Grupa Badawcza Technologie Spawalnicze/LBS
Grupa Badawcza Technologie Spawalnicze/LBS wchodzi w skład Centrum Spawalnictwa.
Grupa Badawcza Technologie Spawalnicze/LBS działa w obszarze technologii:
- spawania i napawania laserowego,
- spawania hybrydowego laser + łuk elektryczny (HLAW),
- cięcia laserowego i plazmowego,
- spawania i napawania wiązką elektronów,
- lutowania twardego, płomieniowego, indukcyjnego i piecowego,
- spawania i napawania łukowego, lutospawania MIG/MAG.
- stabilizacji wibracyjnej konstrukcji spawanych zastępująca wyżarzanie odprężające (urządzenia – technologia – usługi)
Grupa Badawcza Technologie Spawalnicze/LBS realizuje również w sposób kompleksowy badania z zakresu oceny spawalności materiałów i analizy konstrukcji spawanych i zgrzewanych. Ważnym obszarem działalności są ekspertyzy mające na celu ustalenie przyczyn awarii konstrukcji spawanych (np. zbiorników, mostów czy rurociągów), a także określenie spawalności materiałów w konstrukcjach przewidzianych do remontu. Grupa realizuje również zadania mające na celu ustalenie przyczyn awarii maszyn i konstrukcji spawanych, zgrzewanych i klejonych, prowadzi analizy pod kątem spełnienia wymagań norm i przepisów oraz opracowuje raporty dla sądów, adwokatury i prokuratury.
Grupa Badawcza prowadzi:
- badania strukturalne:
- metalograficzne
- na symulatorze cykli cieplnych
- badania przemian strukturalnych w stalach.
- badania mechaniczne:
- badania wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej
- próby statycznego rozciągania
- udarności
- CTOD
- badanie na zginanie i ścinanie
- pomiary twardości.
- numeryczne i fizyczne symulacje procesów spawalniczych
W ramach prac badawczych są prowadzone podstawowe badania niszczące (rozciąganie, zginanie, udarność, pomiary twardości, metalografia) oraz zaawansowane badania obejmujące zmęczenie i mechanikę pękania (KIC, CTOD, JIC).
Grupa badawcza dysponuje nowoczesnym i bogatym parkiem maszynowym.
Dysponuje między innymi jedną z największych w Polsce maszyn zmęczeniowych o maksymalnej sile ściskającej i rozciągającej 1 000 kN. Najnowszą inwestycją grupy jest młot udarnościowy o energii początkowej uderzenia 450 J z wahadłem instrumentalizowanym umożliwiający rejestrację siły od przemieszczenia. Badania są prowadzone również przy użyciu symulatora do fizycznej symulacji procesów cieplnych Gleeble 3500 dedykowanego procesom spajania. Przy użyciu symulatora prowadzone są przyspieszone próby pełzania, symulacje cykli cieplnych w próżni oraz w atmosferze wodoru, badania skłonności do pękania gorącego (m.in. przy użyciu procedury SICO) i próby rozciągania i ściskania próbek w podwyższonych temperaturach lub poddanych pojedynczym i wielokrotnym cyklom cieplnym.
Prowadzone badania wspierane są analizami przy użyciu metod numerycznych zarówno w zakresie analiz mechanicznych (m.in. wytrzymałościowe i modalne) i cieplnych jak również analiz sprzężonych. Analizy sprzężone obejmują przede wszystkim proces spajania (w tym również z obróbką cieplną) i służą wyznaczaniu naprężeń i odkształceń spawalniczych konstrukcji, opracowywaniu założeń do oprzyrządowania spawalniczego i określenia kolejności spajania.
W grupie badawczej są prowadzone prace badawcze i wykonywane zlecenia komercyjne w ramach których jest stosowany proces spawania wiązką elektronów.
Urządzenie charakteryzuje się rozbudowaną konfiguracją i z punktu widzenia wzrostu wydajności procesu spawania oraz zapewnienia najwyższej jakości złączy spawanych, urządzenie posiada wiele dodatkowych systemów, do których można zaliczyć m.in.:
- automatyczne układy śledzenia osi złącza,
- układy kontroli procesu i jakości złącza,
- system modyfikacji oraz nagrzewania powierzchni (technologia Surfi-Sculpt),
- system wprowadzania wiązki w ruch oscylacyjny o dowolnej geometrii z częstotliwością do 1 000 Hz i amplitudą odchylania nawet do 250 mm.
Urządzenie umożliwia spawanie materiałów o dużej grubości (przetopienie do 100 mm), materiałów trudnospawalnych lub niespawalnych innymi metodami, materiałów różnoimiennych, a także wykonywanie obróbki powierzchniowej, napawanie i szybkie prototypowanie przy wykorzystaniu drutu.
Działalność Grupy obejmuje również projektowanie, wykonywanie i wdrażanie systemów do stabilizacji wibracyjnej. Oferowane rozwiązanie umożliwia wyeliminowanie procesów wyżarzania cieplnego i znaczną poprawę stabilności wymiarowej konstrukcji spawanych.
W Grupie Badawczej Technologii Spawalniczych w ostatnim czasie prowadzono badania w ramach projektów badawczych dotyczące: lutowania twardego stali nierdzewnej z tytanem, spawania hybrydowego laser + MIG/MAG stali konstrukcyjnych i stopów aluminium, lutospawania laserem YAG oraz spawania laserowego z materiałem dodatkowym w postaci drutu. Opracowano i wdrożono technologię zrobotyzowanego spawania złączy teowych elementów silnika lotniczego, opracowano technologię spawania laserem rur ożebrowanych ze stali austenitycznych i stopów niklu, przeznaczonych do pracy w kotłach o parametrach nadkrytycznych, technologię spawania stali pancernych, technologie niskoenergetyczne MIG/MAG ze sterowaniem przenoszeniem kropli za pomocą zmiany przebiegu prądu spawania, technologię zrobotyzowanego spawania hybrydowego elementów ram podwozi i wysięgników dźwigów samojezdnych, wykonanych ze stali ulepszonych cieplnie, o wysokiej granicy plastyczności oraz technologię laserowego napawania warstw gradientowych.
Specjaliści instytutu aktywnie uczestniczą w procesie przygotowania polskiego przemysłu do budowy pierwszej elektrowni jądrowej m.in. poprzez opracowanie na zlecenie rządu wytycznych dla rodzimych przedsiębiorstw dotyczących wymagań przepisów ASME i AFCEN oraz systemów zapewnienia jakości, jak również dotyczących szkolenia personelu spawalniczego i NDT. (dowiedz się więcej)
Najnowsze urządzenia które Grupa Badawcza ma na swoim wyposażeniu to laser LDD-700 firmy IPG do monitorowania procesu spawania w czasie spawania (głębokości wtopienia, szerokości lica spoiny, wysokości od przedmiotu obrabianego, wysokości lica spoiny oraz śledzenia profilu rowka spawalniczego) oraz zrobotyzowany system spawalniczy, który składa się z robota TM-1400WG3 zintegrowanego ze źródłem prądu spawania (350 A) i współpracującego z nim obrotnika dwuosiowego R-300 (nośności 300 kg).
Laboratoria
spawanie
NAPAWANIE
Cięcie
Lutowanie i lutospawanie
Spawanie
Instytut oferuje wszechstronną współpracę w dziedzinie spawania stali, aluminium, tytanu, miedzi i innych materiałów metalowych metodami MIG/MAG (łuk standardowy, pulsujący, Cold Arc, CMT, STT, AC Pulse), TIG, A-TIG, ŁK i EO oraz spawania hybrydowego laser + MIG/MAG.
Współpraca ta obejmuje:
- opracowanie technologii spawania
- pomoc w doborze odpowiedniego materiału dodatkowego do spawania oraz warunków spawania
- ekspertyzy badawcze mające na celu udoskonalenie stosowanych technologii
- wykonawstwo elementów próbnych i prototypowych spawanych różnymi metodami.
- Spawanie metodą MAG stali konstrukcyjnych grupy W01 (18G2A) złączy o grubości: 6 mm (zakres uznania od 3 do 12 mm), 12 mm (zakres uznania od 6 do 24 mm) oraz 30 mm (zakres uznania od 15 do 60 mm)
- Spawanie metodą TIG stali grupy W09 (stale austeniczne chromowo-niklowe np. 1H18N9T) o grubości: 2 mm (zakres uznania od 1 do 4 mm), 4 mm (zakres uznania od 2 do 8 mm) oraz 8 mm (zakres uznania od 4 do 16 mm)
- Półautomatyczne i zmechanizowane spawanie metodą MAG/MIG – opracowywanie technologii i wdrażanie
- Zmechanizowane spawanie łukiem krytym – opracowywanie i wdrażanie
- Spawanie stali i staliw o ograniczonej spawalności – opracowywanie technologii i wdrażanie
- Spawanie elementów żeliwnych metodą “na zimno” i “na gorąco” – opracowywanie technologii i wdrażanie
- Spawanie aluminium i miedzi oraz ich stopów metodą TIG lub MIG
- Spawanie zaawansowanych materiałów konstrukcyjnych jak nikiel i jego stopy, tytan i jego stopy, stale energetyczne typu P91, P92, HCM25 itp.
- Spawanie metodą A-TIG, tj. z użyciem specjalnego topnika wytwarzanego w Instytucie Spawalnictwa (topnik BC-31), elementów ze stali wysokostopowych o grubości do 10 mm, bez potrzeby ukosowania krawędzi złączy
- Spawanie plazmowe elementów ze stali wysokostopowych, stopów niklu i miedzi o grubości od 0,1-2 mm, zapewniające uzyskanie połączeń o bardzo dobrej jakości i dużej czystości metalurgicznej
- Spawanie laserem CO2 elementów płaskich ze stali niestopowych i wysokostopowych o grubości do 6 mm
- Spawanie laserem CO2 elementów przestrzennych
- Spawania hybrydowego laser + MIG/MAG
- Spawanie laserem YAG elementów przestrzennych
- Zrobotyzowane spawanie drutem litym w osłonie gazów oraz drutem proszkowym osłonowym i samoosłonowym elementów płaskich i przestrzennych, zapewniające żądane właściwości warstwy wierzchniej (odporność na zużycie ścierne, korozję itp.). Programowanie i opracowywanie technologii zrobotyzowanego spawania i napawania
- Spawanie orbitalne, TOPTIG
- Spawanie wiązką elektronów
Przykładowe prace badawcze:
Przedmiotem badań były złącza doczołowe rur ze stali Thor®115 wyprodukowanej przez Tenaris Dalmine S.P.A., o średnicy zewnętrznej 50,8 mm i grubości ścianek 10,1 mm.
Cel pracy: opracowanie wstępnej technologii wykonywania złączy doczołowych rur ze stali Thor®115 spawanych metodą TIG (141).
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, między innymi że:
- Złącza spawane wykonane ze stali THOR®115 spawane metodą TIG w pozycji PH charakteryzowały się wysoką jakością wykonania przy użyciu wszystkich materiałów dodatkowych, co zostało potwierdzone przeprowadzonymi badaniami niszczącymi.
- Problemem wydaje się dostępność specjalnego materiału dodatkowego do spawania (firma Tenaris zaleca stosowanie materiału do stali starszej generacji W CrMo91). Zastosowanie tego materiału klasyfikuje złącza ze stali Thor®115 na poziomie stali T/P91.
Cel pracy: badania wpływu kilkukrotnego oddziaływania cyklu cieplnego spawania naprawczego na budowę strukturalną i własności SWC złączy ze stali S1100QL oraz na własności mechaniczne złączy.
Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, między innymi że:
- Opracowana technologia zapewnia poziom jakości B potwierdzony badaniami nieniszczącymi.
- Wyniki badań potwierdzają możliwość czterokrotnego spawania naprawczego doczołowych złączy blach o grubości 18 mm ze stali S1100QL.
Celem badań było porównanie dwóch metod spawania na przykładzie wykonania złączy doczołowych blach ze stali P460NL2. Pierwszą z nich była metoda MAG, drugą zaś było spawanie łukiem krytym drutem elektrodowym litym (metoda SAW).
Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy wyników stwierdzono, że:
- Złącza wykonane metodami MAG i SAW spełniają wymagania normy PN-EN 10269:2014-02 dla stali P460NL2 pod względem wytrzymałości na rozciąganie oraz odporności na kruche pękanie.
- Własności wytrzymałościowe i plastyczne złączy, wykonane tymi metodami, są zbliżone, mimo znacznie większej ilości wprowadzonego ciepła w metodzie SAW (metoda SAW – 1,32 kJ/mm, metoda MAG – 0,63 kJ/mm).
- Spawanie łukiem krytym, w porównaniu z metodą MAG, pozwala znacząco zwiększyć wydajność procesu, przy zachowaniu zbliżonych własności złączy. Czas wykonania 1 metra bieżącego spoiny łukiem krytym wynosi – 3 minuty i 20 sekund, a metodą MAG – 13 minut i 24 sekundy.
- W zależności od potrzeb i możliwości technologicznych można stosować spawanie elektrodą topliwą w osłonie gazu aktywnego albo spawanie łukiem krytym do spawania odpowiedzialnych konstrukcji ze stali P460NL2.
Wybrane publikacje:
Streszczenie: Badania technologiczne obejmowały ręczne spawanie metodą TIG cienkościennych elementów z tantalu: blachy o grubości 0,55 mm, rurki Ø10×1,0 mm oraz końcówki dyszy aparatury chemicznej. Oprzyrządowanie do spawania umieszczono w komorze wypełnionej argonem i ustalono warunki technologiczne spawania. Przeprowadzono weryfikację poprawności opracowanej technologii spawania, obejmującą zaspawanie pęknięcia obwodowej spoiny pachwinowej tantalowej rurki oraz wykonanie spoiny naprawczej końcówki dyszy i ich badanie.
Materials Science and Welding Technologies 2023, 67 (5-6)
Wybrane nagrodzone rozwiązania:
- Złoty Medal Grupy MTP targów ITM INDUSTRY EUROPE 2022 (Pozań, 31.05-1.06.2022 r.)
- Złoty Medal wraz z dyplomem Konkursu PRIX EIFFEL 2022 (Paryż)
- Złoty Medal wraz z dyplomem Targów KIDE 2022 oraz nagrodę specjalną Norton University, Cambodia z dyplomem (Tajwan)
Sposób łączenia rur dwuwarstwowych (kompozytowych) z wykorzystaniem technologii laserowych to nowatorska technologia, która zapewnia bezpieczeństwo pracy, skrócenie czasu wykonania spoin, otrzymanie wysokiej jakości połączeń oraz korzyści finansowe związane ze znacznym ograniczeniem ilości zużytych materiałów. Technologia opracowana jest głównie do nowoczesnej, zautomatyzowanej produkcji rur kompozytowych w energetyce, szczególnie dla elementów pracujących w środowisku agresywnym.
Rura dwuwarstwowa (kompozytowa) jest materiałem nowej generacji, łącząc w sobie dwa materiały o różnych strukturach.
Rury tego typu znajdują zastosowanie w przemyśle energetycznym, gdzie warunki zewnętrzne i wewnętrzne, w jakich pracują, wymagają odmiennych właściwości – wyższej odporności korozyjnej oraz niskiej rozszerzalności cieplnej.
Nowa technologia łączenia rur dwuwarstwowych z wykorzystaniem technologii laserowych pozwala na wzrost wydajności produkcji dzięki dużej prędkości procesu, skrócenie czasu spawania (brak ukosowania warstwy wewnętrznej) oraz zmniejszenie zużycia materiałów dodatkowych do spawania i napawania.
Zastosowanie technologii napawania hybrydowego lub laserowego proszkowego warstwy zewnętrznej rury dwuwarstwowej (struktura austenityczna) umożliwia uzyskanie napoin o wysokiej odporności korozyjnej.
Napawanie
W zakresie napawania prewencyjnego i regeneracyjnego oferta Instytutu obejmuje:
- napawanie metodami MIG/MAG, łukiem krytym, elektrodami otulonymi i wiązką elektronów
- napawanie plazmowe i gazowe proszkami metalicznymi (stopy na bazie niklu, kobaltu, żelaza lub miedzi) elementów ze stali konstrukcyjnych niestopowych, stopowych i odpornych na korozję, staliwa oraz niektórych żeliw
- pomoc przy opracowywaniu technologii napawania na podstawie analizy zużycia konkretnych elementów maszyn i urządzeń
- opracowanie, wykonywanie oraz wdrażanie specjalnych drutów proszkowych do napawania o stopiwach na bazie żelaza i niklu, spełniających określone wymagania eksploatacyjne
- napawanie laserowe proszkiem lub drutem
- napawanie drutem wiązką elektronów.
- Zmechanizowane napawanie części maszyn, np. tłoczysk siłowników hydraulicznych, ślimaków wtryskarek, elementów napędu gąsienicowego, kół wozów kopalnianych, kół tramwajowych – opracowywanie, wdrażanie opracowanych technologii oraz szkolenie operatorów zmechanizowanego napawania i ich egzaminowania w celu uzyskania uprawnień operatorów wg wymagań normy PN-EN ISO 14732:2014-01
- Napawanie regeneracyjne i prewencyjne walców (elementów obrotowych) drutem litym i proszkowym w zakresie średnic od 50 mm do 1000 mm i maksymalnej wadze 1500 kg
- Regeneracja lub napawanie prewencyjne części maszyn przy pomocy technologii napawania plazmowo-proszkowego i natryskiwania gazowo-proszkowego, proszkami metalicznymi zapewniającymi żądane właściwości warstwy wierzchniej (odporność na ścieranie, odporność na korozję lub żaroodporność)
- Napawanie drutami proszkowymi samoosłonowymi elementów płaskich o różnych kształtach, pracujących w warunkach intensywnego zużycia ściernego
- Zrobotyzowane spawanie i napawanie drutem litym w osłonie gazów oraz drutem proszkowym osłonowym i samoosłonowym elementów płaskich i przestrzennych, zapewniające żądane właściwości warstwy wierzchniej (odporność na zużycie ścierne, korozję itp.). Programowanie i opracowywanie technologii zrobotyzowanego spawania i napawania
Przykładowe prace badawcze:
Wyniki badań przedstawiono w artykule:
Napawanie hybrydowe laser + łuk elektryczny MAG – Michał Urbańczyk – Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 6/2020.
Autor omówił próby technologiczne wykorzystania procesu hybrydowego (laser + łuk elektryczny MAG) do nanoszenia warstw z dużą wydajnością, poprzez określenie wpływu dodatkowego źródła ciepła (wiązki laserowej) na możliwość zwiększenia prędkości napawania w stosunku do metody MAG oraz na kształtowanie się geometrii napoiny i stopnia udziału materiału podstawowego w napoinie.
Badania prowadzono w Laboratorium Technologii Laserowych |Grupa Badawcza Technologie Spawalnicze/LBS Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Spawalnictwa.
Proces napawania definiowany jest jako nakładanie metodami spawalniczymi warstwy metalu na powierzchnię roboczą części maszyn i narzędzi z metalurgicznym przetopieniem metalu podłoża. W przypadku napawania regeneracyjnego, mającego na celu przywrócenie wymiarów nominalnych elementów zużytych podczas eksploatacji, a wykonanych z dobrze spawalnych gatunków stali konstrukcyjnych, głównym kryterium determinującym wybór metody napawania jest wydajność procesu. Duży lub bardzo duży udział metalu podłoża w napoinie jest w tym przypadku kwestią pomijaną. Z kolei w przypadku konieczności napawania elementów roboczych materiałem o ściśle określonych właściwościach, np.: dużej odporności na korozję, dużej twardości, dużej odporności na ścieranie, erozję czy działanie spalin, wybór odpowiedniej metody napawania stanowi przeważnie kompromis pomiędzy relatywnie dużą wydajnością napawania a minimalnym udziałem metalu podłoża w napoinie. Stosowane w tych przypadkach materiały dodatkowe są przeważnie bardzo drogie, a zmiana ich nominalnego składu chemicznego w napoinie, spowodowana nadmiernym wymieszaniem ze stopionym materiałem podłoża, powoduje znaczne, z reguły niekorzystne, zmiany właściwości stopiwa materiału dodatkowego. W przypadku konieczności ograniczania ilości metalu podłoża w napoinie, istotny jest zarówno wybór odpowiedniej metody napawania, której charakterystyka zapewnia minimalne nadtopienie materiału podstawowego, jak i opracowanie odpowiedniej technologii.
Proces napawania metodą TIG jest powszechnie znany, a dzięki ciągłemu postępowi w dziedzinie spawalnictwa na rynku pojawiają się różne warianty tej technologii. Jednym z nich jest metoda, której podstawową cechą jest zmechanizowane dostarczanie materiału dodatkowego w postaci drutu do obszaru działania łuku spawalniczego; jest to TOPTIG.
Badania prowadzono na bezszwowych rurach ø 45×5,0 mm ze stali konstrukcyjnej 13CrMo4-5, odpornej na wysokie temperatury (do 550°C) i znajdującej zastosowanie przede wszystkim w budowie kotłów i aparatury przeznaczonej dla przemysłu energetycznego. Jako materiał dodatkowy zastosowano drut lity OK Autorod NiCrMo-3 o średnicy 1,0 mm, produkowany przez firmę ESAB.
Proces napawania PTA prowadzono na stanowisku wyposażonym w nowoczesne urządzenie firmy Castolin typu Eutronic GAP 3001 oraz automat MultiSurfacer D2 Weld, firmy Welding Alloys. Z kolei napawanie w technologii TOPTIG odbywało się na zrobotyzowanym stanowisku spawalniczym wyposażonym w robota Romat 310, firmy CLOSS, do którego kiści zaadaptowano uchwyt TOPTIG, firmy Air Liquid.
Przeprowadzone badania technologiczne procesu napawania plazmowego: PTA oraz TOPTIG z dodatkiem drutu wykazały, że możliwe jest uzyskanie napoin na rurach ø 45×5,0 mm ze stali 13CrMo4-5, wykonanych spoiwem ze stopu niklu OK Autrod NiCrMo-3, cechujących się dobrą jakością i wysoką estetyką.
Próby technologiczne i badania wykazały, że w przypadku obu technologii wraz ze wzrostem prędkości napawania, przy zachowaniu tych samych parametrów prądowych oraz gazu plazmowego (tylko PTA), maleją udział materiału rodzimego w warstwie napawanej, wysokość napoin oraz głębokość wtopienia.
Podczas badań makroskopowych i pomiarów wysokości napawanych warstw stwierdzono, że znaczna część próbek nie spełniała przyjętego w przemyśle kryterium maksymalnej grubości warstwy wierzchniej wynoszącego 2,0 mm, wynikającego głównie z powodów ekonomicznych. Porównując najlepsze uzyskane wyniki napawanych rur metodami PTA i TOPTIG, można stwierdzić, że bardziej wydajny jest proces PTA, lecz otrzymywane wysokości napoin wynoszą 2,8–3,0 mm. Metoda TOPTIG, mimo, iż mniej wydajna, umożliwia napawanie warstw o wysokości ok. 2,0 mm. Analiza wyników badań metalograficznych mikroskopowych oraz składu chemicznego próbek wykonanych metodami PTA i TOPTIG pozwala wystosować wniosek, że poszczególne procesy i ich parametry technologiczne nie wpływają znacząco na strukturę napoiny i SWC, a ich skład chemiczny na powierzchni warstw napawanych jest zbliżony. W SWC niektórych próbek można zauważyć wyraźne występowanie struktury martenzytycznej oraz twardości powyżej 380 HV, co nie jest zjawiskiem pożądanym i jest nieakceptowalne wg normy PN-EN ISO 15614-7 [9], dotyczącej kwalifikowania technologii napawania.
Napawanie obiema rozpatrywanymi metodami pozwala prowadzić proces stabilnie, kontrolując wtopienie w materiał podstawowy w sposób dokładniejszy i mniej podatny na nieakceptowalne niezgodności, niż ma to miejsce w przypadku metod TIG i MAG. Ponadto opracowane technologie spełniają kryteria przemysłu energetycznego dotyczące składu chemicznego napoin i maksymalnej zawartości żelaza na powierzchni.
Wyniki badań przedstawiono w Biuletynie Instytutu Spawalnictwa Nr 5/2021: Napawanie plazmowe PTA oraz napawanie metodą TOPT IG rur ze stali 13CrMo4-5 – Janusz Rykała, Maciej Różański
Jedną z odmian spawania w technologii laserowej są procesy hybrydowe. Mimo długiej historii wciąż są postrzegane jako innowacyjne technologie spawalnicze. Połączenie dwóch źródeł ciepła daje efekt synergii, a uzyskany rezultat procesu nie jest zwykłą sumą oddziaływań dwóch źródeł ciepła. Zastosowanie metod hybrydowych wiąże zazwyczaj się ze zwiększeniem wydajności procesu.
Napawanie hybrydowe (podobnie jak spawanie) polega na jednoczesnym wykorzystaniu w tym samym miejscu i czasie dwóch źródeł ciepła: promieniowania laserowego i łuku elektrycznego. W przypadku, gdy oba te źródła nie oddziałują w jednym jeziorku roztopionego metalu, proces ten określa się metodą kombinowaną, zgodnie z normą PN-EN ISO 15609-6:2013.
Proces napawania hybrydowego charakteryzuje się wieloma zmiennymi, które wpływają na wynik procesu napawania. Korzyścią, jaką może przynieść zastosowanie metody hybrydowej w porównaniu do klasycznych metod, jest oddziaływanie dwóch źródeł ciepła, które mogą wpływać na podstawowe parametry geometryczne napoin, a to z kolei w decydujący sposób wpływa na wskaźniki techniczno-ekonomiczne, tj. wydajność samego procesu napawania (l2>l1) i obróbki po napawaniu (a2<a1) – przetaczanie czy szlifowanie napawanej powierzchni.
W Łukasiewicz – Instytucie Spawalnictwa przeprowadziliśmy badania technologiczne napawania hybrydowego (laser + MAG) na blachach ze stali 41Cr4 z wykorzystaniem spoiwa LNM 307.
Napawanie hybrydowe laser + łuk elektryczny MAG – Michał Urbańczyk – Biuletyn Instytutu Spawalnictwa 6/2020.
Autor omówił próby technologiczne wykorzystania procesu hybrydowego (laser + łuk elektryczny MAG) do nanoszenia warstw z dużą wydajnością, poprzez określenie wpływu dodatkowego źródła ciepła (wiązki laserowej) na możliwość zwiększenia prędkości napawania w stosunku do metody MAG oraz na kształtowanie się geometrii napoiny i stopnia udziału materiału podstawowego w napoinie.
Cięcie
Łukasiewicz – Górnośląski Instytut Technologiczny, Centrum Spawalnictwa dysponuje stanowiskami do cięcia laserowego i plazmowego, które umożliwiają odwzorowanie warunków przemysłowych.
W Instytucie organizowane są szkolenia z zakresu cięcia termicznego (laserowego, plazmowego), a wykwalifikowana kadra służy pomocą przedsiębiorstwom we wdrażaniu technologii cięcia do produkcji.
Zakres możliwości cięcia w Łukasiewicz – Górnośląskim Instytucie Technologicznym, Centrum Spawalnictwa:
- zautomatyzowane, kształtowe cięcie plazmowe blach ze stali niestopowych, wysokostopowych, metali nieżelaznych (Al, Cu, Ti, Ni) i ich stopów o grubości od 1 – 50 mm (dla Cu do ok. 30 mm)
- programowanie i technologia cięcia laserem CO2 elementów o dowolnych kształtach z blach ze stali niestopowej o grubości do 15 mm, stali nierdzewnej – do 8 mm i aluminium – do 6 mm
Lutowanie i lutospawanie
Oferta współpracy technologicznej w zakresie lutowania obejmuje:
- lutowanie płomieniowe z użyciem topników klasycznych i topnika lotnego (wytwarzanie dozowników topnika lotnego)
- lutowanie indukcyjne narzędzi i części maszyn
- lutowanie piecowe w próżni i w atmosferze argonu części maszyn, narzędzi, wymienników ciepła i galanterii metalowej.
Technologia lutospawania polega na uzyskaniu połączenia w wyniku oddziaływania spawalniczego źródła ciepła (płomień gazowy, łuk elektryczny, promieniowanie laserowe, wiązka elektronów) na spoiwo w postaci drutu lub taśmy oraz na materiał podstawowy. Ciepło to jest zużywane na stopienie spoiwa oraz podgrzanie łączonych elementów w celu aktywowania, odpowiednich dla danych materiałów, procesów (zwilżenie materiału, rozpływność spoiwa) pomiędzy ciekłym spoiwem a materiałem podstawowy, jak ma to miejsce w procesach lutowania twardego. Podstawowe spoiwa do lutospawania to stopy miedzi, głównie brązy krzemowe i aluminiowe.
Podstawowe metody lutospawania to obecnie lutospawanie laserowe (proces nr 976 wg PN-EN ISO 4063) oraz lutospawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów (MIG/MAG – procesy nr 973 wg PN-EN ISO 4063).
Rozwój metod i technologii lutospawania związany jest przede wszystkim z rozwojem urządzeń. Lutospawanie laserowe prowadzone jest obecnie z zastosowaniem laserów dyskowych YAG i laserów włóknowych. Do lutospawania łukowego stosuje się najnowocześniejsze urządzenia spawalnicze, w tym wykorzystujące tzw. odmiany niskoenergetyczne, wyposażone w odpowiednie oprogramowanie (tzw. linie synergiczne) dostosowane do różnych gatunków i średnic drutów elektrodowych, a także do różnych gazów osłonowych. Urządzenie spawalnicze zapewnia odpowiedni przebieg podstawowych parametrów procesu (napięcie łuku i natężenie prądu) w celu uzyskania odpowiedniego kształtu lutospoiny i minimalizację ilości ciepła wprowadzanego do materiału podstawowego. Nowością w tym zakresie jest lutospawanie w osłonie gazów aktywnych – mieszaniny argonu i ok. 1% tlenu lub dwutlenku węgla.
Oferta współpracy Łukasiewicz Górnośląskiego Instytutu Technologicznego obejmuje przede wszystkim opracowanie technologii dla konkretnej aplikacji, z uwzględnieniem gatunku i grubości łączonych elementów oraz wymagań związanych z jakością, pomoc w wyborze sprzętu do lutospawania, a także udział we wdrożeniu technologii oraz szkolenie i certyfikowanie personelu spawalniczego. Stanowiska, będące na wyposażeniu Centrum Spawalnictwa w Łukasiewicz-GIT umożliwiają odzwierciedlenie warunków przemysłowych i dzięki temu opracowana technologia może być po przeskalowaniu bezpośrednio wdrożona u partnera przemysłowego.
- lutowanie twarde płomieniowe narzędzi, elementów instalacji, wymienników ciepła i maszyn elektrycznych;
- technologia i urządzenia do lutowania indukcyjnego narzędzi, końcówek w przewodach hydraulicznych i pneumatycznych;
- lutowanie materiałów trudno lutowalnych (stale stopowe, spieki, cermetale, aluminidki, metale lekkie i ich stopy) w układach konstrukcyjnych jednorodnych i różnoimiennych;
- lutowanie próżniowe elementów stalowych i miedzianych, metali wysokotopliwych i reaktywnych;
- lutospawanie łukowe i laserowe samochodowych blach karoseryjnych oraz połączeń stali ze stopami aluminium.
Przykładowe prace badawcze:
W przeprowadzonych badaniach skupiono się na sprawdzeniu możliwości zastosowania wiązki elektronów w procesie lutowania stali AISI 304. W trakcie badań dokonano doboru i optymalizacji parametrów lutowania wiązką elektronów złączy wykonanych ze stali odpornej na korozję. Określono wpływ rodzaju spoiwa oraz podstawowych parametrów lutowania wiązką elektronów na geometrię i jakość otrzymanych złączy. Podczas badań opracowano również warunki technologiczne lutowania elektronowego elementów wykonanych z blach stalowych, zapewniających najlepszą jakość oraz właściwości wytrzymałościowe połączeń.
Zakres badań obejmował:
- dobór materiałów dodatkowych i przeprowadzenie prób lutowania przy użyciu wiązki elektronów,
- badanie jakości oraz wytrzymałości otrzymanych złączy,
- określenie warunków i parametrów technologicznych zapewniających optymalną jakość i właściwości wytrzymałościowe połączeń, opracowanie technologii lutowania blach przy użyciu wiązki elektronów.
Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następujące wnioski:
- Złącza lutowane, wykonane przy użyciu rozogniskowanej wiązki elektronów, charakteryzują się wysoką jakością wykonania.
- W przypadku złączy jednoimiennych, ze stali austenitycznej AISI 304, najkorzystniejsze efekty uzyskano dla lutu Cu 773 (średnia wytrzymałość na ścinanie wyniosła 141,9 MPa).
- Ze względu na najwyższą temperaturę topnienia spoiwo Cu 595 wymagało zastosowania mniejszej (niż dla pozostałych spoiw) prędkości prowadzenia procesu przy zastosowaniu wartości natężenia prądu wiązki.
- Rozogniskowanie wiązki, na powierzchni obu blach jednocześnie, zmniejszyło ilość wprowadzonej energii i spowodowało bardziej równomierne nagrzewanie, a przez to również zwilżanie elementów.
Badania sfinansowano z Subwencji Na Utrzymanie Potencjału Badawczego Łukasiewicz – Instytutu Spawalnictwa przyznanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego na rok 2020.
