Czy można uzyskać idealną strukturę w strefie wpływu

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 nagrzanym powyżej pewnej
charakterystycznej dla niego temperatury następuje rozrost ziaren,
tym większy, im wyższa jest temperatura i dłuższy czas jej
oddziaływania.
• W czasie nagrzewania, w niektórych materiałach mogą wystąpić
procesy wydzieleniowe, na przykład węglików metali, oraz
powstawać nowe fazy międzymetaliczne.
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],
U – napięcie łuku [V],
I – natężenie prądu spawania [A],
V – prędkość spawania [m/s],
P – 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
• Mała moc cieplna
Metody
wysokoenergetyczne
• 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
spawania
dochodząca
do 2÷3 m/min
• Przenoszenie metalu odbywa się praktycznie
bez przepływu prądu
• Spawanie odbywa się praktycznie bez
rozprysków
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
odkształcenia
materiałów
niż
w
konwencjonalnych
• 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
ze
stali
niestopowych,
niskostopowych
i
wysokostopowych
nierdzewnych (nawet 0,3 mm)
• Łączenie cienkich blach aluminiowych ze
stalowymi
• Lutospawnie metodą MIG
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
Natężenie prądu
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.
spawania
[1]
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
Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej
[1]
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
Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej
[1]
[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
Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej
[2]
Rys. Emisja pyłu przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O2.
[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
[2]
Rys. Emisja NOx przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O2.
[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
[2]
Rys. Emisja CO przy spawaniu stali austenitycznej w osłonie 98 % Ar + 2 % O2.
[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
[2]
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/cm2, można uzyskać gęstości
nawet powyżej 1011 W/cm2)
• 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
odkształcenia
i
naprężenia
spawalnicze
• 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
Regionalna Izba Gospodarcza, ul. 1-go Sierpnia 26 b, 37-450 Stalowa Wola, tel. 15 844 03 57
wpływu
wpływu
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 CO2
• 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
ciele
stałym
wykorzystują
dielektryczny 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 lasera następuje w sposób
optyczny
poprzez
oświetlenie
elementu
czynnego
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 kontrola ciepła wprowadzanego do materiału
obrabianego
• 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
[6] Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski
Wschodniej
YAG
[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
Fundusze Europejskie – dla rozwoju Polski Wschodniej
[7]
Spawanie
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 zarówno przed
obróbką cieplną elementów, jak i po ostatecznej
obróbce.
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 fizykochemicznych
• 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