Polskie przedsiębiorstwa produkcyjne coraz częściej borykają się z problemem braku wykwalifikowanej kadry, szczególnie spawaczy. W połączeniu z dużą rotacją zatrudnienia może to skutkować wzrostem wydatków ponoszonych na szkolenie kadry spawalniczej, spadkiem jakości produkcji i wydajności, a także zmniejszeniem wiarygodności przedsiębiorstwa w oczach odbiorców i potencjalnych nowych klientów. Remedium na opisane wyżej kłopoty przedsiębiorcy może być inwestycja w robotyzację wybranych procesów spawalniczych.
Najczęstszym i najbardziej naturalnymczynnikiem wpływającym na podjęcie decyzji o robotyzacji spawania jest wysoka powtarzalność produkcji. Roboty spawalnicze zapewniają najwyższą stabilność procesu spawania. Idzie za tym utrzymanie wysokiej jakości produktu finalnego ? a dziś to właśnie dzięki niej firmy są w stanie wyróżnić się na rynku, utrzymać lub zwiększyć poziom zamówień od obecnych klientów oraz pozyskać nowych. Oprócz zagadnień związanych z jakością, ogromne znaczenie ma także wydajność spawania: robotyzacja pozwala na spawanie przy wyższych parametrach niż w przypadku spawania ręcznego. Dzięki temu prędkości spawania są znacznie większe, przy uzyskaniu tej samej lub większej jakości złącza. Z kolei skrócenie cyklu produkcyjnego wiąże się w prosty sposób ze zmniejszeniem kosztów produkcji, a zatem poprawia efekt ekonomiczny przedsiębiorstwa.
Zrobotyzowane linie spawalnicze w znacznym stopniu zwiększają prestiż przedsiębiorstwa w oczach nowych klientów. Firmy, które inwestują w robotyzację, jawią się jako godny zaufania partner biznesowy. Wielu menedżerów i szefów zakładów produkcyjnych dostrzega ten aspekt i bierze go pod uwagę, podejmując decyzję o robotyzacji procesów spawalniczych w swoich zakładach.
W porównaniu ze spawaniem ręcznym, spawanie zrobotyzowane daje oszczędności w zużyciu mediów, szczególnie mieszanek i gazów osłonowych. Dzięki zwiększeniu prędkości spawania zmniejsza się ilość gazu potrzebnego do prawidłowego osłonięcia spoiny w czasie spawania. Z kolei dzięki zmniejszeniu ilości lub wyeliminowaniu braków spada zużycie drutu spawalniczego, ze względu na brak konieczności wycinania niepoprawnie ułożonych spoin i ich naprawy, co często ma miejsce w procesach spawania ręcznego.
Duże znaczenie ma też jakość wizualna spoin. Ich lica, uzyskiwane podczas spawania zrobotyzowanego, często nie wymagają jakiegokolwiek dodatkowego procesu szlifowania lub czyszczenia. W przypadku stali wysokostopowych, spawanych metodami TIG, PLASMA lub metodą laserową, konieczny jest tylko proces trawienia/pasywacji spoin, który zapewnia ich odpowiednie walory estetyczne i wytrzymałościowe oraz chroni je przed korozją.
<—newpage—>Metoda CMT
Zrobotyzowane procesy wspierają także wiele nowoczesnych metod spawania, które w ostatnim czasie pojawiły się w ofertach dostawców źródeł spawalniczych. Przykładem może być niskoenergetyczna metoda CMT (Cold Metal Transfer), oferowana i wprowadzona do Polski przez firmę Fronius. Spawanie CMT odbywa się wyłącznie z zastosowaniem całkowicie cyfrowych, inwerterowych źródeł prądu spawalniczego. System spawalniczy jest zasadniczo zgodny sprzętowo z systemem MIG/MAG na najnowszym poziomie technicznym, jednakże z uwzględnieniem kilku specyficznych wymogów. Warto wspomnieć przy tym zwłaszcza o napędzie drutu, charakteryzującym się wysoką dynamiką, umieszczonym bezpośrednio przy palniku spawalniczym. Gdy źródło prądu spawalniczego rozpozna zwarcie, rozpoczyna się ruch powrotny drutu spawalniczego, przy równocześnie zmniejszonym prądzie spawalniczym. Odrywa się dokładnie jedna kropla, bez najmniejszych nawet rozprysków. Następnie drut spawalniczy przesuwa się ponownie do przodu, a cykl rusza od nowa. Wysoka częstotliwość i najwyższa precyzja to warunek podstawowy całkowicie kontrolowanego przejścia materiału. Napęd drutu przy palniku spawalniczym zaprojektowany jest tylko odpowiednio do prędkości, nie jest natomiast przystosowany do dużych sił ciągnących. Dlatego też podawanie drutu odbywa się za pośrednictwem silniejszego, głównego napędu drutu, charakteryzującego się ze względów konstrukcyjnych większą bezwładnością. Na przewodzie podającym drut znajduje się bufor. Jest to element kompensujący posuwisto-zwrotny ruch drutu wysokiej częstotliwości, w stosunku do liniowego podawania drutu.
Pokazowym obszarem zastosowania metody CMT jest z pewnością łączenie stali z aluminium. Mimo że materiał podstawowy, czyli stal, w przypadku tych tzw. spawano-lutowanych połączeń nie ulega stopieniu, lecz jest tylko pokrywany, liczne testy na rozciąganie wykazywały zawsze pęknięcie w aluminium, ale nie na spoinie.
Oprócz połączeń stali i aluminium metoda CMT nadaje się doskonale również do szerokiej gamy innych aplikacji. Bez wątpienia bardzo przydatne jest praktycznie bezrozpryskowe lutowanie ocynkowanych ogniowo i elektrolitycznie blach, przy użyciu drutu spawalniczego ze stopu miedziowo-krzemowego. Trwają też badania i próby związane z łączeniem ocynkowanych blach (0,8 mm) oraz czarnej stali (5 mm), przy najmniejszym możliwym wypaczeniu blachy ocynkowanej.
Możliwe jest również bezproblemowe spawanie cienkich blach aluminiowych (0,30,8 mm). Niewielka ilość wprowadzanego ciepła w przypadku metody CMT pozwala przy tym na zrezygnowanie z podkładki pod grań, bez zapadania się przy tym spoiny. W równie przekonujący sposób przebiega spawanie stali nierdzewnych i magnezu.
<—newpage—>Spawanie laserowe
Inną innowacyjną metodą przeznaczoną do procesów zrobotyzowanych jest spawanie laserowe. To jeden z najnowocześniejszych procesów łączenia metali i ich stopów, konkurujący cechami technologicznymi ze spawaniem elektronowym. Pozwala uzyskać wytrzymałą spoinę bez dodatkowego stopiwa. Dzięki dużym prędkościom spawania znacznie podnosi wydajność procesu produkcyjnego. Ponadto technologia ta pozwala na tworzenie spoin, które zapewnią estetyczny wygląd wytwarzanym produktom. Spawanie laserowe umożliwia wykonanie w dowolnej pozycji połączeń wszelkiego typu i kształtu. Obejmuje zakres grubości od najcieńszych produkowanych w przemyśle folii i drutów do 12,525 mm.
Technologia spawania laserowego wykorzystuje wiązkę o dużej gęstości energii (ok. 1 MW/cm?). Skoncentrowana wiązka światła koherentnego nadtapia obszar styku łączonych przedmiotów. W zależności od grubości materiału, przy korzystaniu z laserów o niższej mocy można uzyskiwać gładki, szeroki szew, jaki powstaje przy spawaniu z przewodzeniem ciepła. Jeżeli natężenie w ognisku jest wystarczająco duże, tworzy się stożkowy wytop, pozwalający na głęboką penetrację wiązki laserowej (tzw. spawanie z głęboką penetracją), dzięki czemu można spawać grubsze materiały.
Z tworzeniem się stożkowego wytopu związane jest powstawanie chmury plazmy nad punktem spawania, która może pochłaniać i odchylać wiązkę laserową. Im większe natężenie wiązki laserowej i, w efekcie, im grubsza powstająca chmura plazmy, tym większe jest pochłanianie i odchylanie wiązki przez plazmę.
Na grubość chmury plazmy wpływa gaz spawalniczy. Hel zmniejsza chmurę plazmy, natomiast argon powoduje jej pęcznienie. Gaz spawalniczy służy także do ochrony obszaru spawania ? np. ciężki i neutralny argon skutecznie wypiera powietrze z obszaru spawania (położenie płaskie). Hel natomiast jest bardzo lekkim gazem obojętnym, który łatwo odrywa się od obszaru spawania. W laserach o dużej mocy ? 3 kW i większej ? oba te gazy stosuje się w mieszance jako gaz spawalniczy, aby spełnić równocześnie dwa wymagania: dobrą osłonę miejsca spawania i zmniejszaniechmury plazmy.
Możliwa do uzyskania szerokość powstających w ten sposób spoin mieści się w przedziale 0,213 mm. W praktyce wykorzystywane są głównie spoiny o małych szerokościach. Proces spawania materiału wiązką laserową można kontrolować zarówno poprzez poziom mocy zasilania, jak również lokalizację punktu skupienia wiązki.
Dzięki tej technologii można łączyć wszystkie metale i stopy spawane dotychczas elektronowo. Dodatkowo nie ma ograniczeń, jeśli chodzi o spawanie stali nieuspokojonych, materiałów porowatych, spieków, staliw itd., jak ma to miejsce przy spawaniu elektronowym. Lasery małej mocy są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego. Lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kW) pozwalają na spawanie większych elementów z grubego materiału, do 25 mm. Moc laserów przeznaczonych do przemysłowych zastosowań spawalniczych wynosi 16 kW.
Spawanie laserowe jest metodą szczególnie odpowiednią przy łączeniu dużej liczby małych przedmiotów o niewielkiej grubości, z wydajnością przekraczającą 1200 złączy na godzinę. Stosuje się je również do łączenia części kół zębatych, złączy doczołowych płaskich i obwodowych różnorodnych konstrukcji nośnych, spawania wzdłużnego rur, szczególnie w przemyśle spożywczym, kształtowników, rur z płytami sitowymi itp.
Spawanie laserowe znajduje zastosowanie przede wszystkim w przemyśle lotniczym, kosmicznym, elektronicznym, spożywczym, elektrotechnicznym i medycynie ? zapewniając doskonałą jakość połączeń oraz dużą wydajność.
Autor: Paweł Halicki, specjalista z firmy ASTOR, zastępca dyrektora ds. koordynacji inwestycji.
Tekst pochodzi z nr 3/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
