Napawanie plazmowe PTA oraz napawanie metodą TOPTIG rur ze stali 13CrMo4-5
Proces napawania definiowany jest jako nakładanie metodami spawalniczymi warstwy metalu na powierzchnię roboczą części maszyn i narzędzi z metalurgicznym przetopieniem metalu podłoża. W przypadku napawania regeneracyjnego, mającego na celu przywrócenie wymiarów nominalnych elementów zużytych podczas eksploatacji, a wykonanych z dobrze spawalnych gatunków stali konstrukcyjnych, głównym kryterium determinującym wybór metody napawania jest wydajność procesu. Duży lub bardzo duży udział metalu podłoża w napoinie jest w tym przypadku kwestią pomijaną. Z kolei w przypadku konieczności napawania elementów roboczych materiałem o ściśle określonych właściwościach, np.: dużej odporności na korozję, dużej twardości, dużej odporności na ścieranie, erozję czy działanie spalin, wybór odpowiedniej metody napawania stanowi przeważnie kompromis pomiędzy relatywnie dużą wydajnością napawania a minimalnym udziałem metalu podłoża w napoinie. Stosowane w tych przypadkach materiały dodatkowe są przeważnie bardzo drogie, a zmiana ich nominalnego składu chemicznego w napoinie, spowodowana nadmiernym wymieszaniem ze stopionym materiałem podłoża, powoduje znaczne, z reguły niekorzystne, zmiany właściwości stopiwa materiału dodatkowego. W przypadku konieczności ograniczania ilości metalu podłoża w napoinie, istotny jest zarówno wybór odpowiedniej metody napawania, której charakterystyka zapewnia minimalne nadtopienie materiału podstawowego, jak i opracowanie odpowiedniej technologii.
W Łukasiewicz - Instytucie Spawalnictwa od wielu lat prowadzone są badania technologiczne nad możliwością wytwarzania warstw napawanych o ściśle określonych właściwościach przy minimalnym udziale metalu podłoża w napoinie.
Proces napawania metodą TIG jest powszechnie znany, a dzięki ciągłemu postępowi w dziedzinie spawalnictwa na rynku pojawiają się różne warianty tej technologii. Jednym z nich jest metoda, której podstawową cechą jest zmechanizowane dostarczanie materiału dodatkowego w postaci drutu do obszaru działania łuku spawalniczego; jest to TOPTIG.
Badania prowadzono na bezszwowych rurach ø 45x5,0 mm ze stali konstrukcyjnej 13CrMo4-5, odpornej na wysokie temperatury (do 550°C) i znajdującej zastosowanie przede wszystkim w budowie kotłów i aparatury przeznaczonej dla przemysłu energetycznego. Jako materiał dodatkowy zastosowano drut lity OK Autorod NiCrMo-3 o średnicy 1,0 mm, produkowany przez firmę ESAB.
Proces napawania PTA prowadzono na stanowisku wyposażonym w nowoczesne urządzenie firmy Castolin typu Eutronic GAP 3001 oraz automat MultiSurfacer D2 Weld, firmy Welding Alloys. Z kolei napawanie w technologii TOPTIG odbywało się na zrobotyzowanym stanowisku spawalniczym wyposażonym w robota Romat 310, firmy CLOSS, do którego kiści zaadaptowano uchwyt TOPTIG, firmy Air Liquid.
 |
 |
|
| Stanowisko do zmechanizowanego napawania plazmowego PTA (a) oraz zrobotyzowanego TOPTIG (b) |
||
Przeprowadzone badania technologiczne procesu napawania plazmowego: PTA oraz TOPTIG z dodatkiem drutu wykazały, że możliwe jest uzyskanie napoin na rurach ø 45x5,0 mm ze stali 13CrMo4-5, wykonanych spoiwem ze stopu niklu OK Autrod NiCrMo-3, cechujących się dobrą jakością i wysoką estetyką.
Próby technologiczne i badania wykazały, że w przypadku obu technologii wraz ze wzrostem prędkości napawania, przy zachowaniu tych samych parametrów prądowych oraz gazu plazmowego (tylko PTA), maleją udział materiału rodzimego w warstwie napawanej, wysokość napoin oraz głębokość wtopienia.
wysokości (W) oraz głębokości wtopienia (G) w napoinach
Podczas badań makroskopowych i pomiarów wysokości napawanych warstw stwierdzono, że znaczna część próbek nie spełniała przyjętego w przemyśle kryterium maksymalnej grubości warstwy wierzchniej wynoszącego 2,0 mm, wynikającego głównie z powodów ekonomicznych. Porównując najlepsze uzyskane wyniki napawanych rur metodami PTA i TOPTIG, można stwierdzić, że bardziej wydajny jest proces PTA, lecz otrzymywane wysokości napoin wynoszą 2,8–3,0 mm. Metoda TOPTIG, mimo, iż mniej wydajna, umożliwia napawanie warstw o wysokości ok. 2,0 mm. Analiza wyników badań metalograficznych mikroskopowych oraz składu chemicznego próbek wykonanych metodami PTA i TOPTIG pozwala wystosować wniosek, że poszczególne procesy i ich parametry technologiczne nie wpływają znacząco na strukturę napoiny i SWC, a ich skład chemiczny na powierzchni warstw napawanych jest zbliżony. W SWC niektórych próbek można zauważyć wyraźne występowanie struktury martenzytycznej oraz twardości powyżej 380 HV, co nie jest zjawiskiem pożądanym i jest nieakceptowalne wg normy PN-EN ISO 15614-7 [9], dotyczącej kwalifikowania technologii napawania.
 |
 |
|
| Mikrostruktura materiału rodzimego stali 13CrMo4-5, traw. Nital, pow. 200x, struktura: ferryt + perlit w układzie pasmowym |
Mikrostruktura linii wtopienia stali 13CrMo4-5 napawanej stopem niklu, traw. elektrolityczne, pow. 100x, widoczna strefa odwęglona (skupisko Fe i Cr) |
Napawanie obiema rozpatrywanymi metodami pozwala prowadzić proces stabilnie, kontrolując wtopienie w materiał podstawowy w sposób dokładniejszy i mniej podatny na nieakceptowalne niezgodności, niż ma to miejsce w przypadku metod TIG i MAG. Ponadto opracowane technologie spełniają kryteria przemysłu energetycznego dotyczące składu chemicznego napoin i maksymalnej zawartości żelaza na powierzchni.
Wyniki badań przedstawiono w Biuletynie Instytutu Spawalnictwa Nr 5/2021