Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

V provedeném a dále popsaném experimentu byla věnována pozornost především vlivu obsahu argonu, oxidu uhličitého, kyslíku a helia v různých poměrech a směsích řady Maxx společnosti Air Products. Díky získaným výsledkům lze zvolit ochranný plyn, který svým účinkem na tavnou lázeň i okolí svaru nejméně ovlivní povrchovou geometrii návaru v návaznosti na vnesené teplo během svařování.

Aditivní výroba strojních součástí

Obecně lze aditivní technologie výroby rozdělit podle několika kritérií. Jedním z nich může být druh přídavného materiálu. Mezi technologie využívající přídavný materiál ve tvaru prášku řadíme DMLS, SLS či SLM. Naopak lze však použít přídavný materiál, který je již nyní v průmyslové výrobě běžně používán – svařovací drát. Tuto aditivní technologii nazýváme WAAM neboli Wire and Arc Additive Manufacturing.


Padesátivrstvý kontinuální návar

Technologiemi využívajícími kovový prášek je možné vyrobit malé a geometricky složité součástky. Podle způsobu použití často není nutné jejich povrch nijak upravovat třískovým obráběním. Využití těchto technologií je často omezeno pracovním prostorem, který musí být kompletně napuštěn ochrannou atmosférou. Dalšími nevýhodami může být i pořizovací cena výrobního zařízení spolu s nákupem přídavných materiálů.

Tepelné vodivosti jednotlivých složek plynů ochranných atmosfér

WAAM pracuje na principu klasického svařování. Jednotlivé svarové housenky jsou vrstveny na sebe, resp. vedle sebe, až do konečného tvaru součásti. Výhodou této technologie je podstatně větší pracovní prostor, který je omezen pracovní obálkou průmyslového robota. I tuto obálku lze podstatně rozšířit osazením robota na lineární posuv. Další výhodou je rychlost depozice přídavného materiálu spolu s jeho dostupností a možnost využít již existujícího svařovacího pracoviště. Vývoj WAAM směřuje do využití v oblasti leteckého průmyslu za účelem snížení koeficientu BTF (buy to fly), který představuje poměr vstupního materiálu k výstupnímu materiálu (hotová součást). Ve výsledku lze dosahovat až 90% snížení odpadového materiálu a tím pádem i snížení výrobních nákladů a dopadu výroby na životní prostředí.

WAAM a ochranné atmosféry

K dosažení stabilního procesu výroby WAAM je nutné definovat velké množství proměnných faktorů z oblasti technologie, materiálů, ale také použitého zařízení, způsobu kontroly a zpracované legislativy. Tento příspěvek se zabývá jedním z faktorů týkajícího se samotné technologie svařování – vlivem ochranné atmosféry na kvalitu návaru.

V experimentu byly použity argonové směsi pro svařování řady Maxx dodávané společností Air Products, které dále obsahují přídavky oxidu uhličitého, kyslíku a helia v různých poměrech. Jednou z nejdůležitějších charakteristik plynů používaných pro ochranné atmosféry je tepelná vodivost zaručující mimo jiné převod energie do místa svaru.


Pro zvětšení klikněte na tabulku.

Testování účinku ochranné atmosféry

Cílem experimentu je navařit kruhový kontinuální návar o padesáti vrstvách. Pro každý návar byl použit jiný ochranný plyn. Plyny a jejich složení jsou popsány v tabulce.

Experiment probíhal v mezifakultní laboratoři Ústavu strojírenské technologie na Fakultě strojní ČVUT v Praze, která disponuje robotizovaným pracovištěm osazeným šestiosým robotem Fanuc ArcMate 100iC. Jako svařovací proces byl použit CMT (Cold Metal Transfer) od společnosti Fronius, jako přídavný materiál byl použit HPT Welding wire G3Si od společnosti XU78 – HBT Weld (agenturní zastoupení společnosti Air Products).


Metodika odečítání měřených parametrů

Vyhodnocení experimentu

Výsledné navařené objekty byly vyhodnoceny změřením vlnitosti povrchu (SW), efektivní tloušťky stěny (EWT) a efektivní výškou návaru (EH) na příčném řezu návaru. Metodika odečítání je vyobrazena na obrázku. Pro lepší zobrazení výsledků vlnitosti povrchu jsou hodnoty na vnitřní straně stěny návaru v grafu vynášeny jako záporné hodnoty. SW1 představují hodnoty na vnitřní stěně vzorku, SW2 na vnější stěně návaru.

Oxidu uhličitého a helia raději méně

 

Naměřené hodnoty efektivní výšky návaru a naměřené hodnoty efektivní tloušťky stěny návaru


Naměřené hodnoty vlnitosti povrchu

Cílem experimentu bylo zjistit vliv jednotlivých ochranných atmosfér použitých při technologii svařování na geometrickou kvalitu povrchu vzorku vyrobeného pomocí technologie WAAM. Podle teoretických předpokladů založených na rozdílné tepelné vodivosti jednotlivých složek směsných ochranných atmosfér bylo potvrzeno, že pro kontinuální návar malých rozměrů, kdy každá předchozí vrstva nemá dostatek času pro vychladnutí, je nutné použít ochrannou atmosféru s minimálním obsahem oxidu uhličitého a helia.

Poděkování

Ochranné atmosféry pro experimentální činnost v oblasti výzkumu a aplikace technologie WAAM poskytla společnost Air Products.


Seznam použité literatury:

[1] KOLAŘÍK, Ladislav, Jan SUCHÁNEK a Marie KOLAŘÍKOVÁ. Navařování metodou WAAM. MM Průmyslové spektrum. 2018, (12), 60. ISSN 1212-2572.
[2] TUSEK, J. Experimental research of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas in arc welding of high-alloy stainless steel. International Journal of Hydrogen Energy [online]. b.r., 25(4), 369-376 [cit. 2019-04-21]. DOI: 10.1016/S0360-3199(99)00033-6. ISSN 03603199. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0360319999000336
[3] Maxx® Shielding Gases. Air Products spol. s r.o. [online]. b.r. [cit. 2019-03-28]. Dostupné z: http://www.airproducts.com/Products/Gases/WeldingCutting-Gases/Maxx-Shielding-Gases.aspx


ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav strojírenské technologie

Ing. Pavel Rohan, Ph.D., EWE, Ing. Tomáš Gurčík, IWE

Pavel.Rohan@fs.cvut.cz

http://u12133.fsid.cvut.cz/

http://www.airproducts.cz/
 

Další články

3D technologie
Výzkum/ vývoj
Materiály konstrukční kovové
Technologie spojování/ dělení materiálů
Nekonvenční technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: