Chociaż spawanie stało się integralną częścią codziennego życia w wielu dzisiejszych zawodach, najpierw musiało mieć swój początek w historii, a następnie przejść przez różne etapy rozwoju. Tylko w ten sposób, metodą prób i błędów, stało się tym, co znamy dzisiaj.
Spawanie jako proces łączenia elementów nie jest niczym nowym. Dziś myślimy o przemyśle motoryzacyjnym, stoczniowym i inżynierii mechanicznej, jeśli chodzi o spawanie. Nic z tych rzeczy nie istniało w przeszłości, ale nawet wtedy rzeczy musiały być łączone, a połączenie musiało być dobrej jakości, a przede wszystkim bardzo trwałe.
Znaleziska z grobowców Sumerów dowodzą, że w tym czasie materiały były już łączone za pomocą technik spawalniczych. Oczywiście spawanie nie było tak dobrze rozwinięte jak dziś. Można je raczej postrzegać jako twarde lutowanie złota, srebra i miedzi. To sprawia, że lutowanie jest jednym z najstarszych znanych procesów łączenia termicznego. Po lutowaniu pojawiło się spawanie ogniowe, które było wykorzystywane do produkcji broni, narzędzi, artefaktów i innych przedmiotów. Technika ta była stosowana 3000 lat temu i jest faktycznym prekursorem tego, co dziś znamy jako spawanie ręczne.
Spawanie ogniowe
Słowo "spawanie" jest również bardzo prawdopodobne, że wywodzi się z procesu spawania ogniowego. Spawanie pochodzi od potu, od pocenia się. Spawanie ogniowe odbywało się w ogniu kuźni, a powierzchnia obrabianych przedmiotów "pociła się", co następnie tworzyło połączenie. W rzeczywistości spawanie ogniowe miało pozostać jedyną metodą spawania przez bardzo długi czas. Dopiero gdy tlen i gazy paliwowe mogły być wykorzystywane do generowania płomieni o znacznie wyższej energii, opracowano nowe metody spawania. Podczas gdy do spawania płomieniowego używano niewielkiej ilości ciepła i dużego ciśnienia, gorętsze płomienie nowego spawania mogły obejść się bez ciśnienia. W ten sposób narodziło się spawanie gazowe jako pierwsza forma spawania i po raz pierwszy zastosowano je w 1840 roku.
Cięcie płomieniowe
Cięcie płomieniowe pojawiło się w latach 1901-1905 i również stało się ważnym procesem. Spawanie łukowe i oporowe pojawiło się w latach 40. ubiegłego wieku. Spawanie w osłonie gazu stało się popularne w przypadku metali nieżelaznych.
Dodano do tego Spawanie TIG w 1946 roku, które rozwinęło się ze spawania łukiem węglowym. W 1948 r. wprowadzono spawanie MIG, a spawanie MAG w osłonie gazów jest nadal jednym z najczęściej stosowanych procesów spawalniczych.
Spawanie istniało zatem od kilku tysiącleci, a Sumerowie i Hetyci zapoczątkowali je w 3. tysiącleciu p.n.e.. Jednak jego szybki rozwój w kierunku tego, co znamy dzisiaj, rozpoczął się dopiero w XIX wieku, kiedy ogólny postęp doprowadził do opracowania nowych procesów spawalniczych.Spawanie ogniowe i młotkowe
Spawanie ogniowe i młotkowe
Spawanie ogniowe i młotkowe rozpoczęło się około 1500 lat przed Chrystusem. Można je prześledzić wstecz do tego czasu w Azji Mniejszej i było używane do łączenia materiałów metalowych. Tylko dzięki spawaniu ogniowemu możliwe było wytwarzanie narzędzi, sprzętu rolniczego, broni i krat w kuźniach od początku epoki żelaza do XIX wieku.
Z biegiem lat spawanie ogniowe stało się elementem bardzo skomplikowanych procesów, które obejmowały również kucie żelaza gąbczastego, barwienie, czyli czyszczenie żelaza, oraz kilkukrotne składanie żelaza. Po tych etapach następowało spawanie na gorąco.
Spawanie gazowe
Acetylen został odkryty przez Edmunda Davy'ego w 1836 roku. Ponadto Carl von Linde opracował metodę skraplania powietrza w 1895 roku. Obie te metody umożliwiły wytwarzanie płomieni o bardzo wysokiej energii. To z kolei przyczyniło się do postępu w spawalnictwie, umożliwiając spawanie.
W przypadku płomienia zasilanego acetylenem i tlenem można było osiągnąć temperaturę ponad 3000 °C. Było to o 500 °C więcej niż w przypadku płomienia wykonanego z mieszaniny tlenu i wodoru. Było to o 500 °C więcej niż w przypadku płomienia wykonanego z mieszaniny tlenu i wodoru. Utorowało to drogę do spawania fuzyjnego, które zapoczątkowało spawanie gazowe, nawet jeśli początkowo było ono nadal określane jako spawanie tlenowo-paliwowe.
Następnie Chemische Fabrik Griesheim-Elektron i Drägerwerk Lübeck, Heinr. & Berh. Dräger, dalej rozwijały technologię spawania gazowego. Doprowadziło to do opracowania palnika gazowego do spawania i cięcia w 1896 r., a następnie palnika Dräger do spawania tlenowo-wodorowego w 1900 i 1901 r. We współpracy z Ernstem Wissem z Chemische Fabrik Griesheim-Elektron powstała grupa robocza, która następnie dalej rozwijała techniki spawania i cięcia.
Spawanie łukowe
Kolejny postęp umożliwił pojawienie się spawania łukowego lub spawania elektrycznego. Polegało to na odkryciu łuku elektrycznego i rozpoczęciu przemysłowego wytwarzania energii elektrycznej. Umożliwiło to wykorzystanie tej energii elektrycznej i generowanego przez nią łuku do spawania.
To Nikołaj Nikołajewicz Benardos i Stanisław Olszewski po raz pierwszy użyli łuku elektrycznego do spawania. Użyli oni dwóch elektrod węglowych, za pomocą których można było wygenerować odpowiednie temperatury dla łuku.
Nikolai Gavrilovich Slavyanov następnie rozwinął ten proces. W 1891 roku zaczął zastępować elektrody węglowe metalowym prętem. Był on nie tylko nośnikiem łuku, ale służył również jako spoiwo spawalnicze. Jednak elektrody prętowe, które zostały stworzone w ten sposób, nie były początkowo powlekane. Oznaczało to, że nie było łatwo chronić punkt spawania przed powietrzem i związanym z nim utlenianiem. To nadal sprawiało, że ta forma spawania była na początku pewnym wyzwaniem.
Zostało to naprawione w 1907 roku przez Oscara Kjellberga. Wpadł on na pomysł poprawienia właściwości łuku spawalniczego poprzez pokrycie metalowych elektrod prętowych. Oznaczało to również, że jeziorko spawalnicze było chronione przed tlenem atmosferycznym.
Doprowadziło to do opracowania różnych powłok do spawania elektrodami, które również odpowiadały właściwościom metalurgicznym materiału. Doprowadziło to do tego, że ręczne spawanie łukowe przy użyciu powlekanych elektrod sztyftowych stało się standardowym procesem spawania.
Spawanie TIG
Pomimo wszystkich opracowanych wówczas metod spawania, wciąż istniał duży problem. Nikt nie mógł spawać magnezu, ponieważ metal ten był wysoce łatwopalny. Pozostawał taki nawet wtedy, gdy był w stopie. Russel Meredith z Northrop Aircraft próbował więc opracować proces, który zapobiegałby zapłonowi magnezu.
W swoim procesie spawania używał elektrody wykonanej z wolframu i helu jako gazu osłonowego TIG. Meredith nazwał go Heliarc, ale spawanie TIG, od spawania wolframowym gazem obojętnym, stało się powszechnie używaną nazwą.
Na przestrzeni lat w spawaniu TIG wprowadzono wiele ulepszeń. Obejmowały one chłodzenie wodą i zastosowanie dysz gazu osłonowego. Ulepszono również skład elektrod i źródła zasilania. To ostatnie doprowadziło w szczególności do nałożenia napięcia spawania na napięcie o wysokiej częstotliwości. Umożliwiło to również spawanie aluminium prądem zmiennym.
Spawanie łukowe gaz-metal
W 1935 roku w Wielkiej Brytanii zarejestrowano ważny patent pod nazwą "Improvements in Electric Arc Welding". Silnik podający był używany do obsługi cewki, która równomiernie śledziła elektrodę drutową.
Perry J. Rieppel zbudował na tym swój patent, który zarejestrował w USA w 1948 roku. Połączył spawanie łukowe z cewką elektryczną i śledzeniem elektrody za pomocą gazu osłonowego. Zastosowano gazy obojętne, takie jak argon i hel. Dlatego jest ono również określane jako spawanie argonem lub spawanie helem.
Sam Rieppel używał nazwy "Shielded Arc Welding" jako nazwy swojego procesu. Stało się to następnie terminem SIGMA, oznaczającym "spawanie łukowe w osłonie gazów obojętnych", o ile używano gazów obojętnych.
Na początku nie można było używać żadnych aktywnych gazów. Miały one działanie toksyczne. CO był również łatwopalny, a pierwiastki w stopach materiałów ulegały spaleniu.
W Związku Radzieckim inżynierowie N.M. Novozhilov i K.V. Liubavskii pracowali nad tym problemem, wykorzystując CO2 jako ochronę. Doprowadziło ich to do opracowania w latach 50-tych specjalnych drutów, których właściwości wyrównywały przepalenia. Umożliwiło to spawanie CO2 lub MAG, spawanie aktywnym gazem metalicznym, co pozwoliło uzyskać odpowiednią jakość spoin.
Spawanie łukowe gaz-metal było następnie dalej rozwijane. Na przykład, kontrolowane źródła prądu umożliwiły sterowanie procesem osadzania w ukierunkowany sposób. Impulsy prądowe kontrolowały transfer materiału. Umożliwiło to zmniejszenie ilości ciepła wprowadzanego do materiałów podczas spawania gazem osłonowym i zwiększenie szybkości osadzania, co poprawiło wydajność.
Spawanie impulsowe
Spawanie MIG/MAG prowadzi do nierównomiernego przenoszenia materiału, gdy używany jest krótki łuk. Spawanie impulsowe zostało wprowadzone, aby oderwanie kropli stopionego materiału mogło być specjalnie kontrolowane. W tym przypadku stosowane są impulsy prądowe, w których jedna kropla jest odrywana na raz ze względu na wzrost natężenia prądu.
Początkowo do tego procesu wykorzystywano dwa źródła zasilania. Jednak wraz z pojawieniem się kontrolowanych źródeł zasilania, jedno takie źródło było w stanie przejąć całe zadanie.
Również tutaj rozwój nie stanął w miejscu. Na przykład w Austrii, spawanie CMT (cold metal transfer) zostało opracowane do gotowości operacyjnej w 2005 roku. W tym procesie prąd spawania jest pulsowany, a drut spawalniczy jest przesuwany do przodu i do tyłu przy zachowaniu wysokiej częstotliwości. Umożliwia to zapewnienie ukierunkowanego odrywania kropli. Jednocześnie zmniejsza się zapotrzebowanie na energię i minimalizuje ilość ciepła wprowadzanego do materiału.
Proces ColdArc został również opracowany w 2005 roku. Również w tym przypadku celem jest zminimalizowanie dopływu ciepła. Wszystkie interwencje procesowe są wykonywane przez źródło zasilania. W tym celu wykorzystywany jest stały posuw drutu. Do tego celu można wykorzystać zwykłe palniki spawalnicze.
Spawanie T.I.M.E.
Spawanie T.I.M.E., skrót od "Transferred ionised molten energy" (przeniesiona zjonizowana energia stopiwa), jest stosowane w celu zwiększenia ogólnej szybkości stapiania. Wykorzystuje ono spawanie w osłonie gazu z drutem elektrodowym jako podstawą. Stała jakość jest zapewniona dzięki specjalnym mieszankom gazów, a produktywność wzrasta dzięki wyższym szybkościom stapiania.
Zgrzewanie oporowe
Pierwsze wzmianki o zgrzewaniu oporowym pojawiły się w 1766 roku. Podjęto wówczas próbę zgrzania krzemiennych kulek za pomocą wyładowania kondensatora. Następnie w 1782 r. zgrzano sprężynę zegarka z ostrzem noża przy użyciu tzw. sztucznej elektryczności.
Dopiero w 1857 r. ponownie zastosowano zgrzewanie oporowe, które zostało zademonstrowane przez Jamesa Prescotta Joule'a jako proces łączenia. Doprowadziło to do pracy Elihu Thomsona, który rozpoczął swoją pracę w 1877 roku i złożył wniosek o dwa patenty w 1886 roku, które koncentrowały się na zgrzewaniu doczołowym drutów metalowych.
Henry F.A. Kleinschmidt pomógł następnie zgrzewaniu oporowemu osiągnąć przełom w 1897 r. za pomocą elektrod miedzianych. Wpadł również na pomysł wykorzystania występów spawalniczych do zgrzewania oporowego w celu spawania blach na szynach. Doprowadziło to do opracowania w 1910 r. metody zgrzewania oporowego i zgrzewania rolkowego. W rezultacie zgrzewanie oporowe było szeroko stosowane w przemyśle od 1930 roku.
Spawanie wąskich szczelin
Spawanie wąskoszczelinowe jest stosowane do spawania szczególnie grubych blach. Zwykle wymagają one rozległego, a zatem złożonego przygotowania szwu. Tworzone jest złącze w kształcie litery V, które umożliwia spawanie całej krawędzi.
Chociaż przygotowanie szwu jest nadal konieczne w przypadku techniki wąskiej szczeliny, można je znacznie zmniejszyć. Wynika to z faktu, że wyraźne V nie jest już wymagane. Boki mogą leżeć niemal równolegle do siebie. Oznacza to, że można spawać blachy o grubości do 300 mm.
Znacznie zredukowany w ten sposób kąt rozwarcia nie tylko zmniejsza czas przygotowania spoiny. Oszczędza również materiały wypełniające i ilość wymaganego gazu osłonowego. Oznacza to również, że wymagana jest mniejsza liczba ściegów spawalniczych. To z kolei skraca czas procesu spawania.
W rezultacie element nagrzewa się mniej, co również zmniejsza zniekształcenia. Obrotowa rurka stykowa umożliwia ustawianie oscylacyjnych pozycji spawania lub ściegów liniowych. Ostrze o wąskiej szczelinie służy do prowadzenia czujnika łuku w środku spoiny. Woda jest chłodzona aż do dyszy gazowej. Umożliwia to nieprzerwane spawanie przez kilka godzin.
Spawanie łukowe kołków
Prace, które doprowadziły do spawania łukowego kołków rozpoczęły się już w 1915 r. w Wielkiej Brytanii przez Harolda Martina. Złożył on wniosek patentowy w 1920 roku, zgodnie z którym łuk elektryczny jest generowany między kołkiem a metalową płytą. Łuk jest utrzymywany przez określony czas, który można regulować. Na koniec śruba jest zanurzana w stopionej kąpieli za pomocą siły elektrycznej, mechanicznej lub pneumatycznej.
Następnie, w latach 40-tych, Ted Nelson pracował nad uproszczeniem połączeń śrubowych, które mocowały drewniane deski bezpośrednio do stalowych płyt. Do tego czasu stosowano spawanie pachwinowe. Zastąpił to gwintowaną śrubą, która została stopiona łukiem elektrycznym. Następnie urządzenie spawalnicze zanurzało ją w roztopionym jeziorku. Za pomocą uchwytu i elektromagnesów kołek był podnoszony i utrzymywany tak, aby uzyskać stałą długość łuku. Czas spawania został ustawiony za pomocą timera.
Łuk poruszany magnetycznie
W Stanach Zjednoczonych J.W. Dawson złożył wniosek patentowy w 1942 r., który opisywał spawanie doczołowe z łukiem obrotowym jako źródłem ciepła w promieniowym polu magnetycznym. Proces ten był szeroko stosowany w latach 50. i 60. ubiegłego wieku, zwłaszcza w Związku Radzieckim. W latach siedemdziesiątych XX wieku był on również stosowany w Niemczech. Jednak łuk obrotowy został zastąpiony jako źródło ciepła do spawania doczołowego przez elektrodę pomocniczą w kształcie pierścienia i określany jako spawanie MBP.
Wnioski
Spawanie rozpoczęło się od lutowanych połączeń wśród Sumerów i Hetytów. Następnie pojawiło się spawanie ogniowe, które przez tysiące lat było jedyną metodą wytwarzania narzędzi, artefaktów i broni z metalu.
Następnie, wraz z szybkim rozwojem przemysłowym w XIX wieku, szerzej stosowano nowsze i bardziej wyrafinowane procesy spawania. Trwało to aż do dzisiejszego rozwoju.