SPAWANIE ŁUKIEM ELEKTRYCZNYM i WIAZKĄ ELEKTRONÓW

SPAWANIE ŁUKIEM ELEKTRYCZNYM i WIAZKĄ ELEKTRONÓWPorównanie technologii

1

Przygotował: Cezary Roczniak

Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

POCZĄTKI SPAWALNICTWA spawanie łukiem elektrycznym


2

1880 – zastosowanie ciepła łuku elektrycznego do łączenia płyt ołowianych. 1981 – Rosjanin Nikołaj N. Benardos po raz pierwszy zastosował łuk elektryczny i elektrodę węglową do spawania stali. 1885 – dzięki pomocy inżyniera Stanisława Olszewskiego wynalazek ten został opatentowany w Wielkiej Brytanii, a w roku 1887 w Stanach zjednoczonych.


Początek XX wieku to intensywny rozwój technik spawalniczych. Pojawia się wiele nowych metod, co znakomicie przedstawiało na swoich łamach czasopismo Życie Techniczne w 1934 roku.

3



4


POCZĄTKI SPAWALNICTWA spawanie wiązką elektronów

1958 – niemiecki fizyk Karl-Heinz Steigerwald zbudował pierwsze działające urządzenie potrafiące wykorzystać strumień elektronów do łączenia metali.1963 – Pierwsze urządzenie do spawania wiązką elektronów zostało opatentowane w Stanach zjednoczonych.

5


POCZĄTKI SPAWALNICTWA spawanie wiązką elektronów

Już pierwsze doświadczenia pokazały ogromna przydatność tej technologii do łączenia różnych materiałów.

6


współczesne technologie spawalniczeNieustanny postęp techniczny i technologiczny sprawia, że

dzisiejsze urządzenia zarówno do spawania łukiem elektrycznym jak i wiązką elektronów są zupełnie niepodobne do swoich przodków. Ale właśnie dlatego warto przyjrzeć się i porównać możliwości tych dwóch metod spawania.

7


spawanie łukiem elektrycznymmetoda MIG/MAG

Spawanie MIG/MAG (ang. Metal Inert Gas / Metal Active Gas) polega na stapianiu materiału spawanego i materiału elektrody topliwej ciepłem łuku elektrycznego jarzącego się pomiędzy elektrodą topliwą i spawanym przedmiotem, w osłonie gazu obojętnego lub aktywnego. Metal spoiny formowany jest z metalu stapiającego się drutu elektrodowego i nadtopionych brzegów materiału spawanego. Spawanie MIG/MAG zastosowane więc może być do wykonania wysokiej jakości połączeń wszystkich metali, które mogą być łączone za pomocą spawania łukowego. Należą do nich stale węglowe i niskostopowe, stale odporne na korozję, aluminium, miedź, nikiel i ich stopy.

8



Schemat procesu

9



Podstawowe parametry procesu• Rodzaj i natężenie prądu(prędkość podawania drutu), • Napięcie łuku, • Prędkość spawania, • Rodzaj i natężenie przepływu gazu ochronnego, • Średnica drutu elektrodowego, • Długość wolnego wylotu elektrody, • Prędkość podawania drutu elektrodowego, • Pochylenie złącza lub elektrody.

10



Przygotowanie do spawaniaElementy przeznaczone do spawania muszą być w odpowiedni sposób przygotowane. Miejsce spawania należy oczyścić z brudu i zgorzeliny, ale przede wszystkich, do większości połączeń blachy należy zukosować lub wygiąć.

11

Wybrane sposoby przygotowanie materiału do spawania: a) cienkich blach o grubości do 2 mm,

b) blach o różnej grubości, c) o grubości 4÷12 mm, d) o grubości ponad 12 mm



Wszystkie parametry mają istotny wpływ na jakość spoiny, ale najważniejszym czynnikiem decydującym o jej jakości jest człowiek. To od jego umiejętności i doświadczenia zależy to czy spoina zostanie położona poprawnie, czy będzie spełniać wymagania stawiane przez zleceniodawcę. Brak umiejętności poprawnego doboru właściwych parametrów procesu w zależności od rodzaju spawanego materiału czy od rodzaju pozycji spawania może spowodować, że pojawią się nieciągłości, pęknięcia, podtopienia, przyklejenia, kratery i dziesiątki innych wad, które zdyskwalifikują wykonaną spoinę.

12

Fragment normy dotyczący wad spawalniczych.


spawanie wiązką elektronów

Spawanie wiązką elektronów polega na wykorzystaniu energii kinetycznej wiązki elektronów, która bombardując powierzchnię spawaną zamienia się na ciepło.

13

Schemat urządzenia do spawania wiązką elektronów


spawanie wiązką elektronówWygenerowana wewnątrz działa elektronowego wiązka uderza w obrabiany przedmiot z prędkością bliską 30-70% prędkości światła, zamieniając swoją energię kinetyczną na ciepło, które jest w stanie rozgrzać materiał do temperatur bliskich 25 000°C. Otrzymane w ten sposób skoncentrowane ciepło penetruje materiał na bardzo dużej głębokości, umożliwiając tworzenie połączeń elementów o znacznej grubości, osiągającej nawet 15 0 mm.

14


spawanie wiązką elektronówZe względu na silne skupienie i wysoką stabilność strumienia elektronów całkowity nakład ciepła jest o wiele niższy niż w innych technologiach spawalniczych, co skutkuje bardzo niewielką strefą wpływu ciepła w materiale.

15


spawanie wiązką elektronówWytworzenie spoiny następuje przez stopienie brzegów materiałów, eliminując potrzebę zastosowania spoiwa, a zatem redukuje ilość wykorzystywanego w produkcji materiału. Zastosowanie źródła ciepła w postaci wiązki elektronów wiąże się z wysokim skoncentrowaniem energii na małej powierzchni oraz z możliwością łatwego jej sterowania i dozowania. Wykorzystywany w EBW sposób skoncentrowania ciepła na powierzchni detalu umożliwia otrzymanie spoin bardzo wąskich i głębokich.

16


spawanie wiązką elektronówUzyskanie wąskiej spoiny, a więc małej ilości stopionego materiału, zmniejsza zapotrzebowanie na niezbędne do tego procesu ciepło, a to z kolei zapewnia mniejszy skurcz złącz spawanych i redukuje powstałe naprężenia spawalnicze, nierzadko pozwalając uniknąć konieczności obróbki wykańczającej. Powstające odkształcenia są nieznaczne, ponieważ obrabiany obszar ochładza się błyskawicznie na skutek bardzo dużych różnic temperaturowych pomiędzy strefą nagrzaną a pozostałą częścią materiału.

17



Spawanie elektronowe przeprowadza się przede wszystkim w warunkach wysokiej próżni, aby umożliwić swobodny ruch elektronów i w pełni wykorzystać ich energię.Zastosowanie tego typu warunków gwarantuje uzyskanie całkowicie wolnej od zanieczyszczeń spoiny. Na skutek redukcji cząsteczek tlenków znajdujących się w obrabianym metalu w procesie spawania w komorze próżniowej zachodzi pasywacja spoiny, uniemożliwiająca jej dalsze utlenianie.

18


spawanie wiązką elektronówZalety spawania wiązką elektronów pozwalają na szeroki zakres jej zastosowania pod względem doboru spawanych materiałów. Metoda umożliwia łączenie materiałów o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak molibden czy wolfram, metali aktywnych (jak tytan lub cyrkon), a także znacznie różniących się od siebie właściwościami (kombinacje wolfram-miedź, Cu-Ni, St37-CuZn lub CuBe). W rezultacie stają się osiągalne połączenia, których produkcja w sposób konwencjonalny byłaby nieopłacalna, niepraktyczna lub wręcz niemożliwa.

19


spawanie wiązką elektronówSpawanie wiązką elektronów wymaga aby łączone elementy były pozbawione magnetyzmu szczątkowego. Dlatego też wszystkie detale przed spawaniem muszą być rozmagnesowane do poziomu ±2,5 GausaObecność magnetyzmu szczątkowego może zakłócić tor biegu elektronów (wiązka nie będzie padać w oczekiwane miejsce).

20



Spawanie elektronowe zapewnia dotarcie do trudno dostępnych miejsc materiału i nieporównywalnie większą prędkość wykonania spoiny (do 100 mm/s). Odpowiednio zautomatyzowany proces EBW pozwala wykluczyć czynnik operatora spawarki i osiągnąć w pełni powtarzalny proces efektywnego spawania przy dużych szybkościach.

21



Uzyskana spoina jest bardzo wąska, czysta, błyszcząca i regularna. Zastosowanie wiązki elektronów do łączenia materiałów pozwala na przeprowadzenie procesu zarówno przed obróbką cieplną elementów, jak i po ostatecznej obróbce. Analizy materiałowe pozwalają stwierdzić, że uzyskane spoiny mają własności porównywalne do otaczającego je materiału.

22



Mała ilość wydatkowanego ciepła bez generowania odkształceń części spawanych i utraty własności wytrzymałościowych sprawia, że technologia znajduje szerokie zastosowanie przy spawaniu kół zębatych przekładni samochodowych, wałów korbowych, łopatek kierowniczych i innych. Dobrym przykładem zastosowania spawania wiązką elektronów są przekładnie zębate, w których wieńce kół zębatych poddaje się uprzedniej obróbce cieplnej, a następnie łączy się je z piastą lub bezpośrednio z wałkiem.

23


spawanie wiązką elektronówOprócz motoryzacji spawanie wiązką elektronów znajduje szerokie zastosowanie w tak wymagających dziedzinach jak kolejnictwo, lotnictwo, przemysł kosmiczny i atomowy. Równie chętnie ta metoda łączenia jest wykorzystywana w urządzeniach i sprzęcie medycznym, elektronice i elektrotechnice.

24


porównanie technologii spawania

25

metody tradycyjne

wiązka elektronów

przygotowanie detali do spawania

wymagane oczyszczenie, ukosowanie lub zaginanie

detale wymagają oczyszczenia, odtłuszczenia, dokładnego dopasowania i odmagnesowania



26

metody tradycyjne

wiązka elektronów

personelwymagane kosztowne szkolenia, egzaminy, duże doświadczenie, duża zależność jakości spoiny od umiejętności spawacza

niewielka zależność, a niekiedy brak zależności jakości spoiny od umiejętności personelu



27

metody tradycyjne

wiązka elektronów

jakość spoiny

duża możliwość zanieczyszczenia spoiny, duża możliwość powstania wad wewnętrznych, skład i struktura spoiny jest wynikiem wymieszania materiału rodzimego i spoiwa

możliwość przeprowadzania wszelkiego rodzaju badań niszczących i nieniszczących

brak możliwości zanieczyszczenia spoiny, mała możliwość powstawania wad wewnętrznych, skład i struktura spoiny identyczna z materiałem rodzimym

możliwość przeprowadzania wszelkiego rodzaju badań niszczących i nieniszczących, niemniej pewne detale ze względu na umiejscowienie spoiny mogą wymagać specjalnych aplikacji



28

metody tradycyjne

wiązka elektronów

naprężenia i odkształceniaduża ilość doprowadzonego ciepła powoduje powstawanie dużych naprężeń wewnętrznych i odkształceń, umiejętność układania spoiny przez spawacza pozwala w pewnym, niewielkim zakresie je eliminować; bardzo często wymagany jest zabieg odprężania po spawaniu

mała ilość ciepła w ogromnym stopniu ogranicza a nawet eliminuje całkowicie powstawanie naprężeń i odkształceń, nie wymaga odprężania



29

metody tradycyjne

wiązka elektronów

geometria spoiny

kształt spoiny zbliżony jest do litery V ze stosunkowo dużą strefą wpływu ciepła, głębokie spoiny wymagają układania kilku, kilkunastu ściegów

kształt spoiny zbliżony do kształtu szpilki z niewielką strefa wpływu ciepła, możliwość uzyskiwania przetopów nawet powyżej 150 mm



30

metody tradycyjne

wiązka elektronów

łączone materiały

stale konstrukcyjne, stale nierdzewne, niektóre stale stopowe, staliwo, żeliwo, aluminium, miedź, praktycznie niemożliwe łączenie materiałów o różnych właściwościach

stale stopowe i niestopowe, miedź i jej stopy, aluminium i jego stopy, złoto, srebro, platyna, wolfram, tantal, molibden, niob, tytan i jego stopywanad, berylmożliwość spawania materiałów o różnych własnościach fizykochemicznych



31

metody tradycyjne

wiązka elektronów

obszary zastosowań

budownictwo, przemysł metalowy, przemysł maszynowy, energetyka, przemysł spożywczy, transport, itp.

motoryzacja, kolejnictwo, przemysł lotniczy, kosmiczny i atomowy, elektronika, elektrotechnika, sprzęt medyczny



32

metody tradycyjne

wiązka elektronów

dodatkowe możliwości i ograniczenia

napawanie

brak ograniczeń gabarytowych

grawerowanie, frezowanie, wiercenie, obróbka cieplna

wielkość spawanych elementów ograniczona rozmiarem komory


zakończenieJak wynika z porównania, tradycyjne spawanie i spawanie wiązką elektronów nie są metodami spawania, które mogą być dowolnie zastępowane. Każda z metod ma swoją specyfikę, swoje wady i zalety, swoje obszary zastosowań i zapewne prze wiele kolejnych lat każda z tych technologii będzie rozwijana i stosowana w swoich obszarach.

33


34

zakończenieNiemniej zachęcam wszystkich aby nie unikali tematów związanych ze spawaniem wiązką elektronów. Inkubator Technologiczny w Stalowej Woli dysponuje urządzeniem do spawania wiązka elektronów podobnie jak i tradycyjnymi urządzeniami do spawania.

34


zakończeniePosiadamy także kompletne wyposażenie do przeprowadzania badań niszczących i nieniszczących.

35

Dziękuję za uwagę.Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa

Wola, tel. 15 844 03 57

SPAWANIE ŁUKIEM ELEKTRYCZNYM i WIAZKĄ ELEKTRONÓW

Documents

Transcript of SPAWANIE ŁUKIEM ELEKTRYCZNYM i WIAZKĄ ELEKTRONÓW