Procesy łączenia różnych materiałów, głównie stali, za pomocą spawania stosowane są w przemyśle już od ponad stu lat. Przez ten czas wprowadzano nowe metody, udoskonalano już istniejące, a wszystko w celu uzyskania jak najtrwalszych połączeń spajanych konstrukcji. Obecnie, w dobie coraz większej konkurencji rynkowej, technologie przemysłowego spawania nie tylko muszą zapewnić niezawodność tych procesów, ale też powinny być zoptymalizowane pod względem kosztów i czasu pracy. Stąd wprowadzanie nowych rozwiązań, które jednak nie są rewolucją w obszarze spawania, ale raczej ewolucją istniejących technik.

Hybrydowe spawanie, czyli dwa w jednym

Spawanie hybrydowe HLAW (ang. Hybrid Laser Arc Welding) to, w wielkim skrócie, kombinacja procesu spawania łukowego ze spawaniem wiązką laserową (dokładnie tę technologię spawania przemysłowego opisywaliśmy w czerwcowym wydaniu naszego magazynu). Nie wchodząc zbyt głęboko w szczegóły, można powiedzieć, że w procesie tym wiązka laserowa dokonuje najpierw głębokiego i wąskiego wtopienia w materiał, w które następnie metodą tradycyjną jest wprowadzane spoiwo. W praktyce podczas spawania wykorzystuje się różne źródła ciepła. Najczęściej są to lasery gazowe, ale występują również lasery diodowe, lampowe, włóknowe czy dyskowe. Z kolei źródło łukowe wytwarzane jest metodą MIG (spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazu obojętnego) bądź MAG (spawanie łukowe w osłonie gazu aktywnego), a rzadziej także TIG (spawanie łukowe elektrodą nietopliwą w osłonie gazów obojętnych).

Do najważniejszych korzyści z zastosowania metody HLAV należy większa szybkość spawania: średnio nawet o 50%, a przy łączonych dużych elementach (np. elementach konstrukcyjnych okrętów) – nawet do 80%. Ponadto technologia ta nie wymaga bardzo dokładnego spasowania łączonych elementów, co jest niezbędne przy spawaniu laserowym. Tolerancja dokładności może tu być nawet 2-, 3-krotnie wyższa, dzięki czemu uzyskuje się oszczędności na kosztach ponoszonych w fazie przygotowania łączonych powierzchni. Uzyskana tą metodą spoina charakteryzuje się wysoką jakością i mniejszą liczbą odkształceń w porównaniu ze spawaniem łukowym przy znacznie wyższej elastyczności złącza. Dodatkowo mniejsza liczba koniecznych ściegów pozwala zredukować czas spawania, jak również użyty materiał będący spoiwem, ogranicza też zapotrzebowanie na energię, co przekłada się na konkretne oszczędności.

Roboty coraz popularniejsze

Automatyzacja procesów produkcyjnych staje się już nie tyle szansą na uzyskanie przewagi konkurencyjnej, ile koniecznością – by konkurenci zbyt daleko nie uciekli. Dlatego też roboty przemysłowe pojawiają się w coraz to nowych obszarach i przejmują coraz większą liczbę zadań wykonywanych dotychczas przez ludzi. Przy czynnościach spawalniczych roboty wykorzystywane są od dłuższego czasu – można wręcz zaryzykować stwierdzenie, że spawanie było jednym z pierwszych procesów produkcyjnych, w których roboty stosowano na tak dużą skalę. Sprawdziło się to w praktyce i niesie ze sobą liczne korzyści.

Najważniejsza chyba zaleta wykorzystania robotów w spawalnictwie to możliwość spełnienia wysokich wymagań jakościowych, jakie pojawiają się przy okazji łączenia różnych elementów. Co ważne, robot się nie męczy i teoretycznie może przez 24 godziny wykonywać prace spawalnicze, przez cały czas z równą dokładnością i zachowaniem najważniejszych parametrów spawania. Dokładność ta przy jednoczesnym braku pomyłek i błędów, jakie zdarzają się nawet najbardziej doświadczonym spawaczom, to wymierne korzyści chociażby ze względu na mniejsze ilości marnotrawionego materiału. Szacuje się, że przestawienie się na zrobotyzowane spawanie może przynieść oszczędności rzędu 10–20%. Warto również pamiętać, że wysoki stopień powtarzalności czynności pozwala uzyskać przedmioty o takiej samej jakości, co jest szczególnie istotne przy produkcji masowej. Nierzadko proces spawalniczy wymaga też wykonywania nietypowych ruchów i połączeń, często nie do osiągnięcia dla człowieka.

Roboty stają się wówczas jedyną realną alternatywą. Ponadto są one w stanie samodzielnie i na bieżąco wyliczyć zmieniającą się trajektorię w celu poprawnego wykonania danej czynności. Użycie robotów pozwala też na sprawne zarządzanie ich pracą oraz bieżące monitorowanie postępów wykonywanych prac. Nabiera to szczególnego znaczenia, gdy w hali produkcyjnej pracuje więcej robotów spawalniczych – nie ma wówczas potrzeby zatrudniania kilku operatorów, pracownik taki nie musi też cały czas być w ruchu. Zdalne monitorowanie pracy pozwala na śledzenie i zapisywanie wszystkich niezbędnych parametrów procesu. W razie wystąpienia jakiejkolwiek nieprawidłowości można zareagować niemal natychmiast.

Robotyzacja metody HLAW

Zalety hybrydowych technik spawania i wykorzystania robotów w procesach spawalniczych coraz częściej skłaniają do łączenia obu tych trendów. Zrobotyzowana technologia HLAW zapewnia wszystkie korzyści, jakie występują w tradycyjnym przebiegu tego procesu (bez pomocy robota przemysłowego), do tego dochodzi możliwość uzyskiwania wysokiej i stabilnej jakości połączenia w trudnych warunkach i w każdej pozycji, czyli tam, gdzie człowiek dotrzeć nie może lub byłoby to znacznie utrudnione.

Robotyzacja spawania przy wykorzystaniu technologii HLAW wciąż nie jest popularna, głównie dlatego, że rozwiązanie to niesie ze sobą liczne dodatkowe wymagania dotyczące stosowanych głowic spawalniczych, użytych laserów i zapewnienia bezpieczeństwa. W przypadku zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych najczęściej wykorzystywane są lasery dyskowe bądź włóknowe, ponieważ zastosowanie najbardziej dziś popularnych laserów gazowych byłoby tu mocno utrudnione, jeśli nie niemożliwe. Instalacje przeznaczone do hybrydowego spawania charakteryzują się znacznymi rozmiarami, co wynika z konieczności spełnienia wymogów bezpieczeństwa, czyli uzyskania odpowiednich minimalnych odległości od głowicy laserowej.

Dość duże rozmiary głowic do spawania hybrydowego i ich masa sięgająca nawet 20 kg stawiają duże wymagania robotom, których zadaniem jest obsługa takich głowic. Ich udźwig powinien wynosić od 30 do nawet 60 kg, co może pociągać za sobą zmniejszenie dokładności procesu spawania. Roboty takie mają swoje ograniczenia np. przy wykonywaniu ruchów o małej amplitudzie. Pewnym rozwiązaniem może być zastosowanie robotów o podwyższonej dokładności, co jednak dość mocno podnosi koszty takich instalacji.

W najbliższym czasie można oczekiwać prób miniaturyzacji zrobotyzowanych stanowisk do spawania metodą hybrydową. Wyeliminowałoby to największe obecne wady tego rozwiązania: mniejszą dokładność spawania i wysokie koszty nabycia instalacji. Ponadto mniejsze roboty to niższe zużycie energii. Widoczny jest również wzrost popytu na roboty o zwiększonym zasięgu z dłuższą fajką spawalniczą. Są one w stanie wykonać więcej prac, nie ruszając się z miejsca, a to powoduje, że nie ma konieczności stosowania dodatkowych torów jezdnych. Niewykluczone też, że w związku z ciągłymi modyfikacjami na rynku robotów przemysłowych także w przypadku procesów spawalniczych nastąpi dalsza optymalizacja tej technologii nie tylko w wymienionych wyżej aspektach.

O tym, że robotyzacja w spawalnictwie jest koniecznością, nie trzeba chyba nikogo przekonywać. W przypadku polskiego rynku, choć pewnie nie tylko, trzeba zwrócić uwagę na jeszcze jedną istotną kwestię – coraz bardziej odczuwalnego braku doświadczonych specjalistów spawaczy. W takiej sytuacji zrobotyzowane stanowiska do hybrydowego spawania mogą stać się po prostu koniecznością.