SPAWANIE ŁUKIEM ELEKTRYCZNYM i WIAZKĄ ELEKTRONÓW Porównanie technologii 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 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

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

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

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

POCZĄTKI SPAWALNICTWA spawanie wiązką elektronów Już pierwsze doświadczenia pokazały ogromna przydatność tej technologii do łączenia różnych materiałów. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

współczesne technologie spawalnicze 7 współczesne technologie spawalnicze Nieustanny 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG 8 spawanie łukiem elektrycznym metoda 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG 9 spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG Schemat procesu Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG 10 spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG Przygotowanie do spawania Elementy 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. Wybrane sposoby przygotowanie materiału do spawania: cienkich blach o grubości do 2 mm, blach o różnej grubości, o grubości 4÷12 mm, o grubości ponad 12 mm Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie łukiem elektrycznym metoda MIG/MAG 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. Fragment normy dotyczący wad spawalniczych. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów Spawanie wiązką elektronów polega na wykorzystaniu energii kinetycznej wiązki elektronów, która bombardując powierzchnię spawaną zamienia się na ciepło. Schemat urządzenia do spawania wiązką elektronów Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów 14 spawanie wiązką elektronów Wygenerowana 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

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

spawanie wiązką elektronów 16 spawanie wiązką elektronów Wytworzenie 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów 17 spawanie wiązką elektronów Uzyskanie 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów 18 spawanie wiązką elektronów 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów 19 spawanie wiązką elektronów Zalety 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

spawanie wiązką elektronów 20 spawanie wiązką elektronów Spawanie wiązką elektronów wymaga aby łączone elementy były pozbawione magnetyzmu szczątkowego. Dlatego też wszystkie detale przed spawaniem muszą być rozmagnesowane do poziomu ±2,5 Gausa Obecność magnetyzmu szczątkowego może zakłócić tor biegu elektronów (wiązka nie będzie padać w oczekiwane miejsce). Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

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

spawanie wiązką elektronów 22 spawanie wiązką elektronów 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

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

spawanie wiązką elektronów 24 spawanie wiązką elektronów Oprócz 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. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 25 porównanie technologii spawania metody tradycyjne wiązka elektronów przygotowanie detali do spawania wymagane oczyszczenie, ukosowanie lub zaginanie detale wymagają oczyszczenia, odtłuszczenia, dokładnego dopasowania i odmagnesowania Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 26 porównanie technologii spawania metody tradycyjne wiązka elektronów personel wymagane kosztowne szkolenia, egzaminy, duże doświadczenie, duża zależność jakości spoiny od umiejętności spawacza niewielka zależność, a niekiedy brak zależności jakości spoiny od umiejętności personelu Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 27 porównanie technologii spawania 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 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 28 porównanie technologii spawania metody tradycyjne wiązka elektronów naprężenia i odkształcenia duża 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 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 29 porównanie technologii spawania 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 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 30 porównanie technologii spawania 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 stopy wanad, beryl możliwość spawania materiałów o różnych własnościach fizykochemicznych Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 31 porównanie technologii spawania 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 Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

porównanie technologii spawania 32 porównanie technologii spawania metody tradycyjne wiązka elektronów dodatkowe możliwości i ograniczenia napawanie brak ograniczeń gabarytowych grawerowanie, frezowanie, wiercenie, obróbka cieplna wielkość spawanych elementów ograniczona rozmiarem komory Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57

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

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

zakończenie Dziękuję za uwagę. 35 zakończenie Posiadamy także kompletne wyposażenie do przeprowadzania badań niszczących i nieniszczących. Dziękuję za uwagę. Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57