Spawanie - historia i rozwój

Podczas gdy spawanie jest obecnie integralną częścią wielu codziennych zadań, musiało rozpocząć się 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. W rzeczywistości lutowanie jest jednym z najstarszych znanych procesów łączenia termicznego. Po lutowaniu twardym nastąpiło spawanie ogniowe, które było wykorzystywane do produkcji broni, narzędzi, artefaktów i innych rzeczy z metalu. 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.

W 1946 r. dołączyło do niego spawanie TIG, które rozwinęło się ze spawania łukiem węglowym. Spawanie MIG zostało wprowadzone w 1948 roku, a spawanie łukowe w osłonie gazów MAG 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 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, garbowanie, czyli czyszczenie żelaza i kilkukrotne składanie żelaza. Po tych etapach następował proces spawania ogniowego.

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 dla palnika spawalniczego, który wyznaczył początek spawania gazowego, 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 tlenowo-wodorowego 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 jako pierwsi zastosowali łuk elektryczny do spawania. Wykorzystali oni dwie elektrody węglowe do wytworzenia odpowiedniej temperatury 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

Istniał jednak poważny problem z całym opracowanym wówczas spawaniem. 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 stało się znane jako spawanie gazem obojętnym wolframu.

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 łukiem elektrycznym w osłonie gazów obojętnych“, o ile używano gazów obojętnych.

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. specjalnych drutów, których właściwości wyrównywały przepalenia. Umożliwiło to spawanie CO2 lub MAG, tj. spawanie metalami aktywnymi w gazie, co pozwoliło uzyskać spoiny o odpowiedniej jakości.

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.

Tutaj również rozwój nie stanął w miejscu. Na przykład w Austrii spawanie CMT, czyli „przenoszenie zimnego metalu“, zostało opracowane pod kątem 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 Cold-Arc został również opracowany w 2005 roku. Również w tym przypadku celem jest zminimalizowanie dopływu ciepła. Wszystkie interwencje procesowe są przejmowane przez źródło zasilania. W tym celu wykorzystywany jest stały posuw drutu. Można do tego 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 i złożonego przygotowania spoiny. Aby umożliwić spawanie całej krawędzi, tworzone jest złącze w kształcie litery V.

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. Wymagana jest również mniejsza liczba ściegów spawalniczych. To z kolei skraca czas procesu spawania.

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.

W latach 40. ubiegłego wieku Ted Nelson pracował nad uproszczeniem połączeń śrubowych, które były używane do mocowania drewnianych desek bezpośrednio do stalowych płyt. Do tego czasu stosowano w tym celu 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 1942 r. J.W. Dawson zgłosił w USA patent opisujący spawanie doczołowe z wykorzystaniem łuku wirującego jako źródła ciepła w promieniowym polu magnetycznym. Proces ten był szeroko stosowany w latach 50. i 60. ubiegłego wieku, szczególnie w Związku Radzieckim. Następnie, w latach 70-tych, był 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 metalowych narzędzi, artefaktów i broni. Następnie, wraz z szybkim rozwojem przemysłowym w XIX wieku, nowsze i bardziej wyrafinowane procesy spawania stały się szerzej stosowane. Trwało to aż do dzisiejszego rozwoju.

Często zadawane pytania dotyczące spawania