Streszczenie
W pracy przedstawiono podstawowe informacje dotyczące metod wybranych spa-wania metalowych materiałów konstrukcyjnych w odniesieniu do jakości złączy spawanych. Zaprezentowano popularne metody diagnostyki złączy spawanych oraz przedstawiono przykłady niezgodności możliwe do wykrycia poprzez ich zastosowa-nie. Przedstawiono podstawowe wytyczne wyboru metod badań nieniszczących złączy spawanych.
Słowa kluczowe: diagnostyka, badania nieniszczące, NDT, złącza spawane, badanie złączy spawanych, jakoĞü złączy spawanych
1. Złącza spawane
Spawanie jest obecnie jedną z podstawowych metod łączenia materiałów konstrukcyjnych. W zaleĪnoĞci od materiału, technologii, uzbrojenia technicznego zakładu produkcyjnego, kompe-tencji i kwalifikacji kadry realizowane moĪe byü za pomocą wielu metod. Do populatrych metod spawania naleĪy zaliczyü spawanie elektryczne, gazowe, laserowe. KaĪda z tych metod ma swoje wady i zalety. Spawanie elektryczne łukowe przebiega poprzez wytworzenie miĊdzy elektrodą spa-walniczą, a materiałem spawanym łuku elektrycznego. Łuk ten wydziela ciepło w iloĞci pozwalającej na topienie brzegów łączonych elementów, podczas którego dodawany jest materiał dodatkowy. W wyniku przetopienia brzegów łączonych materiałów z materiałem dodatkowym two-rzy siĊ obszar nazywany spoiną. Spawanie elektryczne według normy PN-EN ISO 4063:2011 dzieli siĊ na (w nawiasie podano oznaczenie metody): łukowe (1), elektrodą topliwą, elektrodą otuloną MMA (111), elektrodą litą (pełną) MAG (135) i MIG (131), elektrodą proszkową bez gazu (114), elektrodą proszkową w osłonie gazu aktywnego (136), elektrodą proszkową w osłonie gazu obojĊt-nego (137), łukiem krytym (121), elektrodą nietopliwą TIG (141), elektronowe (51), plazmowe (15), atomowe, elektroĪuĪlowe (72).
Najstarszą metodą spawania elektrycznego, a jednoczeĞnie najprostszą, jest metoda spawania elektrodą otuloną MMA (Manual Arc Welding). W metodzie tej zajarzenie łuku nastĊpuje przez dotkniĊcie, a nastĊpnie podniesienie koĔca elektrody od materiału spawanego. W wyniku zajarzenia łuku elektroda topi siĊ, a spadające krople stanowią materiał dodatkowy. W trakcie jarzenia siĊ łuku elektrycznego otulina elektrody stopionego jej koĔca równieĪ siĊ topi wytwarzając gazy osłonowe dla spoiny. Po obniĪeniu temperatury krzepnie na powierzchni spoiny tworząc tak zwany ĪuĪel. ĩuĪel ten po zakoĔczeniu spawania kaĪdego ze Ğciegów powinien byü usuniĊty przez odbicie. Pod-czas spawania tą metodą elektroda ulega sukcesywnemu skracaniu w wyniku stapiania siĊ. Od umiejĊtnoĞci spawacza zaleĪy utrzymywanie odpowiedniego dla Ğrednicy i rodzaju elektrody
oraz jej otuliny odległoĞci pozwalającej na utrzymanie załoĪonych parametrów spawania. Istotnum dla jakoĞci połączenia spawanego jest równieĪ wygrzanie (wysuszenie) elektrod w zadanej dla da-nego typu temperaturze i czasie. Brak przeprowadzenia tej czynnoĞci skutkuje powstaniem w spoinie skupisk pĊcherzy gazowych osłabiających wytrzymałoĞü mechaniczną i chemiczną złącza spawanego [2].
Metoda ta posiada szereg zalet. Do waĪniejszych naleĪy zaliczyü: moĪliwoĞü spawania mate-riałów róĪnych grup (stale, Īeliwa, metale nieĪelazne itp.), moĪliwoĞü spawania w dowolnej pozycji, wysoka jakoĞü spoin, dobre właĞciwoĞci uĪytkowe złączy spawanych, moĪliwoĞü spawania mate-riałów o szerokim zakresie gruboĞci, proste w obsłudze, małe, tanie urządzenia spawalnicze. Niestety posiada ona równieĪ wady. Do głównych z poĞród nich zaliczyü naleĪy: małą wydajnoĞü i prĊdkoĞü spawania spadającą wraz ze zwiĊkszeniem gruboĞci łączonych elementów, duĪy koszt elektrod, koniecznoĞü miĊdzyĞciegowego usuwania ĪuĪla, koniecznoĞü wymiany elektrod w trakcie spawania, znaczący wpływ kwalifikacji spawacza na jakoĞü złączy np. moĪliwoĞü pozostawienia ĪuĪla w spoinie, duĪy wpływ przygotowania do procesu spawania na jakoĞü złączy, np. wilgotnoĞü elektrod, duĪe iloĞci wydzielanych gazów spawalniczych zaleĪnych od rodzaju otuliny, rozprysk metalu podczas spawania.
Wymienione powyĪej czynniki sprawiają, Īe metoda ta jest powszechnie stosowana do spawa-nia.
Alternatywą dla metody spawania elektrodą otuloną jest metoda spawania elektrodą nietopliwą TIG (Tungsten Inert Gas) lub GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). W metodzie tej łuk elektryczny wytwarzany jest pomiĊdzy nietopliwą elektrodą wolframową, a łączonym materiałem w osłonie gazu obojĊtnego. W odróĪnieniu od spawania elektrodą otuloną, w metodzie TIG zachowana jest stała odległoĞü elektrody od materiału. Pozwala to na automatyzacjĊ procesu. W metodzie tej ko-nieczne jest podawanie materiału dodatkowego do brzegu jeziorka spawalniczego. Przy łączeniu cienkich materiałów (do 4 mm) proces moĪna prowadziü bez materiału dodatkowego. ObojĊtny gaz osłonowy stosowany w metodzie TIG chroni spoinĊ przed oddziaływaniem atmosfery. Nie wpływa on na procesy metalurgiczne zachodzące w spoinie.
Do zalet metody TIG naleĪy zaliczyü: uniwersalnoĞü zastosowania w odniesieniu do materiałów ich gruboĞci i pozycji spawania, bardzo wysoka jakoĞü złączy spawanych, brak rozprysku metalu podczas spawania, moĪliwoĞü łatwej automatyzacji procesu, bark koniecznoĞüi czyszczenia złącza po spawaniu, spawarkĊ TIG po zainstalowaniu odpowiedniego uchwytu do elektrod moĪna wyko-rzystywaü do spawania metodą MMA. Wadami metody są: niska wydajnoĞü malejąca wraz ze wzrostem gruboĞci materiału, wpływ kwalifikacji spawacza na jakoĞü złącza, wysoki prąd podczas zajarzania łuku zakłócający stabilnoĞü parametrów sieci energetycznej.
Metoda TIG jest najczĊĞciej stosowana w procesach łączenia stali odpornych na korozjĊ oraz stopowych i wysokostopowych.
Potrzeba automatyzacji procesów spawalniczych przy jednoczeĞnie wysokiej wydajnoĞci co raz czĊĞciej skłania do stosowania metod MIG lub MAG. W metodach tych, okreĞlanych jako spawanie migomatem, spawanie półautomatem, spawanie półautomatyczne, łuk elektryczny wytwarzany jest pomiĊdzy elektrodą topliwą, a łączonym materiałem. RolĊ elektrody topliwej pełni podawany zwy-kle automatycznie w sposób ciągły drut spawalniczy. Cały proces przebiega w osłonie gazu podawanego z dyszy gazowej, okalającej drut spawalniczy.
Metoda spawania elektrodą topliwą w osłonie gazów dzieli siĊ na: MIG (Metal Inert Gas) spa-wanie elektrodą topliwą w osłonie gazu obojĊtnego, MAG (Metal Active Gas) spaspa-wanie elektrodą
topliwą w osłonie gazu aktywnego, GMAW (Gas Metal Arc Welding) spawanie elektrodą topliwą zarówno w osłonie gazu obojĊtnego jaki i aktywnego (MIG lub MAG). Generalnie metoda MAG jest stosowana do łączenia stopów metali Īelaznych, zaĞ metoda MIG do metali nieĪelaznych i ich stopów.
Do zalet metod MIG/MAG naleĪy zaliczyü: uniwersalnoĞü zastosowania do róĪnych materia-łów i pozycji spawania, wysoką wydajnoĞü spawania, moĪliwoĞü automatyzacji procesu w wysokim stopniu, dobra właĞciwoĞci złączy spawanych, niskie koszty procesu. Do wad naleĪą: stosunkowo wysokie koszty urządzeĔ spawalniczych, skłonnoĞü do porowatoĞci, przyklejeĔ itp.
Pomimo wielu niedoskonałoĞci ciągle szeroko stosowane jest spawanie gazowe, nazywane ina-czej acetylenowo-tlenowym, w którym Ĩródłem ciepła jest płomieĔ gazowy powstały ze spalania mieszanki acetylenowo-tlenowej. W metodzie tej materiał dodatkowy w postaci drutu doprowadza siĊ rĊcznie do jeziorka. MoĪna równieĪ podawaü proszki, pasty itp. TĊ metodĊ spawania stosuje siĊ głównie tam gdzie nie ma zasilania energią elektryczną lub przemieszczanie siĊ z ciĊĪkimi urządze-niami transformatorowymi sprawiałoby kłopoty.
Zaletą metody gazowej jest niezaleĪnoĞü od Ĩródła zasilania, niska czułoĞü na warunki ze-wnĊtrzne, mały koszt urządzeĔ, moĪliwoĞü zastosowania metody po zmianie palnika do ciĊcia materiału. Do wad naleĪą: stosunkowo niska jakoĞü złączy spawanych, podatnoĞü metody do sze-regu błĊdów spawalniczych, dla niektórych materiałów (głównie wysokostopowych) koniecznoĞü stosowania ĪuĪli osłonowych.
2. JakoĞü złączy spawanych
Złącza spawane wytwarzane w warunkach przemysłowych posiadają niezgodnoĞci. Ich wiel-koĞü i nasilenie zaleĪy w głównej mierze od umiejĊtnoĞci personelu, warunków w których prowadzony jest proces spawania, jakoĞci łączonych materiałów, materiałów dodatkowych, urzą-dzeĔ spawalniczych oraz starannoĞci przygotowania do i prowadzenie procesu spawania. Wytworzenie wyrobu o stosunkowo wysokiej jakoĞci okupione jest duĪymi kosztami. Casami nie-współmiernymi do podwyĪszenia jakoĞci złącza spawanego. KaĪdy jednostkowy wzrost poziomu jakoĞci złącza spawanego okupiony jest wzrostem kosztów jego wytwarzania. Teoretyczną krzywą obrazującą zaleĪnoĞü cenĊ w funkcji jakoĞci złącza spawanego przedstawiono na rys. 1.
OsiągniĊcie wzrostu jakoĞci słączy spawanych w zakresie I (rys. 1) nastĊpuje przy nakładach, które moĪna uznaü za uzasadnione ekonomicznie. JakoĞü funkcji ceny w tym zakresie jest propor-cjonalna. OkreĞla ją kąt ȕ. W tym zakresie przyrost jakoĞci pociąga za sobą najniĪsze koszty wytwarzania.
Po przekroczeniu zakresu I i wejĞciu w zakres II, kaĪdemu jednostkowemu przyrostowi jakoĞci odpowiada co raz wyĪszy wzrost kosztów wytwarzania. Kształtowanie parametrów jakoĞci złączy spawanych w tym zakresie wytwarzania powinno mieü podłoĪe inne niĪ ekonomiczne, np. bezpie-czeĔstwo uĪytkowania zagraĪające Īyciu i zdrowiu ludzi.
WejĞcie w III zakres powoduje nieuzasadniony ekonomicznie wzrost kosztów wytwarzania złą-czy spawanych w stosunku do przyrostu ich jakoĞci. WejĞcie w ten zakres jest duĪym błĊdem produkcyjnym podnoszącym zbytecznie cenĊ wyrobu.
W przypadku niezadawalającego poziomu jakoĞci złączy spawanychi, moĪliwego do osiągniĊ-cia w zakresie I, ewentualnie w początkowej czĊĞci zakresu II naleĪy rozwaĪyü inne technologie
wytwarzania. Dobór technologii spawania do warunków produkcyjnych, moĪliwoĞci technologicz-nych zakładu, kompetencji i kwalifikacji pracowników obok kwestii materiałowej stanowią główne elementy procesu decydujące o kosztach wytwarzania połączeĔ spawanych, a zatem i konstrukcji.
JakoĞü złączy spawanych decyduje o ich właĞciwoĞciach uĪytkowych, takich jak właĞciwoĞci mechaniczne, chemiczne, fizyczne, estetyczne itp. Przekłada siĊ w głównej mierze równieĪ na moĪ-liwoĞci przenoszenia obciąĪeĔ przez całą konstrukcjĊ. Całkowite usuniĊcie wszystkich niedoskonałoĞci jest oczywiĞcie niemoĪliwe. NaleĪy dąĪyü do osiągniĊcia poziomu jakoĞci gwaran-tującego wysoką niezawodnoĞü konstrukcji w trakcie eksploatacji mając na uwadze osiągniĊcie tego celu przy jak najmniejszych kosztach. Obecnie funkcjonujące systemy zapewnienia jakoĞci oraz obowiązujące normy nie stawiają na wytwórcy wykonanie wyrobu pozbawionego niedoskonałoĞci. Wymagają jednak, aby wyrób kierowany do eksploatacji spełniał wymagania okreĞlone przez kon-struktora. Dopuszczalne zatem jest wytworzenie konstrukcji posiadającej wiĊksze niezgodnoĞci niĪ załoĪone, a nastĊpnie poprzez wyeliminowanie niezgodnoĞci przekraczających dopuszczanle war-toĞci, dostosowanie niezgodnoĞci do wartoĞci dopuszczalnych, a tym samym otrzymanie załoĪonego poziomu jakoĞci konstrukcji. Dla okreĞlenia wielkoĞci i nasilenia niezgodnoĞci w złą-czach spawanych diagnozuje siĊ je na etapie wytwarzania oraz eksploatacji. W obiektach technicznych stwarzających szczególne zagroĪenie diagnostyka prowadzona jest w krótszych okre-sach czasu lub nawet ciągły monitoring wybranych wĊzłów [3].
Rys. 1. Jakość złącza spawanego w funkcji kosztów jego wykonania: I, (β) – zakres (kąt) efektyw-nego wzrostu jakości, II – zakres podwyższoefektyw-nego kosztu w odniesieniu do podwyższena jakości, III
– zakres wysokich kosztów w odniesieniu do podwyższena jakości, α – współczynnik efektywności wzrostu jakości, β – współczynnik proporcjonalności wzrostu jakości.
ħródło: opracowanie własne.
Ja ko Ğü z łą cza s pawanego
JakoĞü złączy spawanych na etapie wytwarzania oceniana moĪe byü wieloma metadami za-równo nieniszczącymi jak i niszczącymi. Badania niszczące prowadzone są na etapie wytwarzania złączy spawanych mające na celu okreĞlenie wybranych ich cech [7–8]. Prowadzi siĊ je równieĪ na etapie eksploatacji, zwłaszcza w przypadku gdy nie ma dostĊpnych pełnych informacji o badanym obiekcie, w tym danych materiałowych oraz danych o przebiegu jego eksploatacji [6]. Próbek do tych badaĔ nie pobiera siĊ z rzeczywistego obiektu, lecz wykonuje siĊ z materiału z którego wyko-nywany jest obiekt techniczny złącza próbne spawane w identyczny sposób jak złącza konstrukcji. Złącza te poddaje siĊ w zaleĪnoĞci od potrzeb statycznej próbie rozciągania, zginaniu, łamaniu, ba-daniom mikroskopowym i makroskopowym, pomiarom twardoĞci, próbom korozyjnym itp. Natomiast na etapie eksploatacji wskazane jest diagnozowanie stanu obiektu za pomocą badaĔ nie-niszczących [3,4].
DiagnostykĊ złączy spawanych naleĪy prowadziü na kaĪdym z etapów ich wytwarzania oraz w miarĊ potrzeb i eksploatacji [5–8]. Jej celem jest zapewnienie ich poziomu jakoĞci zgodnego z dokumentacją techniczną oraz warunkami technicznymi wytwarzania i odbioru (WTWiO). Obej-muje ona poszczególne etapy:
¾ kontrola wstĊpna:
• sprawdzenie zgodnoĞci materiału łączonego i dodatkowego z dokumentacją techniczną (ewen-tualnie pWPS)
• sprawdzenie przygotowania elementów do spawania: odtłuszczenia, oczyszczenia, wymiarów i kształtu, ukosowania, prawidłowoĞci ich sczepienia, itp.
• sprawdzenie kompetencji i kwalifikacji operatora, • sprawdzenie stanu urządzenia spawalniczego. ¾ kontrola prac spawalniczych:
• sprawdzenie zgodnoĞci parametrów spawania z WPS i pWPS,
• sprawdzenie zgodnoĞci procesu spawania z WPS i pWPS oraz czynnoĞci miĊdzyoperacyjnych (oczyszczenie spoiny, długoĞü spoiny, temperatura materiału, itp.
• prowadzenie badaĔ nieniszczących na poszczególnych Ğciegach (np. wizualnych, kratery, pĊk-niĊcia, itp.) oraz bieĪące usuwanie niezgodnoĞci.
¾ kontrola koĔcowa:
• sprawdzenie zgodnoĞci złącza z dokumentacją techniczną,
• sprawdzenie poziomu jakoĞci złącza (dla niektórych materiałów kontrolĊ przeprowadza siĊ po 24 lub 48 godzinach od zakoĔczenia prac spawalniczych),
• sprawdzenie zgodnoĞci z warunkami odbioru.
3. Diagnostyka stanu obiektu technicznego za pomocą badaĔ nieniszczących
Za badania nieniszczące naleĪy uznaü badanie właĞciwoĞci materiału słuĪące do okreĞlenia jego stanu, a które nie przyczynią siĊ do zmiany właĞciwoĞci i cech badanego materiału.
Badania nieniszczące prowadzone były od dawna. Swoją nazwĊ, terminologiĊ i systemowoĞü zyskały w połowie lat siedemdziesiątych. Wówczas opracowano system kwalifikacji personelu ba-daĔ nieniszczących przedstawionego przez AmerykaĔskie Towarzystwo Baba-daĔ Nieniszczących (ASNT) Recommended Practice SNT-TC-1A, obecnie SNT-TC:2001 – Personnel Quality and Cer-tification In Nondestructive Testing. CałoĞü działaĔ w obszarze badaĔ nieniszczących harmonizuje MiĊdzynarodowy Komitet BadaĔ Nieniszczących. Obecnie wymagane jest prowadzenie badaĔ
w systemie zapewniającym nie tylko maksymalną efektywnoĞü, ale równieĪ porównywalnoĞü i po-wtarzalnoĞü.
Dla zapewnienia poprawnoĞci prowadzonych badaĔ nieniszczących, kaĪda z norm odnosząca siĊ do okreĞlonej metody badaĔ wymaga, aby badania były prowadzone przez personel o kompe-tencjach zgodnych z normą PN-EN 473:2002. Normy EN ISO 17024 przez kompetencje okreĞla zdolnoĞü do stosowania wiedzy i/lub umiejĊtnoĞci oraz jeĞli to jest istotne, wykazanych cech oso-bowych, jak to okreĞlono w programie certyfikacji. Kompetencje nadawane są oddzielnie dla kaĪdej metody osobie, nie zaĞ zakładowi i potwierdzane są certyfikatem kompetencji.
Norma EN ISO 17024 definiuje odpowiednie terminy jako:
• kompetencja – wykazana zdolnoĞü do stosowania wiedzy i/lub umiejĊtnoĞci oraz jeĞli to jest istotne, wskazanych cech osobowych,
• kwalifikacja – udowodnione wyszkolenie, wiedza zawodowa, umiejĊtnoĞci i doĞwiadczenie jak równieĪ i zdolnoĞü fizyczna umoĪliwiająca prawidłowe wykonanie badaĔ.
Metodą badaĔ nieniszczących nazywa siĊ fizyczną zasadĊ stosowaną w badaniach nieniszczą-cych. Techniką badania nieniszczącego nazywa siĊ specjalny sposób stosowania metody, np. badanie penetracyjne zanurzeniowe.
Personel badaĔ nieniszczących w zaleĪnoĞci od posiadanych kompetencji moĪe otrzymaü cer-tyfikat kompetencji pierwszego stopnia, drugiego stopnia, trzeciego stopnia.
Osoba certyfikowana na 1. stopieĔ posiada kompetencje do wykonywania badaĔ nieniszczą-cych zgodnie z pisemnymi instrukcjami, pod nadzorem osób mająnieniszczą-cych 2. lub 3. stopieĔ. Według PN-EN 473 jest ona upowaĪniona do:
- nastawiania aparatury badaĔ nieniszczących, - wykonywania badaĔ,
- rejestrowania wyników badaĔ i klasyfikowania wyników na podstawie pisemnych kryteriów, - opracowania protokołu z badaĔ.
Osoba certyfikowana na 2. stopieĔ posiada kompetencje do wykonywania badaĔ nieniszczą-cych zgodnie z ustalonymi lub uznanymi procedurami. Według PN-EN 473 jest ona uprawniona do: - doboru techniki badania dla stosowanej metody badania,
- okreĞlenia ograniczeĔ w stosowaniu metody badania,
- przenoszenia norm i specyfikacji z zakresu badaĔ nieniszczących do instrukcji badaĔ nieniszczą-cych,
- nastawiania i sprawdzania nastaw wyposaĪenia, - wykonywania i nadzorowania badaĔ,
- interpretacji i oceny wyników zgodnie z obowiązującymi normami, przepisami lub specyfika-cjami,
- przygotowania pisemnych instrukcji badaĔ nieniszczących, - wykonywania i nadzorowania wszystkich obowiązków 1. stopnia,
- zapewniania wytycznych dla personelu o kwalifikacjach 2. stopnia lub niĪszego, - zestawienia i opracowania protokołów z wynikami badaĔ nieniszczących.
Osoba certyfikowana na 3. stopieĔ posiada kompetencje do wykonywania i kierowania czyn-noĞciami badaĔ nieniszczących, do których jest certyfikowana. Według PN-EN 473 jest ona uprawniona do:
- przyjąü pełną odpowiedzialnoĞü za urządzenia badawcze lub oĞrodek egzaminacyjny i personel, - sporządzaü i walidowaü instrukcje oraz procedury badaĔ nieniszczących,
- interpretowaü normy, przepisy, specyfikacje i procedury,
- wyznaczaü okreĞlone metody badania, stosowane procedury i instrukcje badaĔ nieniszczących, - prowadziü i nadzorowaü wszystkie obowiązki personelu 1. oraz 2. stopnia.
NaleĪy podkreĞliü, Īe zgodnie z EN473: „certyfikacja zapewnia ocenĊ ogólną kompetencji ope-ratora badaĔ nieniszczących, co nie jest równowaĪne upowaĪnieniu do działania pozostającego odpowiedzialnoĞcią pracodawcy”.
Generalnie badania nieniszczące słuĪą do okreĞlenia stanu i jakoĞci materiałom lub ich czĊ-Ğciom, obiektom technicznym, urządzeniom, itp.
Zapewnienie jakoĞci jest zbiorem wszystkich Ğrodków, dziĊki którym zostaje zapewniona pełna zgodnoĞü pomiĊdzy wymaganiami i wykonawstwem. Wynika stąd znaczenie NDT (Non-Destruc-tive Testing) dla wykonawcy, okreĞlane przez:
• bezpieczeĔstwo ludzi, • odpowiedzialnoĞü za wyroby, • utratĊ dobrego imienia, • poprawki i naprawy,
• sprzĊĪenie zwrotne do procesu wytwarzania.
Równie istotne jest znaczenie NDT dla uĪytkownika, okreĞlone przez: • bezpieczeĔstwo zatrudnionych,
• nadzór nad obiektami w toku eksploatacji, • diagnostyka stanu obiektów,
• zapobieganie przerwom w pracy obiektów technicznych, • sposób postĊpowania przy wdraĪaniu NDT,
• sporządzanie dokumentacji NDT.
Do osiągniĊcia powyĪszych celów słuĪą nastĊpujące techniki badaĔ nieniszczących: ¾ badania objĊtoĞciowe: • ultradĨwiĊkowe (UT), • radiograficzne (RT), ¾ badania powierzchniowe: • wizualne (VT), • penetracyjne (PT), • magnetyczno-proszkowe (MT), • prądów wirowych (ET),
• inne jak prądami wirowymi, szczelnoĞci, emisją akustyczną, metodą przepływu ciepła, emisją spektralną, holografią optyczną itp.
WĞród metod badaĔ nieniszczących duĪą popularnoĞcią cieszą siĊ metody badaĔ wizualnych i penetracyjnych. Ich popularnoĞü wynika z niskich kosztów oraz łatwoĞci prowadzenia i interpre-tacji wyników badaĔ. Najpopularniejszą i najczĊĞciej stosowaną metodą badaĔ powierzchniowych, praktycznie na kaĪdym etapie wytwarzania kaĪdego wyrobu są badania wizualne. Badania objĊto-Ğciowe, równieĪ ze wzglĊdu na łatwe ich dokumentowanie oraz prostszą interpretacjĊ, czĊsto prowadzone są za pomocą metody radiograficznej [1].
Przy wyborze metod badaĔ nieniszczących oraz poziomów jakoĞci badaĔ złączy spawanych naleĪy uwzglĊdniü nastĊpujące czynniki:
• wytyczne konstruktora, • poziom akceptacji,
• gatunek materiału łączonego i dodatkowego, • przeprowadzoną obróbkĊ powierzchniową i cieplną, • rodzaj złącza, jego wymiary, kształt, stan powierzchni, itp., • kształt elementu (gruboĞü, dostĊpnoĞü, itp.),
• kwalifikacje i kompetencje personelu,
• dostĊpne defektoskopy i aparatura i urządzenia do badaĔ nieniszczących,
• warunku w których mają byü prowadzone badania (teren otwarty, nasłoneczniony, pomieszcze-nie ciemne, wilgotne, moĪliwoĞci zasilania, itp.),
• wyniki poprzednich badaĔ nieniszczących, • informacje od uĪytkownika,
• poziomy jakoĞci,
• oczekiwane niezgodnoĞci powstałe lub rozwijające siĊ na etapie wytwarzania oraz eksploatacji obiektu,
• wskaĨniki ekonomiczne badania, zagroĪenie stwarzane przez awariĊ obiektu, itp.
JakoĞü wykonania złączy spawanych decyduje o wytrzymałoĞci, warunkach uĪytkowania, estetyce itp. konstrukcji. Przykłąd konstrukcji spawanej przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Konstrukcja spawana ze stopu aluminium ħródło: badania własne.
3.1. Badania wizualne VT
Badania wizualne VT (Visual Testing) prowadzone są nieuzbrojonym okiem lub przy 30 krot-nym powiĊkszeniu. Badanie to stosowane jest na kaĪdym etapie produkcji i eksploatacji. Jest ono tak popularne, Īe prowadzone jest w wielu przypadkach nieĞwiaqdomie, zwykle jako normalna kon-trola lub popularnie zwane oglĊdziny zewnĊtrzne. Dzieli siĊ ono na bezpoĞrednie gdy droga obserwacji pomiĊdzy okiem, a obiektem jest nieprzerwana lub poĞrednie gdy na drodze obserwacji znajduje siĊ urządzenie wspomagające, np. endoskop, szkło powiĊkszające, itp. [3,4].
Metoda badaĔ wizualnych jest bardzo przydatna przy badaniach niezgodnoĞci zewnĊtrznych złączy spawanych. WiĊkszoĞü zewnĊtrznych niezgodnoĞci złączy spawanych zaliczyü moĪna do niezgodnoĞci geometrycznych (kształtu), np. brak czĊĞci spoiny (rys. 3), nawis spoiny (rys. 4), krater z pĊkniĊciem (rys. 5), podpawka (rys. 6), nadmierny nadlew lica (rys. 7), wycieki grani, porowatoĞü grani (rys. 8). Niekiedy w złączach spawanych wystĊpują równieĪ pĊkniĊcia. PĊkniĊcia obok braku przetopu naleĪą do najbardziej niebezpiecznych niezgodnoĞci złączy spawanych i w wiĊkszoĞci konstrukcji są niedopuszczalne. Wyjątek stanowią małe pĊkniĊcia w kraterach, które dopuszczalne są w konstrukcjach, dla których niewymagana jest wysoki poziom jakoĞci.
Rys. 3. Brak części spoiny ħródło: badania własne.
Rys. 4. Nawis spoiny ħródło: badania własne.
Rys. 5. Krater z pęknięciuem ħródło: badania własne.
Rys. 6. Podpawka ħródło: badania własne.
Rys. 7. Nadmierny nadlew lica ħródło: badania własne.
Rys. 8. Wycieki grani. Porowatość grani ħródło: badania własne.
3.2. Badania radiograficzne RT
Metody radiograficzne RT (Radiography Testing) wykorzystują promieniowanie rentgenow-skie oraz promieniowanie gamma. W technice wykorzystuje siĊ przenikliwoĞü oraz osłabienie promieniowania na badanych elementach. ZdolnoĞü do przenikania promieniowania przez badane elementy konstrukcji zaleĪy proporcjonalnie od jego energii. Techniką tą moĪna badaü objĊtoĞciowo elementy konstrukcji. W badaniach złączy spawanych metodą RT okreĞlane są cechy niezgodnoĞci: rodzaj, wielkoĞü, nasilenie, połoĪenie. Do czĊstych niezgodnoĞci, które mogą byü wykrywane ba-daniami radiograficznymi zaliczyü moĪna: brak przetopu (rys. 9), pĊcherze kanalikowe (rys. 10), przyklejenie, pĊcherz gazowy i wycieki grani (rys. 11).
Rys. 9. Brak przetopu w spoinie dwustronnej ħródło: badania własne.
Rys. 10. Pęcherze podłużne widoczne w grani spoiny (ciemne pola na jasnym tle) ħródło: badania własne.
Wybór normy do ocena jakoĞci złączy zaleĪy od uzgodnieĔ pomiĊdzy zleceniodawcą, instytu-cjąodbierającą, a wykonawcą. W Polsce z regóły przyjmowane są euronormy lub coraz rzadzej polskie normy. Norma Europejska do oceny złączy spawanych (EN 25817) nie okreĞla niezgodnoĞci w odniesieniu do konkternej metody badania. OkreĞla ona klasy zącza przy badaniach dowolną me-todą. Polskie normy odnoszą siĊ natomiast do konkretnych metod badaĔ. Norma europejska przyjmuje trzy poziomy jakoĞci:
– B – najwyĪsze wymagania, dedykowana dla wysokiej jakoĞci złączy, – C – wymagania Ğrednie, dedykowana dla Ğredniej jakoĞci złączy, – D – wymagania niskie, dedykowana niskiej jakoĞci złącza spawanego.
Rys. 11. Radiogram złącza spawanego: 1 – przyklejenie, 2 – pęcheż gazowy, 3 – wyciek grani ħródło: badania własne.
Klasy wadliwoĞci złączy spawanych według polskiej normy PN-M-69772:1987 zakłada klasy wadliwoĞci złączy od R1 do R5, gdzie R1 stawia najwyĪsze wymagania, a R5 dedykowana do złączy dla których poziom jakoĞci nie jest istotny, nie okreĞla minimalnej jakoĞci jaką powinno spełniaü złącze spawane. System ten oparty jest na okreĞleniu wymiarów wad i ich nasileniu w odcinku nor-malnym. Porównanie wybranych niezgodnoĞci EN z PN przedstawiono w tabelach 1 i 2.
Tab. 1. Maksymalne stopnie wadliwości i nasilenia wad złączy spawanych w poszczególnych radiograficznych klasach wadliwości według polskiej normy PN-M-69772:1987
Wada/klasa złącza R1 R2 R3 R4 R5 z 12 13, 22 14, 23, 32 15, 24, 33, 42 StopieĔ i nasilenie wiĊksze niĪ w klasie R4 PĊcherz podłuĪny 11 12, 21 13, 22, 31 14, 23, 32, 41
Brak przetopu spoiny dwustronnej - 12 13, 22 14, 23, 32
Wyciek grani - Według warunków odbioru
Tab. 2. Maksymalne niezgodności złączy spawanych dla poszczególnych poziomów jakości według PN-EN ISO 5817:2007
NiezgodnoĞü/poziom jakoĞci B C D
PĊcherz kulisty do 1% i do 3 mm do 2% i do 4 mm do 4% i do5 mm
PĊcherz podłuĪny max. 2 mm max. 3 mm max. 4 mm
Brak przetopu spoiny dwustronnej - - max 2 mm
Wyciek grani ls, max. 3 mm ls, max. 4 mm ls, max. 5 mm
gdzie: l – długoĞü pĊcherza, s – gruboĞü spoiny.
Ocena niedoskonałoĞci złączy spawanych według PN-EN ISO 5817:2007 w przedstawionych przykładach jest o wiele niedoskonalsza od oceny w oparciu o polskie normy. Dla przykładu, brak przetopu spoiny dwustronnej o niewielkiej głĊbokoĞci, wpływający w niewielkim stopniu na wy-trzymałoĞü złącza w ocenie według EN jest niedopuszczalny na poziomach B i C. Nawet poziom D dopuszcza jego długoĞü do 2 mm, tyle co PN w klasie R2. Podobne rozwazania moĪna przytoczyü do pozostałych przykładów pokazanych w talelach 1 i 2. Przykłady te wybrano w sposób losowy. Praktycznie takie rozwaĪania moĪna snuü nieomal do wszystkich niezgodnoĞci wystĊpujących w złączach spawanych.
4. Podsumowanie
JakoĞü wykonania złączy spawanych zaleĪy w głównej mierze od kwalifikacji i starannoĞci operatora, a dopiero w dalszej czĊĞci od cech materiałów łączonych, materiału dodatkowego oraz metody spawania. Diagnostyka złączy spawanych stosowane w trakcie ich wytwarzania daje infor-macje o niezgodnoĞciach wyrobów oraz wpływa na mobilizująco na operatorów. Na podstawie wskazaĔ kaĪdej z poszczególnych metod badaĔ nieniszczących moĪna diagnozowaü wybrane nie-zgodnoĞci złączy spawanych. Ze wzglĊdu na ograniczenia poszczególnych metod badaĔ nieniszczących oraz wieloznaczne wyniki badaĔ w szeregu przypadków oparte na interpretacji wskazaĔ, zalecane jest prowadzenie badaĔ mających na celu ustalenie tych samych cech kilkoma metodamu, które wzajemnie mogą siĊ uzupełniaü.
Boirąc pod uwagĊ wzrost kosztów wytwarzania na jednostkĊ jakoĞci wyrobu, nie naleĪy dąĪyü do wytworzenia złączy spawanych na jak najwyĪszej z moĪliwych technologicznie poziomie jako-Ğci. W szeregu przypadków bardziej opłacalne jest wytworzenie złącza z niezgodnoĞciami mieszczącymi siĊ w zakresie poziomu akceptacji niĪ ich wytwarzanie bez niezgodnoĞci. Ewentualne przekroczenie wielkoĞci lub nasilenia niezgodnoĞci moĪliwe jest do zdianozowania za pomocą me-tod badaĔ nieniszczących w celu ich eliminacji.
Ocena jakoĞci złączy spawanych wykonywana jest zazwyczaj w oparciu normy. Obecnie zde-cydowanie czĊĞciej przyjmuje siĊ wymagania stawiane przez normy europejskie. Jest to zrozumiałe ze wzglĊdu na tendencjĊ do ujednolicenia poziomów akceptacji. Niestety normy EN mają wiele niedoskonałoĞci. Stosowana do chwili obecnej ocena według PN jest niejednokrotnie dokładniejsza. Normy EN nie szeregują niedoskonałoĞci złączy spawanych pod wzglĊdem ich zagroĪenia dla danej konstrukcji czy wyrobu. CzĊstą wątpliwoĞü budzi podział pomiĊdzy wielkoĞcią a nasileniem. Zazwyczaj nie rozgranicza ona zmian w jakoĞci złącza dla róĪnego rodzaju usytuowania niedosko-nałoĞci wystĊpujących w złączu. Niedoskoniedosko-nałoĞci skupione lokalnie stawia na równi z ich rozłoĪeniem liniowym, a przecieĪ jest to kardynalna róĪnica we właĞciwoĞciach złącza. Analizując róĪnicĊ w poziomach jakoĞci np. przy badaniach RT: wg PN R1, R2, R3, R4, R5, zaĞ wg EN A, B, C, D. Pozornie PN posiada tylko jeden poziom wiĊcej. Niestety złącza wykonywane w oparciu o EN posiadają przewaĪnie poziom akceptacji B, ĪaĞ złącza wykonywane w oparciu o PN klasĊ R3 (przy badaniach ultradĨwiĊkowych U3, itp.). Przykładami spornych niedoskonałoĞci są pĊcherze kuliste oraz brak przetopu spoiny dwustronnej. PobieĪna analiza wymagaĔ obu norm skłania do refleksji: czy jakoĞü dyktowana wg EN nie nakłąda na wytwórcĊ zbyt surowych rygorów, a tym samym wy-musza poniesienia wyĪszych kosztów wytwarzania (rys. 1)? Przy okreĞleniu poziomu akceptacji szeregu wyrobów ze złączami spawanymi do eksploatacji na rynku decyduje zdrowy rozsądek.
Euronormy posiadają równieĪ zalety. Najistotniejszą jest dopuszczenie do badaĔ według ich wytycznych wyłącznie personelu posiadającego odpowiedni certyfikat kompetencji uzyskany wg PN-EN 473.
Bibliografia
1. Fidali M., Jamrozik W., Diagnostic method of welding process based on fused infrared and vision images. Infrared Physics & Technology 61 (2013) 241–253.
2. Garcia-Allende P. and all Defect detec-tion in arc-welding processes by means of the line-to-continuum method andfeature selection. Sensors (Basel) 9 (10) (2009) 7753–7770.
3. LipiĔski T., Bramowicz M., Szabracki P., Diagnostics of quality of the technical device on the using stage by visual testing method. In: S. Borkowski, M. Konstanciak (editors), Production improvement. Charper 1, Trnava, Słowacja 2011, pp. 9–25.
4. LipiĔski T., Szabracki P., Bramowicz M., 2009, The diagnostics of technical safety level objects non destructive testing basis. Evaluatin of production processes. Charter 11, Novosibirsk, pp. 111–120.
5. Rodriguez-Cobo L. and all Feasibility study of Hierarchical Temporal Memories appliedto weld-ing diagnostics. Sensors and Actuators A 204 (2013) 58– 66.
6. Rodriguez-Cobo L. and all Fiber Bragg grating sensors for on-line welding diagnostics. Journal of Materials Processing Technology 214 (2014) 839– 843.
7. Sreedhara U. and all Automatic defect identification using thermal image analysis for online weld quality monitoring. Journal of Materials Processing Technology 212 (2012) 1557– 1566. 8. Wang Z.D., Gu Y., Wang Y.S. A review of three magnetic NDT technologies. Journal of
Mag-netism and Magnetic Materials 324 (2012) 382–388.
DIAGNOSTICS WELDED JOINT BY NDT METHODS Summary
The paper presents basic information about the chosen welding methods metal construction materials in relation to the quality of welded joints. Presented popular methods of diagnostics of welded joints and are examples of inperfections be detected by their use. The basic guidelines for the selection methods of non-destructive testing of welded joints were shown.
Keywords: diagnostics, non destructive tedting, NDT, joins welded, joints welded tested, the quality of joints welded
Tomasz LipiĔski Paweł Szabracki
Katedra Technologii Materiałów i Maszyn Wydział Nauk Technicznych
Uniwersytet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie ul. Oczapowskiego 11, Olsztyn
