PS 5 2017 WWW 1 50 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Wpływ parametrów w metodzie TIG na odkształcenia kątowe stali X5CrNi18-10 Influence of parameters made by TIG method on the angular deformation of the X5CrNi18-10 steel Dr inż. Robert Bęczkowski – Politechnika Częstochowska. Autor korespondencyjny/Corresponding author: rbeczkowski@spaw.pcz.pl Streszczenie W pracy przedstawiono zagadnienie wpływu nastaw na- tężenia prądu spawania oraz odległości elektrody od mate- riału rodzimego na wielkość kątowych odkształceń próbek przetapianych metodą TIG. Do tego celu wykorzystywano metody planowania eksperymentu. Prace doświadczal- ne przeprowadzono dla materiału gatunku X5CrNi18-10. Dokonano analizy zmian odkształcenia próbki w zależ- ności od nastaw natężenia prądu spawania w zakresie od 100 do 200 A oraz zmiany odległości elektrody od przed- miotu spawanego w zakresie od 2 do 4 mm. Do prób techno- logicznych wykorzystano automatyczny przesuw uchwytu poprzez zastosowanie głowicy do mechanizacji spawania. Przygotowane próbki zostały poddane precyzyjnym pomia- rom współrzędnościowym, celem określenia odkształceń kątowych. Słowa kluczowe: TIG; odkształcenia; parametry; elektroda Abstract The paper presents the problem of the influence of the current setting and the distance between the electrode and the object welded by TIG method on the corresponding changes the angular deformation of the element. Design of the experiment method was used. Experimental test were performed for material grade X5CrNi18-10. The analysis of the changes in specimen deformation based on the cur- rent setting in the range from 100 to 200 A and the change of the distance between the electrode and the welded object in the range from 2 to 4 mm was made. Automatic travelling of the gun by using the head for welding mechanization was used to perform technological tests. Prepared specimen were subjected to precise coordinate measurement to deter- mine the angular deformation. Keywords: TIG; deformation; parameters; electrode Wstęp Analizując warunki technologiczne mogące mieć wpływ na własności geometryczne, można wyróżnić kilka czynni- ków, które będą determinowały odkształcenia elementów po procesie spawania. Przy wytwarzaniu konstrukcji stalo- wych próbowano znaleźć i zidentyfikować wszystkie aspek- ty, które mają wpływ na proces wytworzenia spoiny lub na- poiny, a w konsekwencji efekt wytworzenia elementu. Literatura [1,2] dotycząca przygotowania złączy zawiera szereg uporządkowanych sposobów przygotowania elemen- tów do spawania niejednokrotnie określając zakresy para- metrów. Wiąże się to ze zmiennymi wielkościami przekrojów uzyskanych ściegów, jak również wpływa na odkształcenia elementów spawanych [3÷7]. Artykuł zawiera analizę wpły- wu zmian wielkości nastaw prądu i odległości elektrody nietopliwej od przedmiotu spawanego na odpowiadające im zmiany odkształceń badanych elementów wykonanych ze stali gatunku X5CrNi18-10 wykonanych przy zastosowa- niu metody TIG przy stałej prędkości spawania. Robert Bęczkowski przeglad Welding Technology Review Uzyskane informacje dają obraz wpływu zmian na mogą- ce się pojawić odkształcenia kątowe w elemencie po proce- sie spawania elektrodą nietopliwą. Nastawa prądu ma wpływ na efektywność topienia się materiału, jak i przetopioną geometrię. Niskie gęstości prą- du spawania wydatnie zmniejszają wydajność przetapiania bez względu na zastosowaną metodę. Zmiana odległości elektrody wpływa na rozkład ciepła w łuku. Próbując po- łączyć wpływ tych dwóch parametrów technologicznych na odkształcenia kątowe dokonano niniejszej analizy [3÷8]. Rosnące znaczenie metody TIG w gospodarce kraju po- zwala na rozwój tej metody zarówno w układzie aplikacji spawania ręcznego, jak i zautomatyzowanego dla szerokiej gamy materiałów [9÷13]. Literatura opisuje wpływ oddziaływania natężenia prądu na kształt przekroju spoiny dla różnych metod. Ogólne zmia- ny nastaw prądu spawania można pokazać poprzez obraz zmian przekrojów uzyskanych napoin jak na rysunku 1 [3÷7]. 51PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Wygląd próbek po procesie przetapiania przedstawiono na rysunku 3. Próbki 1, 2, 3, wykonano przy zadanej odległości elektrody od materiału wynoszącej 2 mm, próbki: 4, 5, 6 – 3 mm, a próbki: 7, 8, 9 – 4 mm zgodnie z wartościami z tablicy I. Rysunek 4 przedstawia widok próbki w płaszczyźnie prosto- padłej do kierunku spawania po przetapianiu metodą TIG. Zwiększenie nastawy natężenia prądu powoduje uzyska- nie większej głębokości wtopienia. Dobór ustawień natężenia prądu spawania jest zależny od wielu czynników takich jak: grubość złącza, rodzaj spo- iny, spawany materiał, średnica elektrody, pozycja spawania, skład gazu osłonowego. Napięcie łuku elektrycznego jest zależne od odległości elektrody od przedmiotu spawanego, wówczas wraz ze wzrostem odległości szerokość spoiny wzrasta [2]. Procesowi spawania towarzyszy odkształcenie elemen- tów, które możemy podzielić na poprzeczne, podłużne, kątowe. W niniejszej pracy analizie zostaną poddane od- kształcenia kątowe określone poprzez analizę pomiarów wy- konanych na profilografometrze położenia górnych krawę- dzi próbki po procesie przetapiania metodą TIG przy różnych wartościach natężenia prądu oraz różnych odległościach elektrody od materiału spawanego [14]. Badania Do prób wykorzystano blachę o wymiarach 150 x 60 x 6 mm gatunku X5CrNi18-10, na której wykonano ściegi spawalni- cze metodą TIG bez użycia drutu, gdzie każdy ścieg wyko- nano przy innych konfiguracjach parametrów prądowych i odległości elektrody od przedmiotu spawanego. Do tego celu wykorzystano metody planowania eksperymentu [3,7,15÷17]. Zestawienie zmiennych parametrów podano w tablicy I. Rys. 1. Oddziaływanie natężenia prądu na kształt przekroju napoiny [6] Fig. 1. Impact of the current on the cross-section shape of the clad [6] Rys. 2. Głowica do mechanizacji spawania PRO DC-20 [3] Fig. 2. Head for mechanization of welding PRO DC-20 [3] Rys. 3. Widok próbek Fig. 3. View of the specimen Tablica I. Parametry prób Table I. Parameters of tests Numer próbki Natężenie prądu [A] Odległość elektrody od materiału [mm] 1 100 2 2 150 2 3 200 2 4 100 3 5 150 3 6 200 3 7 100 4 8 150 4 9 200 4 Jako gazu osłonowego użyto argonu o natężeniu przepły- wu 10 l/min. Próby przeprowadzono z wykorzystaniem płyt dobiegowych i wybiegowych oraz zastosowaniem źródła spawalniczego Faltig 315 wraz z głowicą do mechanizacji spawania PRO DC-20 (rys.2). Wykonano każdorazowo jeden ścieg prosty bez materiału dodatkowego w pozycji PA, stosując prąd stały z bieguno- wością ujemną oraz prędkość przesuwu uchwytu wynoszą- cą 25 cm/min. zespół regulacji położenia palnika góra-dół panel kontrolny oscylator głowica jezdna podwozie uchwyt kabli 52 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Obraz krawędzi próbek ujawnia odkształcenia powstałe podczas badania wpływu parametrów podczas spawania. Zaobserwowano, że w wyniku zwiększania natężenia prą- du i zbliżania elektrody do materiału krawędzie materiału odkształcają się. Badania geometrii powierzchni próbek zostały wykonane na profilografometrze New Form Talysurf2D/3D 120 firmy Taylor Hobson z wewnętrzną bazą oraz głowicą z przetwor- nikiem indukcyjnym. Elementem pomiarowym przyrządu jest igła diamentowa o promieniu 2 μm przesuwająca się po mierzonej powierzchni, które określa zmiany wychyle- nia w osi Z (pionowej) w oparciu o dane pozyskane z linia- łu inkrementalnego rejestrującego jednocześnie aktualne położenie igły w osi X. Układ ten tworzy profil powierzchni w jednej płaszczyźnie (X–Z). Przykład pomiarów przedsta- wia rysunek 5. Zmiany wychylenia przetwarzane są na sygnał elektrycz- ny, wzmacniany i filtrowany, a następnie obrabiany progra- mowo. Istota pomiaru stereometrii powierzchni w układzie 2D metodą stykową polega na wykonaniu linii pomiarów, wykonywany jest on w sposób skokowy przez stolik po- miarowy każdego pojedynczego przejścia pomiarowego w układzie 2D. Układ profilometru podczas pomiaru rejestru- je punkty odwzorowujące mierzoną powierzchnię. Widok stanowiska pokazano na rysunku 6 [10]. Rys. 4. Widok krawędzi próbki w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku spawania Fig. 4. The side edge view of the sample in a plane perpendicular to the welding direction Rys. 5. Przykładowy pomiar współrzędnościowy Fig. 5. Example coordinate measurement Rys. 7. Wpływ zmiany natężenia prądu na odkształcenia kątowe próbek przetapianych metodą TIG Fig. 7. Effect of changes in current on the angular deformation made by TIG method Rys. 6. Stanowisko do pomiaru geometrii powierzchni – Taylor Hob- son TalySurf Fig. 6. Equipment to measure the surface geometry – Taylor Hob- son Talysurf Tablica II. Wartości odkształceń kątowych próbek przetapianych metodą TIG Table II. Value of angular deformation made by TIG method Zebrane dane pomiarowe odkształceń kątowych przedstawiono w tablicy II oraz przedstawiono graficznie na rysunku 7. Numer próbki Natężenie prądu [A] Odległość elektrody od materiału [mm] Odkształcenie [mm] 1 100 2 1,43 2 150 2 2,05 3 200 2 2,07 4 100 3 1,53 5 150 3 1,83 6 200 3 2,22 7 100 4 1,32 8 150 4 2,04 9 200 4 2,22 O dk sz ta łc en ie [m m ] Natężenie [A] 4 mm 3 mm 2 mm Długość = 112 mm Pt = 1435 µm Skala = 2000 µm 53PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017 Literatura [1] PN EN ISO 9692: Spawanie i procesy pokrewne. Zalecenia dotyczące przygotowania złączy. Część 1: Ręczne spawanie łukowe, spawanie łu- kowe elektrodą metalową w osłonie gazów, spawanie gazowe, spawanie metodą TIG i spawanie wiązką stali, PKN, Warszawa 2014. [2] L. Mistur: Spawanie łukowe w osłonach gazowych według wytycznych krajowych i międzynarodowych, KaBe, Krosno 2010. [3] K. Staszewski: Wpływ parametrów spawania na odkształcenia stali nierdzewnych, Praca magisterska, Częstochowa 2016. [4] R. Bęczkowski, M. Gucwa: Wpływ nastawy prądu na zmiany wielkości geometrycznych przekrojów napoin, Przegląd Spawalnictwa, Vol.86(9), s. 72-76, 2014. [5] R. Bęczkowski, M. Gucwa: Wpływ parametrów napawania na wydajność procesu i parametry geometryczne napoin wykonanych drutem rdzenio- wym, Hutnik, Wiadomości Hutnicze, Vol. 81(11), s. 773-777, 2014. [6] R. Bęczkowski, M. Gucwa: Wpływ parametrów napawania drutem z rdze- niem metalicznym na wydajność procesu i parametry geometryczne ściegu, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 88(5), s. 49-52, 2016. [7] R. Bęczkowski: Effect of cladding parameters on the hardness of bimetal plates, Metalurgija, Vol. 56(1-2), pp. 59-62, 2017. [8] J. Kozak: Możliwości szacowania odkształcenia kątowego w złączu spa- wanym teowym, Mechanik, vol. 12, s. 1930-1931, 2016 [9] T. Chmielewski, M. Węglowski: Analizy rynku spawalniczego w Polsce pod względem sprzedaży urządzeń orazmateriałów spawalniczych, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 88(6), s. 28-31, 2010. Podsumowanie Analiza wpływu nastaw natężenia prądu na odkształcenia kątowe próbek przetapianych metodą TIG pozwala stwierdzić, iż przy nastawach natężenia prądu spawania w zakresie od 100 do 200 A następuje wzrost wartości odkształcenia w zakre- sie 1,32÷1,53 mm dla nastawy natężenia prądu 100 A, do zakresu wartości 2,07÷2,22 mm przy nastawie natężenia prądu na poziomie 200 A. Obserwuje się różnice w wartościach odkształceń na poziomie od 0,15 do 0,21 mm przy różnych odległościach elektrody od materiału spawanego. W przypadku niskich nastaw natężenia prądu najniższe różnice odkształcenia zarejestrowano dla największej odległości elektrody (4 mm), a najwyższe odkształcenia zarejestrowano dla średniej odległości (3 mm). Zwiększenie nastawy natężenia prądu do wartości 150 A przy 3 mm odległości elektrody powoduje najmniejsze od- kształcenia elementu. Zarówno zwiększając, jak i zmniejszając odległość elektrody w obu przypadkach, odkształcenia rosną o ok. 10%. Ustawiając wartość natężenia prądu spawania wynoszącą 200 A i odległości elektrody od materiału na poziomie 2 mm rejestruje się najniższe odkształcenia. Dla pozostałych odległości wartość odkształceń wzrasta o 7%. Charakter zmian odkształceń opisanych przez różnicę odkształceń maksymalnych i minimalnych najkorzystniejszą sytu- ację obserwuje się w przypadku zastosowania najmniejszej odległości (2 mm) i wynosi 0,64 mm. Niewiele większe wartości uzyskuje się dla odległości 3 mm, przy której różnica odkształceń jest na poziomie 0,69 mm. Największą różnicę odkształceń obserwuje się dla 4 mm odległości elektrody od materiału, która wynosi 0,9 mm, co świadczy o 40% wzroście odkształceń przy największej odległości elektrody od materiału. Wpływ zmian nastaw natężenia prądu na wartość odkształceń może zostać opisany równaniem liniowym postaci y = ax + b i przybrać postać y = 0,006x + 0,83 ze współczynnikiem determinacji na poziomie R2 = 0,99 dla odległości 3 mm. W pozostałych przypadkach równanie liniowe jest niedokładne, gdyż współczynniki determinacji wynoszą R2 = 0,89 dla równania y = 0,009x + 0,51 przy odległości 4 mm i R2 = 0,77 dla równania y = 0,006x + 0,89 przy odległości 2 mm między elektrodą a materiałem spawanym. Uzyskanie informacji ilościowej umożliwiającej opisanie charakteru wpływu zmian nastaw prądu spawania oraz odległo- ści elektrody od materiału spawanego na powstające odkształcenia, pozwala dobrać optymalny zakres parametrów pracy, by minimalizować deformacje elementów. Podejście to może być stosowane w przypadku jednoznacznego i stałego usta- wienia uchwytu spawalniczego. [10] B. Pawłowski, J. Krawczyk, P. Bała, S. Parzych, M. Paćko: Jakość złączy spawanych rurociągu wody chłodzącej wykonanego ze stali austenitycz- nej X6CrNiTi18-10, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 88(3) s. 3-7, 2010. [11] A. Ambroziak, P. Białucki, W. Derlukiewicz, A. Lange: Ocena jakości złączy spawanych ze stali x6Cr17 i x5CrNi18-10 stosowanych w wymiennikach ciepła, Przegląd Spawalnictwa, Vol. 88(6), s. 2-6, 2013. [12] A Świerczyńska, G Rogalski, D Fydrych: Badania właściwości i struktury spawanych austenitycznych rur wymienników ciepła, Przegląd Spawal- nictwa, Vol. 88(6), s. 11-16, 2010. [13] M. Kukuryk, M. Gucwa, R. Bęczkowski: Właściwości i mikrostruktura sta- li X20CrMoV11-1 w niejednorodnym złączu spawanym oraz ich zmiany po długotrwałej eksploatacji w warunkach pełzania, Hutnik- Wiadomości Hutnicze, Vol. 83(5), s. 242-247, 2016. [14] H. Czarnecki, M. Tagowski: Struktura geometryczna powierzchni zębów koła zębatego po nagniataniu dynamicznym, Mechanik, Vol. 87(11), s. 25-40, 2014. [15] M. Bober, K. Tobota: Badania istotności wpływu podstawowych parame- trów napawania plazmowego na geometrię napoin, Przegląd Spawalnic- twa, Vol. 87(9), s. 24-28, 2015. [16] Z. Polański: Planowanie doświadczeń w technice, PWN, Warszawa 1984. [17] M. Sobczyk: Statystyka, PWN, Warszawa 2001.