PS 9 2016 WWW.pdf 95PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Nowoczesne metody lutospawania  w aspekcie jakości i właściwości połączeń Modern methods of weldbrazing in the aspect of quality and properties of joints Dr inż. Tomasz Pfeifer, Dr inż. Sebastian Stano – Instytut Spawalnictwa. Autor korespondencyjny/Corresponding author: Tomasz.Pfeifer@is.gliwice.pl Streszczenie Przedstawiono zasadę procesu lutospawania i omówio- no podstawowe metody stosowane na skalę przemysłową. Zwrócono szczególną uwagę na metody lutospawania łuko- wego elektrodą topliwą, zapewniające uzyskanie wymaganej wysokiej jakości (CMT, ColdArc, AC-Pulse), a także lutospa- wanie laserowe. Rozważono zasady i obszary zastosowania oraz właściwości połączeń lutospawanych, uzyskane w wy- niku badań prowadzonych w Instytucie Spawalnictwa. Słowa kluczowe: lutospawanie; metody niskoenergetyczne; lutospawanie laserowe; właściwości połączeń lutospawanych Abstract It has been presented the fundamentals of weldbrazing process and methods used on an industrial scale has been discussed. Special attention is paid to modern methods of GMA braze welding, assuring high quality (CMT, ColdArc, AC-Pulse), as well as laser brazing. The principles, areas of application and the properties of the braze welded joints, re- sulting from research conducted at the Institute of Welding have been discussed. Keywords:  weldbrazing; low energy methods; laser beam weldbrazing; weldbraze properties Wstęp Coraz wyższe wymagania użytkowe stawiane wyrobom i konkurencja na globalnym rynku spowodowały wzrost zainteresowania elementami konstrukcyjnymi (blachy, kształtowniki itp.) z powłokami ochronnymi (cynkowe, alu- miniowe, organiczne) i ze stali odpornych na korozję, szcze- gólnie w przemyśle motoryzacyjnym (koncerny oraz firmy kooperujące), elektromaszynowym (instalacje wentylacyjne, urządzenia klimatyzacyjne i chłodnicze), okrętowym i spo- żywczym (zbiorniki, kontenery), w produkcji sprzętu AGD, w przemyśle meblarskim i w budownictwie (pokrycia da- chów i elewacji, instalacje wodne). Zainteresowaniem cie- szą się metody i sposoby, umożliwiające uzyskanie wyso- kiej jakości połączeń z blach stalowych w zakresie grubości od 0,7 do 3 mm, zwłaszcza z powłokami ochronnymi. Coraz częściej, szczególnie w przemyśle motoryzacyjnym jest więc stosowane lutospawanie. Wykorzystywane do niedawna lu- tospawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego łukiem standardowym nie dawało zadowalających efektów. Składały się na to problemy ze wprowadzeniem do złącza zbyt dużej ilości ciepła, czego rezultatem były odkształce- nia, uszkodzenia powłoki cynkowej, a także towarzyszące procesowi odpryski, które dodatkowo uszkadzają powłokę ochronną i znacznie pogarszają estetykę połączeń, a ich usu- nięcie jest operacją czasochłonną i nie zawsze skuteczną. Zrobotyzowane procesy łączenia elementów, dominujące w przemyśle motoryzacyjnym, wymagają wysokiej stabilno- ści procesu, czego nie zapewniało lutospawanie tradycyjną metodą MAG. Odpowiedzią na to zapotrzebowanie przemysłu samo- chodowego było opracowanie i wdrożenie do powszech- nego stosowania tzw. odmian niskoenergetycznych, wśród których najczęściej stosowane są techniki CMT i ColdArc. Badania technologiczne prowadzone uprzednio w Instytu- cie Spawalnictwa oraz doświadczenia przemysłowe i ana- liza literatury technicznej wskazują, że zastosowanie nisko- energetycznych wariantów lutospawania elektrodą topliwą pozwala na znaczne zmniejszenie odkształceń spawanych detali, ograniczenie rozprysku, a co się z tym wiąże znacz- ne polepszenie estetyki. Wyniki badań wykazały ponadto, że zastosowanie tych metod w przypadku blach z powłokami ochronnymi pozwala zmniejszyć uszkodzenie powłoki [1÷3]. Najnowszym rozwiązaniem w zakresie niskoenergetycznych odmian lutospawania elektrodą topliwą jest zastosowanie prądu pulsującego o zmiennej biegunowości (AC Pulse, Cold Process, CMT Advanced) [4÷5]. Bardzo dobrą jakość połączeń elementów wykonanych z blach ocynkowanych zapewnia lutospawanie plazmowe proszkowe [6]. Możliwe jest uzyskanie złączy doczołowych Tomasz Pfeifer, Sebastian Stano przeglad Welding Technology Review 96 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 i zakładkowych charakteryzujących się bardzo wysoką es- tetyką i własnościami wytrzymałościowymi. Odpowiedni dobór parametrów zapewnia zachowanie warstwy cynku bez uszkodzeń – proces lutospawania jest bardzo szybki, a cynk nie zdąży odparować. Proces stosowany jest głównie na stanowiskach zrobotyzowanych, jednakże w przypadku napraw wykorzystywane jest lutospawanie ręczne. Na szczególną uwagę zasługuje technologia lutospa- wania laserowego, polegająca na uzyskaniu połączenia w wyniku stopienia materiału dodatkowego ciepłem wiąz- ki promieniowania laserowego, oddziałującego na spoiwo i materiał podstawowy. Ciepło to powoduje topienie spoiwa oraz podgrzanie łączonych elementów w celu aktywowa- nia procesów kapilarnych i dyfuzji pomiędzy ciekłym lutem a materiałem podstawowym. Lutospawanie zapewnia za- chowanie powłoki cynkowej w stanie nienaruszonym oraz bardzo dobrą jakość i estetykę, a także własności mecha- niczne połączeń [7,8]. W niniejszym artykule scharakteryzowano krótko po- szczególne metody lutospawania i omówiono wyniki prze- prowadzonych w Instytucie Spawalnictwa badań tech- nologicznych z zastosowaniem lutospawania łukowego elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego i aktywnego (wraz z odmianami niskoenergetycznymi), a także lutospa- wania laserowego blach ocynkowanych o grubości do 1,5 mm. Przedstawiono i omówiono wyniki badań struktural- nych i mechanicznych połączeń lutospawanych. Przegląd metod lutospawania Lutospawanie można określić jako „lutowanie twarde niekapilarne realizowane metodą spawania” [9]. Proces ten polega na wykorzystaniu w metodach spawania spo- iw o temperaturze topnienia znacznie niższej od tempe- ratury topnienia materiału podstawowego, co powoduje, że mechanizm powstawania połączeń jest taki sam jak przy lutowaniu. Ze względu na stosowane źródła ciepła lutospawanie dzieli się na: płomieniowe, łukowe i lasero- we. Wśród metod łukowych najczęściej stosowane jest lutospawanie w osłonie gazów oraz lutospawanie pla- zmowe proszkowe. Lutospawanie gazowe Jest to podstawowa metoda łączenia rur ocynkowanych (grubość warstwy cynku od 100 do 130 µm), stosowanych powszechnie w instalacjach grzewczych, wody pitnej, wody chłodzącej i ściekowej, w instalacjach przeciwpożarowych i sprężonego powietrza [11]. Krawędzie rur przygotowuje się jak do spawania, a proces łączenia odbywa się wg zasad lutowania twardego lub wysokotemperaturowego (tempe- ratura likwidus lutu powyżej 900 °C). Do lutospawania sto- suje się płomień utleniający. Proces prowadzi się techniką w „lewo”, tak aby lut (najczęściej mosiężny) znajdował się przed płomieniem palnika, poruszającego się od strony pra- wej do lewej. Złącza rur o grubości ścianki do 4 mm można uzyskać jednym ściegiem. Podczas lutospawania należy dodatkowo uzupełniać ilość topnika, przez wprowadzenie go za pośrednictwem lutu. Uzupełniania nie wymagają luty otulone cienką i elastyczną warstwą topnika. Metoda ta zapewnia uzyskanie poprawnych połączeń pod warunkiem przestrzegania ściśle określonych wytycznych technolo- gicznych (przygotowanie i oczyszczenie krawędzi, odstęp pomiędzy elementami, właściwie wyregulowany płomień, odpowiednia technika lutospawania). Niestosowanie się do wytycznych technologicznych może doprowadzić do uzyskania połączeń z niezgodnościami, przede wszyst- kim z brakiem szczelności. Lutospawanie łukowe Jest stosowane najczęściej do łączenia elementów o niewielkich grubościach, wykonanych z blach ze stali niestopowych, niskostopowych i stopowych (grubość 0,2÷3 mm) oraz stali z powłokami cynkowymi (grubość po- włoki od 5 do 100 µm) oraz aluminiowymi [9-10]. Lutospa- wanie łukowe może być również stosowane do łączenia ze sobą materiałów o skrajnie odmiennych właściwościach fizyko-chemicznych, np.: blach stalowych z elementami miedzianymi [13], blach stalowych z aluminium [14], stali z żeliwem, czy do napawania elementów ze stali o ograni- czonej spawalności lub stali niespawalnych (zapewnienie odpowiednio niskiego współczynnika tarcia ślizgowego). Ponadto lutospawanie stosuje się do regeneracji elementów odlewanych z materiałów uznawanych za trudno spawalne lub niespawalne [9-10]. Lutospawanie łukowe jest najczę- ściej realizowane przy zastosowaniu spoiw na bazie miedzi elektrodą topliwą w osłonie gazu (oraz odmianami metody MIG/MAG), rzadziej metodą TIG i plazmową. Lutospawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu Jest alternatywną metodą dla spawania łukowego cien- kich blach stalowych ze stali niestopowych i niskostopo- wych, a także cienkich blach zabezpieczonych różnorodny- mi powłokami. Jego cechy charakterystyczne w porównaniu do spawania to [9,10]: – niewielka ilość dostarczonego ciepła, co ma szczególne znaczenie przy łączeniu cienkich blach (znaczne zmniej- szenie odkształceń); – minimalne uszkodzenie powłoki antykorozyjnej na ma- teriale podstawowym w przypadku lutospawania blach stalowych z powłokami; – stabilne jarzenie łuku i minimalna ilość odprysków; – możliwość uniknięcia stopienia krawędzi łączonych ele- mentów; – wysoka wydajność procesu i dostateczna wytrzymałość wykonanych złączy; – estetyczny wygląd lutospoin i łatwa ich obróbka mecha- niczna; – możliwość łączenia materiałów różnoimiennych i mate- riałów trudno spawalnych; – znacznie mniejsza, niż przy spawaniu, ilość wydzieleń dy- mów i pyłów, zwłaszcza podczas łączenia blach ocynko- wanych. Lutospawanie łukowe MIG/MAG polega na stapianiu drutu elektrodowego (lutu) na materiał łączony ciepłem łuku spawalniczego, jarzącego się pomiędzy drutem a ma- teriałem, w osłonie gazu ochronnego (rys. 1). Lutospoina powstaje więc w wyniku zwilżenia przez stopione spoiwo powierzchni materiału łączonego podgrzanego ciepłem łuku oraz procesu wzajemnej dyfuzji składników tych ma- teriałów. Najczęściej stosowanymi materiałami dodatko- wymi są spoiwa na bazie miedzi o temperaturze topnienia nie przekraczającej 1050 °C. Wśród nich najliczniejszą i najczęściej stosowaną grupę stanowią spoiwa z brą- zu krzemowego typu CuSi3, CuSi3Mn1, CuSi3Mn1Al1.5, CuSi3Mn7. Znalazły one bardzo szerokie zastosowanie przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym do łą- czenia cienkościennych elementów karoserii samocho- dowych z blach ocynkowanych galwanicznie i ogniowo. Są również zalecane do lutospawania cienkich blach ze stali nierdzewnych [9,10]. Kolejną popularną grupę spoiw do lutospawania MIG/ MAG stanowią brązy aluminiowe z domieszkami m.in.: man- ganu, żelaza lub niklu. Najczęściej stosowanymi spoiwami są brązy typu: CuAl8, CuAl8Ni2, CuAl5Mn1Ni1, CuAl9Ni5Fe, CuAl9Fe. Są one zalecane do lutospawania blach stalowych aluminiowanych i ocynkowanych, a ich wytrzymałość do- 97PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Rys. 1. Przebieg procesu lutospawania łukowego w osłonie gazu ochronnego metodą MIG/MAG wraz z przekrojem złącza doczoło- wego [4] Fig. 1. Scheme of gas metal arc welbrazing (GMA) process and the cross section of the joint chodzi nawet do 700 MPa [9]. W procesach lutospawania MIG/MAG jako gaz osłonowy najczęściej jest stosowany argon, a także następujące mieszanki: Ar + (1÷3)% CO2 i Ar + (1÷2)% O2. Obecnie lutospawanie prowadzone jest najczęściej prądem pulsującym, nieco rzadziej prądem stałym (łukiem zwarciowym), z biegunowością dodatnią lub ujemną na elektrodzie. Nowoczesne źródła do spawa- nia elektrodą topliwą w osłonie gazów wyposażone są w specjalne programy dedykowane procesowi lutospa- wania. Programy te, a właściwie specjalistyczne linie synergiczne, stanowią cechę charakterystyczną danego producenta urządzenia. Coraz częściej zamiast o linii synergicznej mówi się o metodzie spawania / lutospa- wania. Najpopularniejsze są tzw. „procesy niskoenerge- tyczne MIG/MAG”, w których dzięki zastosowaniu za- awansowanego sterowania parametrami napięcia łuku i natężenia prądu ilość ciepła wprowadzonego do złącza jest ograniczana do minimum. Dzięki tak precyzyjnemu sterowaniu przebiegiem parametrów prądowo-napięcio- wych uzyskano bardzo dobrą jakość elementów ocynko- wanych galwanicznie i ogniowo oraz możliwe stało się łączenie aluminium ze stalą [1÷3]. Spośród „metod ni- skoenergetycznych” najlepsze wyniki lutospawania uzy- skano za pomocą odmian CMT (z ang. Cold Metal Tranfer) i ColdArc. Umożliwiają one osiągnięcie bardzo dobrej estetyki połączenia, zmniejszenie odkształceń termicz- nych oraz zapewnia minimalne uszkodzenie warstwy ma- teriału powłoki (cynk, aluminium, powłoki wielofazowe cynk-żelazo) [1÷3]. Przy tych procesach mała ilość wpro- wadzonego ciepła jest korzystna – nawet nie stykające się ze sobą brzegi elementów o bardzo małej grubości nie ulegają nadtopieniu, natomiast ilość ciepła jest wy- starczająca do stopienia dość znacznej objętości lutu, co umożliwia tzw. „mostkowanie” czyli polutowanie ele- mentów oddzielonych szczeliną nawet do 2 mm. Najnowszym rozwiązaniem w zakresie niskoenerge- tycznych odmian lutospawania elektrodą topliwą jest za- stosowanie prądu pulsującego o zmiennej biegunowości (AC Pulse, Cold Process, CMT Advanced – nazwy linii syner- gicznych). Zastosowane do tego celu musi być urządzenie, zapewniające uzyskanie prądu przemiennego, o zmiennym udziale biegunowości ujemnej [4,5]. Ten sposób kształto- wania przebiegu prądu i napięcia zapewnia mniejszą ilość wprowadzonego ciepła, co pozwala na minimalizację uszko- dzenia powłoki ochronnej i uzyskanie znacznie mniejszych odkształceń termicznych. Lutospawanie plazmowe Polega na wykorzystaniu ciepła skoncentrowanego łuku elektrycznego do podgrzania łączonych elementów i stopienia materiału dodatkowego w postaci proszku lub drutu o temperaturze topnienia niższej od materiału podstawowego [6]. Ciepło łuku plazmowego aktywuje pro- cesy kapilarne (zwilżanie, rozpływność spoiwa) oraz zja- wiska dyfuzji pomiędzy lutem twardym a materiałem pod- stawowym, tak jak ma to miejsce w procesach lutowania twardego. Do lutospawania, podobnie jak w przypadku metody MIG/MAG, stosowane są urządzenia uniwersalne, przeznaczone przede wszystkim do spawania lub napawa- nia. Proces lutospawania plazmowego, zarówno proszkiem jak i drutem, prowadzony jest w sposób zmechanizowany lub zrobotyzowany. Przeprowadzone badania lutospawania blach stalowych ocynkowanych o grubości 0,9 mm wyka- zały, że istnieje wąski zakres parametrów technologicz- nych, zapewniający wykonanie prawidłowego połączenia i dobrą jakość [6]. Zastosowanie odpowiedniej technologii nie powoduje uszkodzenia powłoki cynkowej i odkształceń elementów. W niektórych przypadkach stosowane jest lu- tospawanie ręczne (materiał w postaci drutu). W Instytu- cie Spawalnictwa opracowano technologię lutospawania plazmowego z dodatkiem drutu bezkońcowej taśmy tnącej do styropianu, wykonanej z taśmy ze stali NC 10, o grubości 0,25 mm. Ledeburytyczna stal chromowa NC10 stosowa- na jest na narzędzia do cięcia o wysokiej wydajności, noże do cięcia blach, narzędzia do gwintowania, ciągadła do drutu, rolki formujące. Jej spawanie jest bardzo trudne ze względu na niebezpieczeństwo powstawania pęknięć. Zastosowanie lutospawania plazmowego, ze względu na bardzo małą ilość wprowadzonego ciepła umożliwiło uzy- skanie połączenia spełniającego wymagania producenta taśmy (trwałość). Lutospawanie laserowe W procesie lutospawania laserowego, rozogniskowana wiązka laserowa topi podawany w sposób ciągły materiał do- datkowy w postaci drutu, podgrzewając równocześnie mate- riał łączony umożliwiając aktywację procesów kapilarnych (rys.3). Ochronna powłoka cynkowa pozostaje praktycznie nienaruszona, a lico lutospoiny jest gładkie i równomierne Pozwala to, w większości przypadków, na przeprowadzenie bezpośrednio po procesie lutospawania laserowego opera- cji nakładania powłoki lakierniczej, bez zastosowania spe- cjalnych, dodatkowych operacji. Rys. 2. Mikrostruktura złącza doczołowego blach ze stali NC10 o grubości 0,25 lutospawanego plazmowo z dodatkiem drutu, traw. Nital, pow. 100x Fig. 2. Microstructure of 0,25 mm thick NC10 steel butt joint weldbrazed using plasma method, etched with Nital, magnification 100x 98 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Jako źródła promieniowania laserowego mogą być wy- korzystywane praktycznie wszystkie lasery przemysłowe stosowane w spawalnictwie. Jednakże ze względu na dłu- gość fali promieniowania laserowego i związane z tym ab- sorpcje promieniowania laserowego przez miedź i jej stopy oraz możliwości transportu promieniowania laserowego światłowodem do głowicy roboczej i miejsca obróbki, do procesów lutospawania laserowego stosuje się lasery na ciele stałym (lasery dyskowe, lasery włóknowe) oraz lase- ry diodowe. W kompletach oferowane są stanowiska zro- botyzowane, w których lasery współpracują z systemem sterowania robota przemysłowego, umożliwiając poprawną pracę sytemu i stosunkowo łatwe programowanie. Dodatko- wo, lasery te mogą być wyposażone w dodatkowe wyjścia optyczne i światłowody, do których mogą być podłączone kolejne, różne głowice technologiczne znajdujące się na tym samym lub innym stanowisku zrobotyzowanym. Pozwala to na zoptymalizowanie czasu pracy rezonatora i jego maksy- malne wykorzystanie, nawet w trakcie przestojów związa- nych ze zmianą detalu czy programu. Do prowadzenia procesu lutospawania laserowego nie- zbędna jest odpowiednia głowica technologiczna umoż- liwiająca uzyskanie odpowiedniej średnicy plamki wiązki laserowej w obszarze lutospawania oraz podajnik materia- łu dodatkowego – drutu do obszaru oddziaływania wiązki laserowej. Podajnik drutu ma za zadanie stabilnie poda- wać materiał dodatkowy umożliwiając jego równomierne stapianie. Zapewniają to wysokiej jakości podajniki typu push-pull, które posiadają dodatkowe rolki ciągnące, zlo- kalizowane w bliskiej odległości od obszaru spawania tak, aby zminimalizować opory i niestabilność podawania dru- tu. Wymagania te spełniają laserowe głowice technologicz- ne przeznaczone do spawania z materiałem dodatkowym w postaci drutu, gdzie rolki podajnika umieszczone są bez- pośrednio przy głowicy spawalniczej a drut podawany jest do ogniska wiązki laserowej pod kątem ok. 45 stopni. Nie- zwykle użytecznym rozwiązaniem jest zastosowanie gło- wicy z elektryczną zmianą położenia soczewki kolimatora, umożliwiającej regulację średnicy plamki wiązki laserowej (stopnia jej rozogniskowania) oddziałującej na końcówkę drutu (rys. 4a). W przypadku braku takiego systemu, zmia- nę średnicy plamki wiązki laserowej uzyskuje się poprzez podniesienie lub obniżenie całej głowicy, co związane jest każdorazowo z koniecznością zmiany położenia końcówki podajnika drutu. Bardziej zaawansowane systemy mogą być wyposażone w głowice laserowe z układem podawania drutu, w którym końcówka drutu jest wykorzystywana jak dotykowy czujnik śledzenia złącza (rys. 4b). Proces lutospawania laserowego jest ciągle doskonalony z wykorzystaniem nowych typów laserów, nowych głowic spawalniczych i systemów zrobotyzowanych. Obecnie roz- wijany jest system lutospawania wielowiązkowego. W roz- Rys. 3. Przebieg procesu lutospawania laserowego [7] Fig. 3. Scheme of laser weldbrazing process [7] Rys. 4. Głowica laserowa z systemem podawania drutu oraz elek- trycznym systemem ustawiania stopnia rozogniskowania wiązki laserowej (a) i głowica do spawania i lutospawania z materiałem do- datkowym w postaci drutu z taktylnym układem śledzenia złącza (b) Fig. 4. Laser head with wire feeding and electrical defocusing sys- tem (a) and the laser head for welding and weldbrazing using wire tactile sensing system (b) wiązaniu tym wykorzystano możliwości konstrukcyjne lase- rów włóknowych oraz specjalnej konstrukcji światłowody, które umożliwiają transport trzech wiązek laserowych wy- twarzanych niezależnie w rezonatorze lasera do głowicy ro- boczej (rys. 5). Na powierzchni elementu obrabianego opty- ka procesowa tworzy przypisany każdej z wiązek obszar oddziaływania o określonych parametrach, tworząc dwa małe obszary oddziaływania wiązki laserowej, w których na- stępuje wstępne czyszczenie powierzchni oraz jej podgrza- nie i szerszy obszar oddziaływania wiązki głównej, w którym następuje dalsze podgrzewanie elementów lutospawanych oraz bezpośrednie topienie materiału dodatkowego [12]. Rys.  5. Schemat procesu lutospawania za pomocą wielokrotnej wiązki laserowej [12] Fig. 5. The scheme of weldbrazing process with the use of multiple laser beam [12] Poniżej przedstawiono wybrane wyniki badań materiało- wo – technologicznych, prowadzonych w Instytucie Spawal- nictwa w zakresie lutospawania elektrodą topliwą w osłonie gazu z zastosowaniem niskoenergetycznych odmian proce- su, a także w zakresie lutospawania laserowego. a) b) 99PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Badania materiałowo technologiczne  procesów lutospawania  w Instytucie Spawalnictwa W Instytucie Spawalnictwa badania w zakresie lutospa- wania rozpoczęto od badań technologicznych zrobotyzowa- nego lutospawania łukowego metodą MIG prądem pulsują- cym złączy doczołowych i zakładkowych blach stalowych o grubości 1,5 mm z powłoką cynkową. Uzyskane wyniki wykazały, że proces lutospawania prze- biegał stabilnie – złącza wykazały dobrą jakość i wysoką es- tetykę. Proces ten wymaga jednakże precyzyjnego doboru parametrów technologicznych w bardzo wąskim zakresie. Z uwagi na wysoką rzadkopłynność spoiw na bazie miedzi (CuSi3Mn1) każde odstępstwo od parametrów uznawanych za najkorzystniejsze (wyznaczone w trakcie badań) powo- dowało powstawanie niezgodności spawalniczych takich jak: nadmierny nadlew lica i wyciek od strony grani, nadto- pienie brzegów materiału podstawowego, przepalenia blach, brak zwilżalności łączonych brzegów blach, rozpryski itp. Przeprowadzone badania mechaniczne połączeń wykazały, że wytrzymałość statyczna na rozciąganie złączy doczoło- wych wynosi od 350÷450 MPa, a złączy ze stali nierdzew- nej od 270÷350 MPa. Plastyczność połączeń jest wysoka – możliwe jest uzyskanie kąta gięcia złączy doczołowych 180°, za wyjątkiem złączy, w których doszło do nadmiernego nadtopienia materiału podstawowego i jego rozpuszczenia się w ciekłym lucie, co doprowadziło do wydzielenia się kru- chych faz międzymetalicznych. W tym przypadku kąt gięcia wynosił maksymalnie 80°[9]. Przeprowadzone badania metalograficzne mikroskopo- we wykazały, że niewielka ilość wprowadzonego ciepła do złącza lutospawanego powoduje niewielkie zmiany w SWC oraz powstanie struktury złożonej z ferrytu i bainitu, a tak- że nieznaczny rozrost ziarna [9]. Strefa przejścia (materiał podstawowy – lut) widoczna jest na zdjęciach metalogra- ficznych jako wąska, ciemna, ciągła warstewka (rys. 6a). Tworzenie się tej złożonej fazy międzymetalicznej zachodzi prawdopodobnie w wyniku reakcji bezpośredniego oddzia- ływania ciekłego lutu i materiału podstawowego (rekcja dyfuzyjna) oraz częściowego rozpuszczenia się materiału podstawowego w ciekłym lucie i krystalizacji warstwy fazy międzymetalicznej na ściankach materiału podstawowe- go jako fazy o tzw. niekongruentnej topliwości (nie wystę- puje w stanie ciekłym przy stężeniu składników odpowia- dających jej składowi chemicznemu) [9,10].W strukturze obszaru lutospoiny można wyróżnić jasne ziarna miedzi (α) (pomarańczowe) oraz rozmieszczone w całej objętości drobne i bardzo drobne globularne ciemne fazy (rys. 6b). Widać charakterystyczną strukturę dendrytyczną. Dendryty te o zróżnicowanym ułożeniu osi głównych posiadają roz- budowany układ ramion wtórnych (rys. 6b). W strukturze tej obserwuje się również mikrosegregację pierwiastków na granicach kryształów (rys. 6c). Ujawniono również bar- dzo drobne wydzielenia złożonych faz międzymetalicznych, opartych głównie na miedzi (ok. 67 %) oraz żelazie (ok. 15%) oraz na fosforku miedzi Cu3P (rys. 7). Mikroanaliza składu chemicznego obszaru lutospoiny potwierdziła występowa- nie roztworu stałego złożonego z: krzemu, manganu oraz żelaza, umiejscowionego w osnowie dendrytów. Ponadto w strukturze lutospoiny znajdują się wydzielenia fazy χ oraz liczne drobne fazy międzymetaliczne o wysokiej zawartości żelaza [9]. Uzyskane wyniki badań zostały następnie wdrożone do prak- tyki przemysłowej. Jako przykłady można wymienić [10]: – opracowanie technologii lutospawania wsporników do belki poprzecznej zderzaka samochodu dostaw- a) b) c) Rys. 6. Mikrostruktura złącza doczołowego blach stalowych ocyn- kowanych o grubości 1,5 mm, lutospawanego metodą MIG prądem pulsującym: strefa przejścia od materiału do lutospoiny (a), lutospo- ina (b, c) Fig. 6. Microstructure of 1,5 mm thick zinc coated steel butt joint MIG weldbrazed using pulsed current: transition zone (a), weldbraze (b, c) czego, wykonanych ze stali o podwyższonej wy- trzymałości bez powłoki ochronnej (minimalizacja odkształceń); – opracowanie technologii łączenia elementów prze- kładni (lutospoina pachwinowa) odlewu z żeliwa sza- rego ZL-250 z elementami konstrukcyjnymi ze stali C45; – opracowanie technologii napawania (natapiania) walców (sworzni) zwałowarko – ładowarki ze stali 42CrMo4V z zastosowaniem spoiwa typu CuAl8. 100 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 W kolejnych latach przeprowadzono szereg badań tech- nologicznych procesu lutospawania łukowego w osłonie gazów z zastosowaniem niskoenergetycznych odmian pro- cesów, takich jak CMT, ColdArc oraz lutospawania prądem o zmiennej biegunowości (Variable Polarity -GMA) [1,2,5]. Celem tych badań było określenie potencjalnego obszaru zastosowań nowoczesnych procesów lutospawania, a tak- że zbadanie wpływu podstawowych parametrów technolo- gicznych (napięcie łuku, natężenie prądu, prędkość przesu- wu, rodzaj gazu osłonowego) na: przebieg procesu, jakość i budowę strukturalną połączeń oraz własności mecha- niczne złączy wykonanych z blach stalowych z powłoka- mi na bazie cynku (blachy karoseryjne). Badania wykazały, że wszystkie odmiany procesu lutospawania elektrodą to- pliwą w osłonach gazów zapewniają uzyskanie złączy luto- spawanych charakteryzujących się bardzo dobrą jakością (rys. 8), minimalnym uszkodzeniem powłoki ochronnej, a także bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi [1,5]. Precyzyjne sterowanie mikroprocesorowe parametra- mi procesu zapewnia stabilny przebieg i bardzo małą ilość odprysków (ok. 1%). Dzięki mniejszej ilości wprowadzo- nego ciepła (lutospawanie w zakresie łuku zwarciowego, ograniczenie prądu zwarcia, zajarzanie łuku z minimalną wartością natężenia prądu) znacznie mniejsze jest nadto- Rys. 2. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej wydzieleń w lutospoinie Fig. 2. Results of X-ray microanalysis of chemical composition of precipitation in weldbraze pienie krawędzi łączonych elementów, mniejsze są również odkształcenia. Estetyka połączeń jest również znacznie lepsza niż w przypadku lutospawania klasycznego prądem pulsującym. W Instytucie Spawalnictwa przeprowadzono również badania procesu lutospawania połączeń różno- imiennych stali ocynkowanej i nierdzewnej z aluminium oraz tytanu z aluminium. Wyniki tych badań zaprezentowa- no w innej publikacji znajdującej się w niniejszym numerze Przeglądu Spawalnictwa. Jednym z obszarów badawczych w zakresie lutospawa- nia blach stalowych ocynkowanych było określenie wpływu gazu osłonowego na jakość złączy, budowę strukturalną, a także własności mechaniczne. Przeprowadzone w Insty- tucie Spawalnictwa badania wykazały, że stosowanie jako gazu osłonowego mieszanek argonu z gazami utleniającymi (CO2, O2) obniża napięcie powierzchniowe jeziorka spawalni- czego, przez co poprawiają się warunki zwilżania i rozpływa- nia stopionego spoiwa na materiale podstawowym (rys. 9). Zwiększa się też stabilność łuku i następuje poprawa wyglądu lica lutospoiny oraz zmniejsza się ilość odpry- sków. Mieszankę z tlenem można stosować wraz z lutami dobrze odtlenionymi, gdyż w innym przypadku może po- wstawać w lutospoinie tlenek miedzi (CuO2), który gromadzi się na granicy ziaren i może być przyczyną kruchości i pęk- nięć pod wpływem naprężeń [9]. Badania wykazały, że wraz ze wzrostem indeksu oksydacyjnego mieszanki zwiększa się ilość wydzieleń faz międzymetalicznych w lutospoinie ze względu na znacznie większe nadtopienie materiału pod- stawowego [9]. Dla spoiw do lutospawania w postaci drutów proszkowych zaleca się stosowanie mieszanki argon-wodór (Ar + 2% H2). Wodór w mieszance gazowej, podobnie jak tlen i dwutlenek węgla, poprawia stabilność łuku zwłaszcza przy stosowaniu niższych prądów spawania, podwyższa jakość i wygląd ściegu lutospoiny, a także oddziałuje odtleniają- co na warstwę cynku w strefie łączenia. Jednak mieszanki argonu z tlenem, dwutlenkiem węgla lub wodorem wpływają na wprowadzenie większej ilości ciepła do strefy lutospawa- nej i mogą sprzyjać intensyfikacji utleniania lub nadtopienia powłok, zwłaszcza cynkowych (rys. 9) [5]. W Instytucie Spawalnictwa prowadzono również badania procesu lutospawania laserowego. Głównym ich celem było poznanie i opanowanie warunków prowadzenia procesu, a także opracowanie podstaw technologicznych lutospawa- nia laserowego z wykorzystaniem nowoczesnej generacji laserów typu YAG i specjalnych głowic technologicznych z systemami śledzenia styku jakie dziś zaczynają być coraz Rys. 8. Lico (a) i grań (b) oraz makrostruktura złącza doczołowego (c) blach ze stali ocynkowanej galwanicznie o grubości 1,5 mm luto- spawanego metodą CMT Fig. 8. The face (a) and root (b) side and macrostructure of 1,5 mm zinc coated steel butt joint made using CMT weldbrazing 101PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Rys. 9. Lico lutonapoiny, próbka od strony przeciwnej oraz makrostruktura lutonapoin wykonanych z zastosowaniem różnych gazów osło- nowych Fig. 9. Overlay brazes made using various shielding gases – view of the face and opposite side of the test piece of the overlay braze, overlay braze macrostructure (etching agent: Adler) częściej stosowane w światowym przemyśle. Zakres ba- dań obejmował określenie wpływu warunków i parametrów procesu na przebieg lutospawania laserowego i własności złączy wykonanych z blach stalowych z powłoką cynkową o grubości do 1,0 mm. Badania przeprowadzono na no- woczesnym stanowisku zrobotyzowanym, wyposażonym w laser dyskowy TruDisk 12002 Yb:YAG firmy Trumpf, robot Rys. 10. Przykładowe makrostruktury złączy lutospawanych la- serowo Fig. 10. Examples of laser weldbrazed joints macrostructures przemysłowy KUKA KRC30 HA i głowicę Scansonic ALO3 z taktylnym układem śledzenia styku w złączu. Przeprowadzone badania technologiczne wykazały, że proces lutospawania laserowego przebiega stabilnie i po- zwala uzyskiwać poprawne złącza, bez nadtopienia blach. Złącza charakteryzują się bardzo dobrą jakością i wysoką estetyką (rys.10). 102 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA       Vol. 88 9/2016 Rys.  11. Rejestracja fotograficzna (sekwencja nało- żonych fotografii) procesu lutospawania laserowego złączy zakładkowych głowicą z taktylnym układem śledzenia Fig. 11. Photographic recording (sequence of imposed photographs) of laser weldbrazing process of lap joints using of tactile tracking system head Podsumowanie Technologia lutospawania umożliwia łączenie elementów ze stali niestopowej z powłokami ochronnymi (cynkowymi, aluminiowymi), ze stali stopowej, a także wykonywanie połączeń różnoimiennych stali z aluminium i aluminium z tytanem. Technologia ta umożliwia również łączenie układów materiałowych, które uznawane są za niespawalne, np. żeliwo szare ze stalą do ulepszania cieplnego. Niska temperatura procesu i niewielka ilość wprowadzonego w obszar złącza ciepła, zapobiega uszkodzeniu powłoki ochronnej (lutospawanie laserowe i niskoenergetyczne odmiany metody MIG/MAG) lub powoduje, że jest ono minimalne (lutospawanie łukowe klasyczne). Dodatkowo powstająca w procesie lutospawania strefa wpływu ciepła jest znacznie węższa niż w przypadku spawania, a zachodzące w niej zmiany są minimalne. Lutospawanie łukowe z zastosowaniem niskoenergetycznych procesów (CMT, ColdArc, AC-Pulse) umożliwia ogranicze- nie rozprysku, a także znaczne zmniejszenie odkształceń, zapewnia jednocześnie bardzo dobre własności mechaniczne i plastyczne połączeń. Lutospawanie laserowe zapewnia bardzo dobrą jakość i estetykę połączeń, a także bardzo wysoką wydajność procesu. Własności mechaniczne połączeń są również bardzo wysokie. Łatwość robotyzacji sprawia, że procesy lutospawania stosowane są coraz częściej w przemyśle motoryzacyjny w kraju i na świecie. Literatura [1] Matusiak J., Czwórnóg B., Pfeifer T.: Spawanie i lutospawanie niskoener- getycznymi metodami MIG/MAG przeznaczonymi do łączenia materia- łów i elementów wrażliwych na ciepło, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, vol. 51 (6), s. 41-46, 2007. [2] Matusiak J., Pfeifer T.: Niskoenergetyczne metody spawania łukowego w osłonie gazów – wpływ warunków materiałowo-technologicznych na jakość złączy i emisję zanieczyszczeń do środowiska pracy, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, vol. 52 (5), s. 85-92, 2008. [3] Quintino L., Pimenta G., Iordanescu D., Miranda R., Pepe N.: MIG brazing of galvanized thin sheets for automotive industry, Materials and Manu- facturing Processes, vol. 21 (1), s. 63-73, 2006. [4] Joseph A., Webb C., Haramia M., Yapp D.: Variable polarity improves weld brazing of galvanized sheet, Welding Journal, vol. 80 (10), s. 36-40, 2001. [5] Pikuła J., Mendakiewicz J., Pfeifer T.: Wpływ gazu osłonowego na wła- sności połączeń blach ocynkowanych wykonanych metodą lutospawa- nia MIG/MAG prądem o zmiennej biegunowości, Biuletyn Instytutu Spa- walnictwa, vol. 58 (1), s. 54-59, 2014. [6] Klimpel A., Czupryński A., Górka J.: Lutospawanie plazmowe proszkowe PTA złączy blach karoseryjnych galwanizowanych cynkiem, Przegląd Spawalnictwa, nr 9, s. 26-31, 2007. [7] Banasik M., Stano S., Dworak J.: Lutospawanie laserowe na stanowi- skach zrobotyzowanych, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, vol. 56 (5), s. 134-139, 2012. [8] Klimpel A., Czupryński A., Górka J.: Lutospawanie laserowe ocynkowa- nych blach karoseryjnych, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, vol. 50 (6), s. 39-43, 2006. [9] Gawrysiuk W.: Technologia lutospawania łukowego. Zalecenia technolo- giczne i przemysłowe przykłady zastosowań, Biuletyn Instytutu Spawal- nictwa, vol. 49 (3), s. 35-40, 2005. [10] Różański M., Gawrysiuk W.: Lutospawanie MIG/MAG blach ocynkowa- nych i przykłady trudno spawalnych układów materiałowych, Przegląd Spawalnictwa, nr 9, s. 7-12, 2007. [11] Mirski Z., Granat K.: Lutospawanie gazowe ocynkowanych rur stalowych, Przegląd Spawalnictwa, nr 2-3, s. 19-21, 2003. [12] T. Strite, A. Gusenko, M. Grupp, T. Hoult: Lasery włóknowe w zastoso- waniu do obróbki materiałów za pomocą wielokrotnej wiązki laserowej, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, vol. 60 (3), s. 46-48, 2016. [13] A. Czupryński, T. Kik, J. Górka: Wykorzystanie niskoenergetycznego pro- cesu CBT do łączenia stali wysokostopowej z miedzią, Przegląd Spawal- nictwa, vol. 87 (nr 5), s. 21-31, 2015. [14] A. Czupryński, D. Janicki: Przyczyny pęknięć lutospoin w złączach różno- imiennych typu aluminium-ocynkowana stal niestopowa, Przegląd Spa- walnictwa, vol. 88 (nr 5), s. 43-48, 2016. Rejestracja procesu lutospawania laserowego umożli- wiła poznanie jego przebiegu i zjawiska tworzenia się luto- spoiny. W trakcie trwania procesu na powierzchni czołowej drutu tworzy się, w wyniku oddziaływania części przekroju plamki lasera, cienka, ciekła warstewka roztopionego meta- lu. Warstewka ta pod wpływem siły ciężkości spływa stabil- nie w sposób ciągły do jeziorka roztopionego metalu two- rząc z nim jeden wspólny obszar metalu w stanie ciekłym (rys. 11). Drut dolnym „ostrym” końcem jest dociskany i przesuwa się (ślizga) po powierzchni dolnej blachy. Przebie- gający w ten sposób proces powoduje, że pozostała (poza cienką roztopioną warstewką) część drutu zachowuje do- stateczną sztywność i może być dociskana do czołowej po- wierzchni górnej blachy siłą boczną służąc, jako „dotykowy sensor” taktylnego układu śledzenia. Taki przebieg procesu można uzyskać tylko w wyniku precyzyjnego doboru i ko- relacji wszystkich parametrów procesu: mocy, prędkości, trzech kątów ustawienia głowicy i siły bocznego docisku. Na początkowym stadium procesu, gdy metal nie jest jeszcze nagrzany, na końcu drutu może tworzyć się eliptyczna kropla (rys. 11) w zależności od parametrów procesu o średnicy ok. 2-3 razy większej niż średnica drutu. W tym czasie mate- riał lutospawany jest ciągle podgrzewany wiązką promienio- wania laserowego. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury kropla z końcówki drutu rozpływa się na powierzchni blach tworząc ciekłe jeziorko, na czołowej powierzchni drutu two- rzy się stabilna ciekła, cienka warstewka metalu połączona z jeziorkiem, a proces przyjmuje stabilny charakter.