PS 5 2017 WWW 1

85PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Walidacja procesu spawania
jako narzędzie zarządzania jakością

Validation of the welding process
as a tool of quality management

Mgr inż. Mirosława Wiśniewska; dr hab. inż. Maciej Matuszewski – Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy.

Autor korespondencyjny/Corresponding author: matus@utp.edu.pl

Streszczenie

W pracy przeanalizowano możliwości zastosowania
technologii spawania doczołowych złączy rur w aspek-
cie uzyskanej jakości połączeń. Wykonano złącza próbne
i dokonano szeregu badań nieniszczących i niszczących.
Analizę przeprowadzono z punktu widzenia zarządzania pro-
cesem i jakością.

Słowa kluczowe: walidacja; badania nieniszczące; badania
niszczące; zarządzanie jakością

Abstract

The study investigated the possibility of using the butt
welding technology of pipe joints in terms of the obtained
quality of connections. Trial couplings were made and a
number of non destructive and destructive tests were per-
formed. The analysis was carried out from the perspective of
process management and quality.

Keywords: validation; non-destructive testing; destructive
testing; quality management

Wprowadzenie

Efektywne i skuteczne zarządzanie procesem wytwa-
rzania determinowane jest czynnikami ludzkimi oraz tech-
niczno–organizacyjnymi. W przypadku procesu wytwarza-
nia opartego na technologiach spawania, czynniki ludzkie
to m.in.: właściwe przestrzeganie opracowanej technologii
spawania, natomiast techniczno–organizacyjne to np.: sze-
roko rozumiane warunki spawania, przepływ zasileń i in-
formacji. W pracy została dokonana analiza możliwych
do zastosowania technologii spawania doczołowych złą-
czy rur przewodowych instalacji skroplin turbozespołu
upustowo–przeciwprężnego 13 UP55, w aspekcie uzyska-
nej jakości połączeń. Ocena wybranych własności mecha-
nicznych, które determinują jakość złączy, została dokona-
na na podstawie przeprowadzonych badań nieniszczących
i niszczących złączy próbnych.

Spawanie według norm z serii ISO 9000 jest tzw. proce-
sem specjalnym, którego poprawności nie można ocenić
wyłącznie po badaniach końcowych. Procesy specjalne
wymagają walidacji oraz monitorowania na każdym etapie
produkcji. Walidacja przyjętego do wytwarzania procesu
spawania jest uznanym standardem w technice spawal-
niczej. Zasadniczą częścią tej walidacji jest sprawdzenie
technologii spawania w drodze kwalifikacji, w której należy
stosować udokumentowane procedury w celu zapewnienia

Mirosława Wiśniewska, Maciej Matuszewski
przeglad

Welding Technology Review

wymaganej jakości złącza spawanego [1,2]. Podstawą
do wykonania spawania w warunkach produkcyjnych jest
instrukcja technologiczna spawania (Welding Procedure
Specification – WPS), która powinna określać wszystkie
parametry charakteryzujące proces spawania. Na podsta-
wie przeprowadzanej walidacji może być ona modyfiko-
wana i poprawiana w zakresie podanych w niej istotnych
zmiennych wielkości, które determinują jakość uzyskane-
go połączenia spawanego. Proces kwalifikowania techno-
logii spawania opisują normy, które nie są jednak obowiąz-
kowe, a stanowią tylko zalecania do stosowania. Celem
nadrzędnym kwalifikowania technologii jest udokumento-
wanie potencjału i jakości (powtarzalności, a więc ograni-
czenia ilości poprawek spoin) w zakresie danej procedury
spawania, potwierdzone zazwyczaj przez niezależną jed-
nostkę. Jakość, oprócz ceny i terminu dostawy, jest naj-
ważniejszym kryterium decydującym o wyborze dostawcy.
Posiadanie kwalifikowanych technologii jest więc atutem
przedsiębiorstwa w ubieganiu się o kontrakty, warunkuje
również zdolność do szybszego przystąpienia do wykony-
wania zlecenia (nie tracąc czasu na kwalifikację). Wykaz
kwalifikowanych technologii spawania jest też wartościo-
wą referencją, wykorzystywaną przez przedsiębiorstwa
do szeroko pojętego marketingu [3÷5].

86 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Obiekt badań

Walidację wybranych technologii spawania przepro-
wadzono dla złączy próbnych, które zostały wykonane
na przykładzie doczołowych złączy rur przewodowych in-
stalacji skroplin turbozespołu upustowo–przeciwprężne-
go, które z kolei zostały wykonane w ramach remontu i mo-
dernizacji turbozespołu upustowo–przeciwprężnego typu
13 UP55W. Rury wykonane były ze stali węglowej S420
o granicy plastyczności Re = 420 MPa. Z takiej też stali
wykonano złącza próbne do przeprowadzenia badań tech-
nologii. Materiał ten należy do grupy 1.3 według CR ISO
15608 [6], czyli są to drobnoziarniste stale normalizowane
o ReH > 360 N/mm2. Użyty materiał dodatkowy złącza prób-
nego był również z tej grupy materiałowej.

Do analizy technologii spawania w aspekcie uzyskanej
jakości złącza, czyli do kwalifikacji, przyjęto następujące
technologie:
– elektrodą otuloną (111), która jest jedną z szeroko stoso-

wanych technologii w warunkach montażowych;
– półautomatyczną w osłonie gazu aktywnego (135), która

jest dość uniwersalną oraz wydajną metodą, która coraz
częściej wypiera spawanie elektrodami otulonymi.
Do kwalifikacji technologii spawania złączy doczoło-

wych rur wybrano metodę kwalifikacji przez badania tech-
nologii spawania według PN-EN ISO 15614-1 [7]. Polega
ona na kwalifikowaniu WPS na podstawie wykonania we-
dług niej znormalizowanego złącza spawanego i zbadania
go w zakresie zgodnym z normą. Ogólny algorytm kwalifika-
cji przedstawiono na rysunku 1.

Dla zbadania technologii spawania w celu jej kwalifika-
cji zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 [7], należy wykonać złącze
o wymiarach wskazanych w tej normie (rys. 2).

Rys. 2. Złącze próbne dla złącza doczołowego rury z pełnym przeto-
pem (opis w tekście) [7]
Fig. 2. Test connector for butt plug full-pipe (description in the text)

Rys. 3. Wygląd złącza próbnego: a) metoda 111, b) metoda 135
Fig. 3. Appearance of the test connector: a) method 111, b) method
135

Rys. 1. Algorytm kwalifikowania technologii spawania poprzez ba-
danie [8]
Fig. 1. Algorithm for qualification of welding technology through testing

Przygotowanie – dopasowanie i wykonanie złącza (1),
należy wykonać zgodnie z opracowaną wstępną instrukcją
technologiczną spawania (pWPS), uwzględniając średnicę
zewnętrzną rury (D = 193,7 mm) oraz grubość łączonego
materiału (t = 11 mm). Minimalna długość rury użytej do wy-
konania złącza to 150 mm (a).

Złącze próbne przygotowano z ukosowaniem symetrycz-
nym na V. Natomiast do wykonania złącza, dla obydwóch
badanych technologii, przyjęto 5 ściegów. Spawanie elek-
trodą otuloną przebiegało przy następujących parametrach:
– wymiar spoiwa: dla pierwszego ściegu 2,4 mm,
dla pozostałych 3,0 mm;
– natężenie prądu: 95÷125 [A];
– napięcie łuku: 12÷14 [V].

Natomiast dla półautomatycznego spawania w osłonie
gazu aktywnego przyjęto następujące parametry:
– wymiar spoiwa: dla pierwszego ściegu 1,0 mm,
dla pozostałych 1,2 mm;
– natężenie prądu: 105÷135 [A];
– napięcie łuku: 10÷12 [V].

Na rysunku 3 zilustrowano wygląd złączy poszczegól-
nych metod po spawaniu.

Wiedza

i doświadczenie

Wstępna Instrukcja Technologiczna Spawania pWPS

(wytwórca)

Wykonanie standardowych złączy próbnych wg pWPS

(przy udziale jednostki notyfikowanej)

Badania

nieniszczące

złączy próbnych

Wynik
pozytywny

Wynik

Wynik Wynik

negatywny

negatywnypozytywny

negatywny negatywny

Badania

niszczące

złączy próbnych

Badania powtórne

na dodatkowych

próbkach

Opracowanie protokołu

Kwalifikowania

Technologii Spawania

(WPQR)

Kwalifikacja Instrukcji Technologicznej Spawania (WPS)

Wykonanie

dodatkowego

złącza próbnego

Opracowanie

nowej pWPS

Wcześniejsze

instrukcje

Literatura

techniczna

Normatywy

technologiczne

Widok
od strony lica

Widok
od strony grani

87PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Rys. 4. Wygląd złącza próbnego po badaniu na rozciąganie: a) me-
toda 111, b) metoda 135
Fig. 4. Appearance of the test connector after the tensile test:
a) method 111, b) method 135

Do badań złącza próbnego przyjęto zarówno badania
nieniszczące (tzw. badania NDT), jak i niszczące. Zakres
ten zależy m.in. od:
– kształtu złącza próbnego (złącze doczołowe blach,

złącze doczołowe rur, złącze teowe, złącze odgałęzione);
– grubości i gatunku materiału.

Dla założonego do kwalifikacji technologii złącza prób-
nego (złącze doczołowe rur o grubości 11 mm z materiału
w gatunku S420) w tablicy I zestawiono typy i szczegółowe
zakresy badań.

Miejsce pobrania próbek do poszczególnych badań
niszczących wskazane jest w normie [7] jak i publikacjach
niezależnych jednostek kwalifikujących technologie [9].
Wymagane próbki powinny być pobrane po zakończeniu ba-
dań nieniszczących i spełnieniu ich kryteriów.

Analiza wyników badań złączy próbnych

Dla badań nieniszczących wynikiem badań jest poziom
jakości według normy

PN-EN ISO 5817 [10]. Poziom jakości charakteryzuje
jakość złącza spawanego w oparciu o rodzaj i wielkość
niezgodności spawalniczych (skatalogowanych w normie
PN-EN ISO 6520-1 [11]) i jest ustalany w oparciu o wymiar
graniczny dla danej niezgodności.

Wyniki badań wizualnych, radiograficznych oraz pene-
tracyjnych dla badanych metod spawania spełniały poziom
jakości B wg EN ISO 5817 [10].

Badanie na rozciąganie poprzeczne przeprowadzono
zgodnie z PN-EN 895 [12] w temperaturze 20 ºC na urządze-
niu ZD-40 o zakresie siły rozciągającej 8÷400 kN i działce
elementarnej 2,0 kN. Wyniki próby rozciągania – siłę zrywa-
jącą dla każdej z dwóch próbek oraz wytrzymałość na roz-
ciąganie (siłę odniesioną do przekroju poprzecznego zrywa-
nej próbki) zawiera tablica II.

Na rysunku 4 przedstawiono próbki po badaniu na rozcią-
ganie poprzeczne.

Typ badania Zakres badania

N
ie
ni
sz
cz
ąc
e

Wizualne VT 100%

Radiograficzne RT
(lub ultradźwiękowe UT)

100%

Penetracyjne PT
(lub magnetyczno-

proszkowe MT)
100%

N
is
zc
zą
ce

Badanie na rozciąganie
poprzeczne

2 próbki

Badanie na zginanie
poprzeczne

4 próbki
(2 z rozciąganiem lica

i 2 z rozciąganiem grani)

Badanie udarności
2 zestawy

(oś spoiny i linia wtopienia)

Badanie twardości

2 linie
(po 3 odciski w spoinie, obu
strefach wpływu ciepła i obu
materiałach podstawowych)

Badanie makroskopowe 1 zgład

Tablica I. Zakres badań złącza próbnego do kwalifikacji technologii
spawania [7]
Table I. Test specimen scope for qualification of welding technology

Tablica II. Wyniki badania na rozciąganie poprzeczne
Table II. Transverse tensile test results

Rozciąganie

Uwagi:Metoda
spawa-
nia

Wymiary
próbki
[mm]

Siła
zrywająca
Fm [kN]

Wytrzy-
małość

na rozcią-
ganie

Rm [MPa]

111

24,20 x 11,40 150,0 543,71
zerwanie

poza spoiną

24,30 x 11,60 150,0 532,14
zerwanie

poza spoiną

135

24,90 x 11,30 150,0 533,11
zerwanie

poza spoiną

24,80 x 11,70 157,0 541,08
zerwanie

poza spoiną

Badanie na zginanie poprzeczne przeprowadzono zgod-
nie z PN-EN ISO 6892-1 [13] w temperaturze 20 ºC, podobnie
jak badanie na rozciąganie, na maszynie wytrzymałościo-
wej ZD-40 o zakresie siły rozciągającej 8 ÷400 kN i działce
elementarnej 2,0 kN. Zastosowano trzpień o średnicy czte-
rech grubości blachy. Próbę przeprowadzono na 2 próbkach
FBB1 (rozciąganie strony lica) i 2 FBB2 (rozciąganie strony
grani). Wyniki przedstawiono w tablicy III.

Próbki po badaniu na zginanie poprzeczne przedstawio-
no na rysunku 5.

88 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Badanie udarności przeprowadzono zgodnie z PN-EN
ISO 9016 [14] w temperaturze -40 ºC na młocie Charpy’ego
PSW-30 o zakresie energii 0÷300 J i działce elementarnej
1,0 J. Badanie przeprowadzono dla zestawu 3 próbek z kar-
bem V usytuowanym prostopadle do powierzchni złącza
z osi spoiny (VWT 0/2) oraz zestawu 3 próbek z karbem
V usytuowanym prostopadle do powierzchni złącza z linii
wtopienia (VHT 0/2) dla każdej metody spawania. Wyniki
– energię łamania dla każdej z próbek z każdego zestawu
oraz wartości średnie zawarto w tablicy IV.

Na rysunku 6 przedstawiono próbki po badaniu udarności.
Badanie twardości przeprowadzono zgodnie z PN-EN

ISO 6507-1 [15] na urządzeniu HPO-250 z obciążeniem 98 N
oznaczając twardość HV10. Dla metody spawania 111 twar-
dość spoiny oraz strefy wpływu ciepła zawierała się w prze-
dziale 187÷221HV. Natomiast dla metody 135, twardość
ta zawierała się między 170 a 206 HV.

Badanie makroskopowe wykonano na zgładzie metalo-
graficznym przekroju poprzecznego złącza. Po szlifowaniu
zgład, w celu ujawnienia niezgodności, struktury i budowy
spoiny oraz wielkości strefy wpływu ciepła, został wytrawio-
ny odczynnikiem Adlera. Wyniki badań makroskopowych
dla badanych metod spawania spełniały poziom jakości B
wg EN ISO 5817 [10].

Tablica III. Wyniki badania na zginanie poprzeczne
Table III. Transverse bend test results

Tablica IV. Wyniki badania udarności
Table IV. Impact strength test results

Rys. 5. Wygląd złącza próbnego po badaniu na zginanie: a) metoda 111, metoda 135
Fig. 5. Appearance of the test connector after the bending test a) method 111, b) method 135

Zginanie

UwagiMetoda
spawa-
nia

Wymiary
próbki
[mm]

Średnica
trzpienia
k•g /t/

Kąt
gięcia
[º]

111

20,0 x 11,0 4•t 180 FBB1 bez uwag

20,0 x 11,0 4•t 180 FBB2 bez uwag

135

20,0 x 11,0 4•t 180 FBB1 bez uwag

20,0 x 11,0 4•t 180 FBB2 bez uwag

a) b)

Udarność

UwagiMetoda
spawa-
nia

Wymiary
próbek
[mm]

Energia
łamania

[J]

111

7,5 x 10,0 45 (WELD) VWT 0/2

7,5 x 10,0 48 (WELD) VWT 0/2

7,5 x 10,0 43 (WELD) VWT 0/2

Średnia 45,3

7,5 x 10,0 49 (F.L.) VHT 0/2

7,5 x 10,0 46 (F.L.) VHT 0/2

7,5 x 10,0 51 (F.L.) VHT 0/2

Średnia 48,6

135

7,5 x 10,0 49 (WELD) VWT 0/2

7,5 x 10,0 47 (WELD) VWT 0/2

7,5 x 10,0 41 (WELD) VWT 0/2

Średnia 45,6

7,5 x 10,0 48 (F.L.) VHT 0/2

7,5 x 10,0 56 (F.L.) VHT 0/2

7,5 x 10,0 52 (F.L.) VHT 0/2

Średnia 52

W celu oceny poprawności połączeń, a tym samym opra-
cowanej technologii spawania, zestawiono wyniki (tabl. V
i VI) wszystkich wykonanych badań z kryterium wskazanym
w PN-EN ISO 15614-1 [7].

Z przedstawionego zestawienia wynika, że są spełnione
wymagane kryteriów wyników wszystkich badań nienisz-
czących i niszczących złącza próbnego każda z analizowa-
nych metod spawania została zakwalifikowana, jako dają-
ca pożądaną jakość złącza doczołowego spawanych rur.

89PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Tablica V. Wyniki badań nieniszczących złącza próbnego do kwalifikacji technologii spawania i kryteria akceptacji wg PN-EN ISO 15614-1 [7]
Table V. Non-destructive test connector test results for welding qualification and acceptance criteria acc. PN-EN ISO 15614-1 [7]

Rys. 6. Wygląd złącza próbnego po badaniu udarności: a) metoda 111, metoda 135
Fig. 6. Appearance of the test connector after the impact strength test a) method 111, b) method 135

Badanie Metoda spawania Wynik Kryterium akceptacji wg EN ISO 15614-1

Wizualne VT
111 Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817 Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817
135 Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817

Radiograficzne RT
111 Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817 Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817
135 Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817

Penetracyjne PT
111

Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817
Poziom akceptacji 2x wg EN ISO 23278 Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817

135
Poziom akceptacji 1 wg PN-EN ISO 5817
Poziom akceptacji 2x wg EN ISO 23278

Tablica VI. Wyniki badań niszczących złącza próbnego do kwalifikacji technologii spawania i kryteria akceptacji wg PN-EN ISO 15614-1 [7]
Table VI. Destructive test connector test results for welding qualification and acceptance criteria acc. PN-EN ISO 15614-1 [7]

Badanie
Metoda
spawania

Wynik Kryterium akceptacji wg EN ISO 15614-1

Badanie na rozciąganie
poprzeczne

111
Rm = 543,71 MPa
Rm = 532,14 MPa Rm nie niższe niż Rm dla materiału

podstawowego
(S420 – Rm min. = 470MPa wg EN 10025)135

Rm = 533,11 MPa
Rm = 541,08 MPa

Badanie na zginanie
poprzeczne

111
Kąt gięcia 180º

Brak pęknięć i naderwań > 3,0 mm Kąt gięcia 180º,
Brak pęknięć i naderwań > 3,0 mm

135
Kąt gięcia 180º

Brak pęknięć i naderwań > 3,0 mm

Badanie udarności
111

KV-40ºC VWT 0/2 = 45,3J
KV-40ºC VHT 0/2 = 48,6J

KV w -40 ºC minimalnie 27 J dla S420
135

KV-40ºC VWT 0/2 = 45,6J
KV-40ºC VHT 0/2 = 52J

Badanie twardości
111 HV10 = 187÷221

Maksymalnie 380 HV10
135 HV10 = 170÷206

Badanie makroskopowe
111 Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817

Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817
135 Poziom jakości B wg PN-EN ISO 5817

a) b)

90 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 89 5/2017

Literatura
[1] Kuzio T.: Kwalifikowanie technologii spawalniczych przez Instytut

Spawalnictwa, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa Nr 2/2007, s. 50–54.
[2] Saperski M.: Procedura kwalifikowania technologii spawania konstrukcji

offshore wg przepisów DNV, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa Nr 6/2010
s. 57–62.

[3] Warsz K., Czwórnóg B.: Wpływ badania i uznawania technologii spawania
na jakość i koszty produkcji, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa Nr 5/2000
s. 36–43.

[4] Słania J.: Plan spawania carg płaszcza obrotowego, Przegląd Spawalnic-
twa 2/2011 s. 36–40.

[5] Słania J.: Istota planu spawania, Przegląd Spawalnictwa 2/2011 s. 3–9.
[6] Norma PN-CR ISO 15608:2002 Spawanie – Wytyczne systemu podziału

materiałów metalowych na grupy.
[7] Norma PN-EN ISO 15614-1:2008 Specyfikacja i kwalifikowanie technolo-

gii spawania metali – Badanie technologii spawania – Część 1: Spawa-
nie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu.

Podsumowanie i wnioski

Próbne złącza doczołowe rur wykonane każdą z metod spawania przedstawionych w pracy posiadało wyniki zadowa-
lające w porównaniu do stawianych im kryterium akceptacji. Wyniki badań nieniszczących we wszystkich metodach dały
pożądaną jakość złącza doczołowego. Natomiast wyniki badań niszczących każdej z metody spełniały kryterium z pewną
rezerwą, pozwalającą na pozytywną ocenę własności mechanicznych złączy.

W rozpatrywanym przypadku doboru technologii spawania doczołowych złączy rur przewodowych instalacji skroplin
turbozespołu upustowo–przeciwprężnego 13 UP55, w aspekcie uzyskanej jakości połączeń, obydwie analizowane tech-
nologie mogą zostać zastosowane. Pozytywny wynik technologii pozwala na wystąpienie certyfikacji procesu spawania
do niezależnych jednostek poprzez wydanie protokołu kwalifikacji technologii spawania (WPQR). Posiadanie takiej kwalifi-
kacji technologii spawania z punktu widzenia zarządzania jakością jest pożądane. W rozpatrywanym przypadku znacznie
skróciłoby proces wytwórczy, bez obaw niespełnienia wymagań związanych ze szczelnością i wytrzymałością.

Jednak w celu wyboru najkorzystniejszej metody spawania powinno się przyjmować nie tylko kryteria techniczne,
ale również ekonomiczne. Poprawne określenie tych kryteriów pozwala przygotować produkcję, która umożliwia zapew-
nienie wymaganej jakości połączeń spawanych oraz wysokiej wydajności, przy kryteriach ekonomicznych. Konieczność
opracowania tych warunków wynika z wymagań systemu zarządzania i sterowania jakością.

[8] http://www.e-spawalnik.pl.
[9] Zasady kwalifikowania technologii spawania Wytyczne 74/P, PRS, 2007r.
[10] Norma PN-EN ISO 5817:2009 Spawanie – Złącza spawane ze stali, niklu,

tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości
według niezgodności spawalniczych

[11] PN-EN ISO 6520-1:2009 Spawanie i procesy pokrewne – Klasyfikacja
geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach – Część 1:
Spawanie.

[12] PN-EN 895:1997 Badania niszczące spawanych złączy metali – Próba
rozciągania próbek poprzecznych.

[13] PN-EN ISO 6892-1:2010 Metale – Próba rozciągania – Część 1: Metoda
badania w temperaturze pokojowej.

[14] PN-EN ISO 9016:2011 Badania niszczące złączy spawanych metali
– Badanie udarności – Usytuowanie próbek, kierunek karbu i badanie.

[15] PN-EN ISO 6507-1:2007 Metale – Pomiar twardości sposobem Vickersa
– Część 1: Metoda badań.