Próba zginania złączy spawanych to badanie niszczące, które pozwala ocenić ciągliwość (plastyczność) materiału spawanego oraz wykryć niezgodności wewnętrzne w spoinie i strefie wpływu ciepła. W odróżnieniu od próby rozciągania, która głównie określa wytrzymałość złącza, próba zginania bada zdolność materiału do odkształceń plastycznych bez pękania. Jest to szczególnie istotne w ocenie jakości spawania, ponieważ ujawnia wady, które mogą nie być widoczne przy innych metodach badań.
Metoda ta znajduje szerokie zastosowanie przy kwalifikowaniu technologii spawania (WPQR) zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 oraz w egzaminach spawaczy według PN-EN ISO 9606-1. Próba zginania ujawnia przede wszystkim niezgodności takie jak: braki przetopu, przyklejenia, pęknięcia oraz inne defekty, które mogłyby obniżyć nośność i trwałość złącza spawanego w eksploatacji. Badanie wykonuje się na próbkach wyciętych ze złącza próbnego lub konstrukcji, które po odpowiednim przygotowaniu poddaje się zginaniu w prasie lub specjalnym przyrządzie.
Zgodnie z normą PN-EN ISO 5173:2023-06, próba zginania może być prowadzona w trzech podstawowych wariantach: zginanie poprzeczne z rozciąganiem od strony lica (TRBB), zginanie poprzeczne z rozciąganiem od strony grani (TFBB) oraz zginanie boczne (SBB) – stosowane zwykle dla grubości powyżej 12 mm. Wybór metody zależy od grubości materiału, rodzaju złącza oraz wymagań normy kwalifikującej.
Jak przebiega próba zginania
Procedura próby zginania złączy spawanych rozpoczyna się od starannego przygotowania próbek. Ze złącza próbnego wycina się odpowiednią liczbę próbek – zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 zazwyczaj są to cztery próbki dla złączy o grubości poniżej 12 mm. Próbki mogą być wycięte mechanicznie lub termicznie, przy czym w przypadku cięcia termicznego konieczne jest zachowanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa – co najmniej 10 mm od brzegu spoiny – i późniejsze usunięcie zmienionej cieplnie warstwy metalu.
Kluczowym etapem przygotowania jest usunięcie nadlewu spoiny oraz grani. Powierzchnia próbki po obróbce mechanicznej powinna być równa z powierzchnią materiału rodzimego. To wyrównanie jest niezwykle istotne, ponieważ jakiekolwiek nierówności mogłyby spowodować koncentrację naprężeń i przedwczesne pękanie próbki, co fałszowałoby wynik badania. Krawędzie próbki powinny być zaokrąglone mechanicznie – promień zaokrąglenia r nie powinien przekraczać 0,2ts, maksymalnie 3 mm. Niedopuszczalne jest jednak usuwanie widocznych niezgodności zewnętrznych takich jak wklęśnięcia lica, podtopienia czy braki przetopu – ich obecność powinna być ujawniona podczas badania.
Szerokość próbki powinna wynosić b ≥ 4ts (gdzie ts to grubość próbki), a długość dostosowuje się do wymogów normy – zazwyczaj 150-250 mm. Grubość próbki powinna wynosić najlepiej 10 mm – w przypadku grubszych blach można sfrezować nadmiar z jednej strony. Rysy na powierzchni próbki powstałe podczas obróbki mechanicznej powinny przebiegać zgodnie z kierunkiem naprężeń rozciągających podczas zginania.
Warianty zginania
Zginanie poprzeczne z rozciąganiem od strony lica (TRBB) – próbka jest zginana w taki sposób, że zewnętrzna (rozciągana) strona odpowiada licu spoiny. Ten typ badania stosuje się, gdy spoina ma mniejszą szerokość od strony lica. W praktyce oznacza to, że podczas zginania najbardziej obciążona będzie strona licowa spoiny, a ewentualne niezgodności w tym obszarze zostaną ujawnione przez powstanie pęknięć.
Zginanie poprzeczne z rozciąganiem od strony grani (TFBB) – próbka jest zginana tak, że strona graniowa spoiny znajduje się pod rozciąganiem. Stosuje się je, gdy spoina jest szersza od strony grani lub gdy spawanie łukowe wykonano jako pierwsze od strony grani. Ta metoda ujawnia wady w korzeniu spoiny oraz w dolnej strefie wpływu ciepła.
Zginanie boczne (SBB) – stosowane dla złączy o grubości 12 mm i więcej. Próbka jest zginana tak, że powierzchnią rozciąganą jest przekrój poprzeczny spoiny. Ta metoda pozwala ocenić ciągliwość całego przekroju spoiny oraz wykryć niezgodności biegnące wzdłuż osi spoiny.
Parametry badania
Samo badanie przeprowadza się najczęściej metodą trójpunktowego zginania na maszynie wytrzymałościowej lub w specjalnym przyrządzie. Próbkę umieszcza się na dwóch podporach walcowych, a trzpień gnący (również walcowy) wywiera nacisk na środek próbki od góry.
Odległość między podporami jest ściśle określona normą i zależy od średnicy trzpienia gnącego oraz grubości materiału. Zgodnie z wymaganiami PN-EN ISO 5173, odległość ta powinna spełniać warunek:
d + 2ts + 1 ≤ l ≤ d + 3,5ts
gdzie:
d – średnica trzpienia gnącego [mm]
ts – grubość próbki [mm]
l – rozstaw podpór [mm]
Margines 1 mm oraz górna granica 3,5ts zapewniają, że próbka nie zaklinuje się między trzpieniem a podporami, ale jednocześnie nie będzie się nadmiernie przemieszczać w trakcie zginania.
Średnica trzpienia gnącego jest jednym z najważniejszych parametrów próby zginania. Zbyt mała średnica sprawia, że próba jest zbyt “ostra” – oznacza to, że nawet materiał o dobrej ciągliwości może pękać z powodu nadmiernej koncentracji odkształceń. Z drugiej strony zbyt duża średnica może nie ujawnić rzeczywistych wad materiału.
Średnicę trzpienia dobiera się w zależności od wydłużenia materiału podstawowego A:
- d = 4ts gdy A ≥ 20%
- d = (A × ts) / 5 gdy A < 20%
Im materiał mniej plastyczny (niższe wydłużenie A), tym większą średnicę trzpienia należy zastosować, aby uniknąć przedwczesnego pękania próbki.
Badanie prowadzi się w temperaturze otoczenia – 23°C ± 5°C – chyba że specyfikacja wymaga innych warunków. Próbka jest zginana powoli i w sposób kontrolowany aż do osiągnięcia kąta zginania zbliżonego do 180°. Kryterium zakończenia próby jest osiągnięte, gdy środek trzpienia gnącego przejdzie poniżej środków podpór.
Zginanie z rolką
Alternatywną metodą, stosowaną zwłaszcza przy zginaniu stopów aluminium oraz materiałów, gdzie spoina lub jeden z łączonych materiałów ma niższą granicę plastyczności, jest zginanie z rolką zginającą. W tej metodzie próbka nie jest zginana przez trzpień statyczny, lecz rolka przemieszcza się wzdłuż powierzchni próbki, powodując jej stopniowe gięcie. Rolka musi przebyć łuk około 180° wokół trzpienia. Metoda ta jest “łagodniejsza” i pozwala uniknąć efektu koncentracji naprężeń, który mógłby prowadzić do fałszywych wyników przy zginaniu trójpunktowym.
Podczas zginania z trzpieniem gnącym może dojść do sytuacji, że próbka zaczyna się giąć nie symetrycznie względem spoiny, lecz wygina się w stronę materiału o niższej wytrzymałości. Jest to typowy problem przy złączach różnoimiennych lub gdy materiał dodatkowy ma istotnie różną granicę plastyczności od materiału podstawowego. W takich przypadkach zastosowanie rolki zginającej lub odpowiedni dobór średnicy trzpienia może rozwiązać problem.
Normy i wymagania techniczne
Próba zginania złączy spawanych jest szczegółowo opisana w normie PN-EN ISO 5173:2023-06 zatytułowanej “Badania niszczące spoin w materiałach metalowych. Badanie na zginanie”. Norma ta zastąpiła wcześniejsze wydanie z 2010 roku i precyzuje metody badania zginania poprzecznego oraz bocznego próbek pobranych ze spoin czołowych, spoin czołowych platerowanych oraz próbek platerowanych bez spoiny. Celem badania jest ocena ciągliwości oraz wykrycie niezgodności na powierzchni lub w pobliżu powierzchni próbki.
Norma określa, że kąt zginania powinien zazwyczaj wynosić 180°, chyba że inne wymagania wynikają z norm kwalifikujących technologię spawania lub specyfikacji klienta. Osiągnięcie pełnego kąta 180° świadczy o tym, że materiał posiada wystarczającą ciągliwość i zdolność do odkształceń plastycznych. W niektórych przypadkach dopuszcza się kąty mniejsze – na przykład 90° lub 120° – zwłaszcza dla materiałów o ograniczonej plastyczności, jednak decyzja ta musi wynikać z wymagań dokumentacji technicznej.
Średnica trzpienia gnącego dobierana jest zgodnie z wzorami podanymi w normie PN-EN ISO 5173 i normach kwalifikujących technologię spawania, takich jak PN-EN ISO 15614-1, w zależności od wydłużenia materiału podstawowego A.
Według normy PN-EN ISO 15614-1, która dotyczy kwalifikowania technologii spawania łukowego stali, wymagana jest określona liczba prób zginania w zależności od grubości materiału:
- Dla grubości poniżej 12 mm: cztery próbki – dwie do zginania lica (TRBB) i dwie do zginania grani (TFBB).
- Dla grubości 12 mm i więcej: cztery próbki do zginania bocznego (SBB).
Norma PN-EN ISO 5173 podaje również wzory pozwalające na wyznaczenie kąta zginania na podstawie położenia trzpienia gnącego. Kąt gięcia α można wyznaczyć ze wzoru:
α = 180° – 2 × arctan(h / (l/2 – d/2))
gdzie:
h – przemieszczenie trzpienia gnącego w dół od pozycji początkowej [mm]
l – rozstaw podpór [mm]
d – średnica trzpienia gnącego [mm]
Wzór ten pozwala na kontrolę postępu próby i określenie, czy osiągnięto wymagany kąt zginania.
Zastosowania praktyczne
Próba zginania złączy spawanych jest jedną z podstawowych metod badań stosowanych w procesie kwalifikowania technologii spawania (WPQR) zgodnie z normą PN-EN ISO 15614-1. Kwalifikowanie technologii polega na udowodnieniu, że proponowana metoda spawania i parametry procesu pozwalają uzyskać złącze o wymaganych właściwościach mechanicznych i jakościowych. Próba zginania jest elementem wymaganego zestawu badań niszczących, obok próby rozciągania, badania udarności oraz badania makroskopowego.
W procedurze kwalifikowania spawacz wykonuje złącze próbne zgodnie z instrukcją technologiczną spawania (WPS). Następnie z tego złącza pobiera się próbki do różnych badań, w tym do próby zginania. Pozytywne wykonanie wszystkich wymaganych prób – w tym osiągnięcie przez próbki zginania kąta 180° bez powstawania niedopuszczalnych pęknięć – jest warunkiem koniecznym do uznania technologii za zakwalifikowaną i wydania certyfikatu kwalifikowania (WPQR).
Próba zginania ma szczególne znaczenie w kwalifikowaniu technologii spawania elementów odpowiedzialnych, takich jak rurociągi, zbiorniki ciśnieniowe, konstrukcje stalowe mostów czy pojazdów szynowych. W normie EN 15085, dotyczącej spawania pojazdów szynowych, przewidziano wykonywanie prób roboczych w warunkach produkcyjnych. Próba zginania jest jedną z metod oceny jakości złączy, obok badań makroskopowych, rozciągania i udarności.
Kolejnym ważnym zastosowaniem próby zginania są egzaminy spawaczy zgodnie z normą PN-EN ISO 9606-1. Norma ta określa wymagania dotyczące kwalifikowania i zatwierdzania spawaczy wykonujących spawanie łukowe stali. Spawacz, aby uzyskać uprawnienia, musi wykonać złącze egzaminacyjne, które następnie jest poddawane badaniom niszczącym. Próba zginania może być stosowana jako alternatywa lub uzupełnienie dla próby łamania w ocenie złącza egzaminacyjnego.
Próba zginania znajduje również zastosowanie w kontroli produkcyjnej złączy spawanych. W przypadku produkcji seryjnej konstrukcji spawanych, gdzie wymagane jest potwierdzenie jakości procesu spawania, wykonuje się tzw. złącza próbne produkcyjne. Z takich złączy pobiera się próbki, które są badane metodami niszczącymi, w tym poprzez próbę zginania. Wyniki tych badań pozwalają na bieżącą kontrolę procesu i wykrycie ewentualnych odstępstw od wymagań technologicznych.
W praktyce przemysłowej próba zginania służy również do oceny ciągliwości materiału po obróbce cieplnej lub po spawaniu w warunkach ekstremalnych. Przy spawaniu w niskich temperaturach lub w warunkach podwyższonej wilgotności próba zginania pozwala sprawdzić, czy warunki te nie wpłynęły negatywnie na plastyczność złącza. Materiały, które uległy zahartowaniu w strefie wpływu ciepła, mogą wykazywać obniżoną ciągliwość, co zostanie ujawnione podczas zginania.
Ocena wyników i kryteria akceptacji
Po zakończeniu próby zginania próbkę poddaje się badaniu wizualnemu. Głównym celem oceny jest sprawdzenie, czy na powierzchni rozciąganej nie pojawiły się niedopuszczalne pęknięcia lub inne niezgodności. Ocena przeprowadzana jest gołym okiem lub przy użyciu lupy o niewielkim powiększeniu.
Zgodnie z normą PN-EN ISO 15614-1 oraz PN-EN ISO 5173, podczas badania próbki nie powinny wykazywać żadnych pojedynczych pęknięć dłuższych niż 3 mm w żadnym kierunku. Pęknięcia występujące na krawędziach próbek nie są uwzględniane w ocenie, ponieważ mogą wynikać z koncentracji naprężeń na ostrych krawędziach.
W przypadku wystąpienia pęknięć dłuższych niż 3 mm należy przebadać dwie dodatkowe próbki tego samego typu. Jeżeli obie dodatkowe próbki zostaną zaliczone, kwalifikowanie technologii może być kontynuowane. Jeżeli którakolwiek z dodatkowych próbek również nie spełni wymagań, całe kwalifikowanie uznaje się za niezaliczone i konieczne jest powtórzenie procesu z modyfikacją parametrów spawania.
Próba zginania ujawnia niezgodności takie jak: pęknięcia (zimne i gorące), przyklejenia, braki przetopu, porowatość oraz wtrącenia stałe. Niezgodności te ocenia się zgodnie z normą PN-EN ISO 5817 dla stali lub ISO 10042 dla aluminium i jego stopów, które definiują poziomy jakości złączy spawanych: B (najwyższy), C (średni) oraz D (podstawowy).
Prawidłowy dobór średnicy trzpienia gnącego, staranne przygotowanie próbek oraz obiektywna ocena wyników są kluczowe dla uzyskania wiarygodnych rezultatów. Błędy w którymkolwiek z tych etapów mogą prowadzić do fałszywych wyników – zarówno fałszywie pozytywnych (niedowykrycie wad), jak i fałszywie negatywnych (dyskwalifikacja dobrego złącza).
Podsumowanie
Próba zginania złączy spawanych jest podstawową metodą oceny ciągliwości połączeń spawanych i wykrywania niezgodności wewnętrznych takich jak braki przetopu, przyklejenia i pęknięcia. Metoda ta jest szeroko stosowana w kwalifikowaniu technologii spawania zgodnie z PN-EN ISO 15614-1 oraz w egzaminach spawaczy według PN-EN ISO 9606-1.
Kluczem do skuteczności badania jest właściwe przygotowanie próbek, dobór odpowiedniej średnicy trzpienia gnącego w zależności od wydłużenia materiału oraz staranna ocena wyników zgodnie z normą PN-EN ISO 5173. Mimo pozornej prostoty, próba wymaga kompetencji i doświadczenia od personelu wykonującego badanie. Dzięki normatywnej regulacji próba zginania jest standaryzowana i powtarzalna, co pozwala na porównywanie wyników z różnych laboratoriów i zakładów.
