Jak prawidłowo przeprowadzić spawanie odlewów staliwnych?

Do czego służy spawanie w naprawie odlewów staliwnych?

Spawanie w odlewnictwie staliwa pełni dwie odrębne funkcje. Pierwsza to naprawa wad odlewniczych, takich jak nieciągłości, wady kształtu, wady powierzchni czy pęknięcia, które ujawniają się po wybiciu odlewu z formy albo dopiero podczas obróbki mechanicznej. Druga to spawanie łączeniowe, stosowane wtedy, gdy duży i skomplikowany odlew opłaca się wykonać jako kilka mniejszych odlewów, a następnie połączyć je w jedną całość.

Duże, skomplikowane odlewy trudno wykonać bez żadnej wady, dlatego naprawa spawalnicza jest w odlewnictwie staliwa czymś normalnym, a nie wyjątkiem świadczącym o niskiej jakości. Jako producent odlewów ze staliwa węglowego, stopowego konstrukcyjnego, narzędziowego, żaroodpornego oraz odpornego na ścieranie i korozję wiemy, że każdy z tych gatunków inaczej reaguje na ciepło wprowadzane podczas spawania. Dlatego decyzję o naprawie spawalniczej zawsze poprzedza ocena, czy dana wada w ogóle nadaje się do usunięcia tą metodą.

Które wady odlewu wolno naprawić spawaniem?

Nie każda wada odlewu staliwnego nadaje się do naprawy spawaniem. Wady drobne, które nie wpływają na wytrzymałość ani funkcję detalu, zwykle w ogóle nie wymagają ingerencji i pozostają w odlewie jako dopuszczalne. Wady większe, na przykład miejscowe nieciągłości, pęknięcia powierzchniowe czy ubytki kształtu, można natomiast usunąć metodami korekcyjnymi, wśród których spawanie jest jedną z najczęściej stosowanych obok szlifowania.

Są jednak wady na tyle poważne lub rozległe, że naprawa spawaniem nie ma sensu technicznego ani ekonomicznego, bo ryzyko osłabienia odlewu przewyższa korzyść z jego uratowania. W takich przypadkach decyzję o zakwalifikowaniu odlewu do złomowania podejmuje się na podstawie oceny wielkości wady względem grubości ścianki oraz jej położenia względem obszarów krytycznych dla wytrzymałości detalu. Ostateczną granicę między wadą naprawialną a dyskwalifikującą wyznacza zwykle specyfikacja techniczna odlewu uzgodniona z odbiorcą.

Jak przygotować miejsce naprawy przed spawaniem?

Zanim rozpocznie się spawanie, wadę trzeba całkowicie usunąć z materiału, bo spawanie na pozostawionej rysie czy porowatości tylko zamyka problem pod warstwą stopiwa. W praktyce stosuje się do tego żłobienie, czyli mechaniczne lub termiczne usunięcie wadliwego materiału aż do zdrowego rdzenia metalu. Najczęściej wykorzystuje się żłobienie plazmowe, żłobienie elektrodą otuloną albo żłobienie elektropowietrzne elektrodą grafitową, w zależności od wielkości wady i dostępnego sprzętu.

Po usunięciu wady krawędzie rowka trzeba oczyścić z tlenków, zgorzeliny i pozostałości po żłobieniu, bo zanieczyszczenia w tym miejscu prowadzą do porowatości spoiny. Kształt rowka powinien mieć łagodne przejścia, bez ostrych karbów, które w miejscu koncentracji naprężeń łatwo stają się zarodkiem kolejnego pęknięcia. Dopiero tak przygotowane miejsce kwalifikuje się do dalszych etapów, czyli ewentualnego podgrzania i właściwego spawania.

Kiedy odlew wymaga podgrzewania wstępnego przed spawaniem?

Podgrzewanie wstępne staje się konieczne przede wszystkim tam, gdzie w stali jest dużo węgla lub pierwiastków stopowych, bo taki materiał hartuje się w strefie wpływu ciepła i łatwiej pęka podczas stygnięcia spoiny. Miarą tego ryzyka jest równoważnik węgla, wartość wyliczana ze składu chemicznego staliwa, która pokazuje, jak bardzo dany gatunek jest podatny na zahartowanie. W praktyce przyjmuje się, że wartości powyżej 0,40 do 0,45 są sygnałem do rozważenia podgrzewania, a powyżej 0,50 podgrzewanie wstępne jest zwykle wymagane.

Oprócz składu chemicznego na decyzję wpływa też grubość ścianki w miejscu naprawy, bo grubszy przekrój odprowadza ciepło szybciej i mocniej hartuje strefę spoiny, oraz temperatura otoczenia w hali produkcyjnej. Gatunki żaroodporne, odporne na korozję czy odporne na ścieranie, które mają zwykle wyższy udział pierwiastków stopowych niż staliwo węglowe konstrukcyjne, częściej wymagają podgrzewania niż proste gatunki ogólnego przeznaczenia. Dobór temperatury podgrzewania oraz utrzymanie odpowiedniej temperatury międzyściegowej podczas całego procesu spawania powinna określać procedura spawania opracowana dla konkretnego gatunku staliwa.

Jaką metodę spawania dobrać do gatunku staliwa?

W naprawie i łączeniu odlewów staliwnych najczęściej stosuje się spawanie elektrodą otuloną, znane też jako MMA, oraz spawanie metodą MAG drutem litym lub proszkowym w osłonie gazów. Elektroda otulona sprawdza się przy naprawach w trudno dostępnych miejscach i przy mniejszych seriach, bo nie wymaga rozbudowanego osprzętu. MAG lepiej sprawdza się przy większej ilości pracy do wykonania, bo pozwala spawać szybciej i z mniejszą liczbą przerw na wymianę elektrody.

Materiał dodatkowy, czyli elektrodę lub drut, dobiera się tak, aby stopiwo miało zbliżone właściwości mechaniczne i strukturę do materiału rodzimego, a nie po prostu najbardziej uniwersalny dostępny produkt. Przy staliwach o podwyższonej zawartości węgla lub pierwiastków stopowych praktyka spawalnicza zaleca materiały dodatkowe niskowodorowe, bo ograniczają one ryzyko pęknięć wywołanych wodorem w strefie wpływu ciepła. Poniższa tabela pokazuje, na co zwrócić uwagę przy doborze metody do wybranych grup staliwa z naszej oferty.

Dlaczego obróbka cieplna po spawaniu jest tak ważna?

Sama poprawnie wykonana spoina to jeszcze nie koniec naprawy, bo proces spawania zawsze zostawia w materiale naprężenia własne powstałe przy nierównomiernym nagrzewaniu i stygnięciu. Jeśli tych naprężeń się nie usunie, odlew może pęknąć nie od razu, ale dopiero podczas pracy pod obciążeniem, czasem długo po opuszczeniu odlewni. Dlatego po spawaniu naprawczym odlewów staliwnych stosuje się obróbkę cieplną, najczęściej wyżarzanie odprężające albo wyżarzanie normalizujące.

Wyżarzanie odprężające prowadzi się w niższej temperaturze, orientacyjnie w okolicach 620 stopni Celsjusza, i ma za zadanie zredukować naprężenia bez istotnej zmiany struktury metalu. Wyżarzanie normalizujące wymaga wyższej temperatury, rzędu 920 stopni Celsjusza, i stosuje się je wtedy, gdy trzeba jeszcze ujednolicić strukturę materiału w strefie wpływu ciepła, a nie tylko zredukować naprężenia. Wybór między nimi zależy od gatunku staliwa, wielkości naprawy oraz wymagań technicznych postawionych całemu odlewowi.

Jak zweryfikować jakość naprawionego spawem odlewu?

Po zakończeniu spawania i ewentualnej obróbki cieplnej naprawiony obszar trzeba skontrolować, zanim odlew trafi do dalszej obróbki albo do klienta. Podstawą jest ocena wizualna spoiny, czyli sprawdzenie jej kształtu, ewentualnych podtopień, porów widocznych na powierzchni oraz zgodności z rysunkiem. Przy odlewach o podwyższonych wymaganiach stosuje się dodatkowo badania nieniszczące, na przykład penetracyjne albo magnetyczno-proszkowe do wykrywania nieciągłości powierzchniowych oraz ultradźwiękowe lub radiograficzne do wykrywania wad wewnętrznych.

Producenci odlewów, którzy chcą formalnie potwierdzić jakość stosowanej technologii spawania wykańczającego lub łączeniowego odlewów staliwnych, mogą przeprowadzić jej kwalifikowanie zgodnie z normą PN-EN ISO 11970. Taka procedura pokazuje, że dana technologia spawania, dla konkretnego gatunku staliwa i konkretnej grubości, daje spoiny o powtarzalnej i udokumentowanej jakości. Dla odbiorców odlewów, zwłaszcza w przemyśle maszynowym, kolejowym czy stoczniowym, udokumentowane kwalifikowanie technologii bywa warunkiem odbioru partii towaru.

Jakie błędy w naprawie spawaniem są najkosztowniejsze?

Najdroższe w skutkach są błędy, które ujawniają się dopiero po pewnym czasie, bo wtedy naprawa dotyczy już nie tylko odlewu, ale i całej maszyny czy konstrukcji, w której go zamontowano. Większość z nich wynika z pominięcia jednego z etapów opisanych wcześniej, a nie z samej techniki prowadzenia spoiny. Poniżej najczęstsze z nich.

• Nie pomijaj podgrzewania wstępnego przy staliwach o wysokim równoważniku węgla, bo pęknięcie w strefie wpływu ciepła potrafi ujawnić się dopiero po tygodniach eksploatacji.
• Dobieraj materiał dodatkowy do konkretnego gatunku staliwa, a nie do tego, co akurat jest dostępne na magazynie.
• Wykonuj obróbkę cieplną po spawaniu zawsze wtedy, gdy wymaga tego specyfikacja odlewu, nawet jeśli spoina wygląda poprawnie na oko.
• Kontroluj naprawiony obszar badaniami nieniszczącymi przed przekazaniem odlewu do dalszej obróbki, nie po jej zakończeniu.

Podsumowanie

• Spawanie odlewów staliwnych to standardowa metoda naprawy wad odlewniczych i łączenia odlewów dzielonych, uregulowana normą PN-EN ISO 11970.
• Decyzję o podgrzewaniu wstępnym i rodzaju obróbki cieplnej po spawaniu wyznacza przede wszystkim gatunek staliwa i jego równoważnik węgla.
• Jakość naprawy potwierdzają badania wizualne oraz, przy wyższych wymaganiach, badania nieniszczące i formalne kwalifikowanie technologii spawania.