Optymalizacji procesu spajania materiałów służą m.in. metody wysokowydajnego spawania, w tym TIME, Rapid Weld i Rapid Arc. Postęp w zakresie metod wysokowydajnych nie byłby jednak możliwy bez równoległego rozwoju materiałów spawalniczych, elektroniki systemów sterowania oraz urządzeń spawalniczych.

TIME do ciężkich konstrukcji stalowych

Metoda TIME (ang. Transferred Ionized Molten Energy) jest wysokoenergetycznym procesem spawania, który wymaga zastosowania urządzeń spawalniczych zapewniających zdolność utrzymania stałej, wysokiej wartości napięcia łuku elektrycznego oraz natężenia prądu spawania (~300 A). Dodatkowymi czynnikami podwyższającymi wydajność spajania są w tym przypadku: długi wylot drutu elektrodowego wynoszący ok. 18-35 mm, większe tempo podawania drutu elektrodowego (> 450 g/min) oraz odpowiednio dobrana mieszanka gazów osłonowych (65% Ar, 26,5% He, 8% CO2 oraz 0,5% O2).

Dzięki odpowiedniej mieszance gazów możliwe jest uzyskanie ich wysokiego zjonizowania, czyli plazmy. Argon odpowiada tutaj za stabilną kolumnę łuku plazmowego, hel podwyższa przewodnictwo cieplne, zaś tlen i CO2 powodują zwiększenie napięcia powierzchniowego ciekłego metalu. Materiał drutu spawalniczego przenoszony jest przez łuk natryskowo (drobnymi kroplami) do jeziorka spawalniczego.

Wysokoenergetyczne spawanie realizowane jest z wykorzystaniem metody MAG na jeden z dwóch sposobów: przy użyciu jednej elektrody pracującej z dużą prędkością podawania drutu elektrodowego z jednocześnie bardzo podwyższonymi parametrami łuku bądź z użyciem dwóch drutów elektrodowych (tzw. proces dwułukowy) przy wysokich parametrach łuków, które stapiają się jednocześnie w jednym wspólnym jeziorku spawalniczym. Elektrycznie oba druty są rozdzielone, co pozwala na selektywną regulację transferu materiału.

Metodę TIME ze względu na wysoką jakość i dobre właściwości złączy wykorzystuje się przy budowie ciężkich, nośnych konstrukcji stalowych (m.in. mostów, wiaduktów, okrętów, dźwignic oraz szkieletów konstrukcyjnych budynków), w których konieczne jest wykonanie długich spoin o dużym przekroju.

Metoda TIME może być realizowana ręcznie, a także w sposób zmechanizowany lub zautomatyzowany. Można ją stosować w dwóch pozycjach: podolnej, dopuszczalnej ze względu na możliwość ściekania metalu, lub doczołowej, w której konieczne jest stosowanie podkładek zabezpieczających grań spoiny.

Spawanie grubo- i cienkościennych elementów

Metoda Rapid Melt została opracowana w celu zwiększenia wydajności spawania w procesie zmechanizowanego (zautomatyzowanego) spajania elementów grubościennych. Drut spawalniczy jest tu podawany z prędkością roboczą od 25 do 35 m/min, a wydajność stapiania wynosi od 10 do 25 kg/h.

Pochodną metody Rapid Melt jest technika Rapid Arc, która w przeciwieństwie do tej pierwszej została opracowana z myślą o wysokowydajnym spawaniu niewielkich elementów cienkościennych o grubości ścianek od 1 mm. Podobnie jak w metodzie TIME zastosowano tu wydłużony wylot drutu elektrodowego i dużą prędkość podawania drutu, ale ograniczono – w stosunku do klasycznej wersji spawania MAG – napięcie łuku. W zestawieniu z dużym wylotem drutu elektrodowego oraz wysoką opornością tego odcinka powoduje to większe jego nagrzewanie, a w konsekwencji – bardziej efektywne stapianie bez wtopień i podtopień. Tak zmodyfikowany łuk zwarciowy umożliwia spawanie blach o grubości 2-3 mm z prędkością od 1,2 do 1,5 m/min, a więc dwukrotnie szybciej niż w klasycznej metodzie MAG.

W konwencjonalnym spawaniu impulsowym wykorzystuje się dłuższy łuk, co pozwala na minimalizowanie odprysków, lecz ogranicza prędkość spawania. W spajaniu metodą Rapid Arc wykorzystuje się krótki łuk, a liczba odprysków jest ograniczana dzięki wysokim siłom spawania oddzielającym krople od elektrody, co przyczynia się do stabilizacji jeziorka. W chwili kontaktu kropli z jeziorkiem spawalniczym występuje zjawisko zwarcia powodujące wzrost natężenia prądu aż do momentu wyeliminowania zwarcia. W obu metodach Arc zaleca się stosowanie mieszanki gazów składających się z Ar i 8% CO2. Dopuszcza się domieszkę niewielkiej ilości azotu.

Inną wysokowydajną metodą spawania jest technika Linfast bazująca na metodzie MAG z jednym drutem elektrodowym. Parametry procesu spawania odpowiadają tym stosowanym w metodach Rapid. Różnicę stanowi natomiast skład mieszanki gazów osłonowych (Ar, He, CO2), zapewniający wysoką stabilność łuku przy prędkości podawania drutu ok. 20 m/min, a także poprawę kształtu spoin.

Zalety i słabości wysokowydajnych metod spawania

Wysokowydajne metody MAG umożliwiają dwu-, a nawet trzykrotne skrócenie czasu spajania przy wydajności rzędu 450-500 g/h. Wykonana spoina cechuje się dużą czystością metalurgiczną oraz dobrymi właściwościami połączenia, w tym wysoką udarnością. Co więcej, w metodach tych uzyskuje się zwiększoną głębokość wtopienia ze stabilnym przekrojem spoiny.

Najczęstsze trudności związane ze stosowaniem wysokowydajnych metod spawania dotyczą jakości początku i końca spoiny. Wysoka energetyczność i związane z nią duże promieniowanie łuku z nagrzanym metalem utrudniają spawanie ręczne, ograniczając niejako zakres stosowania tych metod do stanowisk zautomatyzowanych i zrobotyzowanych. Ilość doprowadzonej energii cieplnej może też skutkować pogorszeniem właściwości wytrzymałościowych złącza.

Kwestia robotyzacji stanowiska spawalniczego wiąże się z kolei z aspektami sterowania i kontroli online procesu spawania. Możliwość monitorowania wielkości jeziorka spawalniczego oraz odprowadzania ciepła w celu modyfikacji parametrów w trakcie spawania istotnie podniosłaby jakość i wydajność tego procesu. Bardzo ważną rolę odgrywają w tym przypadku także pozycjonery, które zapewniają odpowiednie pozycjonowanie robota oraz przedmiotu obrabianego w przestrzeni roboczej. Podwyższenie wydajności procesu spawania może być realizowane na wiele sposobów, choćby przez zastosowanie wielopalnikowej głowicy spawalniczej. Każde rozwiązanie to efekt przede wszystkim prac doświadczalnych oraz postępu w zakresie rozwoju technik spawania.