Uznawanie technologii spawania w świetle badań laboratoryjnych

Wszystkie zakłady produkujące i remontujące odpowiedzialne konstrukcje winny posiadać potwierdzenie oraz kwalifikowanie poprawności stosowanych technologii spawania.

Wprowadzenie

Wszystkie zakłady produkujące i remontujące odpowiedzialne konstrukcje winny posiadać potwierdzenie oraz kwalifikowanie poprawności stosowanych technologii spawania. Podstawowym dokumentem opisującym procedurę uznawania technologii spawania stali oraz zakresu kwalifikacji jest norma europejska PN-EN ISO 15614-1. Norma ta zastąpiła wcześniej stosowaną normę PN-EN 288-3:1994/A1;2002.
Wytwórca opracowuje wstępną instrukcję technologiczną spawania - pWPS (wg ENISO 15606-1 lub 2), która służy do wykonania znormalizowanego złącza próbnego w obecności inspektora jednostki notyfikowanej. Złącze takie jest przekazywane do laboratorium spełniającego wymagania PN-EN ISO/IEC 17025 celem przeprowadzenia badań nieniszczących i niszczących. W przypadku negatywnej oceny złącza konieczna jest weryfikacja pWPS i wykonanie nowego złącza. Pozytywne rezultaty badań pozwalają na kwalifikację technologii przez jednostkę notyfikowaną (np. UDT, TŐV, PRS, Lloyd Register, Bureau Veritas itp.)

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie
dr inż. Stabryła Jan
dr inż. Dutka Krzysztof

Wstęp
Instrukcja technologiczna spawania łukowego WPS.
Złącza próbne na uznanie technologii spawania.
Materiał.
Metoda spawania.
Zakres badań.
Podsumowanie

Instrukcja technologiczna spawania łukowego WPS

"Instrukcja technologiczna spawania łukowego" - opisuje stosowaną przez wytwórcę technologię spawania. Instrukcja przed uzyskaniem uznania występuje jako pWPS (preliminary welding procedure specyfication) - wstępna instrukcja technologiczna spawania. Formularz pWPS zawiera:

dane ogólne takie jak: numer, nazwę wytwórcy, nazwisko spawacza wykonującego złącze próbne, nazwę jednostki inspekcyjnej,
dane dotyczące złącza: metodę spawania (wg PN-EN 24063), rodzaj złącza (wg symboliki stosowanej w PN-EN 287.1), sposób przygotowania brzegów, oznaczenie grupy materiałów (wg CR ISO 15608), gatunki materiałów (zgodnie z
atestem), grubość materiału, średnica zewnętrzna rury, pozycja spawania (wg EN-ISO6947),
szczegóły dotyczące przygotowania do spawania: rysunek złącza, sposób ukosowania, wymiary odstępu i progu, sposób sczepiania, kolejność spawania,
szczegóły dotyczące spawania: nr ściegu, metoda spawania, wymiar spoiwa, napięcie, natęŜenie, rodzaj i biegunowość prądu spawania, szybkość podawania drutu, prędkość spawania, energię liniową spawania,
dane dotyczące materiałów: rodzaj spoiwa (oznaczenie wg normy, oznaczenie wytwórcy, zalecenia dotyczące suszenia), natęŜenie przepływu gazu osłonowego i formującego, rodzaj i średnica elektrody nietopliwej,
inne: sposób usuwania grani spoiny, temperatura podgrzewania wstępnego i międzyściegowa, obróbka cieplna, informacje dodatkowe,
dane osoby opracowującej pWPS i dane inspektora prowadzącego uznanie.

Wstęp
Instrukcja technologiczna spawania łukowego WPS.
Złącza próbne na uznanie technologii spawania.
Materiał.
Metoda spawania.
Zakres badań.
Podsumowanie

Złącza próbne na uznanie technologii spawania

Norma PN-EN ISO 15614-1 przewiduje 4 typy złączy (określa ich minimalne wymiary ze względu na grubość złącza oraz zakres niezbędnych do wykonania badań nieniszczących i
niszczących):

Rys 1 - Spoina czołowa w złączach z pełnym przetopem z blach,
Rys 2 - Spoina czołowa w złączach z pełnym przetopem z rur,

Materiał

Materiały spawalnicze podstawowe sklasyfikowane zostały w 11 grupach . W tabeli 1 zestawiono przykłady najczęściej spotykanych grup stali.

T a b e l a 1

Podział stali na grupy wg CR ISO 15608;2002(U) ze szczególnym uwzględnieniem najczęściej stosowanych grup 1,5 i 8.

Metoda spawania

Do najczęściej stosowanych metod spawania łukowego zgodnie z oznaczeniami zaczerpniętymi z PN-EN 24063 zalicza się:

111 - spawanie łukowe ręczne elektrodami otulonymi,
121 - spawanie łukiem krytym,
131 - spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów obojętnych - MIG,
135 - spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów aktywnych MAG,
141 - spawanie w osłonach gazów obojętnych elektrodą nietopliwą TIG.
151 - spawania plazmowe

Zakres badań

W normie PN-EN15614-1 przyjęto zakres badań złączy próbnych, z którego fragment dotyczący najczęściej wykonywanych złączy doczołowych blach i rur z pełnym przetopem zestawiono w tabeli 2:

T a b e l a 2

Zakres badań złączy wybranych próbnych

Złącze próbne	Rodzaj badań	Zakres badań
złącze doczołowe z pełnym przetopem- wg rys 1 i 2	wizualne radiograficzne lub ultradźwiękowe kontrola pęknięć powierzchniowych próba rozciągania poprzecznego próba zginania poprzecznego próba udarności próba twardości badania makroskopowe	100 % 100 % 100 % 2 próbki 4 próbki 2 zestawy wymagane 1 próbka

Zakres badań

T a b e l a 2

Zakres badań złączy wybranych próbnych

Złącze próbne	Rodzaj badań	Zakres badań
złącze doczołowe z pełnym przetopem- wg rys 1 i 2	wizualne radiograficzne lub ultradźwiękowe kontrola pęknięć powierzchniowych próba rozciągania poprzecznego próba zginania poprzecznego próba udarności próba twardości badania makroskopowe	100 % 100 % 100 % 2 próbki 4 próbki 2 zestawy wymagane 1 próbka

Badania wizualne VT

Badania wizualne całego złącza przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 970. Natężenie oświetlenia winno wynosić co najmniej 350 lx (zalecane 500 lx), przy kącie widzenia nie mniejszym niż 30 o i odległości od badanej powierzchni do 600 mm. Efekty dobrego kontrastu i uwypukleń można uzyskać przy zastosowaniu sztucznego (bocznego) oświetlenia oraz lupy o małym powiększeniu. Przy braku dostępu do grani złącza rurowego zalecane jest stosowanie wyposażenia dodatkowego jak lusterka kątowe, boroskopy, endoskopy lub mikrokamery. Do oceny wielkości i natężenia niezgodności spawalniczych można się posiłkować liniałami, suwmiarkami, spoinomierzami i innym sprzętem metrologicznym. Niezgodnością spawalniczą zwaną dawniej "wadą" jest każde odchylenie od idealnego złacza spawanego. Kryterium akceptacji : poziom jakości PJA B (wysoka jakość) wg PN-EN ISO 5817 dla stali i PN-EN 30042 dla złączy spawanych łukowo z aluminium i jego stopów.
Najczęściej spotykanymi niezgodnościami spawalniczymi określanymi wg normy PN-EN ISO 6520-1 są: nadmierny nadlew spoiny (502), brak przetopu (402), wyciek grani (504), podtopienie lica (5011 ciągłe, 5012 przerywane), podtopienie grani (5013), przesunięcie liniowe (507) i kątowe (508). Często do badań dostarczane są złącza z rozpryskami, śladami
obróbki mechanicznej i nierównością lica. W spoinach pachwinowych najczęściej spotykaną niezgodnością jest asymetria (512). Przykład niezgodności wykrytej metodą wizualną przedstawia rys. 5

Rys.5 Przykład niezgodności w złączu doczołowym spawanym jednostronnie – widok od strony grani. Brak przetopu (402), wyciek grani (504), sopel (5041).

Wstęp
Instrukcja technologiczna spawania łukowego WPS.
Złącza próbne na uznanie technologii spawania.
Materiał.
Metoda spawania.
Zakres badań.
- badania wizualne VT,
- badania radiograficzne RT lub ultradźwiękowe UT,
- kontrola pęknięć powierzchniowych (metoda PT lub MT),
- próba rozciągania poprzecznego RM,
- próba zginania poprzecznego RG,
- próba udarności KCV,
- próba twardości HV,
- badania makroskopowe MA
Podsumowanie

Badania radiograficzne RT lub ultradźwiękowe UT

W zależności od geometrii, materiału i wymagań produkcyjnych, złącza próbne winny być badane metodą radiograficzną wg PN-EN 1435 lub ultradźwiękową PN-EN 1714. Z wieloletnich doświadczeń wynika, że złącza z blach stalowych o grubości do 10 mm najkorzystniej jest badać metodą radiograficzną, a o grubościach wyższych – metodą ultradźwiękową. Wyjątek stanowią złącza ze stali austenitycznej dla której metoda UT nie jest zalecana. Złącza rurowe o średnicy do 100 mm prześwietlane są radiograficznie metodą eliptyczną, a powyżej tej średnicy – metodą przez dwie ścianki.

Kryterium akceptacji dla metody RT: poziom akceptacji 1 wg PN-EN 12517 odpowiadający poziomowi jakości PJA B wg PN-EN-ISO 5817 dla stali i PN-EN 30042 dla złączy spawanych łukowo z aluminium i jego stopów.

Kryterium akceptacji dla metody UT: poziom akceptacji 2 wg PN-EN 1712 odpowiadający poziomowi jakości PJA B wg PN-EN-ISO 5817 dla stali i PN-EN 30042 dla złączy spawanych łukowo z aluminium i jego stopów. W obydwu metodach wymagana jest klasa badania B. Najczęściej spotykanymi niezgodnościami spawalniczymi wykrywanymi metodami objętościowymi są: braki przetopów (402), pęcherze (2011) i gniazda pęcherzy (2013), przyklejenia (401), pęknięcia (100) i wtrącenia obcego metalu (304).

Przykład niezgodności wykrytej metodą radiograficzną przedstawia rys. 6 a i b

Wstęp
Instrukcja technologiczna spawania łukowego WPS.
Złącza próbne na uznanie technologii spawania.
Materiał.
Metoda spawania.
Zakres badań.
- badania wizualne VT,
- badania radiograficzne RT lub ultradźwiękowe UT,
- kontrola pęknięć powierzchniowych (metoda PT lub MT),
- próba rozciągania poprzecznego RM,
- próba zginania poprzecznego RG,
- próba udarności KCV,
- próba twardości HV,
- badania makroskopowe MA
Podsumowanie

Kontrola pęknięć powierzchniowych (metoda PT lub MT)

Wykrywanie nieciągłości powierzchniowych w obrębie spoiny, a zwłaszcza strefy wpływu ciepła przeprowadzane jest w zależności od rodzaju materiału metodą penetracyjną lub magnetyczną. Badania penetracyjne PT winny być przeprowadzane wg zaleceń normy PN-EN 571-1, a kryteria oceny wg normy PN-EN 1289. Metoda ma zastosowanie do wszystkich materiałów konstrukcyjnych.
Norma PN-EN 1289 dzieli wskazania na liniowe, przy których długość jest trzy razy większa niż szerokość i nieliniowe, gdy jest mniejsza lub równa. Do wykrywania małych niezgodności zalecane są penetranty o wysokiej czułości stosowane na gładką powierzchnię. Szerokość badanej powierzchni powinna obejmować spoinę i min. 10 mm po jej obydwu stronach. Ocenę wskazań należy przeprowadzić po upływie minimalnego czasu wywołania, ale przed pogorszeniem się wskazań. Poziom akceptacji PAK-2X odpowiadający poziomowi jakości PJA B w badaniach penetracyjnych wymaga powierzchni gładkiej bez rozprysków. Oceniana powierzchnia winna być oświetlona światłem białym o natężeniu min. 500 lx na powierzchni badanej penetrantami barwnymi. W przypadku penetrantów fluorescencyjnych oceniana powierzchnia nie może mieć większego oświetlenia światłem białym niż 20 lx, a natężenie napromieniowania lampą UV winno wynosić 10 ¸ 50 W/cm2. Radiometry i luxomierze winny mieć aktualny certyfikat wzorcowania. Ocena wyników badań PT polega na pomiarze długości wskazań liniowych lub dłuższej osi wskazań nieliniowych i sprawdzeniu czy mieszczą się one w granicach odpowiadających poziomom akceptacji tzn dla PAK 2X - wskazanie liniowe l <= 2 mm i wskazanie nieliniowe d <= 6 mm.
Do badania materiałów ferromagnetycznych może być stosowana metoda magnetycznoproszkowa MT. Badania magnetyczne MT winny być przeprowadzane wg zaleceń normy PN-EN 1290, a kryteria oceny wg normy PN-EN 1291. Podobnie jak w badaniach penetracyjnych, poziomowi jakości PJA B odpowiada poziom akceptacji PAK-2X. Symbol X- oznacza, że wskazania liniowe powinny być jak dla poziomu akceptacji PAK-1. Ocena wyników badań MT polega na pomiarze długości wskazań liniowych lub dłuższej osi wskazań nieliniowych i sprawdzeniu czy mieszczą się one w granicach odpowiadających poziomom akceptacji. PAK-2X dopuszcza wskazania liniowe l <= 1,5 mm i wskazanie nieliniowe d <= 3 mm. Do badań złączy z wymaganym poziomem akceptacji PAK-2X wymagana jest gładka powierzchnia i środki wykrywające fluoryzujące lub barwne ze środkiem kontrastowym.

Rys.7 Przykład badania penetracyjnego złącza trójnika rurowego od strony grani. Widoczny ciągły brak przetopu i siatka pęknięć zmęczeniowych eksploatacyjnych.

Próba rozciągania poprzecznego RM

Jest to próba niszcząca przeprowadzana wg normy PN-EN 895. Próbki paskowe (b=25 mm) pobierane są z płyt lub rur o średnicy powyżej 50 mm. Rury o średnicy poniżej 50 mm mogą być rozciągane w całości.

Złącza przed rozciąganiem poddawane są usunięciu lica i grani do poziomu materiału rodzimego. Wyjątek stanowi grań w cienkich rurkach. Wytrzymałość na rozciąganie określana jako granica doraźnej wytrzymałości Rm [MPa], nie powinna być niższa od wymaganej najniższej wartości wytrzymałości dla materiału podstawowego. Wartości Rm dla łączonych materiałów ustalane są na podstawie norm materiałowych i norm wyrobów. Przełom winien nastąpić poza spoiną. Za pozytywną uznaje się również próbę kiedy przełom nastąpi w spoinie, jednakże wartość Rm będzie wyższa od minimalnej dla materiału rodzimego.

Próba zginania poprzecznego RG

Próbę zginania przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 910. Próbki paskowe (b=20 mm) pobrane ze ścianki złączy są obrabiane mechanicznie i zginane na trzpieniu o średnicy d = 4t. Rolki podporowe o średnicy 50 mm są rozstawione na odległość 7 grubości materiału zginanego. Z materiału o grubości poniżej 12 mm pobiera się po dwie próbki na zginanie z rozciąganiem lica (FBB1 i FBB2) oraz dwie z rozciąganiem grani (RBB1 i RBB2). Przy gięciu o kąt 180 o nie powinny wykazywać pęknięć. Dopuszczalne są pojedyncze naderwania o długości nie przekraczającej 3 mm. W przypadku pęknięcia jednej próbki dopuszcza się możliwość wykonania z danego złącza dwóch dodatkowych próbek. Jeżeli wynik którejkolwiek będzie negatywny, wówczas całe złącze oceniane jest negatywnie. Przy złączach o grubości powyżej 12 mm wykonywane są 4 próbki do zginania bocznego (SBB1¸4). Dla materiału o wydłużeniu A< 20 % średnicę trzpienia gnącego określa się z wzoru: d = (100 t /A) - t [mm]. W przypadku nieodpowiedniego doboru materiału dodatkowego obserwowane jest nierównomierne odkształcenie spoiny rys.9a.

Rys.9 Próbki złączy doczołowych po zginaniu. Próbka a - brak odkształcenia spoiny świadczy o zbyt twardym materiale spoiwa, próbka b - odkształcenie prawidłowe.

Próba udarności KCV

Dla oceny odporności złącza na obciążenia dynamiczne przeprowadzana jest próba Charpy V wg PN-EN 875. Badania przeprowadza się dla materiałów o grubości t ³ 12 mm. Stosuje się dwa zestawy próbek 10 x 10 x 55 mm - jedna dla spoiny i jedna dla strefy wpływu ciepła (HAZ). Dla grubości t > 50- mm pobiera się dodatkowe zestawy próbek, jeden ze spoiny i jeden ze strefy wpływu ciepła - obszar środkowy lub od strony grani. Kryterium akceptacji jest energia łamania, która winna odpowiadać wartości normy dotyczącej materiału podstawowego.

Próba twardości HV

Próbę twardości metodą Vickersa HV przeprowadza się przy obciążeniu 10 kG ( 98,1 N) zgodnie z normą PN-EN 1043-1. Badania nie są wymagane dla materiałów grupy 1.1 i grup 8 oraz 4.1 do 4.8. Dla pozostałych materiałów w zaleŜności od grubości ścianki wykonuje się 1 do 3 rzędów odcisków na głębokości do 2 mm od powierzchni złącza. Dla złączy o grubości poniżej 5 mm wykonywany jest tylko jeden rząd odcisków. Odciski dokonuje się w materiale
rodzimym, HAZ i spoinie. Kryterium akceptacji: twardość maksymalna nie może przekraczać wartości 320 do 380 HV- w zależności od grupy materiału i liczby ściegów, a różnica pomiędzy twardością złącza, a materiału rodzimego nie może przekraczać 100 HV.

Rys.11. Punkty pomiaru twardości w złączu jednostronnym t10 mm.

Badania makroskopowe MA

Ocenę wewnętrznej budowy złącza na podstawie badań makroskopowych przeprowadza się zgodnie z normą PN-EN 1321 tak aby była widoczna linia wtopienia w materiale podstawowym, strefa wpływu ciepła (HAZ) oraz układ ściegów spoiny wielościegowej. Przekrój poprzeczny złącza poddawany jest szlifowaniu, polerowaniu i trawieniu. W przypadku stali najczęściej do trawienia używa się odczynnika Adlera. Kryterium akceptacji wg PN-EN ISO 15614-1 pkt 7.5 wymaga, aby złącza mieściły się w klasie jakości B z dopuszczeniem nadmiernego nadlewu i wycieku grani w klasie C. Obraz makroskopowy dokumentowany jest metodą fotograficzną. Najczęściej stosuje się powiększenie 2 ¸10 razy.
Najczęściej widoczne na przekrojach makro niezgodności spawalnicze to pęcherze, przyklejenia i braki przetopu.

Rys 12. Przekroje makroskopowe złączy trawionych odczynnikiem Adlera a) kątowe t10,0/t20,0 z pełnym przetopem obrabiane cieplnie stal 1.4307- widoczne pęcherze gazowe, b) doczołowe t10 mm stal 1.4301- widoczna wielościegowa budowa spoiny, rozwarstwienie blachy z prawej strony c) doczołowe t5,0 stal P265 GH - widoczny brak przetopu w grani, pęcherze gazowe i przyklejenia brzegowe.

Podsumowanie

Posiadanie uznania potwierdza kompetencje wytwórcy w zakresie opracowania technologii spawania oraz poprawność realizacji wszystkich praktycznych operacji niezbędnych do prawidłowego wykonywania złączy spawanych. Uznanie kwalifikacji wytwórcy podwyższa zaufanie do jego firmy i z pewnością przyczyni się do wzrostu ilości zamówień.

Ważniejsze normy i wykorzystane materiały

[1] PN-EN 729.1. Spawanie metali. Wytyczne doboru wymagań dotyczących jakości i stosowania.
[2] PN-EN 729.2. Spawanie metali. Pełne wymagania dotyczące jakości w spawalnictwie.
[3] PN-EN 287.1. Spawalnictwo. Egzaminowanie spawaczy. Stale.
[4] PN-EN 24063: Spawanie, zgrzewanie i lutowanie metali. Wykaz metod i ich oznaczenia numeryczne w umownym przedstawianiu połączeń na rysunkach.
[5] PN-EN ISO 6947: Spoiny. Pozycje spawania. Określenie kątów pochylenia i obrotów.
[6] PN- ISO 6520-1 Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych.
[7] PN- EN ISO 15614-1 Badanie technologii spawania.
[8] PN- EN ISO 6507-1 Pomiar twardości sposobem Vickersa Badanie technologii spawania.
[9] PN- EN ISO 1043-1 i PN- EN ISO 1043-2 Badania niszczące złączy spawanych. Próby twardości.
[11] PN-EN 970 Badania niszczące złączy spawanych.. Badania wizualne.
[12] PN-EN 5817 Złącza stalowe spawane łukowo. Wytyczne do określania poziomów jakości wg niezgodności spawalniczych.
[13] PN-EN 30042 Złącza spawane łukowo z aluminium i jego stopów . Wytyczne do określania poziomów jakości wg niezgodności spawalniczych.
[14] PN- EN 875 Próba udarności. Usytuowanie próbek, kierunek karbu i badanie.
[15] PN- EN 571-1 Badania penetracyjne.
[16] PN-EN 1290 Badania magnetyczno-proszkowe złączy spawanych.
[17] PN-EN 1435 Badania radiograficzne złączy spawanych
[18] PN-EN 1714 Badania ultradźwiękowe złączy spawanych
[19] PN-EN 910 Badania niszczące złączy spawanych. Próba zginania
[20] PN-EN 1321 Badania niszczące metalowych złączy spawanych. Badania makroskopowe i mikroskopowe złączy spawanych.
[21] Dyrektywa ciśnieniowa 97/23/EEC

Czy artykuł był dla Ciebie przydatny?

Chcesz otrzymywać informację o nowych artykułach? Zostaw nam swój e-mail.