BADANIA NIENISZCZĄCE ZŁĄCZY SPAWANYCH Z TWORZYW TERMOPLASTYCZNYCH

Transkrypt

1 BADANIA NIENISZCZĄCE ZŁĄCZY SPAWANYCH Z TWORZYW TERMOPLASTYCZNYCH WPROWADZENIE mgr inż. Janusz Czuchryj; mgr inż. Sławomir Sikora Instytut Spawalnictwa, GLIWICE W gospodarce światowej coraz powszechniej stosuje się, w miejsce metali, gotowe wyroby lub półprodukty z polimerów, o dowolnym kształcie i wymiarach. Znalazły one szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym, lotniczym, maszynowym, chemicznym, zbrojeniowym, w produkcji sprzętu gospodarstwa domowego itp. Z tworzyw termoplastycznych wykonuje się, między innymi, takie konstrukcje, jak: rurociągi gazowe niskiego i średniego ciśnienia, rurociągi na zimną wodę, instalacje odsiarczania spalin w elektrowniach, oczyszczalnie ścieków, instalacje chemiczne do transportu lub przechowywania mediów, kanały wentylacyjne itp. Jednym ze sposobów łączenia tych wyrobów jest spawanie. Podstawową metodą oceny jakości złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych są badania wizualne. Podczas ich realizacji sprawdza się i porównuje z wartością graniczną takie, przykładowo, niezgodności jak: karby, brak przetopu, przesunięcie brzegów, odkształcenia kątowe, falistość powierzchni, błąd ustawienia itd. Badania wizualne nie dają jednak pełnej informacji o stanie połączenia. Wewnątrz spoin mogą powstać niezgodności w postaci pęcherzy, obcych wtrąceń, przyklejeń itp., znacznie obniżających ich trwałość eksploatacyjną. Zachodzi zatem konieczność uzupełnienia badań wizualnych o objętościowe metody badań nieniszczących. Jedną z takich metod, powszechnie stosowana w praktyce przemysłowej, są badania radiograficzne. Z tego powodu podjęto próbę przybliżenia możliwości wykorzystania badań radiograficznych do kontroli jakości złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych. ZŁĄCZA PRÓBNE DO BADAŃ Do badań wykorzystano złącza próbne wykonane z polimerów, nazywanych również tworzywami sztucznymi lub plastikami [1]. Polimery są makrocząsteczkami powstającymi w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łańcuchy wielu grup atomów zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów. Zwykle surowcem do wytwarzania polimerów jest ropa naftowa. W takim przypadku łączenie monomerów w makrocząsteczki następuje podczas polireakcji, tj.: polimeryzacji, kopolimeryzacji, polikondensacji i poliaddycji (rys.1) [1,2]. 1

2 2 Rys. 1 Schematy polireakcji: a) polimeryzacji, b) polikondensacji, c) poliaddycji Polimeryzacja zachodzi między monomerami tego samego typu. Kopolimetyzacja miedzy dwoma lub więcej różnymi rodzajami monomerów. Polikondensacja występuje w przypadku, gdy w monomerze nie występuje wiązanie nienasycone, a w wyniku reakcji powstaje produkt uboczny, taki jak woda. Poliaddycja jest polireakcją o cechach polimeryzacji i polikondensacji, ale bez wydzielania się produktu ubocznego, w której często uczestniczą dwa różne monomery. Spawanie tworzyw termoplastycznych odbywa się analogicznie do procesów spawania metali. Trwałe połączenie uzyskuje się przez silne uplastycznienie lub nadtopienie zewnętrznym źródłem ciepła obszaru łączenia i wypełnienia tego obszaru stopionym materiałem dodatkowym. Źródłem ciepła spawania jest zwykle strumień gorącego gazu (rys. 2) [2]. 2

3 a) b) Rys. 2. Schematy przebiegu procesów spawania ręcznego złączy doczołowych płyt z tworzywa termoplastycznego a) palnikiem z dyszą do szybkiego spawania w strumieniu gorącego gazu, b) w strumieniu gorącego gazu z wciskaniem do rowka spoiny stopionego materiału dodatkowego podawanego z wytłaczarki (ekstruderem). 3

4 Temperatura powierza lub innego gazu (N 2, CO 2, H 2, O 2, Ar) mieści się zwykle w granicach C, natężenie przepływu 15 do 60 l/min (lub ciśnienie rzędu od 1 do 50 kpa), prędkość spawania 120 do 300 mm/min (przy spawaniu ręcznym). Do badań radiograficznych wykorzystano złącza próbne z płyt termoplastycznych o grubości 10, 15, 20 mm. Ogółem przebadano 12 sztuk złączy spawanych ręcznie strumieniem gorącego powietrza. BADANIA WIZUALNE Podobnie jak w przypadku złączy ze stali, badania radiograficzne połączeń z tworzyw sztucznych również powinny być poprzedzone badaniami wizualnymi. Z tego powodu zdecydowano o przybliżeniu wymagań obowiązujących w tym zakresie. Wymagania dotyczące badań wizualnych złączy spawanych z tworzyw sztucznych (termoplastycznych) przedstawiono w normie PN-EN pt. Badania nieniszczące połączeń spawanych w produktach z tworzyw termoplastycznych. Część 1: Ocena wizualna. Badania wizualne połączeń spawanych w półproduktach z tworzyw termoplastycznych należy przeprowadzić w odpowiednich warunkach oświetlenia i z odpowiednim dostępem do złącza. Warunki te są następujące: oświetlenie: natężenie oświetlenia na powierzchni złącza powinno wynosić co najmniej 350 lx; zalecana wartość natężenie oświetlenia wynosi 500 lx; jeżeli wymagane jest uzyskanie wysokiego kontrastu i efektu uwypuklenia niezgodności spawalniczych w stosunku do podłoża, zaleca się stosowanie dodatkowego źródła światła; odległość: do kontroli bezpośredniej należy zapewnić dostęp, umożliwiający obserwację wzdłuż całej spoiny z odległości do 600 mm. Badania zdalne za pomocą przyrządów optycznych do sprawdzania otworów, z wykorzystaniem techniki światłowodowej lub kamer powinny być traktowane jako wymaganie dodatkowe, ustalone w normie wyrobu w uzgodnieniu pomiędzy zainteresowanymi stronami. Przykłady przyrządów do przeprowadzania badań podano w załączniku A do normy EN 970. Personel przeprowadzający badania wizualne powinien charakteryzować się: znajomością odpowiednich norm, zasad, specyfikacji oraz zastosowanej techniki spawania; posiadać dobry wzrok(skontrolowany i udokumentowany zgodnie z wymaganiami podanymi w normie PN 473). 4

5 Badania wizualne złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych przeprowadza się, z reguły, na złączach gotowych (po realizacji procesu spawania) w takim stanie, w jakim je wykonano oraz po każdorazowym wykonaniu obróbki powierzchniowej. Spoina powinna być oceniana celem określenia, czy spełnia wymagania zawarte w uzgodnionych warunkach odbioru (np. uzgodniony poziom jakości). Wyjątkowo, na przykład, gdy norma wyrobu lub umowa pomiędzy zainteresowanymi stronami tego wymaga, badania mogą być przeprowadzone w czasie innych faz procesu spawania. Z tego powodu mogą one również obejmować: ocenę wizualną elementów przygotowanych do łączenia; ocenę wizualną podczas spawania. W pierwszym przypadku należy sprawdzić, czy kształt i wymiary elementów do spawania spełniają wymagania podane w odpowiednich normach, natomiast w drugim, czy spełnione są określone wymagania również podane w odpowiednich normach. Zakres badań powinien być określony przed ich przeprowadzeniem w normie dotyczącej stosowania lub w umowie zawartej pomiędzy zainteresowanymi stronami. Celem poprawnej realizacji badania oceniającemu należy udostępnić niezbędną i wymaganą dokumentację kontrolną i produkcyjną. Przykładem warunków odbioru, według których można uzgodnić odbiór złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych są Wytyczne Urzędu Dozoru Technicznego nr UDT-ST-1/00 pt. Spawanie i zgrzewanie termoplastycznych tworzyw sztucznych. W tablicach 1 i 2 zestawiono rodzaje, schematy, opisy niezgodności i ich wartości graniczne w złączach z tworzyw termoplastycznych spawanych gorącym powietrzem oraz ekstruderem ręcznym, opracowane na podstawie tych wytycznych. W tablicach ujednolicono, w miarę możliwości, terminologię niezgodności oraz ich opis z punktu widzenia określeń stosowanych w spawalnictwie. 5

6 Tablica 1. Niezgodności spawalnicze w złączach z tworzyw termoplastycznych spawanych gorącym powietrzem LP RODZAJ NIEZGODNOŚCI SCHEMAT NIEZGODNOŚCI OPIS NIEZGODNOŚCI WARTOŚĆ GRANICZNA NIEZGODNOŚCI PEKNIĘCIA 2 KARBY 3 KARBY NA KRAWĘDZIACH 4 BRAK PRZETOPU GRANI Pojedyncze lub zgrupowane, z odgałęzieniami lub bez, wzdłuż lub poprzek spoiny, leżące: w spoinie; w strefie wpływu ciepła; w materiale podstawowym. Wyraźnie widoczne i wyczuwalne wgłębienie wzdłuż spoiny, względnie pomiędzy pojedynczymi ściegami, powstałe w wyniku: wadliwej dyszy do spawania; niewłaściwego prowadzenia pręta spawalniczego. Karby w materiale podstawowym wzdłuż spoiny, powstałe w wyniku: zarysowania dyszą do spawania; wadliwa obróbką spoiny; niedospawania w warstwie skrajnej. Niewypełnienie spoiny w grani spowodowane: zbyt małym katem rowka spawalniczego; zbyt małym odstępem między łączonymi elementami; zbyt dużą średnicą pręta spawalniczego; zbyt małą siłą docisku przy spawaniu. 6

7 NIE W PEŁNI WYPEŁNIONY PRZEKRÓJ Nie wypełniony przekrój spoiny, spowodowany wadliwym przygotowaniem rowka spawalniczego 6 NADMIERNA WYPŁYWKA W GRANI Nadmierna wypływka powstała w wyniku: zbyt dużego odstępu między łączonymi elementami; zbyt dużej sile docisku przy wykonywaniu spoiny. Dopuszczone, ograniczone miejscowo, jeżeli: e 0,15 s e 2 mm 7 ZBYT WYSOKA SPOINA BRAK WYPEŁNIENIA ROWKA SPAWALNICZEGO PRZESUNIECIE BRZEGÓW ODKSZTAŁCENIE KĄTOWE Zbyt wysoki nadlew spoiny spowodowany: zbyt dużą liczbą ułożonych ściegów; nieprawidłowym przygotowaniem rowka spawalniczego; niewłaściwą średnicą pręta spawalniczego. Niedostateczne wypełnienie rowka Przesuniecie brzegów pomiędzy łączonymi elementami powstałe w wyniku: różnych grubości materiału podstawowego; przesunięcia materiału o różnych grubościach. Przesunięcie między spawanymi elementami powodujące brak równoległości powierzchni lub niedotrzymanie wybranego kąta miedzy tymi powierzchniami. Dopuszcza w przypadku, gdy: 0,1e e 0,4 e Dopuszczalne, jeżeli: s1 0,1e s2 0,15 e ale max. 2 mm Dopuszczalne, jeżeli: s ± 1mm 7

8 FALISTOŚĆ POWIERZCHNI SPOINY CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI SPOINY 13 BŁĄD USTAWIENIA USZKODZENIE TERMICZNE PĘCHERZE I WTRĄCENIA CIAŁ OBCYCH (ocena po przecięciu złącza) BŁĄD SPAWANIA BRAK PRZYLEGANIA (ocena po przecięciu złącza) Falistość w warstwie wierzchniej prostopadła do spoiny, powstała w wyniku: nierównomiernej siły docisku; nierównomiernej prędkości spawania. Drobne, otwarte pęcherzyki, pręgi lub zgrubienia powstałe w wyniku zastosowania: zabrudzonej dyszy do spawania; zbyt wysokiej temperatury do spawania. Przekroje nie w pełni zaspawane na początku lub na końcu. Przebarwienia, tworzenie pęcherzyków, błyszcząca powierzchnia spoiny. Pojedyncze lub liczne, rozproszone lub miejscowe nagromadzenie pęcherzy względnie wtrąceń ciał obcych spowodowane: skraplaniem się pary podczas spawania; zanieczyszczeniem brzegów łączonych elementów. Usytuowane poziomo lub pionowo w spoinie lub na brzegach łączonych elementów braki dolegania ściegów spowodowane: zbyt niską temperaturą spawania; zanieczyszczeniem łączonych elementów. Dopuszczalne miejscowo Dopuszczalne miejscowo Dopuszczalne małe, pojedyncze pęcherze lub wtrącenia, jeżeli: e 0,05 e 8

9 Tablica 2. Niezgodności spawalnicze w złączach z tworzyw termoplastycznych spawanych ekstruderem ręcznym LP RODZAJ NIEZGODNOŚCI SCHEMAT NIEZGODNOŚCI OPIS NIEZGODNOŚCI WARTOŚĆ GRANICZNA NIEZGODNOŚCI PEKNIĘCIA 2 KARBY 3 KARBY NA KRAWĘDZIACH Pojedyncze lub zgrupowane, z odgałęzieniami lub bez, wzdłuż lub poprzek spoiny, leżące: w spoinie; w strefie wpływu ciepła; w materiale podstawowym. Ciągłe lub miejscowe deformacje wzdłuż spoiny spowodowane: wadliwą głowicą ekstrudera; wadliwym prowadzeniem ekstrudera. Karby w materiale podstawowym wzdłuż spoiny, powstałe w wyniku: uszkodzenia materiału głowicą ekstrudera; wadliwej obróbki brzegów łączonych elementów. Dopuszczalne miejscowo, jeżeli zakończone są łagodnie oraz gdy: e 0,1e e 1mm 9

10 NIEDOSTATECZNE SPAWANIE STREF BRZEGOWYCH Jedno lub obustronne niedostateczne spawanie krawędzi rowka spawalniczego w strefie brzegowej.. Wymiar wymagany b 3 mm 5 KARB W GRANI 6 BRAK PRZETOPU GRANI Karb powstały w wyniku niedostatecznego wypełnienia spoiny w grani w skutek: nadmiernie zaokrąglonych krawędzi grani; zbyt małego odstępu w grani; zbyt małej siły tłoczenia tworzywa; zmniejszenia odstępu przez skurcz. Brak przetopu spowodowany wadliwym przygotowaniem rowków do spawania. Dopuszczalne, ograniczone miejscowo, jeżeli: e 0,15 e e 2 mm 7 NADMIERNA WYPŁYWKA W GRANI Nadmierna wypływka w grani spowodowana: zbyt dużym odstępem między łączonymi elementami; zbyt dużą siłą tłoczenia tworzywa. Dopuszczalna, jeżeli: e 0,15 s ale max. 2 mm 8 NADMIERNY NADLEW LICA Zbyt wysoka warstwa wierzchnia spoiny czołowej wskutek: wadliwego ukształtowania głowicy ekstrudera; Dopuszczalny, jeżeli: 0,1e e 0,4 e ale max. 6 mm zbyt małej siły docisku ekstrudera. 10

11 PRZELANIE SIĘ SPOIWA Jedno lub obustronne przelanie się tworzywa, przeważnie bez związania z materiałem podstawowym. 10 NIEDOSTATECZNE WYPEŁNIENIE ROWKA SPAWALNICZEGO Przekrój spoiny nie jest wypełniony w wyniku: skurczu tworzywa; wadliwego dopasowania ekstrudera; zbyt wysokiej prędkości spawania. 11 PRZESUNIECIE BRZEGÓW Przesuniecie brzegów pomiędzy łączonymi elementami powstałe w wyniku: różnicy grubości materiału podstawowego; przesunięcia materiału o różnych grubościach. Dopuszczalne dla: 12 ODKSZTAŁCENIE KĄTOWE Przesunięcie między spawanymi elementami powodujące brak równoległości powierzchni lub niedotrzymanie wymaganego kąta miedzy tymi powierzchniami. s ± 1mm ; dopuszczalne odchylenie określa się na krótszym ramieniu materiału 13 ASYMETRYCZNOŚĆ SPOINY Spoina wykonana asymetrycznie wskutek prowadzenia głowicy ekstrudera poza osią symetrii rowka spawalniczego. 14 FALISTOŚĆ POWIERZCHNI SPOINY Falista powierzchnia spoiny spowodowana: nierównomiernym dociskiem; nierównomiernej prędkości spawania. Dopuszczalne miejscowo 11

12 CHROPOWATOŚĆ POWIERZCHNI SPOINY Drobne, otwarte pęcherzyki, smugi i wężyki spowodowane: zawilgoconą masą formującą; zbyt niską temperaturą masy formującej. Dopuszczalne w pojedynczych miejscach 16 BŁĄD PRZYŁOŻENIA Niepełny przekrój spoiny na początku lub na końcu spoiny. 17 USZKODZENIE TERMICZNE Przebarwienia, tworzenie się węzełków, błyszcząca powierzchnia spoiny. 18 PĘCHERZE I WTRĄCENIA CIAŁ OBCYCH (ocena po przecięciu złącza) Pojedyncze lub liczne, rozproszone lub skupione miejscowo pęcherze lub wtrącenia spowodowane: skraplaniem się pary wodnej na łączonych powierzchniach; zabrudzeniem elementu grzejnego. Dopuszczalne małe, pojedyncze pęcherze lub wtrącenia, jeżeli: e 0,05 e 19 BŁĄD ŁĄCZENIA (ocena po przecięciu złącza) Brak lub niepełne związanie warstwy miejsca sczepiania, brzegu spoiny spowodowane: zanieczyszczeniem powierzchni spawanych; zbyt małą siłą docisku; zbyt niską temperaturą spawania. 12

13 Protokół badań wizualnych złączy spawanych z tworzyw sztucznych powinien zawierać: identyfikację elementów (producenci itp.), położenie spoin w elementach łączonych, rodzaj zastosowanego materiału lub materiałów, rodzaj połączenia i spoiny zgodnie z EN 12345, informację na temat techniki spawania, zakres badań z odniesieniem do zapisów wizualnych (odpowiednie rysunki, fotografie itp.), przyrządy zastosowane do badań, wyniki badań w odniesieniu do kryteriów odbioru, nazwę instytucji realizującej badanie, nazwisko i podpis osoby przeprowadzającej badanie i datę badania. BADANIA RADIOGRAFICZNE Badania radiograficzne spawanych złączy próbnych z tworzyw sztucznych przeprowadzono dążąc do uzyskania maksymalnej czułości badania (określonej wymiarami najmniejszej niezgodności widocznej na radiogramie, na którą składa się czułość kontrastowa czułość w kierunku prześwietlania i czułość geometryczna nazywana zdolnością rozdzielczą), dużego kontrastu radiograficznego oraz dużej ostrości obrazu radiograficznego. Badania wykonano przy pomocy aparatu rentgenowskiego typu ERESCO 200MF (ERESCO 40MF) produkcji niemieckiej firmy Seifert. Aparat ten charakteryzuje się następującymi danymi technicznymi: zakres regulacji napięcia od 20 kv do 200 kv; zakres regulacji prądu anodowego od 0,5 ma do 10 ma; moc 900 W; wymiar ogniska 1,5 mm; maksymalna temperatura pracy 75 C; rodzaj pracy ciągła; masa głowicy 24 kg. Do uzyskania obrazu radiograficznego spawanych złączy próbnych z tworzyw termoplastycznych zastosowano podstawową metodę prześwietlania. Przyjęty układ geometryczny badania odpowiada rysunkowi 1, przedstawionemu w normie PN-EN 1435 pt.: Badania nieniszczące złączy spawanych. Badania radiograficzne złączy spawanych. Układ ten dotyczy prześwietlania złącza płaskiego przez jedną ściankę. Podczas realizacji badania powstał problem poprawnej oceny jakości uzyskiwanego obrazu radiograficznego. Należy zauważyć, że nie wytwarza się wskaźników jakości obrazu (IQI) z tworzyw sztucznych. Zastosowanie natomiast metalowych wskaźników nie było możliwe ze względu na znaczną różnicę gęstości tworzywa sztucznego w porównaniu do stali lub innych metali. Z tego powodu, do oceny jakości obrazu złączy tworzyw termoplastycznych wykorzystano tzw. wykrywalność schodkową, przez którą rozumie się najmniejszą różnicę grubości wskaźnika schodkowego, którego obraz widoczny jest na radiogramie, wyrażoną w procentach grubości badanego elementu. 13

14 W radiografii przyjmuje się, że wykrywalność schodkowa mieści się, przeciętnie, w przedziale 1 do 2%. W przypadku złączy o grubości 20 mm oznacza to, że uzyskany obraz charakteryzuje się wystarczającą jakością, gdy na radiogramie widoczny jest element wskaźnika o grubości 0,2 mm lub zbliżonej. Ponadto, uzyskane obrazy złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych oceniano przez porównanie z obrazem radiograficznym złącza spawanego elementów stalowych charakteryzującym się, co najmniej, klasą A badania oraz na odstawie zdobytego w tym zakresie doświadczenia. Do wykonania radiogramów zastosowano błony rentgenowskie STRUCTURIX D4 naświetlone bez okładek wzmacniających. Wyniki badań radiograficznych zestawiono w tablicy 3, natomiast przykłady uzyskanych radiogramów pokazano na rysunku 2. Tablica 3. Wyniki badań radiograficznych spawanych złączy próbnych z tworzyw termoplastycznych lp oznaczenie złącza grubość złącza [mm] parametry prześwietlania U [kv] I [ma] t [min] f [cm] widoczny najcieńszy IQI [mm] wykrywalność schodkowa [%] gęstość optyczna radiogramu D 1 T ,0 2,0 0,2 1 3,2 2 T ,5 2,0 0,2 1 4,2 3 T ,0 2,5 0,2 1 4,1 4 2PE ,5 3,0 0,2 1 2,9 5 T ,0 3,0 0,2 1 4, ,0 1,5 0,2 1 3, ,0 1,5 70 0,2 1 4,4 8 T ,0 1,5 0,2 1 3,7 9 T ,0 1,5 0,2 1 2,7 10 T ,0 1,5 0,2 1 2,1 11 T ,0 1,5 0,2 1 3,6 12 1PE ,0 1,5 0,2 1 4,0 a) 14

15 b) c) d) Rys. 3 Przykłady radiogramów złączy spawanych z tworzyw termoplastycznych a), grubość złącza 10mm; b) grubość złącza 15mm; c), d) grubość złącza 20mm Oznaczenia radiogramów jak w tablicy 3. 15

16 Z tablicy 3 wynika, że we wszystkich przypadkach badanych złączy na uzyskanych radiogramach widoczny był najcieńszy element wskaźnika schodkowego, tj. element o grubości 0,2 mm. Oznacza to wysoką wykrywalność schodkową równą 1%, świadczącą o wysokiej jakości obrazu radiograficznego. Do podobnego stwierdzenia prowadzi również analiza zmierzonej na radiogramach gęstości optycznej (zaczernienia). W zależności od zastosowanych parametrów prześwietlania przyjmuje ona wartość D=2,1-4,4. W każdym przypadku jest to gęstość spełniająca minimalne wymagania przedstawione w normie PN-EN Z przeprowadzonych badań radiograficznych wynika, że we wszystkich przypadkach badanych złączy możliwe było uzyskanie radiogramów, których obraz charakteryzuje się wysoką jakością. Umożliwia to ujawnienie szczegółów wewnętrznej budowy spawanych złączy z tworzyw termoplastycznych i świadczy o dobrej dokładności przeprowadzonych badań. LITERATURA: 1. L. Dobrzański: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT; Gliwice Warszawa 2002; 2. A. Klimpel: Technologie zgrzewania metali i tworzyw sztucznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1999; 3. J. Czuchryj, S. Sikora: Badania nieniszczące połączeń spawanych z tworzyw termoplastycznych Materiały seminaryjne Badania nieniszczące w spawalnictwie, Instytut Spawalnictwa Gliwice, czerwiec J. Czuchryj: Radiographic inspection of joints welded in plastic materials, Welding International 13(4)/