wiązkowych) wymagań związanych z precyzyjnym przygotowaniem brzegów. Prezentowany hybrydowy system spawania Plasma-MAG został opisany w literaturze [5,6,7,8] oparty jest na specjal- nej konstrukcji plazmotronie zintegrowanym z uchwytem elektrodowym GMA, będącym przedmiotem patentu firmy Plasma Laser Technologies z Izraela. Innowacyjność roz- wiązania konstrukcyjnego polega na tym, że łuk plazmowy oraz łuk GMA oddzielone są od siebie kurtyną magnetyczną wymuszającą przepływ prądu łuku plazmowego i GMA przez materiał spawany. W innym przypadku, następowałoby wza- jemne znoszenie strumieni elektronów ze względu na prze- ciwną polaryzację. Na rysunku 1 pokazano schemat budowy plazmotronu hybrydowego szerzej opisanego w [8]. Łuk plazmowy zasilany jest prądem o natężeniu umożli- wiającym wywołanie efektu kanału parowego (ang. Keyhole welding), będącego wynikiem wysokiej temperatury i ciśnie- nia strumienia plazmy, powodującej gwałtowne parowanie spawanego materiału. Parametry procesu dobierane są tak, by głębokość kanału parowego była porównywalna z grubo- ścią spawanego elementu, a jego szerokość sięgała obu brze- gów spawanych materiałów. W ten sposób uzyskiwane jest bardzo głębokie wtopienie spoiny. W efekcie intensywnego parowania metalu oraz minimalnego, ale jednak odstępu brze- gów spawanych przedmiotów, lico spoiny powstającej za prze- mieszczającym się łukiem plazmowym byłoby wklęsłe, gdyż do jego wypełnienia brakowałoby masy stopiwa. Wraz z łukiem plazmowym przemieszcza się łuk GMA swobodnie jarzący się w przestrzeni pomiędzy elektrodami, zasilający jeziorko w spo- iwo [14,15]. Łuk GMA oddziałuje na jeziorko spawalnicze tuż za łukiem plazmowym, jeszcze przed skrystalizowaniem cieczy powstałej na skutek działania plazmy. Okno technologiczne opisanej hybrydy jest bardzo wąskie i dla utrzymania stabilno- ści procesu, wymaga wysokiej precyzji ruchu roboczego. Przykłady wybranych złączy spawanych Poniżej scharakteryzowano kilka przykładowych złączy spawanych wykonanych metodą hybrydową Plasma-MAG. W pierwszym przypadku materiał podstawowy to stal nie- stopowa S235 JR o grubości 10 i 12 mm. Spawanie prowa- dzono w sposób zrobotyzowany w pozycji podolnej bez pod- grzewania. Zgład preparowano przez szlifowanie papierem ściernym o gradacji od 100 do 2500, następnie polerowa- no wodną zawiesiną Al2O3, po czym trawiono 30% nitalem. Mikrostrukturę badanego złącza fotografowano na mikro- skopie stereoskopowym Olympus stosując powiększenie x6. Pomiary charakterystycznych wielkości geometrycznych wykonano stosując oprogramowanie Olympus Analysis. Na rysunku 2 przedstawiono obraz mikrostruktury złą- cza teowego – spoina czołowa (linie punktów od strony lica oznaczają miejsca pomiaru twardości), a na rysunku 3 rozkład twardości złącza wykonanego w poniżej przedsta- wionych warunkach. Grubość blach 10 mm + 10 mm; bez ukosowania, odstęp 1,5 mm; natężenia prądu spawania Rys. 1. Schemat budowy plazmotronu hybrydowego: 1-łuk plazmo- wy, 2-łuk GMA, 3-katoda plazmotronu, 4-dysza plazmowa, 5-wspólna dysza gazu osłonowego, 6-kierunek spawania, 7-drut elektrodowy GMA, 8-ciecz metaliczna, 9-kanał parowy, 10-materiał podstawowy Fig. 1. Schematic diagram of the hybrid plasmatron: 1-plasma arc, 2-GMA arc, 3- plasmatron cathode, 4-plasma nozzle, 5- common shielding gas nozzle, 6-welding direction, 7-GMA wire electrode, 8- liquid metal, 9-plasma keyhole, 10-substrate material 91PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 5/2016 - plazma – 200 A; MAG 540 A; napięcie łuku MAG – 30 V; prędkość spawania - 0,52 m/min; posuw drutu elektrodo- wego -12 m/min. Odnotowano wąską strefę wpływu ciepła, o szerokości około 2 mm. Taka sytuacja jest bardzo korzyst- na z punktu widzenia poziomu naprężeń własnych złącza oraz odkształceń cieplnych. Przedstawiony poniżej rozkład twardości wskazuje, że nie występuje nadmierne utwardze- nie SWC, mimo iż nie stosowano podgrzewania wstępnego. Rys. 2. Rozkład twardości w spoinie czołowej 10 mm od strony lica Fig. 2. Hardness distribution in butt-weld 10 mm - bead side Drugi przykład złącza spawanego dotyczy złączy doczoło- wych, blach o grubości 10 mm ze stali S700 MC spawanych hybrydowo (Plasma–MAG) na podkładce miedzianej w pozy- cji PA. Na rysunku 4 pokazano obraz mikrostruktury złącza. Badania mikroskopowe w obszarze spoiny ujawniły strukturę bainityczno-ferrytyczną. Obszar strefy wpływu ciepła (SWC) charakteryzuje się zmiennością wielkości ziar- na, potwierdzając m.in. dużą skłonność do rekrystalizacji w SWC. Badania mikroskopowe wykazały również obecność wydzieleni węglikowych (najprawdopodobniej azotkowych) w obszarze SWC oraz w materiale rodzimym. Przeprowadzone pomiary twardości, wykazały że twar- dość w osi spoiny jest zbliżona do twardości materiału ro- dzimego i wynosi około 280 HV0,1. W SWC dochodzi do obni- żenia twardości zależnie od zastosowanej wartości energii liniowej spawania. W próbkach spawanych z energią linio- wą spawania El=1,12 KJ/mm, najniższa wartość twardości w SWC wynosi około 230 HV0,1. Rozkłady twardości w przekroju poprzecznym spoiny wy- konano od strony lica metodą mikro Vickersa z obciążeniem wgłębnika masą 100 gr. Na wykresie (rys. 5.) przedstawiono średnią arytmetyczną twardość obszaru charakterystycz- nego z zaznaczeniem wartości odchylenia standardowego (przyjęty poziom ufności 95%). Rys. 3. Rozkład twardości w spoinie czołowej 10 mm od strony lica Fig. 3. Hardness distribution in butt-weld 10 mm - bead side Rys. 4. Mikrostruktura złącza spawanego metodą hybrydową (pla- zma + MAG) stali S700 MC o grubości 10 mm, wykonanej z energią liniową spawania 1,12 KJ/mm Fig. 4. Microstructure of S700 MC steel welded joint obtained by hy- brid plasma+MAG welding, thickness 10 mm, heat input 1,12 KJ/mm Rys. 5. Rozkład twardości w złączu spawanym od strony lica wyko- nanym z energią liniową spawania El=1,12 KJ/mm Fig. 5. Hardness distribution in the welded joint bead side with heat input El=1,12 KJ/mm Trzeci przykład złącza potwierdza możliwość spawa- nia złączy doczołowych metodą hybrydową Plasma-MAG w pozycji naściennej PC [16]. Jako materiał podstawowy zastosowano stal nierdzewną X5CrNi18-10 o grubości 10 mm. Złącze do spawania przygotowano ukosując na 15° jednostronnie (na ½ Y), z progiem wysokości 4 mm, odstęp 1mm. Parametry spawania: natężenie prądu plazmy 170 A, napięcie łuku plazmy 23 V, natężenie prądu MAG Puls 273 A, napięcie łuku MAG 22 V, prędkość spawania 0,6 m/min, gaz formujący N2+10% H2. Na rysunku 6 pokazano mikro- strukturę złącza charakteryzującą się nieznaczną asyme- trią wynikającą z asymetrycznego przygotowania brzegów do spawania oraz z oddziaływania grawitacji na ciecz meta- liczną podczas spawania. Rys. 6. Mikrostruktura złą- cza stali X5CrNi18-10 gr. 10 mm spawanego hybrydowo Plasma+MAG w pozycji PC ukosowanego jednostronnie Fig. 6. Microstrukture of sin- gle-bevel butt 10 mm X5Cr- Ni18-10 steel joint, welded with Plasma+MAG in PC position 92 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 88 5/2016 Podsumowanie W artykule przedstawiono przykłady spawania hybrydowego Plasma-GMA różnych złączy spawanych, które wskazu- ją na możliwość spawania grubych elementów spoinami jednościegowymi przy ograniczonej konieczności ukosowania, do gr. blach 10 mm ukosowano na 15° jedno i dwustronnie. Charakterystyczną cechą opisanych spoin jest niski udział spoiwa w stopiwie oraz bardzo wąska SWC, uwzględniając grubość spawanych blach. Takie warunki ograniczają poziom naprężeń własnych w stosunku do podobnych złączy wykonywanych metodami GMA lub GTA. Dużą zaletą jest stosunko- wo wysoka prędkość spawania oraz wysoka wydajność stapiania. Opisana metoda może stanowić tańszą alternatywę dla hybrydowych systemów spawalniczych Laser+GMA. Głównymi obszarami potencjalnego zastosowania spawania hybrydo- wego Plazma+GMA są: przemysł stoczniowy, przemysł maszyn i urządzeń górniczych, konstrukcje w dziedzinie energetyki, tabor kolejowy oraz duże konstrukcje motoryzacyjne. Literatura [1] T. Wojno, J. Kędzia, Z. Mirski, J. Reiner, „Hybrydowe spawanie stali 41Cr4 z wykorzystaniem promieniowania laserowego i nagrzewania indukcyj- nego”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 85 (7), s.40-47, 2013. [2] J. Adamiec, P. Adamiec, M. Więcek, „Spawanie hybrydowe paneli ścian szczelnych za pomocą lasera światłowodowego”, Przegląd Spawalnic- twa, vol. 79(10) s. 49-52, 2007. [3] J. Pilarczyk, M. Banasik, J. Dworak, S. Stano, „Spawanie hybrydowe z wy- korzystaniem wiązki laserowej i łuku elektrycznego”, Przegląd Spawal- nictwa, vol. 79(10), s. 44-48, 2007. [4] M. Tomsic, S. Barhorst, „Key-hole plasma arc welding of aluminum with variable polarity power” Welding Journal 63(2): s. 25–32, 1984. [5] Z. Pilat, J. Szulc, „Concept of the Model Robotized Cell for Plasma-GMAW Hybrid Welding”, Applied Mechanics and Materials, Vol. 613, pp. 43-52, 2014. [6] J. Szulc, Z. Pilat, „Super-Heavy Duty (SHD) Super-MIG – Technologia spa- wania hybrydowego Plazma-MIG/MAG”, Spajanie materiałów konstruk- cyjnych, 2/2014, s.12-14. 2014. [7] T. Chmielewski, J. Szulc, Z. Pilat, „Badania metalograficzne spoin wy- konanych hybrydową metodą PTA+MAG”, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 86(7), s. 46-50, 2014. [8] J. Szulc, T. Chmielewski, Z. Pilat, „Zrobotyzowane spawanie hybrydowe Plazma+MAG stali S700 MC”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 88(1), s. 41-45, 2016. [9] T.Wojno, J. Kędzia, Z. Mirski, J. Reiner, „Hybrydowe spawanie stali 41Cr4 z wykorzystaniem promieniowania laserowego i nagrzewania indukcyj- nego”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 85(7) s. 40-47, 2013. [10] J. Jakubowski, P. Wysocki, J. Senkara, „Selektywne regeneracyjne na- pawanie plazmowe warstw Ni-WC na tytanowe łopatki sprężarki silnika lotniczego”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 83(9), s. 38-42, 2011. [11] M. Bober, J. Senkara, „Badania porównawcze napawanych plazmowo- warstw niklowych z węglikami Ti i Cr”, Przegląd Spawalnictwa, vol. 83(9), s. 32-37, 2011. [12] W. Włosiński, T. Chmielewski, „Plasma-hardfaced chromium protective coatings-effect of ceramic reinforcement on their wettability by glass”, Contributions of Surface Engineering to Modern Manufacturing and Remanufacturing 1, s.48-53, 2002. [13] T. Chmielewski, M. Węglowski „Analiza rynku spawalniczego w Polsce pod względem sprzedaży urządzeń oraz materiałów spawalniczych”, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 82(6), 28-31, 2010. [14] M. Węglowski, T. Chmielewski, K. Kudła, „Porównanie wybranych wła- ściwości nowoczesnych spawalniczych inwertorowych źródeł energii przeznaczonych do spawania metodą MAG”, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 81(10), s. 81-83, 2009. [15] T. Chmielewski, „Projektowanie procesów technologicznych - Spawalnic- two”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2013. [16] M. Huber, M. Muller, H. Cramer, “Serial coupling of the plasma and GMA process in order to increase the economic viability and process reliacili- ty of welding in installation engineering and tank construction”, Welding and Cutting, vol. 14 (3), s. 168-172, 2015.