Badania twardości złączy spawanych to metoda oceny zmian właściwości mechanicznych w spoinie, strefie wpływu ciepła (SWC) i materiale rodzimym wynikających z cyklu cieplnego spawania. Pomiar twardości pozwala wykryć strefy utwardzone, które mogą być podatne na kruche pękanie, oraz zweryfikować skuteczność obróbki cieplnej po spawaniu.
Badanie twardości wykonuje się przede wszystkim podczas kwalifikowania technologii spawania (WPQR) zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 oraz w kontroli produkcyjnej i odbiorowej konstrukcji spawanych. Pomiar można prowadzić na przekroju poprzecznym złącza (badanie niszczące) lub na powierzchni elementu (badanie bez wycinania próbki, przy użyciu metod przenośnych).
Metody pomiaru twardości
Badanie twardości złączy spawanych wykonuje się najczęściej metodą Vickersa (HV) zgodnie z wymaganiami PN-EN ISO 9015-1 oraz PN-EN ISO 9015-2. Metoda Vickersa jest jedyną zalecaną metodą do pomiaru twardości złączy spawanych, ponieważ umożliwia dokładny pomiar lokalny i ocenę zmian twardości w wąskich strefach cieplnych.
Zasada pomiaru twardości metodą Vickersa polega na wciśnięciu diamentowego wgłębnika w kształcie ostrosłupa o podstawie kwadratu i kącie wierzchołkowym 136° w badaną próbkę przy wybranym obciążeniu. Po obciążeniu mierzy się długość przekątnych odcisku powstałego na powierzchni próbki. Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły obciążającej do powierzchni pobocznicy odcisku, obliczonej ze średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych.
W badaniach złączy spawanych typowo stosuje się obciążenia HV5 lub HV10. Norma PN-EN ISO 15614-1 zaleca pomiar twardości z obciążeniem HV10, które uśrednia pomiar na większym polu materiału. W przypadku cienkich złączy, dużych gradientów twardości lub szczegółowej analizy mikrostruktury stosuje się pomiary mikrotwardości z obciążeniem poniżej HV5 – zazwyczaj HV0,1, HV0,2, HV0,5 lub HV1 zgodnie z PN-EN ISO 9015-2.
Różnica między pomiarem twardości a mikrotwardości polega na zakresie materiału objętego pomiarem. Im mniejsze obciążenie i odcisk, tym mniejszy obszar materiału jest mierzony. Pomiar HV10 lub HV5 uśrednia właściwości kilkudziesięciu ziaren materiału, podczas gdy mikrotwardość może trafiać na pojedyncze ziarna, węgliki lub wtrącenia, co powoduje większe skoki wartości.
W określonych przypadkach dopuszcza się również inne metody pomiarowe:
- Brinella (HB) – dla grubych złączy i materiałów o twardości poniżej 450 HB
- Rockwella (HR) – do ogólnej oceny twardości elementów po spawaniu
- Leeb (HL) lub UCI – przy pomiarach powierzchniowych w warunkach produkcyjnych lub eksploatacyjnych, z przeliczeniem na skalę Vickersa
Przygotowanie i wykonanie pomiarów
Pomiar na przekroju poprzecznym (ISO 9015-1/-2)
Badanie twardości na przekroju poprzecznym złącza wymaga odpowiedniego przygotowania próbki. Ze złącza spawanego wycina się próbkę obejmującą spoinę, strefę wpływu ciepła oraz materiał rodzimy po obu stronach. Powierzchnię przekroju poddaje się szlifowaniu na papierach ściernych o stopniowo rosnącej gradacji (zazwyczaj do 600-800), a następnie polerowaniu w celu uzyskania gładkiej, lustrzanej powierzchni bez rys.
Odciski rozmieszcza się wzdłuż linii równoległych do lica spoiny, zgodnie z wymaganiami określonymi w normie PN-EN ISO 15614-1. Liczba linii pomiarowych zależy od grubości materiału rodzimego:
- Dla materiałów o grubości ≤ 5 mm – jeden rząd pomiarowy na głębokości do 2 mm poniżej górnej powierzchni
- Dla materiałów o grubości > 5 mm – dwa rzędy pomiarowe leżące na głębokości do 2 mm poniżej górnej powierzchni i 2 mm powyżej dolnej powierzchni spawanego złącza
- Dla złączy dwustronnych, złączy ze spoinami pachwinowymi lub doczołowych złączy teowych – jeden dodatkowy rząd odcisków powinien być wykonany poprzez obszar grani spoiny
Każdy rząd odcisków powinien zawierać minimum trzy indywidualne odciski w każdym z następujących obszarów: spoinie, strefie wpływu ciepła i obu materiałach podstawowych.
Dla stali, które utwardzają się w strefie wpływu ciepła w wyniku spawania, należy wykonać dwa dodatkowe odciski w SWC w odległości ≤ 0,5 mm od linii wtopienia. Ten wymóg jest szczególnie istotny dla stali średnio- i wysokowęglowych oraz stali stopowych podatnych na hartowanie.
Minimalne odległości między odciskami oraz od krawędzi próbki są określone w normie PN-EN ISO 6507-1 i zależą od wartości obciążenia. Dla HV10 minimalna odległość między środkami odcisków wynosi zazwyczaj około 3-krotność długości przekątnej odcisku.
Pomiar na powierzchni elementu
W warunkach produkcyjnych lub eksploatacyjnych, gdy wycięcie próbki nie jest możliwe lub pożądane, dopuszcza się pomiary twardości na powierzchni elementu. Wymagane jest przygotowanie miejsca pomiaru poprzez oczyszczenie i lokalne szlifowanie pod odcisk. Do pomiarów stosuje się urządzenia przenośne: twardościomierze Leeb (ISO 16859), przenośne Rockwell lub UCI (Ultrasonic Contact Impedance).
Wyniki z metod przenośnych są przeliczane na skalę Vickersa zgodnie z tablicami przeliczeniowymi zawartymi w normach. Należy pamiętać, że dokładność pomiarów przenośnych jest niższa niż pomiarów laboratoryjnych, dlatego wymagane jest wykonanie większej liczby odczytów i raportowanie wartości średnich oraz zakresów rozrzutu.
Normy i wymagania techniczne
Badania twardości złączy spawanych są regulowane przez następujące normy:
- PN-EN ISO 6507-1:2018-05 – Metale. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Część 1: Metoda badania
- PN-EN ISO 9015-1:2011 – Badania niszczące złączy spawanych metali. Badanie twardości. Część 1: Badanie twardości złączy spawanych łukowo
- PN-EN ISO 9015-2:2016-04 – Badania niszczące złączy spawanych metali. Badanie twardości. Część 2: Badanie mikrotwardości złączy spawanych łukowo
Norma PN-EN ISO 9015-1 określa wymagania dla pomiarów z obciążeniem HV10 i HV5, natomiast PN-EN ISO 9015-2 dotyczy pomiarów mikrotwardości z obciążeniem poniżej HV5.
Wymagania dotyczące maksymalnej twardości w różnych strefach złącza są określone w normie PN-EN ISO 15614-1 dla poszczególnych grup materiałowych. Dla stali niestopowych i niskostopowych typowe limity wynoszą:
- Grupa 1 (stale niestopowe): maksymalnie 350 HV10
- Grupa 2 (stale drobnoziarniste): maksymalnie 380 HV10
- Grupa 3 (stale wysokowytrzymałe): maksymalnie 450 HV10
Wymagania dla innych grup materiałowych (grupa 6 bez obróbki cieplnej, grupa 7, 10, 11) oraz dla złączy różnoimiennych powinny być ustalone przed badaniem.
Jeżeli pojedyncza wartość twardości w różnych zbadanych strefach mieści się powyżej podanych wartości, powinno być przeprowadzone dodatkowe badanie twardości na odwrotnej stronie próbki lub na badanej powierzchni po przeszlifowaniu w celu potwierdzenia wyniku.
Zastosowania praktyczne
Kwalifikowanie technologii spawania (WPQR)
Badanie twardości jest obowiązkowym elementem kwalifikowania technologii spawania zgodnie z PN-EN ISO 15614-1. Pomiar twardości służy do sprawdzenia, czy cykl cieplny spawania oraz parametry procesu nie spowodowały nadmiernego utwardzenia strefy wpływu ciepła, które mogłoby prowadzić do ryzyka kruchego pękania lub pęknięć zimnych.
Wyniki badania twardości są porównywane z wymaganiami określonymi dla danej grupy materiałowej. Przekroczenie dopuszczalnych wartości twardości dyskwalifikuje kwalifikowaną technologię spawania i wymaga modyfikacji parametrów – najczęściej zwiększenia energii liniowej spawania lub zastosowania podgrzewania wstępnego i obróbki cieplnej po spawaniu.
Kontrola produkcyjna i odbiorowa
W produkcji seryjnej konstrukcji spawanych badanie twardości służy do bieżącej kontroli procesu spawania. Wykonuje się wyrywkowe pomiary twardości na próbkach produkcyjnych lub bezpośrednio na elementach konstrukcji przy użyciu twardościomierzy przenośnych.
Szczególnie istotne jest monitorowanie twardości w przypadku konstrukcji odpowiedzialnych – rurociągów, zbiorników ciśnieniowych, konstrukcji mostowych – gdzie przekroczenie dopuszczalnych wartości twardości może prowadzić do awarii w eksploatacji.
Diagnostyka i weryfikacja obróbki cieplnej
Badanie twardości pozwala zweryfikować skuteczność obróbki cieplnej po spawaniu (PWHT – Post Weld Heat Treatment). Porównanie rozkładu twardości przed i po obróbce cieplnej pokazuje, czy nastąpiło obniżenie twardości strefy wpływu ciepła do akceptowalnych wartości.
Mapy twardości w przekroju złącza umożliwiają również analizę wpływu różnych parametrów spawania – energii liniowej, sekwencji ściegów, geometrii przygotówki – na własności mechaniczne złącza. Badanie to jest często łączone z innymi metodami niszczącymi, takimi jak badania makroskopowe lub pomiary udarności.
Interpretacja wyników
Wyniki badania twardości przedstawia się w postaci profili twardości (wykresów) lub map rozkładu twardości na przekroju złącza. O akceptowalności złącza decydują wymagania określone w normie kwalifikującej technologię (WPQR), dokumentacji technicznej projektu lub specyfikacji zamawiającego.
Typowe przekroczenia twardości w strefie wpływu ciepła wskazują na ryzyko utwardzenia spowodowane zbyt szybkim chłodzeniem, składem chemicznym materiału lub brakiem obróbki cieplnej po spawaniu. Bardzo wysokie wartości twardości (np. > 400 HV10 dla stali niestopowych) mogą świadczyć o powstaniu struktury martenzytycznej podatnej na pęknięcia zimne.
Bardzo niskie wartości twardości w spoinie mogą sugerować przegrzanie lub zbyt wysoką energię liniową spawania, co prowadzi do rozrostu ziarna i pogorszenia właściwości mechanicznych. Nierównomierny rozkład twardości może wskazywać na problemy z techniką spawania lub niestabilnością parametrów procesu.
Należy pamiętać, że sama obecność wartości podwyższonych lub obniżonych nie jest automatyczną podstawą do odrzucenia złącza – decydują wymagania normy lub specyfikacji technicznej. Praktyka branżowa często odnosi się do limitów rzędu 350 HV10 dla wielu stali niestopowych, ale wartości graniczne należy zawsze brać z właściwej specyfikacji materiałowej lub projektowej.
Podsumowanie
Badanie twardości złączy spawanych jest podstawową metodą oceny wpływu cyklu cieplnego spawania na właściwości mechaniczne materiału. Pomiar twardości metodą Vickersa na przekroju poprzecznym złącza pozwala wykryć strefy utwardzone w spoinie i strefie wpływu ciepła, które mogą stanowić ryzyko w eksploatacji konstrukcji.
Kluczowe znaczenie ma właściwe rozmieszczenie odcisków zgodnie z wymaganiami PN-EN ISO 15614-1 – minimum trzy odciski w każdej strefie (spoina, SWC, materiał rodzimy) oraz dodatkowe pomiary w odległości ≤ 0,5 mm od linii wtopienia dla stali utwardzających się. Poprawne wykonanie badania twardości wymaga odpowiedniego przygotowania próbki, kalibracji urządzenia oraz znajomości kryteriów akceptacji dla danej grupy materiałowej.
Badanie twardości jest nieodłącznym elementem systemu zapewnienia jakości w spawalnictwie i stanowi jedno z podstawowych badań wymaganych przy kwalifikowaniu technologii spawania oraz kontroli produkcyjnej konstrukcji spawanych.
