PS 01 2017 WWW.pdf 22 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 1/2017 Normowanie prac spawalniczych   przy spawaniu orbitalnym Standardization of welding in the orbital welding Streszczenie W artykule opisano przykłady normowania prac spa- walniczych przy spawaniu orbitalnym. Podano orientacyjne czasy spawania dwóch reprezentatywnych połączeń oraz przeanalizowano cały proces spawania orbitalnego. Przed- stawiono ponadto wstępne kryteria doboru głowic orbital- nych z uwzględnieniem spawania wielogłowicowego. Porów- nano czasy jarzenia się łuku podczas spawania orbitalnego do innych metod spawania. Słowa kluczowe: spawanie orbitalne; techniczna norma cza- su pracy; normowanie spawania orbitalnego Abstract Examples of standardization of welding in the orbital welding process are described in the above article. Ap- proximate times of welding two representative joints and an analysis of the process of orbital welding is provided. Fur- thermore, pre-selection criteria of a choice of orbital welding heads taking into account the multi-head welding are given. Arcing time during orbital welding is compared to other weld- ing methods. Keywords:  orbital welding; technical standard of working time; standardization of orbital welding Wstęp W prasie branżowej nie poświęcono dotychczas wie- le miejsca zagadnieniom związanym z normowaniem prac spawalniczych przy spawaniu orbitalnym. W związku ze zwiększeniem wymagań jakościowych dotyczących spawania, zwłaszcza w przemyśle spożywczym, farmaceu- tycznym lub lotniczym wzrasta liczba spawarek orbitalnych obecnych na rynku. W niektórych przypadkach nie dopusz- cza się w ogóle spawania ręcznego. Ponadto sterowanie źródłami prądu do spawania orbitalnego realizowane jest w sposób nieco inny niż ma to miejsce przy spawaniu ręcz- nym, ponieważ mając możliwosc precyzyjnego prowadze- nia elektrody wolframowej można w bardzo dokładny spo- sób kontrolować czas impulsów prądu w zakresie +/- 0,1s. Wymierną korzyścią, jaką daje spawanie orbitalne oprócz podniesienia jakości, to możliwość zastąpienia spawacza operatorem. Taki podział obowiązków sprawia, że wykwali- fikowany spawacz może wykonywać inne połączenia, ope- rator podczas pracy urządzenia przy właściwej organizacji stanowiska pracy może realizować czynności np. przygoto- wawczo – zakończeniowe lub pomocnicze. Na rynku istnieje kilku producentów urządzeń do spawa- nia orbitalnego, ale wszystkie one zbudowane są modułowo w podobny sposób. W ich skład wchodzą: – źródło prądu spawania – układ sterujący – układ chłodzący – głowica do spawania – urządzenia peryferyjne. Jacek Słania, Piotr Malczewski przeglad Welding Technology Review Dr hab. Inż. Jacek Słania, prof. PCz – Politechnika Częstochowska, mgr inż. Piotr Malczewski – Orbitalum Tools GmbH. Autor korespondencyjny/Corresponding author: jacek_slania@poczta.onet.pl Na rysunku 1 przedstawiono przykładowy zestaw do spawania orbitalnego składający się ze źródła prądu zinte- growanego z układem sterującym oraz głowicy zamkniętej z wymiennymi wkładkami mocującymi. Głowice do spawania orbitalnego dzielą się na głowice otwarte, zamknięte oraz do spawania rur do den sitowych w wymiennikach ciepła. Istnieją jeszcze głowice w wykonaniach specjalnych, ale znajdują one zastosowanie w pojedynczych Rys. 1. Zestaw do spawania orbitalnego Fig. 1. A unit for orbital welding 23PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 1/2017 aplikacjach i nie odgrywają znaczącej roli w spawaniu or- bitalnym. Modyfikacje te jednak pozwają na spawanie nie- typowych złączy lub spawanie w sytuacji, kiedy dostęp do miejsca spawania jest ograniczony co ilustrują rysunek 2a oraz 2b, gdzie przekonstruowanie systemu zamknięcia głowi- cy sprawiło, że do spawania można było zastosować głowicę orbitalną. Rys. 2. a) głowica orbitalna z przesuniętymi o 90° zaciskami; b) spo- ina wykonana orbitalnie dzięki modyfikacji konstrukcyjnej głowicy Fig. 2. a) an orbital head with clamps moved by 90°; b) an orbital weld made by modifying the design of the head   a )   b) Bardzo ważną rolę podczas spawania odgrywa organiza- cja produkcji. Ma ona znaczący wpływ zarówno na koszty, jak i na czas wykonania prac spawalniczych. Na proces spawania orbitalnego składa się z reguły czas przygotowania rur lub innych elementów takich jak różnego rodzaju złączki, kołnierze itp., oraz czas samego spawania. Przygotowanie rur do spawania składa się z następują- cych operacji: – cięcie rur do odpowiedniej długości, – planowanie lub fazowanie rur jeśli wymaga tego proces spawania, – przygotowanie krawędzi – czyszczenie i odtłuszczanie – ewentualne sczepianie elementów, – transport przygotowanych rur na stanowisko spawania orbitalnego. Proces spawania orbitalnego składa się z następujących operacji: – jednorazowo przed każdym spawaniem – kontrola urzą- dzenia, stanu elektrody, wybór odpowiedniego programu spawania, – mocowanie rur w głowicy spawalniczej (lub głowicy na rurze w przypadku głowicy otwartej) – uruchomienie procesu spawania Normowanie procesu spawania orbitalnego zależy w po- czątkowej fazie od wyboru głowicy i sposobu mocowania elementów spawanych. Podczas doboru właściwego sprzę- tu, należy mieć na uwadze to, że dość często projektowane połączenie może być spawane kilkoma różnymi głowicami z grupy głowic zamkniętych, jak i otwartych. Czasami ko- rzystniej jest kilka połączeń wykonać głowicą otwartą (nawet jeśli trzeba wcześniej wykonać operację sczepia- nia), żeby uniknąć kłopotliwej wymiany elektrody i zacisków mocujących. Jeśli specyfika produkcji pozwala na zastoso- wanie wielu różnych typów głowic, wybór właściwej należy oprzeć na oszacowaniu profilu produkcji w przyszłości. Techniczna norma czasu spawania Tn Techniczna norma czasu spawania Tn to obiektywnie nie- zbędny czas potrzebny na wykonanie operacji spawania, przy założeniu normalnych i racjonalnych warunków pracy. Tech- niczną normę czasu będącą sumą czasu przygotowawczo – zakończeniowego i czasu jednostkowego obejmującego czas wykonania oraz czas uzupełniający, przedstawiono na rysunku 3 [1]. W przypadku spawania orbitalnego na czas wykonania tw składa się czas główny tg (w tym przypadku czas jarzenia się łuku wraz ze wstępnym i końcowym czasem przepływu gazu) oraz czas pomocniczy tp, który jest niezbędny jest do wymiany elementu spawanego oraz jego zamocowania w głowicy orbitalnej. Rys. 3. Struktura technicznej normy czasu spawania [1] Fig. 3. A structure of the technical standard of the welding time [1] Szczegółowy schemat czasu głównego podczas spa- wania orbitalnego przedstawia rysunek 4. Czas związany ze wstępnym i końcowym przepływem gazu jest stały nie- zależnie od średnicy spawanych rur, w związku z tym współ- czynnik czasu jarzenia się łuku jest tym wyższy, im większa jest średnica elementów. Rys. 4. Fazy procesu spawania orbitalnego [2] Fig. 4. Phases of the orbital welding process [2] Jak wynika z powyższego rysunku, wyodrębnić można następujące fazy spawania orbitalnego: 1. Wstępny przepływ gazu. 2. Zajarzenie łuku, tworzenie jeziorka spawalniczego. 3. Rozpoczęcie posuwu drutu spawalniczego (opcjonalnie). 4. Początek ruchu obrotowego elektrody. 5. Zmiana parametrów w czasie spawanie (programowanie niezależnych sektorów). 6. Zatrzymanie posuwu drutu. 7. Stopniowe wzgaszanie łuku. 8. Koniec procesu spawania i zatrzymanie ruchu elektrody 9. Zatrzymanie końcowego przepływu gazu. W przypadku spawania orbitalnego rur ze stali 316L o średnicy 28 mm i grubości ścianki 1,5 mm przyjąć należy następujące składowe czasu głównego, bazując na powyż- szym schemacie (pominąwszy punkty 3 oraz 6, ponieważ 24 PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 1/2017 w tym przypadku spawanie następuje poprzez stopienie ma- teriału rodzimego): – wstępny przepływ gazu (1) – 30 s, – zajarzenie łuku (2) - 3,8 s, – rozpoczęcie i zakończenie obrotu elektrody wewnątrz gło- wicy z uwzględnieniem zakładki (spawanie do 370stopni) oraz wygaszenia łuku: (4) do (8) - 64 s, – końcowy przepływ gazu: (8) do (9) – 20 s, – wymiana elementu wraz z mocowaniem nowego: 30s (jeśli spawanie jest w konfiguracji dwugłowicowej, wtedy czynności te są wykonywane podczas spawania). Jak wynika z powyższych obliczeń, czas wykonania po- łączenia rury z rurą w konfiguracji jednogłowicowej wyno- si 156,8 s, natomiast współczynnik czasu jarzenia się łuku w stosunku do czasu wykonania wynosi 40,2%. W urzą- dzeniach dostępnych obecnie na rynku, np. w źródłach prądu Orbimat 165/300 CA firmy Orbitalum Tools istnieje możliwość zwiększenia tego współczynnika poprzez za- stosowanie funkcji FlowForce umożliwiającej skorzystanie z niezależnego kanału gazowego i skrócenia czasu wstęp- nego przepływu gazu (1) do (2) na rysunku 4 nawet do 15 s, co sprawia że w analizowanym przypadku współczynnik ro- śnie z 40,2% do 44,4%. Jak wspomniano wcześniej wzrasta on również wraz ze wzrostem średnic spawanych elementów. W przypadku rury ze stali 316L o średnicy 77 mm i grubo- ści ścianki 1,5 mm przykładowy rozkład czasów przedsta- wia się następująco: Rys. 5. a) wzrost współczynnika jarzenia się łuku wraz ze wzrostem średnicy spawanych elementów; b) wzrost współczynnika jarzenia się łuku wraz ze wzrostem średnicy spawanych elementów Fig. 5. a) an increase of the arcing factor in relation to an increase of a diameter of welded parts; b) an increase of the arcing factor in relation to an increase of a diameter of welded parts   a )   b) – wstępny przepływ gazu (1) – 30 s, – zajarzenie łuku (2) - 3,8 s, – rozpoczęcie i zakończenie obrotu elektrody wewnątrz głowicy z uwzględnieniem zakładki (spawanie do 370 stopni) oraz wygaszenia łuku: (4) do (8) – 178,1 s, – końcowy przepływ gazu: (8) do (9) – 20 s. Parametry spawania są w obu przypadkach takie same, tzn. element spawany jest prądem pulsacyjnym o górnej war- tości 52 A i dolnej 26 A oraz częstotliwości impulsów 0,15 s. Na rysunku 5 przedstawiono rozkład czasu spawania orbi- talnego z uwzględnieniem funkcji FlowForce, spawania dwu- głowicowego oraz średnic 28 mm (1-3), 77 mm (4) i 160 mm (5). Jak widać na powyższym rysunku, decydując się na spa- wanie dwugłowicowe, możliwe jest skrócenie czasu spawa- nia. Zmiana taka generuje jednak spore koszty w postaci urządzenia rozdzielającego, którego cena stanowi zazwy- czaj 20-30% ceny źródła prądu oraz konieczność posiadania dwóch głowic spawalniczych. Opłacalność takiego rozwią- zania maleje również wraz ze wzrostem średnic spawanych elementów i musi być ściśle skorelowana z liczbą spoin w cyklu dziennym (zmianowym). Przykład spawania wielogłowicowego ilustruje rysunek 6. W aplikacji tej zastosowano trzy źródła prądu oraz sześć głowic spawalniczych ze względu na dużą ilość rur w spa- wanym wymienniku ciepła. Poniższy proces został zaplano- wany w taki sposób, że wszystkie głowice obsługiwane są przez jednego operatora. Przy mniejszych wymiennikach stosuje się najczęściej dwie lub cztery głowice. Dodatkową zaletą spawania dwugłowicowego jest możliwość podłącze- nia dwóch różnych głowic do jednego źródła prądu i naprze- mienne spawanie np. cienkich elementów głowicą zamknię- tą bez podawania materiału dodatkowego a bezpośrednio po skończonym procesie spawania natychmiastowe rozpo- częcie procesu spawania np. głowicą otwartą lub specjalną. Pozwala to dodatkowo zwiększyć efektywność spawania. Legenda do wykresów:  1.  Średnica 28 mm bez FlowForce, spawanie jednogłowicowe 2.  Średnica 28 mm bez FlowForce, spawanie dwugłowicowe 3.  Średnica 28 z FlowForce, spawanie dwugłowicowe 4.  Średnica 77 mm z Flow Force, spawanie dwugłowicowe 5.  Średnica 160 mm z FlowForce, spawanie dwugłowicowe Rys. 6. Spawanie orbitalne wielogłowicowe Fig. 6. An orbital multi-head welding Stosunek jarzenia się łuku do czasu wykonania waha się w granicach od 40,2% do 87,7%., co sprawia, że proces spa- wania orbitalnego mieści się w górnym zakresie spawania zautomatyzowanego, a nawet przy spawaniu dwugłowico- wym w zakresie spawania zrobotyzowanego, co przedsta- wiono na rysunku 8. Jak wspomniano powyżej, istnieją na rynku rozwiązania po- zwalające podłączyć dwie głowice orbitalne do jednego źródła prądu i spawać naprzemienne. W przypadku, jeśli operator jest w stanie wykonać wszystkie czynności związane z przygotowa- niem elementu do spawania w czasie mniejszym od czasu głów- nego, urządzenie wykorzystywane jest w sposób optymalny. Współczynnik jarzenia się łuku jest istotnym parametrem porównawczym określającym stopień automatyzacji danej 25PRZEGLĄD  SPAWALNICTWA Vol. 89 1/2017 metody spawania, należy jednak mieć na uwadze, że z punk- tu widzenia użytkownika najistotniejszym wskaźnikiem jest czas wykonania, który może ulec skróceniu np. poprzez Rys.  8.  Czas jarzenia się łuku podczas spawania orbitalnego w porównaniu do innych metod spawania [1] Fig.  8. An arcing time during orbital welding compared to other welding methods [1] wzrost prędkości spawania przy automatycznym zmniejsze- niu współczynnika Wj. W spawaniu orbitalnym efekt taki uzyskać można sto- sując zamiennie do argonu gaz z domieszką wodoru lub poprzez zastosowania topnika aktywującego A-TIG. Na- leży ponadto zauważyć, że nie istnieją sztywne parametry spawania orbitalnego. Dobór ich w dużej mierze polega na doświadczeniu operatora oraz na wykonaniu złączy prób- nych i jest efektem współgrania takich parametrów jak prędkość obrotowa elektrody, prąd spawania, częstotliwość trwania wysokiego i niskiego impulsu prądu oraz czynników dodatkowych takich jak czystość i rodzaj gazu osłonowego i formującego, rodzaj i kąt oszlifowania elektrody wolframo- wej, odległości elektrody od materiału podczas spawania. Osobną kwestią jest fakt właściwego przygotowania rur do spawania – ma to wpływ zarówno na dobór parametrów, jak i szybkość zużycia się elektrody i przyspiesza koniecz- ność jej ponownego ostrzenia. Podsumowanie W związku z trendem zmierzającym do wzrostu mechanizacji i automatyzacji spawania, spawanie orbitalne będzie odgry- wało coraz większą rolę w różnych gałęziach przemysłu. Ze względu na szeroki wachlarz zastosowań począwszy od mikrozłą- czek w przemyśle chemicznym lub farmaceutycznym, a na przemyśle stoczniowym kończąc, istnieje duża liczba potencjalnych zastosowań. Jak wynika z powyższego tekstu, przy spawaniu dwugłowicowym i właściwej organizacji produkcji można uzyskać stopień mechanizacji porównywalny nawet ze spawaniem zrobotyzowanym, co w połączeniu z brakiem wysoko wykwalifiko- wanej kadry spawalniczej, sprawia że metoda spawania orbitalnego posiada coraz większy udział w rynku i mając na uwadze jej powtarzalność i wysoką jakość uzyskanych połączeń zastępuje ona z powodzeniem spawanie ręczne. Literatura [1] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera, Spawalnictwo, Tom 1, WNT Warsza- wa 2003. [2] Praca zbiorowa: The orbital welding handbook, Polysoude Nantes France SAS, 2009 [3] Zeman W.: Źródła obniżania kosztów w spawalnictwie, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa nr 5/2000. [4] Nowacki J., Pakos R., Kosek S.: Komputerowe wspomaganie obliczeń kosztów spawania, Przegląd Spawalnictwa, nr 4/2007. [5] Strona internetowa: www.orbitalum.com