Badania makroskopowe złączy spawanych to metoda oceny przekroju spoiny prowadzona okiem nieuzbrojonym lub przy użyciu powiększenia nieprzekraczającego 50×. Zaliczają się do szerszej grupy badań metalograficznych.
Celem badania makroskopowego jest ocena geometrii spoiny, identyfikacja poszczególnych stref złącza – materiału rodzimego (MR), strefy wpływu ciepła (SWC) i spoiny właściwej – oraz wykrycie niezgodności wewnętrznych, które nie zawsze są widoczne podczas oględzin zewnętrznych.
Próba makroskopowa jest wykonywana w wielu sytuacjach: podczas kwalifikowania technologii spawania (WPQR) zgodnie z PN-EN ISO 15614-1, przy egzaminowaniu spawaczy według PN-EN ISO 9606-1, a także w ramach kontroli jakości produkcji. Reguluje je norma PN-EN ISO 17639:2022-07 – Badania niszczące spawanych złączy metali – Badania makroskopowe i mikroskopowe złączy spawanych.
Jak przebiega badanie makroskopowe
Procedura badania makroskopowego obejmuje kilka następujących po sobie etapów – od pobrania próbki, przez obróbkę powierzchni, aż po trawienie chemiczne i ocenę wizualną. Każdy z tych etapów ma wpływ na jakość końcowego zgładu i wiarygodność wyników.
Pobieranie próbki
Zgład metalograficzny pobiera się w taki sposób, aby w polu widzenia znalazły się wszystkie trzy strefy złącza spawanego: materiał rodzimy (MR), strefa wpływu ciepła (SWC) oraz spoina. Dla złączy doczołowych pobiera się zazwyczaj przekrój poprzeczny do osi spoiny. Próbkę można wyciąć mechanicznie lub termicznie – przy cięciu termicznym konieczne jest pozostawienie naddatku, który zostanie usunięty podczas szlifowania, aby wyeliminować wpływ ciepła z procesu cięcia na badany materiał. Gdy element jest niewielki lub gdy przygotowuje się wiele próbek jednocześnie, stosuje się inkludowanie – zalanie próbki w żywicy termoutwardzalnej lub chemoutwardzalnej, co ułatwia późniejszą obróbkę na szlifierce.
Szlifowanie
Przygotowanie powierzchni zgładu do badań makroskopowych odbywa się przez szlifowanie na szlifierce metalograficznej, z użyciem papierów ściernych o rosnącej gradacji. Szlifowanie zgrubne zaczyna się od papierów o gradacji 80–120, które służą do wyrównania powierzchni i usunięcia głębokich rys powstałych po cięciu. Następnie stosuje się coraz drobniejsze papiery, a szlifowanie kończy się zazwyczaj na gradacji 600–800. Podczas przejścia do kolejnej gradacji papieru próbkę obraca się o 90°, aby usunąć rysy z poprzedniego etapu. Tak przygotowana powierzchnia jest wystarczająca do przeprowadzenia badania makroskopowego – dalsze polerowanie jest niezbędne dopiero przy badaniach mikroskopowych.
Odtłuszczanie i przygotowanie przed trawieniem
Przed trawieniem powierzchnię zgładu należy dokładnie odtłuścić i oczyścić z resztek ścierniwa i wilgoci. Zanieczyszczenia na powierzchni mogą powodować nierównomierne trawienie, co zniekształca wyniki oceny. Odtłuszczanie przeprowadza się z użyciem odpowiednich rozpuszczalników, po czym próbkę suszy się, aby wyeliminować ryzyko korozji lub niejednorodnego działania odczynnika.
Trawienie chemiczne
Trawienie jest kluczowym etapem ujawniającym makrostrukturę złącza. Przeprowadza się je za pomocą odczynników chemicznych, których dobór zależy od rodzaju badanego materiału. Dla stali konstrukcyjnych najczęściej stosuje się odczynnik Adlera do badań makroskopowych oraz odczynnik Nital do badań mikroskopowych. Pełną listę stosowanych odczynników trawiących zawiera raport techniczny ISO/TR 16060:2003. Trawienie może odbywać się przez pocieranie powierzchni zgładu tamponem nasączonym odczynnikiem, zanurzanie próbki lub trawienie elektrolityczne. Po zakończeniu trawienia zgład płucze się, neutralizuje i suszy. Poprawnie wytrawione złącze ujawnia wyraźne granice między poszczególnymi strefami: spoiną, strefą wpływu ciepła i materiałem rodzimym, a także widoczne ściegi spawania i ewentualne niezgodności.
Ocena wizualna przekroju
Po wytrawieniu zgładu przeprowadza się ocenę wizualną. Zgodnie z PN-EN ISO 17639, badanie makroskopowe prowadzi się okiem nieuzbrojonym lub przy powiększeniu nieprzekraczającym 50x. W przypadku stwierdzenia podejrzanych obszarów możliwe jest użycie lupy, aby lepiej ocenić charakter i rozmiar ewentualnej niezgodności. Ocena obejmuje geometrię spoiny, kompletność wtopienia, obecność niezgodności oraz ogólny kształt złącza w przekroju.
Normy i wymagania techniczne
Badania metalograficzne makroskopowe złączy spawanych są regulowane przez normę PN-EN ISO 17639:2022-07, która określa wymagania dotyczące przygotowania próbek, procedury badania oraz oceny wyników. Norma ta stanowi podstawowy dokument odniesienia dla laboratoriów badawczych i firm spawalniczych wykonujących tego typu badania.
Norma PN-EN ISO 17639 definiuje podział na badania makroskopowe i mikroskopowe. Badania makroskopowe prowadzi się okiem nieuzbrojonym lub przy powiększeniu zazwyczaj mniejszym niż 50x, natomiast badania mikroskopowe wymagają użycia mikroskopu metalograficznego w zakresie powiększeń od 50 do 500x. W obu przypadkach badanie może być prowadzone na zgładach nietrawionych lub trawionych, w zależności od celu obserwacji. Norma określa również, jakie cechy mikrostruktury i makrostruktury można ujawnić za pomocą każdej z tych metod.
Wymagania dotyczące przygotowania zgładów metalograficznych obejmują zarówno metodę pobierania próbek, jak i sposób obróbki powierzchni. Zgład musi obejmować pełny przekrój złącza spawanego, zawierając materiał rodzimy, strefę wpływu ciepła i spoinę po obu stronach. Powierzchnia po szlifowaniu powinna być płaska i wolna od głębokich rys, które mogłyby utrudniać interpretację wyników lub być błędnie identyfikowane jako niezgodności materiałowe.
Kryteria oceny wyników badania makroskopowego opierają się na weryfikacji geometrii spoiny oraz identyfikacji niezgodności spawalniczych. Wyniki ocenia się zgodnie z normą PN-EN ISO 5817 dla stali lub PN-EN ISO 10042 dla aluminium, które definiują dopuszczalne poziomy jakości złączy spawanych. Poziom jakości wymagany dla danego zastosowania jest określony w dokumentacji technicznej, specyfikacji klienta lub normie przedmiotowej.
Zastosowania praktyczne
Badania makroskopowe złączy spawanych mają szerokie zastosowanie w spawalnictwie – od kwalifikowania technologii, przez egzaminowanie spawaczy, po bieżącą kontrolę jakości produkcji.
Kwalifikowanie technologii spawania (WPQR) zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 wymaga wykonania badań makroskopowych jako jednego z obowiązkowych etapów weryfikacji złącza próbnego. Badanie makroskopowe umożliwia potwierdzenie, że opracowana instrukcja technologiczna spawania (WPS) pozwala na uzyskanie złącza spełniającego wymagania kształtowe i jakościowe. Bez pozytywnych wyników badania makroskopowego kwalifikowanie technologii spawania nie może być zakończone sukcesem.
Egzaminowanie spawaczy wg PN-EN ISO 9606-1 również przewiduje wykonanie badania makroskopowego próbek ze złączy wykonanych przez kandydata. Na podstawie oceny zgładu stwierdza się, czy spoina jest prawidłowo uformowana, czy nastąpiło pełne przetopienie oraz czy nie ma niedopuszczalnych niezgodności. Wynik badania makroskopowego jest jednym z elementów decydujących o zaliczeniu egzaminu spawacza.
Norma PN-EN ISO 15085 dla pojazdów szynowych. W obszarze spawania pojazdów szynowych i ich części składowych norma PN-EN ISO 15085 nakłada na producentów obowiązek wykonywania prób roboczych w warunkach produkcyjnych. Ocena zgładów makroskopowych jest tu jedną z podstawowych metod weryfikacji jakości połączeń spawanych podczas bieżącej produkcji. Próby te mają na celu potwierdzenie, że warunki spawania i umiejętności personelu odpowiadają wymaganiom kwalifikowanej technologii. Regularna ocena makroskopowa pozwala wychwycić odchylenia procesu, zanim wpłyną one na bezpieczeństwo gotowych konstrukcji.
Ocena wyników i kryteria akceptacji
Na wytrawionym zgładzie ocenia się geometrię spoiny oraz obecność niezgodności wewnętrznych. W zakresie geometrii mierzy się szerokość lica, głębokość przetopu, grubość spoiny oraz symetrię względem osi złącza. Widoczne są kolejne ściegi i warstwy spawania, a granica strefy wpływu ciepła oddziela materiał rodzimy od obszaru przegrzanego cyklem termicznym.
Niezgodności wykrywane metodą makroskopową obejmują pęknięcia, porowatość, przyklejenia, braki przetopu, wtrącenia żużla, podtopienia oraz nadmierne nadlewy. Badanie umożliwia wykrycie zarówno wad powierzchniowych, jak i wewnętrznych niewidocznych z zewnątrz.
Wyniki ocenia się zgodnie z PN-EN ISO 5817 dla stali, która definiuje trzy poziomy jakości: B (najwyższy), C (pośredni) i D (podstawowy). Wymagany poziom jakości jest określony w dokumentacji technicznej lub normie wyrobu. Niezgodności przekraczające dopuszczalne wartości skutkują odrzuceniem złącza.
Podsumowanie
Badania makroskopowe to podstawowa metoda oceny złączy spawanych, umożliwiająca bezpośrednią weryfikację geometrii spoiny i wykrycie niezgodności wewnętrznych w przekroju. Niski koszt wykonania i standaryzowana procedura według PN-EN ISO 17639 czynią tę metodę niezastąpioną w kwalifikowaniu technologii spawania oraz kontroli jakości produkcji.
