Czynniki wpływające na głębokość wtopienia

11-01-2023

Jakie czynniki wpływają na głębokość wtopienia ? Jak mogę uzyskać większe/mniejsze wtopienie ?

Na to pytanie postaramy się odpowiedzieć w tym wpisie.

Głębokość wtopienia można określić jako : odległość o jaką połączenie spawane „rozszerza” się w kierunku materiału rodzimego bądź poprzedniego ściegu od powierzchni materiału w trakcie procesu spawania.

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na głębokość wtopienia niewątpliwie jest natężenie prądu.

Zwiększając natężenie (amper) – zwiększamy głębokość wtopienia, i odwrotnie zmniejszając natężenie – zmniejszamy głębokość wtopienia. Zdjęcie poniżej przedstawia trzy różne ściegi wykonane dla różnych nastaw z zachowaniem stałych zadanych parametrów oraz różnego natężenia prądu.

W spawaniu zwarciowym wykorzystującym stałe natężenie prądu na wyjściu (CC, tj. MMA – Spawanie elektrodą otuloną)  natężenie stanowi jedyny i podstawowy parametr spawania. Z kolei w procesach wykorzystywanych w półautomatach spawalniczych (MIG/MAG), źródło prądu utrzymuje stałe zadane napięcie (CV), oraz prędkość podawania drutu - wypadkową tych ustawień jest natężenie prądu które modyfikowane jest poprzez określenie prędkości podawania drutu. Jeżeli prędkość podawania drutu zwiększa się to również odpowiednio zwiększy się natężenie prądu dla danego typu elektrody i jej średnicy.

Powyższe testy zostały przeprowadzone na źródłach prądowych wykorzystywanych w procesach SAW – Spawanie łukiem krytym, ze względu na możliwość najlepszego przedstawienia wpływu bądź jego braku na materiał spawany z racji wykorzystywania w tej metodzie bardzo wysokich parametrów natężenia prądu. Proces spawania SAW cechuje się dużymi prędkościami spawania, stosunkowo dużymi wartościami napięcia, dużą średnicą elektrody ale przede wszystkim wspomnianą wysoką wartością natężenia prądu co przekłada się na lepszą możliwość wizualizacji jego wpływu na materiał spawany. Jakiekolwiek zmiany w tej metodzie spawania będą miały drastyczny wpływ na głębokość wtopienia, o tyle przy wykorzystaniu innych metod spawania łukowego zmiany te nie będą już tak mocno widoczne.

Ponadto wpływ na głębokość wtopienia mają również nie wspomniane wcześniej czynniki :

  • Biegunowość – Ustawienia biegunowości mają niewątpliwie wpływ na wtopienie. Większość urządzeń spawalniczych wykorzystuje biegunowość DC+ (Prąd stały, elektroda dodatnia/polaryzacja dodatnia) biegunowość ta ma pozytywny wpływ na głębokość wtopienia ponieważ więcej energii łuku skupione jest na materiale spawany. Odwrotna sytuacja ma miejsce w przypadku prądu DC- (Prąd stały, elektroda ujemna/polaryzacja ujemna) w tym przypadku energia łuku zostaje skupiona w elektrodzie. Tak jest w przypadku metod spawania SMAW/ GMAW/ FCAW / SAW. Wyjątkiem jest spawanie TIG [metoda GTAW] gdzie wpływ na głębokość wtopienia w przypadku polaryzacji jest odwrotna, biegunowość DC- powoduje lepszą penetrację złącza (DC+ jest generalnie nie używana). Niektóre zaawansowane źródła prądowe SAW pozwalają na kontrolę kształtu fali oraz spawanie prądem AC (Prąd przemienny) w celu zapewnienia idealnej stabilności łuku i kontroli pomiędzy uzyskiem ze stopiwa a wielkością wtopienia. Ponadto dają możliwość kontroli balansu fali AC, offsetu oraz natężenia i częstotliwości w celu jeszcze lepszej kontroli parametrów spawania.

  • Metoda spawania - wybór metody spawania niewątpliwie wpływa na głębokość wtopienia. Łuk natryskowy, łuk pulsacyjny to procesy dobrze znane i rozpowszechnione które niewątpliwie wpływają na większą penetrację złącza. Z kolei łuk zwarciowy cechuje się mniejszą głębokością wtopienia. Oczywiście wszystkie te metody są powiązane z natężeniem prądu.
  • Typ elektrody – w przypadku tego samego procesu spawania różne elektrody mogą mieć inną głębokość penetracji. Dla przykładu w metodzie SAW elektroda E6010 cechuje się większą penetracją aniżeli E7024.
  • Kąt prowadzenia – niezależnie czy jest to ruch „pchania” czy „ciągnięcia” palnika, kąt prowadzenia ma wpływ na to jaka ilość energii łuku jest kierowana w materiał. Kąt 0-10 stopni daje największe możliwości penetracji złącza. Zwiększenie kąta prowadzenia skutkuje pogorszeniem parametrów wtopienia.
  • Gaz osłonowy – stosowanie różnych gazów osłonowych ma także wpływ na wielkość wtopienia. Gazy osłonowe z większą przewodnością cieplną takie jak CO2 i Hel dają spoiny o głębszym i szerszym profilu. Pozostałe gazy osłonowe i mieszanki gazów jak Argon Ar/Co2 mają płytsze i bardziej zwężone środkiem wtopienie [ Rys. 4 ]

  • Średnica elektrody – Gdy spawamy tym samym typem elektrody lecz o innej średnicy przy założeniu, że wartość natężenia prądu nie ulega zmianie, większe wtopienie uzyskamy elektrodą o mniejszej średnicy. W przekroju poprzecznym elektrody o mniejszej średnicy, przy tym samym natężeniu prądu dochodzi do większej koncentracji i „gęstości” prądowej niż w elektrodzie o większej średnicy. Należy jednak wziąć pod uwagę, że każda średnica ma określoną wartość graniczną natężenia po której przekroczeniu uzyskamy bardzo niestabilny i nieregularny łuk, w związku z tym przekroczeniu pewnej wartości konieczne będzie użycie elektrody o większej średnicy.

  • Prędkość spawania – to jak szybko „poruszamy” się w kierunku końca naszego złącza czyli czas, w którym łuk spawalniczy znajduje się nad określonym punktem ma wpływ na to jak dużo energii trafi do naszego połączenia. Co za tym idzie ? Jeżeli prędkość spawania wzrasta spada nam głębokość wtopienia, i odwrotnie jeżeli prędkość spawania spada wrośnie nam głębokość wtopienia.

  • CTWD – W metodach GMAW, FCAW, SAW w procesach wykorzystujących stałe napięcie (CV) źródła prądowe pracują przy określonych parametrach napięcia, prędkości podawania drutu oraz odległości końcówki prądowej od materiały spawanego (CTWD – Contact tip to work distance). Zwiększenie tej odległości powoduje wzrost rezystancji potrzebnej do przepływu prądu przez elektrodę ponieważ zwiększa się długość elektrody. Przy stąłym napięciu łuku wzrost rezystancji powoduje spadek natężenia prądu (Prawo Ohma) co skutkuje mniejszym poziomem penetracji złącza = mniejszym wtopieniem. I analogicznie w przypadku zmniejszenia odległości CTWD wartość rezystancji spada co skutkuje lepszym wtopieniem.

Warto również nadmienić, że czynnikiem nie mającym praktycznie żadnego wpływu na głębokość wtopienia jest napięcie. Zmiany w tym zakresie powodują bardzo znikome wręcz niezauważalne zmiany w zakresie penetracji złącza. Napięcie odpowiada za długość łuku który przy zachowaniu tej samej prędkości podawania drutu w przypadku wzrostu tego parametru staje się łukiem długim bądź przy obniżeniu – krótkim. Długość łuku determinuje również jego szerokość. Gdy długość łuku się zmniejsza, stożek który widzimy staje się krótszy, węższy i bardziej skupiony. Skutkiem tego jest ścieg który jest wąski i wypukły a głębokość wtopienia może spaść w nieznacznym stopniu. W przypadku łuku długiego stożek staje się dłuższy i szerszy. Powstały ścieg staje się szerszy i bardziej spłaszczony a głębokość wtopienia może być nieznacznie większa. Różnica w wyglądzie ściegu najlepiej przedstawia rysunek poniżej, należy zauważyć że przy zachowaniu stałych parametrów posuwu drutu, natężenia (A) i prędkości spawania, bardzo wysokie zmiany napięcia praktycznie nie wpływają na poziom penetracji złącza. Biorąc pod uwagę, że na potrzeby testów zmiany napięcia były wysokie to w praktyce zmiany te z reguły oscylują w zakresie kilku volt – wobec czego zmiana tego parametru będzie miła nieistotny wpływ na głębokość wtopienia.

Ironizując, wielu spawaczy twierdzi że zwiększając napięcie łuku wpływamy na głębokość przetopu. Bowiem napięcie łuku jest często błędnie utożsamiane jako "ciepło" , kiedy spawacz zwiększa napięcie jego postrzeganie sytuacji jest błędne ponieważ ścieg który widzi rozszerza się, jednakże jak już wiemy nie ma to wpływu na głębokość wtopienia.

 

Potrzebujesz lepszego przetopu ?

Wypróbuj źródła prądowe z funkcją HPS.