Z tego artykułu dowiesz się:
- Czym jest spawanie i czym różni się od lutowania, zgrzewania i klejenia?
- Jakie są metody spawania ręcznego i zrobotyzowanego?
- Czym jest spawanie laserowe?
- Jakie są zastosowania robotów spawalniczych?
- Czy robot spawalniczy to dobre rozwiązanie?
- Czym robot do spawania różni się od innych robotów przemysłowych?
Czym w ogóle jest spawanie?
Spawanie jest częścią spajania, czyli ogólnego pojęcia obejmującego procesy łączenia materiałów na różne sposoby. W przypadku spawania materiały są nagrzewane i – co najważniejsze – stapiane w miejscu łączenia, z dodatkiem lub bez materiału dodatkowego. Przyjmuje się, że szczelina powstała po złożeniu elementów, nie powinna przekraczać 0.1 mm, żeby zasadna była rezygnacja ze spoiwa.
Robot spawalniczy Kawasaki Robotics. Źródło: ASTOR
Czym spawanie różni się od lutowania, zgrzewania i klejenia?
Natomiast dla pozostałych technik spajania nie jest konieczne stopienie łączonych materiałów, a jedynie nagrzanie ich do odpowiedniej temperatury. Dla przykładu, przy lutowaniu ważna jest temperatura topnienia lutu, która jest zawsze niższa niż dla materiału podstawowego. Według wartości tej temperatury lutowanie dzieli się na miękkie (poniżej 450°C) lub twarde (powyżej 450°C). Proces ten wykorzystuje efekt kapilarny, zapewniający wypełnienie lutem całej szczeliny lutowniczej.
Jeszcze inną techniką jest zgrzewanie. Ten proces polega z kolei najczęściej na rozgrzaniu materiału do temperatury powodującej jego uplastycznienie, a następnie wywarciu docisku przez określony czas, aż do utworzenia trwałego połączenia. Przykładowe metody zgrzewania to:
- zgrzewanie oporowe (elektryczne) – w tej metodzie dwie części są ściskane i poddawane prądowi elektrycznemu. Opór elektryczny w miejscu połączenia generuje ciepło, od którego stapiają się powierzchnie materiałów. Po wygaśnięciu prądu materiał twardnieje, tworząc trwałe połączenie.
- zgrzewanie tarciowe – ciepło generowane jest w wyniku tarcia i ruchu względnego między łączonymi elementami. Proces ten polega na wykonaniu ruchu obrotowego i/lub liniowego jednego z elementów w stosunku do drugiego pod kontrolowanym naciskiem.
- zgrzewanie zgniotowe – polega na wywarciu docisku na elementy w temperaturze otoczenia.
- zgrzewanie wybuchowe – jest to najbardziej widowiskowy proces, polegający na dynamicznym docisku łączonych powierzchni. Jest wywoływany detonacją materiału wybuchowego umieszczonego na górnej płycie.
- zgrzewanie dyfuzyjne – wykorzystuje dwa zjawiska: najpierw ma miejsce adhezja, polegająca uaktywnieniu sił powodujących przyciąganie się dwóch powierzchni.
Jeszcze inną techniką łączenia jest klejenie. Jak powszechnie wiadomo, konieczne jest w tym przypadku wykorzystanie kleju jako materiału łączącego elementy. W zależności od wymogów, mogą być wykorzystywane bez dodatkowego podgrzewania lub w podwyższonej temperaturze.
Jakie są metody spawania ręcznego i zrobotyzowanego?
Do najpopularniejszych metod spawania należą MIG/MAG, TIG oraz elektroda otulona. Dwie pierwsze różnią się wykorzystanym gazem osłonowym. Jeśli stosowany jest gaz obojętny – argon, hel lub ich mieszanka – mówimy o metodzie MIG (ang. Metal Inert Gas), natomiast w przypadku gazów aktywnych lub ich mieszanek z obojętnymi mamy do czynienia z metodą MAG (ang. Metal Active Gas).
Obydwie wspomniane metody są stosunkowo łatwe do automatyzacji czy też robotyzacji, ponieważ rolę elektrody pełni tu drut, tak więc nie jest konieczne umieszczanie dodatkowego podajnika drutu przy palniku, przez który nie każdy punkt spoiny może być osiągnięty. Tak więc, jak już zostało wspomniane, w metodzie TIG (ang. Tungsten Inert Gas) wykorzystywana jest elektroda wolframowa nietopliwa, a proces odbywa się w osłonie gazu obojętnego. W tym przypadku możliwe jest spawanie zarówno z drutem, jak i bez, natomiast w drugiej opcji konieczne jest zapewnienie spasowania elementów na odpowiednim poziomie.
Natomiast jeśli chodzi o elektrodę, to składa się ona z rdzenia oraz otuliny o odpowiednich własnościach, która podczas stapiania się pełni rolę taką jak gaz osłonowy, czyli ma ochraniać jeziorko prze dostępem powietrza i innych czynników zewnętrznych, mających negatywny wpływ na proces. Jest to prawdopodobnie najpopularniejsza metoda spawania ręcznego, natomiast pod kątem robotyzacji raczej niemożliwa do zastosowania z uwagi na konieczność częstych wymian elektrod, a także kontrolowania, poza prędkością spawania, również odległości uchwytu od materiału spawanego, co jest spowodowane skracaniem się elektrody. Trudniejsze w tym przypadku jest także zajarzenie łuku, które zwykle odbywa się przez potarcie elektrodą o materiał podstawowy.
Robot spawalniczy Kawasaki Robotics. Źródło: ASTOR
Kolejnym przykładem jest spawanie łukiem krytym SAW (ang. Submerged Arc Welding), polegające na topieniu elektrody, którą stanowi drut, pod warstwą topnika. W reguły dla spawania grubszych blach wykorzystuje się kilka drutów. Ta metoda z kolei jest prawie idealna pod automatyzację, szczególnie dla długich spoin bez zmian orientacji – przykładem jest spawanie statków. Do zalet tego typu procesu należą duża wydajność, możliwość uzyskiwania stosunkowo wysokich prędkości spawania (nawet do 100cm/min), dobra i stabilna jakość złączy spawanych. Z minusów na pewno brak możliwości obserwacji jeziorka, które znajduje się pod warstwą topnika oraz konieczność zbierania topnika i usuwania powstałego żużla po każdym ściegu.
Bardziej historyczną metodę stanowi spawanie gazowe. Wykorzystuje ono płomień osiągający zadana temperaturę, od której topi się materiał spawanego złącza. Palnik gazowy jest zasilany mieszaniną paliwa gazowego (acetylen lub propan-butan) i tlenu.
W spawaniu laserowym inny jest kształt spoiny – jest ona zdecydowanie węższa, przy jednoczesnym głębokim wtopieniu. W tym przypadku inne jest również źródło ciepła. Stanowi je laser, a nie jak przy innych metodach prąd elektryczny. Jeśli chodzi o zasadę działania, to wiązka lasera powstaje, gdy energia np. światła wzbudza elektrony znajdujące się w materiale optycznym, jak szkło, kryształ, czy też gaz, dzięki czemu przechodzą one na pewien czas ze stanu o niższym poziomie energii w stan wyższej energii. Spawanie laserowe jest zdecydowanie szybsze od tradycyjnych metod. Mniejsza ilość energii jest również korzystna pod względem poziomu odkształceń spawanego materiału. Ta kwestia może być szczególnie ważna np. dla cienkich blach aluminiowych, przy których nawet zastosowanie metody TIG może nie być wystarczające.
Jakie są zastosowania robotów spawalniczych?
Spawanie jest obecnie wykorzystywane w wielu dziedzinach przemysłu, od branży automotive, po budownictwo. W przypadku tego ostatniego, przykładem mogą być różnego rodzaju konstrukcje stalowe, jak belki czy słupy. Poza tym warto wspomnieć o rurociągach, w których poszczególne sekcje są łączone właśnie poprzez spawanie. Następnym przykładem są mosty, których konstrukcje również są często spawane. Z kolei w przypadku przemysłu samochodowego, przykładem części spawanych jest układ wydechowy. W przypadku przemysłu meblarskiego – nogi do mebli. Spawanie jest wykorzystywane najczęściej także dla elementów maszyn, takich jak osie.
Ciekawym przykładem spawanych elementów są urządzenia ciśnieniowe, czyli te, których ciśnienie robocze jest wyższe niż 0.5 bara. Powstały dla nich nawet osobne dokumenty. Mowa tu szczególnie o dyrektywie PED/2014/68/EU (PED – ang. Pressure Equipment Directive, pol. Dyrektywa Sprzętu Ciśnieniowego). Wprowadza ona również system oceny zgodności, w ramach którego akredytowane instytucje są upoważnione do oceny produktów i wydawania certyfikatów zgodności. Wprowadza także wymagania odnośnie badań nieniszczących, kontroli jakości i inspekcji.
Robot spawalniczy Kawasaki Robotics – proces spawania. Źródło: ASTOR
Czy robot spawalniczy to dobre rozwiązanie?
Cobot spawalniczy czy robot spawalniczy i zrobotyzowane spawanie zaczynają mieć sens jedynie dla dużych lub bardzo dużych partii produkcyjnych, w których liczy się powtarzalna precyzja. W spawaniu pojedynczych sztuk detalu, wykwalifikowany spawacz będzie miał przewagę nad robotem, jednak wraz ze wzrostem liczby detali, rośnie zmęczenie człowieka, spada koncentracja, co jest wyeliminowane w przypadku maszyny.
Warto rozważyć jeszcze jedną różnicę, przy spawaniu ręcznym, spawacz jest w stanie wychwycić niedoskonałość, skorygować parametry, natomiast nie do końca można zmodyfikować w trakcie spawania z wykorzystaniem robota, ponieważ w tej sytuacji rzadko kiedy proces jest obserwowany na bieżąco z bliska przez człowieka. Najczęściej operator montuje w przyrządzie części detalu i wyjmuje gotowy element po skończonym cyklu.
Coraz popularniejsze staje się także wykorzystywanie cobotów, czyli robotów współpracujących w procesach spawania. W tym przypadku ciekawy jest sposób uczenia punktów na detalu za pomocą wodzenia za kiść. Jest to znacznie szybszy proces od tradycyjnego. Jednak tego typu roboty są z reguły mniejsze od tradycyjnych, co przekłada się również na ich zasięg, a co za tym idzie, są w stanie spawać jedynie niewielkie elementy. Jednak małe gabaryty mogą także stanowić zaletę. Dzięki temu, coboty mogą poruszać się w trudno dostępnych miejscach.
Czym robot do spawania różni się od innych robotów przemysłowych?
W kwestii robotów, jakie są stosowane w tym procesie, można na pewno wyróżnić takie, które mają przelotowy nadgarstek. Takie rozwiązanie, gdzie przewody poprowadzone są wewnątrz kiści, umożliwia obrót ostatniej osi w pełnym zakresie, czyli +/- 360°, bez obawy o zerwanie lub inne uszkodzenie przewodów.
Roboty spawalnicze mają najczęściej niewielki udźwig – od kilku do kilkunastu kilogramów – ponieważ sam osprzęt, jaki jest założony na ramieniu nie waży dużo. Liczy się natomiast prędkość i zasięg manipulatora. Dlatego też, jeśli chodzi o tę drugą kwestię, stosuje się postumenty – przestrzeń pracy robota z reguły wychodzi poniżej jego podstawy, więc aby jej nie ucinać, robot jest podnoszony.
Również w kwestii polepszenia zasięgu, wykorzystuje się usytuowanie robota na torze jezdnym, także w połączeniu z wysięgnikami. Ciekawym przykładem jest podwieszenie dwóch robotów na słupowysięgnikach, które z kolei umieszczone są na torze jezdnym, w firmie Wiśniowski:
W kolejnym artykule dowiesz się więcej o celach spawalniczych i programowaniu robotów spawalniczych.
Autor:
Daniel Ciochoń
Młodszy specjalista ds. robotów przemysłowych. Międzynarodowy Inżynier Spawalnik
