Spawanie miedzi metodą MIG (SpeedPulse) bez podgrzewania wstępnego

W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych, poświęconych spawaniu miedzi bez podgrzewania wstępnego złączy doczołowych metodą MIG w odmianie SpeedPulse w pozycji PA. Omówiono spawalność miedzi, opisano możliwości spawania miedzi bez podgrzewania wstępnego oraz wydajność spawania, geometrię i budowę makrostrukturalną uzyskanych spoin.

• dr inż. Tomasz CHMIELEWSKI – Zakład Inżynierii Spajania, Instytut Technik Wytwarzania, Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska, ul. Narbutta 85, 02-524 Warszawa
• dr inż. Marek WĘGLOWSKI – RYWAL-RHC

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych, poświęconych spawaniu miedzi bez podgrzewania wstępnego złączy doczołowych metodą MIG w odmianie SpeedPulse w pozycji PA. Omówiono spawalność miedzi, opisano możliwości spawania miedzi bez podgrzewania wstępnego oraz wydajność spawania, geometrię i budowę makrostrukturalną uzyskanych spoin.

Wstęp

Charakterystyczne właściwości miedzi i jej stopów np. wysokie przewodnictwo elektryczne, wysokie przewodnictwo cieplne (do 10 razy większe niż stali), odporność na wiele agresywnych substancji chemicznych, dostatecznie dobre właściwości mechaniczne, a szczególnie dobre właściwości plastyczne (nawet w obniżonej temperaturze) powodują, że miedź i jej stopy są trudnym do zastąpienia konstrukcyjnym tworzywem metalowym. Mimo postępującego w szybkim tempie rozwoju urządzeń i metod spawalniczych, spawanie miedzi stanowi wciąż poważny problem techniczny i nie ma obecnie łatwej technologicznie metody spawania, która pozwalałaby łączyć konstrukcje spawane w prosty sposób. Trudności występujące podczas spawania miedzi związane są z jej właściwościami fizycznymi i charakterystyką metalurgiczną.

1. Spawalność miedzi

Wysokie przewodnictwo cieplne miedź utrudnia lokalne doprowadzenie metalu do temperatury topnienia i utworzenie kąpieli metalicznej, a poprzez to wymusza stosowanie źródeł energii charakteryzujących się wysokim stopniem koncentracji lub alternatywnie stosowaniem podgrzewania przed i w czasie spawania. Podgrzewania przed spawaniem wymagają przedmioty nawet nieznacznych grubości - powyżej 3 mm. Kolejne właściwość fizyczne utrudniające proces technologicznego spawania to wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (ok. 50% większy niż dla stali) i znaczny skurcz odlewniczy, są one głównymi przyczynami powstawania w złączach spawanych znacznych naprężeń własnych, a w konsekwencji dużych odkształceń, a nawet pęknięć konstrukcji charakteryzujących się dużym stopniem utwierdzenia. Charakter reakcji metalurgicznych zachodzących podczas spawania oraz duża wrażliwość na obecność niepożądanych domieszek i gazów obniżają odporność miedzi na powstawanie tzw. pęknięć gorących. Gazy niniejsze z kolei są głównymi przyczynami powstawania pęcherzy i porów w spoinach. Szczególnie niebezpieczna jest obecność w miedzi bizmutu i ołowiu, które nie tworzą z miedzią roztworów stałych, a kruche i niskotopliwe wydzielenia na granicach ziaren są przyczyną pęknięć gorących. Szczególnie szkodliwą dla miedzi domieszką jest tlen, tworzy z nią dwa typy tlenków: „czerwony” trwały podtlenek miedzi Cu2O i „czarny” nietrwały tlenek miedzi CuO. Cu2O stanowi zwykle pozostałość z procesu wytwarzania i tworzy z miedzą eutektykę Cu2O+Cu o temperaturze topnienia wyższej niż czysta miedź (Ttop miedzi – 1083 °C). Eutektyka w strukturze pierwotnej (odlewy i spoiny) może tworzyć swego rodzaju siatkę wzdłuż granic ziaren lub dzięki przeróbce plastycznej występować w korzystniejszej postaci rozproszonej. W SWC Cu2O segreguje na granicach ziaren, w spoinie lokuje się na granicach kryształów słupkowych powodując skłonność spoiny do kruchego pękania. Długie utrzymywanie miedzi w temperaturze bliskiej 1000 °C skutkuje rozrostem ziarna i „nagromadzeniem” eutektyki i Cu2O, a usunięcie efektów przegrzania możliwe jest tylko w procesie hutniczym. Przegrzanie można rozpoznać czerwoną barwą przełomu i po dużej kruchości materiału. Stężenie tlenu w połączeniu spawanym i SWC zależy od wielu czynników m in. od: gatunku miedzi, rodzaju spoiwa, metody i technologii spawania (od warunków wstępnego podgrzewania). W miedzi przeznaczonej do spawania stężenie tlenu nie powinno być wyższe niż około 0,015 %. Przy czym należy zwrócić uwagę na fakt, iż znaczna ilość tlenu może przeniknąć do obszaru spawania podczas wstępnego podgrzewania, na skutek dysocjacji CuO z warstwy wierzchniej. W takim przypadku spawanie miedzi pierwotnie nawet beztlenowej może prowadzić do istotnego wzrostu stężenia tlenu w obszarze spawania. Między innymi z tego powodu podjęto próbę opracowania spawania miedzi metodą MIG bez wstępnego jej podgrzewania.

2. Warunki spawania

W ramach prowadzonych prac eksperymentowano z kilkoma odmianami MIG, jednak zadowalające rezultaty uzyskano jedynie podczas stosowania odmiany SpeedPuls. Na rys.1 pokazano przebieg natężenia prądu spawania w odmianie SpeedPuls. Jej specyfika polega na tym iż, kształt pulsu jest podobny do pulsu w odmianach Puls i Twinpulse tylko w pierwszej fazie narastania prądu. W fazie amplitudowej prędkość narastania wartości natężenia prądu wyraźnie maleje. Podczas obniżania natężenia prądu w odmianie SpeedPuls, jego spadek jest wolniejszy do około 2/3 jego wartości szczytowej (zarysowując wyraźny uskok na wykresie), następnie opada podobnie, jak ma to miejsce w odmianie Puls. Dzięki takiemu kształtowaniu piku prądowego jego czas trwania jest dłuższy [1,2,3]. Podczas oceny charakteru przechodzenia kropli do kąpieli metalicznej, zarejestrowanego szybkobieżną kamerą 1024 PCI firmy Photron, zaobserwowano drobnokropelkowe (strugowe) przechodzenie metalu. Skutkuje to możliwością istotnego zwiększenia energii spawania i posuwu drutu elektrodowego [4] w stosunku do metody MIG Standard.

Rysunek 1. Przebieg zmian natężenia prądu spawania w funkcji czasu w metodzie MIG w odmianie SpeedPuls

Dodatkową zaletą metody o charakterze operacyjnym jest fakt iż, dzięki odpowiednio zaprogramowanej procedurze odcinającej kroplę, koniec drutu elektrodowego po procesie spawania ma stożkowy kształt, pozbawiony kropli zastygniętego metalu, utrudniającej ponowny zapłon łuku. Przed ponownym rozpoczęciem procesu spawania nie występuje konieczność mechanicznego obcinania końcówki drutu elektrodowego.

Generalnie proces spawania SpeedPulse jest jedną z nowszych odmian metody MIG (również MAG) dedykowaną do wysokowydajnego spawania.

Celem prowadzonych badań było uzyskanie warunków technologicznego spawania do wykonania prawidłowego złącza doczołowego (spoina czołowa ukosowana na X grubości 10 mm) w elektrolitycznej miedzi bez wstępnego podgrzewania. Badania wykonywano częściowo w laboratorium Zakładu Inżynierii Spajania PW oraz w firmie polskiej, która zleciła niniejsze badania. W ramach prowadzonych badań wykonano złącza doczołowe z miedzi stosowanej na zaawansowane przewody elektryczne stosowane w technice elektrowni wiatrowych. Do spawania zastosowano jako materiał dodatkowy drut spawalniczy w gatunku Doex Copper Din 1733 SG-CuSn marki MOST o średnicy 1,2 mm [6], jako gazu osłonowego użyto czystego Argonu 5.0 Grupa I1 (wg PN-EN ISO 14175:2008).

Proces spawania prowadzono finalnie w warunkach produkcyjnych, a uzyskaną wydajność porównywano z uzyskaną wydajnością podczas spawania próbki wzorcowej wykonanej metodą TIG z podgrzewaniem wstępnym. Próby spawania wykonano ręcznie z zastosowaniem zbliżonych parametrów spawania (natężenie prądu spawania około 280 A). Do badań wytypowano urządzenia firmy LORCH: Saprom S (SpeedPulse).

Na potrzeby eksperymentu zaprojektowano, a następnie wykonano stanowisko badawcze (rys.2) Jednocześnie opracowano i wdrożono technologię spawania blach miedzianych w złączach doczołowych w pozycjach PA. Podczas badań zastosowano ręczne spawanie, które również stosowano w rzeczywistych warunkach prefabrykacji w firmie produkcyjnej. 

Rysunek 2. Widok stanowiska spawalniczego wykonanego na potrzeby badań.

3. Właściwości złącza

Na rys. 4 zobrazowano budowę mikrostrukturalną spoiny doczołowej ukosowanej na X niesymetrycznie. Budowa mikrostrukturalna spoiny jest właściwa dla spoin stopów miedzi. Podstawowe składniki mikrostruktury to kolumnowe kryształy, charakterystyczne dla struktury pierwotnej. Ich orientacja wynika z kierunku odprowadzania ciepła ze spoiny do materiału rodzimego. Obserwowana linia wtopienia jest regularna, wtopienie nieznaczne, a mimo to brak przyklejeń i innych wad wtopienia mogących występować podczas spawania bez wstępnego podgrzewania. Bardzo interesująca jest budowa mikrostrukturalna obszaru wtopienia po stronie materiału rodzimego. Charakterystyczna strefa przegrzania (jaka występuje podczas spawania ze wstępnym podgrzewaniem) w tym przypadku w zasadzie nie istnieje. Podczas wnikliwych badań struktury tego obszaru zaobserwowano jedynie nieznaczną rekrystalizację w pasmie o szerokości około 200  µ m, gdzie średni wymiar ziarna wzrósł z około 80 do 150 µm. Jedynym zaobserwowanym mankamentem uzyskiwanych połączeń był wyraźny nadlew lica, który w przypadku wymaganego usunięcia, obniżał uzysk spoiwa.

Rysunek 4. Mikrostruktura spoiny czołowej X o grubości 10 mm spawanej metodą MIG SpeedPuls bez podgrzewania wstępnego (linią przerywaną zaznaczono miejsce pomiaru twardości)

Rysunek 5. Mikrostruktura obszaru linii wtopienia

W kolejnym etapie przeprowadzono badania twardości celem wskazania jej wartości w charakterystycznych obszarach spoiny i materiału podłoża. Pomiaru dokonano za pomocą mikroskopu z mikrotwardościomierzem - Leitz Wetzlar. Otrzymane wyniki posłużyły do wykonania wykresu rozkładu twardości w przekroju poprzecznym spoiny czołowej w linii zaznaczonej na rys. 4. Na rys. 6 zobrazowano rozkład twardości w próbce pobranej ze spoiny. Na wykresie zaznaczono wartości średniej arytmetycznej oraz odchylenia standardowego dla serii czterech niezależnych pomiarów. Ze względu na małą liczbę pomiarów (cztery) ostateczny wynik został pomnożony przez tzw. współczynnik rozkładu  t- Studenta o 3 stopniach swobody,  na poziomie ufności 95 %.

Z przedstawionego wykresu wynika, że twardość materiału rodzimego w obszarze linii wtopienia praktycznie nie uległa zmianie na skutek działania cyklu cieplnego spawania (gdzie przy podgrzewaniu wstępnym stopów miedzi, na skutek przegrzania tej strefy i znacznej rekrystalizacji rejestruje się zwykle wyraźny nieodwracalny spadek twardości [5]). W samej spoinie zaobserwowane duże różnice twardości przy jednoczesnym dużym odchyleniu standardowym. Wskazuje to na znaczne zróżnicowanie składników mikrostruktury, w tym rozmiaru i orientacji kryształów.

Rysunek 6. Rozkład twardości w przekroju poprzecznym złącza doczołowego spoina X

Podsumowanie 

Przeprowadzone badania dowodzą, iż warunkowo możliwe jest spawanie stosunkowo grubych blach miedzianych metodą MIG w odmianie SpeedPuls bez stosowania podgrzewania wstępnego. Uniknięcie wstępnego podgrzewania stopów miedzi przed spawaniem powoduje wymierne korzyści w postaci ograniczenia stężenia tlenu w obszarze spawania, odkształcenia i naprężeń własnych złącza oraz znacznego skrócenia czasu potrzebnego do wykonania spoiny.

Porównując uzyskaną wydajność spawania spoiny gr. 10 mm z ukosowaniem na X metodą MIG SpeedPuls do spawania tej spoiny metodą TIG z podgrzewaniem, odnotowano około czterokrotny wzrost wydajności spawania mierzony masą stopionego spoiwa w jednostce czasu. Ważną cecha uzyskanego połączenia jest brak wyraźnej strefy przegrzania występującej w większości przypadków spawania metodami łukowymi.

Bibliografia:

1. Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: "Porównanie wybranych właściwości nowoczesnych spawalniczych inwertorowych źródeł energii przeznaczonych do spawania metodą MAG". 51 Naukowo-Techniczna Konferencja Spawalnicza, Dębe 22-24.10.2009.

2. M. Węglowski, T. Chmielewski: „Efektywność spawania w odmianach metody MAG na podstawie wybranych właściwości spawalniczych",  I Konferencja Polskiej Izby Producentów Urządzeń i Usług  „Nowoczesne Technologie Obróbki Metali", Bydgoszcz, 31 marca - 1 kwietnia 2011.

3. Węglowski M., Chmielewski T.: "Badania właściwości urządzeń z wewnętrzną przemianą częstotliwości przeznaczonych do spawania metodą MAG". XVII Międzynarodowa Konferencja Spawalnicza Energetyków, Opole - Turawa, 20-23 kwietnia 2010.

4. Węglowski M., Chmielewski T., Kudła K.: "Porównanie właściwości spawalniczych inwertorowych źródeł energii przeznaczonych do spawania metodą MAG". Przegląd Spawalnictwa Nr 10/2009 s. 81-83.

5. Chmielewski T., Golański D.: "Napawanie brązu berylowego stellitem metodą MCAW." Przegląd Spawalnictwa,  Nr 10/2011 s. 23-27.

6. „Katalog RYWAL-RHC” Wydanie trzecie, Toruń 2011 r.