Znaczenie gazu ochronnego przy spawaniu

>> czwartek, 22 kwietnia 2010

Rola gazu ochronnego.

Do podstawowych zadań gazu osłonowego, przy spawaniu łukowym w osłonie gazowej, należy ochrona stopionego i ogrzanego metalu przed wpływem powietrza atmosferycznego oraz stworzenie jak najlepszych warunków dla jarzenia się łuku elektrycznego. Jeśli powietrze dostanie się do stopionego lub rozgrzanego metalu to zawarty w nim tlen spowoduje utlenienie, azot może wywołać porowatość lub kruchość, a zawarta w powietrzu wilgoć może doprowadzić do powstania pęcherzy.

Skład gazu osłonowego wpływa na sposób przenoszenia metalu w łuku, który z kolei powoduje powstanie różnej ilości i wielkości odprysków. Od niego zależy również wygląd lica spoiny, jej geometria i możliwa do uzyskania prędkość spawania. Jest także kluczowym czynnikiem wpływającym na wypalenie składników stopowych spawanego metalu (zmieniających jego wytrzymałość) i stopień utlenienia powierzchni spoiny.

Efekty wywoływane przez różne składniki gazu osłonowego.

- ARGON (Ar)

Argon jest gazem obojętnym, to znaczy, że nie utlenia i nie wchodzi w reakcję chemiczną ze spawanym metalem. Jest głównym składnikiem większości gazów osłonowych do spawania metodami MIG/MAG i TIG.

- DWUTLENEK WĘGLA (CO2) i TLEN (O2)

Czysty argon, używany jako gaz osłonowy do spawania półautomatycznego stali, powoduje dużą niestabilność łuku. W związku z tym dodawany jest do gazu składnik utleniający aby ustabilizować łuk i zapewnić stabilne przejście metalu w łuku podczas spawania. Wymienionym składnikiem utleniającym może być zarówno dwutlenek węgla jak i tlen albo kombinacja obu tych gazów. Ilość składnika utleniającego zależy od gatunku spawanej stali i zastosowanej technologii spawania. Przestrzeń łuku elektrycznego przy spawaniu łukowym w osłonie gazów można podzielić na trzy sfery: plazma łuku, obszar katodowy i obszar anodowy. W przypadku spawania metodą MIG/MAG drut elektrodowy stanowi elektrodę dodatnią (anodę), a obszar katodowy jest umiejscowiony na materiale spawanym w formie jednej lub kilku plam katodowych. Dodatek utleniający jest więc niezbędny, aby stabilizować obszar katodowy. W przeciwnym wypadku łuk będzie wykazywał tendencje do błądzenia po powierzchni materiału spawanego, powodując powstawanie większych ilości odprysków i nieregularnego ściegu.

- DWUTLENEK WĘGLA (CO2) czy TLEN (O2)

Stosowanie mieszanki argonu jedynie z dwutlenkiem węgla pozwala uzyskać wielu korzyści. Jedną z nich jest wygląd, inaczej niż w przypadku używania mieszanek z tlenem. Spowoduje jest to różnicami w płynności jeziorka ciekłego metalu, napięcie powierzchniowe i utlenieniem stopionego metalu. CO2 powoduje również mniejsze niż O2 utlenieni powierzchni spoiny i powstawanie żużla powierzchniowego, co ma wpływ zarówno na estetykę, jak i konieczność czyszczenia złącza. Inną korzyścią jest lepsze wtopienie, zwłaszcza w ścianki boczne. Ma to szczególne znaczenie podczas spawania przy wysokich napięciach łuku.

- HEL (He)

Hel, podobnie jak argon, jest gazem obojętnym i używany jest jako gaz osłonowy do spawania półautomatycznego stali wysokostopowych z kilkuprocentowym dodatkiem CO2 lub O2. Bez dodatków utleniających, ewentualnie w mieszankach z argonem, używa się go jako gazu osłonowego do spawania metodą TIG i MIG.

W porównaniu z argonem, hel daje lepszy wtopienie i wyższą prędkość spawania, generując wysokoenergetyczny łuk. Sam proces wykorzystujący hel jako gaz osłonowy jest bardziej wrażliwy na zmianę długości łuku, jak również charakteryzuje się trudniejszym zajarzaniem łuku przy spawaniu metodą TIG.

Hel i jego mieszanki mogą być wykorzystane do osłony grani spoiny w takich układach w których gaz musi unosić się aby wypchnąć uwięzione powietrze, ponieważ jest od niego lżejszy.

- WODÓR (H2)

Wodór może być dodawany do gazu osłonowego wykorzystywanego do spawania metodą TIG stali austenitycznych, redukując w ten sposób ilość powstałych tlenków. Jako dodatek powoduje zwiększenie intensywności cieplnej łuku i poprawia wtopienie, co daje zwykle łagodniejsze przejście spoiny w materiał rodzimy. Dodatek wodoru jest często wykorzystywany przy ochronie grani spoiny ze względu na jego wysokie powinowactwo do tlenu. Najczęściej stosuje się do tego celu azot z 10% dodatkiem wodoru. Nie zaleca się jednak stosowania takiego gazu jako osłony grani przy spawaniu stali superaustenitycznych i superduplex i podnosi ich odporność na korozję wżerową.

- TLENEK AZOTU (NO)

Stosowanie dodatku tlenku azotu w gazach osłonowych z rodziny MISON redukuje emisję ozonu w strefie spawania. Zjawisko to pozwala w znaczny sposób poprawić środowisko pracy spawacza, a dodatek tlenkuazotu w gazie osłonowym stabilizuje podczas spawania stali wysokostopowych i aluminium. Jako dodatek do gazu osłonowego redukujący ozon tlenek azotu został wybrany na podstawie wyników badań laboratoryjnych prowadzonych w latach siedemdziesiątych. Dowiodły one, że ozon łatwo wchodzi w reakcję z tlenkiem azotu. Trzech naukowców, którzy prowadzili powyższe badania, zostało nagrodzonych nagrodą Nobla w dziedzinie chemii w 1995 roku. Wykorzystując ich osiągnięcia jako podstawę, dział badawczy naszej firmy zastosował w sposób praktyczny to zjawisko w gazach osłonowych. Efektem ich pracy było powstanie nowej rodziny gazów osłonowych pod wspólną nazwą MISON. Wyłączność na ich produkcję i dystrybucję posiada LINDE.

Czytaj dalej...

Nowa technologia spawania blach karoseryjnych

>> poniedziałek, 12 kwietnia 2010

Specjaliści z Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach oraz z Politechniki Śląskiej opracowali sposób wykonywania mocniejszych, bardziej wytrzymałych, a przy tym lekkich blach, stosowanych do produkcji elementów samochodowej karoserii. W Instytucie Spawalnictwa zespół specjalistów (pod kierownictwem prof. Jana Pilarczyka) przygotował technologię laserowego spawania ocynkowanych blach karoseryjnych różnej grubości.


Technologię tłoczenia takich blach opracował natomiast zespół fachowców (pod kierownictwem prof. Antoniego Pieli) z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej w Katowicach.

Nowoczesny samochód ma nie tylko przykuwać wzrok, ale przede wszystkim zapewnić bezpieczeństwo podróżujących nim osób. Chodzi zarówno o tzw. bezpieczeństwo aktywne (jak pasy, poduszki powietrzne, hamulce), jak i o bezpieczeństwo pasywne, czyli wytrzymałość karoserii pojazdu na zgniecenia. Ważne też, by pojazd był lekki i zużywał tym samym niewiele paliwa.

Aby ten rezultat osiągnąć, karoserie składane są z elementów tłoczonych z arkuszy blach (stalowych lub aluminiowych) i dodatkowo wzmacniane w najbardziej newralgicznych miejscach, narażonych na zgniecenie w czasie wypadku, np. słupków bocznych nadwozia i słupków bocznych drzwi przednich. Wzmocnienia takie można wykonywać albo po wytłoczeniu elementów - za pomocą dodatkowych blach, albo przed - stosując do tłoczenia arkusze blach o zróżnicowanej grubości.

Gliwiccy naukowcy opracowali tę drugą technologię - wykonywania półfabrykatów do tłoczenia, spawanych z blach o różnej grubości.

LASEREM I ŁUKIEM

Ponieważ pierwszy sposób ma kilka wad, m.in. większe zużycie surowca i czasochłonność wykonania, od lat 90. producenci samochodów coraz częściej używają blach określanych mianem "tailored blanks". "W produkcji takich blach stosuje się najczęściej metodę spawania laserowego, polegającą na tym, że arkusz blachy, z której ma być wytłoczony określony element karoserii ma w różnych miejscach różną grubość lub wytrzymałość, zależnie od potrzeb konstrukcyjnych" - wyjaśnia prof. Jan Pilarczyk, dyrektor Instytutu Spawalnictwa w Gliwicach.

Arkusze używane do produkcji elementów nadwozia złożone są z kilku fragmentów. Różnią się one grubością, wytrzymałością lub rodzajem powłoki ochronnej. Fragmenty te są spawane przy użyciu wiązki promieniowania laserowego. Jako spawalnicze źródło ciepła, doskonale spełnia ona swoje zadania, ponieważ umożliwia dużą koncentracją energii na powierzchni spawanego materiału.

"W wyniku takiego oddziaływania powstaje spoina o korzystnej geometrii - o niewielkiej szerokości lica i dużej głębokości, wykonana znacznie szybciej, niż przy stosowaniu konwencjonalnych, łukowych metod spawalnia. Dzięki temu odkształcenia spawalnicze elementów łączonych są bardzo małe" - mówi gliwicki naukowiec.

W jego opinii, mankamentem tej technologii spawania jest konieczność precyzyjnego zestawiania brzegów spawanych blach. "Dlatego też prowadzone są badania nad stosowaniem różnych odmian spawania laserowego - techniki spawania z ogniskowaniem wiązki w dwóch punktach lub tzw. spawania hybrydowego" - mówi prof. Pilarczyk.

Obie te metody, zastosowane do spawania blach typu „tailored blanks”, umożliwiają dokładniejsze łączenie spoiny i zmniejszają karb w złączu.

"Pierwszy sposób - ogniskowanie wiązki w dwóch punktach - polega na rozszczepieniu wiązki promieniowania laserowego na dwie wiązki składowe i zogniskowaniu ich w dwóch położonych blisko siebie punktach. Dzięki temu powierzchnia obszaru oddziaływania promieniowania laserowego na materiał zwiększa się, a to umożliwia zniwelowania niewielkich błędów w zestawieniu elementów" - wyjaśnia prof. Pilarczyk.

Istotą drugiej metody - laserowego spawania hybrydowego - jest wykorzystanie dwóch źródeł ciepła: wiązki laserowej i np. łuku elektrycznego, stosowanego podczas konwencjonalnej metody spawania. Oddziałują one jednocześnie w tym samym miejscu na powierzchnię elementów spawanych. "Pozwala to przede wszystkim znacznie przyspieszyć spawanie, zmniejszyć niedokładności w zestawianiu elementów, a także zapewnić w złączu łagodne przejście tam, gdzie łączone blachy mają różną grubość" - mówi gliwicki naukowiec.

Ogólną zasadą doboru blach, które mają być połączone w jeden wykrój wsadowy do tłoczenia (zwłaszcza podzespołów karoserii samochodowych), jest dobieranie blach o zróżnicowanej wytrzymałości i możliwie małej różnicy grubości.

Podstawą projektowania procesu tłoczenia jest natomiast analiza stanu mechanicznego strefy odkształcenia i analiza tzw. procesu plastycznego płynięcia wykroju wsadowego. "Ocen tych dokonuje się na podstawie badań laboratoryjnych oraz przemysłowych prób tłoczenia" - przypomina prof. Pilarczyk.

Jak mówi, zaletą tej koncepcji budowy nadwozi samochodów jest przede wszystkim zmniejszenie ciężaru pojazdu. dzięki tej metodzie, grubość blachy zwiększa się tylko w tych miejscach, gdzie jest to uzasadnione konstrukcyjnie. Zmniejsza się też liczba dodatkowych wytłoczek usztywniających.

"Podstawową zaletą opisanej wyżej metody wytwarzania nadwozi samochodów jest zatem to, iż są one lżejsze od tradycyjnych konstrukcji, przy spełnieniu wszelkich wymogów bezpieczeństwa. Przyczynia się także do zmniejszenia zużycia paliwa przez pojazdy nowej generacji" - podkreśla. "Karoserie takie charakteryzuje lepsza jakość wykonania. Istotne jest i to, że sam proces tłoczenia poszczególnych elementów nadwozia przebiega praktycznie bez odpadów"

Czytaj dalej...