Z. 23.

1. Automatyzacja, robotyzacja i mechanizacja spawalnictwa

2. Spawalność stali różno imiennych

3. Naprężenia wieloosiowe

4. Normy związane z ISO (powiązania między nimi 3834, 729, 14732, 14731 itp.)

Ad.1.

Definicje i pojęcia wg normy ISO 8373 (skrócone przeze mnie):

Manipulacja - tok czynności - uchwycenie obiektu, transportowanie, pozycjonowanie lub orientowanie względem bazy oraz przygotowanie obiektu do przeprowadzenia operacji technologicznej na nim lub nim

Manipulator (przemysłowy)- urządzenie do wspomagania lub zastąpienia człowieka w manipulacji

Robot (przemysłowy) - urządzenie automatyczne przeznaczone do wykonywania czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym, mające układ składający się co najmniej z trzech zespołów ruchu i własny układ sterujący programowalny

Robotyzacja - działanie mające na celu automatyzację pracy produkcyjnej za pomocą manipulatorów i robotów.

Mechanizacja - zastąpienie w procesie produkcyjnym pracy fizycznej człowieka poprzez prace maszyn

Automatyzacja - zastępowanie człowieka w sterowaniu ręcznym urządzeniami pracującymi bez bezpośredniego udziału człowieka. Urządzenia te przejmują funkcje człowieka związane głównie z jego wysiłkiem umysłowym. Sterowanie wykonywane przez urządzenie nazywa się sterowaniem automatycznym. Automatyzacja wiąże się z uprzednim lub równoczesnym wprowadzeniem mechanizacji.

Stopnie mechanizacji z punktu widzenia stosowanych urządzeń:

- bez mechanizacji - urządzenia do spawania ręcznego (np. 111)

- częściowa mechanizacja - półautomaty spawalnicze ( np. 131, 135)

- automatyzacja - automaty z manipulatorem (w zależności od automatyzacji z możliwością programowania i optymalizacji procesu spawania) (np. 121)

- robotyzacja - roboty spawalnicze z dodatkowym wyposażeniem w postaci pozycjonerów, obrotników itp. (z możliwością programowania i optymalizacji procesów)

Zadanie jakie powinno spełnić oprzyrządowanie na stanowiskach spawalniczych:

- umożliwić szybkie, proste i łatwe usytuowanie poszczególnych elementów w położeniach narzucanych kształtem konstrukcji przy zachowaniu powtarzalności z wymaganą tolerancją wymiarów

- zapewnić dokładność i pewność elementów podczas sczepiania i spawania przez odpowiednie bazowanie i odpowiednie mocowanie

- zapewnić dostęp do wykonania spoin metodą spawania przewidzianą do zastosowania

- umożliwić łatwy i szybki obrót lub przesuw spawanego przedmiotu oraz ustawienie go w dogodnej do spawania pozycji

- umożliwić szybkie i łatwe wyjęcie pospawanego przedmiotu z przyrządu

Przesłanki rozwoju mechanizacji i automatyzacji procesów spawania:

- dążenie do humanizacji pracy

- stałe podnoszenie jakości pracy

- poprawa efektywności procesów spawalniczych

Mechanizacja i automatyzacja procesów spawania daje nam:

- wzrost wydajności na stanowiskach spawalniczych

- wyższy współczynnik wykorzystania urządzeń produkcyjnych(Zwiększa się czas jarzenia łuku, nawet do 90% w przypadku spawania zrobotyzowanego, w spawaniu ręcznym jest on na poziomie zaledwie około 20%)

- wyższą jakość produkcji

- rytmiczność produkcji

- możliwość optymalizacji parametrów spawania

- możliwość zatrudnienia pracowników po krótkim kursie szkolenia zawodowego

- zmniejszenie liczby wybraków

- możliwość wyeliminowania kosztownych i czasochłonnych procesów kontroli jakości wykonywanych połączeń spawanych

Czynniki przemawiające za wdrożeniem elastycznej automatyzacji procesów spawania łukowego w osłonach gazowych przy pomocy systemów zrobotyzowanych:

- częste zmiany asortymentu produkcji

- szybkie reagowanie na zapotrzebowanie rynku

- produkcja w krótkich seriach

- redukcja zapasów magazynowych

- podwyższanie jakości wyrobów

- obniżenie kosztów robocizny

- poprawa warunków pracy na stanowisku spawalniczym

- podniesienie stopnia konkurencyjności

Ad.2.

Łączenia materiałów różno imiennych możliwe jest za pomocą metod rozłącznych i nie

rozłącznych.

Wśród metod nierozłącznych najmniej problemów sprawia nitowanie.

Skoncentrujmy sie jednak na metodach spajania czyli: spawanie, lutowanie, zgrzewanie i

klejenie.

Zdecydowanie najłatwiejszym ale zarazem najmniej wytrzymałym z punktu widzenia

wytrzymałości materiałów jest złącze klejone. Takie rozwiązanie wymaga zwilżalności

klejonych powierzchni przez klej. W przypadku kiedy jedna z łączonych powierzchni jest nie

zwilżalna taki zabieg jest niemożliwy. Proces klejenia oparty jest na siłach spójności miedzy

cząsteczkami (adhezja) nie występuje zjawisko dyfuzji. Klejenie karoserii nowej Toyoty

Avensis

Z zagadnieniem zwilżalności związany jest również temat lutowania i lutospawania. Materiał

dodatkowy należy dobrać tak aby lutowane materiały były zwilżalne w danych warunkach, a

powstała spoina miała określone własności wytrzymałościowe. Problemy które mogą pojawić

sie podczas procesów lutowania i lutospawania wynikają z różnej temperatury topnienia

materiałów lutowanych. Istota lutowania jest nie nadtapianie materiałów łączonych. Również

znaczny problem stanowi różna rozszerzalność cieplna produktów lutowanych. Lutować

można materiały trudnościeralne ze stalą np. narzędziowa. ( węgliki spiekane w koronach

wiertnicy )

Materiał różnoimienne można również łączyć za pomocą zgrzewania. Nie wszystkie znane

metody do tego procesu sie nadają. Materiały różnoimienne jak aluminium i stal łączy się za

pomocą zgrzewania wybuchowego, ta metoda tworzy sie również inne materiały

bimetaliczne.

Bardzo dobre rezultaty uzyskuje sie również podczas łączenia różnych materiałów sprężysto plastycznych, metoda zgrzewania tarciowego. Nawet jeśli jeden z metali nie ma cech

plastycznych np. wolfram czy ceramika to połączenie posiada dobre właściwości fizyczne.

Zgrzewanie dyfuzyjne umożliwia nam łączenie takich par materiałów jak węgliki, azotki,

ceramika, wraz ze stalą stopami niklu czy tytanu.

Znacznie bardziej skomplikowanym zagadnieniem są procesy spawalnicze podczas łączenia

różnoimiennych materiałów. W takim przypadku materiały muszą być przede wszystkim

spawalne. Istotna role również odgrywają składniki stopowe. Na podstawie których

dobieramy materiał dodatkowy do spawania. Nie wszystkie metody nadają sie do spawania

materiałów różnoimiennych. Np. płomieniem tlenowo - gazowym nie możemy spawać stali

wysokostopowych.

W myśl definicji spoiny jej własności wytrzymałościowe nie powinny być mniejsze niż

materiału rodzimego. Opierając sie na tym stwierdzeniu materiał dodatkowy powinien być

dobrany do materiału tzw. „lepszego”. Problemy które pojawiają sie podczas spawania

materiałów różno imiennych związane są również ze zmieniającą sie rozszerzalnością cieplną

i przewodnością cieplna. Nowopowstałe złącze zawiera wymieszany materiał stopiwa i obu

różnoimiennych materiałów, takie złącze może charakteryzować obniżona odpornością na

pęknięcia.

Ad.3.

Podczas spawania element poddawany jest skomplikowanym procesom cieplnym oraz przemianom strukturalnym. Źródło cieplne spawania, którym może być płomień gazowy, łuk elektryczny, strumień plazmy, wiązka elektronów lub promień lasera, przesuwa się wzdłuż linii spawania, nagrzewając intensywnie obszar spoiny. Przesuw źródła ciepła powoduje nierównomierne nagrzewanie elementu.

Rys. Rozkład temperatur wokół źródła ciepła spawania

Nierównomierne nagrzewanie, zjawiska cieplno-mechaniczne oraz ich kinetyka powodują w spawanym elemencie stany naprężeń, których rozkłady będą bardzo zróżnicowane co do kierunków i wartości. Na rozkłady te będzie miał wpływ również kształt łączonych elementów. W obszarze spoin, napoin oraz w strefach wpływu ciepła wystąpią w większości przypadków naprężenia rozciągające.

Na rysunku przedstawiono proces jednościegowego spawania płyty metalowej wzdłuż linii x-x. Jeziorko spawalnicze znajduje się w punkcie 0 (rys. a). Rozkład temperatur w danej chwili w różnych miejscach spoiny przedstawiono na wykresach (rys. b). Rozkłady naprężeń składowych w kierunku osi x przedstawiono na wykresach (rys. c).

W przekroju I-I, a więc w pewnej odległości przed frontem źródła ciepła, naprężenia cieplne mają wartości zerowe.

W przekroju II-II przechodzącym przez jeziorko płynnego metalu pojawiają się naprężenia właściwe dla stanu termicznego tego obszaru (intensywne nagrzewanie łączonych brzegów i roztopiony metal). Naprężenia, a ściślej składowe wzdłuż osi x, rozkładają się w następujący sposób: w osi spoiny naprężenia są równe zeru (płynny metal), oddalając się w kierunku poprzecznym do osi x, w strefie przylegającej do jeziorka i będącej częściowo w stanie stałym pojawiają się naprężenia ściskające, by w pewnym oddaleniu zmienić swe znaki na rozciągające.

W przekroju III-III, w którym spoina jest już w stanie stałym, w osi zaczynają powstawać naprężenia oraz odkształcenia plastyczne ( na skutek spadku właściwości mechanicznych w wysokich temperaturach). W wyniku odkształceń plastycznych w strefie przyspoinowej, podczas stygnięcia, w spoinie wystąpią rozciągające naprężenia własne, z początku niewielkie, by w miarę obniżania się temperatury zwiększać się.

Przekrój IV-IV przedstawia stan, w którym temperatura elementu osiągnęła temperaturę otoczenia, a więc stan równowagi cieplnej.

Rozkład naprężeń spawalniczych przedstawiony na rys. C jest właściwy dla stali niestopowych lub niskostopowych spawanych spoiwem ferrytyczno-perlitycznym. Naprężenia własne w osi spoiny osiągają wysokie wartości, zbliżone nawet do granicy plastyczności materiału podstawowego.

W zależności od liczby składowych naprężenia określa się jako:

- jednoosiowe (występują w prętach)

- dwuosiowe (stan płaski występujące w blachach)

- trójosiowe (stan przestrzenny występujący w grubych płytach > 20mm)

Ze względu na usytuowanie kierunku działania naprężeń względem spoiny stwarza się podstawę do podziału naprężeń na:

- wzdłużne (σ_x) względem spoiny

- poprzeczne (σ_y) do osi spoiny

- prostopadłe (σ_z) do powierzchni łączonych elementów

Widoczne typowe rozkłady naprężeń wzdłużnych (σ_x) i poprzecznych (σ_y) w spawanych doczołowo blachach. Na skutek przemieszczania się źródła ciepła pole odkształceń plastycznych jest wydłużone. W związku z tym maksymalna wartość naprężenia σ_x jest większa niż σ_y.

Rozkład naprężenia σ_y na długości złącza zależy od wielu czynników, przede wszystkim technologicznych, jak np. prędkość spawania, kolejność i kierunek układania poszczególnych odcinków spoiny, liczba i wytrzymałość spoin czepnych, długość i sztywność łączonych elementów, energia liniowa spawania. Trudno jest więc dokładnie przewidzieć, jaki będzie przebieg naprężeń σ_y.

Ad.4.

Normy związane z ISO (powiązania między nimi 3834, 729, 14732, 14731 itp.)

Norma 729 - Jakość w spawalnictwie - została zastąpiona norma PN EN ISO 3834

PN-EN ISO 3834:2007 - Wymagania jakości dotyczące spawania materiałów metalowych

PN-EN ISO 15614 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali -- Badanie

technologii spawania

PN-EN ISO 14731:2008 Nadzorowanie spawania -- Zadania i odpowiedzialność

PN-EN ISO 9606:2001 Egzaminowanie spawaczy

„spawanie jest procesem specjalnym, który wymaga nadzorowania nad operacjami spawania

w celu uzyskania zaufania do produkcji spawalniczej i osiągnięcia niezawodności podczas

użytkowania. Zaleca sie aby zadania i odpowiedzialności personelu zaangażowanego w

czynności dotyczące spawania (np. planowanie, realizacja, nadzorowanie i kontrola) były

jasno zdefiniowane. „

Powyższe normy wiążą sie z systemem zapewnienia jakości.

Badanie technologii spawania prowadzi sie w celu :

-spełnienia wymagań kontrahenta

- spełnienia przepisów odnoszących sie do wyrobu

-wprowadzenia nowej metody spawania

- przy rozpoczynaniu przetwórstwa materiałów z nowej grupy.

Według norm europejskich spawanie zostało zakwalifikowane do specjalnych procesów

produkcyjnych. Odstępstwa od prawidłowej technologii spawania mogą być przyczyna

poważnych awarii i strat materialnych.

Proces specjalny jest to taki proces, w którym spełnienie wymagania (ustalonego, przyjętego

zwyczajowo lub obowiązującego) dotyczącego otrzymanego wyrobu nie może być

sprawdzane w sposób łatwy lub ekonomiczny. Oznacza to, że niedostatki przebiegu procesu

specjalnego mogą zostać ujawnione dopiero podczas użytkowanie wyrobu. Z tego powodu

procesy specjalne powinny być zawsze realizowane przez wykwalifikowany personel,

natomiast ich parametry w sposób ciągły nadzorowane i monitorowane.

---