Spoiny lekkich metali – tanie, ale wytrzymałe jak stal
Osiągnięcie równowagi między ciężarem i wytrzymałością zawsze stanowiło trudność podczas projektowania bezpieczniejszych, wydajniejszych, tańszych i bardziej przyjaznych dla środowiska produktów dla sektora wytwórczego. Wyniki badań i zakończone sukcesem przemysłowe studia przypadków dowiodły, że zmniejszenie ciężaru i poprawę wydajności można osiągnąć tylko wtedy, gdy właściwości materiału i geometria są idealnie dostosowane do wymagań, profilu obciążenia i funkcji danego produktu. Wytworzenie pożądanych kształtów wymaga innowacyjnych strategii produkcji, szczególnie w przypadku materiałów trudnych w obróbce. Łączenie stopów metali przy pomocy zgrzewania elektromagnetycznego jest obiecującą innowacyjną technologią, która może zaspokoić to zapotrzebowanie. „Proces ten może być wykorzystywany do zgrzewania podobnych i odmiennych materiałów, w tym wielu materiałów trudnych do połączenia przy użyciu konwencjonalnych technik spawania”, zauważa Verena Psyk, koordynatorka finansowanego przez UE projektu JOIN-EM. Jak sama nazwa wskazuje, zgrzewanie elektromagnetyczne wykorzystuje siły elektromagnetyczne do łączenia elementów. Spoina jest formowana bez użycia ciepła, za to dzięki zderzeniu łączonych części. Proces nie wymaga stosowania topników ani gazów osłonowych i nie wytwarza szkodliwego dymu, oparów czy żużla. Pozwala to zmniejszyć ogólny negatywny wpływ obróbki na środowisko. „Chociaż ta technika łączenia przypomina bardziej popularne metody, takie jak zgrzewanie wybuchowe lub platerowanie, jest ona znacznie bezpieczniejsza, dzięki czemu można ją łatwiej wdrożyć w przemyśle”, dodaje Psyk. Zasada działania Zgrzewanie elektromagnetyczne polega na zastosowaniu tzw. generatora impulsów, który składa się głównie z zestawu kondensatorów. Gdy wymagana ilość energii zostanie zmagazynowana w kondensatorach, jest natychmiast uwalniana do cewki. Prąd wyładowczy wzbudza silne przejściowe pole magnetyczne, a wytworzone impulsowe pole magnetyczne wzbudza przeciwstawny prąd w obrabianym elemencie. Oddziaływanie pomiędzy dwoma prądami i polem magnetycznym generuje siły Lorentza, które przyspieszają obrabiany element do bardzo dużych prędkości w bardzo krótkim czasie. Po pokonaniu początkowego odstępu obrabiany element uderza z bardzo dużą prędkością w element docelowy. Jakość tej kolizji zależy od prędkości i kąta zderzenia. Jeśli parametry te znajdują się w przedziale określonym dla danego procesu, wówczas powstaje spoina, często o falistej powierzchni granicznej. Optymalne wykorzystanie ograniczonych zasobów Ze względu na doskonałą przewodność cieplną i elektryczną miedź znajduje rozliczne zastosowania, szczególnie w urządzeniach grzewczych i chłodniczych oraz urządzeniach elektrycznych. Jest ona jednak metalem ciężkim, a jej intensywne wykorzystanie nie jest zgodne nowoczesnymi metodami tworzenia lekkich konstrukcji. Biorąc pod uwagę rosnący popyt i obecny poziom znanych rezerw, miedź będzie drożeć, a jej wydobycie będzie stawać się coraz trudniejsze, co oznacza dodatkowe koszty dla producentów. Projekt JOIN-EM miał na celu zmniejszenie zużycia miedzi poprzez częściowe zastąpienie jej aluminium. „Nasze nowe rozwiązanie w zakresie zgrzewania pomaga w tworzeniu ulepszonych, lekkich konstrukcji ze złożonych hybrydowych części miedziano-aluminiowych, przy dalszej redukcji kosztów i lepszej wydajności. Łączenie będzie odbywać się szybciej i efektywniej, skutkując dłuższą żywotnością i wyższą jakością spoin. Wszystko to przełoży się na niższe zużycie energii i mniejszą emisję gazów cieplarnianych, co jest coraz bardziej istotnym wymogiem w wielu branżach”, wyjaśnia Psyk. Partnerzy projektu potwierdzili skuteczność swojej nowej techniki zgrzewania w trzech kompletnych produktach demonstracyjnych – układzie obiegu czynnika chłodniczego, skraplaczu płaskim i baterii pakietowej. Obecnie badają również możliwość zastosowania procesu do łączenia kilku innych różnych materiałów, jak np. stopów miedzi i stali oraz aluminium i stali.
Słowa kluczowe
JOIN-EM, łączenie, spoina, miedź, aluminium, zgrzewanie elektromagnetyczne, różne metale
