SPAWANIE HYBRYDOWE

Sytuacja energetyczna na świecie w XXI wieku boryka się z poważnym problemem braku zasobów energetycznych. Wraz z rozwojem materiałów konstrukcyjnych pojawiły się wyższe wymagania dotyczące technologii spawania o niskich potrzebach energetycznych. Jako źródło energii coraz częściej stosowane są lasery w dziedzinie spawania. Obecne lasery 2-10kW czasem do 20kW, są stosowane w spawaniu laserowym co jest poważnym problemem utraty energii.

 

Efektywność transformacji fotoelektrycznej lasera CO2 jest tylko 10-15%, więc czym większa moc lasera tym większe straty energetyczne. Problem efektywności transformacji fotoelektrycznej lasera zwiększa koszty procesów spawalniczych co niekorzystnie wpływa dla tej techniki by była w szerszym zakresie stosowana w obszarze produkcyjnym [1]. Stąd została wynaleziona nowa technika zwana spawaniem hybrydowym która wykorzystuje lasery o mocy do 2kW.

Metoda spawania hybrydowego łączy zalety metody spawania laserowego oraz metody GMA. Wiązka lasera zapewnia uzyskanie głębokiego wtopienia przy niskiej energii liniowej, natomiast zastosowanie drutu elektrodowego metody GMA zapewnia wypełnienie szczeliny rowka spawalniczego.

 

Schemat spawania hybrydowego

Rys 1: Schemat spawania hybrydowego.

 

Do spawania laserowego stosuje się lasery YAG. Elektroda do spawania znajduje się za laserem. Położenie łuku znajduje się od 1do 3mm za punktem promieniowania laserowego.

Proces spawania hybrydowego pozwala na kilkukrotne zmniejszenie liczby ściegów koniecznych do wykonania złącza w stosunku do metod tradycyjnych. Dodatkowo dzięki niskiej energii liniowej eliminowane są odkształcenia oraz naprężenia spawalnicze.

 

Zdjęcie metody spawania hybrydowego
Rys 2: Wizualizacja metody tradycyjnej do spawania hybrydowego.

 

Do najważniejszych zalet metody należą:

  • zwiększona szybkość spawania w stosunku do spawania laserowego nawet do 50% przy zachowaniu wąskiej i głębokiej spoiny,
  • zastosowanie źródeł laserowych o obniżonej mocy w stosunku do spawania laserowego dla określonej grubości blach,
  • zwiększona tolerancja przygotowania brzegów łączonych elementów,
  • brak ukosowania brzegów łączonych elementów,
  • materiał dodatkowy pozwala regulować skład chemiczny spoin i jej własności,
  • zwiększona stabilność procesu spawania,
  • wysoka wydajność procesu,
  • niska energia liniowa oraz wąska strefa wpływu ciepła,
  • zmniejszenie odkształceń [3].

 

Zdjęcie procesu spawania hybrydowego
Rys 3: Proces spawania hybrydowego oraz przekrój złącza na zgładzie metalograficznym.

 

Zalety spawania hybrydowego

Główną zaletą w porównaniu do metody spawania laserowego jest zmniejszenie szczeliny po między elementami tworzącymi złącze spawane, co wiąże się ze znaczącym obniżeniem kosztów ponoszonych w związku z przygotowaniem materiałów do spawania. Zastosowanie drutu elektrodowego metody GMA pozwala na wpływanie za pomocą spoiwa na własności metalurgiczne złącza, wykonywanie spoin pachwinowych oraz napoin. Niższa szybkość chłodzenia w porównaniu do spawania laserowego powoduje obniżenie twardości spoin. Spoiny wykonane metodą spawania hybrydowego cechują się wysoką jakością, na rysunku powyżej przedstawiono przekrój spoiny wykonany metodą hybrydową.

Metoda spawania hybrydowego znajduje zastosowanie głównie do łączenia blach doczołowo w zakresie grubości od 2 do 16 mm (przy większych grubościach w kilku przejściach), spawania rur oraz wykonywania spoin pachwinowych (w kilku przejściach) dla szerokiej gamy materiałów:

  • stali stopowych i wysokostopowych,
  • aluminium i jego stopów,
  • stopów Ni-Cr,
  • blach karoseryjnych (oraz innych powlekanych).

Głównymi sektorami przemysłu, w których intensywnie rozwijana jest technika spawania hybrydowego są przemysł motoryzacyjny, stoczniowy oraz przy tworzeniu rurociągów [3].

 

Zdjęcie spawania komponentów
Rys. 4 Proces spawania hybrydowego komponentów dla przemysłu dźwigowego ze stali drobnoziarnistych produkcji CLOOS [4].

 

Wraz z produkcją nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych inżynierowie byli zmuszeni podjąć działania do opracowania nowych niskoenergetycznych procesów spawalniczych, takich jak, opisane powyżej spawanie hybrydowe, które umożliwiło  unowocześnienie procesów technologicznych, a także realizowanie produkcji wyrobów nowych generacji, wyrobów zaawansowanych technologicznie, wykonanych z materiałów specjalnych i skonstruowanych w taki sposób, że jedynym spawalniczym źródłem ciepła możliwym do zastosowania w procesie ich łączenia jest wiązka promieniowania laserowego [5].

 

Literatura:

[1]- Transakcje materiałów, t. 47, nr 6 (2006) str. 1611-1614 z 2006r Japoński Instytut Metali

[2] – Spawanie Hybrydowe Instytut Spawalnictwa dr inż. Sebastian Stano, dr inż. Marek Banasik, dr inż. Jerzy Dworak

[3] - http://lasertec.pl/

[4] – CLOOS – Automatyzacja spawania

[5] - http://www.eagle-group.eu/pl/spawanie-hybrydowe