Spawanie
Starożytność i średniowiecze Łączenie metali o niskiej temperaturze topnienia było znane już w starożytności. Używano wówczas dmuchaw lub miechów (1), za pomocą których kierowano płomień na lutowany przedmiot. Wyroby ze złota, srebra, miedzi, mosiądzu i brązu powstawały w wyniku zgrzewania na palenisku.
Z chwilą odkrycia i rozpoczęcia produkcji stali stała się ona podstawowym surowcem do wyrobu narzędzi i broni, a jej zgrzewanie w ognisku kowalskim rozpowszechniło się jako podstawowa technologia. W średniowieczu poznano kolejne techniki lutowania metali. Znane są z tego okresu przykłady lutowania złotych i srebrnych pierścionków, broszek, uprzęży, okuć książek itp.
1800 Pierwsze świadome wytworzenie łuku pomiędzy dwoma elektrodami węglowymi przy użyciu baterii zostało przypisane sir Humphry’emu Davy’emu. W połowie XIX wieku wynaleziono generator elektryczny i popularność zdobyło oświetlenie łukowe, wykorzystujące te odkrycia.
1836 Odkrycie acetylenu przypisuje się Edmundowi Davy’emu z Anglii. Nastąpiło to przypadkowo, podczas próby wyizolowania potasu metalicznego. Podgrzewając węglan potasu węglem w bardzo wysokich temperaturach, Davy wyprodukował substancję, obecnie znaną jako węglik potasu (K2C2), który reagował z wodą, uwalniając nowy gaz.
1846 Pracujący dla brytyjskiej admiralicji James Nasmyth odkrywa, że przygotowując powierzchnie spawalnicze o lekko wypukłej powierzchni, wióry i topnik są wyciskane ze spoiny, co zwiększa jej wytrzymałość. Zanim opracowano spawanie, wykorzystywano to w technikach kowalskich.
1881-1887 Auguste De Méritens z Laboratorium Cabot we Francji wykorzystuje w 1881 r. ciepło łuku elektrycznego z zastosowaniem elektrody węglowej do łączenia płyt ołowianych. Jego uczeń, Rosjanin Nikołaj N. Benardos, korzysta z wyników Meritensa do rozwoju techniki spawania elektrycznego. Wraz z polskim kolegą, Stanisławem Olszewskim, Benardos opracowuje technikę (2), którą obaj nazwali Elektrogefest. Uzyskują na nią patenty - brytyjski w 1885 r. i amerykański w 1887 r.
Wynalazcy zaprojektowali też wszystkie obecnie używane w procesie spawania elektrycznego elementy, takie jak spawarka transformatorowa zasilana prądem zmiennym, umieszczona w uchwycie elektroda (wówczas nietopliwa, węglowa), zacisk masy oraz łączące całość przewody.
Spawanie metodą Benardosa i Olszewskiego polega na stapianiu brzegów łączonych metali i spoiwa za pomocą łuku elektrycznego, jarzącego się między materiałem spawanym a elektrodą węglową. Zastosowanie tego rozwiązania jest dzisiaj ograniczone, ponieważ spoiny nawęglają się cząsteczkami węgla pochodzącymi z elektrody oraz utleniają tlenem dochodzącym z powietrza, wskutek czego stają się twarde i kruche.
1885 Elihu Thomson zgłasza dwa patenty na "aparat do spawania elektrycznego", wynajdując tym samym technikę zgrzewania oporowego. Polega ona na łączeniu elementów poddanych sile docisku elektrod, gdy zostaje włączony prąd elektryczny o dużym natężeniu. Na skutek przepływu prądu rozpoczyna się wydzielanie ciepła na powierzchni styku elementów, która ma dużo większy opór elektryczny niż opór samych łączonych elementów. W ciągu następnych piętnastu lat wynalazca udoskonalił tę metodę.
1888 Nikołaj Sławianow wynajduje topliwą elektrodę metalową, która zastąpiła używane dotychczas w procesie Elektrogefest stałe i nietopliwe elektrody węglowe.
1893 Niemiecki chemik Hans Goldschmidt wynajduje termit, który szybko zostaje wykorzystany także na potrzeby spawalnictwa. To mieszanina złożona ze sproszkowanego glinu i tlenku żelaza. Ulega ona silnie egzotermicznej reakcji redoks, w której glin gwałtownie redukuje tlenki metali, czemu towarzyszy jedna z najwyższych temperatur uzyskiwanych w procesach przemysłowych (ok. 3000°C, a w obecności materiałów zwiększających temperaturę - nawet 3800°C) oraz intensywne świecenie.
Produktami reakcji stają się tlenek glinu i płynne żelazo. Termity są stosowane m.in. jako środki spawalnicze do spawania rur i szyn kolejowych (4).
1894 Francuz Henryk Maisson opracowuje przemysłową metodę otrzymywania karbidu (3). Uzyskiwano go w elektrycznych piecach oporowych, gdzie w temperaturze 2300°C prażono zmieloną mieszaninę wapienia lub wapna z węglem.
1897 Francuscy uczeni George Claude i Albert Hesse wynajdują sposób przechowywania acetylenu pod ciśnieniem (5), w postaci acetylenu rozpuszczonego w acetonie.
1900-1907 Arthur Percy Strohmenger oraz Oskar Kjellberg wytwarzają pierwsze elektrody otulone.
Strohmenger użył do ich produkcji gliny i wapna, podczas gdy Kjellberg zanurzał drut stalowy w mieszaninach węglanów i krzemianów.
Prace nad techniką topliwej elektrody otulonej (6) zakończyły się ok. 1907 r. Był to niejako finał działań nad techniką spawania elektrycznego w nowoczesnym rozumieniu.
1901 Charles Picard buduje pierwszy palnik acetylenowo-tlenowy (7) służący do spawania. Trzy lata później konstruuje pierwszy palnik acetylenowo-tlenowy do cięcia stali - na wysokie ciśnienie, zasilany acetylenem z butli.
Proces spawania acetylenowo-tlenowego wymaga dwóch butli, z których jedna zawiera gaz palny, acetylen, a druga tlen. Płomień acetylenowo-tlenowy rozgrzewa się do temperatury ok. 3500°C.
1920 W firmie General Electric zostają wprowadzone pierwsze techniki spawania automatycznego.
Metoda wykorzystywała drut z gołej elektrody zasilany prądem stałym oraz napięcie łuku jako podstawę do regulacji prędkości posuwu rozwijanej elektrody. Służyła do naprawy zużytych wałów silnikowych i kół suwnicowych. Stosowana była w przemyśle motoryzacyjnym również do produkcji obudów tylnych osi.
lata 20. Pierwsze zastosowania gazów obojętnych do osłony łuku elektrycznego (8). Spawanie łukowe w osłonie gazu obojętnego przy zastosowaniu nietopliwej elektrody wolframowej (TIG/GTAW) miało swoje początki w pomyśle Charlesa L. Coffina, opatentowanym jeszcze w 1890 r., a dotyczącym spawania w nieutleniającej atmosferze gazowej.
Koncepcja ta została dopracowana pod koniec lat 20. XX wieku przez H. M. Hobarta, który używał helu, oraz P.K. Deversa, stosującego argon. Proces ten świetnie nadawał się do spawania magnezu, a także stali nierdzewnej i aluminium. Został udoskonalony w 1941 r., opatentowany przez Russella Mereditha z Northrop Aircraft i nazwany spawaniem Heliarc.
1924 Irving Langmuir wynajduje spawanie atomowe - w trakcie swoich badań nad wodorem atomowym, prowadzonych w USA. Spawanie wodorem atomowym (AHW) jest procesem spawania łukowego, w którym wykorzystuje się łuk pomiędzy dwiema elektrodami wolframowymi w atmosferze ochronnej wodoru. Łuk elektryczny skutecznie rozbija cząsteczki wodoru, które później przekształcają się w rekombinacji z ogromnym wydzielaniem ciepła, osiągając temperatury od 3400 do 4000°C.
1940 W lutym tego roku Robert K. Hopkins patentuje opracowany przez siebie proces spawania elektrożużlowego. Metoda jest później rozwijana i udoskonalana w Instytucie Patona w Kijowie w ZSRR - aż do roku 1950, gdy zostaje zademonstrowana na targach w Brukseli.
W pierwszej fazie procesu jest zajarzany łuk elektryczny między elektrodą i spawanym materiałem. Topnik przykrywający obszar złącza zaczyna się topić i powstaje zbiornik płynnego żużla, którego głębokość się powiększa. Gdy temperatura żużla wzrośnie i tym samym zwiększy się jego przewodność elektryczna, łuk zgaśnie, a prąd elektryczny będzie przepływał przez płynny żużel. Ponieważ płynny żużel ma pewną rezystancję, w wyniku przepływu prądu powstaje energia cieplna niezbędna do prowadzenia procesu spawania.
1948 W Battelle Memorial Institute, pod patronatem firmy Air Reduction Company, zostaje opracowane spawanie łukowe w osłonie gazowej elektrodą topliwą (Gas Metal Arc Welding - GMAW). W procesie tym wykorzystano łuk z osłoną gazową podobny do łuku wolframowego, ale elektrodę wolframową zastąpiono elektrodą topiącą się w trakcie spawania. Pierwsze zastosowania GMAW dotyczyły spawania metali nieżelaznych. Ze względu na koszty początkowo nie stosowano go przy spawaniu elementów stalowych.
1949 Niemiecki fizyk Karl-Heinz Steigerwald, analizując różne zastosowania wiązki elektronów, opracowuje spawanie elektronowe. Projektuje także maszynę służącą do tego procesu - rozpoczęła pracę w 1958 r. Zasługi w budowie praktycznej spawarki elektronowej ma również amerykański wynalazca James T. Russell.
Spawanie elektronowe polega na nagrzewaniu miejsca łączenia metali przy pomocy wiązki elektronowej. Służy do tego spawarka elektronowa, w której źródłem elektronów jest działo elektronowe. Elektrony są przyspieszane napięciem rzędu dziesiątków kV. Charakterystyczną cechą spawania wiązką elektronową jest to, że odbywa się ono najczęściej w środowisku próżni, a także to, że spoina tworzy się przez stopienie brzegów łączonych detali.
1953 Radzieccy inżynierowie Lubawskij i Nowożyłow opracowują technikę spawania elektrodami topliwymi w atmosferze dwutlenku węgla. Proces spawania CO2 od razu spotkał się z zainteresowaniem. Po pierwsze, wykorzystano w nim urządzenia opracowane do spawania łukiem metalowym w atmosferze gazu obojętnego. Po drugie, koszt gazu okazywał się na tyle niski, że można było z powodzeniem stosować tę technikę do spawania stali.
1957 Robert M. Gage opracowuje proces spawania i cięcia łukiem plazmowym, który umożliwia precyzyjne cięcie i spawanie zarówno cienkich, jak i grubych metali, a także napawanie metali hartowanych natryskowo na inne metale. Jednym z przykładów zastosowania było stworzenie powłoki natryskowej łopatek turbinowych rakiety Saturn. Podobnie jak podczas spawania metodą TIG, łuk przy spawaniu plazmowym powstaje między nietopliwą elektrodą wolframową a materiałem podstawowym.
Przy spawaniu plazmowym łuk jest ogniskowany dzięki specjalnie zaprojektowanej dyszy chłodzonej wodą. Zaletą takiego rozwiązania, poza zawężeniem łuku, jest wzrost temperatury procesu do ok. 20 000°C.
1959 Wynalazek elektrody samoosłonowej (9), która nie wymaga zewnętrznych osłon gazowych. Proces ten nazwano Innershield. Podczas spawania topniki znajdujące się w rdzeniu drutu Innershield wytwarzają gazy oraz żużel osłaniające tzw. jeziorko spawalnicze i gorący, zakrzepnięty metal spoiny.
1962 Pierwsze przemysłowe zastosowanie zgrzewania robotycznego. W fabryce General Motors na linii montażowej pojawia się robot Unimation 001, zaprojektowany przez George’a Devola i Josepha Engelbergera, do którego zadań należy zgrzewanie punktowe.
lata 70. Pojawia się spawanie laserowe (10). Ze względu na ogromną koncentrację energii w małej przestrzeni wiązka laserowa okazuje się potężnym źródłem ciepła, nadającym się do cięcia metali i niemetali. Spawanie takie prowadzone jest w osłonie gazu obojętnego lub - jeżeli materiał spawany nie utlenia się - w powietrzu, zapewniając dużą wytrzymałość spoin. Technologia ta powszechnie stosowana jest w produkcji wielkoseryjnej, np. w przemyśle motoryzacyjnym.
wiek XXI Opracowanie nowoczesnych metod hybrydowego spawania, będącego kombinacją spawania laserowego oraz łukowego z elektrodą topliwą. Istotną cechą tych rozwiązań jest uzyskiwanie spoin elastyczniejszych niż przy spawaniu laserowym przy zachowaniu dużej szybkości procesu. Połączenie światła lasera i łuku elektrycznego znane było od lat 70., ale dopiero od niedawna pojawiło się w zastosowaniach przemysłowych. Istnieją trzy główne typy procesów spawania hybrydowego, w zależności od zastosowanego łuku elektrycznego: TIG, łuk plazmowy oraz spawanie laserowe z elektrodą topliwą (MIG).
2015 Specjaliści z fińskiego Uniwersytetu Technologicznego Lappeenranta opracowują system automatycznego spawania opartego na sieciach neuronowych, które potrafią same korygować błędy, dostosowywać się do zmiennych warunków i jednocześnie prowadzić proces spawania zgodnie z projektem. Układ sensorów w nowej technologii monitoruje nie tylko kąt spawania, ale również temperaturę w miejscu topnienia metalu, a także kształt spawu.
Dane na bieżąco odbierane są przez sieć neuronową, która decyduje o zmianie parametrów w procesie spawania. Przykładowo, podczas spawania łukowego w osłonie gazowej system może zmieniać symultanicznie natężenie i napięcie prądu, szybkość ruchu oraz ustawienie urządzenia spawającego.
Metody spawania
- Gazowe: najczęściej stosowane przy spalaniu acetylenu w temperaturach do 3100°C; wykorzystywane do spajania blach o grubości 0,4-40 mm.
- Elektryczne: z wykorzystaniem spawarki - urządzenia opierającego swą pracę na zjawisku łuku elektrycznego, w temperaturach do 4000°C; do spajania blach o grubości 1-80 mm. Wyróżniamy trzy główne metody spawania elektrycznego:
- elektrodami otulonymi,
- łukiem krytym,
- w osłonie gazów:
- metoda MIG (Metal Inert Gas) - spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego (Ar, He, Ar + He), stosowane do spawania i napawania we wszystkich pozycjach w sposób automatyczny lub półautomatyczny;
- metoda MAG (Metal Active Gas) - spawanie łukowe w osłonie gazu aktywnego chemicznie (CO2, CO2 + gaz obojętny);
- spawanie drutem rdzeniowym;
- metoda TIG (Tungsten Inert Gas) - spawanie łukowe elektrodą nietopliwą, w osłonie gazów obojętnych (Ar, He, Ar + He). Umożliwia działanie z prawie wszystkimi metalami i ich stopami, w tym łączenie ich ze sobą. Uzyskiwany metal spoiny jest stopem roztopionej części materiału rodzimego i spoiwa (drut, pręt, pałeczka), podawanego w strefę jarzenia się łuku. Częściej stosowane są stopy zbliżone składem do materiału rodzimego, jednak z domieszkami, które powodują poprawę jakości połączeń spawanych w różnych jej aspektach. TIG można stosować we wszystkich pozycjach;
- metoda TOPTIG - opracowana przez firmę AIR LIQUIDE WELDING technologia spawania robotem przemysłowym, stanowiąca kombinację jakości uzyskiwanej poprzez TIG z wydajnością zapewnianą przez MIG. Istotą tego rozwiązania jest opatentowany palnik, w którym drut wypełniający biegnie pod bardzo małym kątem do elektrody wolframowej;
- FCAW (Flux-Cored Arc Welding) - spawanie łukowe przy zastosowaniu drutu proszkowego; osłona łuku dzięki topnikowi zawartemu w drucie i dodatkowa osłona gazem dostarczanym z zewnątrz.
- Elektrogazowe (EGW - Electrogas Welding): rozwinięcie metody spawania elektrożużlowego, przypominające ją zarówno pod względem oprzyrządowania, jak i zastosowania. Elektroda jest tu jednak topiona nie przez ciepło generowane w żużlu, lecz - podobnie jak w metodzie MIG/ MAG - przez łuk spawalniczy jarzący się w osłonie gazów ochronnych.
- Elektronowe: technika pozwalająca łączyć metale (np. wolfram-miedź, niob-miedź), których nie daje się kojarzyć innymi technikami spawalniczymi.
- Hybrydowe: kombinacja spawania laserowego oraz łukowego z elektrodą topliwą.
- Łukowo-wodorowe (atomowe).
- Laserowe.
- Plazmowe.
- Termitowe.
- Elektrożużlowe.
M.U.
