Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Korzystna struktura krystaliczna w strefie wpływu ciepła

Przygotował Dr Łukasz Madej

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Złącze spawane

spoina obszar materiału spawanego, który uległ stopieniu linia wtopienia materiał spawany materiał spawany strefa wpływu ciepła

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Strefa wpływu ciepła – SWC

• Część złącza, w której nastąpiły zmiany strukturalne w wyniku oddziaływania ciepła spawania.

• Głębokość strefy wpływu ciepła zależy od metody oraz techniki spawania.

• Zmiany mikrostruktury i właściwości SWC są wynikiem przemian alotropowych, przemian fazowych oraz odkształcenia sieci krystalograficznej.

W metalu tym oddziaływania.

procesy wydzieleniowe, na nagrzanym charakterystycznej dla niego temperatury powstawać nowe fazy międzymetaliczne.

powyżej pewnej następuje rozrost ziaren, większy, im wyższa jest temperatura i dłuższy czas jej • W czasie nagrzewania, w niektórych materiałach mogą wystąpić przykład węglików metali, oraz

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Strefa wpływu ciepła – SWC

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Korzystna struktura SWC

Idealna struktura SWC = Struktura materiału rodzimego

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Jak uzyskać korzystną strukturą w strefie wpływu ciepła?

• Odpowiednio dobrana obróbka cieplna • Spawanie wielowarstwowe • Obniżenie energii liniowej spawania

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Energia liniowa spawania

E

– energia liniowa spawania [J/m],

I U

– napięcie łuku [V], – natężenie prądu spawania [A],

V P

– prędkość spawania [m/s], – moc cieplna [W].

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Obniżanie energii liniowej spawania

Metody niskoenergetyczne Metody wysokoenergetyczne • Mała moc cieplna • Duża moc cieplna • Duża prędkość spawania

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Metody niskoenergetyczne • Cold Metal Transfer – CMT • Intelligent Arc Control – IAC • Cold Arc

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT – Cold Metal Transfer

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT

• Spawanie łukiem zwarciowym • Posuw drutu jest wykorzystywany do sterowania procesem • Drut podawany jest w kierunku jeziorka i jest okresowo cofany • Częstotliwość cofania – ok. 70 Hz

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT

• Niskie natężenie prądu zwarcia • Niska energia cieplna • Prędkość do 2 ÷3 m/min spawania dochodząca • Przenoszenie metalu odbywa się praktycznie bez przepływu prądu • Spawanie rozprysków odbywa się praktycznie bez

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT • Wąska strefa wpływu ciepła • Mniejsze materiałów odkształcenia niż konwencjonalnych w • Wysoka jakość spoiny spawanych metodach

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

CMT

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Zastosowanie CMT

• Wykonywanie spoin przetopowych w każdej pozycji • Uzyskiwanie pełnego przetopu przy dużych odstępach pomiędzy łączonymi elementami (nawet 5 mm)

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Zastosowanie CMT

• Cienkie blachy niskostopowych ze i stali nierdzewnych (nawet 0,3 mm) niestopowych, wysokostopowych • Łączenie stalowymi cienkich blach • Lutospawnie metodą MIG aluminiowych ze

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

IAC – Intelligent Arc Control

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

IAC – Intelligent Arc Control

• Spawanie łukiem zwarciowym • Zwiększone natężenie prądu podczas zwarcia • Zmniejszone natężenie podczas jarzenia łuku • Niska moc cieplna • Niska energia liniowa

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

IAC

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

Czas

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Rys.

Porównanie przebiegu natężenia prądu w czasie dla klasycznego spawania MIG i procesu IAC.

[1] spawania A – jarzenie łuku B – zwarcie [1] J. L. Skovfo Zmniejszenie zjawiska rozprysku i obniżenie energii liniowej w spawaniu łukiem krótkim.

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

[1]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Przerwanie zwarcia w klasycznym spawaniu MIG Przerwanie zwarcia w spawaniu IAC [1] J. L. Skovfo Zmniejszenie zjawiska rozprysku i obniżenie energii liniowej w spawaniu łukiem krótkim.

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

[1]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

[1] J. L. Skovfo Zmniejszenie zjawiska rozprysku i obniżenie energii liniowej w spawaniu łukiem krótkim.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Zastosowanie IAC

• Wykonywanie warstw przetopowych • Spawanie cienkich blach (nawet 0,3 mm)

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Cold Arc

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Cold Arc

• Spawanie łukiem zwarciowym • Przebieg napięcia jak przy konwencjonalnym łuku zwarciowym • Raptowne zmniejszanie natężenia prądu w okresach pomiędzy zwarciami • Niska moc cieplna • Wąska strefa wpływu ciepła

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Cold Arc

• Mniejsze zmiany struktury • Niewielkie odkształcenia • Zminimalizowana strefa wpływu ciepła • Niska moc cieplna

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Cold Arc

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Cold Arc

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Zastosowanie Cold Arc

• Cienkie blachy ze stali niestopowych, niskostopowych i wysokostopowych (nawet 0,3 mm) • Stopy aluminium

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Metody niskoenergetyczne, a zanieczyszczenie środowiska

Wielkość emisji pyłu jest przy metodach IAC, CMT, ColdArc nawet kilkukrotnie mniejsza w porównaniu do konwencjonalnych metod spawania łukowego w osłonie gazów.

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

[2]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Rys. Emisja pyłu przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O 2 .

[2] J. Matusiak, J. Wyciślik – Zagrożenia w środowisku pracy przy spawaniu i lutospawaniu łukowym metodami niskoenergetycznymi.

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

[2]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Rys. Emisja NO x przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O 2 .

[2] J. Matusiak, J. Wyciślik – Zagrożenia w środowisku pracy przy spawaniu i lutospawaniu łukowym metodami niskoenergetycznymi.

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

[2]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Rys. Emisja CO przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O 2 .

[2] J. Matusiak, J. Wyciślik – Zagrożenia w środowisku pracy przy spawaniu i lutospawaniu łukowym metodami niskoenergetycznymi.

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

[2]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Rys. Emisja pyłu przy spawaniu stali austenitycznej metodą ColdArc w osłonie różnych gazów.

[2] J. Matusiak, J. Wyciślik – Zagrożenia w środowisku pracy przy spawaniu i lutospawaniu łukowym metodami niskoenergetycznymi.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Metody wysokoenergetyczne

• Spawanie laserowe • Spawanie wiązką elektronów

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie laserowe

• Niska energia liniowa spawania • Silnie zogniskowana wiązka lasera o dużej mocy (gęstości energii ok. 1MW/cm 2 , można uzyskać gęstości nawet powyżej 10 11 W/cm 2 ) • Niewielka objętość przetopionego materiału • Wąska strefa wpływu ciepła • Stabilność pracy [3] [3] O.A. Idowu, O.A. Ojo, M.C. Chaturvedi – Effect of heat input on heat affected zone cracking in laser welded ATI Allvac 718Plus superalloy .

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie laserowe

• Szybkie odprowadzanie ciepła i stygnięcie spoiny • Szerokość spoiny od 0,2 do 13 mm • Minimalne spawalnicze odkształcenia i naprężenia • Bardzo dobra spawalność metalurgiczna i technologiczna • Wysoka jakość złączy spawanych

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie laserowe

• Ograniczona obróbka wykańczająca • Łatwa obsługa urządzeń • Ograniczenie szkodliwego oddziaływania na obsługę • Ograniczenie szkodliwego oddziaływania nie środowisko wpływu wpływu

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie laserowe

• Lasery gazowe • Lasery na ciele stałym YAG • Lasery diodowe dużej mocy – HPDL • Spawanie hybrydowe

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Lasery gazowe • Ośrodkiem aktywnym jest gaz – najczęściej CO 2 • Zastosowanie: Spawanie, cięcie, obróbka powierzchni [4] [4] O.A. Idowu, O.A. Ojo, M.C. Chaturvedi – Effect of heat input on heat affected zone cracking in laser welded ATI Allvac 718Plus superalloy.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Lasery na ciele stałym

• Lasery na dielektryczny ciele stałym wykorzystują kryształ lub szkło z domieszkami.

• Jako ośrodki czynne najczęściej stosowane są kryształy rubinu lub granatu.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

YAG

• YAG – Yttrium Aluminum Garnet - Granat itrowo-aluminiowy • Granat jest domieszkowany pierwiastkami ziem rzadkich: neodymem Nd, iterbem Yb, erbem Er, tulem Tm, Holmem Ho.

• Wzbudzenie optyczny lasera poprzez czynnego następuje oświetlenie w sposób elementu

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie laserem impulsowym YAG

• Możliwość emisji wiązki promieniowania w trybie impulsowym • Precyzyjna obrabianego kontrola ciepła wprowadzanego do materiału • Stopienie metalu o bardzo małej objętości przez pojedynczy impuls wiązki laserowej i jego natychmiastowa krystalizacja (zanim nastąpi następny impuls) [5] [5] P. L. Moore, D. S. Howse, E. R. Wallach – Microstructure & properties of autogenous high-power Nd:YAG laser welds in C-Mn steels.

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

YAG [6]

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

[6] Y.G. Song, W.S. Li, L. Li, Y.F. Zheng – The influence of laser welding parameters on the microstructure and mechanical property of the as-jointed NiTi alloy wires.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

HPDL

• Wzbudzenie lasera wskutek przepływu prądu elektrycznego przez złącze p-n • Element czynny – złącze półprzewodnikowe p-n GaAs, AlGaAs, AlInGaP

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie hybrydowe

• Laser + TIG • Laser + MIG/MAG

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

Spawanie

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

[7]

hybrydowe

[7] C. Li, K. Muneharua, S. Takao, H. Kouji – Fiber laser-GMA hybrid welding of commercially pure titanium.

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie wiązką elektronów

• Źródłem ciepła jest energia kinetyczna elektronów rozpędzonych do bardzo dużych prędkości, poruszających się w próżni.

• W porównaniu do metod konwencjonalnych spawanie elektronowe zapewnia dotarcie do trudno dostępnych miejsc materiału oraz nieporównywalnie większą prędkość wykonania spoiny (do 100 mm/s).

• Zastosowanie wiązki elektronów do łączenia materiałów pozwala na przeprowadzenie procesu obróbce.

zarówno przed obróbką cieplną elementów, jak i po ostatecznej

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie wiązką elektronów

• Uzyskana spoina jest bardzo wąska, czysta, błyszcząca i regularna, a jej własności są porównywalne do otaczającego je materiału.

• Stosunek szerokości do głębokości spoiny od 1:10 do nawet 1:50.

• Praktycznie brak strefy wpływu ciepła.

• Brak potrzeby ukosowania (złącza na I) • Duży zakres grubości łączonych elementów (nawet 60 mm)

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Spawanie wiązką elektronów

• Spawanie metali o różnych właściwościach fizyko chemicznych • Brak materiału dodatkowego (spoiwo, topniki, gazy) • Większa wydajność • Eliminacja odkształceń spawalniczych

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Warunki spawania wiązką elektronów

• Bardzo dokładne pozycjonowanie wiązki (dokładność ±0,1 mm) • Stabilizowanie wiązki podczas spawania • Eliminacja szczątkowych pól magnetycznych elementów oprzyrządowania

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Wady spawania wiązką elektronów

• Powstawanie struktur hartowniczych • Porowatość • Spawanie w próżni powoduje intensywne uwalnianie pierwiastków o dużej prężności par, np. cynku

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Zastosowanie spawania wiązką elektronów

• Stale niskowęglowe (uspokojone) • Stale nierdzewne • Stale utwardzone wydzieleniowo • Stopy miedzi (nie zawierające cynku) • Stopy aluminium • Stopy tytanu, ołowiu, molibdenu, tantalu

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

Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej

Dziękuję za uwagę

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